焊接機(jī)器人技術(shù)講解

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1、 課程內(nèi)容 內(nèi)容: 機(jī)器人基本知識 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)》國防工業(yè)出版社，2000年8月 陳善本等，《焊接過程現(xiàn)代控制技術(shù)》哈工大出版社，2001年5月 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

2、 業(yè)要盡量擺脫這種對專門人員的依賴，采用自動(dòng)化的機(jī)器設(shè)備來保證產(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。 機(jī)器人焊接的特點(diǎn) 根據(jù)對產(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)，主要指通過編程可改變操作的機(jī)器，產(chǎn)品換型時(shí) ,只需通過改變相應(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)

3、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 越廣泛，機(jī)器人焊接已成為焊接自動(dòng)化的發(fā)展趨勢。 應(yīng)機(jī)器人焊接的特點(diǎn) 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)器人不會疲倦; 改善工人勞動(dòng)條件，可在有害環(huán)境下長期工作; 降低對工人操作技術(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)。 第一章機(jī)器人工作原理 第一節(jié)機(jī)器人基本知識 第二節(jié)機(jī)器人工作原理 第一節(jié)機(jī)器人基本知識 一機(jī)器人的概念

4、 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 一、機(jī)器人的概念 “Robot，啲來源 1920年，捷克作家Karel Capek的科幻劇 《Rossums Universal Robots》（羅薩姆的萬能 機(jī)器人），劇中描寫了一批能從事各項(xiàng)勞動(dòng)、聽 命于人的機(jī)器，取名為“Robota”（捷克語）, 含義為：forced worker （奴隸）。 英語：Robot 德語：Robot 日語：口 b 俄語：POSOT Karel Capek ( 1890 - 1938 ) 漢字：機(jī)器人 一、機(jī)器人的概念 機(jī)器人的定義：國際上對機(jī)器人的定義很多 The

5、Webster dictionary (Webster, 1993): "An automatic device that performs functions normally ascribed to ”一個(gè)自動(dòng)化設(shè)備, humans or a machine in the form of a human. 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 美國機(jī)器人學(xué)會(The Robot Institute of America, 1979): UA reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move materi

6、als, parts, tools, or specialized devices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks." — 個(gè)可再編程的多功能操作器，用來移動(dòng)材料.零部件.工具等；或 一個(gè)通過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)。 二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀 Unimates機(jī)器人 1954年，美國人G. Devol 和J. Engl

7、eberger設(shè) 計(jì)了一臺可編程的機(jī)器人 1961年，他們生產(chǎn)了世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人 uUnimatesn,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年代中后期開始開發(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”。 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，其中 日本，402, 200臺 美國，92,900臺 新加坡，5, 300臺 德國, 81,200 臺 臺灣，6,400臺

8、 這些機(jī)器人中45%為焊接機(jī)器人（點(diǎn)焊.弧焊） 我國大陸地區(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，其中 焊接機(jī)器人約1000臺，與國外的差距是明顯的。 值得欣喜的是，我國機(jī)器人應(yīng)用發(fā)展較快，1996年我國焊接機(jī)器人僅為 500臺，目前以每年30%以上的速度增長。 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：Motomanx 0TC> Panasonic. FANUC等 美國：Adept等 歐洲：奧地利IGM.德國CL00S> KUKA.瑞典ABB 韓國：HYUNDAI 沈陽新松 | FANUC cd# Panasonic ▲hyundaTM^^ i

9、n HEAVY IM0U3TR1ESCO..LTD 耳 MtnOMAN a ifYASKAViA o:npany iL II IB 麗帥 EH回回冒 SCHWEISSTECHNIK 三、機(jī)器人的分類 三、機(jī)器人的分類 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, 有記憶能力。目前，絕大部分應(yīng)用中的工業(yè) 三、機(jī)器人的分類

10、三、機(jī)器人的分類 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 三、機(jī)器人的分類 三、機(jī)器人的分類 等功能, 處在研究階段。 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 直角坐標(biāo)型機(jī)器人 底座回轉(zhuǎn) 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人

11、 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，Point to Point,如點(diǎn)焊、搬運(yùn)機(jī)器人 連續(xù)軌跡控制（CP）型，Continous Path,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 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 華宇I(lǐng)型弧焊機(jī)器人 弧焊機(jī)器人 點(diǎn)焊機(jī)器人 三、機(jī)器人的分類

