機器人焊接技術課件

機器人焊接技術主講人：劉立君哈爾濱理工大學材料成型系二〇〇四年九月0機器人焊接技術主講人：劉立君0課程內容內容：機器人基本知識工業(yè)機器人工作原理弧焊機器人離線編程及標定技術機器人焊接系統(tǒng)的組成及特點主要參考教材：林尚揚等,《焊接機器人及其應用》機械工業(yè)出版社,2000年7月吳林等，《智能化焊接技術》國防工業(yè)出版社，2000年8月陳善本等,《焊接過程現代控制技術》哈工大出版社,2001年5月1課程內容內容：1機器人焊接的特點早期的焊接自動化程度低，基本是手工操作，產品質量不穩(wěn)定，甚至出現某個產品只能由某個人或某幾個人完成的情況，出現了“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人狀態(tài)的影響，產品質量不穩(wěn)定。所以現代企業(yè)要盡量擺脫這種對專門人員的依賴，采用自動化的機器設備來保證產品質量及效率。20世紀70年代：工業(yè)機器人技術被應用到焊接領域，焊接自動化程度發(fā)生了質的飛躍，焊接質量及效率得到顯著提高。2機器人焊接的特點早期的焊接自動化程度低，基本是手工操作，產品機器人焊接的特點根據對產品的適應能力，焊接自動化系統(tǒng)可以分為：“剛性”自動化系統(tǒng)，也稱專機，主要針對大批量定型產品，特點為成本低、效率高，但適應的產品單一。一旦產品換型，生產線就要更換?！叭嵝浴弊詣踊到y(tǒng)，主要指通過編程可改變操作的機器，產品換型時，只需通過改變相應程序，便可適應新產品。機器人屬于典型的具有柔性的設備。隨著市場經濟的快速發(fā)展，企業(yè)的產品從單一品種大批量生產變?yōu)槎嗥贩N小批量，要求生產線具有更大的柔性。所以焊接機器人在生產中的應用越來越廣泛，機器人焊接已成為焊接自動化的發(fā)展趨勢。3機器人焊接的特點根據對產品的適應能力，焊接自動化系統(tǒng)可以分為采用機器人焊接，具有如下優(yōu)點：易于實現焊接產品質量的穩(wěn)定和提高，保證其均一性；提高生產率，一天可24小時連續(xù)生產，機器人不會疲倦；改善工人勞動條件，可在有害環(huán)境下長期工作；降低對工人操作技術難度的要求；縮短產品改型換代的準備周期，減少相應的設備投資；可實現小批量產品焊接自動化；可作為數字化制造的一個環(huán)節(jié)。機器人焊接的特點4采用機器人焊接，具有如下優(yōu)點：機器人焊接的特點4第一章機器人工作原理第一節(jié)機器人基本知識第二節(jié)機器人工作原理5第一章機器人工作原理第一節(jié)機器人基本知識5第一節(jié)機器人基本知識一機器人的概念二機器人的發(fā)展及現狀三機器人的分類四工業(yè)機器人常用術語6第一節(jié)機器人基本知識一機器人的概念6一、機器人的概念“Robot”的來源1920年，捷克作家KarelCapek的科幻劇《Rossum‘sUniversalRobots》（羅薩姆的萬能機器人），劇中描寫了一批能從事各項勞動、聽命于人的機器，取名為“Robota”（捷克語），含義為：forcedworker（奴隸）。英語：Robot

德語：Robot

日語：ロボツト俄語：робот漢字：機器人KarelCapek

（1890－1938）7一、機器人的概念“Robot”的來源KarelCapek

一、機器人的概念機器人的定義：國際上對機器人的定義很多TheWebsterdictionary(Webster,1993):

“Anautomaticdevicethatperformsfunctionsnormallyascribedtohumansoramachineintheformofahuman.”一個自動化設備，它能執(zhí)行通常由人執(zhí)行的任務；或一個人型的機器美國機器人學會（TheRobotInstituteofAmerica，1979):

“Areprogrammable,multifunctionalmanipulatordesignedtomovematerials,parts,tools,orspecializeddevicesthroughvariousprogrammedmotionsfortheperformanceofavarietyoftasks.”一個可再編程的多功能操作器，用來移動材料、零部件、工具等；或一個通過編程用于完成各種任務的專用設備。ISO，1987：

工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。8一、機器人的概念機器人的定義：國際上對機器人的定義很多8二、工業(yè)機器人的發(fā)展及現狀1954年，美國人G.Devol和J.Engleberger設計了一臺可編程的機器人1961年，他們生產了世界上第一臺工業(yè)機器人“Unimates”，并獲得了專利1962年，Engleberger成立了Unimation公司，他被稱為“機器人之父”日本從上世紀70年代中后期開始開發(fā)工業(yè)機器人，15年后就成為產量最多、應用最廣的世界工業(yè)機器人“王國”。Unimates機器人9二、工業(yè)機器人的發(fā)展及現狀1954年，美國人G.Devol二、工業(yè)機器人的發(fā)展及現狀2000年，統(tǒng)計數據表明，全世界工業(yè)機器人總量為757,000臺，其中日本，402,200臺美國，92,900臺德國，81,200臺新加坡，5,300臺臺灣，6,400臺這些機器人中45％為焊接機器人（點焊、弧焊）我國大陸地區(qū)工業(yè)機器人用戶700多家，擁有工業(yè)機器人約3500臺，其中焊接機器人約1000臺，與國外的差距是明顯的。值得欣喜的是，我國機器人應用發(fā)展較快，1996年我國焊接機器人僅為500臺，目前以每年30％以上的速度增長。10二、工業(yè)機器人的發(fā)展及現狀2000年，統(tǒng)計數據表明，全世界工二、工業(yè)機器人的發(fā)展及現狀主要機器人廠家日本：Motoman、OTC、Panasonic、FANUC等美國：Adept等歐洲：奧地利IGM、德國CLOOS、KUKA、瑞典ABB韓國：HYUNDAI沈陽新松FANUC11二、工業(yè)機器人的發(fā)展及現狀主要機器人廠家FANUC11三、機器人的分類機器人分類方法很多按照技術水平劃分：第一代：示教再現型，具有記憶能力。目前，絕大部分應用中的工業(yè)機器人均屬于這一類。缺點是操作人員的水平影響工作質量。第二代：初步智能機器人，對外界有反饋能力。部分已經應用到生產中。第三代：智能機器人，具有高度的適應性，有自行學習、推理、決策等功能，處在研究階段。12三、機器人的分類機器人分類方法很多12三、機器人的分類按照基本結構劃分：直角坐標型，

