工业机器人技术基础

1、1机器人技术基础机器人技术基础2 工业机器人简介工业机器人简介 MotomanMotoman机器人编程指令机器人编程指令 机器人的编程方法机器人的编程方法31 1、MotomanMotoman机器人简介机器人简介 工业机器人作为现代制造技术发展重要标志之工业机器人作为现代制造技术发展重要标志之一和新兴技术产业，已为世人所认同。并正对一和新兴技术产业，已为世人所认同。并正对现代高技术产业各领域以至人们的生活产生了现代高技术产业各领域以至人们的生活产生了重要影响。重要影响。 工业机器人一般指用于机械制造业中代替人完工业机器人一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如自动化成具

2、有大批量、高质量要求的工作，如自动化生产线中的点焊、生产线中的点焊、弧焊弧焊 、喷漆、切割、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运电子装配及物流系统的搬运 、包装、码垛、包装、码垛等作业的机器人。此外，机器人也可用于软质等作业的机器人。此外，机器人也可用于软质材料的切削加工，如陶泥，泡沫，材料的切削加工，如陶泥，泡沫，石蜡石蜡 ，有机有机玻璃玻璃等等。41 1、MotomanMotoman机器人简介机器人简介 焊接制造工艺由于其工艺的复杂性、劳动强度焊接制造工艺由于其工艺的复杂性、劳动强度、产品质量、批量等要求，使得焊接工艺对自、产品质量、批量等要求，使得焊接工艺对自动化对于其工艺的自动化、机械

3、化的要求极为动化对于其工艺的自动化、机械化的要求极为迫切，实现机器人焊接代替人工操作成为焊接迫切，实现机器人焊接代替人工操作成为焊接工作者追求的目标。工作者追求的目标。5轿车后桥双机协调弧焊系统焊接机器人典型应用案例焊接机器人典型应用案例6车身焊接线车身焊接线7轿车座椅骨架弧焊系统轿车座椅骨架弧焊系统8火车侧梁弧焊系统火车侧梁弧焊系统9激光焊接系统激光焊接系统10等离子焊接系统等离子焊接系统111.1 1.1 弧焊机器人弧焊机器人机器人操作机：日本机器人操作机：日本 MOTOMANMOTOMANUP20UP20型型6 6轴关节式机器人轴关节式机器人机器人控制器：机器人控制器：YASNAC XR

4、C UP20YASNAC XRC UP20型型负载能力：负载能力：20kg20kg自由度：自由度：6 6自由度自由度重复定位精度：重复定位精度：0.08mm0.08mm工作范围：半径工作范围：半径1658mm1658mm驱动：交流伺服电机。驱动：交流伺服电机。焊接电源：焊接电源：MOTOWELD-S350, COMOTOWELD-S350, CO2 2/MAG/MAG焊机，可以实现碳钢、低合金高焊机，可以实现碳钢、低合金高强钢和不锈钢等的焊接；强钢和不锈钢等的焊接； 最大焊接电流最大焊接电流350A350A保护气体：保护气体：COCO2 2、Ar+COAr+CO2 2、 Ar+COAr+CO2

5、 2+O+O2 2焊丝：直径焊丝：直径0.90.9、1.21.2、1.6mm1.6mm实心焊丝或药芯焊丝，如实心焊丝或药芯焊丝，如H08Mn2SiAH08Mn2SiA等等121.2 1.2 弧焊机器人系统简介弧焊机器人系统简介 机器人要完成焊接作业必须依赖于控制系统机器人要完成焊接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与辅助设备的支持和配合。完整的焊接机器人系统一般由如下几部分组成：机器人操作机、变位统一般由如下几部分组成：机器人操作机、变位机、控制器、焊接系统、焊接传感器、中央控制机、控制器、焊接系统、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等。计算机和相应的安全

