機(jī)器人焊接技術(shù)課件

機(jī)器人焊接技術(shù)主講人：劉立君哈爾濱理工大學(xué)材料成型系二〇〇四年九月0機(jī)器人焊接技術(shù)主講人：劉立君0課程內(nèi)容內(nèi)容：機(jī)器人基本知識(shí)工業(yè)機(jī)器人工作原理弧焊機(jī)器人離線編程及標(biāo)定技術(shù)機(jī)器人焊接系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)主要參考教材：林尚揚(yáng)等,《焊接機(jī)器人及其應(yīng)用》機(jī)械工業(yè)出版社,2000年7月吳林等，《智能化焊接技術(shù)》國(guó)防工業(yè)出版社，2000年8月陳善本等,《焊接過(guò)程現(xiàn)代控制技術(shù)》哈工大出版社,2001年5月1課程內(nèi)容內(nèi)容：1機(jī)器人焊接的特點(diǎn)早期的焊接自動(dòng)化程度低，基本是手工操作，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)某個(gè)產(chǎn)品只能由某個(gè)人或某幾個(gè)人完成的情況，出現(xiàn)了“王麻子菜刀”、“張小泉剪刀”、“張氏陀螺”。手工操作受操作人員情緒等個(gè)人狀態(tài)的影響，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。所以現(xiàn)代企業(yè)要盡量擺脫這種對(duì)專門人員的依賴，采用自動(dòng)化的機(jī)器設(shè)備來(lái)保證產(chǎn)品質(zhì)量及效率。20世紀(jì)70年代：工業(yè)機(jī)器人技術(shù)被應(yīng)用到焊接領(lǐng)域，焊接自動(dòng)化程度發(fā)生了質(zhì)的飛躍，焊接質(zhì)量及效率得到顯著提高。2機(jī)器人焊接的特點(diǎn)早期的焊接自動(dòng)化程度低，基本是手工操作，產(chǎn)品機(jī)器人焊接的特點(diǎn)根據(jù)對(duì)產(chǎn)品的適應(yīng)能力，焊接自動(dòng)化系統(tǒng)可以分為：“剛性”自動(dòng)化系統(tǒng)，也稱專機(jī)，主要針對(duì)大批量定型產(chǎn)品，特點(diǎn)為成本低、效率高，但適應(yīng)的產(chǎn)品單一。一旦產(chǎn)品換型，生產(chǎn)線就要更換?！叭嵝浴弊詣?dòng)化系統(tǒng)，主要指通過(guò)編程可改變操作的機(jī)器，產(chǎn)品換型時(shí)，只需通過(guò)改變相應(yīng)程序，便可適應(yīng)新產(chǎn)品。機(jī)器人屬于典型的具有柔性的設(shè)備。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，企業(yè)的產(chǎn)品從單一品種大批量生產(chǎn)變?yōu)槎嗥贩N小批量，要求生產(chǎn)線具有更大的柔性。所以焊接機(jī)器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，機(jī)器人焊接已成為焊接自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。3機(jī)器人焊接的特點(diǎn)根據(jù)對(duì)產(chǎn)品的適應(yīng)能力，焊接自動(dòng)化系統(tǒng)可以分為采用機(jī)器人焊接，具有如下優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提高，保證其均一性；提高生產(chǎn)率，一天可24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，機(jī)器人不會(huì)疲倦；改善工人勞動(dòng)條件，可在有害環(huán)境下長(zhǎng)期工作；降低對(duì)工人操作技術(shù)難度的要求；縮短產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資；可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品焊接自動(dòng)化；可作為數(shù)字化制造的一個(gè)環(huán)節(jié)。機(jī)器人焊接的特點(diǎn)4采用機(jī)器人焊接，具有如下優(yōu)點(diǎn)：機(jī)器人焊接的特點(diǎn)4第一章機(jī)器人工作原理第一節(jié)機(jī)器人基本知識(shí)第二節(jié)機(jī)器人工作原理5第一章機(jī)器人工作原理第一節(jié)機(jī)器人基本知識(shí)5第一節(jié)機(jī)器人基本知識(shí)一機(jī)器人的概念二機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀三機(jī)器人的分類四工業(yè)機(jī)器人常用術(shù)語(yǔ)6第一節(jié)機(jī)器人基本知識(shí)一機(jī)器人的概念6一、機(jī)器人的概念“Robot”的來(lái)源1920年，捷克作家KarelCapek的科幻劇《Rossum‘sUniversalRobots》（羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人），劇中描寫了一批能從事各項(xiàng)勞動(dòng)、聽(tīng)命于人的機(jī)器，取名為“Robota”（捷克語(yǔ)），含義為：forcedworker（奴隸）。英語(yǔ)：Robot

德語(yǔ)：Robot

日語(yǔ)：ロボツト俄語(yǔ)：робот漢字：機(jī)器人KarelCapek

（1890－1938）7一、機(jī)器人的概念“Robot”的來(lái)源KarelCapek

一、機(jī)器人的概念機(jī)器人的定義：國(guó)際上對(duì)機(jī)器人的定義很多TheWebsterdictionary(Webster,1993):

“Anautomaticdevicethatperformsfunctionsnormallyascribedtohumansoramachineintheformofahuman.”一個(gè)自動(dòng)化設(shè)備，它能執(zhí)行通常由人執(zhí)行的任務(wù)；或一個(gè)人型的機(jī)器美國(guó)機(jī)器人學(xué)會(huì)（TheRobotInstituteofAmerica，1979):

“Areprogrammable,multifunctionalmanipulatordesignedtomovematerials,parts,tools,orspecializeddevicesthroughvariousprogrammedmotionsfortheperformanceofavarietyoftasks.”一個(gè)可再編程的多功能操作器，用來(lái)移動(dòng)材料、零部件、工具等；或一個(gè)通過(guò)編程用于完成各種任務(wù)的專用設(shè)備。ISO，1987：

工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)。8一、機(jī)器人的概念機(jī)器人的定義：國(guó)際上對(duì)機(jī)器人的定義很多8二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀1954年，美國(guó)人G.Devol和J.Engleberger設(shè)計(jì)了一臺(tái)可編程的機(jī)器人1961年，他們生產(chǎn)了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人“Unimates”，并獲得了專利1962年，Engleberger成立了Unimation公司，他被稱為“機(jī)器人之父”日本從上世紀(jì)70年代中后期開(kāi)始開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人，15年后就成為產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的世界工業(yè)機(jī)器人“王國(guó)”。Unimates機(jī)器人9二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀1954年，美國(guó)人G.Devol二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀2000年，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，全世界工業(yè)機(jī)器人總量為757,000臺(tái)，其中日本，402,200臺(tái)美國(guó)，92,900臺(tái)德國(guó)，81,200臺(tái)新加坡，5,300臺(tái)臺(tái)灣，6,400臺(tái)這些機(jī)器人中45％為焊接機(jī)器人（點(diǎn)焊、弧焊）我國(guó)大陸地區(qū)工業(yè)機(jī)器人用戶700多家，擁有工業(yè)機(jī)器人約3500臺(tái)，其中焊接機(jī)器人約1000臺(tái)，與國(guó)外的差距是明顯的。值得欣喜的是，我國(guó)機(jī)器人應(yīng)用發(fā)展較快，1996年我國(guó)焊接機(jī)器人僅為500臺(tái)，目前以每年30％以上的速度增長(zhǎng)。10二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀2000年，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，全世界工二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀主要機(jī)器人廠家日本：Motoman、OTC、Panasonic、FANUC等美國(guó)：Adept等歐洲：奧地利IGM、德國(guó)CLOOS、KUKA、瑞典ABB韓國(guó)：HYUNDAI沈陽(yáng)新松FANUC11二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀主要機(jī)器人廠家FANUC11三、機(jī)器人的分類機(jī)器人分類方法很多按照技術(shù)水平劃分：第一代：示教再現(xiàn)型，具有記憶能力。目前，絕大部分應(yīng)用中的工業(yè)機(jī)器人均屬于這一類。缺點(diǎn)是操作人員的水平影響工作質(zhì)量。第二代：初步智能機(jī)器人，對(duì)外界有反饋能力。部分已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)中。第三代：智能機(jī)器人，具有高度的適應(yīng)性，有自行學(xué)習(xí)、推理、決策等功能，處在研究階段。12三、機(jī)器人的分類機(jī)器人分類方法很多12三、機(jī)器人的分類按照基本結(jié)構(gòu)劃分：直角坐標(biāo)型，