12、 伐根機(jī)器人 摘果機(jī)器人 三、機(jī)器人的分類 三、機(jī)器人的分類 擦玻璃機(jī)器人 無人潛水器 三、機(jī)器人的分類 排爆機(jī)器人 外科手術(shù)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 三、機(jī)器人的分類 雙足仿人機(jī)器人 球機(jī)器人 三、工業(yè)機(jī)器人常用術(shù)語

13、 自由度(degree of freedom, 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(End Effector), 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 ~ 200kg 三、工業(yè)機(jī)器人常用術(shù)語 工作空間(Working Space ),機(jī)

14、器人工作時(shí)，其腕軸交點(diǎn)能在空間活動(dòng) 重復(fù)位姿精度(Pose Repeatability),在同一條件下，重復(fù)N次所測得 的位簍一致軽度。 軌跡重復(fù)精度(Path Repeatability),沿同一軌跡跟隨N次，所測得的 軌跡之間的一致程度  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)逆問題的相關(guān)問題 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究內(nèi)容 一般可以將機(jī)器人看作是一個(gè)開鏈?zhǔn)蕉噙B桿機(jī)構(gòu)，始端連桿就是機(jī)器人的機(jī) 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

15、j 運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題：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)方程的過程。 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題：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 問魅 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。 剛依的位置和姿態(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 xl列向量表示。稱為 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)單位主矢量兀〃，yB,氐相對于參考坐標(biāo)系｛A｝的方向余弦組 成的3x3矩陣

16、表示剛體B相對于坐標(biāo)系｛A｝的姿態(tài)。 br = (Axb AyB 乜) 稱為 ，也可表示成： ( 、 / r 『 Z11 Z12 Z13 ^21 ^22 r23> 41 丫32 r33) 旋轉(zhuǎn)矩陣是正交的。 第一節(jié)位置和方位的表示 第一節(jié)位置和方位的表示 角的旋轉(zhuǎn)矩陣, p 0 0、 R(x,3)= 0 cos。 一 sin。 0 sin。 cos。， 同樣也可以寫出R （y ,0) ,R (z, e) 按照上述定義，繞兀軸旋轉(zhuǎn)了e 從勺） )1

17、6 總之， （方位） 第一節(jié)位置和方位的表示 第一節(jié)位置和方位的表示 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 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 第一節(jié)位置和方位的表示 第一節(jié)位置和方位的表示 心等。對弧焊機(jī)器人中的焊槍可以將原點(diǎn)選在焊槍電極端部。 則相對于參考坐標(biāo)系｛A｝,用位置矢量切劇和旋轉(zhuǎn)矩陣朋分別描

18、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。 第二節(jié)坐標(biāo)變換 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, Ap= Bp+A 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 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. —般變換 坐標(biāo)系｛B｝與｛A｝既不共原點(diǎn)，方位亦不同，此時(shí)， 第

19、二節(jié)坐標(biāo)變換 4.齊次坐標(biāo)變換 用4 x 1列向量表示三維空間坐標(biāo)系中的點(diǎn): 第二節(jié)坐標(biāo)變換 第二節(jié)坐標(biāo)變換 ＜膿 ％、 …。1 ) 稱為齊次變換矩陣 0、 =Trans (A pB)VRot(k, 9) 第三節(jié)機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系 舉例：如果 0 0 1 0 r i) A “ 3 Pb。= 1.5 則, ‘0 1 0 、0 心與九同向；％與S同向；Zb與心同向。 如前所述，可以

20、將機(jī)器人看作 是一個(gè)開鏈?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。 連桿6連桿5 連桿4 連桿3 對于一個(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。編號時(shí)，機(jī) 座稱為連桿0,不旬含在這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通過關(guān)節(jié)2與連桿1相連，依此類 推。 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) 連桿長度 連桿兩端軸線間的距離 (2) 連桿扭角乞_1 連桿兩端軸線間的夾角，方向?yàn)? 從id軸到i軸 第三節(jié)機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系 第三節(jié)機(jī)

