机器人焊接技术-国防科学技术奖

机器人焊接技术主讲人：刘立君哈尔滨理工大学材料成型系二〇〇四年九月1课程内容内容：机器人基本知识工业机器人工作原理弧焊机器人离线编程及标定技术机器人焊接系统的组成及特点主要参考教材：林尚扬等,《焊接机器人及其应用》机械工业出版社,2000年7月吴林等，《智能化焊接技术》国防工业出版社，2000年8月陈善本等,《焊接过程现代控制技术》哈工大出版社,2001年5月2机器人焊接的特点早期的焊接自动化程度低，基本是手工操作，产品质量不稳定，甚至出现某个产品只能由某个人或某几个人完成的情况，出现了“王麻子菜刀”、“张小泉剪刀”、“张氏陀螺”。手工操作受操作人员情绪等个人状态的影响，产品质量不稳定。所以现代企业要尽量摆脱这种对专门人员的依赖，采用自动化的机器设备来保证产品质量及效率。20世纪70年代：工业机器人技术被应用到焊接领域，焊接自动化程度发生了质的飞跃，焊接质量及效率得到显著提高。3机器人焊接的特点根据对产品的适应能力，焊接自动化系统可以分为：“刚性”自动化系统，也称专机，主要针对大批量定型产品，特点为成本低、效率高，但适应的产品单一。一旦产品换型，生产线就要更换。“柔性”自动化系统，主要指通过编程可改变操作的机器，产品换型时，只需通过改变相应程序，便可适应新产品。机器人属于典型的具有柔性的设备。随着市场经济的快速发展，企业的产品从单一品种大批量生产变为多品种小批量，要求生产线具有更大的柔性。所以焊接机器人在生产中的应用越来越广泛，机器人焊接已成为焊接自动化的发展趋势。4采用机器人焊接，具有如下优点：易于实现焊接产品质量的稳定和提高，保证其均一性；提高生产率，一天可24小时连续生产，机器人不会疲倦；改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作；降低对工人操作技术难度的要求；缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；可实现小批量产品焊接自动化；可作为数字化制造的一个环节。机器人焊接的特点5第一章机器人工作原理第一节机器人基本知识第二节机器人工作原理6第一节机器人基本知识一机器人的概念二机器人的发展及现状三机器人的分类四工业机器人常用术语7一、机器人的概念“Robot”的来源1920年，捷克作家KarelCapek的科幻剧《Rossum‘sUniversalRobots》（罗萨姆的万能机器人），剧中描写了一批能从事各项劳动、听命于人的机器，取名为“Robota”（捷克语），含义为：forcedworker（奴隶）。英语：Robot德语：Robot日语：ロボツト俄语：робот汉字：机器人KarelCapek（1890－1938）8一、机器人的概念机器人的定义：国际上对机器人的定义很多TheWebsterdictionary(Webster,1993):“Anautomaticdevicethatperformsfunctionsnormallyascribedtohumansoramachineintheformofahuman.”一个自动化设备，它能执行通常由人执行的任务；或一个人型的机器美国机器人学会（TheRobotInstituteofAmerica，1979):“Areprogrammable,multifunctionalmanipulatordesignedtomovematerials,parts,tools,orspecializeddevicesthroughvariousprogrammedmotionsfortheperformanceofavarietyoftasks.”一个可再编程的多功能操作器，用来移动材料、零部件、工具等；或一个通过编程用于完成各种任务的专用设备。ISO，1987：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。9二、工业机器人的发展及现状1954年，美国人G.Devol和J.Engleberger设计了一台可编程的机器人1961年，他们生产了世界上第一台工业机器人“Unimates”，并获得了专利1962年，Engleberger成立了Unimation公司，他被称为“机器人之父”日本从上世纪70年代中后期开始开发工业机器人，15年后就成为产量最多、应用最广的世界工业机器人“王国”。Unimates机器人10二、工业机器人的发展及现状2000年，统计数据表明，全世界工业机器人总量为757,000台，其中•日本，402,200台•美国，92,900台•德国，81,200台•新加坡，5,300台•台湾，6,400台这些机器人中45％为焊接机器人（点焊、弧焊）我国大陆地区工业机器人用户700多家，拥有工业机器人约3500台，其中焊接机器人约1000台，与国外的差距是明显的。值得欣喜的是，我国机器人应用发展较快，1996年我国焊接机器人仅为500台，目前以每年30％以上的速度增长。11二、工业机器人的发展及现状主要机器人厂家日本：Motoman、OTC、Panasonic、FANUC等美国：Adept等欧洲：奥地利IGM、德国CLOOS、KUKA、瑞典ABB韩国：HYUNDAI沈阳新松FANUC12三、机器人的分类机器人分类方法很多按照技术水平划分：•第一代：示教再现型，具有记忆能力。目前，绝大部分应用中的工业机器人均属于这一类。缺点是操作人员的水平影响工作质量。•第二代：初步智能机器人，对外界有反馈能力。部分已经应用到生产中。•第三代：智能机器人，具有高度的适应性，有自行学习、推理、决策等功能，处在研究阶段。