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1機(jī)器人焊接的特點(diǎn)早期的焊接自動化程度低，基本是手工操作，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)某個產(chǎn)品只能由某個人或某幾個人完成的情況，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)要盡量擺脫這種對專門人員的依賴，采用自動化的機(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)根據(jù)對產(chǎn)品的適應(yīng)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(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?！叭嵝浴弊詣踊到y(tǒng)，主要指通過編程可改變操作的機(jī)器，產(chǎn)品換型時，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)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化的發(fā)展趨勢。3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小時連續(xù)生產(chǎn)，機(jī)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(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)品焊接自動化；可作為數(shù)字化制造的一個環(huán)節(jié)。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)器人基本知識第二節(jié)機(jī)器人工作原理5第一節(jié)機(jī)器人基本知識一機(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6一、機(jī)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(jī)器人），劇中描寫了一批能從事各項(xiàng)勞動、聽命于人的機(jī)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(jī)器人KarelCapek

（1890－1938）7一、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TheWebsterdictionary(Webster,1993):

“Anautomaticdevicethatperformsfunctionsnormallyascribedtohumansoramachineintheformofahuman.”一個自動化設(shè)備，它能執(zhí)行通常由人執(zhí)行的任務(wù)；或一個人型的機(jī)器美國機(jī)器人學(xué)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(wù)的專用設(shè)備。ISO，1987：

工業(yè)機(jī)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(jī)。8二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及現(xiàn)狀1954年，美國人G.Devol和J.Engleberger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“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”。Unimates機(jī)器人9二、工業(yè)機(jī)機(jī)器人的發(fā)發(fā)展及現(xiàn)狀狀2000年年，統(tǒng)計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)表明，，全世界工工業(yè)機(jī)器人人總量為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(jī)器人人中45％％為焊接機(jī)機(jī)器人（點(diǎn)點(diǎn)焊、弧焊焊）我國大陸地地區(qū)工業(yè)機(jī)機(jī)器人用戶戶700多多家，擁有有工業(yè)機(jī)器器人約3500臺，，其中焊接接機(jī)器人約約1000臺，與國國外的差距距是明顯的的。值得欣喜的的是，我國國機(jī)器人應(yīng)應(yīng)用發(fā)展較較快，1996年我我國焊接機(jī)機(jī)器人僅為為500臺臺，目前以以每年30％以上的的速度增長長。10二、工業(yè)機(jī)機(jī)器人的發(fā)發(fā)展及現(xiàn)狀狀主要機(jī)器人人廠家日本：Motoman、OTC、Panasonic、FANUC等美國：Adept等歐洲：奧地地利IGM、德國CLOOS、KUKA、瑞典ABB韓國：HYUNDAI沈陽新松FANUC11三、機(jī)器人的的分類機(jī)器人分類方方法很多按照技術(shù)水平平劃分：第一代：示教教再現(xiàn)型，具具有記憶能力力。目前，絕絕大部分應(yīng)用用中的工業(yè)機(jī)機(jī)器人均屬于于這一類。缺缺點(diǎn)是操作人人員的水平影影響工作質(zhì)量量。第二代：初步步智能機(jī)器人人，對外界有有反饋能力。。部分已經(jīng)應(yīng)應(yīng)用到生產(chǎn)中中。第三代：智能能機(jī)器人，具具有高度的適適應(yīng)性，有自自行學(xué)習(xí)、推推理、決策等等功能，處在在研究階段。。12三、機(jī)器人的的分類按照基本結(jié)構(gòu)構(gòu)劃分：直角坐標(biāo)型，，

也稱“機(jī)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)器人的的分類按照受控運(yùn)動動方式劃分：：點(diǎn)位控制（PTP）型，PointtoPoint,如點(diǎn)焊、搬運(yùn)運(yùn)機(jī)器人連續(xù)軌跡控制制（CP）型，ContinousPath，如弧焊、噴漆漆機(jī)器人按驅(qū)動方式劃劃分：氣壓驅(qū)動（壓壓縮空氣）液壓驅(qū)動（重重型機(jī)器人，，如搬運(yùn)、點(diǎn)點(diǎn)焊機(jī)器人））電驅(qū)動（電動動機(jī)），應(yīng)用用最多14三、機(jī)器人的的分類按照應(yīng)用領(lǐng)域域劃分：工業(yè)機(jī)器人，，面向工業(yè)領(lǐng)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)節(jié)機(jī)械手或多多自由度機(jī)器器人。特種機(jī)器人，，用于非制造造業(yè)的各種機(jī)機(jī)器人，服務(wù)務(wù)機(jī)器人、水水下機(jī)器人、、農(nóng)業(yè)機(jī)器人人、軍用機(jī)器器人等15三、機(jī)器人的的分類華宇I(lǐng)型弧焊機(jī)器人人16三、機(jī)器人的的分類弧焊機(jī)器人點(diǎn)點(diǎn)焊機(jī)器人17三、機(jī)器人的的分類伐根機(jī)器人摘摘果機(jī)器人18三、機(jī)器人的的分類擦玻璃機(jī)器人人無無人潛水水器19三、機(jī)器人的的分類排爆機(jī)器人外外科手術(shù)機(jī)器器人20三、機(jī)器人的的分類雙足仿人機(jī)器器人球球機(jī)器器人21三、工業(yè)機(jī)器器人常用術(shù)語語自由度（degreeoffreedom，DOF）,物體能夠?qū)ψ鴺?biāo)系進(jìn)行獨(dú)獨(dú)立運(yùn)動的數(shù)數(shù)目稱為自由由度，對于自自由剛體，具具有6個自由由度。通常作作為機(jī)器人的的技術(shù)指標(biāo)，，反映機(jī)器人人靈活性，對對于焊接機(jī)器器人一般具有有5－6個自自由度位姿（Pose），，指工具的位置置和姿態(tài)。