第二章焊接机器人示教.doc

第二章第二章 焊接机器人焊接机器人 焊接机器人最早只在点焊中得到应用，80 年初，随着计算机技术、传感器技术的发展， 弧焊机器人逐渐得到普及，特别是近十几年来由于世界范围内经济的高速发展，市场的激 烈竞争使那些用于中、大批量生产的焊接自动化专机已不能适应小规模、多品种的生产模 式逐渐被具有柔性的焊接机器人代替，焊接机器人得到了巨大的发展，焊接已成为工业机 器人应用最大的领域之一，焊接机器人在汽车、摩托车、工程机械等领域都得到了广泛的 应用。目前世界拥有的 80 余万台工业机器人中，用于焊接的机器人可达 40%以上。 21 适用于机器人的焊接方法适用于机器人的焊接方法 熔化极： CO2气体保护焊 熔化极活性气体保护焊（MAG） 熔化极惰性气体保护焊（MIG） 非熔化极： 钨极惰性气体保护焊 等离子弧焊接与切割 激光焊接与切割 钎焊 火焰切割 点焊 在上面的焊接方法中，90%以上的机器人用于熔化极气体保护焊和点焊，进年来随着 激光焊接与切割设备价格的降低，机器人在激光焊接与切割领域的应用数量在逐年增加。 2.1 机器人焊接的特点机器人焊接的特点 2.1.1 优点优点 A. 自动焊接 (1) 焊枪不会振动，焊接速度不会改变，能得到均匀、漂亮的焊缝。 (2) 操作人员能远离噪音或高温区进行行业。 (3) 由于焊接条件是恒定的，所以能提高焊接质量。 B. 焊接条件具有重复性 (1) 不管什么时候，谁来作业或在什么地方都能焊接成相同的产品。 (2) 在机器人上编制焊接工人所掌握的焊接条件之后，即便是新手也能进行高质 量的焊接。 (3) 能重复使用曾经用过的焊接条件，(而在半自动焊接时,由于经常要调整遥控盒 上的旋钮，所以缺乏重复性)。 C. 降低生产成本 (1) 能缩短生产节拍，所以能提高产量。 (2) 使用临时工就能完成焊接作业，所以减少了人工费用。 (3) 不浪费焊接材料，能节约消耗品。 D. 使用机器人带来的效益 (1) 生产节拍明确，容易进行生产管理。 (2) 能实现无人运行,机器人不会发牢骚。 (3) 能提高企业的形象。 32 机器人焊接的特点 机器人是由计算机控制的、具有高度柔性的可编程自动化装置，因此利用机器人焊接 具有以下特点： （1）机器人能适应产品多样化，有柔性，在一条生产线上可以混流生产若干种类型产 品。同时对于生产量的变动和型号的更改，能迅速的改进生产线的编组更替，这是专用的 自动化生产线不能比拟的，能发挥投资的长期效果。 （2）使用机器人焊接，可提高产品质量。为了使焊接作业机器人化，需要改变装配方 法和加工工序，所以要提高诸如供给设备的零件、夹具、搬运工具等的精度，这些关系到 产品的精度和焊接质量的提高，机器人化的结果，可得到稳定的高质量产品。 （3）使用机器人焊接可提高生产率。机器人的作业效率，不随作业者变动，可以稳定 生产计划，从而提高生产率。 212 机器人焊接时的主要注意事项机器人焊接时的主要注意事项 A. 必须进行示教作业(注 1) 在机器人进行自动焊接前，操作人员必须示教机器人焊枪的轨迹和设定焊接条 件等。 由于必须示教，所以机器人不面向多品种少量生产的产品焊接(注 2) B. 必须确保工件的精度(注 3) 机器人没有眼睛，只能重复相同的动作。 机器人轨迹精度为0.1mm，以此精度重复相同的动作。 焊接偏差大于焊丝半径时，有可能焊接不好，所以工件精度应保持在焊丝半径 之内。 C. 焊接条件的设定取决于示教作业人员的技术水平 操作人员进行示教时必须输入焊接程序，焊枪姿态和角度，电流、电压、速度 等焊接条件。 示教操作人员必须充分掌握焊接知识和焊接技巧。 D. 必须充分注意安全 机器人是一种高速的运动设备，在其进行自动运行时绝对不允许人靠近机器人(必 须设置安全护栏)。 操作人员必须接受劳动安全方面的专门教育，否则不准操作。 22 焊接机器人的性能要求焊接机器人的性能要求 221 弧焊机器人的性能要求弧焊机器人的性能要求 在弧焊作业中，要求焊枪跟踪工件焊道运动，并不断填充金属形成焊缝，因此运动过 程中速度的稳定性和轨道精度是两项重要的指标。一般情况下，焊接速度可取 550mm/s，轨道精度可取0205mm。由于焊枪的姿态对焊缝质量也有一定的影响， 因此希望在根踪焊道的同时，焊枪姿态的可调范围尽量大，还有其它一些性能要求，如摆 动功能、焊接传感器（起始点检测、焊缝跟踪）的接口功能、焊枪防碰功能等。 1 焊接规范的设定。起弧、收弧参数。 2 摆动功能。摆动频率、摆幅、摆动类型的设定。 3 焊接传感器。起始点检测、焊缝跟踪传感器的接口功能。 4 焊枪防碰功能。