1、上海交通大学硕士学位论文机器人焊接工装的即插即用控制技术的研究姓名：董晓雨申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：陈建平20080219Research on the Plug and Play Technologies for Robotic Welding Fixture Abstract In order to adapt to the competition in the market, the job of industrial robots takes on the feature of multi-group and multi-batch. The study subje
2、ct advances a kind of teaching-free control technology of plug and play for robot welding fixture. We can get the position and orientation of the welding torch in the station coordinate system, because we can know the position of welding line in the fixture coordinate system. Through calibration, th
3、e relationship between the station coordinate system and the base coordinate system can be got. With transformation matrix, we can obtain the welding torchs position and orientation in the base coordinate system. At last solving the robot motion function to get each axes impulse value, we can change
4、 the relative job procedure to standard job procedure. Because different fixtures have different jigs control logic, we designed a kind of control scheme. According to the number of the cylinders and the number of sensors added in each cylinder, the jigs control logic can be easily formed. We added
5、an embedded controller to the welding fixture and preplaced the relative job procedure and the control logic of jigs of the fixture in it. When embedded controller transmits the relative job procedure to the system controller, the system controller can automatically change the relative job procedure
6、 to standard job procedure. By this method, the system can support the plug and play when changing fixtures. Key Words: robot, welding fixture, teaching-free, control logic 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以
7、明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：董晓雨 日期：年 月 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：董晓雨 指导教师签名：陈建平 日期：年 月 日 日期：年 月 日 上海交通大学硕士学