末端操作器（EndEffector），位于機(jī)器人腕腕部末端，直直接執(zhí)行工作作要求的裝置置，如夾持器器、焊槍、焊焊鉗等額定負(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)器器人常用術(shù)語語工作空間（WorkingSpace），機(jī)器人工作時時，其腕軸交交點(diǎn)能在空間間活動的范圍圍。重復(fù)位姿精度度（PoseRepeatability），在同一條件下下，重復(fù)N次所測得的位位姿一致程度度。軌跡重復(fù)精度度（PathRepeatability），沿同一軌跡跟跟隨N次，所測得的的軌跡之間的的一致程度23第二章機(jī)器器人運(yùn)動學(xué)分分析第一節(jié)位置置和姿態(tài)的表表示第二節(jié)坐標(biāo)標(biāo)變換第三節(jié)機(jī)器器人連桿參數(shù)數(shù)及連桿坐標(biāo)標(biāo)系第四節(jié)連桿桿坐標(biāo)變換及及運(yùn)動學(xué)方程程第五節(jié)運(yùn)動動學(xué)逆問題的的相關(guān)問題24機(jī)器人運(yùn)動學(xué)學(xué)的研究內(nèi)容容一般可以將機(jī)機(jī)器人看作是是一個開鏈?zhǔn)绞蕉噙B桿機(jī)構(gòu)構(gòu)，始端連桿桿就是機(jī)器人人的機(jī)座，末末端連桿與工工具相連，相相鄰連桿之間間用一個關(guān)節(jié)節(jié)連接在一起起。機(jī)器人運(yùn)動學(xué)學(xué)包括兩方面面問題：運(yùn)動學(xué)正問題題：已知各關(guān)關(guān)節(jié)角值，求求工具在空間間的位置和姿姿態(tài)。實(shí)際上上，這是建立立運(yùn)動學(xué)方程程的過程。運(yùn)動學(xué)逆問題題：已知工具具的位姿，求求各關(guān)節(jié)角值值，這是求解解運(yùn)動學(xué)方程程的問題。25第一節(jié)位置置和方位的表表示為了描述機(jī)器器人本身各連連桿之間、機(jī)機(jī)器人和環(huán)境境之間的運(yùn)動動關(guān)系，通常常將它們看作作剛體。剛體的位置和和姿態(tài)描述在直角坐標(biāo)系系｛A｝中，任意一點(diǎn)點(diǎn)P的位置可以用用3×1列向向量表示。稱稱為位置矢量26第一節(jié)位置置和方位的表表示為了確定剛體體B的姿態(tài)（也稱稱方位），設(shè)設(shè)一個坐標(biāo)系系｛B｝與該剛體固接接。用坐標(biāo)系系的三個單位位主矢量xB，yB，zB相對于參考坐坐標(biāo)系｛A｝的方向余弦組組成的3×3矩陣表示剛剛體B相對于坐標(biāo)系系｛A｝的姿態(tài)。稱為旋轉(zhuǎn)矩陣，也可表示成成：旋轉(zhuǎn)矩陣是正正交的。27第一節(jié)位置置和方位的表表示按照上述定義義，繞x軸旋轉(zhuǎn)了θ角的旋轉(zhuǎn)矩陣陣，為同樣也可以寫寫出R（y，θ）），R（z，，θ）總之，用位置矢量描描述剛體的位位置，用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩陣描述剛剛體的姿態(tài)（方位）28第一節(jié)位置置和方位的表表示為了完全描述述剛體B在空間的位置置和姿態(tài)，通通常將剛體B與某一坐標(biāo)系系相固接，通通常記為｛B｝，｛B｝｝的原點(diǎn)一般選選在剛體B的特征點(diǎn)上，，如質(zhì)心或?qū)ΨQ中心等。。對弧焊機(jī)器器人中的焊槍槍可以將原點(diǎn)點(diǎn)選在焊槍電電極端部。則相對于參考考坐標(biāo)系｛A｝，用位置矢量ApB0和旋轉(zhuǎn)矩陣分分別別描述｛B｝原點(diǎn)位置及坐坐標(biāo)系的方位位，即剛體B的位置和姿態(tài)態(tài)可由坐標(biāo)系系｛B｝來描述：當(dāng)表示位置時時，旋轉(zhuǎn)矩陣陣為單位陣；；當(dāng)表示姿態(tài)時時，位置矢量量等于零。29第二節(jié)坐標(biāo)標(biāo)變換1、坐標(biāo)平移移坐標(biāo)系｛B｝與｛A｝具有相同的方方位，但｛B｝的原點(diǎn)與｛A｝的原點(diǎn)不重合合，則空間任任意點(diǎn)P在｛A｝中的描述可以以表示為：稱為坐標(biāo)平移移方程30第二節(jié)坐標(biāo)標(biāo)變換2、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)坐標(biāo)系｛B｝與｛A｝原點(diǎn)重合，但但兩者的方位位不同，則空空間任意點(diǎn)P在｛A｝中的描述可以以表示為：稱為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)方程3、一般變換換坐標(biāo)系｛B｝與｛A｝既不共原點(diǎn)，，方位亦不同同，此時，31第二節(jié)坐標(biāo)標(biāo)變換4、齊次坐標(biāo)標(biāo)變換用4×1列向向量表示三維維空間坐標(biāo)系系中的點(diǎn)：稱為齊次坐標(biāo)標(biāo)，齊次坐標(biāo)標(biāo)具有不唯一一性。引入齊齊次坐標(biāo)后，，一般變換變變?yōu)椋?2第二節(jié)坐標(biāo)標(biāo)變換稱為齊次變換換矩陣33第二節(jié)坐標(biāo)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第三節(jié)機(jī)器器人連桿參數(shù)數(shù)及連桿坐標(biāo)標(biāo)系對于一個6自自由度機(jī)器人人，有6個連連桿和6個關(guān)關(guān)節(jié)組成。編編號時，機(jī)座座稱為連桿0，不包含在在這6個連桿桿內(nèi)，連桿1與機(jī)座由關(guān)關(guān)節(jié)1相連，，連桿2通過過關(guān)節(jié)2與連連桿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，可可以將機(jī)器人人看作是一個個開鏈?zhǔn)蕉噙B連桿機(jī)構(gòu)，始始端連桿就是是機(jī)器人的機(jī)機(jī)座，末端連連桿與工具相相連，相鄰連連桿之間用一一個關(guān)節(jié)連接接在一起。35第三節(jié)機(jī)器器人連桿參數(shù)數(shù)及連桿坐標(biāo)標(biāo)系1、連桿參數(shù)數(shù)（1）連桿長長度ai-1連桿兩端軸線線間的距離連桿i-1軸i-1軸i（2）連桿扭扭角連桿兩端軸線線間的夾角，，方向?yàn)閺膇-1軸到i軸36第三三節(jié)節(jié)機(jī)機(jī)器器人人連連桿桿參參數(shù)數(shù)及及連連桿桿坐坐標(biāo)標(biāo)系系2、、連連桿桿連連接接參參數(shù)數(shù)（1））連連桿桿之之間間的的距距離離diai,ai-1之間間的的距距離離（2））關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)角角ai,ai-1之間間的的夾夾角角，，方方向向?yàn)闉閺膹腶i-1到ai連桿i-1軸i-1軸i連桿i37第三三節(jié)節(jié)機(jī)機(jī)器器人人連連桿桿參參數(shù)數(shù)及及連連桿桿坐坐標(biāo)標(biāo)系系以上上定定義義為為一一般般情情況況，，對對運(yùn)運(yùn)動動鏈鏈的的兩兩端端，，有有一一些些習(xí)習(xí)慣慣約約定定：：如果果關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)1為為轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)，，則則1是可可變變的的，，習(xí)習(xí)慣慣上上約約定定d1=0如果果關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)1為為移移動動關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)，，則則d1是可可變變的的，，習(xí)習(xí)慣慣上上約約定定1=0這些些約約定定同同樣樣適適用用于于關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)n所以以，，每每個個連連桿桿可可以以由由四四個個參參數(shù)數(shù)來來描描述述，，其其中中描述述的的為為連連桿桿i-1本身身的的性性質(zhì)質(zhì)，，描描述述的的為為連連桿桿i-1和連連桿桿i之間間的的關(guān)關(guān)系系。。