也稱“機床型”圓柱坐標型球坐標型全關節(jié)型13三、機器人的分類按照基本結構劃分：13三、機器人的分類按照受控運動方式劃分：點位控制（PTP）型，PointtoPoint,如點焊、搬運機器人連續(xù)軌跡控制（CP）型，ContinousPath，如弧焊、噴漆機器人按驅動方式劃分：氣壓驅動（壓縮空氣）液壓驅動（重型機器人，如搬運、點焊機器人）電驅動（電動機），應用最多14三、機器人的分類按照受控運動方式劃分：14三、機器人的分類按照應用領域劃分：工業(yè)機器人，面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器人。特種機器人，用于非制造業(yè)的各種機器人，服務機器人、水下機器人、農業(yè)機器人、軍用機器人等15三、機器人的分類按照應用領域劃分：15三、機器人的分類華宇I型弧焊機器人16三、機器人的分類華宇I型弧焊機器人16三、機器人的分類弧焊機器人點焊機器人17三、機器人的分類弧焊機器人三、機器人的分類伐根機器人摘果機器人18三、機器人的分類伐根機器人三、機器人的分類擦玻璃機器人無人潛水器19三、機器人的分類擦玻璃機器人三、機器人的分類排爆機器人外科手術機器人20三、機器人的分類排爆機器人三、機器人的分類雙足仿人機器人球機器人21三、機器人的分類雙足仿人機器人三、工業(yè)機器人常用術語自由度（degreeoffreedom，DOF）,物體能夠對坐標系進行獨立運動的數目稱為自由度，對于自由剛體，具有6個自由度。通常作為機器人的技術指標，反映機器人靈活性，對于焊接機器人一般具有5－6個自由度位姿（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、焊鉗等額定負載（Payload），也稱為持重弧焊機器人：5～20kg點焊機器人：50～200kg22三、工業(yè)機器人常用術語自由度（degreeoffreed三、工業(yè)機器人常用術語工作空間（WorkingSpace），機器人工作時，其腕軸交點能在空間活動的范圍。重復位姿精度（PoseRepeatability），在同一條件下，重復N次所測得的位姿一致程度。軌跡重復精度（PathRepeatability），沿同一軌跡跟隨N次，所測得的軌跡之間的一致程度23三、工業(yè)機器人常用術語工作空間（WorkingSpace）第二章機器人運動學分析第一節(jié)位置和姿態(tài)的表示第二節(jié)坐標變換第三節(jié)機器人連桿參數及連桿坐標系第四節(jié)連桿坐標變換及運動學方程第五節(jié)運動學逆問題的相關問題24第二章機器人運動學分析第一節(jié)位置和姿態(tài)的表示24機器人運動學的研究內容一般可以將機器人看作是一個開鏈式多連桿機構，始端連桿就是機器人的機座，末端連桿與工具相連，相鄰連桿之間用一個關節(jié)連接在一起。機器人運動學包括兩方面問題：運動學正問題：已知各關節(jié)角值，求工具在空間的位置和姿態(tài)。實際上，這是建立運動學方程的過程。運動學逆問題：已知工具的位姿，求各關節(jié)角值，這是求解運動學方程的問題。25機器人運動學的研究內容一般可以將機器人看作是一第一節(jié)位置和方位的表示為了描述機器人本身各連桿之間、機器人和環(huán)境之間的運動關系，通常將它們看作剛體。剛體的位置和姿態(tài)描述在直角坐標系｛A｝中，任意一點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），設一個坐標系｛B｝與該剛體固接。用坐標系的三個單位主矢量xB，

yB，zB相對于參考坐標系｛A｝的方向余弦組成的3×3矩陣表示剛體B相對于坐標系｛A｝的姿態(tài)。稱為旋轉矩陣，也可表示成：旋轉矩陣是正交的。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軸旋轉了θ角的旋轉矩陣，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與某一坐標系相固接，通常記為｛B｝，｛B｝的原點一般選在剛體B的特征點上，如質心或對稱中心等。對弧焊機器人中的焊槍可以將原點選在焊槍電極端部。則相對于參考坐標系｛A｝，用位置矢量ApB0和旋轉矩陣分別描述｛B｝原點位置及坐標系的方位，即剛體B的位置和姿態(tài)可由坐標系｛B｝來描述：當表示位置時，旋轉矩陣為單位陣；當表示姿態(tài)時，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)坐標變換1、坐標平移坐標系｛B｝與｛A｝具有相同的方位，但｛B｝的原點與｛A｝的原點不重合，則空間任意點P在｛A｝中的描述可以表示為：稱為坐標平移方程30第二節(jié)坐標變換1、坐標平移稱為坐標平移方程3第二節(jié)坐標變換2、坐標旋轉坐標系｛B｝與｛A｝原點重合，但兩者的方位不同，則空間任意點P在｛A｝中的描述可以表示為：稱為坐標旋轉方程3、一般變換坐標系｛B｝與｛A｝既不共原點，方位亦不同，此時，31第二節(jié)坐標變換2、坐標旋轉稱為坐標旋轉方程第二節(jié)坐標變換4、齊次坐標變換用4×1列向量表示三維空間坐標系中的點：稱為齊次坐標，齊次坐標具有不唯一性。引入齊次坐標后，一般變換變?yōu)椋?2第二節(jié)坐標變換4、齊次坐標變換稱為齊次坐標，齊次坐標第二節(jié)坐標變換稱為齊次變換矩陣33第二節(jié)坐標變換稱為齊次變換矩陣33第二節(jié)坐標變換舉例：如果xB與yA同向；yB與zA同向；zB與xA同向。則，34第二節(jié)坐標變換舉例：如果xB與yA同向；yB與zA同向；z第三節(jié)機器人連桿參數及連桿坐標系對于一個6自由度機器人，有6個連桿和6個關節(jié)組成。編號時，機座稱為連桿0，不包含在這6個連桿內，連桿1與機座由關節(jié)1相連，連桿2通過關節(jié)2與連桿1相連，依此類推。關節(jié)1關節(jié)2關節(jié)3關節(jié)4關節(jié)5關節(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，可以將機器人看作是一個開鏈式多連桿機構，始端連桿就是機器人的機座，末端連桿與工具相連，相鄰連桿之間用一個關節(jié)連接在一起。35第三節(jié)機器人連桿參數及連桿坐標系對于一個6自第三節(jié)機器人連桿參數及連桿坐標系1、連桿參數（1）連桿長度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，方向為從i-1軸到i軸36第三節(jié)機器人連桿參數及連桿坐標系1、連桿參數連桿i-1軸i第三節(jié)機器人連桿參數及連桿坐標系2、連桿連接參數（1）連桿之間的距離diai,ai-1

之間的距離（2）關節(jié)角ai,ai-1

之間的夾角，方向為從ai-1

到ai

連桿i-1軸i-1軸i連桿i37第三節(jié)機器人連桿參數及連桿坐標系2、連桿連接參數（2）關節(jié)第三節(jié)機器人連桿參數及連桿坐標系以上定義為一般情況，對運動鏈的兩端，有一些習慣約定：如果關節(jié)1為轉動關節(jié)，則1是可變的，習慣上約定d1=0如果關節(jié)1為移動關節(jié)，則d1是可變的，習慣上約定1

=0這些約定同樣適用于關節(jié)n所以，每個連桿可以由四個參數來描述，其中描述的為連桿i-1本身的性質，描述的為連桿i-1和連桿i之間的關系。當機器人的連桿鏈制作完成后，如果為轉動關節(jié)，i為變量，若為移動關節(jié)，則di為變量，其余參數為常量。所以對于一個6自由度機器人，用18個參數描述其固定部分，用6個關節(jié)變量描述其變動部分，這種描述方法成為D-H法。（Denavit和Hartenberg提出的）38第三節(jié)機器人連桿參數及連桿坐標系以上定義為一第三節(jié)機器人連桿參數及連桿坐標系3、連桿坐標系為了確定各連桿之間的相對運動關系，在各連桿上分別建立一個坐標系。與機座固接的坐標系記為｛0｝，與連桿i

