焊接机器人与变位机的协调控制
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§1.2 研究的背景及内容
焊接机器人是工业机器人的一种，它历经多年的发展，已由原来的单机器人工作站发展到 了现在的焊接机器人系统，它一般由机器人本体、变位机和控制器构成。并且，随着现代计算 机技术和控制技术的发展，机器人运动速度和运动范围等指标也有所提高，通信功能更加强大， 应用工艺能力更加丰富和便利，控制的轴数也越来越多。作为世界上最先进机器人之一的 MOTOMAN机器人，其最新一代可以实现对38个轴的控制，能进行双机加外部轴的协调控制、
上海交通大学 硕士学位论文 焊接机器人与变位机的协调控制 姓名：唐荣俊 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：陈建平
20090201
焊接机器人与变位机的协调控制
摘要
在现代工业，尤其是汽车工业中，焊接机器人的应用越来越多，焊 接质量的要求也越来越高。为满足焊接质量，保证焊接的姿态要求，需 要机器人和变位机的协调运动。通常变位机是通过机器人的附加轴功能 来控制的。然而附加轴功能是机器人中的特殊扩展，需要在购买时定制。 此外，我国早期的机器人研究也仅限于机器人本体的研究，不带有附加 轴功能。因此将原先没有与变位机协调运动功能的机器人系统改造为具 有该功能，对于更好的适应产品升级换代和降低投资，具有积极的意义。
1
上海交通大学硕士学位论文
第一章 绪 论
用汽车公司用 21 台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国 家都很重视研制和应用工业机器人。
随着工业机器人技术日趋成熟，业界产生了一片知名的工业机器人公司，如：瑞典 的 ABB Robotics，日本的 FANUC、YASKAWA，德国的 KUKA Roboter，美国的 Adept Technology、Emerson Industrial Automation,意大利的 COMAU，英国的 AutoTech Robotics， 加拿大的 Jcd International Robotics,以色列的 Robogroup Tek 公司，机器人的产业化进一 步推动了机器人工业的发展。
我国机器人技术发展已有 20 多年历史，特别是在“七五”计划期间【1】，国家对机器人 工业给予了足够的重视，也投入了不少的资金。哈尔滨工业大学、北京钢铁学院都研制 出 了 弧 焊 机 器 人 ， 上海交通大学也研制了“上海一号”、“上海三号”、“精密一号”等工业机 器人。在工业机器人产业方面，随着工业领域对机器人需求的不断扩大，2000 年以“蒋新 松 ”院 士 名 字 命 名 的 高 技 术 公 司 — — 新 松 机 器 人 自动化股份有限公司正式成立。但总体来 说，我国的机器人研究起步较晚，虽说一些机器人技术已经非常成熟，但机器人整体水平相对 国际上来说还是比较低的。
图1-1 第一台工业机器人 Fig 1-1 The first industrial robot §1.1.1 国内外工业机器人发展状况 20 世纪 50 年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等 技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；60 年代 初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969 年，美国通
§1.1.2 国内外工业机器人技术发展现状
工业机器人自诞生以来，不断发展，不断完善，在技术上可将其分为三类： 一是示教再现机器人。它主要由机器人、控制器和示教盒组成，操作方式比较简单。即： 使用示教盒在线示教编程，并保存示教信息，工作时再由控制器解析执行示教程序，并向机器 人发出指令，使机器人实现预定动作。这类机器人通常采用点位示教，连续轨迹再现的控制方 法，可以完成直线和圆弧的连续轨迹运动，而复杂曲线的运动则由多段圆弧和直线拼接而成。 二是离线编程机器人。机器人离线编程系统是利用计算机图形学的成果，建立起机器人及 其工作环境的几何模型，再利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在离线的情况下进 行轨迹规划。然后通过对编程结果进行三维图形动画仿真，以检验编程的正确性，最后将生成 的代码传到机器人控制柜，以控制机器人运动，完成给定任务。 三是智能机器人，它带有各种传感器，具有对一些外加信息进行反馈的能力，诸如力觉、 视觉等。焊接机器人中基于视觉的焊缝跟踪机器人就是其中一种。这类机器人的控制方式较第 一类机器人要复杂的多。 但是目前工业中大量使用的工业机器人，尤其在焊接，搬运等方面主要还是以示教再现机 器人为主。
关键词：工业机器人，协调运动控制，多任务系统，机器人通讯
I
COORDINATED CONTROL OF THE WELDING ROBOT AND POSITIONER
ABSTRACT
In modern industry, especially in automobile industry, the use of the welding robot is wider and wider. Also the requirement of the welding quality is higher and higher. So we need a positioner, which can adjust the welding posture, to coordinate with the robot for better welding. Commonly, the positioner is controlled as the additional axis of the robot. But this function is a special expansion, which needs customization. Otherwise, the early research of our country's robot focuses on itself, excluding the function of controlling the additional axis. So rebuilding of the early robot to get this function has positive value to suit to the upgrade of the product and reduces the cost.