當(dāng)機(jī)機(jī)器器人人的的連連桿桿鏈鏈制制作作完完成成后后，，如如果果為為轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)，，i為變變量量，，若若為為移移動動關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)，，則則di為變變量量，，其其余余參參數(shù)數(shù)為為常常量量。。所所以以對對于于一一個個6自自由由度度機(jī)機(jī)器器人人，，用用18個個參參數(shù)數(shù)描描述述其其固固定定部部分分，，用用6個個關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)變變量量描描述述其其變變動動部部分分，，這這種種描描述述方方法法成成為為D-H法。。（（Denavit和Hartenberg提出出的的））38第三三節(jié)節(jié)機(jī)機(jī)器器人人連連桿桿參參數(shù)數(shù)及及連連桿桿坐坐標(biāo)標(biāo)系系3、、連連桿桿坐坐標(biāo)標(biāo)系系為了了確確定定各各連連桿桿之之間間的的相相對對運(yùn)運(yùn)動動關(guān)關(guān)系系，，在在各各連連桿桿上上分分別別建建立立一一個個坐坐標(biāo)標(biāo)系系。。與與機(jī)機(jī)座座固固接接的的坐坐標(biāo)標(biāo)系系記記為為｛｛0｝｝，，與與連連桿桿i固接接的的坐坐標(biāo)標(biāo)系系記記為為｛｛i｝坐標(biāo)標(biāo)系系｛｛i－－1｝的建建立立過過程程：：zi-1與軸軸i-1重合合，，一一般般指指向向關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)i-1xi-1與ai-1重合合，，指指向向關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)iyi-1按右手法則確確定，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)器器人連桿參數(shù)數(shù)及連桿坐標(biāo)標(biāo)系對于基坐標(biāo)系系｛0｝，一一般約定當(dāng)關(guān)關(guān)節(jié)1變量為為零時，｛0｝與｛1｝｝重合對于末端連桿桿坐標(biāo)系｛n｝，也約定，當(dāng)關(guān)關(guān)節(jié)n-1為零時，｛n｝與｛n-1｝重合連桿參數(shù)在坐坐標(biāo)系中的含含義：連桿i-1軸i-1軸i連桿i40第四節(jié)連桿桿坐標(biāo)變換及及運(yùn)動學(xué)方程程在各連桿上建建立坐標(biāo)系之之后，可以進(jìn)進(jìn)行連桿坐標(biāo)標(biāo)系之間的變變換。｛i｝到｛i-1｝的變換矩陣用用表表示。根據(jù)連桿坐標(biāo)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)連桿桿坐標(biāo)變換及及運(yùn)動學(xué)方程程這就是連桿坐坐標(biāo)系之間的的轉(zhuǎn)換矩陣，，機(jī)器人制作作完成后，每每個關(guān)節(jié)只有有一個變量，，對于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)節(jié)對于移動關(guān)節(jié)節(jié)42第四節(jié)連桿桿坐標(biāo)變換及及運(yùn)動學(xué)方程程將個連桿變換換矩陣相乘，，可得這就是機(jī)器人人的運(yùn)動學(xué)方方程，描述的的是末端連桿桿（工具）相相對于基坐標(biāo)標(biāo)系之間的變變換矩陣與關(guān)關(guān)節(jié)變量的之之間的關(guān)系。。如果通過傳感感器獲得各關(guān)關(guān)節(jié)變量的值值，就可以確確定機(jī)器人末末端連桿上工工具的位置和和姿態(tài)。這樣樣就解決了機(jī)機(jī)器人的正運(yùn)運(yùn)動學(xué)問題。。43第五節(jié)運(yùn)動動學(xué)逆問題的的相關(guān)問題運(yùn)動學(xué)方程對于機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆問題，即已知末端位姿，求各關(guān)節(jié)變量值，也就是已知求（求運(yùn)動學(xué)方程的根）在運(yùn)動學(xué)方程兩端左乘，對于6自由度機(jī)器人，有求解時，一般般不是聯(lián)立求求解12個方方程，而是找找出方程右端端的常數(shù)項(xiàng)，，令其與左端端相應(yīng)項(xiàng)相等等，即找出僅僅含有θ1的方程，求出出θ1將θ1代入上面方程程中，利用同同樣方法，可可以依次求出出θ2θ3θ4θ5θ6求解時，需要要直覺觀察與與經(jīng)驗(yàn)，也可可以采用數(shù)值值解法（復(fù)雜雜）。44第五節(jié)運(yùn)動動學(xué)逆問題的的相關(guān)問題1、解的存在在性和工作空空間指機(jī)器人能否否到達(dá)所指定定的位姿。例如，對于平平面2R機(jī)械手，可直直觀地寫出其其運(yùn)動學(xué)方程程運(yùn)動學(xué)逆問題題：45第五節(jié)運(yùn)動動學(xué)逆問題的的相關(guān)問題p點(diǎn)在圓環(huán)內(nèi)有有解通常將解存在在的區(qū)域稱為為機(jī)器人的工工作空間。分分為2類：靈活工作空間間，工具能以以任意姿態(tài)到到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)點(diǎn)集合；可達(dá)工作空間間，機(jī)器人工工具至少能以以一個姿態(tài)到到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)點(diǎn)集合。對于本例，靈靈活工作空間間只有一個點(diǎn)點(diǎn)。如果末端再增增加一個轉(zhuǎn)動動關(guān)節(jié)，則靈靈活空間會變變大。即自由由度增多，機(jī)機(jī)器人變靈活活。46第五節(jié)運(yùn)動動學(xué)逆問題的的相關(guān)問題2、解的唯一一性和最優(yōu)解解隨著自由度的的增多，運(yùn)動動學(xué)方程的解解越多，即達(dá)達(dá)到空間某一一位姿，各關(guān)關(guān)節(jié)變量可以以有多種不同同的組合。如如3R機(jī)械手當(dāng)前的的位姿，有兩兩組解。對于6自由度機(jī)器人，解的數(shù)量最多可達(dá)16個。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)動動學(xué)逆問題的的相關(guān)問題如何選選取？？避免碰碰撞；；最短行行程；；多動小小關(guān)節(jié)節(jié)，少少動大大關(guān)節(jié)節(jié)；機(jī)器人人動力力學(xué)：：運(yùn)動動與受受力之之間的的關(guān)系系正問題題：根根據(jù)關(guān)關(guān)節(jié)驅(qū)驅(qū)動力力矩，，計(jì)算算操作作臂的的運(yùn)動動（位位移、、速度度、加加速度度）；；逆問題題：已已知機(jī)機(jī)器人人運(yùn)動動軌跡跡對應(yīng)應(yīng)的位位移、、速度度、加加速度度，求求所需需每個個關(guān)節(jié)節(jié)的驅(qū)驅(qū)動力力矩；；48第三章章機(jī)機(jī)器人人驅(qū)動動與控控制技技術(shù)第一節(jié)節(jié)驅(qū)驅(qū)動電電機(jī)第二節(jié)節(jié)位位置控控制49第一節(jié)節(jié)驅(qū)驅(qū)動電電機(jī)電動機(jī)機(jī)是機(jī)機(jī)器人人驅(qū)動動系統(tǒng)統(tǒng)中的的執(zhí)行行元件件。