当焊枪受到不正常的阻力时，机器人停机，避免操作者和工具受 到损坏。 5 多层焊功能。应用该功能可以在第一层焊接示教完成后，实现其余各层的自动编 程。 6 再引弧功能。引弧失败后，自动重试。因此消除了焊接异常（引弧失败）发生时 引起的作业中断，最大限度避免了因此而引起的全线停车。 7 焊枪校正功能。焊枪与工件发生碰撞时，可通过简单操作进行校正。 8 粘丝自动解除功能。焊接终了时如果检测出焊丝粘丝，则自动再通电解除粘丝， 因此不必手工剪断焊丝。 9 断弧再启动功能。出现断弧时，机器人会按照指定的搭接量返回重新引弧焊接。 因此无须补焊作业。 222 点焊机器人的性能要求点焊机器人的性能要求 对于点焊机器人运动速度是一个重要指标，要求能够快速完成小节距的多点定位（例 如每 0.3-0.4 秒移动 30-50mm 节距后定位）;为确保焊接质量，定位精度要求较高（一般为 025mm）;并具有较大的持重（50100Kg） ，以便携带内装变压器的焊钳。 23 机器人选择方法机器人选择方法 1 机器人的结构类型的确定 机器人类型的选择主要取决于机器人的目标作业类型，如汽车底盘的点焊用四自由度 的点焊机器人就够了，复杂工件的焊接一般需要六自由度机器人。 2 手腕的容许载荷 选择机器人时首先要考虑机器人的最大承载能力，如对于 OTC 公司生产的 DR-4000 机器人其最大承载能力为 6 公斤，如下图表示。当安装标准焊枪时不会产生任何问题，但 当用于搬运或其它类似的目的时，还应保证各腕部轴所承受的扭矩和转动惯量满足手册中 规定的要求。 3 动作范围的确定 机器人的种类确定后，还要检查其动作范围是否满足作业的要求。机器人的动作范围 一般指腕部轴的回转中心（P 点）的动作范围。如图所示 DR-4000 机器人的动作范围。在 实际作业时由于装有焊接工具，其作业范围将发生变化，因而需要进一步对其作业范围进 行确认。 使用焊接机器人应注意的几个问题使用焊接机器人应注意的几个问题 24 如何导入焊接机器人如何导入焊接机器人 焊接机器人的应用技术是机器人技术、焊接技术和系统工程技术的融合。国内在引 用焊接机器人应用工程方面走过了一段曲折的道路，机器人的运行情况不尽人意，分析其 原因主要存在以下问题： 1 机器人及周边设备选型不合理，系统配置不全或不当。 2 对国内人员的培训没有跟上，没有完全掌握设备的性能和使用方法。 3 缺乏足够的售前、售中技术支持和良好的售后服务。 4 机器人操作、维护人员不能相对固定或人员流失。 5 国外系统不适合国内工艺现状。 1明确导入机器人的目的： 1 技术工人和熟练工人不足 2 使工人从危险作业环境中解脱出来（高温、搬送重物等） 3 提高和稳定产品质量 4 提高劳动生产率（省人、省力） 5 其他（生产管理的要求，提高企业形象等） 。 机器人导入目的的不同，机器人的选择、机器人化的实现范围以及经济的评价（投资额） 亦不同。 选择焊接工件： 1 机器人适于的工件：多品种、中等批量。 2 高质量的工件，工件的一致性误差控制在一定范围，因此首先应从技术上易于实现的 对象进行，然后分步逐步解决。 确定方案 项目承揽方在对用户原有生产线充分考察的基础上，根据用户提出的要求及工件的特点， 提出初步方案（一般两、三种） ，并与用户充分讨论，确定最终方案。 讨论的内容包括： 1 工件的分析，包括：材料、结构、图纸、实物、技术要求分析。 2 前道工序的质量确认及分析 3 工艺条件及工艺参数初步分析 4 工艺路线划分确定 5 焊接节拍和生产节拍分析 6 机器人选型和系统配置 7 周边设备及夹具方案确定 8 设备布局与物流 9 经济评估 10 方案评价（是否符合综合性的省力、自动化的方向，是否符合规格化、标准化的方 针，是否适应产品更新换代的要求，安全性可维护性等） 工程设计 项目承揽方对确定的方案进行进一步的设计，包括系统的配置选型，周边装置、夹具设 计，控制系统的设计，焊接工艺的制定等，在该过程中双方互相勾通，发现问题及时解决。 工程实施 机器人、周边设备及其配套设施的安装、调试运行，以及组织管理和人员培训。 后期维护 是致关重要的一个环节，也是用户最关心的，如果后期维护跟不上，将影响整个生 产线的运行。目前国内机器人工程使用效果不好，这也是一个主要原因。主要在于： 1 国外直接供货的设备服务跟不上，不论是售后服务的及时性，服务的质量，解决问 题的彻底性都比较差。 2 国内代理的短期行为，只管自己挣钱，不考虑用户使用的好坏。 3 培训人员由于语言的障碍，技术难度的障碍，没有真正掌握设备的特性。 4 培训人员的流失或责任心不强。 