工业机器人技术及应用(教案).doc

第四章 初识工业机器人的作业示教4.1 工业机器人示教的主要内容4.1.1 运动轨迹4.1.2 作业条件4.1.3 作业挨次学习目标 导入案例 课堂认知 扩展与提高 本章小结 思考练习4.2 工业机器人的简洁试教学与再现4.2.1 在线示教及其特点4.2.2 在线示教的根本步骤其特点4.3 工业机器人的离线编程技术4.3.1 离线编程及其特点4.3.2 离线编程系统的软件架构4.3.3 离线编程的根本步骤课前回忆如何选择机器人坐标系和运动轴？机器人点动与连续移动有何区分，分别适合在哪些场合运用？ 学习目标认知目标把握工业机器人示教的主要内容生疏机器人在线示教的特点与操作流程生疏机器人离线编程的特点与操作流程把握机器人示教 - 再现工作原理力气目标能够进展工业机器人简洁作业在线示教与再现能够进展工业机器人离线作业示教与再现导入案例机器人职业前景分析对于机器人企业来说，他们需要的高端人才，至少应生疏编程语言和仿真设计， 以及神经网络、模糊把握等常用把握算法，能到达指导员工的程度。在此根底 上，能依据实际状况自主争辩算法。此外，最好还能主导大型机电一体化设备的研发，具备确定的治理力气。而其余调试，操作员工的要求相应递减。跟据职能划分，或许可分为四个工种： 1. 工程师助手，主要责任是帮助工程师绘制机械图样、电气图样、简洁工装夹具设计、制作工艺卡片、指导工人依据装配图进展组装；2. 机器人生产线试产员与操作员；3. 机器人总装与调试者；4.高端修理或售后效劳人员。课堂认知144.1 工业机器人示教的主要内容目前，企业引入的以第一代工业机器人为主，其根本工作原理是 “示教 - 再 现” 。 “示教”也称导引，即由操作者直接或间接导引机器人，一步步按实际作业要求告知机器人应当完成的动作和作业的具体内容，机器人在导引过程中以程序的形式将其记忆下来，并存储在机器人把握装置内；“再现”则是通过存储内容的回放，机器人就能在确定精度范围内依据程序呈现所示教的动作和赐予的作业内容程序是把机器人的作业内容用机器人语言加以描述的文件，用于保存示教操作中产生的示教数据和机器人指令。机器人完成作业所需的信息包括 运动轨迹、作业条件和作业挨次 。4.1.1 运动轨迹运动轨迹是机器人为完成某一作业，工具中心点 TCP 所拂过的路径，是机器示教的重点。从运动方式上看，工业机器人具有点到点 PTP 运动和连续路径 CP 运动2 种形式。按运动路径种类区分，工业机器人具有直线和圆弧 2 种动作类型。示教时，直线轨迹示教 2 个程序点直线起始点和直线完毕点；圆弧轨迹示教3 个程序点圆弧起始点、圆弧中间点和圆弧完毕点。在具体操作过程中，通常 PTP 示教各段运动轨迹端点，而 CP 运动由机器人把握系统的路径规划模块经插补运算产生。机器人运动轨迹机器人运动轨迹的示教主要是确认程序点的属性 。每个程序点主要包含：位置坐标:描述机器人 TCP 的 6 个自由度 3 个平动自由度和 3 个转动自由度。插补方式:机器人再现时，从前一程序点移动到当前程序点的动作类型。再现速度:机器人再现时，从前一程序点移动到当前程序点的速度。空走点:指从当前程序点移动到下一程序点的整个过程不需要实施作业，用于示教除作业开头点和作业中间点之外的程序点。作业点:指从当前程序点移动到下一程序点的整个过程需要实施作业，用于作业开始点和作业中间点。空走点和作业点打算从当前程序点移动到下一程序点是否实施作业。提示 作业区间的再现速度一般按作业参数中指定的速度移动，而空走区间的移动速度则按移动命令中指定的速度移动； 登录程序点时，程序点属性值也将一同被登录。插补方式动作描述动作图示关节插补机器人在未规定实行何种轨迹移动时，默认承受关节插补。出于安全考虑，通常在程序点 1 用关节插补示教。机器人从前一程序点到当前程序点运行一段直线，即直直线插补线轨迹仅示教 1 个程序点直线完毕点即可。