Researching on the welding robot without additional axis function, the thesis gives a method to control an independent positioner coordinating with the robot. And it designs a controlling system based on the YASKAWA MOTOMAN welding robot. First, the thesis analyzes the controlling method, motion instruction, communication method of the robot, and
学位论文作者签名：
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
2
上海交通大学硕士学位论文
第一章 绪 论
三机以至四机的协调联动控制【2】。
§1.2.1 问题提出和课题目标
国内早先的焊接机器人研究多停留于机器人本体的研究，而早期的一些机器人应用系统， 由于加工零件较为简单，不使用变位机或使用独立于机器人运动的变位机也可满足焊接姿态要 求，所以通常采用单机器人工作站。但是现在随着应用的深入，原先那些机器人系统要转产较 为复杂的零件，没有与其协调运动的变位机将难以保证正确的焊接姿态要求。而配以变位机， 保证正确的焊接姿态，是保证焊接质量所必须的。于是变位机和机器人的协调运动控制变得极 为重要。在这一方面，通常是将变位机和机器人作为一个整体，采用一个具有协调控制功能的 控制系统来统一控制的，而对于早期的单机器人应用系统另外加配独立的变位机并不适用。因 此将原有的单机器人系统改造成具有与独立变位机协调运动的作业系统，从而降低投资成本， 成为不少企业的现实需求。由于加配的独立变位机通常采用独立于原机器人系统的控制器，如 何解决二者之间的协调问题，成为解决此需求的关键。
KEY WORDS: Welding Robot, Coordinated control, Multitasking system, Robot communication
III
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，均已在文中以明确方式表明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。
本文以不带附加轴功能的机器人本体为研究对象，提出了焊接机器 人与独立变位机的协调控制方法，并基于 YASKAWA MOTOMAN 六关 节工业机器人设计了该协调控制系统。首先，本文分析了机器人内部控 制方式、运动指令，和通讯机制，制定了基于串口通讯和 I/O 检测的系 统架构。其次，研究了机器人和变位机协调焊接时的运动关系，提出了 二者协调运动的控制算法。最后，搭建了协调 MOTOMAN 机器人和变 位机运动的控制器，多任务调度实现了变位机运动和机器人运动同步。 实践证明，文中所提方法具有可靠性和可行性。
II
designs a system structure based on the serial communication and I/O operation. Second, it studies the motion relationship of the robot and positioner, and comes up with a coordinated arithmetic. Finally, it establishes the controller and realizes the coordinated control of the robot and positioner, which needs multitasking scheduling. As practice has shown, the method given by the article is reliable and feasible.
