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1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*机器人焊接技术-国防科学技术奖1机器人焊接技术主讲人：刘立君主讲人：刘立君哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学 材料成型系材料成型系二四年九月二四年九月课程内容内容： 机器人基本知识 工业机器人工作原理 弧焊机器人离线编程及标定技术 机器人焊接系统的组成及特点主要参考教材： 林尚扬等,焊接机器人及其应用 机械工业出版社, 2000年7月 吴林等，智能化焊接技术国防工业出版社，2000年8月 陈善本等,焊接过程现代控制技术 哈工大出版社, 2001年5月机器人焊接技术-国防科学技术奖2机器人焊接的特点早期的焊接自动化程度低，基本是手工操作，产品质量不稳
2、定，甚至出现某个产品只能由某个人或某几个人完成的情况，出现了“王麻子菜刀”、“张小泉剪刀”、“张氏陀螺”。手工操作受操作人员情绪等个人状态的影响，产品质量不稳定。所以现代企业要尽量摆脱这种对专门人员的依赖，采用自动化的机器设备来保证产品质量及效率。20世纪70年代：工业机器人技术被应用到焊接领域，焊接自动化程度发生了质的飞跃，焊接质量及效率得到显著提高。机器人焊接技术-国防科学技术奖3机器人焊接的特点根据对产品的适应能力，焊接自动化系统可以分为： “刚性”自动化系统，也称专机，主要针对大批量定型产品，特点为成本低、效率高，但适应的产品单一。一旦产品换型，生产线就要更换。 “柔性”自动化系统，主
3、要指通过编程可改变操作的机器，产品换型时，只需通过改变相应程序，便可适应新产品。机器人属于典型的具有柔性的设备。 随着市场经济的快速发展，企业的产品从单一品种大批量生产变为多品种小批量，要求生产线具有更大的柔性。所以焊接机器人在生产中的应用越来越广泛，机器人焊接已成为焊接自动化的发展趋势。机器人焊接技术-国防科学技术奖4采用机器人焊接，具有如下优点： 易于实现焊接产品质量的稳定和提高，保证其均一性； 提高生产率，一天可24小时连续生产，机器人不会疲倦； 改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作； 降低对工人操作技术难度的要求； 缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资； 可实现小批量产品
4、焊接自动化； 可作为数字化制造的一个环节。机器人焊接的特点机器人焊接技术-国防科学技术奖5第一章 机器人工作原理第一节 机器人基本知识第二节 机器人工作原理机器人焊接技术-国防科学技术奖6第一节 机器人基本知识一 机器人的概念二 机器人的发展及现状三 机器人的分类四 工业机器人常用术语机器人焊接技术-国防科学技术奖7一、机器人的概念 “Robot”的来源 1920年，捷克作家Karel Capek的科幻剧Rossums Universal Robots（罗萨姆的万能机器人），剧中描写了一批能从事各项劳动、听命于人的机器，取名为“Robota”（捷克语），含义为：forced worker （奴
5、隶）。 英语：Robot 德语：Robot 日语： 俄语： 汉字：机器人 Karel Capek（18901938）机器人焊接技术-国防科学技术奖8一、机器人的概念机器人的定义：国际上对机器人的定义很多 The Webster dictionary (Webster, 1993) : “An automatic device that performs functions normally ascribed to humans or a machine in the form of a human.” 一个自动化设备，它能执行通常由人执行的任务；或一个人型的机器 美国机器人学会（The Rob
