《焊接机器人跟踪与仿真技术》马国红，许燕玲，何银水|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《焊接机器人跟踪与仿真技术》

【作　者】马国红，许燕玲，何银水

【丛书名】先进焊接技术系列

【页 数】 131

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2021.02

【ISBN号】978-7-111-67072-8

【分 类】焊接机器人

【参考文献】 马国红，许燕玲，何银水. 焊接机器人跟踪与仿真技术. 北京：机械工业出版社, 2021.02.

图书封面：

图书目录：

《焊接机器人跟踪与仿真技术》内容提要：

《焊接机器人跟踪与仿真技术》有针对性地阐述了焊接机器人图像传感与处理、机器人焊接自主导引与跟踪、焊接机器人建模与控制、焊接机器人离线仿真等关键技术。在介绍基础性知识的同时，对专业性内容进行了适度的阐述解析与探讨，力求为读者展示当前焊接机器人传感与仿真技术，拓展读者的思维方式。 书中嵌入了作者相关研究工作的视频二维码，读者可以用手机扫码观看。

《焊接机器人跟踪与仿真技术》内容试读

第1章绪·论

焊接机器人技术与先进焊接方法通常是指基于机器人焊接平台，实现焊接产品制造的自动化、数字化、高效率、高质量等目标的焊接方法与技术。这种先进焊接方法与技术突破了传统的焊接方式，提高了焊接产品的质量与焊接效率，极大地满足了焊接产品制造的要求，代表了焊接技术的一种发展趋势。

1.1机器人的定义

国际上关于机器人的定义主要有如下几种。

(1)英国简明牛津字典的定义机器人是“貌似人的自动机，是具有智力的和顺从于人的，但不具人格的机器”。

这一定义并不完全正确，因为还不存在与人类相似的机器人在运行。这是一种理想的机器人。

(2)美国机器人协会(RLA)的定义机器人是“一种用于移动各种材料

零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手(manipulator)”。

尽管这一定义较实用，但并不全面。这里指的是工业机器人。

(3)日本工业机器人协会(JIRA)的定义工业机器人是“一种装备有记忆

装置和末端执行器(end effector)的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。

或者分为两种情况来定义：

1)工业机器人是“一种能够执行与人的上肢（手和臂）类似动作的多功能机器”。

2)智能机器人是“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器”。前一定义是工业机器人的一个较为广义的定义。后一种则分别对工业机器人和智能机器人进行定义。

(4)美国国家标准局(NBS)的定义机器人是“一种能够进行编程并在自

焊接机器人跟踪与仿真技术

动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。2

这也是一种比较广义的工业机器人定义。

(5)国际标准化组织(IS0)的定义“机器人是一种自动的、位置可控的、

具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。

显然，这一定义与美国机器人协会的定义相似。

(6)我国对机器人的定义随着机器人技术的发展，我国也面临讨论和制定关于机器人技术的各项标准问题，其中包括对机器人的定义。蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”(a mechantronic device to imitatesome human functions)。我们可以参考各国的定义，结合我国情况，对机器人做出统一的定义。

上述各种定义有共同之处，即认为机器人：①像人或人的上肢，并能模仿人的动作；②具有智力或感觉与识别能力；③是人造的机器或机械电子装置。

随着机器人的进化和机器人智能的发展，这些定义都有修改的必要，甚至需要对机器人重新定义。

机器人的范畴不但要包括“由人制造的像人一样的机器”，还应包括“由人制造的生物”，甚至包括“人造人”，尽管我们不赞成制造这种人。看来，本来就没有统一定义的机器人，今后更难为它下个确切的和公认的定义了。

1.2机器人的发展历程

1.2.1机器人的产生与发展

“机器人”是存在于多种语言和文字的新造词，它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造出一种像人一样的机器或“人造人”，以便能够代替人去完成各种工作。

尽管直到30多年前，“机器人”才作为专有名词加以引用。然而机器人的概念在人类的想象中却已存在3000多年了。早在我国西周时代（公元前1066年一公元前771年)，就流传有关巧匠偃师献给周穆王一个歌舞机器人的故事。作为第一批自动化动物之一的能够飞翔的木鸟是在公元前400年一公元前350年间制成的。公元前3世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特岛国王迈诺斯塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯。在公元前2世纪的书籍中，描写过一个具有类似机器人角色的机械化剧院，这些角色能够在宫廷仪式上进行舞蹈和列队表演。

我国东汉时期（公元25年一220年），张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形。

人类历史进入近代之后，出现了第一次工业和科学革命。随着各种自动机器、

第1章绪论

动力机和动力系统的问世，机器人开始由幻想时期转人自动机械时期，许多机械控制的机器人应运而生，主要是各种精巧的机器人玩具和工艺品。

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公元1768年一1774年间，瑞士钟表匠德罗斯父子三人设计制造出三个和真人