保密□，在＿＿年解密后适用本授权书。 本学文论文属于
不保密□ （请在以上方框内打“√”）
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
指导教师签名： 日期： 年 月 日
上海交通大学硕士学位论文
第一章 绪 论
第一章 绪 论
§1.1 引言
1959年，美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，它是传统的机构学与近 代电子技术相结合的产物。迄今为止，工业机器人的发展已经走过了将近50年的历程，作为当 代高技术发展的一个重要标志，机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技 术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术。目前，工业机器人在工业生产中能代替人 做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸 造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业 等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。并且作为一种现代化的生产工具，它能够 提高劳动生产率、稳定和提高生产质量、节约能源和材料、降低成本，因而在现代工业上起着 极其重要的作用。在工业自动化，尤其是制造加工行业的自动化中，工业机器人是一个主要的 发展方向，因此，工业机器人技术的发展对我国的工业现代化的发展有着无比重要的作用。
焊接机器人是工业机器人的一种，它历经多年的发展，已由原来的单机器人工作站发展到 了现在的焊接机器人系统，它一般由机器人本体、变位机和控制器构成。并且，随着现代计算 机技术和控制技术的发展，机器人运动速度和运动范围等指标也有所提高，通信功能更加强大， 应用工艺能力更加丰富和便利，控制的轴数也越来越多。作为世界上最先进机器人之一的 MOTOMAN机器人，其最新一代可以实现对38个轴的控制，能进行双机加外部轴的协调控制、
上海交通大学 硕士学位论文 焊接机器人与变位机的协调控制 姓名：唐荣俊 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：陈建平
20090201
焊接机器人与变位机的协调控制
摘要
在现代工业，尤其是汽车工业中，焊接机器人的应用越来越多，焊 接质量的要求也越来越高。为满足焊接质量，保证焊接的姿态要求，需 要机器人和变位机的协调运动。通常变位机是通过机器人的附加轴功能 来控制的。然而附加轴功能是机器人中的特殊扩展，需要在购买时定制。 此外，我国早期的机器人研究也仅限于机器人本体的研究，不带有附加 轴功能。因此将原先没有与变位机协调运动功能的机器人系统改造为具 有该功能，对于更好的适应产品升级换代和降低投资，具有积极的意义。
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上海交通大学硕士学位论文
第一章 绪 论
用汽车公司用 21 台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国 家都很重视研制和应用工业机器人。
随着工业机器人技术日趋成熟，业界产生了一片知名的工业机器人公司，如：瑞典 的 ABB Robotics，日本的 FANUC、YASKAWA，德国的 KUKA Roboter，美国的 Adept Technology、Emerson Industrial Automation,意大利的 COMAU，英国的 AutoTech Robotics， 加拿大的 Jcd International Robotics,以色列的 Robogroup Tek 公司，机器人的产业化进一 步推动了机器人工业的发展。
我国机器人技术发展已有 20 多年历史，特别是在“七五”计划期间【1】，国家对机器人 工业给予了足够的重视，也投入了不少的资金。哈尔滨工业大学、北京钢铁学院都研制 出 了 弧 焊 机 器 人 ， 上海交通大学也研制了“上海一号”、“上海三号”、“精密一号”等工业机 器人。在工业机器人产业方面，随着工业领域对机器人需求的不断扩大，2000 年以“蒋新 松 ”院 士 名 字 命 名 的 高 技 术 公 司 — — 新 松 机 器 人 自动化股份有限公司正式成立。但总体来 说，我国的机器人研究起步较晚，虽说一些机器人技术已经非常成熟，但机器人整体水平相对 国际上来说还是比较低的。
图1-1 第一台工业机器人 Fig 1-1 The first industrial robot §1.1.1 国内外工业机器人发展状况 20 世纪 50 年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等 技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；60 年代 初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969 年，美国通
§1.1.2 国内外工业机器人技术发展现状
工业机器人自诞生以来，不断发展，不断完善，在技术上可将其分为三类： 一是示教再现机器人。它主要由机器人、控制器和示教盒组成，操作方式比较简单。即： 使用示教盒在线示教编程，并保存示教信息，工作时再由控制器解析执行示教程序，并向机器 人发出指令，使机器人实现预定动作。这类机器人通常采用点位示教，连续轨迹再现的控制方 法，可以完成直线和圆弧的连续轨迹运动，而复杂曲线的运动则由多段圆弧和直线拼接而成。 二是离线编程机器人。机器人离线编程系统是利用计算机图形学的成果，建立起机器人及 其工作环境的几何模型，再利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在离线的情况下进 行轨迹规划。然后通过对编程结果进行三维图形动画仿真，以检验编程的正确性，最后将生成 的代码传到机器人控制柜，以控制机器人运动，完成给定任务。 三是智能机器人，它带有各种传感器，具有对一些外加信息进行反馈的能力，诸如力觉、 视觉等。焊接机器人中基于视觉的焊缝跟踪机器人就是其中一种。这类机器人的控制方式较第 一类机器人要复杂的多。 但是目前工业中大量使用的工业机器人，尤其在焊接，搬运等方面主要还是以示教再现机 器人为主。
关键词：工业机器人，协调运动控制，多任务系统，机器人通讯
I
COORDINATED CONTROL OF THE WELDING ROBOT AND POSITIONER
ABSTRACT
In modern industry, especially in automobile industry, the use of the welding robot is wider and wider. Also the requirement of the welding quality is higher and higher. So we need a positioner, which can adjust the welding posture, to coordinate with the robot for better welding. Commonly, the positioner is controlled as the additional axis of the robot. But this function is a special expansion, which needs customization. Otherwise, the early research of our country's robot focuses on itself, excluding the function of controlling the additional axis. So rebuilding of the early robot to get this function has positive value to suit to the upgrade of the product and reduces the cost.