8、位论文 第一章 绪论 引言 随着科技水平的进步，人们对焊接质量提出了越来越高的要求。采用焊接机器人能提高焊接件的外观质量和内在质量，并且可保证质量的稳定性，使焊接质量不会因焊工的技术水平、情绪及责任心而波动，而且明显降低劳动强度，改善劳动环境。我国今后除汽车、摩托车等行业可能实现大规模生产以降低成本，提高竞争力外，大部分机械制造行业由于市场的波动及市场对产品的多样化及个性化的要求都将面临品种多、批量少、改型快的局面，这给具有一定柔性的焊接机器人提供了一个极好的发展机会。因此，基于改善产品的质量和可靠性、降低劳动强度、提高工厂知名度和文明生产水平的目的考虑，希望拥有柔性的生产系统以适应市场波动和
9、产品变化，仍将是我国机械制造业大部分工厂购置焊接机器人得主要出发点。 焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。早期的焊接机器人缺乏“柔性”，焊接路径和焊接参数须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、人工智能技术以及网络控制技术的发展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展。 为适应市场竞争，工业机器人作业任务呈现多组别、多批次、少批量的特点，作业对象和作业工序更换频繁，相应的工装更换及作业程序和控制逻辑更改往往需要较多的调试时间，并且这种工作比较复杂，专业性强，一般都必须由现场工程师来
10、完成，增加了企业的负担和管理难度。如轿车座椅焊接工作站的任务更换周期为周，而系统“改造”时间一般为天，包括对新工装的示教和相应的工装控制逻辑的设定。这种“柔性”机器人与“刚性”作业系统之间的不相称已严重制约了机器人作业系统的有效利用及其进一步发展。 本论文的研究工作主要是以提高机器人轿车座椅焊接生产线的功能柔性和任务适应性为目标，在企业的生产设备成本几乎没有提高的情况下，根据具体工况提出的切实可行的方案，提高了汽车座椅生产企业的市场竞争力。研究成果在上海交运股份有限公司下属龙马神汽车座椅有限公司、佛吉亚（无锡）座椅部件有限公司得到成功应用。研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委、上海市优
11、秀学科带头人计划的资助。 上海交通大学硕士学位论文 焊接机器人的发展历程 虽然机器人问世已有几十年，机器人的定义还没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，新的机型，新的功能不断涌现。年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人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。”我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器” 。机器人的分 类也有许多种方法，按照日本工 业机器人学会（）的 标准，可将机器人进行如下分类： 第一类：人
12、工操作装置由操作员操纵的多自由度装置； 第二类：固定顺序机器人按预定的不变方法有步骤地依次执行任务的设备，其执行顺序难以修改； 第三类：可变顺序机器人同第二类，但其顺序易于修改； 第四类：示教再现（）机器人操作员引导机器人手动执行任务，记录下这些动作并由机器人以后再现执行，即机器人按照记录下的信息重复执行同样的动作； 第五类：数控机器人操作员为机器人提供运动程序，而不是手动示教执行任务； 第六类：智能机器人机器人具有感知和理解外部环境的能力，即使其工作环境发生变化，也能成功地完成任务。 美国机器人学会（）只将以上第三类到第六 类视为机器人。 机器人最适合在那些人类无法工作的环境中工作，它们已在
13、许多工业部门获得广泛应用，它们可以比人类工作得更好并且成本低廉。焊接机器人是机器人在自动化工业中最常见的一种应用：机器人与焊枪及相应配套装置，如送丝机、软管、焊枪、焊炬或焊钳等协同工作将部件焊接在一起。由于机器人连续运动，可以焊接得非常均匀和准确。通常焊接机器人的体积和功率均比较大，并配备相应的焊接电源，在实际生产中应用较多的是个轴的关节式示教再现型机器人。 从世纪 年代 诞 生和发展到现在，焊接机器人的研究经历了三个阶段： 第一阶段：是指只能以“示教再现”方式工作的机器人。示教内容为机器人操作机构的空间轨迹、作业条件、作业顺序等。目前国际上商品化、实用化的机器人大多是这种类型。这类机器人操作
14、简单，不具备外界信息的反馈能力，适应性不强。 第二阶段：是指具有感知能力的机器人。通过使用传感器技术获取作业环境和操作对象的简单信息，使机器人能以柔性方式适应环境的需要，工作时借助传上海交通大学硕士学位论文 感器获得的信息，灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作，这与预编程操作不同。由于传感器和信息处理系统增加了机器人的造价和复杂性，所以目前第二代机器人只有少数得到了应用。 第三阶段：是智能型机器人。这类机器人不但具有感觉能力，而且具有独立判断、行动、记忆、推理和决策的能力，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更加复杂的动作，还具备故障自我诊断及修复能力，目前这种机器人还正处于探索