常采用用的電電動機(jī)機(jī)為：：步進(jìn)電電機(jī)直流伺伺服電電機(jī)交流伺伺服電電機(jī)50第一節(jié)節(jié)驅(qū)驅(qū)動電電機(jī)步進(jìn)電電機(jī)經(jīng)常應(yīng)應(yīng)用于于開環(huán)環(huán)控制制系統(tǒng)統(tǒng)，特特點(diǎn)為為具有有較大大的低低速轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，，可不不配減減速器器，直直接驅(qū)驅(qū)動。。主要要分為為三類類：永磁式式步進(jìn)進(jìn)電動動機(jī)：：轉(zhuǎn)子子由磁磁性材材料制制成，，具有有低力力矩、、低速速度、、低成成本的的特點(diǎn)點(diǎn)。一一般用用于計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)外圍圍設(shè)備備（打打印機(jī)機(jī)、光光驅(qū)等等）變磁阻阻式步步進(jìn)電電動機(jī)機(jī)：沒沒有磁磁性材材料，，不通通電時時，沒沒有保保持力力矩，，也稱稱感應(yīng)應(yīng)式步步進(jìn)電電機(jī)混合式式步進(jìn)進(jìn)電動動機(jī)：：上述述原理理的結(jié)結(jié)合，，是目目前應(yīng)應(yīng)用越越來越越廣的的一種種。51第一節(jié)節(jié)驅(qū)驅(qū)動電電機(jī)直流伺伺服電電機(jī)20世世紀(jì)80年年代中中期以以前被被廣泛泛使用用，優(yōu)優(yōu)點(diǎn)為為易于于控制制，缺缺點(diǎn)是是需要要定期期維護(hù)護(hù)，速速度不不能太太高，，功率率不能能太大大。定子磁磁場是是永磁磁鐵提提供的的，線線圈中中通入入電流流，產(chǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，，轉(zhuǎn)一一個角角度后后，需需要換換向器器改變變電流流方向向。受受換向向器（（電刷刷）影影響，，需要要定期期維護(hù)護(hù)，且且速度度不能能太高高。由由于線線圈繞繞在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上上，散散熱問問題不不易解解決，，功率率不能能太大大。52第一節(jié)節(jié)驅(qū)驅(qū)動電電機(jī)交流伺伺服電電動機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)子是是永磁磁的，，線圈圈繞在在定子子上，，沒有有電刷刷。線線圈中中通交交變電電流。。轉(zhuǎn)子子上裝裝有碼碼盤傳傳感器器，檢檢測轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子所所處的的位置置，根根據(jù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的的位置置，控控制通通電方方向。。由于線線圈繞繞在定定子上上，可可以通通過外外殼散散熱，，可做做成大大功率率電機(jī)機(jī)。沒沒有電電刷，，免維維護(hù)。。是目目前在在機(jī)器器人上上應(yīng)用用最多多的電電動機(jī)機(jī)。53第一節(jié)節(jié)驅(qū)驅(qū)動電電機(jī)和步進(jìn)進(jìn)電機(jī)機(jī)相比比，伺伺服電電機(jī)有有以下下幾點(diǎn)點(diǎn)優(yōu)勢勢：1、實(shí)實(shí)現(xiàn)了了位置置，速速度和和力矩矩的閉閉環(huán)控控制；；克服服了步步進(jìn)電電機(jī)失失步的的問題題；2、、高速速性能能好，，一般般額定定轉(zhuǎn)速速能達(dá)達(dá)到2000～～3000轉(zhuǎn)；；3、抗抗過載載能力力強(qiáng)，，能承承受三三倍于于額定定轉(zhuǎn)矩矩的負(fù)負(fù)載，，對有有瞬間間負(fù)載載波動動和要要求快快速起起動的的場合合特別別適用用；4、、低速速運(yùn)行行平穩(wěn)穩(wěn)，低低速運(yùn)運(yùn)行時時不會會產(chǎn)生生類似似于步步進(jìn)電電機(jī)的的步進(jìn)進(jìn)運(yùn)行行現(xiàn)象象。5、電電機(jī)加加減速速的動動態(tài)相相應(yīng)時時間短短，一一般在在幾十十毫秒秒之內(nèi)內(nèi)；6、發(fā)發(fā)熱和和噪音音明顯顯降低低。54第一節(jié)節(jié)驅(qū)驅(qū)動電電機(jī)減速機(jī)機(jī)目前，，機(jī)器器人普普遍采采用交交流伺伺服電電機(jī)驅(qū)驅(qū)動，，為了了提高高控制制精度度，增增大驅(qū)驅(qū)動力力矩，，一般般均需需配置置減速速機(jī)。。通常常配備備RV減速機(jī)機(jī)（精精度高高、剛剛性好好）55第二節(jié)節(jié)位位置控控制機(jī)器人人是由由多軸軸（關(guān)關(guān)節(jié)））組成成，每每軸的的運(yùn)動動都影影響機(jī)機(jī)器人人未端端的位位置和和姿態(tài)態(tài)。如如何協(xié)協(xié)調(diào)各各軸的的運(yùn)動動，使使機(jī)器器人未未端完完成要要求的的軌跡跡，是是需需要解解決的的問題題。由于絕絕大多多數(shù)機(jī)機(jī)器人人是關(guān)關(guān)節(jié)式式運(yùn)動動形式式，很很難直直接檢檢測機(jī)機(jī)器人人未端端的運(yùn)運(yùn)動，，只能能對各各關(guān)節(jié)節(jié)進(jìn)行行控制制。屬屬于半半閉環(huán)環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)，即即僅從從電動動機(jī)軸軸上閉閉環(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)位位置控制目前機(jī)器人人基本操作作方式為示示教再現(xiàn)，，示教時，，不能將軌軌跡上的所所有點(diǎn)都示示教一遍，，一是費(fèi)時時，二是占占用大量的的存儲器。。實(shí)際上，對對于有規(guī)律律的軌跡，，僅示教幾幾個特征點(diǎn)點(diǎn)。對直線線軌跡，僅僅示教兩個個端點(diǎn)；對對圓弧軌跡跡，示教三三點(diǎn)（起點(diǎn)點(diǎn)、終點(diǎn)、、中間點(diǎn)）），軌跡上上其它中間間點(diǎn)的坐標(biāo)標(biāo)通過插補(bǔ)補(bǔ)方法獲得得。逆運(yùn)動學(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)位位置控制插補(bǔ)方式：：定時插補(bǔ)每每隔一定定時間插補(bǔ)補(bǔ)一次，插插補(bǔ)時間間間隔Ts一般不超過過25ms定距插補(bǔ)每每隔一定定距離插補(bǔ)補(bǔ)一次，可可避免快速速運(yùn)動時，，定時插補(bǔ)補(bǔ)造成的軌軌跡失真。。但也受伺伺服周期限限制。插補(bǔ)算法：直線插補(bǔ)將將兩示教教點(diǎn)之間按按照直線規(guī)規(guī)律計(jì)算中中間點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)。圓弧插補(bǔ)按圓弧規(guī)律律計(jì)算中間間點(diǎn)。58第二節(jié)位位置控制直線插補(bǔ)設(shè)機(jī)器人末末端要從Po運(yùn)動到Pe，運(yùn)動速度v，插補(bǔ)時間間間隔Ts直線長度：：插補(bǔ)間隔內(nèi)內(nèi)的行程：：d=vTs插補(bǔ)的總步步數(shù)：N=int(L/d)+1各方向上的的增量：各插補(bǔ)點(diǎn)的的坐標(biāo)：59第二節(jié)位位置控制圓弧插補(bǔ)空間不共線線三點(diǎn)P1，P2，P3構(gòu)成一段圓圓弧。首先進(jìn)行坐坐標(biāo)變換，，把空間圓圓弧變換為為平面圓弧弧。原點(diǎn)與圓弧弧的圓心重重合，Z軸為外法線線方向。如果ZR與Z0夾角為α，XR與X0夾角為θOR在基坐標(biāo)系系中的坐標(biāo)標(biāo)為（x0，y0，z0）60第二節(jié)位位置控制對于平面圓圓?。