项目1认识工业机器人

项目1认识工业机器人知识目标1．掌握机器人操作安全注意事项；2．掌握弧焊机器人系统的组成部份及各部分的功能；3．掌握示教器的结构、功能及按键使用方法；4．了解工业机器人的结构特点、性能、分类及选择方法。技能目标1．能正确选择机器人运行模式；2．能正确操作示教器摇杆及使能键。【学习目标】认识工业机器人【工作任务】【知识准备】工业机器人是目前技术上最成熟的机器人，它实质上是能根据预先编制的操作程序自动重复工作的自动化机器，所以这种机器人也称为重复型工业机器人。一、工业机器人概述（1）工业机器人的系统组成工业机器人的本体主要是一只类似于人上肢功能的关节型机械手，其控制系统构成如图1-1所示。图1-1一般工业机器人系统基本构成1．工业机器人的基本组成与控制方式高性能的通用型工业机器人一般采用关节式的机械结构，在每个关节中安装伺服电动机，通过计算机对驱动装置进行控制，实现机器人的运动。如图1-2所示。图1-2工业机器人控制过程（2）工业机器人的控制方式示教再现和位置控制。示教再现控制就是操作人员通过示教器把作业程序内容编制成程序，输入到记忆装置中。给出启动命令后，系统从存储单元中读出信息并送到控制装置，控制装置发出控制信号，由驱动机构控制机械手在一定精度范围内按照存储单元中的内容完成各种动作位置控制---点位控制和连续路径控制点位控制方式只控制机器人运动的起点和终点位置，而不关心这两点之间的运动轨迹，这种控制方式可完成无障碍条件下的点焊、上下料、搬运等操作。连续路径控制这种方式不仅要求机器人以一定的精度达到目标点，而且对移动轨迹也有一定精度要求，例如机器人喷漆、弧焊等操作。连续路径控制方式的实现是以点位控制为基础的，在每两个点之间采用满足精度要求的位置轨迹插补运算即可实现轨迹的连续化。2.工业机器人的技术指标工业机器人的技术指标反映了机器人的适用范围和工作性能，是选择、使用机器人必须考虑的关键问题。（1）自由度自由度是指描述物体运动所需要的独立坐标数。自由物体在空间有6个自由度，即3个移动自由度和3个转动自由度。如果机器人是一个开式连杆系，而每个关节运动副又只有一个自由度，那么机器人的自由度数就等于它的关节数。目前生产中应用的机器人通常具有4～6个自由度。（2）工作范围机器人的工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心运动时所能到达的所有点的集合。工作范围一般指不安装末端执行器时的工作区域。ABB工业机器人的工作范围如图1-3所示，其阴影部分为机器人手臂可以到大的范围。图1-3工业机器人的工作范围（3）最大工作速度机器人的最大工作速度是指机器人主要关节上最大的稳定速度或手臂末端最大的合成速度，因生产厂家不同而标注不同，一般都会在技术参数中加以说明。（4）负载能力工业机器人的负载能力又称为有效负载，指机器人在工作时臂端可能搬运的物体质量或所能承受的力。当关节型机器人的臂杆处于不同位姿时，其负载能力是不同的。机器人的额定负载能力是指其臂杆在工作空间中任意位姿时腕关节端部所能搬运的最大质量。（5）定位精度和重复定位精度工业机器人的运动精度主要包括定位精度和重复定位精度。定位精度是指工业机器人的末端执行器的实际到达位置与目标位置之间的偏差。重复定位精度（又称为重复精度）是指工业机器人在同一环境、同一条件、同一目标动作及同一命令下，工业机器人连续运动若干次重复定位至同一目标位置的能力。点位控制机器人的位置精度不够，会造成实际到达位置与目标位置之间有较大的偏差；连续轨迹控制型机器人的位置精度不够，则会造成实际工作路径相对于示教路径或离线编程路径之间的偏差，如图1-4所示。图1-4工作路径与示教路径的偏差除了这些技术指标以外，机器人的技术指标中通常还包括电源、环境温度、湿度等方面的要求这些指标也是机器人能够正常工作的必要条件，ABB2400L型机器人的技术指标见表1-1。