15、阶段，。 从年第一台机器人在美国通用汽车公司（）投入使用以来，焊接机器人因为其具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点得到非常迅速的发展，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有一半用于各种形式的焊接加工领域。截止 年，全世界在役工 业机器人约为 万台，其中日本装备的工业机器人总量达到了 万台以上，超过了全世界工业机器人总数的，成为“机器人王国”，其次是美国和德国；在亚洲，日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。近几年，全球机器人的数量在迅速增加，仅 年就达 万台。 从全世界范围看
16、，虽然美国工业机器人的数量没有日本多，但在机器人技术方面美国占据一定的优势。在亚洲，日本在机器人技术和数量上保持绝对领先的优势，韩国的机器人发展也极其迅速。 图 年每年全世界新增机器人数量统计 Fig.1.1 Estimated world wide yearly supply of industrial robots 1991995 图显示了从年至年每年全世界新增工业机器人的数量。可以看出，虽然在有些年份机器人增加的数量有波动，但整体上保持了增长，也反映上海交通大学硕士学位论文 了机器人技术在工业领域的强劲生命力。 我国自上世纪 年代末开始进行工业机器人的研究，焊接机器人在我国制造业中的应用
17、主要是在世纪年代以后（个别企业在年代中期），经历了摸索阶段，焊接机器人在我国已得到迅速应用。 图 焊 接机器人在我国行业的分布 Fig.1.2 Estimated support of industrial robots in China by applications7 根据年的统计 ，全国共有焊接机器人台（不包括港、澳、台），其中弧焊机器多于点焊机器人。汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的，是我国焊接机器人最主要的用户。汽车制造厂的点焊机器人多，弧焊机器人少；而汽车零部件厂则相反。该行业的点焊与弧焊的总比例约为：，其他行业都是以弧焊机器人为主，主要分布在工程机械（）
18、、摩托车（）、铁路车辆（）、锅炉（）等行业。焊接机器人分布在全国的各个经济地区，但主要集中在东部沿海和东北地区。东部的上海和东北的长春这两个汽车城是我国拥有焊接机器人最多的城市。 经过二十多年的发展，我国在焊接机器人技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。据不完全统计，近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均年增长率都超过 ， 焊接机器人的增长率超过了 ；年国产工业机器人数量突破 台，进口机器人数量超过 台，其中绝大多数 应用于焊接领域； 年我国新增机器人数量超过了 台，但仅占亚洲新增数量的 ，远小于韩国所占的 ，更远小于日本所占的 。这对于我国
19、的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受上海交通大学硕士学位论文 到限制。当前焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。一方面，随着技术的发展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段、提高产品质量和增强企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大。 图 年亚洲国家新增工业机器人在各国的分布 Fig.1.3 Estimated yearly support of industrial
20、 robots in Asia6 焊接机器人相关技术的发展 随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已成为必然趋势。焊接机器人突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化生产方式。刚性自动化设备通常都是专用的，只适用于中、大批量产品的自动化生产，因而在多批次、小批量产品的焊接生产中，手工焊仍是主要的焊接方式。以提高机器人作业系统的功能柔性和任务适应性为目标，焊接机器人主要向以下几个方面发展： 一、机器人焊接任务自主规划、离线编程和虚拟示教； 二、焊接机器人初始视觉识别与焊缝跟踪； 三、机器人焊接熔池动态过程的视觉传感、建模与智能控制； 四、多台焊接机器人和外围设