也稱“機(jī)床型”圓柱坐標(biāo)型球坐標(biāo)型全關(guān)節(jié)型13三、機(jī)器人的分類按照基本結(jié)構(gòu)劃分：13三、機(jī)器人的分類按照受控運(yùn)動(dòng)方式劃分：點(diǎn)位控制（PTP）型，PointtoPoint,如點(diǎn)焊、搬運(yùn)機(jī)器人連續(xù)軌跡控制（CP）型，ContinousPath，如弧焊、噴漆機(jī)器人按驅(qū)動(dòng)方式劃分：氣壓驅(qū)動(dòng)（壓縮空氣）液壓驅(qū)動(dòng)（重型機(jī)器人，如搬運(yùn)、點(diǎn)焊機(jī)器人）電驅(qū)動(dòng)（電動(dòng)機(jī)），應(yīng)用最多14三、機(jī)器人的分類按照受控運(yùn)動(dòng)方式劃分：14三、機(jī)器人的分類按照應(yīng)用領(lǐng)域劃分：工業(yè)機(jī)器人，面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。特種機(jī)器人，用于非制造業(yè)的各種機(jī)器人，服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人等15三、機(jī)器人的分類按照應(yīng)用領(lǐng)域劃分：15三、機(jī)器人的分類華宇I(lǐng)型弧焊機(jī)器人16三、機(jī)器人的分類華宇I(lǐng)型弧焊機(jī)器人16三、機(jī)器人的分類弧焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人17三、機(jī)器人的分類弧焊機(jī)器人三、機(jī)器人的分類伐根機(jī)器人摘果機(jī)器人18三、機(jī)器人的分類伐根機(jī)器人三、機(jī)器人的分類擦玻璃機(jī)器人無(wú)人潛水器19三、機(jī)器人的分類擦玻璃機(jī)器人三、機(jī)器人的分類排爆機(jī)器人外科手術(shù)機(jī)器人20三、機(jī)器人的分類排爆機(jī)器人三、機(jī)器人的分類雙足仿人機(jī)器人球機(jī)器人21三、機(jī)器人的分類雙足仿人機(jī)器人三、工業(yè)機(jī)器人常用術(shù)語(yǔ)自由度（degreeoffreedom，DOF）,物體能夠?qū)ψ鴺?biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為自由度，對(duì)于自由剛體，具有6個(gè)自由度。通常作為機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)，反映機(jī)器人靈活性，對(duì)于焊接機(jī)器人一般具有5－6個(gè)自由度位姿（Pose），指工具的位置和姿態(tài)。末端操作器（EndEffector），

位于機(jī)器人腕部末端，直接執(zhí)行工作要求的裝置，如夾持器、焊槍、焊鉗等額定負(fù)載（Payload），也稱為持重弧焊機(jī)器人：5～20kg點(diǎn)焊機(jī)器人：50～200kg22三、工業(yè)機(jī)器人常用術(shù)語(yǔ)自由度（degreeoffreed三、工業(yè)機(jī)器人常用術(shù)語(yǔ)工作空間（WorkingSpace），機(jī)器人工作時(shí)，其腕軸交點(diǎn)能在空間活動(dòng)的范圍。重復(fù)位姿精度（PoseRepeatability），在同一條件下，重復(fù)N次所測(cè)得的位姿一致程度。軌跡重復(fù)精度（PathRepeatability），沿同一軌跡跟隨N次，所測(cè)得的軌跡之間的一致程度23三、工業(yè)機(jī)器人常用術(shù)語(yǔ)工作空間（WorkingSpace）第二章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析第一節(jié)位置和姿態(tài)的表示第二節(jié)坐標(biāo)變換第三節(jié)機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系第四節(jié)連桿坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程第五節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題的相關(guān)問(wèn)題24第二章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析第一節(jié)位置和姿態(tài)的表示24機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究?jī)?nèi)容一般可以將機(jī)器人看作是一個(gè)開(kāi)鏈?zhǔn)蕉噙B桿機(jī)構(gòu)，始端連桿就是機(jī)器人的機(jī)座，末端連桿與工具相連，相鄰連桿之間用一個(gè)關(guān)節(jié)連接在一起。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)包括兩方面問(wèn)題：運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題：已知各關(guān)節(jié)角值，求工具在空間的位置和姿態(tài)。實(shí)際上，這是建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的過(guò)程。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題：已知工具的位姿，求各關(guān)節(jié)角值，這是求解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的問(wèn)題。25機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究?jī)?nèi)容一般可以將機(jī)器人看作是一第一節(jié)位置和方位的表示為了描述機(jī)器人本身各連桿之間、機(jī)器人和環(huán)境之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通常將它們看作剛體。剛體的位置和姿態(tài)描述在直角坐標(biāo)系｛A｝中，任意一點(diǎn)P的位置可以用3×1列向量表示。稱為位置矢量26第一節(jié)位置和方位的表示為了描述機(jī)器人本身各連第一節(jié)位置和方位的表示為了確定剛體B的姿態(tài)（也稱方位），設(shè)一個(gè)坐標(biāo)系｛B｝與該剛體固接。用坐標(biāo)系的三個(gè)單位主矢量xB，

yB，zB相對(duì)于參考坐標(biāo)系｛A｝的方向余弦組成的3×3矩陣表示剛體B相對(duì)于坐標(biāo)系｛A｝的姿態(tài)。稱為旋轉(zhuǎn)矩陣，也可表示成：旋轉(zhuǎn)矩陣是正交的。27第一節(jié)位置和方位的表示為了確定剛體B的姿態(tài)（也稱方位），第一節(jié)位置和方位的表示按照上述定義，繞x軸旋轉(zhuǎn)了θ角的旋轉(zhuǎn)矩陣，為同樣也可以寫出R（y，θ），R（z，θ）總之，用位置矢量描述剛體的位置，用旋轉(zhuǎn)矩陣描述剛體的姿態(tài)（方位）28第一節(jié)位置和方位的表示按照上述定義，繞x軸旋轉(zhuǎn)了θ角第一節(jié)位置和方位的表示為了完全描述剛體B在空間的位置和姿態(tài)，通常將剛體B與某一坐標(biāo)系相固接，通常記為｛B｝，｛B｝的原點(diǎn)一般選在剛體B的特征點(diǎn)上，如質(zhì)心或?qū)ΨQ中心等。對(duì)弧焊機(jī)器人中的焊槍可以將原點(diǎn)選在焊槍電極端部。則相對(duì)于參考坐標(biāo)系｛A｝，用位置矢量ApB0和旋轉(zhuǎn)矩陣分別描述｛B｝原點(diǎn)位置及坐標(biāo)系的方位，即剛體B的位置和姿態(tài)可由坐標(biāo)系｛B｝來(lái)描述：當(dāng)表示位置時(shí)，旋轉(zhuǎn)矩陣為單位陣；當(dāng)表示姿態(tài)時(shí)，位置矢量等于零。29第一節(jié)位置和方位的表示為了完全描述剛體B在空第二節(jié)坐標(biāo)變換1、坐標(biāo)平移坐標(biāo)系｛B｝與｛A｝具有相同的方位，但｛B｝的原點(diǎn)與｛A｝的原點(diǎn)不重合，則空間任意點(diǎn)P在｛A｝中的描述可以表示為：稱為坐標(biāo)平移方程30第二節(jié)坐標(biāo)變換1、坐標(biāo)平移稱為坐標(biāo)平移方程3第二節(jié)坐標(biāo)變換2、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系｛B｝與｛A｝原點(diǎn)重合，但兩者的方位不同，則空間任意點(diǎn)P在｛A｝中的描述可以表示為：稱為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)方程3、一般變換坐標(biāo)系｛B｝與｛A｝既不共原點(diǎn)，方位亦不同，此時(shí)，31第二節(jié)坐標(biāo)變換2、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)稱為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)方程第二節(jié)坐標(biāo)變換4、齊次坐標(biāo)變換用4×1列向量表示三維空間坐標(biāo)系中的點(diǎn)：稱為齊次坐標(biāo)，齊次坐標(biāo)具有不唯一性。引入齊次坐標(biāo)后，一般變換變?yōu)椋?2第二節(jié)坐標(biāo)變換4、齊次坐標(biāo)變換稱為齊次坐標(biāo)，齊次坐標(biāo)第二節(jié)坐標(biāo)變換稱為齊次變換矩陣33第二節(jié)坐標(biāo)變換稱為齊次變換矩陣33第二節(jié)坐標(biāo)變換舉例：如果xB與yA同向；yB與zA同向；zB與xA同向。則，34第二節(jié)坐標(biāo)變換舉例：如果xB與yA同向；yB與zA同向；z第三節(jié)機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系對(duì)于一個(gè)6自由度機(jī)器人，有6個(gè)連桿和6個(gè)關(guān)節(jié)組成。編號(hào)時(shí)，機(jī)座稱為連桿0，不包含在這6個(gè)連桿內(nèi)，連桿1與機(jī)座由關(guān)節(jié)1相連，連桿2通過(guò)關(guān)節(jié)2與連桿1相連，依此類推。關(guān)節(jié)1關(guān)節(jié)2關(guān)節(jié)3關(guān)節(jié)4關(guān)節(jié)5關(guān)節(jié)6連桿0連桿1連桿2連桿3連桿4連桿5連桿6如前所述，可以將機(jī)器人看作是一個(gè)開(kāi)鏈?zhǔn)蕉噙B桿機(jī)構(gòu)，始端連桿就是機(jī)器人的機(jī)座，末端連桿與工具相連，相鄰連桿之間用一個(gè)關(guān)節(jié)連接在一起。35第三節(jié)機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系對(duì)于一個(gè)6自第三節(jié)機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系1、連桿參數(shù)（1）連桿長(zhǎng)度ai-1連桿兩端軸線間的距離連桿i-1軸i-1軸i（2）連桿扭角連桿兩端軸線間的夾角，方向?yàn)閺膇-1軸到i軸36第三節(jié)機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系1、連桿參數(shù)連桿i-1軸i第三節(jié)機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系2、連桿連接參數(shù)（1）連桿之間的距離diai,ai-1

之間的距離（2）關(guān)節(jié)角ai,ai-1

之間的夾角，方向?yàn)閺腶i-1

到ai

連桿i-1軸i-1軸i連桿i37第三節(jié)機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系2、連桿連接參數(shù)（2）關(guān)節(jié)第三節(jié)機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系以上定義為一般情況，對(duì)運(yùn)動(dòng)鏈的兩端，有一些習(xí)慣約定：如果關(guān)節(jié)1為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，則1是可變的，習(xí)慣上約定d1=0如果關(guān)節(jié)1為移動(dòng)關(guān)節(jié)，則d1是可變的，習(xí)慣上約定1