喊霃絉總的圓心角角φTs時間內(nèi)的角角位移Δθ＝TsV/R插補(bǔ)步數(shù)：：N=φ／／Δθ＋1小結(jié)：1、將示示教點(diǎn)坐坐標(biāo)轉(zhuǎn)換換為｛R｝坐標(biāo)值2、按平平面圓弧弧插補(bǔ)算算法，得得到插補(bǔ)補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)（xR，yR）3、轉(zhuǎn)換換到基坐坐標(biāo)系中中61第四章弧弧焊機(jī)機(jī)器人編編程技術(shù)術(shù)第一節(jié)機(jī)機(jī)器人人的編程程基礎(chǔ)第二節(jié)弧弧焊機(jī)機(jī)器人離離線編程程技術(shù)62第一節(jié)機(jī)機(jī)器人人的編程程基礎(chǔ)通過前面面的知識識，我們們知道，，機(jī)器人人是一個個軟件可可控的機(jī)機(jī)電裝置置，可通通過編程程定義其其作業(yè)內(nèi)內(nèi)容。目前，對對機(jī)器人人編程的的方式可可以分為為以下三三種：示教編程程機(jī)器人語語言編程程離線編程程63第一節(jié)機(jī)機(jī)器人人的編程程基礎(chǔ)1、示教教編程示教編程程是目前前工業(yè)機(jī)機(jī)器人廣廣泛使用用的編程程方法，，根據(jù)任任務(wù)的需需要，將將機(jī)器人人末端工工具移動動到所需需的位置置及姿態(tài)態(tài)，然后后把每一一個位姿姿連同運(yùn)運(yùn)行速度度、焊接接參數(shù)等等記錄并并存儲下下來，機(jī)機(jī)器人便便可以按按照示教教的位姿姿再現(xiàn)。。示教方式式有兩種種：手把手示示教示教盒示示教64第一節(jié)機(jī)機(jī)器人人的編程程基礎(chǔ)示教盒控制器現(xiàn)場示教編程程的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)：不需要預(yù)預(yù)備知識識和復(fù)雜雜的計(jì)算算機(jī)裝置置，方法法簡單、、易于掌掌握。示教編程程的缺點(diǎn)點(diǎn)：占用生產(chǎn)產(chǎn)時間，，難于適適應(yīng)小批批量、多多品種的的柔性生生產(chǎn)需要要；編程人員員工作環(huán)環(huán)境差、、強(qiáng)度大大，一旦旦失誤，，會造成成人員傷傷亡或設(shè)設(shè)備損壞壞；編程效率率低。65第一節(jié)機(jī)機(jī)器人人的編程程基礎(chǔ)2、機(jī)器器人語言言機(jī)器人語語言提供供了一種種通用的的人與機(jī)機(jī)器人之之間的通通訊手段段。它是是一種專專用語言言，用符符號描述述機(jī)器人人的運(yùn)動動，與常常用的計(jì)計(jì)算機(jī)編編程語言言相似。。1973年，Stanford人工智能能實(shí)驗(yàn)室室開發(fā)了了第一種種機(jī)器人人語言－－WAVE語言。1974年，該該實(shí)驗(yàn)室室開發(fā)了了AL語言1979年，Unimation公司開發(fā)發(fā)了VAL語言（類類似于BASIC）1984年，該公公司推出出了VALII語言其他的機(jī)機(jī)器人語語言：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(jī)機(jī)器人人的編程程基礎(chǔ)根據(jù)作業(yè)業(yè)描述水水平的高高低，機(jī)機(jī)器人語語言通常常分為三三級：動作級：：每一個指指令對應(yīng)應(yīng)于一個個動作，，如MOVETO<destination>，，優(yōu)點(diǎn)為：：語句簡簡潔，易易于編程程，缺點(diǎn)點(diǎn)為：不不能進(jìn)行行復(fù)雜的的運(yùn)算，，不能接接受傳感感器信息息。VAL屬于動作作級。對象級:是描述操作物物體間關(guān)系使使機(jī)器人動作作的語言。具具有運(yùn)動控制制（與動作級級語言類似的的功能）、處處理傳感信息息、通信和數(shù)數(shù)字運(yùn)算、良良好的擴(kuò)展性性（用戶可根根據(jù)需要增加加指令）等特特點(diǎn)。AML、AUTOPASS屬于對象級。。任務(wù)級：是比較高級的的機(jī)器人語言言，允許操作作人員下達(dá)直直接命令，不不必規(guī)定機(jī)器器人的動作細(xì)細(xì)節(jié)。如：焊焊接工件A，需要非常高的的智能，目前前還沒有真正正的任務(wù)級語語言。67第一節(jié)機(jī)器器人的編程基基礎(chǔ).EDITDEMO.PROGRAMDEMO?OPEN?APPROPICK50?SPEED30?MOVEPICK?CLOSEI?DEPART70?APPROSPLACE75?SPEED20?MOVESPLACE?OPENI?DEPART50?E

啟動編輯狀態(tài)VAL響應(yīng)下一步手張開運(yùn)動至距PICK位置50mm處下一步降至30％滿速運(yùn)動到PICK位置閉合手后退70mm運(yùn)動至距PLACE位置75mm處下一步降至20％滿速運(yùn)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：將物體從位置置1（PICK）搬運(yùn)到位置2（PLACE））68第一節(jié)機(jī)器器人的編程基基礎(chǔ)0000NOP0001MOVJVJ＝10.000002MOVLV=8000003ARCONASF#(1)0004MOVLV=1000005ARCOF0006END空操作以10％關(guān)節(jié)節(jié)速度移動到到焊縫起點(diǎn)附附近一點(diǎn)以800mm/min速度移動到焊焊縫起點(diǎn)按照文件ASF＃（1）的參數(shù)起弧按照100mm/min的焊接速度焊焊接熄弧結(jié)束MOTOMANXRC控制器語言：：焊接一段直線線焊縫69第一節(jié)機(jī)器器人的編程基基礎(chǔ)3、離線編程程在計(jì)算機(jī)中建建立設(shè)備、環(huán)環(huán)境及工件的的三維模型，，在這樣一個個虛擬的環(huán)境境中對機(jī)器人人進(jìn)行編程。。機(jī)器人離線編編程（OffLineProgramming，，OLP）系統(tǒng)是機(jī)器人人語言編程的的拓展，它充充分利用了計(jì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)學(xué)的成果，建建立機(jī)器人及及其工作環(huán)境境的模型，再再利用一些規(guī)規(guī)劃算法，通通過對圖形的的控制和操作作在離線的情情況下進(jìn)行編編程。OLP控制器現(xiàn)場70第一節(jié)機(jī)器器人的編程基基礎(chǔ)離線編程的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)減少機(jī)器人不不工作時間改善了編程環(huán)環(huán)境；使編程程者遠(yuǎn)離危險險的工作環(huán)境境提高了編程效效率與質(zhì)量；；可使用高級級語言對復(fù)雜雜任務(wù)編程便于和CAD系統(tǒng)集成,實(shí)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)器器人系統(tǒng)和工工作環(huán)境編程時機(jī)器人人停止工作在實(shí)際系統(tǒng)上上試驗(yàn)程序編程的質(zhì)量取取決于編程者者的經(jīng)驗(yàn)很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜雜的機(jī)器人軌軌跡路徑需要機(jī)器人系系統(tǒng)和工作環(huán)環(huán)境的圖形模模型編程不影響機(jī)機(jī)器人工作通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)程序用規(guī)劃技術(shù)可可進(jìn)行最佳參參數(shù)及路徑規(guī)規(guī)劃可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)運(yùn)動軌跡的編編程71第二節(jié)弧焊焊機(jī)器人離線線編程技術(shù)1、發(fā)展與現(xiàn)狀2、機(jī)器人離線編編程原理3、執(zhí)行級弧焊機(jī)機(jī)器人離線編編程系統(tǒng)4、任務(wù)級弧焊機(jī)機(jī)器人離線編編程系統(tǒng)72第二節(jié)弧焊焊機(jī)器人離線線編程技術(shù)如前所述，機(jī)機(jī)器人離線編編程是在一個個虛擬的環(huán)境境中對機(jī)器人人進(jìn)行編程。。