21、备的协调控制技术； 五、焊接机器人系统网络化和遥控焊接技术，。 上海交通大学硕士学位论文 机器人离线编程（ ）系统是机器人编程语言的拓广，它利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的模型，在利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在不使用实际机器人的情况下进行轨迹规划，进而产生机器人程序。它是 一体化的产物。 离线编程技术的最高目标是全自动编程，即只需输入工件的模型，离线编程系统中的专家系统会自动制定相应的工艺过程，并最终生成整个加工过程的机器人程序，称之为“傻瓜编程”。目前，还不能实现全自动编程，自动编程技术是当前研究的重点。 自动编程技术的核心是焊接任务、焊接参数、焊接路径和轨迹
22、的规划技术。针对弧焊应用，自动编程技术可以表述为在编程各阶段中，能够辅助编程者完成独立的、具有一定实施目的和结果的编程任务的技术，是为了提高系统的智能，提高编程的质量和效率而提出来的。主要包括： 焊缝信息的自动获取：焊接特征提取和焊接特征建模技术； 焊接顺序规划：规划多条焊缝的焊接顺序； 焊接参数自动规划：规划焊接过程参数； 焊接路径自动规划：规划焊接过程中焊枪位置和姿态； 机器人自动放置规划：规划机器人和焊接路径之间的相对放置问题。 在焊接领域内，熟练的焊工主要通过视觉来从事焊接操作。随着机器视觉技术的发展，借助于摄像机、红外摄像仪、光探伤仪、高速摄像机等图像传感设备及智能化的图像处理方法等
23、手段，许多焊接机器人及特定的自动焊机也具备了一定的视觉功能。它们不仅可以模拟熟练焊工的视觉感知能力，而且在某些方面可以超越人类的局限，完成诸如：获取并处理强弧光及飞溅干扰下的焊缝图像、实时提取焊接熔池特征参数、预测焊缝的组织、结构及性能等工作，实现在人类难以直接作业的特殊场合（如水下、空间、核辐射环境等）的自动焊接施工，确保焊缝质量的稳定性和可靠性。基于视觉信息的焊缝跟踪是焊接领域内一个比较活跃的研究方向，机器人视觉伺服出现和迅速发展，主要得益于机器人应用领域的扩展以及计算机硬件技术的快速发展，使得图像快速处理成为可能。 多机器人系统是指若干个机器人通过合作与协调而完成某一任务的系统。它包含两
24、方面的内容，即多机器人合作与多机器人协调。当给定多机器人系统某项任务时，首先面临的问题是如何组织多个机器人去完成任务，如何将总体任务分配给各个成员机器人，即机器人之间怎样进行有效的合作。当以某种机制确定了各自任务与关系后，问题变为如何保持机器人间的运动协调一致，即多机器人协调。对于由紧耦合子任务组成的复杂任务而言，协调问题尤其突出。 工业机器人开发生产厂家众多，形成完全统一的标准很困难，现在使用的大量机器人开放性和对外接口也不同，另一方面随着焊接机器人的数量、型号、规上海交通大学硕士学位论文 格的增多和机器人焊接规模生产的扩大，焊接机器人的网络技术、不同焊接机器人通信与协调作业将日渐迫切。同时
25、在危险环境下的焊接作业以机器人完成，则对遥控焊接机器人提出了新的要求，因此，在智能焊接机器人技术中考虑网络技术与遥控技术的结合已成为必然，。 遥控焊接是指人在离开现场的安全环境中对焊接设备和焊接过程进行远程监视和控制， 从而完成完整的 焊接工作。在核电站设备的维修、海洋工程建设以及未来的空间站建设中都要用到焊接， 这些环境中的焊接工作不适合人类亲临现场， 而目前的技术 水平还不可能实现完全的自主焊接， 因此需要采用遥控焊接技术。目前美国、日本、欧洲等国家和地区对遥控焊接进行了深入的研究。 焊接机器人技术的这些研究热点，一般来说研发周期比较长，研发难度比较大，而且研发出来的成果需要接受具体工况的
26、考验，对于企业生产来说，其应用成本相对较高，因此在这些技术的成本没有得到有效控制前，短期内是不会出现大规模商品化的应用。可喜的是，我国已经逐步跟进这些研究热点，全国很多高校和科研院所都投入到这方面进行研究，并取得可喜成绩。如上海交通大学机器人所，哈尔滨工业大学，哈尔滨焊接研究所等。 本课题的主要研究内容 本课题提出了一种免示教的“即插即用”机器人工装夹具控制技术，将工装夹具视为控制平台的标准外部设备，设计开发自带控制器和工装作业信息的工装夹具板。 设计工装夹具时，根据作业工艺的要求，我们将焊缝的位置、焊枪的姿态、焊接速度、焊接电流电压的大小等信息提取出来，通过离线编程方法，将机器人的相对作业程