=0這些約定同樣適用于關(guān)節(jié)n所以，每個(gè)連桿可以由四個(gè)參數(shù)來(lái)描述，其中描述的為連桿i-1本身的性質(zhì)，描述的為連桿i-1和連桿i之間的關(guān)系。當(dāng)機(jī)器人的連桿鏈制作完成后，如果為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，i為變量，若為移動(dòng)關(guān)節(jié)，則di為變量，其余參數(shù)為常量。所以對(duì)于一個(gè)6自由度機(jī)器人，用18個(gè)參數(shù)描述其固定部分，用6個(gè)關(guān)節(jié)變量描述其變動(dòng)部分，這種描述方法成為D-H法。（Denavit和Hartenberg提出的）38第三節(jié)機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系以上定義為一第三節(jié)機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系3、連桿坐標(biāo)系為了確定各連桿之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在各連桿上分別建立一個(gè)坐標(biāo)系。與機(jī)座固接的坐標(biāo)系記為｛0｝，與連桿i

固接的坐標(biāo)系記為｛i｝坐標(biāo)系｛i－1｝的建立過(guò)程：zi-1與軸i-1重合，一般指向關(guān)節(jié)i-1xi-1與ai-1重合，指向關(guān)節(jié)iyi-1按右手法則確定，yi-1=zi-1×xi-1原點(diǎn)取在軸i-1與ai-1交點(diǎn)上連桿i-1軸i-1軸i連桿i39第三節(jié)機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系3、連桿坐標(biāo)系連桿i-1軸第三節(jié)機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系對(duì)于基坐標(biāo)系｛0｝，一般約定當(dāng)關(guān)節(jié)1變量為零時(shí)，｛0｝與｛1｝重合對(duì)于末端連桿坐標(biāo)系｛n｝，也約定，當(dāng)關(guān)節(jié)n-1為零時(shí)，｛n｝與｛n-1｝重合連桿參數(shù)在坐標(biāo)系中的含義：連桿i-1軸i-1軸i連桿i40第三節(jié)機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系對(duì)于基坐標(biāo)系｛0｝，一般約第四節(jié)連桿坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程在各連桿上建立坐標(biāo)系之后，可以進(jìn)行連桿坐標(biāo)系之間的變換。｛i｝到｛i-1｝的變換矩陣用表示。根據(jù)連桿坐標(biāo)系的定義，｛i｝到｛i-1｝的變換如下：先假設(shè)｛i｝與｛i-1｝重合得到坐標(biāo)系｛i｝41第四節(jié)連桿坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程在各連桿上建立坐標(biāo)系之后，可第四節(jié)連桿坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程這就是連桿坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，機(jī)器人制作完成后，每個(gè)關(guān)節(jié)只有一個(gè)變量，對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)對(duì)于移動(dòng)關(guān)節(jié)42第四節(jié)連桿坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程這就是連桿坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩第四節(jié)連桿坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程將個(gè)連桿變換矩陣相乘，可得這就是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，描述的是末端連桿（工具）相對(duì)于基坐標(biāo)系之間的變換矩陣與關(guān)節(jié)變量的之間的關(guān)系。如果通過(guò)傳感器獲得各關(guān)節(jié)變量的值，就可以確定機(jī)器人末端連桿上工具的位置和姿態(tài)。這樣就解決了機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。43第四節(jié)連桿坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程將個(gè)連桿變第五節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題的相關(guān)問(wèn)題運(yùn)動(dòng)學(xué)方程對(duì)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題，即已知末端位姿，求各關(guān)節(jié)變量值，也就是已知求（求運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的根）在運(yùn)動(dòng)學(xué)方程兩端左乘，對(duì)于6自由度機(jī)器人，有求解時(shí)，一般不是聯(lián)立求解12個(gè)方程，而是找出方程右端的常數(shù)項(xiàng)，令其與左端相應(yīng)項(xiàng)相等，即找出僅含有θ1的方程，求出θ1

將θ1代入上面方程中，利用同樣方法，可以依次求出θ2θ3θ4θ5θ6

求解時(shí)，需要直覺(jué)觀察與經(jīng)驗(yàn)，也可以采用數(shù)值解法（復(fù)雜）。44第五節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題的相關(guān)問(wèn)題運(yùn)動(dòng)學(xué)方程第五節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題的相關(guān)問(wèn)題1、解的存在性和工作空間指機(jī)器人能否到達(dá)所指定的位姿。例如，對(duì)于平面2R機(jī)械手，可直觀地寫出其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題：45第五節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題的相關(guān)問(wèn)題1、解的存在性和工作空間第五節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題的相關(guān)問(wèn)題

p點(diǎn)在圓環(huán)內(nèi)有解通常將解存在的區(qū)域稱為機(jī)器人的工作空間。分為2類：靈活工作空間，工具能以任意姿態(tài)到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)集合；可達(dá)工作空間，機(jī)器人工具至少能以一個(gè)姿態(tài)到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)集合。對(duì)于本例，靈活工作空間只有一個(gè)點(diǎn)。如果末端再增加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，則靈活空間會(huì)變大。即自由度增多，機(jī)器人變靈活。46第五節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題的相關(guān)問(wèn)題p點(diǎn)在圓環(huán)內(nèi)有解如第五節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題的相關(guān)問(wèn)題2、解的唯一性和最優(yōu)解隨著自由度的增多，運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的解越多，即達(dá)到空間某一位姿，各關(guān)節(jié)變量可以有多種不同的組合。如3R機(jī)械手當(dāng)前的位姿，有兩組解。對(duì)于6自由度機(jī)器人，解的數(shù)量最多可達(dá)16個(gè)。右圖為PUMA560機(jī)器人，工具在當(dāng)前位姿條件下，具有8組解。47第五節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題的相關(guān)問(wèn)題2、解的唯一性和最優(yōu)解第五節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題的相關(guān)問(wèn)題如何選??？避免碰撞；最短行程；多動(dòng)小關(guān)節(jié)，少動(dòng)大關(guān)節(jié)；機(jī)器人動(dòng)力學(xué)：運(yùn)動(dòng)與受力之間的關(guān)系正問(wèn)題：根據(jù)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，計(jì)算操作臂的運(yùn)動(dòng)（位移、速度、加速度）；逆問(wèn)題：已知機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)應(yīng)的位移、速度、加速度，求所需每個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩；48第五節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題的相關(guān)問(wèn)題如何選取？機(jī)器人動(dòng)第三章機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)第一節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)第二節(jié)位置控制49第三章機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)第一節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)49第一節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電動(dòng)機(jī)是機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。常采用的電動(dòng)機(jī)為：步進(jìn)電機(jī)直流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)50第一節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電動(dòng)機(jī)是機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的執(zhí)行第一節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)經(jīng)常應(yīng)用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，特點(diǎn)為具有較大的低速轉(zhuǎn)矩，可不配減速器，直接驅(qū)動(dòng)。主要分為三類：永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：轉(zhuǎn)子由磁性材料制成，具有低力矩、低速度、低成本的特點(diǎn)。一般用于計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備（打印機(jī)、光驅(qū)等）變磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：沒(méi)有磁性材料，不通電時(shí)，沒(méi)有保持力矩，也稱感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：上述原理的結(jié)合，是目前應(yīng)用越來(lái)越廣的一種。51第一節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：第一節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)

直流伺服電機(jī)20世紀(jì)80年代中期以前被廣泛使用，優(yōu)點(diǎn)為易于控制，缺點(diǎn)是需要定期維護(hù)，速度不能太高，功率不能太大。定子磁場(chǎng)是永磁鐵提供的，線圈中通入電流，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，需要換向器改變電流方向。受換向器（電刷）影響，需要定期維護(hù)，且速度不能太高。由于線圈繞在轉(zhuǎn)子上，散熱問(wèn)題不易解決，功率不能太大。52第一節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)直流伺服電機(jī)第一節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)

交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是永磁的，線圈繞在定子上，沒(méi)有電刷。線圈中通交變電流。轉(zhuǎn)子上裝有碼盤傳感器，檢測(cè)轉(zhuǎn)子所處的位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置，控制通電方向。由于線圈繞在定子上，可以通過(guò)外殼散熱，可做成大功率電機(jī)。沒(méi)有電刷，免維護(hù)。是目前在機(jī)器人上應(yīng)用最多的電動(dòng)機(jī)。53第一節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)53第一節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)相比，伺服電機(jī)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1、實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問(wèn)題；

2、高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000～3000轉(zhuǎn)；

3、抗過(guò)載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速起動(dòng)的場(chǎng)合特別適用；

4、低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。5、電機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；6、發(fā)熱和噪音明顯降低。54第一節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)相比，伺服電機(jī)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1第一節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)