固接的坐標系記為｛i｝坐標系｛i－1｝的建立過程：zi-1與軸i-1重合，一般指向關節(jié)i-1xi-1與ai-1重合，指向關節(jié)iyi-1按右手法則確定，yi-1=zi-1×xi-1原點取在軸i-1與ai-1交點上連桿i-1軸i-1軸i連桿i39第三節(jié)機器人連桿參數及連桿坐標系3、連桿坐標系連桿i-1軸第三節(jié)機器人連桿參數及連桿坐標系對于基坐標系｛0｝，一般約定當關節(jié)1變量為零時，｛0｝與｛1｝重合對于末端連桿坐標系｛n｝，也約定，當關節(jié)n-1為零時，｛n｝與｛n-1｝重合連桿參數在坐標系中的含義：連桿i-1軸i-1軸i連桿i40第三節(jié)機器人連桿參數及連桿坐標系對于基坐標系｛0｝，一般約第四節(jié)連桿坐標變換及運動學方程在各連桿上建立坐標系之后，可以進行連桿坐標系之間的變換。｛i｝到｛i-1｝的變換矩陣用表示。根據連桿坐標系的定義，｛i｝到｛i-1｝的變換如下：先假設｛i｝與｛i-1｝重合得到坐標系｛i｝41第四節(jié)連桿坐標變換及運動學方程在各連桿上建立坐標系之后，可第四節(jié)連桿坐標變換及運動學方程這就是連桿坐標系之間的轉換矩陣，機器人制作完成后，每個關節(jié)只有一個變量，對于轉動關節(jié)對于移動關節(jié)42第四節(jié)連桿坐標變換及運動學方程這就是連桿坐標系之間的轉換矩第四節(jié)連桿坐標變換及運動學方程將個連桿變換矩陣相乘，可得這就是機器人的運動學方程，描述的是末端連桿（工具）相對于基坐標系之間的變換矩陣與關節(jié)變量的之間的關系。如果通過傳感器獲得各關節(jié)變量的值，就可以確定機器人末端連桿上工具的位置和姿態(tài)。這樣就解決了機器人的正運動學問題。43第四節(jié)連桿坐標變換及運動學方程將個連桿變第五節(jié)運動學逆問題的相關問題運動學方程對于機器人運動學逆問題，即已知末端位姿，求各關節(jié)變量值，也就是已知求（求運動學方程的根）在運動學方程兩端左乘，對于6自由度機器人，有求解時，一般不是聯(lián)立求解12個方程，而是找出方程右端的常數項，令其與左端相應項相等，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，需要直覺觀察與經驗，也可以采用數值解法（復雜）。44第五節(jié)運動學逆問題的相關問題運動學方程第五節(jié)運動學逆問題的相關問題1、解的存在性和工作空間指機器人能否到達所指定的位姿。例如，對于平面2R機械手，可直觀地寫出其運動學方程運動學逆問題：45第五節(jié)運動學逆問題的相關問題1、解的存在性和工作空間第五節(jié)運動學逆問題的相關問題

p點在圓環(huán)內有解通常將解存在的區(qū)域稱為機器人的工作空間。分為2類：靈活工作空間，工具能以任意姿態(tài)到達的目標點集合；可達工作空間，機器人工具至少能以一個姿態(tài)到達的目標點集合。對于本例，靈活工作空間只有一個點。如果末端再增加一個轉動關節(jié)，則靈活空間會變大。即自由度增多，機器人變靈活。46第五節(jié)運動學逆問題的相關問題p點在圓環(huán)內有解如第五節(jié)運動學逆問題的相關問題2、解的唯一性和最優(yōu)解隨著自由度的增多，運動學方程的解越多，即達到空間某一位姿，各關節(jié)變量可以有多種不同的組合。如3R機械手當前的位姿，有兩組解。對于6自由度機器人，解的數量最多可達16個。右圖為PUMA560機器人，工具在當前位姿條件下，具有8組解。47第五節(jié)運動學逆問題的相關問題2、解的唯一性和最優(yōu)解第五節(jié)運動學逆問題的相關問題如何選??？避免碰撞；最短行程；多動小關節(jié)，少動大關節(jié)；機器人動力學：運動與受力之間的關系正問題：根據關節(jié)驅動力矩，計算操作臂的運動（位移、速度、加速度）；逆問題：已知機器人運動軌跡對應的位移、速度、加速度，求所需每個關節(jié)的驅動力矩；48第五節(jié)運動學逆問題的相關問題如何選??？機器人動第三章機器人驅動與控制技術第一節(jié)驅動電機第二節(jié)位置控制49第三章機器人驅動與控制技術第一節(jié)驅動電機49第一節(jié)驅動電機電動機是機器人驅動系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。常采用的電動機為：步進電機直流伺服電機交流伺服電機50第一節(jié)驅動電機電動機是機器人驅動系統(tǒng)中的執(zhí)行第一節(jié)驅動電機

步進電機經常應用于開環(huán)控制系統(tǒng)，特點為具有較大的低速轉矩，可不配減速器，直接驅動。主要分為三類：永磁式步進電動機：轉子由磁性材料制成，具有低力矩、低速度、低成本的特點。一般用于計算機外圍設備（打印機、光驅等）變磁阻式步進電動機：沒有磁性材料，不通電時，沒有保持力矩，也稱感應式步進電機混合式步進電動機：上述原理的結合，是目前應用越來越廣的一種。51第一節(jié)驅動電機步進電機永磁式步進電動機：第一節(jié)驅動電機

直流伺服電機20世紀80年代中期以前被廣泛使用，優(yōu)點為易于控制，缺點是需要定期維護，速度不能太高，功率不能太大。定子磁場是永磁鐵提供的，線圈中通入電流，產生轉矩，轉一個角度后，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，且速度不能太高。由于線圈繞在轉子上，散熱問題不易解決，功率不能太大。52第一節(jié)驅動電機直流伺服電機第一節(jié)驅動電機

交流伺服電動機轉子是永磁的，線圈繞在定子上，沒有電刷。線圈中通交變電流。轉子上裝有碼盤傳感器，檢測轉子所處的位置，根據轉子的位置，控制通電方向。由于線圈繞在定子上，可以通過外殼散熱，可做成大功率電機。沒有電刷，免維護。是目前在機器人上應用最多的電動機。53第一節(jié)驅動電機交流伺服電動機53第一節(jié)驅動電機和步進電機相比，伺服電機有以下幾點優(yōu)勢：

1、實現了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進電機失步的問題；

2、高速性能好，一般額定轉速能達到2000～3000轉；

3、抗過載能力強，能承受三倍于額定轉矩的負載，對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用；

4、低速運行平穩(wěn)，低速運行時不會產生類似于步進電機的步進運行現象。5、電機加減速的動態(tài)相應時間短，一般在幾十毫秒之內；6、發(fā)熱和噪音明顯降低。54第一節(jié)驅動電機和步進電機相比，伺服電機有以下幾點優(yōu)勢：