在計(jì)算機(jī)內(nèi)內(nèi)建立機(jī)器人人及其工作環(huán)環(huán)境的模型，，再利用一些些規(guī)劃算法，，通過對圖形形的控制和操操作在離線的的情況下進(jìn)行行編程。1、發(fā)展與現(xiàn)現(xiàn)狀國外機(jī)器人離離線編程的研研究起步較早早，從70年年代開始進(jìn)行行這方面的研研究工作。自自80年代以以來，由于機(jī)機(jī)器人離線編編程軟件是機(jī)機(jī)器人應(yīng)用與與研究不可缺缺少的工具，，美國、英國國、法國、德德國、日本等等許多大學(xué)實(shí)實(shí)驗(yàn)室、研究究所、制造公公司對機(jī)器人人離線編程與與仿真技術(shù)進(jìn)進(jìn)行了大的研研究，并開發(fā)發(fā)出原型系統(tǒng)統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)統(tǒng)。這些軟件件有些已經(jīng)商商品化，對機(jī)機(jī)器人技術(shù)發(fā)發(fā)展以及在各各行業(yè)的推廣廣應(yīng)用發(fā)揮了了巨大的作用用。73第二節(jié)弧焊焊機(jī)器人離線線編程技術(shù)國外主要離線線編程系統(tǒng)74第二節(jié)弧焊焊機(jī)器人離線線編程技術(shù)PLACE(PositionLayoutandCellEvaluator)是由美國McAuto公司開發(fā)的機(jī)機(jī)器人軟件的的模塊之一。。該軟件還包包括BUILD、、COMMAND和ADJUST模塊。該軟件件是早期比較較著名的的軟軟件之一，用用于設(shè)計(jì)、評評價機(jī)器人制制造單元和機(jī)機(jī)器人離線編編程。75第二節(jié)弧焊焊機(jī)器人離線線編程技術(shù)ROBCAD是Tecnomatix公司八十年代代推出的、運(yùn)運(yùn)行在SGI工作站、UNIX操作系統(tǒng)下的的大型機(jī)器人人設(shè)計(jì)、仿真真和離線編程程系統(tǒng)。該軟軟件由六大模模塊組成：機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)、建建模模塊（MechanicalModeling）、、工作單元布置置模塊（WorkcellLayout））、任務(wù)描述模塊塊（TaskDescription）、仿真模塊（Simulation））、機(jī)械制圖模塊塊（Drafting）和數(shù)據(jù)管理模模塊（DataManagement））。機(jī)械設(shè)計(jì)、建建模模塊主要要完成機(jī)器人人及環(huán)境的幾幾何建模、運(yùn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)如機(jī)機(jī)器人、設(shè)備備的運(yùn)動學(xué)建建模，并具有有數(shù)據(jù)查詢、、文件管理等等功能。Workspace是RobotSimulations公司開發(fā)的第第一個商品化化的基于微機(jī)機(jī)的機(jī)器人仿仿真與離線編編程軟件。該該軟件采用了了ACIS作為建模核心心，與一些基基于微機(jī)的CAD系統(tǒng)如AutoCAD做到了很好的的數(shù)據(jù)交換。。76第二節(jié)弧焊焊機(jī)器人離線線編程技術(shù)IGRIP，，美國Deneb公司產(chǎn)品，卓卓越的圖形功功能，不僅可可運(yùn)行在SGI、HP等工作作站上上，也也可運(yùn)運(yùn)行在在高檔檔PC機(jī)上。。77第二節(jié)節(jié)弧弧焊機(jī)機(jī)器人人離線線編程程技術(shù)術(shù)裝甲車車殼體體焊接接自動動化系系統(tǒng)仿仿真78第二節(jié)節(jié)弧弧焊機(jī)機(jī)器人人離線線編程程技術(shù)術(shù)國內(nèi)機(jī)機(jī)器人人離線線編程程技術(shù)術(shù)研究究情況況79第二節(jié)節(jié)弧弧焊機(jī)機(jī)器人人離線線編程程技術(shù)術(shù)機(jī)器人人離線線編程程技術(shù)術(shù)是以以CAD和圖形形仿真真為基基礎(chǔ)的的技術(shù)術(shù)。因因其顯顯著優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，，引起起國內(nèi)內(nèi)外的的諸多多研究究與開開發(fā)，，并出出現(xiàn)了了一些些專業(yè)業(yè)公司司，推推動了了離線線編程程技術(shù)術(shù)的實(shí)實(shí)用化化。與與國外外相比比，我我國的的機(jī)器器人離離線編編程技技術(shù)還還有很很大的的差距距，主主要體體現(xiàn)在在以下下幾點(diǎn)點(diǎn)：幾何建建模：國外外商品品化系系統(tǒng)的的幾何何建模模功能能比較較強(qiáng)，，且與與其他他外部部CAD系統(tǒng)具具有數(shù)數(shù)據(jù)交交換接接口。。國內(nèi)內(nèi)自主主開發(fā)發(fā)的系系統(tǒng)由由于投投入小小,功功能能較弱弱,缺缺少少與外外部CAD系統(tǒng)的的數(shù)據(jù)據(jù)交換換接口口。專業(yè)化化：國外外系統(tǒng)統(tǒng)除提提供通通用性性的功功能之之外，，為了了提高高編程程效率率，往往往在在通用用系統(tǒng)統(tǒng)之上上開發(fā)發(fā)專業(yè)業(yè)化的的模塊塊，如如IGRIP中的點(diǎn)點(diǎn)焊、、弧焊焊等。。而國國內(nèi)的的通用用系統(tǒng)統(tǒng)則無無專業(yè)業(yè)化模模塊。。標(biāo)定：國外外系統(tǒng)統(tǒng)大多多將標(biāo)標(biāo)定作作為主主要模模塊之之一，，而國國內(nèi)還還缺少少這方方面的的研究究。機(jī)器人人程序序下載載：國外外商品品化系系統(tǒng)都都有多多種機(jī)機(jī)器人人的接接口,可以以方便便地上上下載載這些些機(jī)器器人的的程序序。而而國內(nèi)內(nèi)系統(tǒng)統(tǒng)還主主要停停留在在仿真真階段段，缺缺少與與實(shí)際際機(jī)器器人的的接口口，很很少有有關(guān)于于機(jī)器器人程程序下下載與與執(zhí)行行的報報道。。80第二節(jié)節(jié)弧弧焊機(jī)機(jī)器人人離線線編程程技術(shù)術(shù)2、機(jī)機(jī)器人人離線線編程程原理理如前所所述，，機(jī)器器人離離線編編程是是在一一個虛虛擬的的環(huán)境境中對對機(jī)器器人進(jìn)進(jìn)行編編程。。在計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)內(nèi)建建立機(jī)機(jī)器人人及其其工作作環(huán)境境的模模型，，再利利用一一些規(guī)規(guī)劃算算法，，通過過對圖圖形的的控制制和操操作在在離線線的情情況下下進(jìn)行行編程程。一般離離線編編程系系統(tǒng)主主要包包括：：用戶接接口機(jī)器人人及環(huán)環(huán)境的的建模模運(yùn)動學(xué)學(xué)計(jì)算算軌跡規(guī)規(guī)劃動力學(xué)學(xué)仿真真并行操操作傳感器器仿真真通信接接口誤差校校正81第二節(jié)節(jié)弧弧焊機(jī)機(jī)器人人離線線編程程技術(shù)術(shù)用戶接接口：：一般工工業(yè)機(jī)機(jī)器人人提供供兩個個用戶戶接口口：一一個用用于示示教編編程，，另一一個用用于語語言編編程。。