27、序编制出来，和工装的相关信息一并存入嵌入式工装控制器内。在装夹时控制器根据数据库中的信息控制压紧步数和每步进阶条件，在作业时控制器完成进阶控制并检测相应传感器的信息，将相关信息传递给机器人。 通过在工装接口中预置设备描述信息，系统控制器可自动识别由于作业任务变更而引入的新的工装，并读入相应的工装控制逻辑和相对作业程序，从而支持工装更换的“即插即用”。 本课题以提高工装系统柔性为目标，以日本安川公司生产的 焊接机器人为依托，以机器人轿车座椅焊接工作站的焊接工装为主要研究对象，主要内容为： 相对作业程序编程方法、工装夹紧元进阶控制方案、相对作业程序和标准作业程序的转化、工装信息标准化接口技术等。
28、上海交通大学硕士学位论文 本章小结 本章首先介绍了焊接机器人的发展历程，特别是在我国的发展状况，以及目前焊接机器人技术领域的研究热点和面临的问题，最终根据生产企业的实际情况，提出了本课题的研究内容和完成的任务。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 机器人焊接工作站系统结构 引言 随着轿车市场的竞争，生产任务紧随市场变化，原有的示教在线型机器人轿车座椅焊接系统已难以适应多批次、少批量的生产要求。当新的工装引入时，工程师一般要耗费两天左右的时间来在线示教，才能使焊接工作站正常工作。频繁的更换工装增加了工程师的工作量，降低了工厂设备的使用效率，提高了工厂的管理成本。在线示教耗费大量时间，且需要现场工程
29、师来完成，操作工是难以胜任的。如何在不增加企业负担的前提下解决这一问题？问题的关键在于如何实现工装的快速更换、提高设备使用率、减少现场工程师的工作量。我们提出的焊接工装的即插即用技术可有效解决这一问题。实现焊接工装的即插即用，原有常规的焊接工作站的系统结构已不适合这一技术要求，需要对其进行系统重构，包括硬件重构和软件重构。 焊接工作站工作方式 焊接机器人在提高焊接质量、降低焊接成本、实现焊接自动化方面扮演着重要角色，轿车座椅焊接工作站是将轿车座椅骨架的散件焊接在一起的生产作业单位，所有焊接工作均在工作站上完成。焊接工作站采用手工作业和焊接机器人工作相结合的半自动化生产方式，适度实施自动化。 图
30、2.1 焊接工作站操作工工作区 Fig.2.1 Work area of operator 上海交通大学硕士学位论文 图所示为焊接工作站操作工的工作区。在这个区域，操作工负责将焊 接好的零件卸下和将散件装到工装上去。图所示为焊接机器人工作区，在这个区域焊接机器人负责将在工装上已经装夹好的散件焊接成轿车座椅骨架的零件。这两个区域用挡板隔离，避免装卸过程和焊接过程的相互干涉。焊接工作站工作时，在焊接机器人焊接的同时，操作工装夹好散件，焊接机器人焊接完成后，通过变位器将焊接好的工装旋转到操作工工作区，同时待焊接的工装选装到焊接机器人工作区，操作工卸下焊接好的零件，继续安装，如此循环往复。 图2.2
31、焊接工作站机器人工作区 Fig2.2 Robot work area 焊接工作站充分 发挥了焊接机器人工作效率高， 焊接质量稳定的特点， 这种方式比较适合同工件的大批量焊接制造。 焊接机器人工作过程 示教型机器人特点 图2.3 机器人系统组成 Fig2.3 Frame of industry robotic workcells 在机器人能自动焊接前，必须将控制焊接机器人工作的程序输入控制器，焊接工作站采用的机器人是示教型机器人，图是示教型工业机器人的系统组成：包括示教系统、机器人控制器和机械手。工业机器人示教是指：操作者在实际工作环境中，通过示教系统（一般是示教盒）对机器人进行编程，操作机器人
32、完成上海交通大学硕士学位论文 各作业所需位姿和动作，并记录下各示教点的位姿和动作参数，一组连续的示教点就构成了动作程序。目前，在国内外生产应用的机器人系统大多为示教再现型机器人。 示教再现型机器人在实际生产应用中存在的主要技术问题有： （）机器人的在线示教编程不但过程繁琐、效率低、占用宝贵的生产时间，而且使机器人系统成为一个相对独立的单元，难以实现与其他系统或生产过程的无缝集成； （）示教的精度完全靠示教者的经验目测决定，对于复杂焊缝，难以获得令人满意的示教效果； （）示教过程中，示教人员容易疲劳，还处于机器人工作空间的危险环境下。在我国这些因素成为影响机器人在焊接领域推广应用的主要技术因素。
33、 示教型焊接机器人工作过程 操作者首先操作示教盒找到焊接机器人运行轨迹的第一个关键点，记录下关键点的坐标和调整好的焊枪姿态信息，接着以直线或弧线方式移动到下一关键点，重复上述步骤，在每一个焊接步骤中必须根据焊接工艺的要求，选择适当的焊接速度、焊接电流和电压的大小，并把这些信息也记录下来。当焊接过程中每一个关键点都找到，每一步的信息都已经记录，示教才完成。这些记录下来的连续的步骤就形成了一个焊接程序，以后焊接机器人重复这些动作，就可以自动完成这种相同的焊接工作，如果焊接工作站上更换了不同的工装，必须重新示教。 焊接机器人作业系统结构 原焊接工作站系统结构 研究原焊接工作站的这种工作方式，我们发现
