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工业机器人

目录

第一章工业机器人概述1

1.1工业机器人发展历程1

1.2工业机器人应用场合1

1.3工业机器人常见结构1

1.4工业机器人坐标系统1

第二章工业机器人弧焊编程2

2.1在线示教方法简介2

2.2项目设计任务2

2.3示教程序录入过程2

2.4程序代码解释2

第三章工业机器人关键设备3

3.1交流伺服电机3

3.2码盘3

3.3变频器3

3.4送丝机构4

3.5电焊机4

第四章工业机器人选型及维护5

4.1工业机器人选型方法5

4.2工业机器人安全操作与维护5

第五章总结6

5.1个人收获6

5.2存在的问题6

5.3对课程的意见和建议6

第一章工业机器人概述

1.1工业机器人发展历程

国内：

我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：

70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。

　　70年代是世界科技发展的一个里程碑：

人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。

我国也发射了人造卫星。

世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。

在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。

　　进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。

“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。

1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。

　　从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。

　　虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。

从市场占有率来说，更无法相提并论。

工业机器人很多核心技术，目前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。

国外：

1962年美国推出的一些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形主要由类似人的手和臂组成。

后来，出现了具有视觉传感器的、能识别与定位的工业机器人系统。

　　当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感知能力、具有较强的对作业环境的自适应能力的方向发展。

目前，对全球机器人技术的发展最有影响的国家是美国和日本。

美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的工业机器人在数量、种类方面则居世界首位。

1.2工业机器人应用场合

工业机器人主要应用在以下三个方面：

1.恶劣，危险的工作场合

这个领域的作业是一种有害于健康并危及生命或不安全因素很大而不宜于人去做的作业，用工业机器人去完成是最适合的。

比如核电站蒸汽发生检测器的机器人，可在有核污染的环境下代替人进行作业。

又如，爬壁机器人特别适合超高层建筑外墙的喷漆，检查，修理工作。

2.特殊作业场合

这个领域对人来说是力所不及的，只有机器人才能进行作业。

如航天飞机上用来回收卫星的操作臂，在狭小容器内（人和一般设备是无法进入的）进行检查，维护和修理作业的具有七个自由度的机械臂。

尤其是微米级电机，减速器，执行器等机械装置及显微传感器组装的微型机器人的出现，更拓宽了其特殊作业的用途。

3.自动化生产领域

早齐工业机器人在生产上主要用于机床上下料，点焊和喷漆作业。

随着柔性自动化的出现，机器人扮演了更重要的角色，如焊接机器人，搬运机器人，检测机器人，装配机器人，喷漆和喷涂机器人以及其他诸如密封和粘接，清砂和抛光，熔模铸造和压铸，锻造等应用的机器人。

1.3工业机器人常见结构

　工业机器人的常见结构有笛卡尔坐标系、圆柱坐标系、SCARA结构、PUMA560结构等。

笛卡尔坐标系：

是直角坐标系和斜角坐标系的统称。

相交于原点的两条数轴，构成了平面放射坐标系。

如两条数轴上的度量单位相等，则称此放射坐标系为笛卡尔坐标系。

两条数轴互相垂直的笛卡尔坐标系，称为笛卡尔直角坐标系，否则称为笛卡尔斜角坐标系。

笛卡尔坐标，它表示了点在空间中的位置，但却和直角坐标有区别，两种坐标可以相互转换。

圆柱坐标系是一种三维坐标系统。

它是二维极坐标系往z-轴的延伸。

添加的第三个坐标专门用来表示P点离xy-平面的高低。

按照国际标准化组织建立的约定（ISO31-11），径向距离、方位角、高度，分别标记为ρ，φ，z。

SCARA机器人有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。

另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动。

手腕参考点的位置是由两旋转关节的角位移φ1和φ2，及移动关节的位移z决定的，即p=f（φ1,φ2,z）。

圆柱坐标系是一种三维坐标系统。

它是二维极坐标系往z-轴的延伸。

添加的第三个坐标专门用来表示P点离xy-平面的高低。

按照国际标准化组织建立的约定（ISO31-11），径向距离、方位角、高度，分别标记为ρ，φ，z。

　　如图右，P点的圆柱坐标是（ρ，φ，z）。

　　ρ是P点与z-轴的垂直距离（相当于二维极坐标中的半径r），φ是线OP在xy-面的投影线与正x-轴之间的夹角（相当于二维极坐标中的θ），z与直角坐标的z等值，即P点距x-y平面的距离。

