焊接機(jī)器人　

1、1 概述 概述 1 ． 1 新一代自動(dòng)焊接的手段 新一代自動(dòng)焊接的手段 工業(yè)機(jī)器人作為現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志之一和新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)， 已為世人所認(rèn)同。并正對現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域以至人們的生活產(chǎn)生了重要影響。從 1962 年美國推出世界上第一臺(tái) Unimate 型和 Versatra 型工業(yè)機(jī)器人以來，根據(jù)國際機(jī)器人協(xié)會(huì)截止到 1996 年底的統(tǒng)計(jì)，先后已有 84 萬臺(tái)，現(xiàn)有大約 68 萬臺(tái)工業(yè)機(jī)器人服役于世界各國的工業(yè)界。預(yù)計(jì)到

2、 2000 年，工業(yè)機(jī)器人總數(shù)將超過 95 萬臺(tái)。我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展起步較晚，但從 20 世紀(jì) 80 年代以來進(jìn)展較快， 1985 年研制成功華字型弧焊機(jī)器人， 1987 年研制成功上海 1 號(hào)、 2 號(hào)弧焊機(jī)器人， 1987 年又研制成功華字型點(diǎn)焊機(jī)器人，都已初步商品化，可小批量生產(chǎn)。 1989 年，我國以國產(chǎn)機(jī)器人為主的汽車焊接生產(chǎn)線的投入生產(chǎn)，標(biāo)志著我國工業(yè)機(jī)器人實(shí)用階段的開始。焊接機(jī)器人是應(yīng)用最廣泛的一類工業(yè)機(jī)器

3、人，在各國機(jī)器人應(yīng)用比例中大約占總數(shù)的 40 ％～ 60 ％。我國目前大約有 600 臺(tái)以上的點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人用于實(shí)際生產(chǎn)。采用機(jī)器人焊接是焊接自動(dòng)化的革命性進(jìn)步，它突破了傳統(tǒng)的焊接剛性自動(dòng)化方式，開拓了一種柔性自動(dòng)化新方式。剛性自動(dòng)化焊接設(shè)備一般都是專用的，通常用于中、大批量焊接產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)，因而在中、小批量產(chǎn)品焊接生產(chǎn)中，焊條電弧焊仍是主要焊接方式，焊接機(jī)器人使小批量產(chǎn)品的自動(dòng)化焊接生產(chǎn)成為可能。就目前的示教再現(xiàn)型焊接機(jī)

4、器人而言，焊接機(jī)器人完成一項(xiàng)焊接任務(wù)，只需人給它做一次示教，它即可精確地再現(xiàn)示教的每一步操作，如要機(jī)器人去做另一項(xiàng)工作，無須改變?nèi)魏斡布?，只要對它再做一次示教即可。因此，在一條焊接機(jī)器人生產(chǎn)線上，可同時(shí)自動(dòng)生產(chǎn)若干種焊件。焊接機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)如下：1) 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；2) 提高生產(chǎn)率，一天可 24h 連續(xù)生產(chǎn)；3) 改善工人勞動(dòng)條件，可在有害環(huán)境下長期工作：4) 降低對工人操作技術(shù)難度的要求；5) 縮短

5、產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資；6) 可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品焊接自動(dòng)化；7) 為焊接柔性生產(chǎn)線提供技術(shù)基礎(chǔ)。 1 ． 2 工業(yè)機(jī)器人定義和分代概念 工業(yè)機(jī)器人定義和分代概念 關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的定義尚未統(tǒng)一，目前聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采用的美國機(jī)器人協(xié)會(huì)的定義如下：工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程和多功能的、用來搬運(yùn)物料、零件、工具的機(jī)械手，或能執(zhí)行不同任務(wù)而具有可改變的和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)，這個(gè)定義不能概括工業(yè)機(jī)器人的今后發(fā)展，但可說明目