直线插补主要用于直线轨迹的作业示教。机器人沿着用圆弧插补示教圆弧插补的 3 个程序点执行圆弧轨迹移动。圆弧插补主要用于圆弧轨迹的作业示教。起点工业机器人常见插补方式4.1.2 作业条件工业机器人作业条件的登录方法，有 3 种形式：使用作业条件文件 输入作业条件的文件称为作业条件文件。使用这些文件，可使作业命令的应用更简便。在作业命令的附加项中直接设定 首先需要了解机器人指令的语言形式，或程序编辑画面的构成要素。程序语句一般由行标号、命令及附加项几局部组成。8:JP1100%FINE0008MOVJVJ = 80.00(a) FANUC 机器人(b) YASKAWA 机器人程序语句的主要构成要素手动设定 在某些应用场合下，有关作业参数的设定需要手动进展。4.1.3 作业挨次作业挨次不仅可保证产品质量，而且可提高效率。作业挨次的设置主要涉及：作业对象的工艺挨次 在某些简洁作业场合，作业挨次的设定同机器人运动轨迹的示教合二为一。机器人与外围周边设备的动作挨次 在完整的工业机器人系统中，除机器人本身外，还包括一些周边设备，如变位机、移动滑台、自开工具快换装置等。工业机器人四巨头的机器人移动命令在线示教因简洁直观、易于把握，是工业机器人目前普遍承受的编程方式。4.2.1 在线示教及特点由操作人员手持示教器引导，把握机器人运动，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。典型的示教过程是依靠操作者观看机器人及其末端夹持工具相对于作业对象的位姿，通过对示教器的操作，反复调整程序点处机器人的作业位姿、运动参数和工艺条件，再转入下一程序点的示教。工业机器人的在线示教早期机器人作业编程系统中，亦有一种人工牵引示教也称直接示教或手把手示教。即由操作人员牵引装有力 - 力矩传感器的机器人末端执行器对工件实施作业，机器人实时记录整个示教轨迹与工艺参数，然后依据这些在线参数就能准确再现整个作业过程。在线示教作业任务编制共同特点：1 利用机器人有较高的重复定位精度优点，降低了系统误差对机器人运动确定精度的影响。2 要求操作者有专业学问和娴熟的操作技能，近距离示教操作，有确定的危急性，安全性较差。3 示教过程繁琐、费时，需要依据作业任务反复调整末端执行器的位姿，占用了大量时间，时效性较差 。4 机器人在线示教精度完全靠操作者的阅历目测打算，对于简洁运动轨迹难以取得令人满足的示教效果 。5 机器人示教时关闭与外围设备联系功能。对需要依据外部信息进展实时决策的应用就显得无能为力 。6 在柔性制造系统中，这种编程方式无法与 CAD 数据库相连接。4.2.2 在线示教的根本步骤通过在线示教方式为机器人输入从工件 A 点到 B 点的加工程序。机器人运动轨迹程序点说 明程序点说 明程序点说 明程序点 1机器人原点程序点 3作业开头点程序点 5作业躲避点程序点 2作业接近点程序点 4作业完毕点程序点 6机器人原点 为提高工作效率，通常将程序点 6 和程序点 1 设在同一位置。程序点说明(1) 示教前的预备(2) 建作业程序1 工件外表清理。作业程序是用机器人语言描述2 工件装夹。机器人工作单元的作业内容，主要3 安全确认。用于登录示教数据和机器人指令。4 机器人原点确认(3) 程序点的登录在线示教根本流程运动轨迹示教方法程序点示教方法程序点 1机器人原点 按第 3 章手动操纵机器人要领移动机器人到原点。将程序点属性设定为“空走点”，插补方式选“ PTP ”。 确认保存程序点 1 为机器人原点。程序点 2作业接近点程序点 3作业开头点手动操纵机器人移动到作业接近点。将程序点属性设定为“空走点”，插补方式选“ PTP ”。确认保存程序点 2 为作业接近点。手动操纵机器人移动到作业开头点。确认保存程序点 3 为作业开头点。