沈阳自动化研究所做为机器人技术国家研究中心，做为日本 OTC 公司、安川电机和 德国 reis 公司的技术服务中心，在承担机器人应用工程时，采取如下措施： 1 建立专门的生产服务负责人，负责到底，直到用户满意。 2 国外进口设备建立备品、备件库以保证系统维护的及时性。 3 国内任何地区承诺 48 小时到现场。 4 用户人员无限期培训，直到会用为止。 5 实行有效期保修服务 6 长期服务 在质量第一，用户至上，精心设计制造，保持一流水平的我所质量方针的指导下，沈阳 自动化研究所机器人工程部将竭诚为广大用户服务，与广大用户一起推动我国机器人技术 产业化进程。 各种焊接机器人的系统构成及周边装置各种焊接机器人的系统构成及周边装置 焊接机器人的周边装置主要包括焊接变位机、移动滑台、回转工作台、焊枪清理装 置等。 焊接变位机 焊接变位机是通过倾斜和回转动作，将工件置于便于实施焊接作业位置的机械或机器。 焊接变位机与机器人连用可缩短辅助时间，提高劳动生产率，改善焊接质量。焊接变位机 在机器人焊接作业中是不可缺少的周边设备，根据实际生产的需要焊接变位机可以有多种 形式。从驱动方式来看，有普通直流电机驱动、普通交流电机驱动及可以与机器人同步协 调运动的交流伺服驱动。 移动滑台 移动滑台也是焊接机器人的一个重要的周边装置，其主要用途是安置机器人或焊丝支架， 特别是在焊接大型工件时，移动滑台加大了机器人的工作范围，移动滑台的形式主要有以 下几种。 焊枪清理装置 焊枪清理装置主要包括剪丝、沾油、清渣以及喷嘴外表面的打磨装置。剪丝装置主要 用于用焊丝进行起始点检出的场合，以保证焊丝的干伸长度一定，提高检出的精度；沾油 是为了使喷嘴表面的飞溅易于清理；清渣是清除喷嘴内表面的飞溅，以保证保护气体的通 畅；喷嘴外表面的打磨装置主要是清除外表面的飞溅。 自动换枪装置 用于不同填充材料的自动焊接。 34 焊接机器人的主要性能指标 焊接机器人的主要性能指标以日本安川电机公司生产的 Motoman-L10 为例表示如下： 名称与型号 Motoman-L10 主要用途 弧焊 类别 示教再现型 坐标型式 多关节式 自由度数 5 个 抓重 最大 10（包括夹钳） 动作范围与速度 运动参数列表如下： 表 3-1 Motoman-L10 运动参数 运动自由度动作范围速度 整机摆动 24090/s 上臂俯仰 +20-40 1100mm/s 上臂前后 40 800mm/s 手腕弯曲 180100/s 手腕旋转 360150/s 定位方式 选用增量编码器作为位置检测元件 控制方式 重复式数字位置控制方式，可精确控制运动轨迹 重复定位精度 0.2mm; 驱动方式 电伺服 采用交流测速发电机作为伺服电动机的速度检测元件，实现 速度反馈，并引进力矩反馈； 驱动源 DC 伺服电动机 程序控制和存储方式 采用 8 位微处理 Intel8080 用半导体存储器作为主存（盒 式磁带补充主存容量之不足） 程序步数：1000 步 指令条数：600 条 轮廓尺寸 如图所示 图 3-3 Motoman-L10 外形尺寸与动作范围 重量 本体 400 控制部分 350 外部同步信号 输入 22 点 输出 21 点 电源 AC220/220V（+10%，-15%） ， 50/60HZ1HZ， 三相 5KVA 2.4 焊接机器人的系统构成 机器人要完成作业，必须依赖于控制系统与辅助设备的支持和配合。完整的焊接机器 人系统一般有如下几部分组成：机器人操作机、变位机、控制器、焊接系统（专用焊接电 源、焊枪和焊钳等） 、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等，如图所示。 根据用途，将工业机器人配置不同的焊接系统，将组成不同的焊接机器人系统，各种不同 的焊接机器人系统的主要设备构成如下表所示。 （1） 弧焊机器人 由于弧焊工艺早已在诸多行业中得到普及，弧焊机器人在通用机械、金属结构等许多 行业中得到广泛运用。弧焊机器人是包括电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统，而性能有 特殊的要求。在弧焊作业中，焊枪应跟踪工件的焊道运动，并不断填充金属形成焊缝。因 此运动过程中的速度稳定性和轨迹精度是两项重要指标。一般情况下，焊接速度约为 550/s，轨迹精度约为（0.20.5）。由于焊枪的姿态对焊缝质量有一定的影响，因 此希望在跟踪焊道的同时，焊枪姿态的可调范围尽量大，其一些基本性能要求如下所示： 设定焊接条件（电流、电压、速度等） ； 摆动功能； 坡口填充功能； 焊接异常功能检测； 焊接传感器（起始点检测、焊道跟踪）的接口功能。 （2）点焊机器人 汽车工业是点焊机器人系统一个典型的应用领域，在装配每台 汽车车体时，大约 60%的焊点是由机器人完成。最初，点焊机器人只用于增强焊作业（往 已拼接好的工件上增加焊点） ，后来为了保证拼接精度，又让机器人完成定位焊作业性能， 具体来说有： 安装面积小，工作空间大； 快速完成小节距的多点定位（例如每 0.30.4s 移动 3050节距后定位） ； 定位精度高（0.25） ，以确保焊接质量； 持重大（50100） ，以便携带内装变压器的焊钳； 内存容量大，示教简单，节省工时； 点焊速度已生产线相匹配，同时按全可靠性好。 33 焊接机器人的系统构成 图 2-1 焊接机器人系统原理图 机器人操作机时焊接机器人系统的执行机构，它由驱动器、传动机构、机器人臂、关 节以及内部传感器（编码盘）等组成。它的任务是精确的保证末端操作器所要求的位置、 姿态和实现其运动。根据定义，工业机器人操作机从结构上应具有三个以上的可自由编程 的运动关节，可见其分为主要关节和次要关节两个层次，不同数目和层次关节组合决定了 相应的机器人工作空间。由于具有六个旋转关节的铰接开链式机器人操作机从运动学上已 被证明能以最小的结构尺寸为代价获取做大的工作空间，并且能以较高的位置精度和最优 的路径达到指定位置，因而这种类型的机器人操作机在焊接领域得到广泛地运用。 变位机作为机器人焊接生产线及焊接柔性加工单元的重要组成部分，其作用是将被焊 工件旋转（平移）到最佳的焊接位置。在焊接作业前和焊接过程中，变位机通过夹具来装 卡和定位被焊工件，对工件的不同要求决定了变位机的负载能力及其运动方式。为了使机 器人操作机充分发挥效能，焊接机器人系统通常采用两台变位机，当其中的一台上进行焊 接作业时，另一台则完成工件的上装和卸载，从而使整个系统获得最高的费用效能比。 机器人控制器是整个机器人系统的神经中枢，它由计算机软件、硬件和一些专用电路 构成，其软件包括控制器系统软件、机器人运动学软件、机器人控制软件、机器人自诊断 及自保护软件等。控制器负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。 所有现代机器人的控制器都是基于多处理器，根据操作系统的指令，工业控制计算机通过 系统总线实现对不同组件的驱动及协调控制。典型的焊接机器人控制系统结构如图所示。 焊接系统是焊接机器人完成作业的核心装备，其主要由焊钳（点焊机器人） 、焊枪 （弧焊机器人） 、焊接控制器及水、电、气等辅助部分组成。焊接控制器是由微处理器及部 分外围接口芯片组成的控制系统，它可根据预定的焊接监控程序，完成焊接参数输入、焊 接程序控制及焊接系统的故障自诊断，并实现与本地计算机及手控盒的通讯联系。用于弧 焊机器人的焊接电源及送丝设备由于参数选择的需要，必须由机器人控制器直接控制，电 源在其功率和接通时间上必须与自动过程相符。 图 3-2 焊接机器人控制器系统结构原理图 在焊接过程中，尽管机器人操作机、变位机、装卡设备和工具能达到很高的精度，但 由于存在被焊工件几何尺寸和位置误差，以及焊接过程中热输入能引起工件的变形，传感 器仍使焊接过程中（尤其是焊接大厚工件时）不可缺少的设备。传感器的任务是实现工件 坡口的定位、跟踪以及焊缝熔透信息的获取。 中央控制计算机在工业机器人向系统化、PC 化和网络化的发展过程中发挥着重要的 作用。通过串行接口与机器人控制器相连接，中央控制计算机主要用于在统一层次和不同 层次的计算机形成网络，同时以传感系统相配合，实现焊接路径和参数的离线编程、焊接 专家系统的应用及生产数据的管理。 安全设备是焊接机器人系统安全运行的重要保障，其主要包括驱动系统过热自断电保 护、动作超限位自断电保护、超速自断电保护、机器人系统工作空间干涉自断电保护及人 工急停断电保护等等，他们起到防止机器人伤人或周边设备的作用。在机器人的工作部还 装有各类触觉和接近传感器，可以使机器人在过分接近工件或发生碰撞时停止工作。 第三章第三章 焊接机器人的示教编程焊接机器人的示教编程 机器人是怎样运动的？焊接机器人是如何工作的？操作机器人进行焊接需要掌握哪些 焊接知识呢？通过本章的学习，你基本上可以使用机器人来进行焊接了。 用机器人代替人进行作业时，必须预先对机器人发出指令，规定机器人应该完成的动 作和作业的具体内容，这个指示过程称之为对机器人的示教（teaching） ，或者称之为对机 器人的编程（programming） 。对机器人的示教内容通常存储在机器人的控制装置内，通过 存储内容的再现（playback） ，机器人就能实现人们所要求的动作和要求人们赋予的作业内 容。 