　　简单的说，有这个对应关系。

x=ρcosφ

　　y=ρsinφ

　　z=z

SCARA结构一种机器人结构包括：

基座结构（２）；至少第一臂（４０），该第一臂既能够相对于该基座结构平移也能够相对于该基座结构转动；用于使该第一臂相对于该基座结构运动的运动装置（１２、２２、３２）；用于容纳工具（７２）的容纳构件（７０）；以及动力供应组件（８０）。

所述运动装置包括中空运动构件（３２），中空运动构件能够相对于该基座结构或该第一臂中的一个平移，并且中空运动构件不能独立于该基座结构或该第一臂中的另一个平移，中空运动构件能够相对于该基座结构或该第一臂中的一个转动，同时中空运动构件不能独立于该基座结构或该第一臂中的另一个转动，动力供应组件（８０）从基座结构向该第一臂延伸穿过中空运动构件（３２）。

PUMA560结构

对于任一空间机器人为了建立运动学方程

需首先在每个臂杆上建立与各臂杆相固联的动坐标系其方法为

与固定坐标相联的固定参考坐标系称为基坐标系

与机器人第个臂杆相固联坐标原点在第关节的中心点处并且

与第个关节的运动轴方向一致卜与轴垂直,。

组成右手坐标系同时两坐标。

1.4工业机器人坐标系统

有关节坐标系、直角坐标系、用户坐标系、工具坐标系等。

直角坐标机器人（英文名：

Cartesiancoordinaterobot），大型的直角坐标机器人也称桁架机器人或龙门式机器人（英文名：

gantryrobot；德文名：

Protalroboter）是能够实现自动控制的、可重复编程的、多自由度的、运动自由度建成空间直角关系的、多用途的操作机。

其工作的行为方式主要是通过完成沿着X、Y、Z轴上的线性运动。

工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度建成空间直角关系、多用途的操作机。

他能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。

关于机器人的定义随着科技的不断发展，在不断的完善，直角坐标机器人作为机器人的一种，其含义也在不断的完善中。

因末端操作工

直角坐标机器人（18张）

具的不同，直角坐标机器人可以非常方便的用作各种自动化设备，完成如焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、（软仿型）喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。

特别适用于多品种、便批量的柔性化作业，对于稳定提高产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

　　随着直角坐标机器人的应用越来越广泛，直角坐标机器人的设计工作日益显得重要。

成功的设计一台直角坐标机器人涉及到很多方面的工作，包括机械结构、动力驱动、伺服控制等等。

沈阳力拓自动化控制技术有限公司有着多年直角坐标机器人技术应用、数控技术和产品研发经验，我们依托德国BAHR公司直线定位系统性及机械手臂开发出了价比优良的系列数控直角坐标机器人，被广泛地应用在汽车、电子、电器、检测、医疗、航天、食品等各个领域的生产线上。

第二章工业机器人弧焊编程

2.1在线示教方法简介

在线示教：

也就是焊接机器人在线示教方面进行了研究，当机器人处于零力控制状态下，操作人员（焊工）可以牵引机器人末端的焊枪对工件施焊。

机器人实时记录整个示教轨迹及各种焊接工艺参数后，机器人根据这些在线参数就能准确再现这一焊接过程，对缩短示教周期，提高焊接质量具有实际意义。

在线示教的优缺点：

对焊接机器人在线示教方面的研究和试验表明采用零力控制方法能够明显缩短示教周期改善焊件的一致性提高焊接质量区但是力的控制存在死反馈增益比例要适当否则会造成系统不稳定另外示教点间隔牵引力是影响再现精度的主要因素要根据示教轨迹的形状来选定利用型机器人力控制方式来实现在线示教是可行的可实时记录和控制焊接工艺参数很好地解决了复杂工件焊接的示教问题。