Researching on the welding robot without additional axis function, the thesis gives a method to control an independent positioner coordinating with the robot. And it designs a controlling system based on the YASKAWA MOTOMAN welding robot. First, the thesis analyzes the controlling method, motion instruction, communication method of the robot, and
学位论文作者签名：
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
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上海交通大学硕士学位论文
第一章 绪 论
三机以至四机的协调联动控制【2】。
§1.2.1 问题提出和课题目标
国内早先的焊接机器人研究多停留于机器人本体的研究，而早期的一些机器人应用系统， 由于加工零件较为简单，不使用变位机或使用独立于机器人运动的变位机也可满足焊接姿态要 求，所以通常采用单机器人工作站。但是现在随着应用的深入，原先那些机器人系统要转产较 为复杂的零件，没有与其协调运动的变位机将难以保证正确的焊接姿态要求。而配以变位机， 保证正确的焊接姿态，是保证焊接质量所必须的。于是变位机和机器人的协调运动控制变得极 为重要。在这一方面，通常是将变位机和机器人作为一个整体，采用一个具有协调控制功能的 控制系统来统一控制的，而对于早期的单机器人应用系统另外加配独立的变位机并不适用。因 此将原有的单机器人系统改造成具有与独立变位机协调运动的作业系统，从而降低投资成本， 成为不少企业的现实需求。由于加配的独立变位机通常采用独立于原机器人系统的控制器，如 何解决二者之间的协调问题，成为解决此需求的关键。
KEY WORDS: Welding Robot, Coordinated control, Multitasking system, Robot communication
III
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，均已在文中以明确方式表明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。
本文以不带附加轴功能的机器人本体为研究对象，提出了焊接机器 人与独立变位机的协调控制方法，并基于 YASKAWA MOTOMAN 六关 节工业机器人设计了该协调控制系统。首先，本文分析了机器人内部控 制方式、运动指令，和通讯机制，制定了基于串口通讯和 I/O 检测的系 统架构。其次，研究了机器人和变位机协调焊接时的运动关系，提出了 二者协调运动的控制算法。最后，搭建了协调 MOTOMAN 机器人和变 位机运动的控制器，多任务调度实现了变位机运动和机器人运动同步。 实践证明，文中所提方法具有可靠性和可行性。
II
designs a system structure based on the serial communication and I/O operation. Second, it studies the motion relationship of the robot and positioner, and comes up with a coordinated arithmetic. Finally, it establishes the controller and realizes the coordinated control of the robot and positioner, which needs multitasking scheduling. As practice has shown, the method given by the article is reliable and feasible.
保密□，在＿＿年解密后适用本授权书。 本学文论文属于
不保密□ （请在以上方框内打“√”）
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
指导教师签名： 日期： 年 月 日
上海交通大学硕士学位论文
第一章 绪 论
第一章 绪 论
§1.1 引言
1959年，美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，它是传统的机构学与近 代电子技术相结合的产物。迄今为止，工业机器人的发展已经走过了将近50年的历程，作为当 代高技术发展的一个重要标志，机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技 术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术。目前，工业机器人在工业生产中能代替人 做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸 造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业 等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。并且作为一种现代化的生产工具，它能够 提高劳动生产率、稳定和提高生产质量、节约能源和材料、降低成本，因而在现代工业上起着 极其重要的作用。在工业自动化，尤其是制造加工行业的自动化中，工业机器人是一个主要的 发展方向，因此，工业机器人技术的发展对我国的工业现代化的发展有着无比重要的作用。