机器人的示教方式有多种形式，但目前使用最多的仍然是示教再现方式。虽然示教 再现方式机器人有占用机时、效率低等诸多缺点，人们试图在传感器的基础上使机器人智 能化，目的是取消示教，但在复杂的生产现场和作业可靠性等方面到处碰壁，难以实现， 因此目前人们仍然脱离不了示教再现方式的状态。 示教内容主要由两部分组成，一是机器人运动轨迹的示教，二是机器人作业条件的 示教。机器人运动轨迹的示教主要是对为了完成某一作业，焊丝端部所要运动的轨迹，包 括运动类型和运动速度的示教。机器人作业条件的示教主要是为了获得好的焊接质量，对 焊接条件进行示教，包括被焊金属的材质、板厚、对应焊缝形状的焊枪姿势、焊接参数、 焊接电源的控制方法等。 目前机器人语言还不是通用型语言，各机器人生产厂都有自己的机器人语言，给用户使 用带来了很大的不便，但各种机器人所具有的功能却基本相同，因此只要熟悉和掌握了一 种机器人的示教方法，对于其它种类的机器人就会很容易学会。 3.1 机器人的运动轴及坐标系机器人的运动轴及坐标系 机器人是由运动轴和连杆组成的，而其运动方式是在不同的坐标系下进行的，为了掌 握机器人的示教方法，应首先了解机器人的坐标系及各运动轴在不同坐标系下的运动。 3.1.1 机器人各轴的名称机器人各轴的名称 机器人系统中，除了机器人本身外还包括一些周边设备，如变位机、移动滑台等。将 运动轴按其功能划分为：机器人本体轴、基座轴和工作台轴。基座轴和工作台轴统称为外 部轴，如图 2.11 所示。机器人本体轴属于机器人本身，基座轴是使机器人移动的轴的总称， 主要为移动滑台。工作台轴是除机器人轴、基座轴以外的轴的总称，如变位机、翻转机等。 图 2.11 机器人各轴的名称 3.1.2 坐标系分类及各轴的运动坐标系分类及各轴的运动 在大部分商用机器人系统中，坐标系一般分五类：关节坐标系、绝对坐标 系（直角坐标系） 、工具坐标系、圆柱坐标系和用户坐标系。机器人的运动是根 据不同的作业轨迹的要求，在这五种坐标系下的运动。 3.1.2.1 关节坐标系关节坐标系 机器人是有多个运动关节组成的，在关节坐标系下的运动，就是机器人各个关节的独 立运动, 如图 2.12 所示。 对大范围运动，且不要求机器人末端姿态的，则选择关节坐标系。对外部轴来说，只 有关节坐标系可选。 在关节坐标系下，每个轴单独运动，关节运动方式如下： 轴每位对应键运动方式 S轴 X+ 1 X-S 轴左右转动 L轴 Y+ 2 Y-L 轴前后转动 主运动轴 U轴 Z+ 3 Z-U 上下转动 R轴 RX+ 4 RX-R 轴左右转动 B轴 RY+ 5 RY-B 轴前后转动 腕运动轴 T轴 RZ+ 6 RZ-T 轴上下转动 图 2.12 关节坐标系下各个轴的运动 3.1.2.3 绝对坐标系绝对坐标系 绝对坐标系的原点定义为机器人的安装面和第一转动轴的交点。X 轴向前，Z 轴向上， Y 轴按右手规则定义。 在绝对坐标系（直角坐标系）中，机器人的运动指机器人末端点的运动，在未装工具 时，机器人的末端点指六轴法兰盘的中心点，在安装工具后，机器人的末端点指的是焊钳 开口的中心点或焊枪的枪尖。 在绝对坐标系下，机器人末端轨迹沿定义的 X、Y、Z 方向运动，其运动方式如图 2.13 所示。 轴每位对应键运动方式 S轴 X+ 1 X-沿 X 轴方向运动 L轴 Y+ 2 Y-沿 Y 轴方向运动 主运动轴 U轴 Z+ 3 Z-沿 Z 轴方向运动 R轴 RX+ 4 RX- B轴 RY+ 5 RY- 腕运动轴 T轴 RZ+ 6 RZ- 末端点位置不变， 姿态分别绕 X、Y、Z 轴转动 图 2.13 绝对坐标系及各轴的运动 3.1.2.3 圆柱坐标系圆柱坐标系 圆柱坐标系的原点与绝对坐标系的相同，Z 轴向上，轴方向为本体 S 轴转动方向，r 轴平行于本体 L 轴, 如图 2.14 所示。 轴每位对应键运动方式 轴 X+ 1 X-绕 S 轴转动 r轴 Y+ 2 Y-垂直 Z 轴运动 主运动轴 U轴 Z+ 3 Z-沿 Z 轴方向运动 R轴 RX+ 4 RX- B轴 RY+ 5 RY- 腕运动轴 T轴 RZ+ 6 RZ- 末端点位置不变， 姿态分别绕 X、Y、Z 轴转动 图 2.14 圆柱坐标系及各轴的运动 3.1.2.4 工具坐标系工具坐标系 工具坐标系定义在工具尖，并且假定工具的有效方向为 Z 轴，X 轴垂直于工具平面， Y 轴由右手规则产生，如图 2.15 所示。 