1第一節(jié)驅動電機

減速機目前，機器人普遍采用交流伺服電機驅動，為了提高控制精度，增大驅動力矩，一般均需配置減速機。通常配備RV減速機（精度高、剛性好）55第一節(jié)驅動電機減速機55第二節(jié)位置控制機器人是由多軸（關節(jié)）組成，每軸的運動都影響機器人未端的位置和姿態(tài)。如何協(xié)調各軸的運動，使機器人未端完成要求的軌跡，是需要解決的問題。由于絕大多數機器人是關節(jié)式運動形式，很難直接檢測機器人未端的運動，只能對各關節(jié)進行控制。屬于半閉環(huán)系統(tǒng)，即僅從電動機軸上閉環(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)位置控制機器人是由多軸（關節(jié)）組成第二節(jié)位置控制目前機器人基本操作方式為示教再現，示教時，不能將軌跡上的所有點都示教一遍，一是費時，二是占用大量的存儲器。實際上，對于有規(guī)律的軌跡，僅示教幾個特征點。對直線軌跡，僅示教兩個端點；對圓弧軌跡，示教三點（起點、終點、中間點），軌跡上其它中間點的坐標通過插補方法獲得。逆運動學關節(jié)位置控制軌跡的示教點位姿反饋插補算法中間位姿關節(jié)電機1上位計算機伺服控制器關節(jié)位置控制反饋關節(jié)電機257第二節(jié)位置控制目前機器人基本操作方式為示第二節(jié)位置控制

插補方式：定時插補

每隔一定時間插補一次，插補時間間隔Ts一般不超過25ms定距插補

每隔一定距離插補一次，可避免快速運動時，定時插補造成的軌跡失真。但也受伺服周期限制。

插補算法：直線插補

將兩示教點之間按照直線規(guī)律計算中間點坐標。圓弧插補按圓弧規(guī)律計算中間點。58第二節(jié)位置控制插補方式：58第二節(jié)位置控制直線插補設機器人末端要從Po運動到Pe，運動速度v，插補時間間隔Ts直線長度：插補間隔內的行程：d=vTs插補的總步數：N=int(L/d)+1各方向上的增量：各插補點的坐標：59第二節(jié)位置控制直線插補59第二節(jié)位置控制圓弧插補空間不共線三點P1，P2，P3構成一段圓弧。首先進行坐標變換，把空間圓弧變換為平面圓弧。原點與圓弧的圓心重合，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在基坐標系中的坐標為（x0，y0，z0）60第二節(jié)位置控制圓弧插補60第二節(jié)位置控制對于平面圓?。喊霃絉總的圓心角φTs時間內的角位移Δθ＝TsV/R插補步數：N=φ／Δθ＋1小結：1、將示教點坐標轉換為｛R｝坐標值2、按平面圓弧插補算法，得到插補點坐標（xR，yR）3、轉換到基坐標系中61第二節(jié)位置控制對于平面圓?。盒〗Y：1、將示教點坐標轉換為｛第四章弧焊機器人編程技術第一節(jié)機器人的編程基礎第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術62第四章弧焊機器人編程技術第一節(jié)機器人的編程基礎62第一節(jié)機器人的編程基礎通過前面的知識，我們知道，機器人是一個軟件可控的機電裝置，可通過編程定義其作業(yè)內容。目前，對機器人編程的方式可以分為以下三種：示教編程機器人語言編程離線編程63第一節(jié)機器人的編程基礎通過前面的知識，我們知第一節(jié)機器人的編程基礎1、示教編程示教編程是目前工業(yè)機器人廣泛使用的編程方法，根據任務的需要，將機器人末端工具移動到所需的位置及姿態(tài)，然后把每一個位姿連同運行速度、焊接參數等記錄并存儲下來，機器人便可以按照示教的位姿再現。示教方式有兩種：手把手示教示教盒示教64第一節(jié)機器人的編程基礎1、示教編程64第一節(jié)機器人的編程基礎示教盒控制器現場示教編程的優(yōu)點：不需要預備知識和復雜的計算機裝置，方法簡單、易于掌握。示教編程的缺點：占用生產時間，難于適應小批量、多品種的柔性生產需要；編程人員工作環(huán)境差、強度大，一旦失誤，會造成人員傷亡或設備損壞；編程效率低。65第一節(jié)機器人的編程基礎示教盒控制器現場示教編程的優(yōu)點：65第一節(jié)機器人的編程基礎2、機器人語言機器人語言提供了一種通用的人與機器人之間的通訊手段。它是一種專用語言，用符號描述機器人的運動，與常用的計算機編程語言相似。1973年，Stanford人工智能實驗室開發(fā)了第一種機器人語言－WAVE語言。1974年，該實驗室開發(fā)了AL語言1979年，Unimation公司開發(fā)了VAL語言（類似于BASIC）1984年，該公司推出了VALII語言其他的機器人語言：IBM公司的AML語言及AUTOPASS語言、MIT的LAMA語言、Automatix公司的RAIL語言等。66第一節(jié)機器人的編程基礎2、機器人語言66第一節(jié)機器人的編程基礎根據作業(yè)描述水平的高低，機器人語言通常分為三級：動作級：每一個指令對應于一個動作，如MOVETO<destination>，優(yōu)點為：語句簡潔，易于編程，缺點為：不能進行復雜的運算，不能接受傳感器信息。VAL屬于動作級。對象級:是描述操作物體間關系使機器人動作的語言。具有運動控制（與動作級語言類似的功能）、處理傳感信息、通信和數字運算、良好的擴展性（用戶可根據需要增加指令）等特點。AML、AUTOPASS屬于對象級。任務級：是比較高級的機器人語言，允許操作人員下達直接命令，不必規(guī)定機器人的動作細節(jié)。如：焊接工件A，需要非常高的智能，目前還沒有真正的任務級語言。67第一節(jié)機器人的編程基礎根據作業(yè)描述水平的高低，機器人語言通第一節(jié)機器人的編程基礎.EDITDEMO.PROGRAMDEMO?OPEN?APPROPICK50?SPEED30?MOVEPICK?CLOSEI?DEPART70?APPROSPLACE75?SPEED20?MOVESPLACE?OPENI?DEPART50?E