減速機(jī)目前，機(jī)器人普遍采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了提高控制精度，增大驅(qū)動(dòng)力矩，一般均需配置減速機(jī)。通常配備RV減速機(jī)（精度高、剛性好）55第一節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)55第二節(jié)位置控制機(jī)器人是由多軸（關(guān)節(jié)）組成，每軸的運(yùn)動(dòng)都影響機(jī)器人未端的位置和姿態(tài)。如何協(xié)調(diào)各軸的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人未端完成要求的軌跡，是需要解決的問(wèn)題。由于絕大多數(shù)機(jī)器人是關(guān)節(jié)式運(yùn)動(dòng)形式，很難直接檢測(cè)機(jī)器人未端的運(yùn)動(dòng)，只能對(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)行控制。屬于半閉環(huán)系統(tǒng)，即僅從電動(dòng)機(jī)軸上閉環(huán)。位置控制器功率放大光電碼盤給定位置M位置反饋速度反饋電流反饋56第二節(jié)位置控制機(jī)器人是由多軸（關(guān)節(jié)）組成第二節(jié)位置控制目前機(jī)器人基本操作方式為示教再現(xiàn)，示教時(shí)，不能將軌跡上的所有點(diǎn)都示教一遍，一是費(fèi)時(shí)，二是占用大量的存儲(chǔ)器。實(shí)際上，對(duì)于有規(guī)律的軌跡，僅示教幾個(gè)特征點(diǎn)。對(duì)直線軌跡，僅示教兩個(gè)端點(diǎn)；對(duì)圓弧軌跡，示教三點(diǎn)（起點(diǎn)、終點(diǎn)、中間點(diǎn)），軌跡上其它中間點(diǎn)的坐標(biāo)通過(guò)插補(bǔ)方法獲得。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)節(jié)位置控制軌跡的示教點(diǎn)位姿反饋插補(bǔ)算法中間位姿關(guān)節(jié)電機(jī)1上位計(jì)算機(jī)伺服控制器關(guān)節(jié)位置控制反饋關(guān)節(jié)電機(jī)257第二節(jié)位置控制目前機(jī)器人基本操作方式為示第二節(jié)位置控制

插補(bǔ)方式：定時(shí)插補(bǔ)

每隔一定時(shí)間插補(bǔ)一次，插補(bǔ)時(shí)間間隔Ts一般不超過(guò)25ms定距插補(bǔ)

每隔一定距離插補(bǔ)一次，可避免快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，定時(shí)插補(bǔ)造成的軌跡失真。但也受伺服周期限制。

插補(bǔ)算法：直線插補(bǔ)

將兩示教點(diǎn)之間按照直線規(guī)律計(jì)算中間點(diǎn)坐標(biāo)。圓弧插補(bǔ)按圓弧規(guī)律計(jì)算中間點(diǎn)。58第二節(jié)位置控制插補(bǔ)方式：58第二節(jié)位置控制直線插補(bǔ)設(shè)機(jī)器人末端要從Po運(yùn)動(dòng)到Pe，運(yùn)動(dòng)速度v，插補(bǔ)時(shí)間間隔Ts直線長(zhǎng)度：插補(bǔ)間隔內(nèi)的行程：d=vTs插補(bǔ)的總步數(shù)：N=int(L/d)+1各方向上的增量：各插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)：59第二節(jié)位置控制直線插補(bǔ)59第二節(jié)位置控制圓弧插補(bǔ)空間不共線三點(diǎn)P1，P2，P3構(gòu)成一段圓弧。首先進(jìn)行坐標(biāo)變換，把空間圓弧變換為平面圓弧。原點(diǎn)與圓弧的圓心重合，Z軸為外法線方向。如果ZR與Z0夾角為α，XR與X0夾角為θ

OR在基坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（x0，y0，z0）60第二節(jié)位置控制圓弧插補(bǔ)60第二節(jié)位置控制對(duì)于平面圓?。喊霃絉總的圓心角φTs時(shí)間內(nèi)的角位移Δθ＝TsV/R插補(bǔ)步數(shù)：N=φ／Δθ＋1小結(jié)：1、將示教點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為｛R｝坐標(biāo)值2、按平面圓弧插補(bǔ)算法，得到插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)（xR，yR）3、轉(zhuǎn)換到基坐標(biāo)系中61第二節(jié)位置控制對(duì)于平面圓?。盒〗Y(jié)：1、將示教點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為｛第四章弧焊機(jī)器人編程技術(shù)第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)62第四章弧焊機(jī)器人編程技術(shù)第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)62第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)通過(guò)前面的知識(shí)，我們知道，機(jī)器人是一個(gè)軟件可控的機(jī)電裝置，可通過(guò)編程定義其作業(yè)內(nèi)容。目前，對(duì)機(jī)器人編程的方式可以分為以下三種：示教編程機(jī)器人語(yǔ)言編程離線編程63第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)通過(guò)前面的知識(shí)，我們知第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)1、示教編程示教編程是目前工業(yè)機(jī)器人廣泛使用的編程方法，根據(jù)任務(wù)的需要，將機(jī)器人末端工具移動(dòng)到所需的位置及姿態(tài)，然后把每一個(gè)位姿連同運(yùn)行速度、焊接參數(shù)等記錄并存儲(chǔ)下來(lái)，機(jī)器人便可以按照示教的位姿再現(xiàn)。示教方式有兩種：手把手示教示教盒示教64第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)1、示教編程64第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)示教盒控制器現(xiàn)場(chǎng)示教編程的優(yōu)點(diǎn)：不需要預(yù)備知識(shí)和復(fù)雜的計(jì)算機(jī)裝置，方法簡(jiǎn)單、易于掌握。示教編程的缺點(diǎn)：占用生產(chǎn)時(shí)間，難于適應(yīng)小批量、多品種的柔性生產(chǎn)需要；編程人員工作環(huán)境差、強(qiáng)度大，一旦失誤，會(huì)造成人員傷亡或設(shè)備損壞；編程效率低。65第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)示教盒控制器現(xiàn)場(chǎng)示教編程的優(yōu)點(diǎn)：65第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)2、機(jī)器人語(yǔ)言機(jī)器人語(yǔ)言提供了一種通用的人與機(jī)器人之間的通訊手段。它是一種專用語(yǔ)言，用符號(hào)描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，與常用的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言相似。1973年，Stanford人工智能實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了第一種機(jī)器人語(yǔ)言－WAVE語(yǔ)言。1974年，該實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了AL語(yǔ)言1979年，Unimation公司開(kāi)發(fā)了VAL語(yǔ)言（類似于BASIC）1984年，該公司推出了VALII語(yǔ)言其他的機(jī)器人語(yǔ)言：IBM公司的AML語(yǔ)言及AUTOPASS語(yǔ)言、MIT的LAMA語(yǔ)言、Automatix公司的RAIL語(yǔ)言等。66第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)2、機(jī)器人語(yǔ)言66第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)根據(jù)作業(yè)描述水平的高低，機(jī)器人語(yǔ)言通常分為三級(jí)：動(dòng)作級(jí)：每一個(gè)指令對(duì)應(yīng)于一個(gè)動(dòng)作，如MOVETO<destination>，優(yōu)點(diǎn)為：語(yǔ)句簡(jiǎn)潔，易于編程，缺點(diǎn)為：不能進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，不能接受傳感器信息。VAL屬于動(dòng)作級(jí)。對(duì)象級(jí):是描述操作物體間關(guān)系使機(jī)器人動(dòng)作的語(yǔ)言。具有運(yùn)動(dòng)控制（與動(dòng)作級(jí)語(yǔ)言類似的功能）、處理傳感信息、通信和數(shù)字運(yùn)算、良好的擴(kuò)展性（用戶可根據(jù)需要增加指令）等特點(diǎn)。AML、AUTOPASS屬于對(duì)象級(jí)。任務(wù)級(jí)：是比較高級(jí)的機(jī)器人語(yǔ)言，允許操作人員下達(dá)直接命令，不必規(guī)定機(jī)器人的動(dòng)作細(xì)節(jié)。如：焊接工件A，需要非常高的智能，目前還沒(méi)有真正的任務(wù)級(jí)語(yǔ)言。67第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)根據(jù)作業(yè)描述水平的高低，機(jī)器人語(yǔ)言通第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ).EDITDEMO.PROGRAMDEMO?OPEN?APPROPICK50?SPEED30?MOVEPICK?CLOSEI?DEPART70?APPROSPLACE75?SPEED20?MOVESPLACE?OPENI?DEPART50?E