在工具坐标系中，机器人末端轨迹沿工具坐标的 X、Y、Z 轴方向运动，机器人的运 动方式如下： 轴每位对应键运动方式 沿 X 轴方向运动 沿 Y 轴方向运动 主运动轴六轴联动 沿 Z 轴方向运动 腕运动轴末端点位置不变，姿态分别绕 X、Y、Z 轴转动 图 2.15 工具坐标系及各轴的运动 3.1.2.5 用户坐标系用户坐标系 用户坐标系是用户根据工作方便的需要，自行定义的坐标系，用户可根据需要定义多 个坐标系, 如图 2.16 所示。 在用户坐标系下，机器人末端轨迹沿用户自己定义的坐标轴方向运动，其运动方式如 下： 轴每位对应键运动方式 沿用户定义的 X 轴方向运动 沿用户定义的 Y 轴方向运动 主运动轴六轴联动 沿用户定义的 Z 轴方向运动 腕运动轴末端点位置不变，姿态分别绕 X、Y、Z 轴转动 图 2.16 用户坐标系及各轴的运动 3.1.2.6TCP（工具控制点）固定功能（工具控制点）固定功能 除了关节坐标系外，在其它坐标系下都有 TCP 固定功能，即在工具控制点位置保持不 变的情况下，只改变工具的方向（姿态）如图 2.17 所示。在 TCP 固定功能下各轴的运动 如下: 轴每位对应键运动方式 X+ 1 X- Y+ 2 Y-主运动轴 Z+ 3 Z- TCP 平移 运动方向取决于坐标系 RX+ 4 RX- RY+ 5 RY-腕运动轴 RZ+ 6 RZ- 末端点位置不变，姿态分 别绕 X、Y、Z 轴转动 在不同坐标系下腕运动轴的转动方向是不同的。图 2.18、2.19、2.20 分别为直角/圆柱 坐标系、工具坐标系和用户坐标系下的 X、Y、Z 轴的方向。 图 2.17 TCP 固定功能示意图 图 2.18 笛卡儿/圆柱坐标系下的 X、Y、Z 轴 图 2.19 工具坐标系下的 X、Y、Z 轴 图 2.20 用户坐标系下的 X、Y、Z 轴 3.1.3 机器人的运动类型和速度机器人的运动类型和速度 运动类型决定机器人再现时各步之间的运动路径，再现速度是机器人末端点的运动速 率，通常每一步的位置数据、运动类型和速度记录在一起。 3.1.3.1 点位运动类型点位运动类型 点位运动类型通常用于机器人向下一步运动不需要特定路径的场合。为了安全，示教 第一步一般用点位运动类型。点位运动类型的速度用最大速度的百分比来表示。 3.1.3.2 直线运动类型直线运动类型 示教直线运动类型时，机器人沿直线运动到该示教点。直线运动类型一般用于作业路 径的示教，或为防止与周边设备的干涉，在周边设备内部也采用祖先运动类型。直线运动 类型的速度一般表示为 cm/min 或 mm/sec。 3.1.3.3 圆弧运动类型圆弧运动类型 单个圆弧运动类型的示教一般需要三点，如图 2.21 所示的 P1、P2、P3 点。当需要连 续多个圆弧运动时，两段圆弧运动必须由一个关节或直线运动点隔开，且第一段圆弧的终 点和第二段圆弧的起点重合，如图 2.22 所示的 P4 点既为重合点。 图 2.21 单个圆弧运动的示教 图 2.22 连续多个圆弧运动的示教 3.6 焊接机器人的示教与编程焊接机器人的示教与编程 用机器人代替人进行作业时，必须预先对机器人发出指令，规定机器人应该完成的动 作和作业的具体内容，这个指示过程称之为对机器人的示教（teaching） ，或者称之为对机 器人的编程（programming） 。对机器人的示教内容通常存储在机器人的控制装置内，通过 存储内容的再现（playback） ，机器人就能实现人们所要求的动作和要求人们赋予的作业内 容。 对机器人进行示教分直接示教和间接示教两种主要方法，图 2.23 对各种示教方法进行 了归纳，图 2.24 为各种示教方法的形象示意图。 图 2.23 工业机器人的示教方法 图 2.24 机器人示教方法的形象示意图 由于示教再现方式机器人有占用机时、效率低等诸多缺点，人们试图在传感器的基础 上使机器人智能化，目的是取消示教，但在复杂的生产现场和作业可靠性等方面到处碰壁， 难以实现，因此目前人们仍然脱离不了示教再现方式的状态。 目前机器人语言还不是通用型语言，各机器人生产厂都有自己的机器人语言，给用户 使用带来了很大的不便，但各种机器人所具有的功能却基本相同，因此只要熟悉和掌握了 一种机器人的示教方法，对于其它种类的机器人就会很容易学会。下面以日本 DAIHEN 公 司生产的 OTC 机器人为例，来说明焊接机器人的示教过程。 2.6.1 示教内容示教内容 图 2.25 表示机器人控制器和用于示教的示教盒。示教盒由液晶屏幕和进行各种操作、 输入条件等按钮组成。 图 2.25 机器人的控制器及示教盒 示教内容主要由两部分组成，一是机器人运动轨迹的示教，二是机器人作业条件的示 教。机器人运动轨迹的示教主要是对为了完成某一作业，焊丝端部所要运动的轨迹，包括 运动类型和运动速度的示教。