啟動編輯狀態(tài)VAL響應下一步手張開運動至距PICK位置50mm處下一步降至30％滿速運動到PICK位置閉合手后退70mm運動至距PLACE位置75mm處下一步降至20％滿速運動至PLACE位置在下一步之前手張開后退50mm退出編輯狀態(tài)VAL程序舉例：將物體從位置1（PICK）搬運到位置2（PLACE）68第一節(jié)機器人的編程基礎VAL程序舉例：將物體從位置1（P第一節(jié)機器人的編程基礎0000NOP0001MOVJVJ＝10.000002MOVLV=8000003ARCONASF#(1)0004MOVLV=1000005ARCOF0006END空操作以10％關節(jié)速度移動到焊縫起點附近一點以800mm/min速度移動到焊縫起點按照文件ASF＃（1）的參數起弧按照100mm/min的焊接速度焊接熄弧結束MOTOMANXRC控制器語言：焊接一段直線焊縫69第一節(jié)機器人的編程基礎0000NOP空操作MOTOMA第一節(jié)機器人的編程基礎3、離線編程在計算機中建立設備、環(huán)境及工件的三維模型，在這樣一個虛擬的環(huán)境中對機器人進行編程。機器人離線編程（OffLineProgramming，OLP）系統(tǒng)是機器人語言編程的拓展，它充分利用了計算機圖形學的成果，建立機器人及其工作環(huán)境的模型，再利用一些規(guī)劃算法，通過對圖形的控制和操作在離線的情況下進行編程。OLP控制器現場70第一節(jié)機器人的編程基礎3、離線編程OLP控制器現場70第一節(jié)機器人的編程基礎離線編程的優(yōu)點減少機器人不工作時間改善了編程環(huán)境；使編程者遠離危險的工作環(huán)境提高了編程效率與質量；可使用高級語言對復雜任務編程便于和CAD系統(tǒng)集成,實現CAD/CAM／Robotics一體化。示教編程離線編程需要實際機器人系統(tǒng)和工作環(huán)境編程時機器人停止工作在實際系統(tǒng)上試驗程序編程的質量取決于編程者的經驗很難實現復雜的機器人軌跡路徑需要機器人系統(tǒng)和工作環(huán)境的圖形模型編程不影響機器人工作通過仿真試驗程序用規(guī)劃技術可進行最佳參數及路徑規(guī)劃可實現復雜運動軌跡的編程71第一節(jié)機器人的編程基礎離線編程的優(yōu)點示教編程離線編程需要實第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術1、發(fā)展與現狀2、機器人離線編程原理3、執(zhí)行級弧焊機器人離線編程系統(tǒng)4、任務級弧焊機器人離線編程系統(tǒng)72第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術1、發(fā)展與現狀72第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術如前所述，機器人離線編程是在一個虛擬的環(huán)境中對機器人進行編程。在計算機內建立機器人及其工作環(huán)境的模型，再利用一些規(guī)劃算法，通過對圖形的控制和操作在離線的情況下進行編程。1、發(fā)展與現狀國外機器人離線編程的研究起步較早，從70年代開始進行這方面的研究工作。自80年代以來，由于機器人離線編程軟件是機器人應用與研究不可缺少的工具，美國、英國、法國、德國、日本等許多大學實驗室、研究所、制造公司對機器人離線編程與仿真技術進行了大的研究，并開發(fā)出原型系統(tǒng)和應用系統(tǒng)。這些軟件有些已經商品化，對機器人技術發(fā)展以及在各行業(yè)的推廣應用發(fā)揮了巨大的作用。73第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術如前所述，機器第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術國外主要離線編程系統(tǒng)74第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術國外主要離線編程系統(tǒng)74第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術PLACE(PositionLayoutandCellEvaluator)是由美國McAuto公司開發(fā)的機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，用于設計、評價機器人制造單元和機器人離線編程。75第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術PLACE(Posit第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術ROBCAD是Tecnomatix公司八十年代推出的、運行在SGI工作站、UNIX操作系統(tǒng)下的大型機器人設計、仿真和離線編程系統(tǒng)。該軟件由六大模塊組成：機械設計、建模模塊（MechanicalModeling）、工作單元布置模塊（WorkcellLayout）、任務描述模塊（TaskDescription）、仿真模塊（Simulation）、機械制圖模塊（Drafting）和數據管理模塊（DataManagement）。機械設計、建模模塊主要完成機器人及環(huán)境的幾何建模、運動機構如機器人、設備的運動學建模，并具有數據查詢、文件管理等功能。Workspace是RobotSimulations公司開發(fā)的第一個商品化的基于微機的機器人仿真與離線編程軟件。該軟件采用了ACIS作為建模核心，與一些基于微機的CAD系統(tǒng)如AutoCAD做到了很好的數據交換。76第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術ROBC第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術IGRIP，美國Deneb公司產品，卓越的圖形功能，不僅可運行在SGI、HP等工作站上，也可運行在高檔PC機上。77第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術IGRIP，美第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術

裝甲車殼體焊接自動化系統(tǒng)仿真78第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術裝甲車殼體焊接第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術國內機器人離線編程技術研究情況79第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術國內機器人離線編程技術研究情況第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術機器人離線編程技術是以CAD和圖形仿真為基礎的技術。因其顯著優(yōu)點，引起國內外的諸多研究與開發(fā)，并出現了一些專業(yè)公司，推動了離線編程技術的實用化。與國外相比，我國的機器人離線編程技術還有很大的差距，主要體現在以下幾點：

幾何建模：國外商品化系統(tǒng)的幾何建模功能比較強，且與其他外部CAD系統(tǒng)具有數據交換接口。國內自主開發(fā)的系統(tǒng)由于投入小,功能較弱,缺少與外部CAD系統(tǒng)的數據交換接口。

專業(yè)化：國外系統(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)之上開發(fā)專業(yè)化的模塊，如IGRIP中的點焊、弧焊等。而國內的通用系統(tǒng)則無專業(yè)化模塊。

標定：國外系統(tǒng)大多將標定作為主要模塊之一，而國內還缺少這方面的研究。

機器人程序下載：國外商品化系統(tǒng)都有多種機器人的接口,可以方便地上下載這些機器人的程序。而國內系統(tǒng)還主要停留在仿真階段，缺少與實際機器人的接口，很少有關于機器人程序下載與執(zhí)行的報道。80第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術機器人離線編程技術是以C第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術2、機器人離線編程原理如前所述，機器人離線編程是在一個虛擬的環(huán)境中對機器人進行編程。在計算機內建立機器人及其工作環(huán)境的模型，再利用一些規(guī)劃算法，通過對圖形的控制和操作在離線的情況下進行編程。一般離線編程系統(tǒng)主要包括：用戶接口機器人及環(huán)境的建模運動學計算軌跡規(guī)劃動力學仿真并行操作傳感器仿真通信接口誤差校正81第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術2、機器人離線編程原理一般離線第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術用戶接口：一般工業(yè)機器人提供兩個用戶接口：一個用于示教編程，另一個用于語言編程。作為機器人語言的拓展，離線編程系統(tǒng)把機器人語言作為用戶接口的一部分，另外用戶接口的一個重要部分，是對機器人系統(tǒng)進行圖形編輯，一般設計成交互式，可利用鼠標操作機器人的運動。機器人及環(huán)境的建模：這是離線編程的前提，必須構建機器人、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)應包括CAD建模子系統(tǒng)，可以集成到CAD平臺上。若為獨立系統(tǒng)，應具備與外部CAD文件的轉換接口。