6、设备等。 131.3 1.3 弧焊机器人系统的构成弧焊机器人系统的构成1.1.机器人操作机机器人操作机日本安川（日本安川（YASKAWAYASKAWA）公司：公司：MOTOMAN-UP20MOTOMAN-UP20型型2.2.机器人控制器机器人控制器YASNAC XRC UP20YASNAC XRC UP20型型3.3.焊接电源焊接电源MOTOWELD-S350MOTOWELD-S350型弧焊电源型弧焊电源4.4.辅助系统辅助系统送丝机构、焊丝、焊接保护气体等送丝机构、焊丝、焊接保护气体等1415（1 1）机器人操作机）机器人操作机机器人本体 机器人操作机是焊接机器人系统机器人操作机是焊接机器人

7、系统的执行机构，它由驱动器、传动机构的执行机构，它由驱动器、传动机构、机器人臂、关节以及内部传感器（、机器人臂、关节以及内部传感器（编码器）等组成。它的任务是精确的编码器）等组成。它的任务是精确的保证末端操作器所要求的位置、姿态保证末端操作器所要求的位置、姿态和实现其运动。由于具有六个旋转关和实现其运动。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学上已被证明能以最小的结构尺寸为代价获取最大的工作空间，并且能以代价获取最大的工作空间，并且能以较高的位置精度和最优路径到达指定较高的位置精度和最优路径到达指定位置，因此这种类型的

8、机器人操作机位置，因此这种类型的机器人操作机在焊接领域得到广泛的应用。在焊接领域得到广泛的应用。16（2 2） 机器人控制器机器人控制器 机器人控制器是整机器人控制器是整个机器人系统的神经中个机器人系统的神经中枢，它由计算机硬件、枢，它由计算机硬件、软件和一些专用电路构软件和一些专用电路构成，其软件包括控制器成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用系统软件、机器人专用语言、机器人运动学及语言、机器人运动学及动力学软件、机器人控动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断制软件、机器人自诊断及自保护软件等。控制及自保护软件等。控制器负责处理焊接机器人器负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息工作过程中

9、的全部信息和控制其全部动作。和控制其全部动作。控制柜再现操作盒示教编程器17（3 3） 焊接系统焊接系统 焊接系统是焊接机器人焊接系统是焊接机器人完成作业的核心装备，主要完成作业的核心装备，主要由焊枪、焊接控制器及水、由焊枪、焊接控制器及水、电、气等辅助部分组成。焊电、气等辅助部分组成。焊接控制器是由微处理器及部接控制器是由微处理器及部分外围接口芯片组成的控制分外围接口芯片组成的控制系统，它可根据预定的焊接系统，它可根据预定的焊接监控程序，完成焊接参数输监控程序，完成焊接参数输入、焊接程序控制及焊接系入、焊接程序控制及焊接系统故障自诊断，并实现与本统故障自诊断，并实现与本地计算机及手控盒的通讯

10、联地计算机及手控盒的通讯联系。系。182 2、MotomanMotoman机器人的指令系统机器人的指令系统 MOTOMANMOTOMAN机器人所采用的编程语言属于动作级编程语言，该机器人所采用的编程语言属于动作级编程语言，该语言是以机器人的动作行为为描述中心，由一系列命令组语言是以机器人的动作行为为描述中心，由一系列命令组成，一般一个命令对应一个动作，语言简单，易于编程，成，一般一个命令对应一个动作，语言简单，易于编程，缺点是不能进行复杂的数学运算。缺点是不能进行复杂的数学运算。 MOTOMANMOTOMAN机器人的指令根据功能主要包括如下几种：机器人的指令根据功能主要包括如下几种：（1 1）

11、运动控制功能：运动控制功能是非常重要的一项功能，）运动控制功能：运动控制功能是非常重要的一项功能，机器人运动轨迹的控制方式主要是机器人运动轨迹的控制方式主要是PTPPTP（点对点）控制方式点对点）控制方式，其中又包括：，其中又包括：a.a.运动速度设定运动速度设定; ;b.b.轨迹插补方式轨迹插补方式( (关节插关节插补、直线以及圆弧插补补、直线以及圆弧插补););c.c.动作定时动作定时; ;d.d.定位精度的设定定位精度的设定 例：例：MOVL V=138 PL=0 MOVL V=138 PL=0 TIMER T=1.00 TIMER T=1.0019(2)(2)数据结构功能数据结构功能