还有离线示教等示教方法。

2.2项目设计任务

利用工业机器人实现圆弧焊缝的焊接。

要求：

完成工业机器人的调整、校正、程序输入、轨迹验证和实际焊接等过程。

实用圆弧控制指令和关节运动控制控制机器人运动，使用起弧、收弧指令完成焊接过成，并设定合适的焊接参数（焊接电流、焊接电压等）。

2.3示教程序录入过程

录入过程分为以下几个部分：

系统启动伺服电机上电机器人回作业原点工具参数设定（五点校正法）用户坐标系的设定建立编程文件输入程序代码运动轨迹校验程序运行

伺服电机上电也就是说给伺服电机通电准备写入程序。

机器人回作业原点也就是说将机器人调整到原点位置。

工具参数设定（五点校正法）也就是说通过校正的方法调整机器人的坐标，为后面的用户坐标系做准备。

用户坐标系的设定就是机器人可以人为的去设定一个程序，来执行所需要的任务。

建立编程文件：

就是新建一个用户文件。

输入程序代码：

就是输入设定的运动程序代码。

运动轨迹校验：

就是将已经写好的程序进行一次模拟运行。

程序运行：

将机器人通电，执行所编入的程序。

2.4程序代码解释

NOP

MOVJVJ=2.5

MOVCV=66

ARCONAC=120AV=50%T=0.05

MOVCV=66

MOVCV=66

MOVCV=66

ARCOFAC=120AV=50%T=0.2

MOVJVJ=2.5

END

程序解释：

程序开始

机器开始运动的起点位置为2.5

圆的起点位置为66

圆的起弧为AC=120AV=50%T=0.05

圆的第二点位置

圆的第三点位置

圆的第四点位置（也就是圆的起点位置）

圆的收弧为AC=120AV=50%T=0.2

启动的结束位置

结束

第三章工业机器人关键设备

3.1交流伺服电机

交流伺服电动机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。

其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组。

其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组，交流伺服电动机一种两相的交流电动机。

交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk。

当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。

通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。

为了在电机内形成一个圆形旋转磁场，要求激磁电压Uj和控制电压UK之间应有90度的相位差，常用的方法有：

　　1）利用三相电源的相电压和线电压构成90度的移相

　　2）利用三相电源的任意线电压；

　　3）采用移相网络

　　4）在激磁相中串联电容器

3.2码盘

码盘分为接触编码器和光学编码器。

接触编码器是绝对式编码器中的一种，它由编码盘、电刷和电路组成。

图1是一个6位二进制编码器。

编码盘按二进制码制成,与旋转轴固定在一起。

码盘上有6条码道,每条码道上有许多扇形导电区（黑区）和不导电区（白区），全部导电区连在一起接到一个公共电源上。

6个电刷沿一个固定的径向安装,分别与6条码道接触。

每个电刷与一单根导线相连，输出6个电信号,其电平由码盘的位置控制。

当电刷与导电区接触时，输出为“1”电平;与不导电区接触时，输出为“0”电平。

随着转角的不同,输出相应的码。

编码器的精度取决于码盘本身的精度，分辨率则取决于码道的数目。

10条码道的码盘，其分辨率为1/1024，采用多个码盘和装上内部传动机构时可达1/105。

　　接触编码器的缺点是码盘与电刷之间存在接触摩擦，使用寿命短。

电刷与码道的不正确接触还会产生模糊输出，可能给出错误的结果，造成误差。

采用循环码（格雷码）可克服这一缺点，因为在任何瞬间只有一个比特的改变。

格雷码（见字符编码）是变权码，它与十进制数的关系为

　　式中D为十进制数，n为具有“1”输出的最高位的位数，m为其次一位具有“1”输出的位数，q、s、…依次类推。

采用格雷码时，还需要按上式设计出相应的转换电路。

另一种绝对式编码器是光学编码器，是依照光学和光电原理制成的器件。

它由光源、码盘、光学系统及电路4部分组成（图2）。

码盘是在不透明的基底上按二进制码制成透明区图案，相当于接触编码器的导电区和不导电区。

光线通过码盘由光电元件转换成相应的电信号。

光学编码器的精度高于1/108，径向分度线的精度为0.067弧秒。

已制出的标准码盘有伪随机码、素数码、循环码、正弦余弦码、对数码和二进十进码等。

3.3变频器

变频器的英文译名是VFD（Variable-frequencyDrive），这可能是现代科技由中文反向译为英文的为数不多实例之一。

（但VFD也可解释为Vacuumfluorescentdisplay，真空荧光管，故这种译法并不常用）。

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备

变频器的原理：

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:

电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

整流器

　　最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。

也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。

平波回路

　　在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。

为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。

装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

逆变器

　　同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。

以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。

控制电路

是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

（1）运算电路：

将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。

（2）电压、电流检测电路：

与主回路电位隔离检测电压、电流等。

（3）驱动电路：

驱动主电路器件的电路。

它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

　　（4）速度检测电路:

以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

（5）保护电路:

检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。

3.4送丝机构

送丝机构原理：

焊接设备中用以输送焊丝的装置。

送丝机构的构成：

焊接与切割工艺装备与设备是一种自动送丝机构，包括机架、供丝转盘和夹送机构，供丝转盘与夹送机构安装在机架上，夹送机构包括安装箱、伺服电机、主动齿轮、从动齿轮、转动轴及弹性部件，伺服电机的输出轴与主动齿轮固定连接并驱动主动齿轮，转动轴枢接地穿过从动齿轮并与具有弹性的弹性部件的一端固定连接，弹性部件的另一端与安装箱的内壁固定连接，主动齿轮与从动齿轮相啮合并带动从动齿轮旋转，弹性部件给予从动齿轮产生抵触主动齿轮的弹力，主动齿轮与从动齿轮均开有凹槽并于主动齿轮与从动齿轮的啮合处形成送丝通道，安装箱开设有与送丝通道相对的进丝孔和出丝孔。

送丝机构的作用：

是一种新型机构，结构简单、送丝力强、传送平稳、送丝刚直性强且可自动调节齿轮啮合度。

3.5电焊机

电焊机的工作原理

电流电压经三相主变压器降压，由可控硅元件进行整流，并利用改变可控硅触发角相位来控制输出电流的大小。

从整流器直流输出端的分流器上取出电流信号，作为电流负反馈信号，随着直流输出电流增加，负反馈也增加，可控硅导通角减小，输出电流电压降低，从而获得下降的外特性。

推力电路是当输出端电压低于15V时，使输出电流增加，特别是短路时，形成外拖的外特性，使焊条不易粘住。

引弧电路是每次起弧时，短时间增加给定电压，使引弧电流较大，易于起弧。

　　从以上叙述可以知道，电焊起弧的时候电路是处于短路状态，电压急剧下降，电流需要很大；起弧后要稳弧，这时候焊条和容池的溶液还是短路过渡状态，电压还是下降，电流还是大；过渡完毕后处于正常焊接状态，电压回升，电流下降。