運動學計算：離線編程系統(tǒng)需要進行圖形仿真、碰撞檢測等任務，需要進行運動學計算，包括正運動學及逆運動學計算。要求與機器人控制器采用一致的逆運動學算法，或直接提供直角坐標給機器人控制器，由控制器進行逆運動學計算。82第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術用戶接口：一般工業(yè)機器人提供兩第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術軌跡規(guī)劃：離線編程系統(tǒng)除了對機器人靜態(tài)位置進行運動學計算外，還應該對機器人在工作空間的運動軌跡進行仿真。由于不同機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)應對機器人控制器中所采用的算法進行仿真。軌跡規(guī)劃模塊根據起點、終點位置及約束條件，輸出中間點位姿、速度、加速度的時間序列。還應該具備可達空間計算及碰撞檢測等功能。動力學仿真：如果機器人工作在高速及重負載的情況下，必須考慮動力學特性，以防止產生比較大的誤差。83第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術軌跡規(guī)劃：離線編程系統(tǒng)除了對機第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術并行操作：有些場合常涉及到兩個或多個機器人同時完成一個作業(yè)，有時，既使一個機器人工作，也常需要和變位機、傳送帶等系統(tǒng)配合。因此，離線編程系統(tǒng)應能對多個設備進行同時仿真?？梢圆捎枚嗵幚砥骷夹g，通常采用單處理器分時操作（多任務系統(tǒng)）。84第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術并行操作：有些場合常涉及到兩個第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術傳感器仿真：在實際機器人系統(tǒng)中，可能裝有各種傳感器。在離線編程系統(tǒng)中，對這些傳感器進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、觸覺和接近覺傳感器。觸覺陣列的幾何模型分解成一些小塊，檢查每個幾何塊與物體間的干涉，確定接觸情況。接近覺傳感器也可利用幾何模型件的干涉檢查來仿真，將長方體分成許多小塊，與物體相交的塊數可以表示接近的程度。利用相交部分的體積可以仿真力覺傳感器。85第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術傳感器仿真：在實際機器人系統(tǒng)中第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術通信接口：連接離線編程系統(tǒng)與機器人控制器。利用通信接口可以把仿真系統(tǒng)所生成的機器人運動程序轉換成機器人控制器可以接受的的代碼。由于不同廠家生產的機器人所用的語言系統(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)中的仿真模型與實際機器人模型存在誤差，需要對這些誤差進行校正。誤差源：機器人連桿制造誤差、傳動間隙、機器人剛度不足、相同型號機器人的不一致性、控制器的數字精度、溫度等外部環(huán)境的影響可增加標定模塊及傳感器補償86第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術通信接口：連接離線編程系統(tǒng)與機第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術關節(jié)級（JointLevel）

例如：將關節(jié)4向正方向移動30度執(zhí)行級（ManipulatorLevel）例如：將焊槍沿X軸反方向移動100毫米對象級（ObjectLevel）例如：將焊縫5變換到15度上坡焊位置任務級（TaskLevel）例如：焊接焊縫3弧焊機器人離線編程系統(tǒng)的分類87第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術關節(jié)級（JointLevel第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術3、執(zhí)行級弧焊機器人離線編程系統(tǒng)（哈工大田勁松等人）開發(fā)方式：在高性能PC機和AutoCAD2000平臺上，運用其開發(fā)工具——ObjectARX進行二次開發(fā)。總體結構：ARX程序建模模塊運動仿真路徑模塊編程模塊圖形示教程序轉換碰撞檢測標定模塊AutoCAD2000用戶界面動畫生成程序上載88第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術3、執(zhí)行級弧焊機器人離線編程系第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術建模模塊：

離線編程系統(tǒng)中的建模模塊要完成以下幾個方面的任務：部件建模；設備建模；工作單元設計和布置。工作單元由機器人設備和變位機設備以及環(huán)境物組成，而設備又由不同數目的部件組成，部件和部件之間由各種關節(jié)聯(lián)接或直接連接。89第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術建模模塊：89第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術建立的工作單元實例部件裝配成設備的流程圖90第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術建立的工作單元實例部件裝配成設第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術路徑模塊：首先引入標簽點（TagPoint）的概念。在離線編程系統(tǒng)中，標簽點是一個以笛卡爾坐標系圖形為基礎的對象，其圖形表征了機器人運動中的工具坐標系的位姿，其內部還可記錄著該點的焊接工藝參數。標簽點圖形是由三個互相垂直的一定長度直線、標簽點名稱以及X、Y、Z字符組成，不隨用戶觀察視點變化，便于用戶觀察與利用。

路徑（Path）是一系列標簽點的集合。路徑分為普通路徑和焊接路徑，普通路徑只記錄機器人運動過程，而在焊接路徑中，標簽點還要記錄其性質如起弧點、熄弧點等，以及焊接參數。一條路徑必須屬于某個部件。91第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術路徑模塊：91第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術路徑功能是離線編程的一大特點，使得機器人工具的運動過程能可視的記錄下來，以便于用戶的編輯，也可保存相應位置點的工藝參數。用戶可以利用提供的命令對單個標簽點或整條路徑進行修改，從而改變機器人工具的運動過程或焊接參數，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動。這樣，當工件重新裝夾或變位機運動時，用戶以前的工作將隨路徑被一起保留下來，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)弧焊機器人離線編程技術路徑功能是離線編第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術編程模塊：為了用語言描述機器人工作單元的工作過程，本文定義了機器人執(zhí)行級離線編程語言（MOPL）。MOPL是一種解釋性的語言，可對系統(tǒng)圖形進行實時操作。利用MOPL中的命令書寫程序，便可實現機器人工作單元的離線編程。

ProgramStart，編程開始$Device，指定當前設備$Motype，指定當前運動類型$Speed，指定當前運動速度

MoveTo，工具移動到某一標簽點

MoveHome，設備移動到零位

MoveJoint，移動設備的某個關節(jié)

MoveJoints，移動設備的多個關節(jié)

MoveAlong，工具沿某條路徑移動

MoveVia，經中間標簽點移到目標標簽點

OrientTag，變位機標簽點

MoveRelative，工具以笛卡爾方式相對移動//，注釋語句執(zhí)行級離線編程器93第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術編程模塊：ProgramSt第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術程序實例：ProgramStart$Device=robot$Speed=5.000MoveJointsTo-30.0000.0000.0000.0000.0000.000MoveToseam_1$Motype=Straight$Speed=10.000MoveAlongseamFrom2To16$Motype=JointMoveHome94第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術程序實例：94第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術程序轉換模塊：通過離線編程器編制的MOPL程序只能在離線編程系統(tǒng)內進行仿真，不能直接下載給機器人。而且各種機器人接受的機器人語言各不相同，因此需要將MOPL文件轉換為特定機器人可接受的程序。MOPL程序程序轉換模塊特定的機器人程序程序轉換模塊的作用95第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術程序轉換模塊：MOPL程序轉換第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術自定義的九自由度機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

引弧標志及焊接參數設定

AE

熄弧標志

END

程序結束標志

序號運動方式代碼機器人關節(jié)角變位機關節(jié)角機器人速度變位機時間96第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術自定義的九自由度機器人程序的基第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術MOPL文件機器人類型機器人程序進度顯示程序轉換器結構程序轉換器的界面97第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術MOPL文件機器人類型機器人程第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術機器人程序轉換實例98第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術機器人程序轉換實例98第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術碰撞檢測模塊：碰撞檢測是機器人離線編程系統(tǒng)的必要功能之一。在CAD技術中，碰撞檢測也稱為實體求交。在機器人工作單元中，有眾多個部件，如果每兩個部件之間都進行碰撞檢測，則每一步碰撞檢測將花費相當長的時間。為了解決這一問題，需要用戶根據自己的知識判斷可能發(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列表。碰撞檢測列表的結構碰撞檢測列表對話框

99第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術碰撞檢測模塊：碰撞檢測列表的結第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術