12、机器人语言中采用比较通用的数据结构，如一个点的机器人语言中采用比较通用的数据结构，如一个点的三维矢量是由其三维坐标以及机器人末端绕三维矢量是由其三维坐标以及机器人末端绕x,y,zx,y,z旋转的角旋转的角度表示，也可以用六个关节各自的脉冲值表示。度表示，也可以用六个关节各自的脉冲值表示。 C0013= 50.00, -35.00, 0.00, 180.0, 20.0, 0.0 C0013= 50.00, -35.00, 0.00, 180.0, 20.0, 0.0(3)(3)数值运算功能数值运算功能 与通用程序语言相比，机器人语言的数值运算功能大与通用程序语言相比，机器人语言的数值运算功能大致

13、相当于致相当于BASICBASIC语言的水平，如四则运算、关系运算、计数语言的水平，如四则运算、关系运算、计数、位运算和三角函数运算等；、位运算和三角函数运算等； 如：如： 加减：加减：ADD/SUBADD/SUB I012 I013I012 I013； 乘除：乘除：MUL/DIV I012 I013MUL/DIV I012 I013； 给变量加给变量加1 1：INC I043INC I04320(4)(4)程序控制功能程序控制功能 主要用于跳出运行或转入循环运行。如主要用于跳出运行或转入循环运行。如“JUMP”JUMP”跳转到跳转到指定标号或程序，指定标号或程序，“CALL”CALL”调出指

14、定程序，调出指定程序，“IF”IF”是判断是判断语句。语句。 如：如：JUMP JOBJUMP JOB： TEST1 IF IN#(14)=OFF;TEST1 IF IN#(14)=OFF; CALL JOB: TEST1 IF IN# CALL JOB: TEST1 IF IN#（2424）=ON=ON；(5)(5)输入输出功能输入输出功能 用来与外部传感器进行信息交互和中断。如用来与外部传感器进行信息交互和中断。如“DOUT”DOUT”执执行外部输出信号的开关，行外部输出信号的开关，“DIN”DIN”给变量读入输入信号，给变量读入输入信号，“WAIT”WAIT”待机至外部输入信号与指定状态

15、相符。待机至外部输入信号与指定状态相符。 如：如：DIN B016 IN#(16); DIN B016 IN#(16); 把通道把通道1616的输入信号的输入信号赋给变量赋给变量B016B016。 WAIT IN#(12)=ON T=10.00; WAIT IN#(12)=ON T=10.00; ; ;当通道当通道1212信号为开时，等待信号为开时，等待1010秒秒213、机器人的编程方法、机器人的编程方法 根据机器人不同的工作要求，主要有下面两种编程方法根据机器人不同的工作要求，主要有下面两种编程方法： (1)(1)示教编程示教编程 示教编程是机器人最基本和最简单的编程方法，目前示教编程是机

16、器人最基本和最简单的编程方法，目前，相当数量的机器人仍采用示教方式编程，机器人示教，相当数量的机器人仍采用示教方式编程，机器人示教后可以立即应用。顾名思义，就是我们通常所说的手把后可以立即应用。顾名思义，就是我们通常所说的手把手示教，由人直接通过示教盒控制机器人的手臂按照我手示教，由人直接通过示教盒控制机器人的手臂按照我们所要求的轨迹运动，们所要求的轨迹运动， 其优点是：简单方便；不需要环其优点是：简单方便；不需要环境模型；对实际的机器人进行示教时，可以修正机械结境模型；对实际的机器人进行示教时，可以修正机械结构带来的误差。构带来的误差。 其缺点是：功能编辑比较困难；难以使用传感器；只其缺点是

17、：功能编辑比较困难；难以使用传感器；只能进行简单的轨迹编辑；示教时需要占用机器人，效率能进行简单的轨迹编辑；示教时需要占用机器人，效率低；编程的质量取决于编程者的熟练程度与经验。低；编程的质量取决于编程者的熟练程度与经验。22 (2)(2)离线编程离线编程 离线编程可以脱离机器人，直接在计算机上使用离线编程可以脱离机器人，直接在计算机上使用离线编程软件，编辑所需的轨迹程序。其优点是：效离线编程软件，编辑所需的轨迹程序。其优点是：效率高，编程时可不用机器人，机器人可进行其他工作率高，编程时可不用机器人，机器人可进行其他工作；可预先优化操作方案和运行周期时间；可用传感器；可预先优化操作方案和运行周

