汽车座椅框架焊接机器人程序编制及路径规划解析.docx
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汽车座椅框架焊接机器人程序编制及路径规划解析
2015届毕业生
毕业设计说明书
题目:
汽车座椅框架焊接机器人程序编制及路径规划
院系名称：
电气工程学院专业班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
教师职称：
教授
2015年05月20日
目次
1.绪论1
1.1焊机机器人发展趋势1
1.2焊接机器人的优点1
2.焊接机器人型号及辅助硬件3
2.1焊接机器人型号3
2.2IRB2600机器人3
2.3辅助硬件4
3.编程准备工作5
3.1焊接参数5
3.2配置I/O单元5
3.3RAPID语言分析9
4.构建基本仿真机器人工作站12
4.1布局机器人基本工作站12
4.2工具数据tooldata的设定12
4.3工件坐标wobjdata的设定14
4.4程序流程图16
总结17
致谢18
参考文献19
附录:
仿真程序20
1.绪论
焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。
根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准焊接机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。
为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。
焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。
1.1焊机机器人发展趋势
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2005年全世界在役工业机器人约为91.4万套，其中日本装备的工业机器人总量达到了50万台以上，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2005年就达12.1万台。
我国自上个世纪70年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在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，最近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均每年的增长率都超过40%,焊接机器人的增长率超过了60%；2004年国产工业机器人数量突破1400台，进口机器人数量超过9000台，这其中的绝大多数都应用于焊接领域；2005年我国新增机器人数量超过了5000台，但仅占亚洲新增数量的6%，远小于韩国所占的15%，更远小于日本所占的69%。
这样的增长速度相对于我国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到限制。
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，我国经济的发展，由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增加企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大。
1.2焊接机器人的优点
生产力的不断进步推动了科技的进步与革新，建立了更加合理的生产关系。
自工业革命以来，人力劳动已经逐渐被机械所取代，而这种变革为人类社会创造出巨大的财富，极大地推动了人类社会的进步。
时至今天，机电一体化、机械智能化、等技术技术应运而生。
人类充分发挥主观能动性，进一步增强对机械的利用效率，使之为我们创造出更加巨大的生产力，并在一定程度上维护了社会的和谐。
工业机器人的出现是人类在利用机械进行社会生产史上的一个里程碑。
在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。
国外汽车行业、电子电器行业、工程机械行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。
全球诸多国家近半个世纪的工业机器人使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产、提高社会生产效率、推动企业和社会生产力发展的有效手段。
机器焊接与人工焊接比较分析如表1.1所示：
表1.1机器人焊接与人工焊接对比
对比因素
机器人焊接
人工焊接
生产效率
500-1500mm/分钟（根据不同产品调节）
200-500mm/分钟（工人熟练度）
产品品质
焊接位置一致性高，焊道美观，焊渣少，减少了后期清渣打磨工作
容易出现出虚焊漏焊，焊渣多，浪费焊丝
工资成本
1.一个工人可以操作多台机器人
2.机器人寿命长达15年
3.机器人每2年保养一次，保养费用不到500（更换电池，换润滑油等）
以一个焊工5000元月薪计算，同等效率下，需要3-5名焊工，每月支出15000-25000元
管理成本
不需要
各类保险福利，工人偷懒、情绪造成的产品损失的综合管理成本
稳定性
不会流失
社会上从事对身体有害的的工作的工人越来越少，难以招聘，并且技术熟练的工人流失率很高
安全性
按照手册进行保养，安全可靠性高，事故率低
焊接烟尘和弧光对工人造成职业病，为企业留下隐患