碰撞檢測結果

焊槍與工件發(fā)生碰撞

傳感器與變位機發(fā)生碰撞

100第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術碰撞檢測結果焊槍與第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術4、任務級弧焊機器人離線編程系統(tǒng)（哈工大田勁松等人）

近年來，機器人離線編程技術發(fā)展迅速，逐漸向自動編程方向發(fā)展，出現了任務級離線編程（TaskLevelOLP）概念，它采用更高級的指令系統(tǒng)，用戶只需要輸入簡單的命令，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)便會自動生成零件A上的焊縫軌跡，根據零件的材料及結構形式，自動給出焊接工藝參數等，并自動轉換成機器人控制程序。也可稱為“傻瓜編程”。與執(zhí)行級離線編程相比，任務級離線編程要用更抽象的編程命令編程。為了使抽象的任務級編程命令能夠解釋成具體的執(zhí)行級編程命令，不但需要被焊工件的各種信息，而且需要根據這些信息規(guī)劃合適的焊接工藝參數和機器人運動路徑。因此，機器人弧焊任務級離線編程需要如下支撐技術：焊接工件特征建模技術焊接參數規(guī)劃技術弧焊機器人路徑規(guī)劃技術101第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術4、任務級弧焊機器人離線編程系第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術焊接工件特征建模技術：對于任務級的離線編程系統(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）。通過實體模型只能得到工件的幾何要素，不能得到上述加工信息，而從實體幾何信息中往往不能正確或根本無法提取上述加工信息，因此無法實現任務級離線編程對焊接工藝和弧焊機器人路徑的推理和求解。這同其它CAD/CAM系統(tǒng)面臨的問題是一樣的，因此必須進行焊接工件的特征建模。

特征是用來生成設計、分析設計或評價設計的元素。由于在弧焊機器人離線編程系統(tǒng)中，焊接工件的特征模型需要為后續(xù)的焊接參數規(guī)劃、機器人路徑規(guī)劃模塊提供充分的設計數據和加工信息，所以特征是否全面準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重要問題。102第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術焊接工件特征建模技術：102第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術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）、關鍵焊縫點的位置姿態(tài)及其他信息（如和其他特征之間的關系等等）。裝配特征是指記錄焊板之間相對位置和拓撲關系的一組特征（如板號、板之間的面和邊，對應的關鍵點等）。坡口特征指坡口形狀、尺寸等信息。103第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術焊接工件特征的分類和組織焊接第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術焊接工件數據模型在實際焊接結構中，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（如對接、角接等等）都有其固定的分類和描述位置形狀的參數，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，板相當于零件，而接頭相當于裝配關系。這里假定一個接頭由兩個板相連，而一個板上則可以連接多個接頭。

104第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術焊接工件數據模型第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術特征建模系統(tǒng)105第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術特征建模系統(tǒng)105第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術建模系統(tǒng)的主界面及建模結果106第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術建模系統(tǒng)的主界面及建模結果1第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術焊接參數規(guī)劃技術：在某些商品化的離線編程軟件（如WorkSpace、IGRIP等）中，機器人弧焊所需的焊接參數都是由編程人員手工輸入的，這樣不僅使編程出錯的幾率增多，而且增加了編程的工作量。在任務級離線編程中，利用以人工智能技術為基礎的焊接參數規(guī)劃器自動確定焊接參數，將有效地提高機器人編程的效率和質量。用戶首先是在特征建模模塊進行焊接結構的設計，并確定了工件材質、板厚、接頭類型、坡口類型等參數，焊接參數規(guī)劃器是根據這些參數去檢索事例庫，如果事例庫中存在匹配的事例，則直接提供；若事例庫中沒有匹配的事例，程序自動進行智能推理，以便給出滿足要求的焊接參數。焊接參數分類焊前準備參數（焊接方法，焊絲等）焊接過程參數（電流，電壓等）107第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術焊接參數規(guī)劃技術：焊接參數分類第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術焊接參數規(guī)劃器的結構108第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術焊接參數規(guī)劃器的結構108第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術基于RBR和CBR的焊前準備參數規(guī)劃模塊RBR－Rule-BasedReasoningCBR–Case-BasedReasoning109第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術基于RBR和CBR的焊前準備參第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術基于CBR和ANN的焊接過程參數規(guī)劃模塊ANN-ArtificialNeuralNetwork110第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術基于CBR和ANN的焊接過程參第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術弧焊機器人路徑規(guī)劃技術：焊接路徑規(guī)劃是指在焊接過程中確定實現最佳焊接質量的弧焊機器人系統(tǒng)各路徑點處的各關節(jié)值。焊接路徑規(guī)劃存在如下約束：弧焊機器人系統(tǒng)的運動學閉鏈約束、弧焊機器人和工件或卡具之間不發(fā)生碰撞、各關節(jié)值在關節(jié)限制之內、機器人靈活度優(yōu)于最差靈活度。焊接路徑規(guī)劃的目標是實現最佳焊接質量。直接影響焊接質量的因素有兩方面：因焊槍避碰原因而導致實際焊槍姿態(tài)偏離理想姿態(tài)弧焊機器人系統(tǒng)運動的平穩(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（工具級規(guī)劃）第二步是最優(yōu)化弧焊機器人系統(tǒng)各關節(jié)運動的平穩(wěn)性（機器人級規(guī)劃）111第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術弧焊機器人路徑規(guī)劃技術：111第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術弧焊機器人系統(tǒng)運動的平穩(wěn)函數