18、期时间；可用传感器探测外部信息，从而使机器人做出相应的响应；控制探测外部信息，从而使机器人做出相应的响应；控制功能中可以包括现有的功能中可以包括现有的CADCAD和和CAMCAM的信息，可以使用仿的信息，可以使用仿真软件预先模拟运行程序，从而不会出现危险；可以真软件预先模拟运行程序，从而不会出现危险；可以利用利用CADCAD软件编辑复杂的轨迹程序。软件编辑复杂的轨迹程序。 但离线编程中所需要的能补偿机器人系统误差的但离线编程中所需要的能补偿机器人系统误差的功能、坐标系数据仍难以得到；仿真软件并不能完全功能、坐标系数据仍难以得到；仿真软件并不能完全仿真真实的工作环境，还需要到现场进行调试。仿真真

19、实的工作环境，还需要到现场进行调试。233.1 3.1 示教编程示教编程3.1.1 3.1.1 示教编程基础知识示教编程基础知识（1 1） 机器人的运动方式机器人的运动方式 机器人的运动方式分为机器人的运动方式分为PTPPTP方式和方式和CPCP方式。方式。 PTPPTP方式方式为点到点方式（即机器人以全速从起始点运动为点到点方式（即机器人以全速从起始点运动到终点，而对两点间轨迹不做规定）。到终点，而对两点间轨迹不做规定）。 CPCP方式方式为连续轨迹方式（即机器人以设定的速度按特为连续轨迹方式（即机器人以设定的速度按特定轨迹从起始点运动到终点）。基于以上特点可知，定轨迹从起始点运动到终点）。

20、基于以上特点可知，对弧焊机器人进行编程时，如果仅仅是空间运动或位对弧焊机器人进行编程时，如果仅仅是空间运动或位置变换，应该使用置变换，应该使用PTPPTP运动方式，而机器人进行焊接操运动方式，而机器人进行焊接操作时（即对焊缝轨迹编程），宜采用作时（即对焊缝轨迹编程），宜采用CPCP运动方式。运动方式。24（2 2）机器人的动作模式）机器人的动作模式机器人有如下动作模式：机器人有如下动作模式： TECHTECH模式模式：示教方式，对所有工作点进行示教操作。：示教方式，对所有工作点进行示教操作。 PLAYPLAY模式模式：再现方式，对示教任务进行再现操作。：再现方式，对示教任务进行再现操作。25（

21、3 3） 机器人的坐标系机器人的坐标系 机器人的坐标系分为：关节坐标系和直角坐标系等。机器人的坐标系分为：关节坐标系和直角坐标系等。 关节坐标系关节坐标系是单轴运动方式，在关节坐标模式下通过示教是单轴运动方式，在关节坐标模式下通过示教盒可以控制机器人各轴围绕关节旋转运动，该运动方式适盒可以控制机器人各轴围绕关节旋转运动，该运动方式适合机器人进行大范围运动时使用。合机器人进行大范围运动时使用。关节坐标系关节坐标系 基基 本本 轴轴 S S轴轴本体回转本体回转180180 L L轴轴下臂前后摆动下臂前后摆动155155、110110 U U轴轴上臂上下摆动上臂上下摆动210210、8080 R R

22、轴轴手腕回转手腕回转190190 B B轴轴手腕上下摆动手腕上下摆动230230、5050 T T轴轴手腕回转手腕回转360360262728S轴:本体回旋 U轴:上臂上下摆动 R轴:上臂回旋 T轴:手腕回旋 B轴:手腕上下摆动下臂前后摆动L轴:关关 节节 坐坐 标标 系系29 直角坐标系直角坐标系为多轴合成运动方式，机器人以末端执行为多轴合成运动方式，机器人以末端执行器尖端为相对坐标原点，按笛卡儿直角坐标运动，该器尖端为相对坐标原点，按笛卡儿直角坐标运动，该方式适合靠近工件时的小范围机器人运动姿态调整和方式适合靠近工件时的小范围机器人运动姿态调整和示教。示教。 基基 本本 轴轴 X X方向方

