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前言1

上篇 焊接机器人系统技术基础1

第1章 绪论1

1.1 焊接自动化发展概况1

1.2 机器人焊接发展概况4

第2章 焊接机器人概论8

2.1 焊接机器人分类8

2.2 焊接机器人系统组成11

第3章 机器人运动学和动力学15

3.1 刚体的位置和姿态描述及坐标变换15

3.1.1 刚体的位置和姿态描述15

3.1.2 坐标变换17

3.1.3 齐次变换及其运算18

3.1.4 变换方程21

3.1.5 表示方位的欧拉角和RPY角23

3.2 机械手的运动学27

3.2.1 连杆的坐标系27

3.2.2 运动学方程29

3.2.3 求解运动学方程34

3.3 机器人操作臂动力学40

第4章 弧焊机器人传感系统50

4.1 一般机器人传感技术50

4.1.1 传感器的概念50

4.1.2 传感器分类51

4.1.3 主要传感器介绍52

4.1.4 传感系统、智能传感器、多传感器融合56

4.2 弧焊机器人传感技术57

4.2.1 电弧传感方法58

4.2.2 视觉传感方法61

4.3 机器人焊接过程传感系统65

4.3.1 传感系统结构65

4.3.2 机器人与传感器的接口65

4.3.3 跟踪信息的利用方法66

4.3.4 跟踪概念的扩展67

第5章 焊接机器人驱动与控制技术68

5.1 对机器人传动装置的要求68

5.2 电气驱动系统中执行机构的功率确定方法70

5.3 机器人中的驱动电动机74

5.3.1 直流伺服电动机74

5.3.2 无刷电动机76

5.4.1 直流伺服电动机驱动81

5.4 电动机驱动方法概述81

5.4.2 无刷电动机驱动83

5.5 机器人位置控制技术87

5.5.1 基于直流伺服电动机的单关节控制88

5.5.2 基于交流伺服电动机(AC无刷电动机)的关节位置控制94

5.5.3 轨迹插补算法100

第6章 弧焊机器人接头跟踪技术110

6.1 引言110

6.2 激光扫描视觉传感器原理111

6.2.1 光学三角测量原理及分析111

6.2.2 激光扫描式视觉传感器的结构112

6.2.3 低层信息处理114

6.3.1 V型坡口115

6.3 接头类型识别和特征参数提取115

6.3.2 搭接接头118

6.3.3 对接接头119

6.3.4 角接接头122

6.4 视觉控制的弧焊机器人接头跟踪的实现122

6.4.1 视觉控制的弧焊机器人系统结构与构成122

6.4.2 修正方式下接头跟踪控制方法及实现124

第7章 焊接机器人的离线编程技术131

7.1 离线编程与图形仿真技术概况131

7.1.1 离线编程与图形仿真技术的意义131

7.1.2 离线编程系统的组成部分132

7.1.3 离线编程技术的发展132

7.2.1 Workspace系统133

7.2 离线编程典型系统133

7.2.2 Roboplan系统134

7.2.3 WRAPS系统134

7.3 焊接机器人规划技术135

7.3.1 焊接规划的概况135

7.3.2 焊接任务规划136

7.3.3 焊接参数规划137

7.2.4 焊接机器人路径规划137

7.2.5 焊接机器人轨迹规划138

7.4 焊接机器人离线编程应用软件介绍140

7.4.1 RAWCAD系统应用开发140

7.4.2 Workspace软件143

7.4.3 UltraArc和UltraSpot软件144

8.1 焊接动态过程控制问题145

第8章 机器人焊接动态过程智能控制技术145

8.1.1 焊接过程控制的发展146

8.1.2 焊接动态过程的模型化146

8.1.3 焊接过程控制系统设计问题148

8.2 焊接熔池动态信息提取149

8.2.1 红外辐射信息传感150

8.2.2 焊接区直接视觉信息传感151

8.2.3 熔池正反面视觉传感系统157

8.2.4 熔池正反面视觉典型图像161

8.2.5 熔池几何特征尺寸参数的提取162

8.3 焊接熔池动态过程的实时智能控制方案166

8.3.1 模糊控制在焊接中的应用167

8.3.2 神经网络控制在焊接中的应用169

8.3.3 神经网络与模糊推理结合用于焊接过程控制170

8.3.4 脉冲GTAW对接过程双变量智能控制172

8.4 机器人焊接智能化系统179

8.4.1 机器人焊接智能化系统技术组成179

8.4.2 机器人焊接任务规划软件系统设计179

8.4.3 机器人焊接传感技术182

8.4.4 机器人运动轨迹控制实现技术［89］183

8.4.5 焊接动态过程实时智能控制器设计186

8.4.6 机器人焊接智能化集成系统186

第9章 机器人遥控焊接技术188

9.1 遥控焊接的基本概念188

9.2 弧焊过程中焊枪运动控制特点分析190

9.2.1 手工焊接的特点190

9.2.2 机器人弧焊的特点191

9.2.3 遥控焊接的特点192

9.3 遥控焊接的传感信息195

9.3.1 视觉信息的传感195

9.3.2 视觉信息的利用197

9.3.3 焊接参数的视觉化199

9.3.4 力觉信息的利用200

9.4 遥控焊接的运动控制方法201

9.4.1 自动控制与遥控示教201

9.4.2 人工控制202

9.4.3 自主控制203

9.4.4 人机交互控制204

9.4.5 人机共享控制204

9.5.1 主从系统206

9.5 机器人遥控焊接系统的结构206