作為為機(jī)器器人語語言的的拓展展，離離線編編程系系統(tǒng)把把機(jī)器器人語語言作作為用用戶接接口的的一部部分，，另外外用戶戶接口口的一一個重重要部部分，，是對對機(jī)器器人系系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)行圖圖形編編輯，，一般般設(shè)計(jì)計(jì)成交交互式式，可可利用用鼠標(biāo)標(biāo)操作作機(jī)器器人的的運(yùn)動動。機(jī)器器人人及及環(huán)環(huán)境境的的建建模模：：這是是離離線線編編程程的的前前提提，，必必須須構(gòu)構(gòu)建建機(jī)機(jī)器器人人、、夾夾具具、、零零件件和和工工具具的的三三維維幾幾何何模模型型，，最最好好直直接接采采用用零零件件和和工工具具的的CAD模型型。。所所以以離離線線編編程程系系統(tǒng)統(tǒng)應(yīng)應(yīng)包包括括CAD建模模子子系系統(tǒng)統(tǒng)，，可可以以集集成成到到CAD平臺臺上上。。若若為為獨(dú)獨(dú)立立系系統(tǒng)統(tǒng)，，應(yīng)應(yīng)具具備備與與外外部部CAD文件件的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換接接口口。。運(yùn)動動學(xué)學(xué)計(jì)計(jì)算算：：離線線編編程程系系統(tǒng)統(tǒng)需需要要進(jìn)進(jìn)行行圖圖形形仿仿真真、、碰碰撞撞檢檢測測等等任任務(wù)務(wù)，，需需要要進(jìn)進(jìn)行行運(yùn)運(yùn)動動學(xué)學(xué)計(jì)計(jì)算算，，包包括括正正運(yùn)運(yùn)動動學(xué)學(xué)及及逆逆運(yùn)運(yùn)動動學(xué)學(xué)計(jì)計(jì)算算。。要要求求與與機(jī)機(jī)器器人人控控制制器器采采用用一一致致的的逆逆運(yùn)運(yùn)動動學(xué)學(xué)算算法法，，或或直直接接提提供供直直角角坐坐標(biāo)標(biāo)給給機(jī)機(jī)器器人人控控制制器器，，由由控控制制器器進(jìn)進(jìn)行行逆逆運(yùn)運(yùn)動動學(xué)學(xué)計(jì)計(jì)算算。。82第二二節(jié)節(jié)弧弧焊焊機(jī)機(jī)器器人人離離線線編編程程技技術(shù)術(shù)軌跡跡規(guī)規(guī)劃劃：：離線線編編程程系系統(tǒng)統(tǒng)除除了了對對機(jī)機(jī)器器人人靜靜態(tài)態(tài)位位置置進(jìn)進(jìn)行行運(yùn)運(yùn)動動學(xué)學(xué)計(jì)計(jì)算算外外，，還還應(yīng)應(yīng)該該對對機(jī)機(jī)器器人人在在工工作作空空間間的的運(yùn)運(yùn)動動軌軌跡跡進(jìn)進(jìn)行行仿仿真真。。由由于于不不同同機(jī)機(jī)器器人人廠廠家家所所采采用用的的軌軌跡跡規(guī)規(guī)劃劃算算法法差差別別很很大大，，離離線線編編程程系系統(tǒng)統(tǒng)應(yīng)應(yīng)對對機(jī)機(jī)器器人人控控制制器器中中所所采采用用的的算算法法進(jìn)進(jìn)行行仿仿真真。。軌軌跡跡規(guī)規(guī)劃劃模模塊塊根根據(jù)據(jù)起起點(diǎn)點(diǎn)、、終終點(diǎn)點(diǎn)位位置置及及約約束束條條件件，，輸輸出出中中間間點(diǎn)點(diǎn)位位姿姿、、速速度度、、加加速速度度的的時時間間序序列列。。還還應(yīng)應(yīng)該該具具備備可可達(dá)達(dá)空空間間計(jì)計(jì)算算及及碰碰撞撞檢檢測測等等功功能能。。動力學(xué)仿仿真：如果機(jī)器器人工作作在高速速及重負(fù)負(fù)載的情情況下，，必須考考慮動力力學(xué)特性性，以防防止產(chǎn)生生比較大大的誤差差。83第二節(jié)弧弧焊機(jī)機(jī)器人離離線編程程技術(shù)并行操作作：有些場合合常涉及及到兩個個或多個個機(jī)器人人同時完完成一個個作業(yè)，，有時，，既使一一個機(jī)器器人工作作，也常常需要和和變位機(jī)機(jī)、傳送送帶等系系統(tǒng)配合合。因此此，離線線編程系系統(tǒng)應(yīng)能能對多個個設(shè)備進(jìn)進(jìn)行同時時仿真。?？梢圆刹捎枚嗵幪幚砥骷技夹g(shù)，通通常采用用單處理理器分時時操作（（多任務(wù)務(wù)系統(tǒng)））。84第二節(jié)弧弧焊機(jī)機(jī)器人離離線編程程技術(shù)傳感器仿仿真：在實(shí)際機(jī)機(jī)器人系系統(tǒng)中，，可能裝裝有各種種傳感器器。在離離線編程程系統(tǒng)中中，對這這些傳感感器進(jìn)行行建模并并仿真是是很重要要的。傳傳感器主主要分局局部的和和全局的的兩類，，局部傳傳感器有有力覺、、觸覺和和接近覺覺傳感器器。觸覺陣列列的幾何何模型分分解成一一些小塊塊，檢查查每個幾幾何塊與與物體間間的干涉涉，確定定接觸情情況。接近覺傳傳感器也也可利用用幾何模模型件的的干涉檢檢查來仿仿真，將將長方體體分成許許多小塊塊，與物物體相交交的塊數(shù)數(shù)可以表表示接近近的程度度。利用相交交部分的的體積可可以仿真真力覺傳傳感器。。85第二節(jié)弧弧焊機(jī)機(jī)器人離離線編程程技術(shù)通信接口口：連接離線線編程系系統(tǒng)與機(jī)機(jī)器人控控制器。。利用通通信接口口可以把把仿真系系統(tǒng)所生生成的機(jī)機(jī)器人運(yùn)運(yùn)動程序序轉(zhuǎn)換成成機(jī)器人人控制器器可以接接受的的的代碼。。由于不不同廠家家生產(chǎn)的的機(jī)器人人所用的的語言系系統(tǒng)不同同，是離離線編程程系統(tǒng)的的通信接接口的通通用性受受到限制制。誤差的校校正：離線編程程系統(tǒng)中中的仿真真模型與與實(shí)際機(jī)機(jī)器人模模型存在在誤差，，需要對對這些誤誤差進(jìn)行行校正。。誤差源：：機(jī)器人人連桿制制造誤差差、傳動動間隙、、機(jī)器人人剛度不不足、相相同型號號機(jī)器人人的不一一致性、、控制器器的數(shù)字字精度、、溫度等等外部環(huán)環(huán)境的影影響可增加標(biāo)標(biāo)定模塊塊及傳感感器補(bǔ)償償86第二節(jié)弧弧焊機(jī)機(jī)器人離離線編程程技術(shù)關(guān)節(jié)級（JointLevel）例如：將將關(guān)節(jié)節(jié)4向正正方向移移動30度執(zhí)行級（ManipulatorLevel）例如：將將焊槍沿沿X軸反方向向移動100毫毫米對象級（ObjectLevel））例如：將將焊縫5變換到到15度度上坡焊焊位置任務(wù)級（TaskLevel）例如：焊焊接焊縫縫3弧焊機(jī)器器人離線線編程系系統(tǒng)的分分類87第二節(jié)弧弧焊機(jī)機(jī)器人離離線編程程技術(shù)3、執(zhí)行行級弧焊焊機(jī)器人人離線編編程系統(tǒng)統(tǒng)（哈工工大田勁勁松等人人）開發(fā)方式式：在高性能能PC機(jī)和AutoCAD2000平臺上，，運(yùn)用其其開發(fā)工工具———ObjectARX進(jìn)行二二次開開發(fā)。?？傮w結(jié)結(jié)構(gòu)：：ARX程序建模模塊運(yùn)動仿真路徑模塊編程模塊圖形示教程序轉(zhuǎn)換碰撞檢測標(biāo)定模塊AutoCAD2000用戶界面動畫生成程序上載88第二節(jié)節(jié)弧弧焊機(jī)機(jī)器人人離線線編程程技術(shù)術(shù)建模模模塊：：離線編編程系系統(tǒng)中中的建建模模模塊要要完成成以下下幾個個方面面的任任務(wù)：：部件建建模；；設(shè)備建建模；；工作單單元設(shè)設(shè)計(jì)和和布置置。工作單單元由由機(jī)器器人設(shè)設(shè)備和和變位位機(jī)設(shè)設(shè)備以以及環(huán)環(huán)境物物組成成，而而設(shè)備備又由由不同同數(shù)目目的部部件組組成，，部件件和部部件之之間由由各種種關(guān)節(jié)節(jié)聯(lián)接接或直直接連連接。。89第二節(jié)節(jié)弧弧焊機(jī)機(jī)器人人離線線編程程技術(shù)術(shù)建立的的工作作單元元實(shí)例例部件裝裝配成成設(shè)備備的流流程圖圖90第二節(jié)節(jié)弧弧焊機(jī)機(jī)器人人離線線編程程技術(shù)術(shù)路徑模模塊：：首先引引入標(biāo)簽點(diǎn)點(diǎn)（TagPoint）的概念念。