23、向沿沿X X轴平行移动轴平行移动 Y Y方向方向沿沿Y Y轴平行移动轴平行移动 Z Z方向方向沿沿Z Z轴平行移动轴平行移动直角坐标系直角坐标系腕腕部部轴轴 X X绕绕X X轴转动轴转动 Y Y绕绕Y Y轴转动轴转动 Z Z绕绕Z Z轴转动轴转动30Z轴X轴Y轴31323.1.2 3.1.2 示教编程实际操作示教编程实际操作(1) XRC介绍介绍 主电源开关和门锁 再现操作盒 示教编程器1、前言、前言33主电源开关急停键报警按钮暂停按钮启动按钮伺服电源显示再现模式/示教模式切换34(2) 再现操作盒再现操作盒35(3) 示教编程器示教编程器36 光标键手动速度键轴操作键选择键回车键安全开关在内

24、侧,握住时,伺服电源接通.坐标键插入键插补方式键连锁+试运行示教锁定37（4） 简单的基本操作简单的基本操作究竟怎样才能让机器人工作呢？究竟怎样才能让机器人工作呢？ 接通电源接通电源 示教：教机器人工作。示教：教机器人工作。 再现：机器人执行示教的工作。再现：机器人执行示教的工作。 切断电源切断电源基本工作过程可以用下图说明：基本工作过程可以用下图说明：38392 接通电源接通电源注意：接通电源时，请务必按照先开主电源再开伺服电源的顺序。接注意：接通电源时，请务必按照先开主电源再开伺服电源的顺序。接通电源前，必须充分确认机器人周围是否安全。通电源前，必须充分确认机器人周围是否安全。（1）接通主

25、电源）接通主电源把把XRC正面主电源开关旋至正面主电源开关旋至“ON”位，接通主电源，位，接通主电源，XRC内部进行初内部进行初始化诊断后，在示教编程器上显示初始画面。始化诊断后，在示教编程器上显示初始画面。40（2） 接通伺服电源接通伺服电源把把XRC正面主电源开关旋至正面主电源开关旋至“ON”位，接通主电源，位，接通主电源，XRC内部进行初内部进行初始化诊断后，在示教编程器上显示初始画面。始化诊断后，在示教编程器上显示初始画面。（a）再现模式时）再现模式时按再现操作盒的按再现操作盒的SERVO ON READY键，接通伺服电源，该键灯亮键，接通伺服电源，该键灯亮。41(b)示教模式时示教模

26、式时1.按再现操作盒的按再现操作盒的SERVO ON READY键，该键闪烁，此时伺服电键，该键闪烁，此时伺服电源未通。源未通。2.在示教编程器上按在示教编程器上按示教锁定示教锁定键。键。3.握住安全开关，接通伺服电源。再现操作盒上的握住安全开关，接通伺服电源。再现操作盒上的SERVO ON READY键灯亮。键灯亮。注意：伺服电源接通时可听注意：伺服电源接通时可听见伺服电机带电后的声音。见伺服电机带电后的声音。42注意：伺服电源的ON/OFF安全开关的使用。握住安全开关，接通伺服电源，伺服电源的灯亮，但是用力握至喀哒声响，伺服电源反而被切断。如下图所示：433. 示教示教(1)示教前的准备示

27、教前的准备开始示教前，请做以下准备：开始示教前，请做以下准备： 使再现操作盒能有效操作使再现操作盒能有效操作 把动作模式定为示教模式把动作模式定为示教模式 示教锁定示教锁定 输入程序名输入程序名再现操作盒上的按键示教盒上的按键(a) 确认再现操作盒的确认再现操作盒的REMOTE键的灯是熄灭状态，以保证再现操键的灯是熄灭状态，以保证再现操作盒的操作有效。作盒的操作有效。(b) 按再现操作盒的按再现操作盒的TEACH键，定为示教模式。键，定为示教模式。(c) 按示教盒上的按示教盒上的示教锁定示教锁定键，如未加示教锁定时，不能通过安全开键，如未加示教锁定时，不能通过安全开关接通伺服电源。关接通伺服电