如有需要，手动插入焊接开头作业命令。手动操纵机器人移动到作业完毕点。程序点 4 将程序点属性设定为“空走点”，插补方式选“直线插补”。作业完毕点 确认保存程序点 4 为作业完毕点。 如有需要，手动插入焊接完毕作业命令。程序点 5作业躲避点程序点 6机器人原点手动操纵机器人移动到作业躲避点。将程序点属性设定为“空走点”，插补方式选“直线插补”。 确认保存程序点 5 为作业躲避点。手动操纵机器人要领移动机器人到原点。将程序点属性设定为“空走点”，插补方式选“ PTP ”。确认保存程序点 6 为机器人原点。(4) 设定作业条件在作业开头命令中设定焊接开头标准及焊接开头动作次序；在焊接完毕命令中设定焊接完毕标准及焊接完毕动作次序；手动调整保护气体流量。(5) 检查试运行跟踪的主要目的是 检查示教生成的动作以及末端工具指向位置是否已登录。单步运转通过逐行执行当前行光标所在行的程序语句，机器人实现两个接近程序点间的单步正向或反向移动。完毕 1 行的执行后，机器人动作暂停。跟踪方式连续运转通过逐行执行当前行光标所在行的程序语句的末尾，机器人完成多个程序点的顺向连续移动。程序为挨次执行，所以仅能实现，正向跟踪多用于作业周期估量。确认机器人四周无人后，按以下挨次执行作业程序的测试运转： 1 翻开要测试的程序文件。2 移动光标至期望跟踪程序点所在命令行。3 持续按住示教器上的有关【跟踪功能键】，实现机器人的单步或连续运转。提示当机器人 TCP 当前位置与光标所在行不全都时，按下【 跟踪功能键 】，机器人将从当前位置移动到光标所在程序点位置；而当机器人 TCP 当前位置与光标所在行全都时，机器人将从当前位置移动到下一接近示教点位置。执行检查运行时，不执行起弧、喷涂等作业命令，只执行空再现。利用跟踪操作可快速实现程序点的变更、增加和删除。(6) 再现施焊工业机器人程序的启动可用两种方法：手动启动:使用示教器上的【启动按钮】 来启动程序的方式。适合作业任务及测试阶段 。自动启动:利用外部设备输入信号来启动程序的方式。在实际生产中经常用到。在确认机器人的运行范围内没有其他人员或障碍物后，接通保护气体，采用手动启动方式实现自动焊接作业。1 翻开要再现的作业程序，并移动光标到程序开头。2 切换【模式旋钮】至“再现 / 自动”状态。3 按示教器上的【伺服 ON 按钮】，接通伺服电源。4 按【启动按钮】，机器人开头运行。提示执行程序时，光标跟随再现过程移动，程序内容自动滚动显示。4.3.1 离线编程及其特点离线编程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，通过对图形的把握和操作，使用机器人编程语言描述机器人作业任务，然后对编程的结果进展三维图形动画仿真，离线计算、规划和调试机器人程序的正确性，并生成机器人把握器可执行的代码，最终通过通讯接口发送至机器人把握器。机器人的离线编程基于虚拟现实技术的机器人作业编程已成为机器人学中的兴争辩方向，它将虚拟现实作为高端的人机接口，允许用户通过声、像、力以及图形等多种交互设备实时地与虚拟环境交互。机器人的虚拟示教4.3.2 离线编程系统的软件构架典型的机器人离线编程系统的软件架构，主要由建模模块、布局模块、编程模块、仿真模块、程序生成及通讯模块组成。典型机器人离线编程系统的软件架构建模模块:这是离线编程系统的根底，为机器人和工件的编程与仿真供给可视的三维几何造型。布局模块:按机器人实际工作单元的安装格局在仿真环境下进展整个机器人系统模型的空间布局。编程模块:包括运动学计算、轨迹规划等，前者是把握机器人运动的依据；后者用来生成机器人关节空间或直角空间里的轨迹。仿真模块:用来检验编制的机器人程序是否正确、牢靠，一般具有碰撞检查功能。程序生成:把仿真系统所生成的运动程序转换成被加载机器人把握器可以承受的代码指令，以命令真实机器人工作。