6、ot Institute of America，1979) : “A reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move materials, parts, tools, or specialized devices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks.” 一个可再编程的多功能操作器，用来移动材料、零部件、工具等；或一个通过编程用于完成各种任务的专用设备。 ISO，1987：工业机器人是一种具有自动控制的操作
7、和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。机器人焊接技术-国防科学技术奖9二、工业机器人的发展及现状1954年，美国人G.Devol 和J.Engleberger设计了一台可编程的机器人1961年，他们生产了世界上第一台工业机器人“Unimates”，并获得了专利1962年，Engleberger 成立了Unimation公司，他被称为“机器人之父”日本从上世纪70年代中后期开始开发工业机器人，15年后就成为产量最多、应用最广的世界工业机器人“王国”。 Unimates 机器人机器人焊接技术-国防科学技术奖10二、工业机器人的发展及现状2000年，统计数据表明，全世界工业机器人总量为757,0
8、00台，其中 日本，402,200台 美国， 92,900台 德国， 81,200台 新加坡，5,300台 台湾， 6,400台这些机器人中45为焊接机器人（点焊、弧焊）我国大陆地区工业机器人用户700多家，拥有工业机器人约3500台，其中焊接机器人约1000台，与国外的差距是明显的。值得欣喜的是，我国机器人应用发展较快，1996年我国焊接机器人仅为500台，目前以每年30以上的速度增长。机器人焊接技术-国防科学技术奖11二、工业机器人的发展及现状主要机器人厂家日本：Motoman、OTC、Panasonic、FANUC等美国：Adept等欧洲：奥地利IGM、德国CLOOS、KUKA、瑞典AB
9、B韩国：HYUNDAI沈阳新松FANUC机器人焊接技术-国防科学技术奖12三、机器人的分类机器人分类方法很多按照技术水平划分： 第一代：示教再现型，具有记忆能力。目前，绝大部分应用中的工业机器人均属于这一类。缺点是操作人员的水平影响工作质量。 第二代：初步智能机器人，对外界有反馈能力。部分已经应用到生产中。 第三代：智能机器人，具有高度的适应性，有自行学习、推理、决策等功能，处在研究阶段。机器人焊接技术-国防科学技术奖13三、机器人的分类按照基本结构划分： 直角坐标型，也称“机床型” 圆柱坐标型 球坐标型 全关节型机器人焊接技术-国防科学技术奖14三、机器人的分类按照受控运动方式划分： 点位控
10、制（PTP）型，Point to Point, 如点焊、搬运机器人 连续轨迹控制（CP）型，Continous Path，如弧焊、喷漆机器人按驱动方式划分： 气压驱动（压缩空气） 液压驱动（重型机器人，如搬运、点焊机器人） 电驱动（电动机），应用最多机器人焊接技术-国防科学技术奖15三、机器人的分类按照应用领域划分：工业机器人，面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。特种机器人，用于非制造业的各种机器人，服务机器人、水下机器人、农业机器人、军用机器人等机器人焊接技术-国防科学技术奖16三、机器人的分类华宇I型弧焊机器人机器人焊接技术-国防科学技术奖17三、机器人的分类弧焊机器人 点焊机器人
11、机器人焊接技术-国防科学技术奖18三、机器人的分类伐根机器人 摘果机器人机器人焊接技术-国防科学技术奖19三、机器人的分类擦玻璃机器人 无人潜水器机器人焊接技术-国防科学技术奖20三、机器人的分类排爆机器人 外科手术机器人机器人焊接技术-国防科学技术奖21三、机器人的分类双足仿人机器人 球机器人机器人焊接技术-国防科学技术奖22三、工业机器人常用术语自由度（degree of freedom， DOF ）,物体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度，对于自由刚体，具有6个自由度。通常作为机器人的技术指标，反映机器人灵活性，对于焊接机器人一般具有56个自由度位姿（Pose），指工具的位置和姿态