28、源。44(d) 在主菜单选择【程序】，然后在子菜单中选择【新建程序】。在主菜单选择【程序】，然后在子菜单中选择【新建程序】。45(e) 显示新建程序画面，按显示新建程序画面，按选择选择键。键。46(f) 显示字母表画面。以名为显示字母表画面。以名为“TEST”的程序为例进行说明。的程序为例进行说明。注意：程序名称可使用数字、英文字母及其他符号，最大长度为8个字符。47(g) 光标放在光标放在“T”上按上按选择选择键。以同样的方法输入键。以同样的方法输入“E”、 “S”、 “T”。48(h). 按按回车回车键，程序名键，程序名“TEST”被输入。被输入。49(e)光标移动到光标移动到“执行执行”

29、上，按上，按选择选择键，程序键，程序“TEST”被输入到被输入到XRC的的内存中，程序被显示，内存中，程序被显示，“NOP”和和“”“”END命令自动生成。命令自动生成。50（2 2）示教）示教 利用利用MOTOMAN-UP20弧焊机器人完成下图所示角焊弧焊机器人完成下图所示角焊缝的焊接。图中缝的焊接。图中1点为机器人起始位置、点为机器人起始位置、2点为准备点完成点为准备点完成焊枪姿态的调整、焊枪姿态的调整、3点为起焊点、点为起焊点、4点为焊接结束点、点为焊接结束点、5点为点为焊枪返回起始位置过程中的安全点。焊枪返回起始位置过程中的安全点。34点间的直线为焊点间的直线为焊缝位置。缝位置。51程

30、序点程序点1 1开始位置开始位置移动到完全离开机器人周边物体的位置输入程序点1。1. 握住安全开关，接通伺服电源，机器人进入可动作状态。2. 用轴操作键把机器人移动到适合作业的位置点1。3. 按插补方式键，把插补方式定为关节插补。输入缓冲行中以MOVJ表示关节插补。524. 光标在行号0000处时，按选择键，此时光标转移到输入缓冲显示行处，继续按光标键将光标移至设定速度处，然后设定相应的再现速度，设定再现速度为50。5. 按回车键，输入程序点1（行0001）。53程序点程序点2 2作业开始位置附近作业开始位置附近在该点处调整机器人姿态至合适的作业姿态。1. 用轴操作键，设定机器人姿态为合适的作

31、业姿态。2.按回车键，输入程序点2（行0002）。54程序点程序点3 3作业开始位置作业开始位置保持程序点2的姿态不变，并移向作业开始位置。此时，改变机器人的关节坐标系为直角坐标系即可保证在移动的过程中机器人姿态不变。1. 用手动速度高或低键，改变机器人移动的速度至中速，状态区域显示如下。2.按坐标键，设定机器人坐标系为直角坐标系，用轴操作键把机器人移到作业开始位置。553. 光标在行号0002处时，按选择键，此时光标转移到输入缓冲显示行处，继续按光标键将光标移至设定速度处，然后设定相应的再现速度，设定再现速度为12.5。4. 按回车键，输入程序点3（行0003）。56程序点程序点4 4作业结

32、束位置作业结束位置1. 保持直角坐标系不变，用轴操作键把机器人移动到焊接作业结束位置。2. 按插补方式键，将插补方式设定为直线插补（MOVL）。输入缓冲显示行显示如下：3. 光标在行号0003处时，按选择键，此时光标转移到输入缓冲显示行处，继续按光标键将光标移至设定速度处，然后设定相应的再现速度，设定再现速度为138mm/s。4. 按回车键，输入程序点4（行0004）。57程序点程序点5 5不碰触工件、夹具的位置不碰触工件、夹具的位置1. 用轴操作键将机器人移到不碰触工件和夹具的地方。2. 按插补方式键，将插补方式设定为关节插补（MOVJ）。输入缓冲显示行显示如下：3. 光标在行号0004处时，按选择键，此时光标转移到输入缓冲显示行处，继续按光标键将光标移至设定速度处，然后设定相应的再现速度，设定再现速度为50。4. 按回车键，输入程序点5（行0005）