机械结构6自由度载荷重量7kg定位精度±0.06mm安装方式落地式本体重量380kg电源容量4kVA总高1731mm标准涂色橘黄色最大工作范围1轴（旋转）360°2轴（立臂）200°3轴（横臂）125°4轴（腕）370°5轴（腕摆）240°6轴（腕转）800°表1-1ABB2400L型机器人的技术指标最大速度1轴（旋转）150°/s2轴（臂）150°/s3轴（臂）150°/s4轴（腕）360°/s5轴（弯曲）360°/s6轴（旋转）450°/s安装环境环境温度5～45℃相对湿度最高95%防护等级IP54噪音水平最高70dB(A)表1-1ABB2400L型机器人的技术指标（续）二、工业机器人的机械机构工业机器人的机械结构也就是它的执行机构，又叫作操作机，是由一系列连杆和关节或其他形式的运动副所组成，可实现各个方向的运动，它包括基座、腰、臂、腕和手等部件，如图1-5所示为早期的机器人机械结构。图1-5工业机器人的机械结构图1-5工业机器人的机械结构（1）基座工业机器人的基座是机器人的基础部分（2）腰工业机器人的腰是臂的支承部分（3）臂工业机器人的臂是执行机构中的主要运动部件（4）腕工业机器人的腕是连接臂与手的部件，起支承手的作用（5）手工业机器人的手是安装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件三、ABB机器人系统组成及功能工业机器人由机器人本体、控制柜、示教器等组成。如图1-7所示。图1-7工业机器人系统组成1．机器人本体用于搬运工件和夹持焊枪，执行工作任务，如搬运和焊接等。2．控制柜用于安装各种控制单元，进行数据处理及存储和执行程序，是机器人系统的大脑。控制柜按键如图1-8所示。A—主电源开关B—紧急停止按钮C—电动机上电/失电按钮D—模式选择按钮图1-8控制柜键钮（1）主电源开关机器人系统的总开关。（2）紧急停止按钮在任何模式下，按下该按钮，机器人立即停止动作。要使机器人重新动作，必须使它恢复至原来位置。（3）马达上电/失电按钮表示机器人马达的工作状态，按键灯常亮，表示上电状态，机器人的马达被激活，准备好执行程序；按键灯快闪，表示机器人未同步（未标定或计数器未更新），但马达已激活；按键灯慢闪，表示至少有一种安全停止生效，马达未激活。图1-9运行模式选择开关A两位开关B三位开关（4）模式选择按钮一般有如图1-9所示的两种。A自动模式机器人运行时使用，在此状态下，操纵摇杆不能使用。B手动减速模式相应状态为手动状态，机器人只能以低速、手动控制运行。必须按住使能器才能激活电机。C手动全速模式用于在与实际情况相近的情况下调试程序。3．示教器示教器包含很多功能，如手动移动机器人，编辑程序，运行程序等。它与控制柜通过一根电缆连接。其结构如图1-10所示。A—插头B—触摸屏C—急停按钮D—手动上电按键（使能键）E—操纵摇杆F—全速运行保持键图1-10示教器组成结构注意：自动模式下，使能键不起作用；手动模式下，该键有三个位置，即：1）不按--释放状态：机器人马达不上电，机器人不能动作；2）轻轻按下：机器人马达上电，机器人可以按指令或摇杆操纵方向移动；3）用力按下：机器人马达失电，停止运动。4．示教器菜单及窗口（1）菜单系统应用进程从主菜单开始，每项应用将在该菜单中选择。按系统菜单键可以显示系统主菜单，如图1-12所示，各菜单功能见表1-2。图1-12系统主菜单表1-2ABB机器人主菜单功能图标名称功能输入输出（I/O）查看输入输出信号手动操纵手动移动机器人时，通过该选项选择需要控制的单元，如机器人或变位机等。自动生产窗口由手动模式切换到自动模式时，窗口自动跳出。自动运行中可观察程序运行状况。