一样大小的机器人一写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人。它们是由凸轮控制和弹簧驱动的自动机器，至今还作为国宝保存在瑞士纳切特尔市艺术和历史博物馆内。同时，还有德国梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龙戈雷姆”，日本物理学家细川半藏设计的各种自动机械图形，法国杰夸特设计的机械式可编程序织造机等。1893年加拿大摩尔设计的能行走的机器人“安德罗丁”，是以蒸汽为动力的。这些机器人工艺珍品，标志着人类在机器人从梦想到现实这一漫长道路上前进了一大步。

进入20世纪之后机器人已躁动于人类社会和经济的母胎之中，人们含有几分不安地期待着它的诞生。他们不知道即将问世的机器人将是个宠儿，还是个怪物。1920年捷克剧作家卡雷尔·凯培克(Karel Capek)在他的幻想情节剧《罗萨姆的

万能机器人》(R.U.R.)中，第一次提出了“机器人”这个名词。各国对机器人

的译法，几乎都从斯洛伐克语robota音译为“罗伯特”（如英语robot,日语口术y卜，俄语po6oT,德语robot等)，只有中国译为“机器人”。1950年，美国著名科学幻想小说家阿西莫夫在他的小说《我是机器人》中，提出了有名的“机器人三守则”：

1)机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人将受害而袖手旁观。2)机器人必须绝对服从于人类，除非这种服从有害于人类。

3)机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是人类命令它做出牺牲。

这三条守则给机器人社会赋以新的伦理性，并使机器人概念通俗化，更易于为人类社会所接受。至今它仍为机器人研究人员、设计制造厂家和用户，提供了十分有意义的指导方针。

多连杆机构和数控机床的发展和应用为机器人技术打下重要基础。

1954年美国人乔治·德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业机器人，并于1961年发表了该项机器人专利。1962年美国万能自动化(Unimation)公司的第一台机器人Unimate在美国通用汽车公司(GM)投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。从此机器人开始成为人类生活中的现实。

第一台工业机器人问世后的头10年，即从20世纪60年代初期到70年代初期，机器人技术的发展较为缓慢，许多研究单位和公司所做的努力均未获得成功。

这一阶段的主要成果有美国斯坦福国际研究所(SRI)于1968年研制的移动式智

能机器人夏凯(Shakey)和辛辛那提·米拉克龙(Cincinnati Milacron)公司于

1973年制成的第一台适于投放市场的机器人T3等。

进入20世纪70年代之后人工智能学界开始对机器人产生浓厚兴趣。他们发现机器人的出现与发展为人工智能的发展带来了新的生机，提供了一个很好的试验平

焊接机器人跟踪与仿真技术

台和应用场所，是人工智能可能取得重大进展的潜在领域。这一认识，很快为许多

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国家的科技界、产业界和政府有关部门所赞同。随着自动控制理论、计算机和航天技术的迅速发展，到了70年代中期，机器人技术进入了一个新的发展阶段。到70年代末期，工业机器人有了更大的发展。进入20世纪80年代后，机器人生产继续保持70年代后期的发展势头。到80年代中期机器人制造业成为发展最快和最好的经济产业之一。

到20世纪80年代后期，由于传统机器人用户应用工业机器人已趋饱和，从而造成工业机器人产品的积压，不少机器人厂家倒闭或被兼并，使国际机器人学研究和机器人产业出现不景气。到20世纪90年代初机器人产业出现复苏和继续发展的迹象。但是好景不长，1993年一1994年又出现低谷。1995年以来世界机器人数量逐年增加，增长率也较高。到2000年服役机器人约100万台：机器人产业仍然维持较好的发展势头，满怀希望跨入21世纪。

1.2.2工业机器人发展现状

机器人进入21世纪后，受益于微电子芯片、软件、人工智能技术等快速发展，在工业、家居、娱乐等方面发展迅猛。目前为止，国外工业机器人在各个行业领域的应用逐步扩大，研发出的机器人更加成熟，功能更加全面，可靠性、智能性更高，包括焊接机器人、搬运机器人、下料机器人、服务机器人、娱乐机器人等，已

经形成了一批掌握先进机器人技术的著名机器人公司，比如日本的FANUC、MO

TOMAN、安川、川崎等机器人公司，美国的Adept Technologe、AmericanRobotSTRobotics等有国际影响力的工业机器人供应商，德国的KUKA、CLOOS公司，英国的Auto.Tech Robotics公司，意大利的COMAU公司，瑞典的ABB公司，奥地利

的IGM公司等。这些知名机器人公司推动着机器人技术的发展，同时也是各自国

家的标杆性企业，这些国际性知名企业大概把持着全球机器人份额的80%，并且销量仍在逐年增长。从20世纪70年代以来，机器人产业就一直保持稳定增长的势头，市场前景非常的好。