9.4.6 分布式控制206

9.5.2 柔性遥控焊接系统207

9.5.3 基于新控制方法的遥控焊接系统207

9.5.4 遥控焊接系统的选择210

下篇 焊接机器人的应用212

第10章 焊接生产自动化的目的及实施中应注意的问题212

10.1 实现焊接生产过程自动化的意义和必要性213

10.2 实现焊接生产过程机器人化的目的214

10.2.1 提高焊接生产效率215

10.2.2 保持焊接参数一致及提高焊接质量稳定性218

10.2.3 使焊接生产实现柔性自动化219

10.2.4 改善劳动安全卫生条件219

10.2.6 可准确预算材料的消耗量和生产成本220

10.2.5 增强生产管理的计划性和可预见性220

10.3 焊接自动化方式的选择--适度自动化221

10.4 实施焊接自动化技术改造应考虑的问题223

10.4.1 零件制备质量和焊件装配精度与用好焊接机器人的关系224

10.4.2 工件的结构及焊接工艺的合理性与用好焊接机器人的关系226

10.4.3 管理人员、技术人员和操作人员的素质与用好焊接机器人的关系227

10.4.4 效益和效率分析与用好机器人的关系228

10.5 投资回收期及经济效益的分析229

第11章 焊接机器人系统的基本配置231

11.1 焊接机器人的选择231

11.2 弧焊机器人系统焊接装置的选择234

11.2.1 熔化极气体保护焊焊接电源的种类和选择235

11.2.2 熔化极气体保护焊送丝装置的选择236

11.3 点焊机器人系统焊接装备的选择239

11.3.1 一体式焊钳的种类和选择241

11.3.2 定时器的种类243

11.3.3 焊钳防撞措施244

11.4 焊接机器人系统配备的外围设备的种类及胎、夹具的设计和选择244

11.4.1 机器人的底座和机架244

11.4.2 工件的工作台245

11.4.3 工件和机器人的移位及变位装置246

11.4.4 其它辅助装置254

11.4.5 安全围栏和排烟装置259

11.4.6 胎、夹具的设计与选择261

11.5 焊接机器人工程应用开发单位的选择264

11.5.1 明确目的和范围265

11.5.2 寻找合适的焊接机器人工程应用开发单位265

12.1.1 简易弧焊机器人工作站267

12.1 简易焊接机器人工作站的基本组成267

第12章 简易焊接机器人工作站267

12.1.2 简易点焊机器人工作站268

12.2 简易弧焊机器人工作站应用的实例268

12.2.1 一种简易弧焊机器人工作站的组成268

12.2.2 简易弧焊机器人工作站的编程与控制270

12.2.3 简易焊接机器人工作站所适用的产品对象272

12.3 简易点焊机器人的应用272

第13章 不同变位机与焊接机器人组合的工作站274

13.1 回转工作台+弧焊机器人的工作站274

13.1.1 回转工作台+弧焊机器人工作站的组成274

13.1.2 回转工作台+弧焊机器人工作站的控制276

13.1.3 适合用回转工作台+弧焊机器人工作站的产品276

13.2.1 旋转-倾斜变位机+弧焊机器人工作站的结构形式277

13.2 旋转-倾斜变位机+弧焊机器人工作站277

13.2.2 旋转/倾斜变位机+弧焊机器人工作站的控制278

13.2.3 旋转/倾斜变位机+弧焊机器人工作站的应用280

13.3 翻转变位机+弧焊机器人工作站280

13.3.1 翻转变位机+弧焊机器人工作站的组成280

13.3.2 翻转变位机+弧焊机器人工作站的控制283

13.3.3 翻转变位机+弧焊机器人工作站的其它应用284

13.4 龙门机架+弧焊机器人的工作站286

13.4.1 龙门机架+弧焊机器人工作站的结构形式286

13.4.2 龙门机架+弧焊机器人工作站的控制287

13.5 滑轨+弧焊机器人的工作站288

13.6 焊接机器人+搬运机器人的工作站290

14.1 弧焊机器人与周边变位设备作协调运动的必要性293

第14章 焊接机器人与周边设备作协调运动的工作站293

14.2 焊接机器人与周边设备作协调运动的系统组成294

14.2.1 铝合金椭球形封头脉冲填丝TIG焊机器人工作站294

14.2.2 双机器人协调运动的工作站296

14.3 焊接机器人与周边设备作协调运动的编程与控制297

14.3.1 机器人与变位机协调运动关系的设定297

14.3.2 协调运动系统的编程特点298

14.4 其它与周边设备作协调运动的焊接机器人工作站的应用例299

14.4.1 造船厂平面分段的龙门式弧焊机器人工作站299

14.4.2 风机叶轮弧焊机器人工作站300

第15章 焊接柔性制造系统(W-FMS)302

15.1 焊接柔性制造系统的基本组成302

15.1.1 焊接机器人工作站的基本结构304

15.1.3 托盘(palette)及存放工件的料架308

15.1.2 工件输送子母车的结构及其功能308

15.1.4 托盘与夹具的设计309

15.2 焊接柔性制造系统的控制与编程方法311

15.2.1 W-FMS的运行方式311

15.2.2 W-FMS的控制方法311

15.2.3 W-FMS的编程312

15.3 焊接柔性制造系统的生产特点313

第16章 复杂的焊接机器人系统315

16.1 冰箱压缩机的机器人自动焊接生产线315

16.2 轿车后桥机器人自动焊接生产线317

16.2.1 轿车后桥机器人焊接生产线和构成与工作流程317

16.2.2 生产线的设计特点322

结束语324

参考文献327