34、，当示教时机器人也要参与其中，而实际上它是没有在生产，没有发挥其应有的价值的。我们希望机器人能不参与到示教中，或参与其中的时间很短。工装的快速更换是问题的关键，如果示教形成的程序在工装设计时就能够做好，在现场安装好就能用，那么这个问题就可以解决。研究形成的作业程序，其焊接条件是不可以变化的，而由于每个焊接工作站的变位器和机器人之间的距离在安装时不是一致的，所以相同的工装在不同的焊接工作站上作业时，以前形成的焊接程序也不可以用，必须重新示教。 研究其系统结构，如图所示。我 们发现，机器人控制器作为整个系统的核心，既要控制机器人，又要控制变位器、工装夹具、焊接系统和其他设备，并上海交通大学硕士学位
35、论文 协调所有部分之间的逻辑关系，耦合严重。我们针对的是工装的快速更换，希望其能独立出来，但是机器人控制器为专用控制器，厂家由于商业原因，其开放性是有限的。在原焊接工作站中机器人专用控制器也作为系统控制器。 工装设计时，工程师只能得到焊缝相对于工装的位置信息和工装夹具的控制逻辑，可以获得相对作业程序和夹具控制程序，这些功能都可以独立出来。如何将相对作业程序存储下来，传给机器人控制器并将其转化为机器人的绝对坐标下的作业程序，首先需要对其原有的系统进行重构。 图2.4 原工业机器人焊接系统 Fig.2.4 Already existing industry robotic welding work
36、cells 焊接工作站系统重构 我们提出在工装夹具设计阶段，工程师根据工艺要求，归纳整理出焊缝位置、焊枪姿态、焊接速度、焊接电流电压等信息，然后利用离线编程工具，编制出机器人的相对作业程序，并和工装的相关信息一并存入嵌入式工装接口内。 相对作业程序是指在工装板上相对于安装孔位置不变的地方建立的工装坐标系中描述的焊接机器人工作程序。采用离线编程办法，机器人焊接轨迹规划、焊接程序编制、以及程序调试等工作均可离线完成，不需要机器人本身的参与。机器人平台安装后，由于工装板相对于变位器的位姿信息已知，所以，只需通过刚体运动变换，即可方便地将相对作业程序转换成机器人的标准作业程序。系统通电初始化时，首先读
37、入每一块智能工装的相关信息，并检索系统过去建立的数据库，发现有新的工装接入时，提示操作者，并等待确认，一旦确认，就在系统工装数据库中添加新的工装信息，并读入该工装的相对作业程序，转换成机器人上海交通大学硕士学位论文 标准作业程序。系统控制器根据数据库中的工装控制信息控制压紧步数和每步进阶条件（相应传感器的信号反映了压紧气缸是否到位）；焊接时，系统控制器将指示机器人调用相应的作业程序。采用该技术，由嵌入式工装接口完成工装信息向系统控制平台的“即插”传递，系统控制平台完成相对作业程序向标准作业程序的“即用”转换，工装更换无须过多的人工干预，做到了“即插即用”。 形成的相对作业程序可以在工装上安装嵌
38、入式控制器来存储，并且可以存储工装夹紧元（如气缸）进阶控制程序。将相对作业程序转化为标准作业程序的软件由于要求计算速度快，存储量大，而机器人控制器开放性是有限的，则引入一个新的工控机，其作为系统控制器，负责机器人控制器和工装接口之间的通信，相对坐标和绝对坐标间转化的计算，并把形成的绝对工作程序传递给机器人控制器，这样就完成了工装的即插即用功能，不需要在现场示教。并且工控机计算能力强、软硬件配置灵活的优势为后续的进一步研究提供了很好的发展基础。重构后的系统如图所示。 图2.5 工业机器人焊接系统重构 Fig2.5 Reconstruction Industry Robotic Welding W
39、orkcells 系统重构后的结构详细说明如下：在原系统中引入系统控制器和工装控制器，分别用于控制焊接工作的流程和工装夹具，而机器人控制器仅用于控制机械手、变位器以及焊接系统和其他工具；以系统控制器、机器人、变位器和焊接系统为基本单元组成的开放式作业系统控制平台，可以根据应用需求灵活地配置软上海交通大学硕士学位论文 硬件，设定作业流程；工装夹具被视为系统控制平台的标准外部设备，通过在其中预置设备描述信息，可以支持工装的自识别，工装设计时直接将相对焊接作业程序存入工装接口中，工装接口和系统控制器配合，将相对作业程序转化为焊接机器人的标准作业程序。采用以上措施，减免了工装更换时繁琐的调试，同时也增
40、强了控制系统的柔性。工装接口负责工装夹具与系统控制平台之间的物理连接与信息交互，对整个焊接机器人作业系统的正常工作起重要作用。 系统概况 在即插即用焊接工装快速更换的理念下，系统重构中的硬件配置我们选用了作为工装控制器， 工控机作为系统控制器。以日本安川公司生产的机器人 为焊接机器人。工装控制器和系统控制器采用接口，采用异步串行数据通讯方式 进行数据通信。 本章小结： 在本章中，首先全面介绍了示教型焊接机器人的工作方式和其系统机构，分析其中的工装更换慢的问题，提出了有效提高工装更换速度的工装即插即用技术，并对原有的系统结构进行重构，以达到焊接工装快速更换的目的。 上海交通大学硕士学位论文 第三