2018年世界机器人大会(WRC2018)报告指出，全球机器人产业在基础技术、

市场规模、企业智能化转型方面持续提升，2013年一2018年平均增长率约为

15.1%,2018年市场规模达到298.2亿美元，其中工业机器人168.2亿美元，服务机器人92.5亿美元，特种机器人37.5

口工业机器人

亿美元，如图1-1所示。

56.40%

中国焊接机器人经过“七五”“九

■服务机器人

五”攻关计划和863计划的支持已经取

31.02%

得了较大进展，建立了9个机器人产业

口特种机器人

12.58%

化基地和7个科研基地。基地的建设给产业化带来了希望，为发展我国机器人

图1-12018年世界机器人市场分布

第1章绪论

产业奠定了基础。但目前国内市场上的机器人进口仍占了绝大多数。我国工业机器人销量已连续三年保持全球第一，并成为全球最大的工业机器人消费市场。根据统

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计数据，我国工业机器人销量由2001年的不到700台迅猛增长到2015年的约70000台，15年间增长了100倍，年

12%

均增长率约为35.75%。销量占全球

21%

比例由2001年的不到1%增长至

■工业机器人

2015年的27%。

■服务机器人

■特种机器人

2018年我国工业机器人销量超

67%

过了14万台。具体的机器人应用领

图1-2中国机器人应用市场领域分布

域分布如图1-2所示。今后制造业为

了实现焊接多品种、高质量、高效率，焊接机器人使用量将会更多，焊接机器人的智能化水平将会更高。

1.3焊接机器人的分类及发展

随着制造业的发展，传统的焊接技术已满足不了现代高技术产品制造的数量和质量的要求，以机器人为载体的焊接机器人技术快速发展并在工业发展中扮演着举足轻重的角色，焊接机器人系统运动的平稳性、高精度、可重复性等特征，可以使复杂焊接过程变得相对简单，同时使得焊接质量和效率大幅度提升。

焊接机器人是以机器人为载体，结合焊接各种方法与设备开展的自动化焊接装备。焊接机器人是焊接自动化的革命性进步，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。焊接机器人本体及其附属整套装备称为焊接机器人系统。

通常按照用途，焊接机器人可以分为弧焊机器人和点焊机器人两类。

1.弧焊机器人

弧焊机器人利用电弧进行焊接，其系统包括焊枪、焊接电源、机器人本体等各种附属装置在内的系统，具有满足工件制造多样性、小批量焊接等柔性能力。

在弧焊过程中，焊枪应跟踪工件的焊道运动，并不断填充金属形成焊缝，因此运动过程的稳定性和轨迹精度是重要指标。由于焊枪姿态对焊缝质量具有较大影响，因此希望在跟踪的同时焊枪姿态的可调范围尽量大。其他一些基本功能要求如下：

1)设定焊接参数（包括焊接电流、电压、速度等）。

2)焊接传感器功能（焊缝初始点检测与定位、焊缝跟踪等）。3)坡口填充功能。4)焊接异常检测功能。

根据机器人所采用的不同焊接工艺，弧焊机器人进一步可以细分为C0,弧焊

焊接机器人跟踪与仿真技术

机器人、MIG弧焊机器人、激光焊机器人、等离子弧焊（切割）机器人等类型。

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2.点焊机器人

点焊工艺在制造业中的应用非常广泛，特别是在汽车制造、航空航天等薄板加工领域，根据工业机器人分布统计，汽车制造中大约60%的焊点是由机器人完成，特别是在无人车间，其焊接机器人使用率更高。随着产品的多样化，点焊机器人被赋予越来越多的要求，包括：

1)安装面积小，工作空间大。2)快速完成小节距的多点定位。3)定位精度高，负载大。

4)内存容量大，示教简单，节省时间。

5)点焊速度与生产线节拍相符，同时安全可靠性更好。

焊接机器人的研究在国外起步相对较早，且焊接机器人是工业机器人的一个重要分支，焊接机器人技术的发展几乎与工业机器人技术发展同步，已经形成了一套比较成熟的、、被世界所采用的机器人技术标准。

1969年美国通用汽车公司在组装生产线上装配了首台点焊机器人，极大地提高了生产效率，使得90%的车身焊接任务实现了自动化，改变了传统生产中自动化程度低、焊接作业条件恶劣、危险性高、需依赖工装夹具的生产方式。1973年，德国KUKA公司在Unimate的基础上研发出全球首台全电动机驱动的

六轴机器人Famulus。1974年，

B.Weichbrodt为瑞典通用电气开发了首台全电气微处理器控制的工业机器人。同年，日本川崎公司引进美国工业机器人技术，7年后在

Unimate的基础上开发了全球首台弧焊机器人Hi-T-Hand,该机器人还具备接触传感和力觉传感功能。

图1-3凯迪拉克ATSL全铝合金汽车仪表盘

图1-3所示为汽车制造中的焊

支架焊接机器人系统

接机器人系统。

1.4焊接机器人技术

焊接机器人具有工作效率高、稳定可靠、重复精度好、能在高危环境下作业等优势，在焊接制造中发挥重要作用。因此焊接机器人（包含点焊机器人、弧焊机器人、激光焊接机器人等)作为先进代表性技术之一，在焊接制造过程中具有重要的影响。

···试读结束···