式中：優(yōu)化模型：112第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術弧焊機器人系統(tǒng)運動的平穩(wěn)函數第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術焊接工件特征建模機器人焊接參數規(guī)劃弧焊機器人路徑規(guī)劃任務級編程執(zhí)行級編程113第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術焊接工件機器人焊接弧焊機器人任第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術程序編寫與編輯命令解釋焊接工件特征數據庫焊接參數規(guī)劃器機器人路徑規(guī)劃輔助規(guī)劃任務級編程程序程序轉化路徑用戶界面執(zhí)行級編程程序任務級離線編程器的結構114第二節(jié)弧焊機器人離線編程技術程序編寫與編輯命令解釋焊接工件機器人焊接技術主講人：劉立君哈爾濱理工大學材料成型系二〇〇四年九月115機器人焊接技術主講人：劉立君0課程內容內容：機器人基本知識工業(yè)機器人工作原理弧焊機器人離線編程及標定技術機器人焊接系統(tǒng)的組成及特點主要參考教材：林尚揚等,《焊接機器人及其應用》機械工業(yè)出版社,2000年7月吳林等，《智能化焊接技術》國防工業(yè)出版社，2000年8月陳善本等,《焊接過程現代控制技術》哈工大出版社,2001年5月116課程內容內容：1機器人焊接的特點早期的焊接自動化程度低，基本是手工操作，產品質量不穩(wěn)定，甚至出現某個產品只能由某個人或某幾個人完成的情況，出現了“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人狀態(tài)的影響，產品質量不穩(wěn)定。所以現代企業(yè)要盡量擺脫這種對專門人員的依賴，采用自動化的機器設備來保證產品質量及效率。20世紀70年代：工業(yè)機器人技術被應用到焊接領域，焊接自動化程度發(fā)生了質的飛躍，焊接質量及效率得到顯著提高。117機器人焊接的特點早期的焊接自動化程度低，基本是手工操作，產品機器人焊接的特點根據對產品的適應能力，焊接自動化系統(tǒng)可以分為：“剛性”自動化系統(tǒng)，也稱專機，主要針對大批量定型產品，特點為成本低、效率高，但適應的產品單一。一旦產品換型，生產線就要更換?！叭嵝浴弊詣踊到y(tǒng)，主要指通過編程可改變操作的機器，產品換型時，只需通過改變相應程序，便可適應新產品。機器人屬于典型的具有柔性的設備。隨著市場經濟的快速發(fā)展，企業(yè)的產品從單一品種大批量生產變?yōu)槎嗥贩N小批量，要求生產線具有更大的柔性。所以焊接機器人在生產中的應用越來越廣泛，機器人焊接已成為焊接自動化的發(fā)展趨勢。118機器人焊接的特點根據對產品的適應能力，焊接自動化系統(tǒng)可以分為采用機器人焊接，具有如下優(yōu)點：易于實現焊接產品質量的穩(wěn)定和提高，保證其均一性；提高生產率，一天可24小時連續(xù)生產，機器人不會疲倦；改善工人勞動條件，可在有害環(huán)境下長期工作；降低對工人操作技術難度的要求；縮短產品改型換代的準備周期，減少相應的設備投資；可實現小批量產品焊接自動化；可作為數字化制造的一個環(huán)節(jié)。機器人焊接的特點119采用機器人焊接，具有如下優(yōu)點：機器人焊接的特點4第一章機器人工作原理第一節(jié)機器人基本知識第二節(jié)機器人工作原理120第一章機器人工作原理第一節(jié)機器人基本知識5第一節(jié)機器人基本知識一機器人的概念二機器人的發(fā)展及現狀三機器人的分類四工業(yè)機器人常用術語121第一節(jié)機器人基本知識一機器人的概念6一、機器人的概念“Robot”的來源1920年，捷克作家KarelCapek的科幻劇《Rossum‘sUniversalRobots》（羅薩姆的萬能機器人），劇中描寫了一批能從事各項勞動、聽命于人的機器，取名為“Robota”（捷克語），含義為：forcedworker（奴隸）。英語：Robot

德語：Robot

日語：ロボツト俄語：робот漢字：機器人KarelCapek

（1890－1938）122一、機器人的概念“Robot”的來源KarelCapek

一、機器人的概念機器人的定義：國際上對機器人的定義很多TheWebsterdictionary(Webster,1993):

“Anautomaticdevicethatperformsfunctionsnormallyascribedtohumansoramachineintheformofahuman.”一個自動化設備，它能執(zhí)行通常由人執(zhí)行的任務；或一個人型的機器美國機器人學會（TheRobotInstituteofAmerica，1979):

“Areprogrammable,multifunctionalmanipulatordesignedtomovematerials,parts,tools,orspecializeddevicesthroughvariousprogrammedmotionsfortheperformanceofavarietyoftasks.”一個可再編程的多功能操作器，用來移動材料、零部件、工具等；或一個通過編程用于完成各種任務的專用設備。ISO，1987：

工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。123一、機器人的概念機器人的定義：國際上對機器人的定義很多8二、工業(yè)機器人的發(fā)展及現狀1954年，美國人G.Devol和J.Engleberger設計了一臺可編程的機器人1961年，他們生產了世界上第一臺工業(yè)機器人“Unimates”，并獲得了專利1962年，Engleberger成立了Unimation公司，他被稱為“機器人之父”日本從上世紀70年代中后期開始開發(fā)工業(yè)機器人，15年后就成為產量最多、應用最廣的世界工業(yè)機器人“王國”。Unimates機器人124二、工業(yè)機器人的發(fā)展及現狀1954年，美國人G.Devol二、工業(yè)機器人的發(fā)展及現狀2000年，統(tǒng)計數據表明，全世界工業(yè)機器人總量為757,000臺，其中日本，402,200臺美國，92,900臺德國，81,200臺新加坡，5,300臺臺灣，6,400臺這些機器人中45％為焊接機器人（點焊、弧焊）我國大陸地區(qū)工業(yè)機器人用戶700多家，擁有工業(yè)機器人約3500臺，其中焊接機器人約1000臺，與國外的差距是明顯的。值得欣喜的是，我國機器人應用發(fā)展較快，1996年我國焊接機器人僅為500臺，目前以每年30％以上的速度增長。125二、工業(yè)機器人的發(fā)展及現狀2000年，統(tǒng)計數據表明，全世界工二、工業(yè)機器人的發(fā)展及現狀主要機器人廠家日本：Motoman、OTC、Panasonic、FANUC等美國：Adept等歐洲：奧地利IGM、德國CLOOS、KUKA、瑞典ABB韓國：HYUNDAI沈陽新松FANUC126二、工業(yè)機器人的發(fā)展及現狀主要機器人廠家FANUC11三、機器人的分類機器人分類方法很多按照技術水平劃分：第一代：示教再現型，具有記憶能力。目前，絕大部分應用中的工業(yè)機器人均屬于這一類。缺點是操作人員的水平影響工作質量。第二代：初步智能機器人，對外界有反饋能力。部分已經應用到生產中。第三代：智能機器人，具有高度的適應性，有自行學習、推理、決策等功能，處在研究階段。127三、機器人的分類機器人分類方法很多12三、機器人的分類按照基本結構劃分：直角坐標型，

也稱“機床型”圓柱坐標型球坐標型全關節(jié)型128三、機器人的分類按照基本結構劃分：13三、機器人的分類按照受控運動方式劃分：點位控制（PTP）型，PointtoPoint,如點焊、搬運機器人連續(xù)軌跡控制（CP）型，ContinousPath，如弧焊、噴漆機器人按驅動方式劃分：氣壓驅動（壓縮空氣）液壓驅動（重型機器人，如搬運、點焊機器人）電驅動（電動機），應用最多129三、機器人的分類按照受控運動方式劃分：14三、機器人的分類按照應用領域劃分：工業(yè)機器人，面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器人。特種機器人，用于非制造業(yè)的各種機器人，服務機器人、水下機器人、農業(yè)機器人、軍用機器人等130三、機器人的分類按照應用領域劃分：15三、機器人的分類華宇I型弧焊機器人131三、機器人的分類華宇I型弧焊機器人16三、機器人的分類弧焊機器人點焊機器人132三、機器人的分類弧焊機器人三、機器人的分類伐根機器人摘果機器人133三、機器人的分類伐根機器人三、機器人的分類擦玻璃機器人無人潛水器134三、機器人的分類擦玻璃機器人三、機器人的分類排爆機器人外科手術機器人135三、機器人的分類排爆機器人三、機器人的分類雙足仿人機器人球機器人136三、機器人的分類雙足仿人機器人三、工業(yè)機器人常用術語自由度（degreeoffreedom，DOF）,物體能夠對坐標系進行獨立運動的數目稱為自由度，對于自由剛體，具有6個自由度。通常作為機器人的技術指標，反映機器人靈活性，對于焊接機器人一般具有5－6個自由度位姿（Pose），指工具的位置和姿態(tài)。末端操作器（EndEffector），

位于機器人腕部末端，直接執(zhí)行工作要