6、前工業(yè)機(jī)器人的主要特點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展大致可分為三代。第一代機(jī)器人，即目前廣泛使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，這類機(jī)器人對環(huán)境的變化沒有應(yīng)變或適應(yīng)能力。第二代機(jī)器人，即在示教再現(xiàn)機(jī)器人上加感覺系統(tǒng)，如視覺、力覺、觸覺等。它具有對環(huán)境變化的適應(yīng)能力， 目前已有部分傳感機(jī)器人投入實(shí)際應(yīng)用。第三代機(jī)器人，即智能機(jī)器人，它能以一定方式理解人的命令，感知周圍的環(huán)境、識(shí)別操作的對象，并自行規(guī)劃操作順序以完成賦予的任務(wù)，這種機(jī)器人更接近人的某些智能行

7、為。目前尚處實(shí)驗(yàn)室研究階段。 1 ． 3 工業(yè)機(jī)器人主要名詞術(shù)語 工業(yè)機(jī)器人主要名詞術(shù)語 圖 1 工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)控制器是機(jī)器人的神經(jīng)中樞。它由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和一些專用電路構(gòu)成，其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機(jī)器人專用語言、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)軟件、機(jī)器人控制軟件、機(jī)器人自診斷、白保護(hù)功能軟件等，它處理機(jī)器人工作過程中的全部信息和控制其全部動(dòng)作。示教系統(tǒng)是機(jī)器人與人的交互接口，在示教過程中它將控制機(jī)器人的全部動(dòng)作，并將其全部信

8、息送入控制器的存儲(chǔ)器中，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)專用的智能終端。(2) 機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)學(xué) 機(jī)器人的機(jī)械臂是由數(shù)個(gè)剛性桿體由旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)的關(guān)節(jié)串連而成，是一個(gè)開環(huán)關(guān)節(jié)鏈，開鏈的一端固接在基座上，另一端是自由的，安裝著末端操作器 ( 如焊槍 ) ，在機(jī)器人操作時(shí)，機(jī)器人手臂前端的末端操作器必須與被加工工件處于相適應(yīng)的位置和姿態(tài)，而這些位置和姿態(tài)是由若干個(gè)臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)所合成的。因此，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中，必須要知道機(jī)械臂各關(guān)節(jié)變量空間和末端操作器的位

9、置和姿態(tài)之間的關(guān)系，這就是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。一臺(tái)機(jī)器人機(jī)械臂幾何結(jié)構(gòu)確定后，其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型即可確定，這是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)。機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)中有兩個(gè)基本問題。1) 對給定機(jī)械臂，己知各關(guān)節(jié)角矢量 g(f)=[gl(t) ，g2(t) ，...... gn(i)] '，其中 n 為自由度。求末端操作器相對于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，稱之為運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題。在機(jī)器人示教過程中。機(jī)器人控制器即逐點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題運(yùn)算。2)

10、 對給定機(jī)械臂，已知末端操作器在參考坐標(biāo)系中的期望位置和姿態(tài)，求各關(guān)節(jié)矢量，稱之為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題。在機(jī)器人再現(xiàn)過程中，機(jī)器人控制器即逐點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題運(yùn)算，將角矢量分解到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)。 運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題的運(yùn)算都采用 D-H 法，這種方法采用 4X4 齊次變換矩陣來描述兩個(gè)相鄰剛體桿件的空間關(guān)系，把正問題簡化為尋求等價(jià)的 4X4 齊次變換矩陣。逆問題的運(yùn)算可用幾種方法求解，最常用的是矩陣代數(shù)、迭代或幾何方法 ob 在此不作具體介紹，可

11、參考文獻(xiàn) [1]。 對于高速、高精度機(jī)器人，還必須建立動(dòng)力學(xué)模型， 由于目前通用的工業(yè)機(jī)器人 ( 包括焊接機(jī)器人 ) 最大的運(yùn)動(dòng)速度都在 3m ／ s 內(nèi)，精度都不高于 O.1mm ，所以都只做簡單的動(dòng)力學(xué)控制，動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)正 [1 ～ 3] 。(3) 機(jī)器人軌跡規(guī)劃 機(jī)器人機(jī)械手端部從起點(diǎn) ( 包括，位置和姿態(tài) ) 到終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡空間曲線叫路徑，軌跡規(guī)劃的任務(wù)是用一種函數(shù)來“內(nèi)插”或“逼近”給定的