13三、机器人的分类按照基本结构划分：•直角坐标型，也称“机床型”•圆柱坐标型•球坐标型•全关节型14三、机器人的分类按照受控运动方式划分：•点位控制（PTP）型，PointtoPoint,如点焊、搬运机器人•连续轨迹控制（CP）型，ContinousPath，如弧焊、喷漆机器人按驱动方式划分：•气压驱动（压缩空气）•液压驱动（重型机器人，如搬运、点焊机器人）•电驱动（电动机），应用最多15三、机器人的分类按照应用领域划分：•工业机器人，面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。•特种机器人，用于非制造业的各种机器人，服务机器人、水下机器人、农业机器人、军用机器人等16三、机器人的分类华宇I型弧焊机器人17三、机器人的分类弧焊机器人点焊机器人18三、机器人的分类伐根机器人摘果机器人19三、机器人的分类擦玻璃机器人无人潜水器20三、机器人的分类排爆机器人外科手术机器人21三、机器人的分类双足仿人机器人球机器人22三、工业机器人常用术语自由度（degreeoffreedom，DOF）,物体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度，对于自由刚体，具有6个自由度。通常作为机器人的技术指标，反映机器人灵活性，对于焊接机器人一般具有5－6个自由度位姿（Pose），指工具的位置和姿态。末端操作器（EndEffector），位于机器人腕部末端，直接执行工作要求的装置，如夹持器、焊枪、焊钳等额定负载（Payload），也称为持重•弧焊机器人：5～20kg•点焊机器人：50～200kg23三、工业机器人常用术语工作空间（WorkingSpace），机器人工作时，其腕轴交点能在空间活动的范围。重复位姿精度（PoseRepeatability），在同一条件下，重复N次所测得的位姿一致程度。轨迹重复精度（PathRepeatability），沿同一轨迹跟随N次，所测得的轨迹之间的一致程度24第二章机器人运动学分析第一节位置和姿态的表示第二节坐标变换第三节机器人连杆参数及连杆坐标系第四节连杆坐标变换及运动学方程第五节运动学逆问题的相关问题25机器人运动学的研究内容一般可以将机器人看作是一个开链式多连杆机构，始端连杆就是机器人的机座，末端连杆与工具相连，相邻连杆之间用一个关节连接在一起。机器人运动学包括两方面问题：运动学正问题：已知各关节角值，求工具在空间的位置和姿态。实际上，这是建立运动学方程的过程。运动学逆问题：已知工具的位姿，求各关节角值，这是求解运动学方程的问题。26第一节位置和方位的表示为了描述机器人本身各连杆之间、机器人和环境之间的运动关系，通常将它们看作刚体。刚体的位置和姿态描述•在直角坐标系｛A｝中，任意一点P的位置可以用3×1列向量表示。称为位置矢量xAyzppppAxAyAz(,,)xyzppppApO27第一节位置和方位的表示•为了确定刚体B的姿态（也称方位），设一个坐标系｛B｝与该刚体固接。用坐标系的三个单位主矢量xB，yB，zB相对于参考坐标系｛A｝的方向余弦组成的3×3矩阵表示刚体B相对于坐标系｛A｝的姿态。称为旋转矩阵，也可表示成：旋转矩阵是正交的。111213212223313233ABrrrRrrrrrrAAAABBBBRxyz28第一节位置和方位的表示按照上述定义，绕x轴旋转了θ角的旋转矩阵，为100(,)0cossin0sincosRx()ABxxAyAzOByBz同样也可以写出R（y，θ），R（z，θ）总之，用位置矢量描述刚体的位置，用旋转矩阵描述刚体的姿态（方位）29第一节位置和方位的表示为了完全描述刚体B在空间的位置和姿态，通常将刚体B与某一坐标系相固接，通常记为｛B｝，｛B｝的原点一般选在刚体B的特征点上，如质心或对称中心等。对弧焊机器人中的焊枪可以将原点选在焊枪电极端部。则相对于参考坐标系｛A｝，用位置矢量ApB0和旋转矩阵分别描述｛B｝原点位置及坐标系的方位，即刚体B的位置和姿态可由坐标系｛B｝来描述：{},OAABBBRpABR当表示位置时，旋转矩阵为单位阵；当表示姿态时，位置矢量等于零。30第二节坐标变换1、坐标平移坐标系｛B｝与｛A｝具有相同的方位，但｛B｝的原点与｛A｝的原点不重合，则空间任意点P在｛A｝中的描述可以表示为：OABABppp称为坐标平移方程AxAyAzApOBxByBzOpBpOABp31第二节坐标变换2、坐标旋转坐标系｛B｝与｛A｝原点重合，但两者的方位不同，则空间任意点P在｛A｝中的描述可以表示为：AABBpRp称为坐标旋转方程3、一般变换坐标系｛B｝与｛A｝既不共原点，方位亦不同，此时，OAABABBpRpp32第二节坐标变换4、齐次坐标变换用4×1列向量表示三维空间坐标系中的点：xayxyzbabczc称为齐次坐标，齐次坐标具有不唯一性。引入齐次坐标后，一般变换变为：110001OAAABBBRpppApBpAABBpTp33第二节坐标变换0001OAABBABRpT称为齐次变换矩阵300()(,)000010001OOAABBAABBIpRTTranspRotk34第二节坐标变换001110030101.50001ABT举例：如果AxAyAzOBxByBzOxB与yA同向；yB与zA同向；zB与xA同向。131.51OABp则，35第三节机器人连杆参数及连杆坐标系对于一个6自由度机器人，有6个连杆和6个关节组成。编号时，机座称为连杆0，不包含在这6个连杆内，连杆1与机座由关节1相连，连杆2通过关节2与连杆1相连，依此类推。关节1关节2关节3关节4关节5关节6连杆0连杆1连杆2连杆3连杆4连杆5连杆6如前所述，可以将机器人看作是一个开链式多连杆机构，始端连杆就是机器人的机座，末端连杆与工具相连，相邻连杆之间用一个关节连接在一起。36第三节机器人连杆参数及连杆坐标系1、连杆参数（1）连杆长度ai-1连杆两端轴线间的距离连杆i-1轴i-1轴ii-1a1i（2）连杆扭角连杆两端轴线间的夹角，方向为从i-1轴到i轴1i37第三节机器人连杆参数及连杆坐标系