21、器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系 2、連桿連接參數(shù) (1) 連桿之間的距離山 %，打1之間的距離 (2) 關(guān)節(jié)角0 % 之間的夾角，方向?yàn)閺?aM 到 Hj 以上定義為一般情況，對運(yùn)動(dòng)鏈的兩端，有一些習(xí)慣約定: a0=an=0 比0 = % =0 如果關(guān)節(jié)I為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，則0是可變的，習(xí)慣上約定〃嚴(yán)0 如果關(guān)節(jié)I為移動(dòng)關(guān)節(jié)，則乞是可變的，習(xí)慣上約定0=0 這些約定同樣適用于關(guān)節(jié)〃 所以，每個(gè)連桿可以由四個(gè)參數(shù)來描述，其中 描述的為連桿口本身的性質(zhì)，描述的為連桿id和連桿T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)，目為變量，若為移動(dòng)關(guān) 節(jié)，則％為變量，其

22、余參數(shù)為常量。所以對于一個(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） 3、連桿坐標(biāo)系 為了確定各連桿之間的相對運(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2?固接的坐標(biāo)系 記為＜/｝ 坐標(biāo)系｛i ~1｝的建立過程： 殆與軸i?l重合，一般指向關(guān)節(jié)i?l 耳1與％重合，指向關(guān)節(jié)i 斤1按右手法則確定，yi-i=zi-i xxM 原點(diǎn)取在軸i-1與％.］交點(diǎn)上 第三節(jié)機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系 對于基坐標(biāo)系｛0｝, 一般約定

23、當(dāng)關(guān)節(jié)1變量為零時(shí)，｛0｝與｛1｝重合 對于末端連桿坐標(biāo)系｛n｝,也約定，當(dāng)關(guān)節(jié)ml為零時(shí)，｛n｝與｛ml｝重合 第三節(jié)機(jī)器人連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系 連桿參數(shù)在坐標(biāo)系中的含義： aj.j %至憶沿Xi」的距離 %] Zh至屹繞Xi」的轉(zhuǎn)角 J Xi_i至!ki沿Zi的距離 0j Xj一倒Xj繞Zj的轉(zhuǎn)角 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｝ 的變換矩陣用八丫表示。 根據(jù)連桿坐標(biāo)系缶定義，｛i｝到(i-1｝的變換如下： 先假設(shè)｛

24、i｝與(i-1)重合 (!)誨戸誓操a" (3)昭才1去吳護(hù) (3)鹽円誓操$ (寸)膽 得到坐標(biāo)系{i} :T二 Rot(x, gj yTransXdij )Rot(z,Q )Trans(z0) (cos ft 1 ? sin ( 0 ai-l idT = sin 0； cos a 1 1 1-1 cos 0； sin a 丨 1 1-1 -sin j -d. cos a 1 1 1-1 I sin 體 sin j cos 體 sin 色］ cos%」 dj COSCTjJ 、 0 0 0 1 > 第四節(jié)連桿坐標(biāo)變換及運(yùn)動(dòng)

25、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， 對于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)叮二越） 對于移動(dòng)關(guān)節(jié)㈡丁二了（①）  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 丁二丫丫……F=f(0) i=U-n 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)問題。 第五節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的相關(guān)問題 運(yùn)動(dòng)學(xué)方習(xí) 丁二 丫丫……F=f(&) i二 12??n 對于機(jī)器人運(yùn)

26、動(dòng)學(xué)逆問題，即已知末端位姿，求各關(guān)節(jié)變量值，也 就是已知丁求 （求運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的根） 在運(yùn)切學(xué)方程兩端左乘（丁匸，對于6自由度機(jī)器人，有 （了）忙丫沖對.g（0J二于⑹屈同屈忍） 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e ］的方程，求出8 1 將代入上面方程中，利用同樣方法，可以依次求出0 2 0 30 4 0 5 06 求解時(shí)，需要直覺觀察與經(jīng)驗(yàn)，也可以采用數(shù)值解法（復(fù)雜）。 w第五節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的相關(guān)問題 4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，對于平面2R機(jī)械手，可直觀 地寫出其運(yùn)

27、動(dòng)學(xué)方程 x = lx COS。］ +Z2 COS(0］ +。2) < ~ y = lx sin。］ +/2 sin +g) 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題： 已知（x,y），求q &2 //// > X 第五節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的相關(guān)問題 pU y) y 1 ? X 2kd2 對于本例，靈活工作空間只有一 個(gè)點(diǎn)。 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。 如果末端再增加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，則 靈活空間會變大。即自由度增多，機(jī) 器人