由此可见，采用焊接机器人的生产效率成本高于人工焊接，所以焊接机器人是焊接领域发展的趋势。
2.焊接机器人型号及辅助硬件
2.1焊接机器人型号
IRB1400：
工作范围较小，最大承载5kg，常用于焊接与小范围搬运。
IRB2400：
工作范围较小，最大承载16kg，常用于焊接、涂刷、搬运与切割。
IRB2600：
工作范围较大，最大承载20kg,常用于焊接、搬运、上下料。
IRB400：
工作范围较大，最大承载60kg，常用于搬运。
IRB6400：
工作范围较大，最大承载200kg，常用于搬运与点焊。
IRB6400：
RIRB6400升级版，1999年开始生产，2000年后全面替代IRB6400。
IRB640：
工作范围较大，最大承载160kg，堆垛专用的四轴机器。
IRB140：
工作范围很小，最大承载为5kg，常用于焊接。
IRB840：
工作范围很大，最大承载1200kg，搬运专用龙门架机器人。
IRB340：
最大承载为1kg，分拣专用机器人。
2.2IRB2600机器人
IRB2600机器人,“锋芒一代（SharpGenneration）”机器人第2种型号IRB2600携增强创新功能问世，该机身紧凑，荷重能力强，设计优化，适合弧焊、物料搬运、上下料等应用，提供了3中子型号，可以灵活选择落地、壁挂、支架、斜置、倒置等安装方式。
IRB2600优点：
1）精度至高：
IRB2600的精度是同类产品之最，其操作速度快，废品率更低。
在扩大产能、提升效率方面将起到举足轻重的作用，尤其适合弧焊等工艺应用。
其高精度由专利的TrueMoveTM运动控制软件实现。
2）周期至短：
IRB2600采用优化设计，机身紧凑轻巧，节拍时间与行业标准相比可缩减多达25%。
专利的QuickMove运动控制软件使其加速度达到同类最高，并实现速度最大化，从而提高产能与效率。
3）范围超大：
IRB2600工作范围超大，安装方式灵活，可以轻松直达目标设备，不会干扰辅助设备。
优化机器人安装，是提升生产效率的有效手段。
模拟最佳工艺布局时，灵活的安装方式更能带来极大的便利。
4）设计紧凑：
IRB2600的底座同IRB4600一样小，可与目标设备靠得更近，从而缩小整个工作站的占地面积。
小底座还为下臂进行正下方操作创造了有利条件。
5）防护最佳：
ABB工业机器人防护设计之周全居业内领先水平。
IRB2600标准达到IP67防护等级，另有铸造专家2型、铸造权威2型和洁净室版本等三款升级机型可供选择。
2.3辅助硬件
图2.1焊接电源图2.2冷却装置图2.3保护气体
图2.4地线图2.5送丝机图2.6焊枪
注：
焊接电源，使用FroniusTPS5000全数字化控制的逆变焊接电源。
3.编程准备工作
3.1焊接参数
焊接参数（WeldData）是用来控制在焊接过程中机器人的焊接速度，以及输出的电压和电流的大小。
选择合适的焊接工艺参数，对提高焊接质量和提高生产效率是很重要.焊接工艺参数（焊接规范）是指焊接时,为保证焊接质量而选定的诸多物理量.典型的有焊接电流、焊接电压（通常用电弧长）、焊接速度等等。
对于不同的焊接方法，又有着不同的焊接参数。
视具体情况而定。
电弧电压：
电弧电压必须与焊接电流合理的进行匹配，提高电弧电压，可以显著增大焊缝宽度。
当母材根部的间隙较大时，可适当降低电弧电压，同时焊接速度也应适当降低。
焊接速度：
焊接速度应能满足不同种类钢材对焊接线能量的要求。
各参数相对应数值可参表3.1焊接参数选择表进行选用。
母材厚度mm
焊接电流A
电弧电压V
气体流量L/min
焊接速度cm/min
1～1.5
75～80
17.5～18
10～12
20～30
2～2.5
85～100
18.1～18.5
12～15
20～25
3～4
100～130
18.5～19.7
15
20～30
5～6
110～140
18.5～20.1
15
20～35
8～12
110～180
18.5～22
18
20～35
表3.1焊接参数选择表
3.2配置I/O单元
在仿真环境中，动画效果均由智能组建Smart创建，Smart组件的动画效果通过其自身的输入/输出信号与机器人的I/O信号相关联，最终实现工作动画效果与机器人程序的同步。
在创建这些信号时，需要严格按照表格中的名称一一进行创建。
将定义好的I/O信号与弧焊软件的相应端口进行关联后，系统会自动处理关联好的信号。
在进行焊接程序编写和调试时，就可以通过弧焊软件专用的RAPID指令简单高效的对机器人进行弧焊连续工艺的控制。
所需关联的信号如下表3.2所示：
表3.2关联信号一览表
Name
TypeofSignal
I/O信号注解
ao01Weld-REF
AnalogOutput
焊接电压控制模拟信号
ao02Feed-REF
AnalogOutput
焊接电流控制模拟信号
do01WeldOn
DigitalOutput
焊接启动数字信号
do02GasOn
DigitalOutput
打开保护气数字信号
do03FeedOn
DigitalOutput
送丝信号
do04Pos1
DigitalOutput
转台转到A工件
do05Pos2
DigitalOutput
转台转到B工件
do06CycleOn
DigitalOutput
机器人处于运行状态信号
do07Error
DigitalOutput
机器人处于错误报警状态信号
do08E-Stop
DigitalOutput
机器人处于急停状态信号
do09GunWash
DigitalOutput
清枪装置清焊渣信号
do10GunSpay
DigitalOutput
清枪装置喷雾信号
do11FeedCut
DigitalOutput
剪焊丝信号