啟動(dòng)編輯狀態(tài)VAL響應(yīng)下一步手張開(kāi)運(yùn)動(dòng)至距PICK位置50mm處下一步降至30％滿速運(yùn)動(dòng)到PICK位置閉合手后退70mm運(yùn)動(dòng)至距PLACE位置75mm處下一步降至20％滿速運(yùn)動(dòng)至PLACE位置在下一步之前手張開(kāi)后退50mm退出編輯狀態(tài)VAL程序舉例：將物體從位置1（PICK）搬運(yùn)到位置2（PLACE）68第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)VAL程序舉例：將物體從位置1（P第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)0000NOP0001MOVJVJ＝10.000002MOVLV=8000003ARCONASF#(1)0004MOVLV=1000005ARCOF0006END空操作以10％關(guān)節(jié)速度移動(dòng)到焊縫起點(diǎn)附近一點(diǎn)以800mm/min速度移動(dòng)到焊縫起點(diǎn)按照文件ASF＃（1）的參數(shù)起弧按照100mm/min的焊接速度焊接熄弧結(jié)束MOTOMANXRC控制器語(yǔ)言：焊接一段直線焊縫69第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)0000NOP空操作MOTOMA第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)3、離線編程在計(jì)算機(jī)中建立設(shè)備、環(huán)境及工件的三維模型，在這樣一個(gè)虛擬的環(huán)境中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程。機(jī)器人離線編程（OffLineProgramming，OLP）系統(tǒng)是機(jī)器人語(yǔ)言編程的拓展，它充分利用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成果，建立機(jī)器人及其工作環(huán)境的模型，再利用一些規(guī)劃算法，通過(guò)對(duì)圖形的控制和操作在離線的情況下進(jìn)行編程。OLP控制器現(xiàn)場(chǎng)70第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)3、離線編程OLP控制器現(xiàn)場(chǎng)70第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)離線編程的優(yōu)點(diǎn)減少機(jī)器人不工作時(shí)間改善了編程環(huán)境；使編程者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的工作環(huán)境提高了編程效率與質(zhì)量；可使用高級(jí)語(yǔ)言對(duì)復(fù)雜任務(wù)編程便于和CAD系統(tǒng)集成,實(shí)現(xiàn)CAD/CAM／Robotics一體化。示教編程離線編程需要實(shí)際機(jī)器人系統(tǒng)和工作環(huán)境編程時(shí)機(jī)器人停止工作在實(shí)際系統(tǒng)上試驗(yàn)程序編程的質(zhì)量取決于編程者的經(jīng)驗(yàn)很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)器人軌跡路徑需要機(jī)器人系統(tǒng)和工作環(huán)境的圖形模型編程不影響機(jī)器人工作通過(guò)仿真試驗(yàn)程序用規(guī)劃技術(shù)可進(jìn)行最佳參數(shù)及路徑規(guī)劃可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡的編程71第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)離線編程的優(yōu)點(diǎn)示教編程離線編程需要實(shí)第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)1、發(fā)展與現(xiàn)狀2、機(jī)器人離線編程原理3、執(zhí)行級(jí)弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)4、任務(wù)級(jí)弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)72第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)1、發(fā)展與現(xiàn)狀72第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)如前所述，機(jī)器人離線編程是在一個(gè)虛擬的環(huán)境中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程。在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立機(jī)器人及其工作環(huán)境的模型，再利用一些規(guī)劃算法，通過(guò)對(duì)圖形的控制和操作在離線的情況下進(jìn)行編程。1、發(fā)展與現(xiàn)狀國(guó)外機(jī)器人離線編程的研究起步較早，從70年代開(kāi)始進(jìn)行這方面的研究工作。自80年代以來(lái)，由于機(jī)器人離線編程軟件是機(jī)器人應(yīng)用與研究不可缺少的工具，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本等許多大學(xué)實(shí)驗(yàn)室、研究所、制造公司對(duì)機(jī)器人離線編程與仿真技術(shù)進(jìn)行了大的研究，并開(kāi)發(fā)出原型系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)。這些軟件有些已經(jīng)商品化，對(duì)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展以及在各行業(yè)的推廣應(yīng)用發(fā)揮了巨大的作用。73第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)如前所述，機(jī)器第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)國(guó)外主要離線編程系統(tǒng)74第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)國(guó)外主要離線編程系統(tǒng)74第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)PLACE(PositionLayoutandCellEvaluator)是由美國(guó)McAuto公司開(kāi)發(fā)的機(jī)器人軟件的模塊之一。該軟件還包括BUILD、COMMAND和ADJUST模塊。該軟件是早期比較著名的的軟件之一，用于設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)機(jī)器人制造單元和機(jī)器人離線編程。75第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)PLACE(Posit第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)ROBCAD是Tecnomatix公司八十年代推出的、運(yùn)行在SGI工作站、UNIX操作系統(tǒng)下的大型機(jī)器人設(shè)計(jì)、仿真和離線編程系統(tǒng)。該軟件由六大模塊組成：機(jī)械設(shè)計(jì)、建模模塊（MechanicalModeling）、工作單元布置模塊（WorkcellLayout）、任務(wù)描述模塊（TaskDescription）、仿真模塊（Simulation）、機(jī)械制圖模塊（Drafting）和數(shù)據(jù)管理模塊（DataManagement）。機(jī)械設(shè)計(jì)、建模模塊主要完成機(jī)器人及環(huán)境的幾何建模、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如機(jī)器人、設(shè)備的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，并具有數(shù)據(jù)查詢、文件管理等功能。Workspace是RobotSimulations公司開(kāi)發(fā)的第一個(gè)商品化的基于微機(jī)的機(jī)器人仿真與離線編程軟件。該軟件采用了ACIS作為建模核心，與一些基于微機(jī)的CAD系統(tǒng)如AutoCAD做到了很好的數(shù)據(jù)交換。76第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)ROBC第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)IGRIP，美國(guó)Deneb公司產(chǎn)品，卓越的圖形功能，不僅可運(yùn)行在SGI、HP等工作站上，也可運(yùn)行在高檔PC機(jī)上。77第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)IGRIP，美第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)

裝甲車殼體焊接自動(dòng)化系統(tǒng)仿真78第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)裝甲車殼體焊接第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)國(guó)內(nèi)機(jī)器人離線編程技術(shù)研究情況79第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)國(guó)內(nèi)機(jī)器人離線編程技術(shù)研究情況第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)機(jī)器人離線編程技術(shù)是以CAD和圖形仿真為基礎(chǔ)的技術(shù)。因其顯著優(yōu)點(diǎn)，引起國(guó)內(nèi)外的諸多研究與開(kāi)發(fā)，并出現(xiàn)了一些專業(yè)公司，推動(dòng)了離線編程技術(shù)的實(shí)用化。與國(guó)外相比，我國(guó)的機(jī)器人離線編程技術(shù)還有很大的差距，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

幾何建模：國(guó)外商品化系統(tǒng)的幾何建模功能比較強(qiáng)，且與其他外部CAD系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)交換接口。國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)由于投入小,功能較弱,缺少與外部CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換接口。

專業(yè)化：國(guó)外系統(tǒng)除提供通用性的功能之外，為了提高編程效率，往往在通用系統(tǒng)之上開(kāi)發(fā)專業(yè)化的模塊，如IGRIP中的點(diǎn)焊、弧焊等。而國(guó)內(nèi)的通用系統(tǒng)則無(wú)專業(yè)化模塊。

標(biāo)定：國(guó)外系統(tǒng)大多將標(biāo)定作為主要模塊之一，而國(guó)內(nèi)還缺少這方面的研究。

機(jī)器人程序下載：國(guó)外商品化系統(tǒng)都有多種機(jī)器人的接口,可以方便地上下載這些機(jī)器人的程序。而國(guó)內(nèi)系統(tǒng)還主要停留在仿真階段，缺少與實(shí)際機(jī)器人的接口，很少有關(guān)于機(jī)器人程序下載與執(zhí)行的報(bào)道。80第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)機(jī)器人離線編程技術(shù)是以C第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)2、機(jī)器人離線編程原理如前所述，機(jī)器人離線編程是在一個(gè)虛擬的環(huán)境中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程。在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立機(jī)器人及其工作環(huán)境的模型，再利用一些規(guī)劃算法，通過(guò)對(duì)圖形的控制和操作在離線的情況下進(jìn)行編程。一般離線編程系統(tǒng)主要包括：用戶接口機(jī)器人及環(huán)境的建模運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算軌跡規(guī)劃動(dòng)力學(xué)仿真并行操作傳感器仿真通信接口誤差校正81第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)2、機(jī)器人離線編程原理一般離線第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)用戶接口：一般工業(yè)機(jī)器人提供兩個(gè)用戶接口：一個(gè)用于示教編程，另一個(gè)用于語(yǔ)言編程。作為機(jī)器人語(yǔ)言的拓展，離線編程系統(tǒng)把機(jī)器人語(yǔ)言作為用戶接口的一部分，另外用戶接口的一個(gè)重要部分，是對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行圖形編輯，一般設(shè)計(jì)成交互式，可利用鼠標(biāo)操作機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人及環(huán)境的建模：這是離線編程的前提，必須構(gòu)建機(jī)器人、夾具、零件和工具的三維幾何模型，最好直接采用零件和工具的CAD模型。所以離線編程系統(tǒng)應(yīng)包括CAD建模子系統(tǒng)，可以集成到CAD平臺(tái)上。若為獨(dú)立系統(tǒng)，應(yīng)具備與外部CAD文件的轉(zhuǎn)換接口。

運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算：離線編程系統(tǒng)需要進(jìn)行圖形仿真、碰撞檢測(cè)等任務(wù)，需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，包括正運(yùn)動(dòng)學(xué)及逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算。要求與機(jī)器人控制器采用一致的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，或直接提供直角坐標(biāo)給機(jī)器人控制器，由控制器進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算。82第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)用戶接口：一般工業(yè)機(jī)器人提供兩第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)軌跡規(guī)劃：離線編程系統(tǒng)除了對(duì)機(jī)器人靜態(tài)位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算外，還應(yīng)該對(duì)機(jī)器人在工作空間的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真。由于不同機(jī)器人廠家所采用的軌跡規(guī)劃算法差別很大，離線編程系統(tǒng)應(yīng)對(duì)機(jī)器人控制器中所采用的算法進(jìn)行仿真。軌跡規(guī)劃模塊根據(jù)起點(diǎn)、終點(diǎn)位置及約束條件，輸出中間點(diǎn)位姿、速度、加速度的時(shí)間序列。還應(yīng)該具備可達(dá)空間計(jì)算及碰撞檢測(cè)等功能。動(dòng)力學(xué)仿真：如果機(jī)器人工作在高速及重負(fù)載的情況下，必須考慮動(dòng)力學(xué)特性，以防止產(chǎn)生比較大的誤差。83第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)軌跡規(guī)劃：離線編程系統(tǒng)除了對(duì)機(jī)第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)并行操作：有些場(chǎng)合常涉及到兩個(gè)或多個(gè)機(jī)器人同時(shí)完成一個(gè)作業(yè)，有時(shí)，既使一個(gè)機(jī)器人工作，也常需要和變位機(jī)、傳送帶等系統(tǒng)配合。因此，離線編程系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行同時(shí)仿真?？梢圆捎枚嗵幚砥骷夹g(shù)，通常采用單處理器分時(shí)操作（多任務(wù)系統(tǒng)）。84第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)并行操作：有些場(chǎng)合常涉及到兩個(gè)第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)傳感器仿真：在實(shí)際機(jī)器人系統(tǒng)中，可能裝有各種傳感器。在離線編程系統(tǒng)中，對(duì)這些傳感器進(jìn)行建模并仿真是很重要的。傳感器主要分局部的和全局的兩類，局部傳感器有力覺(jué)、觸覺(jué)和接近覺(jué)傳感器。觸覺(jué)陣列的幾何模型分解成一些小塊，檢查每個(gè)幾何塊與物體間的干涉，確定接觸情況。接近覺(jué)傳感器也可利用幾何模型件的干涉檢查來(lái)仿真，將長(zhǎng)方體分成許多小塊，與物體相交的塊數(shù)可以表示接近的程度。利用相交部分的體積可以仿真力覺(jué)傳感器。85第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)傳感器仿真：在實(shí)際機(jī)器人系統(tǒng)中第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)通信接口：連接離線編程系統(tǒng)與機(jī)器人控制器。利用通信接口可以把仿真系統(tǒng)所生成的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序轉(zhuǎn)換成機(jī)器人控制器可以接受的的代碼。由于不同廠家生產(chǎn)的機(jī)器人所用的語(yǔ)言系統(tǒng)不同，是離線編程系統(tǒng)的通信接口的通用性受到限制。誤差的校正：離線編程系統(tǒng)中的仿真模型與實(shí)際機(jī)器人模型存在誤差，需要對(duì)這些誤差進(jìn)行校正。誤差源：機(jī)器人連桿制造誤差、傳動(dòng)間隙、機(jī)器人剛度不足、相同型號(hào)機(jī)器人的不一致性、控制器的數(shù)字精度、溫度等外部環(huán)境的影響可增加標(biāo)定模塊及傳感器補(bǔ)償86第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)通信接口：連接離線編程系統(tǒng)與機(jī)第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)關(guān)節(jié)級(jí)（JointLevel）

