焊接机器人课件.ppt
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1、0机器人焊接技术整体概述概述二点击此处输入相关文本内容概述一点击此处输入相关文本内容概述三点击此处输入相关文本内容2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3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。2020世纪7070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
2、生了质的飞跃,焊接质量及效率得到显著提高。4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。5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
3、提高,保证其均一性;提高生产率,一天可2424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Karel Capek的科幻剧Rossums Universal Robots(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”(
4、捷克语),含义为:forced worker(奴隶)。英语:Robot 德语:Robot 日语:俄语:汉字:机器人 Karel CapekKarel Capek(1890189019381938)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 The Webster dictionary(Webster,1993):“An automatic device that performs functions normally ascribed to humans or a machine in the form of a human.”一个自动化设备,它能执行通常由人执行的任务;或一个人
5、型的机器 美国机器人学会(The Robot Institute of America,1979):“A reprogrammable,multifunctional manipulator designed to move materials,parts,tools,or specialized devices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks.”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
6、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19541954年,美国人G.Devol G.Devol 和J.EnglebergerJ.Engleberger设计了一台可编程的机器人19611961年,他们生产了世界上第一台工业机器人“Unimates”“Unimates”,并获得了专利19621962年,Engleberger Engleberger 成立了UnimationUnimation公司,他被称为“机器人之父”日本从上世纪7070年代中后期开始开发工业机器人,1515年后就成为产量最多、应用最广的世界工业机器人“王国”。Unimate
7、s 机器人10二、工业机器人的发展及现状20002000年,统计数据表明,全世界工业机器人总量为757,000757,000台,其中 日本,402,200402,200台 美国,92,900 92,900台 德国,81,200 81,200台 新加坡,5,3005,300台 台湾,6,400 6,400台这些机器人中4545为焊接机器人(点焊、弧焊)我国大陆地区工业机器人用户700700多家,拥有工业机器人约35003500台,其中焊接机器人约10001000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,19961996年我国焊接机器人仅为500500台,目前以每年3030以
8、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:MotomanMotoman、OTCOTC、PanasonicPanasonic、FANUCFANUC等美国:AdeptAdept等欧洲:奥地利IGMIGM、德国CLOOSCLOOS、KUKAKUKA、瑞典ABBABB韩国:HYUNDAIHYUNDAI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
9、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(PTPPTP)型,Point to Point,Point to Point,如点焊、搬运机器人 连续轨迹控制(CPCP)型,Continous PathContinous Path,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
10、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 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(degree of freedomdegree of freedom,DOF 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 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
11、人一般具有5 56 6个自由度位姿(PosePose),指工具的位置和姿态。末端操作器(End EffectorEnd Effector),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(PayloadPayload),也称为持重弧焊机器人:5 52020kgkg点焊机器人:5050200200kgkg23三、工业机器人常用术语工作空间(Working SpaceWorking Space),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(Pose RepeatabilityPose Repeatability),在同一条件下,重复N N次所测得的位姿一致
12、程度。轨迹重复精度(Path RepeatabilityPath Repeatability),沿同一轨迹跟随N 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
13、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31列向量表示。称为位置矢量xAyzppppAxAyAz(,)xyzp pppApO27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33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。111213212223313233ABrrr
14、RrrrrrrAAAABBBBRxyz28第一节 位置和方位的表示按照上述定义,绕 x 轴旋转了 角的旋转矩阵,为100(,)0cossin0sincosR x()ABxxAyAzOByBz同样也可以写出R(y,),R(z,)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