41、章 相对作业程序与标准作业程序的转化 引言 机器人为六轴联动机器人，通过控制各个关节的电机来使焊枪达到目的地，其最终执行的标准作业程序中，用不直观的六电机的脉冲值来表示焊枪的位置和姿态。而设计工装时，焊缝相对于工装的位置已知，所以预先编制的相对作业程序中，用人们能直观理解的相对于工装安装孔建立的直角坐标系下的直角坐标和方向角来表示。这两种表示形式可以通过刚体变换进行相互转化，为相对作业程序与标准作业程序的转化提供了基础。 首先需要确定机器人的运动方程，确立在六个电机的转角和空间直角坐标系下焊枪位姿的关系，然后反向求解得到转角和位姿的关系，进而得到各电机脉冲值和焊枪位姿的关系。 其次要解决在安装
42、孔坐标系下焊枪的位姿和在机器人直角坐标系下焊枪位置的关系，提出了三点标定方法，确定这一关系。 数学基础， 机械手作为机器人系统的机械运动部分，采用矩阵法来描述其运动，这种数学描述以四阶方阵变换三维空间点的齐次坐标为基础，能将运动、变换和映射与矩阵运算联系起来。 位置和姿态的表示 建立一个坐标系后，我们就能够用某个位置矢量来确定该空间内任意一点的位置。对于直角坐标系，空 间任一点的位置可用的列矢量TzyxApppP ,=来表示。其中，xp， yp， zp是点在坐标系中的三个坐标分量。 为了研究机器人的运动和操作，往往不仅要表示空间某个点的位置，而且需要表示物体的方位（）。物体的方位可由某个固结于
43、此物体的坐标系描述。为了规定空间某刚体的方位，设置一直角坐标系与此刚体固接，用坐标系的三个单位主矢量 Bx， By， Bz相对于直角参考系的方向余弦组成上海交通大学硕士学位论文 的 矩阵 BABABABAxxxR =来表示刚体相对于坐标系的方位。 BAR称为旋转矩阵。 图3.1 物体的位置和姿态3 Fig.3.1 Location an object in position and orientation3 如图所示：要完全描述刚体在空间的位姿（位置和姿态），通常将物体与某一坐标系相固接，的坐 标 原点一般选在物体的特征点上。相对于参考系，坐标系的原点位置和坐标轴的方位，分别由位置矢量oBAp
44、 和旋转矩阵 BAR 描述，这样刚体的位姿可由坐标系来描述，即有oBABApRB=。 坐标变换和齐次坐标变换 （） 平移坐 标变换 设坐标系与有相同的方位，但坐标系的原点与的原点不重合。用位置矢量oBAp 描述它相对于的位置，如 图所示。如果点在坐标系中的位置为 pB，那么它相对于坐标系的位置矢量 pA可由矢量相加得出，即 oBABAppp+= （） 上海交通大学硕士学位论文 图3.2 平移变换 图3.3 旋转变换转 Fig.3.2 Translation Change Fig3.3 Rotation Change （）旋转坐标变换 设坐标系与有共同的坐标原点，但两者的方位不同，如图所示。用旋
45、转矩阵 BAR 描述坐标系相对于的方法。同一点两个坐标系和中的描述 pA和 pB具有如下变化关系： pRpBBAA= （） 对于最一般的情形：坐标系的原点与的原点既不重合，的方位与也不相同。用位置矢量oBAp 描述的坐标原点相对于的位置；用旋转矩阵 BAR 描述坐标系相对于的方法，则对于任一点在两坐标系和中的描述 pA和 pB具有如下变化关系： oBABBAAppRp += （） （）齐 次变换 已知一直角坐标系中某点的坐标，那么该点在另一直角坐标系中的坐标可通过齐次坐标变换求得。变换式（）对于点 pB而言是非齐次的，但可以将其表示成等价的齐次变换形式 =111popRpBBABAAo （）
46、其中，的列矢量表示三维空间的点，称为齐次坐标，仍然记为 pA或 pB。可以把等式（）写成矩阵形式 上海交通大学硕士学位论文 pTpBBAA= （） （）平移齐次坐标变换 空间的某点由矢量 ckbjai+描述，其中，为轴，上的 单位矢量，此点可用齐次变换表示为： =1000100010001),( cbacbaTrans （） 其中，表示平移变换。 （）旋转齐次坐标变换 对应于轴，或作转角为 的旋转变换，分别可得 =100000000001),( csscxRot （） =100000001000),( csscyRot （） =100001000000),( cssczRot （） 等式中，表示旋转变换。 变换方程初步 可以把任何机械手看作是一系列由关节连接起来的连杆构成的，则为机械手的每一连杆建立一坐标系，并用齐次变换来描述这些坐标系间的相对位置和姿态。通常把描述一个连杆与下一个连杆间相对关系的齐次变换叫做矩阵。如果表示第一个连杆对 于基系的位姿，表示第二个连杆相对于第一个连杆的位姿，那么第二个连杆在基系中的位置和姿态可由下列矩阵的乘积给出 212AAT= 同理，若表示第三个连杆相对于第二个连杆的位置和姿态，则有 上海交通大学