例如：將關(guān)節(jié)4向正方向移動(dòng)30度執(zhí)行級(jí)（ManipulatorLevel）例如：將焊槍沿X軸反方向移動(dòng)100毫米對(duì)象級(jí)（ObjectLevel）例如：將焊縫5變換到15度上坡焊位置任務(wù)級(jí)（TaskLevel）例如：焊接焊縫3弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的分類87第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)關(guān)節(jié)級(jí)（JointLevel第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)3、執(zhí)行級(jí)弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)（哈工大田勁松等人）開(kāi)發(fā)方式：在高性能PC機(jī)和AutoCAD2000平臺(tái)上，運(yùn)用其開(kāi)發(fā)工具——ObjectARX進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)?？傮w結(jié)構(gòu)：ARX程序建模模塊運(yùn)動(dòng)仿真路徑模塊編程模塊圖形示教程序轉(zhuǎn)換碰撞檢測(cè)標(biāo)定模塊AutoCAD2000用戶界面動(dòng)畫生成程序上載88第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)3、執(zhí)行級(jí)弧焊機(jī)器人離線編程系第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)建模模塊：

離線編程系統(tǒng)中的建模模塊要完成以下幾個(gè)方面的任務(wù)：部件建模；設(shè)備建模；工作單元設(shè)計(jì)和布置。工作單元由機(jī)器人設(shè)備和變位機(jī)設(shè)備以及環(huán)境物組成，而設(shè)備又由不同數(shù)目的部件組成，部件和部件之間由各種關(guān)節(jié)聯(lián)接或直接連接。89第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)建模模塊：89第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)建立的工作單元實(shí)例部件裝配成設(shè)備的流程圖90第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)建立的工作單元實(shí)例部件裝配成設(shè)第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)路徑模塊：首先引入標(biāo)簽點(diǎn)（TagPoint）的概念。在離線編程系統(tǒng)中，標(biāo)簽點(diǎn)是一個(gè)以笛卡爾坐標(biāo)系圖形為基礎(chǔ)的對(duì)象，其圖形表征了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中的工具坐標(biāo)系的位姿，其內(nèi)部還可記錄著該點(diǎn)的焊接工藝參數(shù)。標(biāo)簽點(diǎn)圖形是由三個(gè)互相垂直的一定長(zhǎng)度直線、標(biāo)簽點(diǎn)名稱以及X、Y、Z字符組成，不隨用戶觀察視點(diǎn)變化，便于用戶觀察與利用。

路徑（Path）是一系列標(biāo)簽點(diǎn)的集合。路徑分為普通路徑和焊接路徑，普通路徑只記錄機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程，而在焊接路徑中，標(biāo)簽點(diǎn)還要記錄其性質(zhì)如起弧點(diǎn)、熄弧點(diǎn)等，以及焊接參數(shù)。一條路徑必須屬于某個(gè)部件。91第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)路徑模塊：91第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)路徑功能是離線編程的一大特點(diǎn)，使得機(jī)器人工具的運(yùn)動(dòng)過(guò)程能可視的記錄下來(lái)，以便于用戶的編輯，也可保存相應(yīng)位置點(diǎn)的工藝參數(shù)。用戶可以利用提供的命令對(duì)單個(gè)標(biāo)簽點(diǎn)或整條路徑進(jìn)行修改，從而改變機(jī)器人工具的運(yùn)動(dòng)過(guò)程或焊接參數(shù)，這要比示教編程的方便得多。由于路徑屬于部件，所以路徑將與部件一起運(yùn)動(dòng)。這樣，當(dāng)工件重新裝夾或變位機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，用戶以前的工作將隨路徑被一起保留下來(lái)，而避免了示教方式所需的重新示教操作。因此，路徑功能使離線編程的效率比示教編程的效率高得多。

平焊上坡焊92第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)路徑功能是離線編第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)編程模塊：為了用語(yǔ)言描述機(jī)器人工作單元的工作過(guò)程，本文定義了機(jī)器人執(zhí)行級(jí)離線編程語(yǔ)言（MOPL）。MOPL是一種解釋性的語(yǔ)言，可對(duì)系統(tǒng)圖形進(jìn)行實(shí)時(shí)操作。利用MOPL中的命令書寫程序，便可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工作單元的離線編程。

ProgramStart，編程開(kāi)始$Device，指定當(dāng)前設(shè)備$Motype，指定當(dāng)前運(yùn)動(dòng)類型$Speed，指定當(dāng)前運(yùn)動(dòng)速度

MoveTo，工具移動(dòng)到某一標(biāo)簽點(diǎn)

MoveHome，設(shè)備移動(dòng)到零位

MoveJoint，移動(dòng)設(shè)備的某個(gè)關(guān)節(jié)

MoveJoints，移動(dòng)設(shè)備的多個(gè)關(guān)節(jié)

MoveAlong，工具沿某條路徑移動(dòng)

MoveVia，經(jīng)中間標(biāo)簽點(diǎn)移到目標(biāo)標(biāo)簽點(diǎn)

OrientTag，變位機(jī)標(biāo)簽點(diǎn)

MoveRelative，工具以笛卡爾方式相對(duì)移動(dòng)//，注釋語(yǔ)句執(zhí)行級(jí)離線編程器93第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)編程模塊：ProgramSt第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)程序?qū)嵗篜rogramStart$Device=robot$Speed=5.000MoveJointsTo-30.0000.0000.0000.0000.0000.000MoveToseam_1$Motype=Straight$Speed=10.000MoveAlongseamFrom2To16$Motype=JointMoveHome94第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)程序?qū)嵗?4第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)程序轉(zhuǎn)換模塊：通過(guò)離線編程器編制的MOPL程序只能在離線編程系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行仿真，不能直接下載給機(jī)器人。而且各種機(jī)器人接受的機(jī)器人語(yǔ)言各不相同，因此需要將MOPL文件轉(zhuǎn)換為特定機(jī)器人可接受的程序。MOPL程序程序轉(zhuǎn)換模塊特定的機(jī)器人程序程序轉(zhuǎn)換模塊的作用95第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)程序轉(zhuǎn)換模塊：MOPL程序轉(zhuǎn)換第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)自定義的九自由度機(jī)器人程序的基本格式2P

3.2748.857-9.1411.89430.230-3.789

0.0000.0000.000

10.000

0.000ASX

引弧標(biāo)志及焊接參數(shù)設(shè)定

AE

熄弧標(biāo)志

END

程序結(jié)束標(biāo)志

序號(hào)運(yùn)動(dòng)方式代碼機(jī)器人關(guān)節(jié)角變位機(jī)關(guān)節(jié)角機(jī)器人速度變位機(jī)時(shí)間96第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)自定義的九自由度機(jī)器人程序的基第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)MOPL文件機(jī)器人類型機(jī)器人程序進(jìn)度顯示程序轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)程序轉(zhuǎn)換器的界面97第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)MOPL文件機(jī)器人類型機(jī)器人程第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)機(jī)器人程序轉(zhuǎn)換實(shí)例98第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)機(jī)器人程序轉(zhuǎn)換實(shí)例98第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)碰撞檢測(cè)模塊：碰撞檢測(cè)是機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的必要功能之一。在CAD技術(shù)中，碰撞檢測(cè)也稱為實(shí)體求交。在機(jī)器人工作單元中，有眾多個(gè)部件，如果每?jī)蓚€(gè)部件之間都進(jìn)行碰撞檢測(cè)，則每一步碰撞檢測(cè)將花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。為了解決這一問(wèn)題，需要用戶根據(jù)自己的知識(shí)判斷可能發(fā)生碰撞的部件。因此，需要提供一種記錄用戶指定的可能發(fā)生碰撞的部件的功能。該功能也稱為碰撞檢測(cè)列表。碰撞檢測(cè)列表的結(jié)構(gòu)碰撞檢測(cè)列表對(duì)話框

99第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)碰撞檢測(cè)模塊：碰撞檢測(cè)列表的結(jié)第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)