28、變靈活。 2.解的唯一性和最優(yōu)解 的位姿，有兩組解。 對于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， 有8組解。 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 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）； 逆問題：已知機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡對應(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; 第三章機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù) 第

29、一節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 第二節(jié)位置控制 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) 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)：沒有磁性材料，不通 電時(shí)，沒有保持力矩，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)用越來越廣的一種。 需要定期維護(hù)，且速度不能

30、太高。由于線圈 繞在轉(zhuǎn)子上，散熱問題不易解決，功率不能 應(yīng)1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， 太大。 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，沒有電刷。線圈中通交變電流。轉(zhuǎn)子上 裝有碼盤傳感器，檢測轉(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，可以通過外殼散熱，可做成大功率電機(jī)。沒有電刷，免 維護(hù)。是目

31、前在機(jī)器人上應(yīng)用最多的電動(dòng)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： 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、 抗過載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求 快速起動(dòng)的場合特別適用； 4、 低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時(shí)不會產(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。 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

32、機(jī)（精度高.剛性好） 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，很難直接檢測機(jī)器人未端的運(yùn) 動(dòng)，只能對各關(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)。 給定位置  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器。 實(shí)際上，對于有規(guī)律的軌跡，僅示教幾個(gè)特征點(diǎn)。對直線軌跡，僅示教兩 個(gè)端點(diǎn)；對圓弧軌跡，示教三點(diǎn)（起點(diǎn)、終點(diǎn)、中間點(diǎn)），軌跡上其

33、它中間點(diǎn) 的坐標(biāo)通過插補(bǔ)方法獲得。 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—般不超過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)。 第二節(jié)位置控制 第二節(jié)位置控制 J Peg 幾,Ze） 兒,Z。） / y 各插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)：x Z + l r ZM = 直線插補(bǔ) 設(shè)機(jī)

34、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 直線長度:L = ｛（兀一兀0）2 + （兒一『0），+（乙一乙0）2 插補(bǔ)間隔內(nèi)的行程：d=vTs 插補(bǔ)的總步數(shù)：N=int（L/d） + l 各方向上的增量： ZAA — \Xe — Aq j / 7V Ay =（兒- Vo）/N Az =（〈-Zo）/N X+i = Z + Ay r （，= 0, L 2,???，N） z； + Az ? -/ 肆第二節(jié)位置控制 圓弧插補(bǔ) 空間不共線三點(diǎn)P], 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

35、法線方向。 如果Zr與夾角為a , Xr與X。夾角為B Or在基坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x0, y0, z0) A % R J RT=Trans(x0,y0 ,zo)R(z,0)R(x5a) X。 PiCWiQ P2CW2M2) P3CW3M3) c y0 對于平面圓弧： 半徑R 總的圓心角(P Ts時(shí)間內(nèi)的角位移“ 6 =TsV/R 插補(bǔ)步數(shù)：N= (p / A 0 +1 xM = xcosA

36、^-^.sinA^ \yM = ycosA& +兀.sinAO 小結(jié)：K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(兀y憶l)l；T(%九，OH 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) 通過前面的知識，我們知道，機(jī)器人是一個(gè)軟件可控的機(jī) 電裝置，可通過編程定義其作業(yè)內(nèi)容。 目前，對機(jī)器人編程的方式可以分為以下三種: 示教編程 機(jī)器人語言編程 離線編程 1、不教編程 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)

37、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)等記錄并存儲下來，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 現(xiàn)場 示教盒 控制器 示教編程的優(yōu)點(diǎn)： 不需要預(yù)備知識和復(fù)雜的計(jì)算機(jī)裝置，方法簡單、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，會造成人員傷亡或設(shè)備損壞; 編程效率低。 第一節(jié)機(jī)器人的編程基礎(chǔ) 2、機(jī)器人語言 機(jī)器人語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 專用語言，用符號描述機(jī)

38、器人的運(yùn)動(dòng)，與常用的計(jì)算機(jī)編程語言相似。 1973年，Stanford人工智能實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了第一種機(jī)器人語言- WAVE語 言。 1974年，該實(shí)驗(yàn)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(jī)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。 根據(jù)作業(yè)描述水平的高低，機(jī)器人語言通常分為三級： 動(dòng)作級： 每一個(gè)指令對應(yīng)于一個(gè)動(dòng)作，如MOVE TO < destination >,優(yōu)點(diǎn)為: 語句簡潔，易于編程，缺點(diǎn)為

