弧焊机器人运动编程及自动弧焊（教案）
                清华大学基础工业训练中心
                                材料成型实验室
                              （试行）内部资料
                                    2017年5月
焊接作为工业制造中的“钢铁裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，焊接质量的好坏对产品质量起着决定性的影响，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣。随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已经成为必然趋势，采用机器人焊接已经成为焊接技术自动化的主要标志[1]。
机器人从上世纪 60 年代诞生至今经历了示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。因技术尚未成熟，目前在国内外生产中应用的机器人系统多数处于示教再现编程阶段。工业机器人的示教主要有2 种方式: ① 在线示教。由技术人员引导，控制机器人运动，记录机器人
作业的程序点并插入所需的机器人命令来完成程序的编制。② 离线示教。操作者不对实际作业的机器人直接进行示教，而是在离线编程系统中进行编程或在模拟环境中进行仿真，生成示教数据，通过 PC 机间接对机器人控制柜进行示教。本文以直接示教来探讨示教编程方法。
课程以清华大学基础工业训练中心材料成型实验室现有的KUKA-KR5arc 6自由度弧焊机器人为研究对象，通过对直线轨迹、圆弧轨迹及其各自附加摆动功能示教编程方法的探讨，尝试实现板-板对接的机器人焊接试验，旨在培养学生的实践动手能力和机器人驾驭能力。拓宽学生对焊接技术在机械化自动化方面的了解以及对数字化制造的认知。
此次实验使用的工业机器人是德国的KUKA-KR5arc 6自由度弧焊机器人，见图 1所示。
图1. kuka工业机器人
一、 实验目的
1) 了解工业机器人的组成结构及性能参数。
2) 学习机器人基本操作和使用。
3) 掌握机器人在线示教的方法
4) 初步掌握KUKA焊接机器人示教编程过程。。
二、 实验内容
1) 了解KUKA机器人的组成结构和性能参数。
2) 了解机器人编程语句及功能函数。
3) 学习并熟悉如何使用示教盒手动调整示教机器人。
4) “系标”示教编程实训，典型结构弧焊。
三、 实验设备及材料
1) KUKA工业机器人1台；
2) 示教盒1个；
3) 焊接材料，其他附件。
四、 实验步骤
1) 通过工业机器人焊接的演示范例，了解工业机器人的应用。
2) 阅读相关辅助资料，了解KUKA机器人的组成结构和性能参数。
3) 熟悉机器人示教盒的操作方法，以及示教程序的编制和编辑方法。
4) 规划机器人的轨迹，手工对机器人进行示教，存储关键点。程序名以IE组号为标识。
5) 学习机器人程序编制的规范以及相关的弧焊程序指令。
6) 学生操作
7) 将示教程序下载至计算机上，用文本编辑器进行修改。将修改后的程序上传至机器人控制柜，试运行检验无误后，发布运行控制程序。
五、 实验任务
在A4纸上示教（见图 2所示），，完成相应的线条绘制，实验前需标注出关键点的坐标值，
以便实验室示教编程。
设计机器人的运动轨迹，思考提升绘图效率的方法，记录机器人绘画完成的总时间。
设定机器人焊接程序中的工艺参数（电流、电压、焊接速度、摆动方式）进行碳钢平焊对接及角接的工艺实验；
六、 实验报告
1) 说明机器人运动轨迹的设计以及完成绘图的实际时间。
2) 附实验程序，对指令进行注释。
3) 记录实验工艺参数和焊缝成型特点。
4) 实验中遇到的问题，以及相应解决问题的方法。
5) 思考题
（1） 机器人的定义。
（2） 机器人在“中国制造2025”或“工业4.0”中的应用。
（3） 弧焊机器人的行业发展现状。
（4） 弧焊机器人示教焊接编程的基本思路是什么？
（5） 简述机器人CO2气体保护焊工艺参数（关键参数）对焊缝成形质量的影响规律。
6) 实验体会。
图 2绘制图形
七、 机器人安全操作注意事项
1) 未经许可不能擅自进入机器人工作区域，机器人处于自动模式时，不允许进入其运动所及区域。
2) 机器人运行中发生任何意外或运行不正常时，立即使用E-Stop键（急停按钮），使机器人停止运行。
3) 在编程及测试程序时，必须将机器人置于手动模式（T1），并使机器人以低速运行。
4) 实验现场指导人员进入机器人工作区时，需随身携带示教器，以防实验学生误操作。
5) 严禁非授权人员在手动模式下进入机器人软件系统，尤其在专家系统下随意修改程序及机器人参数。
八、 附录
1 KUKA机器人性能参数
表 1 KUKA机器人性能参数
1
持重
5kg，承受焊所必需的负荷能力
2
重复位置精度
±0.02，高精度
3
可控轴数
6轴同时控制，便于焊姿态调整
4
动作方式
各轴单独插补、直线插补、圆弧插补、焊端部等速控制（直线、圆弧插补）
5
速度控制
焊接速度2／s，调速范围广（从极低速到高速均可调）
6
焊接功能
焊接电流、电压的选定，允许在焊接中途改变焊接条件，断弧、粘丝保护功能，焊接抖动功能（软件）
7
存储功能
IC存储器，128kW、
8
辅助功能
定时功能、外部输入输出接口。
9
应用功能
程序编辑、外部条件判断、异常检查、传感器接口
2 KUKA机器人的构成
控制系统（控制柜 （V）KR C4）机械手（机器人机械系统）示教盒（KUKA smartPAD）
图 3 KUKA机器人的设备构成
机器人机械系统的部件主要由铸铝和铸钢制成。 在个别情况下也使用碳纤维部件。
底座转盘平衡配重连杆臂（大臂）小臂手
图 4 KUKA机械系统构成
3 KUKA机器人的动作轴
图 5 KUKA机器人的动作轴
图 6　通过示教盒的３Ｄ鼠标移动机器人
4 示教盒smartPAD概览
图 7 smartPAD
图中序号
说明
1
用于拔下 smartPAD 的按钮
2
用于调出连接管理器的钥匙开关。 只有当钥匙插入时，方可转动开关。可以通过连接管理器切换运行模式。
3
紧急停止键。 用于在危险情况下关停机器人。 紧急停止键在被按下时将自行闭锁。
4
3D 鼠标。 用于手动移动机器人。
5
移动键。 用于手动移动机器人。
6
用于设定程序倍率的按键
7
用于设定手动倍率的按键
8
主菜单按键。 用来在 smartHMI 上将菜单项显示出来。
9
状态键。状态键主要用于设定应用程序包中的参数。 其确切的功能取决于所安装的技术包。
10
中国在线编程
启动键。 通过启动键可启动一个程序。
11
逆向启动键。 用逆向启动键可逆向启动一个程序。 程序将逐步运行。
12
停止键。 用停止键可暂停正运行中的程序。
13
键盘按键：显示键盘。 通常不必特地将键盘显示出来，smartHMI 可识别需要通过键盘输入的情况并自动显示键盘。
5 机器人相关的坐标系

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