机器人作业条件的示教主要是为了获得好的焊接质量，对焊 接条件进行示教，包括被焊金属的材质、板厚、对应焊缝形状的焊枪姿势、焊接参数、焊 接电源的控制方法等。 图 2.26 表示机器人的语言，在示教方式中，利用轴操作按钮实际地引导机器人，进行 位置的登录工作，输入机器人的位置信息、焊接条件等，利用机器人语言编制程序。 图 2.26 机器人语言 2.6.2 示教举例示教举例 下面以一个简单的例子来描述一下弧焊作业的基本示教过程。 图 2.27 焊接操作举例 如图 2.27 所示，焊接从位置 3 开始到位置 4 为直线焊缝，位置 4 到位置 5 再到位置 6 为圆弧焊缝，位置 6 焊接结束。示教过程如下： （1）输入文件名 （2）操作机器人到位置 1，示教定位指令“P”和运动速度。 （3）操作机器人到位置 2，示教定位指令（或关节运动指令） “P”和运动速度。 （4）操作机器人到位置 3，示教定位指令（或关节运动指令） “P”和运动速度，输入 焊接开始指令“AS” 。焊接条件包括焊接电流、焊接电压和焊接速度。 （5）操作机器人到位置 4，由于直线插补指令已经自动选择，只要用数字按钮选择块 操作时的速度即可。 （6）操作机器人到位置 5，这个位置是圆弧的中间点，示教圆弧插补指令“C”和运 动速度。 （7）操作机器人到位置 6，这个位置是圆弧的结束点，示教圆弧插补指令“C”和运 动速度，输入焊接结束指令“AE” 。焊接结束条件包括焊接电流、电压、填弧坑时间和滞 后停气时间。 （8）操作机器人到位置 7，示教定位指令（或关节运动指令） “P”和运动速度。 （9）操作机器人到位置 8，示教定位指令（或关节运动指令） “P”和运动速度。 （10）示教结束。按 RESET 键。 2.6.3 机器人示教存在的问题机器人示教存在的问题 为了使机器人实际完成作业，除了在一定程度上了解作业技术外，还必须熟练掌握机 器人。 2.6.3.1 动作示教中存在的问题动作示教中存在的问题 在示教方式中用示教盒操作机器人，把焊枪引导到所希望的位置上去，但存在以下各 点使示教操作比较困难。 1.必须经常考虑坐标系进行示教，有时需要切换多个坐标系，这就难以操纵焊枪向既 定的方向移动。 2.为了调整机器人靠近工件的接近程度，必须切换不同的动作速度。 3.机器人的动作范围是有限制的，为了防止碰撞工件，需要一定的操作技巧。 4.机器人轴的运动方向与坐标系是一一对应的，同时操纵两根轴的运动方向是很困难 的。 总之不是随意就能对机器人进行示教的，这就降低了示教效率，总担心会碰到工件， 使人操作起来感到紧张。此外，不同的生产工厂其操作键的配置也是不同的，给示教者容 易带来混乱。 2.6.3.2 条件示教的问题点条件示教的问题点 示教者必须具有一定水平的焊接作业技巧，同时还要掌握用机器人进行焊接的特点。 例如必须掌握适用于工件的焊接速度、焊接电流、焊接电压及焊枪姿态等，还能从焊接结 果反过来进行条件的修订。这些用机器人进行焊接的技巧是焊接技术人员经过长期的实践 积累下来的，如何对这些技术进行继承和共同使用是一个难题。 2.6.3.3 其他的问题点其他的问题点 示教盒的问题在于键操作是个复杂的过程，很难一下子抓住操作系统的整体情况，摸 索输入情况和画面显示内容需要一定时间，有时仅仅是输入数据这一项就需要操作复杂的 按钮。 此外，不熟悉计算机语言的人就不容易掌握使用字符的机器人语言，从而对其敬而远 之。机器人程序中列举的动作命令过多，即使熟练的技术人员也很难一下子看懂其动作内 容。为此，在进行示教作业时必须频繁地确认作业，从而降低了作业人效率。 2.7 焊接机器人的协调（同步）及独立（同焊接机器人的协调（同步）及独立（同 时）控制时）控制 2.7.1 协调（同步）及独立（同时）控制的定义协调（同步）及独立（同时）控制的定义 协调（同步）动作控制的英文为 Coordinated Control System 或 Synchromotion System，是指一个控制装置和一个控制操作板可以同时控制多个装置（机器人移动滑台、 焊接变位机或焊接机器人等） ，以保证焊接过程中焊枪相对焊缝的速度和角度保持不变。 独立（同时）控制的英文为 Independent Control System 或 Simultaneous Control System，独立控制功能是针对协调控制而言的，是指两台或多台机器人或工作站之间不相 约束，各行其事的功能。在实际控制过程中，独立控制与协调控制是融为一体的，可任意 选择。