39、：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。 對象級： 是描述操作物依間關(guān)系使機(jī)器人動(dòng)作的語言。具有運(yùn)動(dòng)控制（與動(dòng)作 級語言類似的功能）.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屬于對象級。 任務(wù)級： 是比較高級的機(jī)器人語言，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，目前還沒有真正 的任務(wù)級語言。 VAL程序舉例：將物體從位置1 (PICK)搬運(yùn)到位置2 (PLACE) ? EDIT DEMO ? PROGRAM DEMO 啟動(dòng)編輯狀態(tài) 1. 7

40、OPEN 2. ? APPRO PICK 50 3. ? SPEED 30 4. ? MOVE PICK 5. ? CLOSEI 6? ? DEPART 70 7. ? APPROS PLACE 75 & ? SPEED 20 9. ? MOVES PLACE 10. ? OPENI 11. ? DEPART 50 12. ?E VAL響應(yīng) 下一步手張開 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

41、下一步之前手張開 后退50mm 退出編輯狀態(tài)  MOTOMAN XRC控制器語言：焊接一段直線焊縫 0000 NOP 0001 MOVJ VJ = 10.00 0002 MOVL V=800 0003 ARCON ASF#(1) 0004 MOVL V=100 0005 ARCOF 0006 END 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 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

42、型，在這樣一個(gè)虛擬的環(huán) 境中對機(jī)器人進(jìn)行編程。 機(jī)器人離線編程(Off Line Programming, OLP)系統(tǒng)是機(jī)器人語言 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，通過對圖形的控制和操作在離線的情況 下進(jìn)行編程。  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；可使用高級語言對復(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 需要機(jī)器人系統(tǒng)和工作環(huán)境的圖形模型

43、 在實(shí)際系統(tǒng)上試驗(yàn)程序 通過仿真試驗(yàn)程序 很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)器人軌跡路徑 可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡的編程 第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù) 1. 2、 3. 4、 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，通過對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 國外機(jī)器人離線編程的研究起步較早，從70年代開始進(jìn)行這方 面的研究工作。自80年代以來，由

44、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.英國.法國、德國、日本等許 多大學(xué)實(shí)驗(yàn)室、研究所.制造公司對機(jī)器人離線編程與仿真技術(shù)進(jìn) 行了大的研究，并開發(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。 國外主要離線編程系統(tǒng) 軟彳牛包 生產(chǎn)公司或矽F究和財(cái)勾 ROBEX Aachen ‘ Germany (3EOMAP Tokyo, Japan GRASP University of Nottingham, UK PLACE McAuto Manufacturing, USA Robot-SIM

45、 Cal ma Corp., USA ROBOGRAPHIX Computer Vision Corp., USA AutoMod and AutoGram Auto Simulation Inc.^ USA IGRIP Deneb Inc., USA RCODE SRI, USA ROFACE Science Management Corp., USA XPROBE IBM Research Center, USA UATIA LAMM, University des Sciences et Techniques du Languedoc, France RO

46、BUAD Tecnomatix Corp., USA ROBOCELL McMaster University, Canada ROSI Karisruhe University, German CimStation SILMA Inc., USA Workspace Robot Simulations Inc., USA SMAR University de Poitiers^ France  PLACE(Position layout and Cell Evaluator)是由美國McAuto 公司開發(fā)的機(jī)器人軟件的模塊之一。該軟件還包括BUILD. COMMA

47、ND和AD川UST模塊。該軟件是早期比較著名的的軟件 之一，用于設(shè)計(jì).評價(jià)機(jī)器人制造單元和機(jī)器人離線編程。 UNIGRAPHICS OR CAD SYSTEM PLACE CELL DESIGN BUILD ROBOT MODEL BUILDER COMMAND ROBOT PROGRAMMING ROBOT WORKCELL ADJUST CELL CALIBRATION 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

48、軟件由六大 模塊組成：機(jī)械設(shè)計(jì).建模模塊(Mechanical Modeling ) 工作單元布置 模塊(Workcell Layout).任務(wù)描述模塊(Task Description).仿真模塊 (Simulation) ＞機(jī)械制圖模塊(Drafting)和數(shù)據(jù)管理模塊(Data Management)。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Robot Simulations公司開發(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