di01ArcEst
DigitalInput
起弧检测信号
di02GasOK
DigitalInput
保护气检测信号
di03FeedOK
DigitalInput
送丝检测信号
di04Start
DigitalInput
启动信号
di05Stop
DigitalInput
停止信号运行
Di06WorkStation1
DigitalInput
转台转到工位A信号
Di07WorkStation2
DigitalInput
转台转到工位B信号
Di08LoadingOK
DigitalInput
工件装夹完成按钮信号
Di09ResetError
DigitalInput
错误报警复位信号
Di10StartAt-Main
DigitalInput
从主程序开始信号
Di11MotorOn
DigitalInput
电动机上电输入信号
soRobotInHome
DigitalOutput
机器人在Home点信号
soRotToA
DigitalOutput
转台旋转到A工位控制信号
soRotToB
DigitalOutput
转台旋转到B工位控制信号
在仿真软件Robotstudio虚拟示教器中，进行I/O信号与焊接软件关联的的实际操作如下：
1.在“控制面板”中，选择“配置”如图3.1。
图3.1控制面板配置
2.打开“主题”菜单，选择“PROC”。
如图3.2
图3.2控制面板PROC
根据3.3章I/O表3.2内容对ArcEquipmentAnalogueOutput、ArcEquipmentDiditalOutput、ArcEquipmentDiditalInput三个参数进行设定。
设定结束后，重启系统使其参数生效。
如图3.3
图3.3控制面板参数设定
3.3RAPID语言分析
RobotStudio用RAPID语言编写程序，RAPID是一种高级编程语言，为二级语言。
MODULEMainModule
......定义变量
PROCmain（）
......主程序
ENDPROC
ENDMODULE
上面所示的是典型的RAPID程序结构。
一个RAPID程序可以含有一个或是几个module，每一个module可以包含一个或几个程序。
但是只能有一个module。
保存时以.mod格式保存。
系统模块保存格式为.sys，系统程序是不能随便改动的。
Ⅰ.RAPID语言的基本数据
RAPID语言主要有以下四种数据格式，如表3.3所示。
表3.3RAPID数据
RAPID
数据
变量（Variables）
num，string，bool三种格式
持续变量（Persistentvariables）
与变量基本一样，但是它总是记住它上次被赋予的值
常量（Constants）
常量，一直不变
运算符（operators）
数值运算符（numericaloperators）
“+”“-”“*”“/”
关系运算符（relationaloperators）
“="、“<"、“>，，、“<="、“>="、“<>’’
字符连接运算符（stringoperators）
“+”
（1）在程序模块定义变量部分时，最常见的为下面的格式：
CONSTrobtargetp0：
=[[600，500，225．3]，[1，0，0，0]，[1，1，0，0]，[11，12．3，9E9，9E9，9E9，9E9]其中[600，500，225．3]表示目标点的位置；
[1，0，0，0]是四元素，表示工具方向与工件坐标系一致；
[1，1，0，0]表示规划时，1和4轴在90-180。
方向上，6轴在0-90。
方向上；
[11，12．3，9E9，9E9，9E9，9E9]中11和12．3表示是外轴a和b，c到f未定义，则值为9E9。
表3.4RAPID的数据格式
数据类型
名字
描述
pos（位置）
Tran
X，Y，z坐标值
orient（方向）
Rot
方向
confdata（规划数据）
Robcon
各个轴的角度
extjoint（外轴）
exta
共6个外轴，如果值为9E9，则表明没有使用外轴
（2）RAPID中的multiplevalues有数组和compositedata。
数组定义格式为：
VARnummy_array{4}；定义的是含有四个数的数组。
具
体定义数组的值时，格式为：
my_array：
=[4，5，7，9]，若为同一个数,则定义成my_array{4}：
=i0。
compositedata是一种包括多于一个量的数据类型，它被声明为一个常见的量但是包含一些预选定义的量。
例如位置表达式：
VARposposl；posl：
=[100，200，300];
若是单一量可以表示成posl．z：
=300：
方向表达式也是同样如此，只不过方向在机器人中是用四元素来表达的。
（3）RAPID函数与指令相似但是返回一个值。
因为函数返回一个值，可以将这个值赋给一个变量。
例如：
regl：
=Cos（reg2）：
表示的是regl的值为reg2的余弦值。
Ⅱ.RAPID基本移动指令
RAPID的优点在于除了有其它高级编程语言的基本功能外，它是专门用来控制机器人的，最重要的是，一些是特意为使机器人移动而用的指令。
MOVEL（MOVEJ，MOVEC）plO，v1000，fine，toolO：
MOVEL是一个使机器人从当前位置直线移动到期望目标点的指令；M0VEJ用
来在动作不是直线时快速移动机器人从一点到另一点；MOVEC用于机器人循环弧线移动。
plO表明机器人将要移动到的位置，用户定义时，以P打头，后面以10的倍数命名，还有就是自动生成的例如Target-10等样式的目标点表达式；
v1000表明机器人的速度为1000mm／s；