碰撞檢測(cè)結(jié)果

焊槍與工件發(fā)生碰撞

傳感器與變位機(jī)發(fā)生碰撞

100第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)碰撞檢測(cè)結(jié)果焊槍與第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)4、任務(wù)級(jí)弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)（哈工大田勁松等人）

近年來(lái)，機(jī)器人離線編程技術(shù)發(fā)展迅速，逐漸向自動(dòng)編程方向發(fā)展，出現(xiàn)了任務(wù)級(jí)離線編程（TaskLevelOLP）概念，它采用更高級(jí)的指令系統(tǒng)，用戶只需要輸入簡(jiǎn)單的命令，即可完成編程工作，例如用戶發(fā)出“焊接零件A”的指令，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)生成零件A上的焊縫軌跡，根據(jù)零件的材料及結(jié)構(gòu)形式，自動(dòng)給出焊接工藝參數(shù)等，并自動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)器人控制程序。也可稱為“傻瓜編程”。與執(zhí)行級(jí)離線編程相比，任務(wù)級(jí)離線編程要用更抽象的編程命令編程。為了使抽象的任務(wù)級(jí)編程命令能夠解釋成具體的執(zhí)行級(jí)編程命令，不但需要被焊工件的各種信息，而且需要根據(jù)這些信息規(guī)劃合適的焊接工藝參數(shù)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑。因此，機(jī)器人弧焊任務(wù)級(jí)離線編程需要如下支撐技術(shù)：焊接工件特征建模技術(shù)焊接參數(shù)規(guī)劃技術(shù)弧焊機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)101第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)4、任務(wù)級(jí)弧焊機(jī)器人離線編程系第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)焊接工件特征建模技術(shù)：對(duì)于任務(wù)級(jí)的離線編程系統(tǒng)，不僅要得到工件幾何模型，還要得到工件的加工信息（如焊縫位姿、板厚、材料和坡口等等）。通過(guò)實(shí)體模型只能得到工件的幾何要素，不能得到上述加工信息，而從實(shí)體幾何信息中往往不能正確或根本無(wú)法提取上述加工信息，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)任務(wù)級(jí)離線編程對(duì)焊接工藝和弧焊機(jī)器人路徑的推理和求解。這同其它CAD/CAM系統(tǒng)面臨的問(wèn)題是一樣的，因此必須進(jìn)行焊接工件的特征建模。

特征是用來(lái)生成設(shè)計(jì)、分析設(shè)計(jì)或評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的元素。由于在弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)中，焊接工件的特征模型需要為后續(xù)的焊接參數(shù)規(guī)劃、機(jī)器人路徑規(guī)劃模塊提供充分的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和加工信息，所以特征是否全面準(zhǔn)確地得到定義與劃分，就成了直接影響后繼程序使用的一個(gè)重要問(wèn)題。102第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)焊接工件特征建模技術(shù)：102第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)焊接工件特征的分類和組織焊接工件特征板特征接頭特征坡口特征材料形狀…形式焊縫…形狀尺寸…板特征包括形狀、材料、尺寸等和板相關(guān)的特征。接頭特征包括形式特征、焊縫特征和裝配特征等。焊縫特征包括焊縫的形狀（圓弧或直線）、關(guān)鍵焊縫點(diǎn)的位置姿態(tài)及其他信息（如和其他特征之間的關(guān)系等等）。裝配特征是指記錄焊板之間相對(duì)位置和拓?fù)潢P(guān)系的一組特征（如板號(hào)、板之間的面和邊，對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)等）。坡口特征指坡口形狀、尺寸等信息。103第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)焊接工件特征的分類和組織焊接第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)焊接工件數(shù)據(jù)模型在實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)中，焊板由焊接接頭以一定順序相連接，并且由于不同形式的焊接接頭（如對(duì)接、角接等等）都有其固定的分類和描述位置形狀的參數(shù)，這使得焊接連接與裝配連接有相同之處。因此，焊接工件特征建?？梢钥醋饕环N裝配，板相當(dāng)于零件，而接頭相當(dāng)于裝配關(guān)系。這里假定一個(gè)接頭由兩個(gè)板相連，而一個(gè)板上則可以連接多個(gè)接頭。

104第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)焊接工件數(shù)據(jù)模型第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)特征建模系統(tǒng)105第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)特征建模系統(tǒng)105第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)建模系統(tǒng)的主界面及建模結(jié)果106第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)建模系統(tǒng)的主界面及建模結(jié)果1第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)焊接參數(shù)規(guī)劃技術(shù)：在某些商品化的離線編程軟件（如WorkSpace、IGRIP等）中，機(jī)器人弧焊所需的焊接參數(shù)都是由編程人員手工輸入的，這樣不僅使編程出錯(cuò)的幾率增多，而且增加了編程的工作量。在任務(wù)級(jí)離線編程中，利用以人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)的焊接參數(shù)規(guī)劃器自動(dòng)確定焊接參數(shù)，將有效地提高機(jī)器人編程的效率和質(zhì)量。用戶首先是在特征建模模塊進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并確定了工件材質(zhì)、板厚、接頭類型、坡口類型等參數(shù)，焊接參數(shù)規(guī)劃器是根據(jù)這些參數(shù)去檢索事例庫(kù)，如果事例庫(kù)中存在匹配的事例，則直接提供；若事例庫(kù)中沒(méi)有匹配的事例，程序自動(dòng)進(jìn)行智能推理，以便給出滿足要求的焊接參數(shù)。焊接參數(shù)分類焊前準(zhǔn)備參數(shù)（焊接方法，焊絲等）焊接過(guò)程參數(shù)（電流，電壓等）107第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)焊接參數(shù)規(guī)劃技術(shù)：焊接參數(shù)分類第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)焊接參數(shù)規(guī)劃器的結(jié)構(gòu)108第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)焊接參數(shù)規(guī)劃器的結(jié)構(gòu)108第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)基于RBR和CBR的焊前準(zhǔn)備參數(shù)規(guī)劃模塊RBR－Rule-BasedReasoningCBR–Case-BasedReasoning109第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)基于RBR和CBR的焊前準(zhǔn)備參第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)基于CBR和ANN的焊接過(guò)程參數(shù)規(guī)劃模塊ANN-ArtificialNeuralNetwork110第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)基于CBR和ANN的焊接過(guò)程參第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)弧焊機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)：焊接路徑規(guī)劃是指在焊接過(guò)程中確定實(shí)現(xiàn)最佳焊接質(zhì)量的弧焊機(jī)器人系統(tǒng)各路徑點(diǎn)處的各關(guān)節(jié)值。焊接路徑規(guī)劃存在如下約束：弧焊機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)閉鏈約束、弧焊機(jī)器人和工件或卡具之間不發(fā)生碰撞、各關(guān)節(jié)值在關(guān)節(jié)限制之內(nèi)、機(jī)器人靈活度優(yōu)于最差靈活度。焊接路徑規(guī)劃的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最佳焊接質(zhì)量。直接影響焊接質(zhì)量的因素有兩方面：因焊槍避碰原因而導(dǎo)致實(shí)際焊槍姿態(tài)偏離理想姿態(tài)弧焊機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。所以，焊接路徑規(guī)劃可分成兩步：第一步是最小化焊槍姿態(tài)偏離理想姿態(tài)的程度（工具級(jí)規(guī)劃）第二步是最優(yōu)化弧焊機(jī)器人系統(tǒng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性（機(jī)器人級(jí)規(guī)劃）111第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)弧焊機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)：111第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)弧焊機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)函數(shù)