如图 2.28 所示，系统由一台机器人和变位机 A 和 B 组成，当机器人焊接变位机 A 上的工件时，机器人与变位机之间采用协调控制方式，变位机 B 则采用独立控制。如图 2.29 所示的双机器人组成的无夹具焊接系统，当焊接时采用协调控制方式，当焊后进行焊 枪清理及工件装夹时则采用独立控制方式。 图 2.28 多工作站协调/独立控制系统 图 2.29 双机器人无夹具焊接系统 2.7.2 协调（同步）及独立（同时）控制的形式协调（同步）及独立（同时）控制的形式 1.单工作站协调控制系统 由一台机器人控制器控制一台机器人和一个转胎，如图 2.30 所示。 图 2.30 单工作站协调控制系统 图 2.31 双机器人工作站协调焊接系统 2.多工作站协调独立控制系统” 由一台机器人和两个以上的转胎组成，如图 2.28 所示。 3.无夹具焊接系统 有一台机器人控制器控制两台机器人，其中一台机器人作为夹具来使用，如图 2.29 所 示。 5.双机器人工作站协调焊接系统 由一台机器人控制器控制两台机器人和一个转胎，如图 2.31 所示。 2.7.3 协调控制的优点协调控制的优点 一、提高焊接质量 1.协调动作控制能适应焊接工件和焊接电极之间的协调配合运动，使焊枪与焊接表面 之间的相对位置角和相对速度保持不变，且能使焊缝处于最佳的焊接位置，特别适于三维 曲线焊缝的焊接。如图 2.32 所示的管子相贯线的焊接，采用协调控制可使焊缝处于最佳的 平焊位置。 图 2.32 采用协调控制焊接管子相贯线 图 2.33 长方形管子外表面焊缝的焊接 2.使转角处焊道不间断地连续焊接, 如图 2.33 所示的长方形管子的外表面焊缝的焊接。 二、提高生产率 1.协调动作控制可以使工件在焊接过程中位置和姿态连续变动，节省了普通焊接系统 工件位置和姿态再定位的时间，缩短了示教时间，如图 2.32 所示的管子相贯线的焊接，采 用通常的焊接系统需要示教 100 点，而采用协调控制只需要 20 点。 2.同时双面焊接时可节省工件翻转时间，缩短了焊接工作周期 3.在“无夹具焊接系统”中，焊接工件定位、夹持及工件的搬运均由机器人完成，缩 短了循环时间 4.与传统机器人相比可提高生产效率 3040% 三、缩减机器人系统的投资 1.双面焊接时不需要翻转设备 2.由于工件夹具所需的投资要比通用机器人高得多，因此“无夹具焊接系统”可缩减 成本 3.与传统机器人相比可减少投资 1020% 2.7.4 协调及独立控制系统的示教协调及独立控制系统的示教 机器人的协调及独立控制的示教对于不同种类机器人来说是不同的，但示教过程却基 本相同。下面以日本 DAIHEN 公司生产的 OTC 机器人为例，来说明协调及独立控制的示 教过程。 图 2.34 协调运动控制系统的配置举例 2.7.4.1 机械装置机械装置 机器人的协调及独立控制系统一般包括两个或两个以上的机械装置，因此在手动操作 以前应根据任务的要求选择相应的机械装置。OTC 机器人定义了以下四种机械装置（如图 2.34 所示）： 机械装置 1：指安装有工具（焊枪、砂轮等）的操作机（工具侧操作机 tool-side manipulator） 机械装置 2：指安装有移动工件装置的操作机（工件侧操作机 workpiece-side manipulator）, 在无夹具焊接系统中包含机械装置 2 机械装置 3：指移动工具侧操作机的移动滑台 机械装置 4：指移动工件侧操作机的移动滑台或装夹工件的变位机（工件侧变位机 workpiece-side positioner） 机械装置的选择通过按钮来切换。 2.7.4.2 坐标系坐标系 操作机可在下列坐标系中进行手动操作： 关节坐标系 基座坐标系 笛卡儿坐标系 工具坐标系 工件坐标系 绝对坐标系 与单操作机系统不同，协调控制系统支持绝对坐标系系统。此外，在工件坐标系下的 运动与在基座坐标系下的运动是有区别的。需要注意的是移动滑台和变位机只在关节坐标 系下运动。 1.工件坐标系 工件坐标系是一个直角坐标系，其原点和坐标轴的方向固定在工件侧，如图 2.35 所示。 当工件移动时原点及坐标轴方向的改变与工具坐标系下类似，如图 2.36 所示。 当工件侧机械装置不运动时，在工件坐标系下腕部轴的运动与基座坐标系下相同。即 使工件侧机械装置方位发生了改变，只是改变了原点和坐标轴的方向，腕部轴的运动将参 考新的原点和坐标轴方向。 2.绝对坐标系 绝对坐标系固定在地基上，与机械装置的方位无关，如图 2.37 所示。与工具坐标系和 工件坐标系不同的是坐标原点和坐标轴的方向不随机械装置的方位而改变。 图 2.35 工件坐标系 图 2.36 工件侧机械装