接口通讯:离线编程系统的重要局局部为用户接口和通讯接口：前者设计成交互式，可利用鼠标操作机器人的运动；后者负责连接离线编程系统与机器人把握器。提示在离线编程软件中，机器人和设备模型均为三维显示，可直观设置、观看机器人的位置、动作与干预状况。在实际购置机器人设备之前，通过预先分析机器人工作站的配置状况，可使选型更加准确。离线编程软件使用的力学、工程学等计算公式和实际机器人完全全都。因此，模拟精度很高，可准确无误地模拟机器人的动作。离线编程软件中的机器人设置、操作和实际机器人上的几乎完全一样，程序的编辑画面也与在线示教一样。利用离线编程软件做好的模拟动画可输出为视频格式，便于学习和沟通。4.3.3 离线编程的根本步骤通过离线方式输入从 A 到 B 作业点程序。 为提高工作效率，通常将程序点 6 和程序点 1 设在同一位置。机器人运动轨迹1离线编程的根本流程(1) 几何建模机器人工作台的几何建模提示各机器人公司开发的离线编程软件的模型库中根本含有其生产的全部型号的机器人本体模型和一些典型周边设备模型；在导入由其他 CAD 软件绘制的机器人工作环境模型时，要留意参考坐标系是否一20致问题。(2) 空间布局供给一个与机器人进展交互的虚拟环境，需要把整个机器人系统包括机器人本体、变位机、工件、周边作业设备等的模型依据实际的装配和安装状况在仿真环境中进展布局。机器人及其作业环境布局(3) 运动规划运动规划主要有两个方面： 作业位置规划和作业路径规划 。作业位置规划 在机器人运动空间可达性的条件下，尽可能的削减机器人在作业过程中的极限运动或机器人各轴的极限位置。作业路径规划 在保证末端工具作业姿势的前提下，避开机器人与工件、夹具、周边设备等发生碰撞。机器人运动规划提示同在线示教一样，机器人的离线运动规划需建一个作业程序以保存示教数据和机器人指令。承受在线示教方式操作机器人运动主要是通过示教器上的按键，而离线编程操作机器人三维图形运动主要用鼠标。(4) 动画仿真系统对运动规划的结果进展三维图形动画仿真，模拟整个作业状况，检查末端工具发生碰撞的可能性及机器人的运动轨迹是否合理，并计算机器人的每个工步的操作时间和整个工作过程的循环时间，为离线编程结果的可行性供给参考。作业开头点仿真作业完毕点仿真(5) 程序生成及传输作业程序的仿真结果完全到达作业的要求后，将该作业程序转换成机器人的把握程序和数据，并通过通信接口下载到机器人把握柜，驱动机器人执行指定的作业任务。(6) 运行确认与施焊处于安全考虑，离线编程生成的目标作业程序在自动运转前需跟踪试运行。至此，机器人从工件 A 点到 B 点的离线作业编程操作完毕。提示开头再现前，请做如下预备工作：工件外表清理与装夹、机器人原点确认。出于生产现场的简洁性、作业的牢靠性等方面的考虑，工业机器人的作业示教在短期内仍将无法脱离在线示教的现状。无论在线示教还是离线编程，其主要目的是完成机器人运动轨迹、作业条件和作业挨次的示教。机器人示教的主要内容扩展与提高机器人作业程序的编辑常见的操作有程序点的追加、变更和删除，机器人移动速度的修改以及机器人指令的添加。1. 程序点的追加、变更和删除程序点编辑方法编辑类别操作要领动作图示示教点的追加 使用跟踪功能将机器人移动到程序点 1 位置。 手动操作机器人移动到的目标点位置程序点 3 。 点按示教器按键登录程序点 3 。程序点 3示教点的变更 使用跟踪功能将机器人移动到程序点 2 位置。手动操作机器人移动到的目标点位置。程序点 2示教点的删除 点按示教器按键登录程序点 2 。 使用跟踪功能将机器人移动到程序点 2 位置。 点按示教器按键删除程序点 2 。程序点 32. 机器人移动速度的修改示教再现操作过程中，涉及 3 类动作速度：手动操作机器人移动时的 示教速度、运动轨迹确认时的 跟踪速度 、程序自动运转时的 再现速度 。示教速度 使用示教器手动操作机器人移动的速度，分点动速度和连续移动速度。