12、。末端操作器（End Effector），位于机器人腕部末端，直接执行工作要求的装置，如夹持器、焊枪、焊钳等额定负载（Payload），也称为持重弧焊机器人：520kg点焊机器人：50200kg机器人焊接技术-国防科学技术奖23三、工业机器人常用术语工作空间（Working Space），机器人工作时，其腕轴交点能在空间活动的范围。重复位姿精度（Pose Repeatability），在同一条件下，重复N次所测得的位姿一致程度。轨迹重复精度（Path Repeatability），沿同一轨迹跟随N次，所测得的轨迹之间的一致程度机器人焊接技术-国防科学技术奖24第二章 机器人运动学分析第一节 位
13、置和姿态的表示第二节 坐标变换第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系第四节 连杆坐标变换及运动学方程第五节 运动学逆问题的相关问题机器人焊接技术-国防科学技术奖25机器人运动学的研究内容 一般可以将机器人看作是一个开链式多连杆机构，始端连杆就是机器人的机座，末端连杆与工具相连，相邻连杆之间用一个关节连接在一起。机器人运动学包括两方面问题：运动学正问题：已知各关节角值，求工具在空间的位置和姿态。实际上，这是建立运动学方程的过程。运动学逆问题：已知工具的位姿，求各关节角值，这是求解运动学方程的问题。机器人焊接技术-国防科学技术奖26第一节 位置和方位的表示 为了描述机器人本身各连杆之间、机器人和环境之
14、间的运动关系，通常将它们看作刚体。 刚体的位置和姿态描述 在直角坐标系A中，任意一点P的位置可以用31列向量表示。称为位置矢量机器人焊接技术-国防科学技术奖27第一节 位置和方位的表示 为了确定刚体B的姿态（也称方位），设一个坐标系B与该刚体固接。用坐标系的三个单位主矢量xB， yB，zB相对于参考坐标系A的方向余弦组成的33矩阵表示刚体B相对于坐标系A的姿态。 称为旋转矩阵，也可表示成： 旋转矩阵是正交的。机器人焊接技术-国防科学技术奖28第一节 位置和方位的表示按照上述定义，绕 x 轴旋转了 角的旋转矩阵，为同样也可以写出R（y，），R（z，）总之，用位置矢量描述刚体的位置，用旋转矩阵描述
15、刚体的姿态（方位）机器人焊接技术-国防科学技术奖29第一节 位置和方位的表示 为了完全描述刚体B在空间的位置和姿态，通常将刚体B与某一坐标系相固接，通常记为B，B的原点一般选在刚体B的特征点上，如质心或对称中心等。对弧焊机器人中的焊枪可以将原点选在焊枪电极端部。则相对于参考坐标系A，用位置矢量ApB0和旋转矩阵 分别描述B原点位置及坐标系的方位，即刚体B的位置和姿态可由坐标系B来描述：当表示位置时，旋转矩阵为单位阵；当表示姿态时，位置矢量等于零。机器人焊接技术-国防科学技术奖30第二节 坐标变换 1、坐标平移坐标系B与A具有相同的方位，但B的原点与A的原点不重合，则空间任意点P在A中的描述可以
16、表示为：称为坐标平移方程机器人焊接技术-国防科学技术奖31第二节 坐标变换 2、坐标旋转坐标系B与A原点重合，但两者的方位不同，则空间任意点P在A中的描述可以表示为：称为坐标旋转方程 3、一般变换坐标系B与A既不共原点，方位亦不同，此时，机器人焊接技术-国防科学技术奖32第二节 坐标变换 4、齐次坐标变换用41列向量表示三维空间坐标系中的点：称为齐次坐标，齐次坐标具有不唯一性。引入齐次坐标后，一般变换变为：机器人焊接技术-国防科学技术奖33第二节 坐标变换称为齐次变换矩阵机器人焊接技术-国防科学技术奖34第二节 坐标变换举例：如果xB与yA同向；yB与zA同向；zB与xA同向。则，机器人焊接技术-国防科学技术奖35第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系 对于一个6自由度机器人，有6个连杆和6个关节组成。编号时，机座称为连杆0，不包含在这6个连杆内，连杆1与机座由关节1相连，连杆2通过关节2与连杆1相连，依此类推。关节1关节2关节3关节4关节5关节6连杆0连杆1连杆2连杆3连杆4连杆5连杆6 如前所述，可以将机器人看作是一个开链式多连杆机构，始端连杆就是机器人的机座，末端连杆与工具相连，相邻