49、基于微機(jī)的CAD系統(tǒng)如AutoCAD做到了很好的數(shù)據(jù)交換。 第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù) IGRIP,美國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。 ■—_?…一" 5v CA ? kv tc Prof iMJWt Arc Ur ■aM vrin Virtual RctHtv "i %”q?》 4Uct ru M*k l H. Cnfx 5h1l tatcpM ff CMC* Pill n# ?■ vr*hr*l Mpy C*9vr till CW9 r ie >-

50、 **?! flaa4V Data I iOt C—r? ?Ot4t Crulas ViM Olaplov help *t 第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù) 裝甲車殼體 < t * I f 第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù) 國內(nèi)機(jī)器人離線編程技術(shù)研究情況 單位 開發(fā)方式 硬件平臺 主要應(yīng)用 華中理工大學(xué) 自主 微機(jī) 離線編程，通用 華南理工大學(xué) 自主 微機(jī) 離線編程，裝配 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自主 工作站 仿真及離線編程，通用 上海交通大學(xué) 二次 微機(jī) 圖形仿真，通用 北京航空航天大學(xué) 自主

51、 微機(jī) 離線編程，PUMA262 清華大學(xué) 自主 微機(jī) 圖形仿真，通用 浙江大學(xué) 自主 微機(jī) 離線編程，裝配 沈陽自動(dòng)化所 自主 工作站 離線編程，雙機(jī)器人裝配 洛陽工學(xué)院 自主 微機(jī) 圖形仿真，通用 云南師范大學(xué) 二次 微機(jī) 離線編程，通用  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)， 引起國內(nèi)外的諸多研究與開發(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。與國外相比，我國的機(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)： :國外商品化系統(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。

52、國內(nèi)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(shù)據(jù)交換接口。 :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(diǎn)焊.弧焊等。而國內(nèi)的通 用系統(tǒng)則無專業(yè)化模塊。 :國外系統(tǒng)大多將標(biāo)定作為主要模塊之一，而國內(nèi)還缺少這方面的研 究? :國外商品化系統(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。 2. 審器人離線編程原理 如前所述，機(jī)器人離線編程是在一個(gè)虛擬的環(huán)境中對機(jī)器人進(jìn)行編程。 在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立機(jī)器人

53、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(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 丄?P丄—佃形仿■和試I 謔護(hù)A 機(jī)績?nèi)思捌洵h(huán)嵯■的幾何伯息 三1?幾僦構(gòu)感 機(jī)II人程序的能述 WMwe序試* 町達(dá)性 傳砂 ma人運(yùn)動(dòng) ■宇代碼 *1柜的接口 程序的■改柯優(yōu)化 時(shí)閶■小  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)用于語言編程。作為機(jī)器人語言的拓展，離線編程系統(tǒng)把機(jī)器人語言作 為用戶接口的一部分

54、，另外用戶接口的一個(gè)重要部分，是對機(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)。 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。 離線編程系統(tǒng)需要進(jìn)行圖形仿真.碰撞檢測等任務(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。離線編程系統(tǒng)除了對機(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

55、對機(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) 速度.加速度的時(shí)間序列。還應(yīng)該具備可達(dá)空間計(jì)算及碰撞檢測等 功能。 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。  有些場合常涉及 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 多個(gè)設(shè)備進(jìn)行同時(shí)仿真?？?以采用多處理器技術(shù)，通常 采用單處理器分時(shí)操作（多 任

56、務(wù)系統(tǒng)）。 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、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(gè)幾何塊與 體間的干涉，確定接觸情況。 利用相交部分的體積可以仿 真力覺傳感器。 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(shù)可以表示接近的程度。 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

57、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。 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 第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù) 弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的分類 例如：將關(guān)節(jié)4向正方向移動(dòng)30度 例如：將焊槍沿X軸反方向移動(dòng)100毫米 例如：將焊縫5變換到15度上坡焊位置 例如：焊接焊縫3 第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù) 3. 執(zhí)行級弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)（哈工大田勁松等人

58、） 在高性能PC機(jī)和AutoCAD2000平臺上，運(yùn)用其開發(fā)工具一 —ObjectARX進(jìn)行二次開發(fā)。 用戶界面 AutoCAD 2000 運(yùn)動(dòng) 路徑 圖形 編程 程序 程序 碰； 動(dòng)畫 仿真 模塊 示教 模塊 轉(zhuǎn)換 上載 檢測 生成 ARX程序 建模 模塊 標(biāo)定 模塊 第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù) 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。