跟踪速度 使用示教器进展运行轨迹确认，或者程序编辑中跟踪机器人到某一程序点位置时的移动速度。跟踪操作时，一般有作业条件速度、移动命令速度以及凹凸档速度切换三种选择。再现速度 运行示教程序的机器人移动速度。同跟踪速度类似，在作业区间内依据作业命令中的速度运行，而空走区间依据移动命令中的速度运行。3. 机器人指令的添加机器人指令分为以下几类：动作指令、作业指令、存放器指令、 I/O 指令、跳转指令和其他指令。动作指令:指以指定的移动速度和插补方式使机器人向作业空间内的指定位置移动的指令。作业指令:依据机器人具体应用领域而编制的一类指令，如码垛指令、焊接指令搬运指令等。存放器指令:进展存放器的算术运算的指令。I/O 指令:转变向外围设备的输出信号，或读取输入信号状态的指令。跳转指令:使程序的执行从程序某一行转移到其他程序的行，如标签指令、程序完毕指令、条件转移指令及无条件转移指令等。其他指令:如计时器指令、注释指令等。本章小结目前国际上商品化、有用化的工业机器人根本都属属于第一代工业机器 人，它的根本工作原理是“示教 - 再现”。“示教”就是机器人学习的过程， “再现”是机器人依据示教时记录下来的程序呈现这些开工业机器人工作前，通常是通过“示教”的方法为机器人作业程序生成运动命令，目前主要承受两种方式进展：一是在线示教；二是离线编程。对工业机器人的作业任务进展编程，不管是在线示教还是离线编程，其主要涉及运动轨迹、作业条件和作业挨次三方面的示教。思考练习1、填空(1) 也称导引，即由操作者直接或间接导引机器人，一步步按实际作业要求告知机器人应当完成的动作和作业的具体内容，机器人在导引过程中以 的形式将其记忆下来，并存储在机器人把握装置内；则是通过存储内容的回放，机器人就能在确定精度范围内依据程序呈现所示教的动作和赐予的作业内容。(2) 的主要目的是检查示教生成的动作以及末端工具指向位置是否已登录。(3) 是利用计算机图形学的成果，在计算机中建立起机器人及其工作环境的模型，通过对图形的把握和操作，在不使用实际机器人的状况下编程，进而产生气器人程序。2、选择(1) 对工业机器人进展作业编程，主要内容包含 。运动轨迹；作业条件；作业挨次；插补方式A. B. C. D. (2) 机器人运动轨迹的示教主要是确认程序点的属性，这些属性包括 。位置坐标；插补方式；再现速度；作业点 / 空走点A. B. C. D. (3) 与传统的在线示教编程相比，离线编程具有如下优点： 。削减机器人的非工作时间；使编程者远离苛刻的工作环境；便于修改 机器人程序；可结合各种人工智能等技术提高编程效率；便于和 CAD/CAM 系统结合，做到 CAD 、 CAM 、 Robotics 一体化A. B. C. D. 3、推断(1) 因技术尚未成熟，现在广泛应用的工业机器人绝大多数属于第一代机器人， 它的根本工作原理是示教 - 再现。 (2) 机器人示教时，对于有规律的轨迹，原则上仅需示教几个关键点。 (3) 承受直线插补示教的程序点指的是从当前程序点移动到下一程序点运行一段直线。 (4) 离线编程是工业机器人目前普遍承受的编程方式。 (5) 虽然示教再现方式存在机器人占用机时、效率低等诸多缺点，人们也试图通过承受传感器使机器人智能化，但在简洁的生产现场和作业牢靠性等方面处处碰壁，难以实现。因此，工业机器人的作业示教在相当长时间内仍将无法脱离在线示教的现状。 4、综合应用用机器人完成以以下图所示直线轨迹AB 的焊接作业，答复如下问题：1) 结合具体示教过程，填写下表请在相应选项下打 “ ” 。2) 实际作业编程时，为提高效率，对程序点 1 和程序点 6 如何处理？简述操作过程。程序点作业点 / 空走点插补方式作业点空走点PTP直线插补程序点 1程序点 2程序点 3直线轨迹作业示教程序点 4程序点 5程序点 6