15、位置和姿态可由坐标系B来描述:,OAABBBRpABR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:AABBpR p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,OAABABBpR pp32第二节 坐标变换 4 4、齐次坐标变换用4 41
16、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:110001OAAABBBRpppApBpAABBpTp33第二节 坐标变换0001OAABBABRpT称为齐次变换矩阵300()(,)000010001OOAABBAABBIpRTTranspRot k34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,
17、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 1关节2 2关节3 3关节4 4关节5 5关节6 6连杆0 0连杆1 1连杆2 2连杆3 3连杆4 4连杆5 5连杆6 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1i37第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系2
18、、连杆连接参数(1)连杆之间的距离diai ,ai-1 之间的距离(2)关节角ai ,ai-1 之间的夹角,方向为从 ai-1 到 ai i连杆i-1轴i-1轴ii-1a1iiaiid连杆i38第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系 以上定义为一般情况,对运动链的两端,有一些习惯约定:0na=a=000n 如果关节1为转动关节,则 1是可变的,习惯上约定d1=0 如果关节1为移动关节,则d1是可变的,习惯上约定 1=0 这些约定同样适用于关节n 所以,每个连杆可以由四个参数 来描述,其中描述的为连杆i-1本身的性质,描述的为连杆i-1 和连杆i之间的关系。i-1i-1iia,d,i-1i-1a,i
19、id,当机器人的连杆链制作完成后,如果为转动关节,i 为变量,若为移动关节,则di 为变量,其余参数为常量。所以对于一个6自由度机器人,用18个参数描述其固定部分,用6个关节变量描述其变动部分,这种描述方法成为D-H法。(Denavit 和 Hartenberg提出的)39第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系3、连杆坐标系为了确定各连杆之间的相对运动关系,在各连杆上分别建立一个坐标系。与机座固接的坐标系记为0,与连杆 i 固接的坐标系记为i坐标系i1的建立过程:zi-1与轴i-1重合,一般指向关节i-1 xi-1与ai-1重合,指向关节i yi-1按右手法则确定,yi-1=zi-1xi-1 原点
20、取在轴i-1与ai-1交点上连杆i-1轴i-1轴ii-1a1iiaiid连杆i1ix1iy1iz1ioixiyizio40第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系对于基坐标系0,一般约定当关节1变量为零时,0与1重合对于末端连杆坐标系n,也约定,当关节n-1为零时,n与n-1重合 连杆参数在坐标系中的含义:连杆i-1轴i-1轴ii-1a1iiaiid连杆i1ix1iy1iz1ioixiyizioi-1i-1ii-1a zzx到 沿的距离i-1i-1ii-1 zzx到 绕的转角ii-1iid xxz到 沿 的距离ii-1ii xxz到 绕 的转角41第四节 连杆坐标变换及运动学方程在各连杆上建立坐标系
21、之后,可以进行连杆坐标系之间的变换。i到i-1的变换矩阵用 表示。根据连杆坐标系的定义,i到i-1的变换如下:先假设i与i-1重合i-1iTi-1i-1(1)x绕旋转i-1i-12 xa()沿平移i-1i(3)z绕旋转i-1i4 zd()沿平移得到坐标系ii-1ii-1i-1iiT=Rot(x,)Trans(x,a)Rot(z,)Trans(z,d)42第四节 连杆坐标变换及运动学方程iii-1ii-1ii-1i-1ii-1ii-1ii-1i-1ii-1cos-sin0asin coscos sin-sin-d cossin sincos sincosd cos0001i-1iT=这就是连杆坐
22、标系之间的转换矩阵,机器人制作完成后,每个关节只有一个变量,对于转动关节对于移动关节i-1iiT=f()di-1iiT=f()43第四节 连杆坐标变换及运动学方程 将个连杆变换矩阵相乘,可得001n-1n12ni=()i=1,2nT=T TT f 这就是机器人的运动学方程,描述的是末端连杆(工具)相对于基坐标系之间的变换矩阵与关节变量的之间的关系。如果通过传感器获得各关节变量的值,就可以确定机器人末端连杆上工具的位置和姿态。这样就解决了机器人的正运动学问题。44第五节 运动学逆问题的相关问题 运动学方程001n-1n12ni=()i=1,2nT=T TT f 对于机器人运动学逆问题,即已知末端
23、位姿,求各关节变量值,也就是已知 求 (求运动学方程的根)在运动学方程两端左乘 ,对于6自由度机器人,有0nTi0-11()T0-10123451623456()TT=T T T T T123456()(,)g=f 求解时,一般不是联立求解12个方程,而是找出方程右端的常数项,令其与左端相应项相等,即找出仅含有1 1 的方程,求出1 1 将1 1 代入上面方程中,利用同样方法,可以依次求出2 23 34 4 5 56 6 求解时,需要直觉观察与经验,也可以采用数值解法(复杂)。45第五节 运动学逆问题的相关问题 1、解的存在性和工作空间 指机器人能否到达所指定的位姿。例如,对于平面2R机械手,
24、可直观地写出其运动学方程1121211212coscos()sinsin()xllyll 运动学逆问题:12 x,y)已知(,求121l2lxyp()x,y46第五节 运动学逆问题的相关问题 p点在圆环内有解 通常将解存在的区域称为机器人的工作空间。分为2类:灵活工作空间,工具能以任意姿态到达的目标点集合;可达工作空间,机器人工具至少能以一个姿态到达的目标点集合。对于本例,灵活工作空间只有一个点。121l2lxyp()x,y12ll12-l l 如果末端再增加一个转动关节,则灵活空间会变大。即自由度增多,机器人变灵活。47第五节 运动学逆问题的相关问题 2、解的唯一性和最优解 随着自由度的增多
25、,运动学方程的解越多,即达到空间某一位姿,各关节变量可以有多种不同的组合。如3R机械手当前的位姿,有两组解。p()x,y 对于6自由度机器人,解的数量最多可达16个。右图为PUMA560机器人,工具在当前位姿条件下,具有8组解。48第五节 运动学逆问题的相关问题 如何选取?避免碰撞;最短行程;多动小关节,少动大关节;机器人动力学:运动与受力之间的关系 正问题:根据关节驱动力矩,计算操作臂的运动(位移、速度、加速度);逆问题:已知机器人运动轨迹对应的位移、速度、加速度,求所需每个关节的驱动力矩;49机器人驱动与控制技术第一节 驱动电机第二节 位置控制50第一节 驱动电机 电动机是机器人驱动系统中
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