59、 第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù) 部件裝配成設(shè)備的流程圖 選擇基部件 創(chuàng)建設(shè)備對象 選擇父部件 子部件是否在 選擇子部件 獲得子部件的 基坐標(biāo)系位姿 N 指定子部件 所在文件 —? 建立臨時(shí) 數(shù)據(jù)庫 3 拷貝新部件實(shí)體 到當(dāng)前圖形 —? 獲得新部 件實(shí)體ID 求解圖形變換矩陣 進(jìn)彳J?圖形變換—?建立父子部件關(guān)系 Y 最厲一個(gè)部件? 禺仙"CAD 2QQQ 曰I3K3 I L H t ? ? >1 Ipof b 汽 J HI I r Z n I I fft ? ? J . fltlf IK IH 4 li H Vl

60、tMlHl J. I- 7.-ill .( I.V> Il> .? hJ ； 1 / ?!? 0啦胡亦 9 0再 Ud力荻III絃內(nèi) ■丫 : / X X 0 c |f?:on iiacl : 叫? x ■>- 弓？!： i :? l.:a m RChT ?； ：?? :??? Mil ?? f r.riTRnil: rJ z 1 |-i?adhf/si?/zhm luicioo SMAI (2IIII> Olli HQ l>OI ^

61、iiIogha-pIotracki wi M 建立的工作單元實(shí)例 ［結(jié)束］ 第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù) 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。 路名（Path）是一系列

62、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。 路徑1 路徑2 部件 路徑N 第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù) 第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù) 標(biāo)簽點(diǎn)1標(biāo)簽點(diǎn)2… 標(biāo)簽點(diǎn)M 第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù) 記錄下來，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

63、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，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 卩Z 上坡焊  為了用語言描述機(jī)器人工作單元的工作過程，本文定義了機(jī)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(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,編程開始 $Device,指定當(dāng)俞設(shè)備 SMotype,指定當(dāng)箭運(yùn)動(dòng)類型 SSpeed,指定當(dāng)前運(yùn)動(dòng)速度 MoveTo,工具移動(dòng)

64、到某一標(biāo)簽點(diǎn) MoveHome,設(shè)備移動(dòng)到零位 Move Joint,移動(dòng)設(shè)備的某個(gè)關(guān)節(jié) Move Joints,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) 百 X X LWT [MODEL SMAP GRID ORTHO 局LA“ Cc**os>d: 井 料丨 $ 力 ix cau aq ■ SaMiD啟門 H，宣，J 憐乙 Zd創(chuàng)①飛兒RE冷冷/> 4 RHh -20X4X9 Z.. MoveRelative,工具以笛卡爾方式相對移動(dòng) 〃，注釋語句 第二

65、節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù) ProgramStart $Device= robot $Speed= 5.000 Movejoints To -30.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 MoveTo seam_l $Motype= Straight $Speed= 10.000 MoveAlong seam From 2 To 16 $Motype= Joint MoveHome 第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù) 第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù) 通過離線編程器編制的MOPL程序只能在離線編程系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行仿真，

66、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。 程序轉(zhuǎn)換模塊的作用 常口程序轉(zhuǎn)換模塊 特定的機(jī) 器人程序  自定義的九自由度機(jī)器人程序的基本格式 10.000 機(jī)器人速度 序號運(yùn)動(dòng)方式代碼機(jī)器人關(guān)節(jié)角 2 P 3.274 8.857 -9.1411.894 30.230 -3.789 ASX 引弧標(biāo)志及焊接參數(shù)設(shè)定 組 運(yùn)動(dòng)方式代碼 運(yùn)動(dòng)方式 1 P 點(diǎn)位運(yùn)動(dòng) AE 熄弧標(biāo)志 2 L 鬥線運(yùn)動(dòng) 3 C 圓弧運(yùn)動(dòng) 4 S 直線協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng) END 程序結(jié)束標(biāo)志 5 0 圓弧協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng) 第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù) 3135.0092, 3261.3466,0.0000 SNAP GRID ORTHO 第二節(jié)弧焊機(jī)器人離線編程技術(shù) 程序轉(zhuǎn)換器 結(jié)構(gòu) MOPL程序 1錯(cuò)誤處理 1圖形?據(jù)劇