fine表明机器人将精确到达所希望到达的点而不会减少到达下一位置的路径，还有例如zlO等指令，表明机器人路径在到达目标点时减少10mm。
toolO表明是默认的工具0，是机器人末端法兰，也可以用工具1，2等，这些工具都是用户自己定义的。
4.构建基本仿真机器人工作站
4.1布局机器人基本工作站
选择相应设备添加到工作站。
选择设备有焊枪BinzelTool、控制柜IRC5-Singel-Cabinet、机器人基座Pedestal-h440、焊枪清洗Torch-cleaner-binzel、示教器FlexPendant依次添加设备并布局即可创建机器人系统。
工作站建立如下图4.1机器人工作站。
图4.1机器人工作站
4.2工具数据tooldata的设定
工具数据tooldata用于描述安装在机器人第六轴上的工具TCP、质量、重心、等参数数据。
一般不同的机器人应用配置不同的工具,比如说焊接机器人就使用弧焊枪作为工具。
默认工具（tool0）的工具中心点（ToolCenterPonit）位于机器人安装法兰的中心。
TCP的设定原理如下：
1）首先在机器人工作范围内找一个非常精确地固定点作为参考点。
2）然后再工具上确定一个参考点（最好是工具的中心点）
3）有手动操作机器人的方法去移动工具上的参考点，以四种以上不同的机器人姿态尽可能与固定点碰上为了准确获得准确TCP，亦可使用六点进行操作。
4）机器人通过这四个位置点的位置数据计算求得TCP的数据，然后TCP的数据保存在tooldata这个程序数据中被程序调用。
“四点法”函数依据：
机器人基坐标系为R，机器人末端坐标系为M，工具坐标系为T。
工具坐标
系标定就是要得到工具末端相对于机器人基坐标系的位姿矩阵足耳。
机器人末端
相对于机器人基坐标系的位姿矩阵为R％，该矩阵是己知的；工具坐标系相对于
机器人末端坐标系为R写，工具坐标系相对于机器人末端坐标系为肼耳，它们的
相互关系如下：
（4-1）
工具末端在参考点A处的四次接近时，位置相同，姿态不同，可以计算出工具坐标系的位置参数。
A点在机器人基坐标系下的位置为
，工具末端位置在机器人基坐标系下的参数为
。
上式（4-1）变为：
（4-2）
将四个接近点的数据代入上式，可得工具坐标系在机器人基坐标系下的位置。
图4.2四点接近法
4.3工件坐标wobjdata的设定
工件坐标对应工件，它定义工件相对于大地坐标（或其他坐标）的位置。
机器人可以拥有若干个工件坐标系，或者表示不同工件，或者表示同一工件在不同位置的若干副本。
对机器人进行编程时就是在工件坐标中创建目标和路径，优点如下：
1）重新定位工作站中的文件时，只需要该工件坐标的位置，所有路径将即刻随之更新。
2）允许操作以外轴或者传送导轨移动的工件，因为整个工件可连同其路径一起移动。
用户坐标系时通过三点法来确定的。
图4.3用户坐标系的确定
如图4.3所示，点P1,P2和P3三点的坐标为：
由于这三点不在同一直线上，由这三点确定的平面，平面方程为：
（4-3）
平面的法向量n,向量AB与向量AC如下:
（4-4）
所有系数
（4-5）
平面法矢量为用户坐标系的z轴矢量，
（4-6）
Y轴由右手法则确定。
（4-7）
工件坐标系的标定原理与用户坐标系标定原理一样，如图4.4所示
图4.4工件坐标系的确定
4.4程序流程图
图4.5程序流程图
仿真程序见附录。
总结
通过此次毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。
毕业设计是我作为一名学生即将完成学业的最后一次作业，他既是对学校所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好开端，毕业设计是我对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力；是我在校期间向学校所交的最后一份综和性作业
毕业的时间一天一天的临近，毕业设计也接近了尾声。
在不断的努力下我的毕业设计终于完成了。
在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的大概总结，但是真的面对毕业设计时发现自己的想法基本是错误的。
毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫然。
自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。
通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。
最后终于做完了有种如释重负的感觉。
此外，还得出一个结论：
知识必须通过应用才能实现其价值！
有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。
致谢
在此要感谢我们的指导老师宁祎老师对我悉心的指导，感谢同学们给我的帮助。
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。
虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。
参考文献
[1]胡绳荪等．焊接自动化技术及其应用．北京：
机械工业出版社，2007．
[2]许燕玲，林涛，陈善本．焊接机器人应用现状与研究发展趋势．金属加工．焊接与切割．2010（8）：
32—36．
[3]贾守波.城市排水管道机器人工程样机的研究[D].200
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