程序数据窗口设置数据类型，即设置应用程序中不同指令所需的不同类型的数据。程序编辑器用于建立程序、修改指令及程序的复制、粘贴等。备份与恢复备份程序、系统参数等。校准输入、偏移量、零位等校准。控制面板参数设定、I/O单元设定、弧焊设备设定、自定义键设定及语言选择等。例如，示教器中英文界面选择方法：ABB→控制面板→语言→ControlPanel→Language→Chinese。事件日志记录系统发生的事件，如马达上电/失电、出现操作错误等各种过程。资源管理器新建、查看、删除文件夹或文件等。系统信息查看整个控制器的型号、系统版本和内存等。（2）窗口菜单中每项功能选择后，都会在任务栏中显示一个按钮。可以按此按钮进行切换当前的任务（窗口）。如图1-13所示，使用中同时打开四个窗口，最多可以打开6个窗口，且可以通过点击窗口下方任务栏按钮实现在不同窗口之间的切换。如图1-13机器人系统窗口1.操纵窗口2.程序数据窗3.输入/输出窗口4.编程窗口（3）快捷菜单快捷菜单提供较操作窗口更快捷的操作按键，每项菜单使用一个图标显示当前的运行模式或设定。快捷菜单如图1-14所示，各选项含义见表1-3。图1-14机器人系统快捷菜单表1-3ABB机器人系统快捷菜单功能图标名称功能快捷键快速显示常用选项机械单元工件与工具坐标系的改变步长手动操纵机器人的运动速度调节运行模式有连续和单周运行两种步进运行不常用速度模式运行程序时使用，调节运行速度的百分率【知识拓展】工业机器人一般属于关节型机器人，其轨迹规划是根据作业任务的要求，计算出预期的运动轨迹，首先对机器人的任务、运动路径和轨迹进行描述，机器人轨迹规划属于机器人低层规划，基本上不涉及人工智能问题。工业机器人的轨迹规划1．轨迹规划方法路径约束和障碍约束的组合把机器人的规划与控制方式划分为四类，如表1-4所示。表1-4机器人操作臂控制方法障碍约束有无路径约束有离线无碰撞路径规则+在线路径跟踪离线路径规则+在线路径跟踪无位置控制+在线障碍探测和避障位置控制机器人最常用的轨迹规划方法有两种：第一种方法要求用户对于选定的转变结点(插值点)上的位姿、速度和加速度给出一组显式约束(例如连续性和光滑程度等)，轨迹规划结点进行插值，并满足约束条件；第二种方法要求用户给出运动路径的解析式，如为直角坐标空间中的直线路径，轨迹规划在关节空间或直角坐标空间中确定一条轨迹来逼近预定的路径。图1-15搬运机器人工作路径图1-16焊接机器人工作路径2．机器人关节轨迹的插值计算如图1-15所示，搬运机器人的工作是要把物体从A点移动到B点，至于移动过程中所经过的路径可不加限制。机器人从A点向B点移动的重复进行的控制称为PTP控制(pointtopointcontrol)。这种控制只限于从一点到另一点，至于途中所经过的路径是不重要的。图1-16所示为焊接机器人的工作是要对A点到B点之间的接缝进行焊接，为了增强焊缝强度，对机械手的移动轨迹加以限制，必须在A、B两点之间沿接缝进行。机器人手臂从一点到另一点的移动轨迹做出严格控制的称为CP(continuouspathcontrol)控制。在A点和B点之间设置C，D，E等多个目标点，就像踩着几块石头过一条小溪一样地按顺序进行PTP控制，可以认为这是一种近似的CP控制。确定A，B两点之间的C，D，E各点的坐标的过程称为插值或插补。插入途中点进行的PTP控制称为模拟CP控制。示教再现机器人对有规律的轨迹，仅示教几个特征点，计算机就能利用插补算法获得中间点的坐标，从而实现要求的轨迹，其过程如图1-17所示。图1-17机器人轨迹的插补计算【思考与练习】1．何谓机器人系统？为什么要组成该系统？2．什么是工业机器人的自由度？3．工业机器人的控制方式有哪几种？4．一般工业机器人的技术参数有哪些？5．查阅资料，简述一下工业机器人的应用现状和发展趋势。