式中：優(yōu)化模型：112第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)弧焊機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)函數(shù)第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)焊接工件特征建模機(jī)器人焊接參數(shù)規(guī)劃弧焊機(jī)器人路徑規(guī)劃任務(wù)級(jí)編程執(zhí)行級(jí)編程113第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)焊接工件機(jī)器人焊接弧焊機(jī)器人任第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)程序編寫與編輯命令解釋焊接工件特征數(shù)據(jù)庫(kù)焊接參數(shù)規(guī)劃器機(jī)器人路徑規(guī)劃輔助規(guī)劃任務(wù)級(jí)編程程序程序轉(zhuǎn)化路徑用戶界面執(zhí)行級(jí)編程程序任務(wù)級(jí)離線編程器的結(jié)構(gòu)114第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù)程序編寫與編輯命令解釋焊接工件機(jī)器人焊接技術(shù)主講人：劉立君哈爾濱理工大學(xué)材料成型系二〇〇四年九月115機(jī)器人焊接技術(shù)主講人：劉立君0課程內(nèi)容內(nèi)容：機(jī)器人基本知識(shí)工業(yè)機(jī)器人工作原理弧焊機(jī)器人離線編程及標(biāo)定技術(shù)機(jī)器人焊接系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)主要參考教材：林尚揚(yáng)等,《焊接機(jī)器人及其應(yīng)用》機(jī)械工業(yè)出版社,2000年7月吳林等，《智能化焊接技術(shù)》國(guó)防工業(yè)出版社，2000年8月陳善本等,《焊接過(guò)程現(xiàn)代控制技術(shù)》哈工大出版社,2001年5月116課程內(nèi)容內(nèi)容：1機(jī)器人焊接的特點(diǎn)早期的焊接自動(dòng)化程度低，基本是手工操作，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)某個(gè)產(chǎn)品只能由某個(gè)人或某幾個(gè)人完成的情況，出現(xiàn)了“王麻子菜刀”、“張小泉剪刀”、“張氏陀螺”。手工操作受操作人員情緒等個(gè)人狀態(tài)的影響，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。所以現(xiàn)代企業(yè)要盡量擺脫這種對(duì)專門人員的依賴，采用自動(dòng)化的機(jī)器設(shè)備來(lái)保證產(chǎn)品質(zhì)量及效率。20世紀(jì)70年代：工業(yè)機(jī)器人技術(shù)被應(yīng)用到焊接領(lǐng)域，焊接自動(dòng)化程度發(fā)生了質(zhì)的飛躍，焊接質(zhì)量及效率得到顯著提高。117機(jī)器人焊接的特點(diǎn)早期的焊接自動(dòng)化程度低，基本是手工操作，產(chǎn)品機(jī)器人焊接的特點(diǎn)根據(jù)對(duì)產(chǎn)品的適應(yīng)能力，焊接自動(dòng)化系統(tǒng)可以分為：“剛性”自動(dòng)化系統(tǒng)，也稱專機(jī)，主要針對(duì)大批量定型產(chǎn)品，特點(diǎn)為成本低、效率高，但適應(yīng)的產(chǎn)品單一。一旦產(chǎn)品換型，生產(chǎn)線就要更換。“柔性”自動(dòng)化系統(tǒng)，主要指通過(guò)編程可改變操作的機(jī)器，產(chǎn)品換型時(shí)，只需通過(guò)改變相應(yīng)程序，便可適應(yīng)新產(chǎn)品。機(jī)器人屬于典型的具有柔性的設(shè)備。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，企業(yè)的產(chǎn)品從單一品種大批量生產(chǎn)變?yōu)槎嗥贩N小批量，要求生產(chǎn)線具有更大的柔性。所以焊接機(jī)器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，機(jī)器人焊接已成為焊接自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。118機(jī)器人焊接的特點(diǎn)根據(jù)對(duì)產(chǎn)品的適應(yīng)能力，焊接自動(dòng)化系統(tǒng)可以分為采用機(jī)器人焊接，具有如下優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提高，保證其均一性；提高生產(chǎn)率，一天可24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，機(jī)器人不會(huì)疲倦；改善工人勞動(dòng)條件，可在有害環(huán)境下長(zhǎng)期工作；降低對(duì)工人操作技術(shù)難度的要求；縮短產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資；可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品焊接自動(dòng)化；可作為數(shù)字化制造的一個(gè)環(huán)節(jié)。機(jī)器人焊接的特點(diǎn)119采用機(jī)器人焊接，具有如下優(yōu)點(diǎn)：機(jī)器人焊接的特點(diǎn)4第一章機(jī)器人工作原理第一節(jié)機(jī)器人基本知識(shí)第二節(jié)機(jī)器人工作原理120第一章機(jī)器人工作原理第一節(jié)機(jī)器人基本知識(shí)5第一節(jié)機(jī)器人基本知識(shí)一機(jī)器人的概念二機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀三機(jī)器人的分類四工業(yè)機(jī)器人常用術(shù)語(yǔ)121第一節(jié)機(jī)器人基本知識(shí)一機(jī)器人的概念6一、機(jī)器人的概念“Robot”的來(lái)源1920年，捷克作家KarelCapek的科幻劇《Rossum‘sUniversalRobots》（羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人），劇中描寫了一批能從事各項(xiàng)勞動(dòng)、聽(tīng)命于人的機(jī)器，取名為“Robota”（捷克語(yǔ)），含義為：forcedworker（奴隸）。英語(yǔ)：Robot

德語(yǔ)：Robot

日語(yǔ)：ロボツト俄語(yǔ)：робот漢字：機(jī)器人KarelCapek

（1890－1938）122一、機(jī)器人的概念“Robot”的來(lái)源KarelCapek

一、機(jī)器人的概念機(jī)器人的定義：國(guó)際上對(duì)機(jī)器人的定義很多TheWebsterdictionary(Webster,1993):

“Anautomaticdevicethatperformsfunctionsnormallyascribedtohumansoramachineintheformofahuman.”一個(gè)自動(dòng)化設(shè)備，它能執(zhí)行通常由人執(zhí)行的任務(wù)；或一個(gè)人型的機(jī)器美國(guó)機(jī)器人學(xué)會(huì)（TheRobotInstituteofAmerica，1979):

“Areprogrammable,multifunctionalmanipulatordesignedtomovematerials,parts,tools,orspecializeddevicesthroughvariousprogrammedmotionsfortheperformanceofavarietyoftasks.”一個(gè)可再編程的多功能操作器，用來(lái)移動(dòng)材料、零部件、工具等；或一個(gè)通過(guò)編程用于完成各種任務(wù)的專用設(shè)備。ISO，1987：

工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)。123一、機(jī)器人的概念機(jī)器人的定義：國(guó)際上對(duì)機(jī)器人的定義很多8二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀1954年，美國(guó)人G.Devol和J.Engleberger設(shè)計(jì)了一臺(tái)可編程的機(jī)器人1961年，他們生產(chǎn)了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人“Unimates”，并獲得了專利1962年，Engleberger成立了Unimation公司，他被稱為“機(jī)器人之父”日本從上世紀(jì)70年代中后期開(kāi)始開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人，15年后就成為產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的世界工業(yè)機(jī)器人“王國(guó)”。Unimates機(jī)器人124二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀1954年，美國(guó)人G.Devol二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀2000年，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，全世界工業(yè)機(jī)器人總量為757,000臺(tái)，其中日本，402,200臺(tái)美國(guó)，92,900臺(tái)德國(guó)，81,200臺(tái)新加坡，5,300臺(tái)臺(tái)灣，6,400臺(tái)這些機(jī)器人中45％為焊接機(jī)器人（點(diǎn)焊、弧焊）我國(guó)大陸地區(qū)工業(yè)機(jī)器人用戶700多家，擁有工業(yè)機(jī)器人約3500臺(tái)，其中焊接機(jī)器人約1000臺(tái)，與國(guó)外的差距是明顯的。值得欣喜的是，我國(guó)機(jī)器人應(yīng)用發(fā)展較快，1996年我國(guó)焊接機(jī)器人僅為500臺(tái)，目前以每年30％以上的速度增長(zhǎng)。125二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀2000年，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，全世界工二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀主要機(jī)器人廠家日本：Motoman、OTC、Panasonic、FANUC等美國(guó)：Adept等歐洲：奧地利IGM、德國(guó)CLOOS、KUKA、瑞典ABB韓國(guó)：HYUNDAI沈陽(yáng)新松FANUC126二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀主要機(jī)器人廠家FANUC11三、機(jī)器人的分類機(jī)器人分類方法很多按照技術(shù)水平劃分：第一代：示教再現(xiàn)型，具有記憶能力。目前，絕大部分應(yīng)用中的工業(yè)機(jī)器人均屬于這一類。缺點(diǎn)是操作人員的水平影響工作質(zhì)量。第二代：初步智能機(jī)器人，對(duì)外界有反饋能力。部分已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)中。第三代：智能機(jī)器人，具有高度的適應(yīng)性，有自行學(xué)習(xí)、推理、決策等功能，處在研究階段。127三、機(jī)器人的分類機(jī)器人分類方法很多12三、機(jī)器人的分類按照基本結(jié)構(gòu)劃分：直角坐標(biāo)型，

也稱“機(jī)床型”圓柱坐標(biāo)型球坐標(biāo)型全關(guān)節(jié)型128三、機(jī)器人的分類按照基本結(jié)構(gòu)劃分：13三、機(jī)器人的分類按照受控運(yùn)動(dòng)方式劃分：點(diǎn)位控制（PTP）型，PointtoPoint,如點(diǎn)焊、搬運(yùn)機(jī)器人連續(xù)軌跡控制（CP）型，ContinousPath，如弧焊、噴漆機(jī)器人按驅(qū)動(dòng)方式劃分：氣壓驅(qū)動(dòng)（壓縮空氣）液壓驅(qū)動(dòng)（重型機(jī)器人，如搬運(yùn)、點(diǎn)焊機(jī)器人）電驅(qū)動(dòng)（電動(dòng)機(jī)），應(yīng)用最多129三、機(jī)器人的分類按照受控運(yùn)動(dòng)方式劃分：14三、機(jī)器人的分類按照應(yīng)用領(lǐng)域劃分：工業(yè)機(jī)器人，面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。特種機(jī)器人，用于非制造業(yè)的各種機(jī)器人，服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人等130三、機(jī)器人的分類按照應(yīng)用領(lǐng)域劃分：15三、機(jī)器人的分類華宇I(lǐng)型弧焊機(jī)器人131三、機(jī)器人的分類華宇I(lǐng)型弧焊機(jī)器人16三、機(jī)器人的分類弧焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人132三、機(jī)器人的分類弧焊機(jī)器人三、機(jī)器人的分類伐根機(jī)器人摘果機(jī)器人133三、機(jī)器人的分類伐根機(jī)器人三、機(jī)器人的分類擦玻璃機(jī)器人無(wú)人潛水器134三、機(jī)器人的分類擦玻璃機(jī)器人三、機(jī)器人的分類排爆機(jī)器人外科手術(shù)機(jī)器人135三、機(jī)器人的分類排爆機(jī)器人三、機(jī)器人的分類雙足仿人機(jī)器人球機(jī)器人136三、機(jī)器人的分類雙足仿人機(jī)器人三、工業(yè)機(jī)器人常用術(shù)語(yǔ)自由度（degreeoffreedom，DOF）,物體能夠?qū)ψ鴺?biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為自由度，對(duì)于自由剛體，具有6個(gè)自由度。通常作為機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)，反映機(jī)器人靈活性，對(duì)于焊接機(jī)器人一般具有5－6個(gè)自由度位姿（Pose），指工具的位置和姿態(tài)。末端操作器（EndEffector），

位于機(jī)器人腕部末端，直接執(zhí)行工作要