　　起弧电流是电焊机工作在焊接起弧时能够输出的最大电流。

　　推力电流是电焊机焊接时铁水在短路过渡时,焊机另外叠加一电流,使铁水稳定过渡,不易粘条。

　　焊接电流是电焊机正常焊接的时候提供的工作电流。

点焊机构成：

变压器，机壳，输出，输入接电线路及端子，电流电压控制及反馈部分器件。

第四章工业机器人选型及维护

4.1工业机器人选型方法

机器人主要有瑞典ABB公司、日本FANUC公司等产品。

自动化所可应用户要求选用机器人品牌、并根据用户产品尺寸确定机器人规格型号。

一般来说：

首先你要先考虑你的机器人要用在什么地方，不要弄得买回来之后又不好用。

第二点是选择机器人的工作精度，有些工作地方需要精度高的，但有些地方精度是不要那么高的，这样就节约了成本。

还有他的负载能力也要选择好。

接下来就是他的价格与品牌了，最好买一些知名品牌的，他的质量有保障。

不要为了图便宜而买次厂品。

最后就要考虑他的售后服务。

4.2工业机器人安全操作与维护

安装、试运行和功能测试

9．1基本要求

本章包括自动操作前机器人系统的安装和功能测试的规定和要求。

9．2安装

机器人系统应按制造厂要求进行安装。

安全防护措施应通过危险分析和风险评价进行鉴定。

GB／T12644—90作为安装期间的补充指导。

生产前，用户应重新检查安全要求；以确保安全防护装置运行可靠。

9．3试运行和功能测试

本条款规定了安装和再置位后机器人或机器人系统测试期间应遵守的规程。

它亦适用于机器人或

机器人系统变更之后（如改变软、硬件、更换零部件、调整）及对其运行有影响的维修后的情况。

9．3．1限定空间的设计

试运行和功能测试前，若未实施安全防护措施，则应在运行前安装限定空间的临时装置。

9．3．2人员限制

试运行和功能测试期间，安全防护装置生效前不允许人员进入安全防护空间。

9．3．3安全和运行检验

机器人或机器人系统的试运行和测试应遵照制造厂说明书进行。

准备工作应包括如下步骤：

a）通电前检查

1）机器人安装正确且稳固；

2）电路连接正确且电源参数（如电压、频率、干扰等级）在规定范围内；

3）其他设施（如水、空气、气体）连接正确，且在规定范围内；

4）周边设备连接正确；

5）已设立限定空间（当使用时）的限定装置；

6）已采用安全防护措施；

7）物理环境符合规定（如照明、噪声等级、温度、湿度、大气污染等）。

b）通电后检查

1）启动、停机和方式选择（包括键控锁定开关）等控制装置功能符合预定要求；

2）各轴都在限定范围内运动；

3）急停及安全停机的电路和装置有效；

4）可与外部电源断开和隔离；

5）示教和再现装置功能正常；

6）安全防护装置和联锁装置功能正常；

7）其他安全防护装置安装就位（如隔栏、警示装置等）；

8）“慢速”时机器人运行正常，并具有作业能力；

9）自动（正常）操作时，机器人运行正常，且具有在额定速度和负载下完成预定任务的能力。

9．3．4机器人系统重新启动步骤

硬、软件或任务程序更改、检修或维护后，机器人系统重新启动步骤应包括以下几点：

a）通电前检查硬件的任何变化或附加物；

b）对机器人系统进行功能试验。

第五章总结

5.1个人收获

通过这2个礼拜的实训，我受益匪浅。

以前对机器人这个概念不太了解，觉得离我们的生活很远，但是现在了解到在工业上的使用还是十分广泛的，它不但可以减轻工人的负担，提高生产效率，而且还可以进行许多普通工人无法做到的工作，比如：

在深海进行勘察，对炸弹进行拆除等等。

不仅如此，随着科技的发展，现在更是出现了“保姆机器人”这种更加智能化的机器人来满足人们的需求。

不过，暂时这在生活中使用的比较少，毕竟机器人的价格还是很昂贵的。

经过这么多天的学习，我懂得了怎样操作工业机器人，虽然只是简单的操作，但却给我足够的信心来对待以后碰到机器方面的问题，在这次学习中，我了解了工业机器人的组成部分，以及知道了在操作机器人时，变更坐标系统更加能够快速的完成所需完成的任务。

这在以后的学习工作中非常有用。

因为学习过，我们到时候就不会觉得有多么的神奇，就能够以一个比较稳定的心态去克服“陌生感”，从而在学习工作中得到更大的进步！

当然，我不会仅仅依靠学过的知识，我会以这两周的学习为基础，在图书馆，在网上，在以后的工作中更多的去发现机器人带给我们的价值与魅力！

5.2存在的问题

学习了很多关于机器人的知识，但是仍然存在一些问题。

机器人这一科技产业是经过几十年的科学家们不断努力的成果。

而我们只是学习了两周，只能说，我们只了解了这一伟大科技的“皮毛”，还有太多的知识等着我们就学习。

无论是基础知识还是技能操作，我们都还是学习简单的，比较深层次的知识与操作我们都还未能掌握，这在以后的工作中可能会有“书到用时方恨少”的感觉。

5.3对课程的意见和建议

这是一门很好的专业模块课程！

但是我觉得，这么好的课程两周时间可能有点短了，还没来及了解机器人更大的精髓。

我希望在今后的学习中能将机器人专业的课程延长，并且多进行机器人操作的实训，因为这在今后的工作中就是“饭碗”，所以我觉得更多的进行操作练习是十分必要的。

另外，条件允许的话，最好老师