在在離線線編程程系統(tǒng)統(tǒng)中，，標(biāo)簽簽點(diǎn)是是一個個以笛笛卡爾爾坐標(biāo)標(biāo)系圖圖形為為基礎(chǔ)礎(chǔ)的對對象，，其圖圖形表表征了了機(jī)器器人運(yùn)運(yùn)動中中的工工具坐坐標(biāo)系系的位位姿，，其內(nèi)內(nèi)部還還可記記錄著著該點(diǎn)點(diǎn)的焊焊接工工藝參參數(shù)。。標(biāo)簽簽點(diǎn)圖圖形是是由三三個互互相垂垂直的的一定定長度度直線線、標(biāo)標(biāo)簽點(diǎn)點(diǎn)名稱稱以及及X、Y、Z字符組組成，，不隨隨用戶戶觀察察視點(diǎn)點(diǎn)變化化，便便于用用戶觀觀察與與利用用。路徑（Path））是一系系列標(biāo)標(biāo)簽點(diǎn)點(diǎn)的集集合。。路徑徑分為為普通通路徑徑和焊焊接路路徑，，普通通路徑徑只記記錄機(jī)機(jī)器人人運(yùn)動動過程程，而而在焊焊接路路徑中中，標(biāo)標(biāo)簽點(diǎn)點(diǎn)還要要記錄錄其性性質(zhì)如如起弧弧點(diǎn)、、熄弧弧點(diǎn)等等，以以及焊焊接參參數(shù)。。一條條路徑徑必須須屬于于某個個部件件。91第二節(jié)節(jié)弧弧焊機(jī)機(jī)器人人離線線編程程技術(shù)術(shù)路徑功功能是是離線線編程程的一一大特特點(diǎn)，，使得得機(jī)器器人工工具的的運(yùn)動動過程程能可可視的的記錄錄下來來，以以便于于用戶戶的編編輯，，也可可保存存相應(yīng)應(yīng)位置置點(diǎn)的的工藝藝參數(shù)數(shù)。用用戶可可以利利用提提供的的命令令對單單個標(biāo)標(biāo)簽點(diǎn)點(diǎn)或整整條路路徑進(jìn)進(jìn)行修修改，，從而而改變變機(jī)器器人工工具的的運(yùn)動動過程程或焊焊接參參數(shù)，，這要要比示示教編編程的的方便便得多多。由由于路路徑屬屬于部部件，，所以以路徑徑將與與部件件一起起運(yùn)動動。這這樣，，當(dāng)工工件重重新裝裝夾或或變位位機(jī)運(yùn)運(yùn)動時時，用用戶以以前的的工作作將隨隨路徑徑被一一起保保留下下來，，而避避免了了示教教方式式所需需的重重新示示教操操作。。因此此，路路徑功功能使使離線線編程程的效效率比比示教教編程程的效效率高高得多多。平焊上坡焊焊92第二節(jié)節(jié)弧弧焊機(jī)機(jī)器人人離線線編程程技術(shù)術(shù)編程模模塊：：為了用用語言言描述述機(jī)器器人工工作單單元的的工作作過程程，本本文定定義了了機(jī)器器人執(zhí)執(zhí)行級級離線線編程程語言言（MOPL））。MOPL是一種種解釋釋性的的語言言，可可對系系統(tǒng)圖圖形進(jìn)進(jìn)行實(shí)實(shí)時操操作。。利用用MOPL中的命命令書書寫程程序，，便可可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)機(jī)器器人工工作單單元的的離線線編程程。ProgramStart，，編程開開始$Device，，指定當(dāng)當(dāng)前設(shè)設(shè)備$Motype，，指定當(dāng)當(dāng)前運(yùn)運(yùn)動類類型$Speed，指定當(dāng)當(dāng)前運(yùn)運(yùn)動速速度MoveTo，，工具移移動到到某一一標(biāo)簽簽點(diǎn)MoveHome，，設(shè)備移移動到到零位位MoveJoint，移動設(shè)設(shè)備的的某個個關(guān)節(jié)節(jié)MoveJoints，，移動設(shè)設(shè)備的的多個個關(guān)節(jié)節(jié)MoveAlong，工具沿沿某條條路徑徑移動動MoveVi

OrientTag，變位機(jī)標(biāo)簽點(diǎn)

MoveRelative，工具以笛卡爾方式相對移動//，注釋語句執(zhí)行級級離線線編程程器93第二節(jié)節(jié)弧弧焊機(jī)機(jī)器人人離線線編程程技術(shù)術(shù)程序?qū)崒?shí)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)弧弧焊機(jī)器人人離線編程程技術(shù)程序轉(zhuǎn)換模模塊：通過離線編編程器編制制的MOPL程序只能在在離線編程程系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)進(jìn)行仿真，，不能直接接下載給機(jī)機(jī)器人。而而且各種機(jī)機(jī)器人接受受的機(jī)器人人語言各不不相同，因因此需要將將MOPL文件轉(zhuǎn)換為為特定機(jī)器器人可接受受的程序。。MOPL程序程序轉(zhuǎn)換模模塊特定的機(jī)器人程序程序轉(zhuǎn)換模模塊的作用用95第二節(jié)弧弧焊機(jī)器人人離線編程程技術(shù)自定義的九九自由度機(jī)機(jī)器人程序序的基本格2ASX引弧標(biāo)志及及焊接參數(shù)數(shù)設(shè)定AE熄弧標(biāo)志END程序結(jié)束標(biāo)標(biāo)志序號運(yùn)動方式代代碼機(jī)器人關(guān)節(jié)節(jié)角變位機(jī)關(guān)節(jié)節(jié)角機(jī)器人速度度變位位機(jī)機(jī)時時間間96第二二節(jié)節(jié)弧弧焊焊機(jī)機(jī)器器人人離離線線編編程程技技術(shù)術(shù)MOPL文件機(jī)器人類型機(jī)器人程序進(jìn)度顯示程序序轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器結(jié)構(gòu)構(gòu)程序序轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器的的界界面面97第二二節(jié)節(jié)弧弧焊焊機(jī)機(jī)器器人人離離線線編編程程技技術(shù)術(shù)機(jī)器器人人程程序序轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換實(shí)實(shí)例例98第二二節(jié)節(jié)弧弧焊焊機(jī)機(jī)器器人人離離線線編編程程技技術(shù)術(shù)碰撞撞檢檢測測模模塊塊：：碰撞撞檢檢測測是是機(jī)機(jī)器器人人離離線線編編程程系系統(tǒng)統(tǒng)的的必必要要功功能能之之一一。。在在CAD技術(shù)術(shù)中中，，碰碰撞撞檢檢測測也也稱稱為為實(shí)實(shí)體體求求交交。。在機(jī)機(jī)器器人人工工作作單單元元中中，，有有眾眾多多個個部部件件，，如如果果每每兩兩個個部部件件之之間間都都進(jìn)進(jìn)行行碰碰撞撞檢檢測測，，則則每每一一步步碰碰撞撞檢檢測測將將花花費(fèi)費(fèi)相相當(dāng)當(dāng)長長的的時時間間。。為為了了解解決決這這一一問問題題，，需需要要用用戶戶根根據(jù)據(jù)自自己己的的知知識識判判斷斷可可能能發(fā)發(fā)生生碰碰撞撞的的部部件件。。因因此此，，需需要要提提供供一一種種記記錄錄用用戶戶指指定定的的可可能能發(fā)發(fā)生生碰碰撞撞的的部部件件的的功功能能。。該該功功能能也也稱稱為為碰碰撞撞檢檢測測列列表表。。碰撞撞檢檢測測列列表表的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)碰撞撞檢檢測測列列表表對對話話框框99第二二節(jié)節(jié)弧弧焊焊機(jī)機(jī)器器人人離離線線編編程程技技術(shù)術(shù)碰撞撞檢檢測測結(jié)結(jié)果果焊槍槍與與100第二二節(jié)節(jié)弧弧焊焊機(jī)機(jī)器器人人離離線線編編程程技技術(shù)術(shù)4、、任任務(wù)務(wù)級級弧弧焊焊機(jī)機(jī)器器人人離離線線編編程程系系統(tǒng)統(tǒng)（（哈哈工工大大田田勁勁松松等等人人））近年年來來，，機(jī)機(jī)器器人人離離線