工业机器人技术与应用

成都航空职业技术学院论文题目:工业机器人技术与应用年    级:  2011级           学    号:  110310            姓    名:  何 大 元          专    业:  汽车制造与装配技术指导老师:  刘 培 勇          二零一三年十二月 追求卓越                                                                             成都航空职业技术学院摘  要本文主要针对工业机器人的基本应用知识进行讲解，其中包含工业机器人的基础常识，工业机器人的安装与调试、控制原理、传感器、离线编程、末端执行器等。之后还对工业机器人的核心部件的原理及其维修进行了分析。关键字：工业机器人、安装、调试、离线编程、伺服控制、伺服电机、传感器、维修（中文摘要一般为400字左右，英文摘要应与中文摘要内容相同。）AbstractThis article mainly aims at the basic of the industrial robot application knowledge, including basic common sense, the installation and commissioning, control theory, sensor, off-line programming and terminal actuators of industrial robots. After that, Analysis of the core parts of the robot, and maintenance.    Key words:Industrial robots, installation, debugging, off-line programming, servo control, servo motors, sensors, maintenance 2目  录摘  要1第一章  工业机器人的组成11.1 绪论11.2 工业机器人的定义11.3 工业机器人的组成11.31 工业机器人的控制系统21.32 工业机器人的驱动系统41.33 工业机器人的执行机构51.34 工业机器人的检测系统71.4 工业机器人之中的常用概念9第二章  工业机器人的离线开发102.1 工业机器人的编程方式102.2 ABB工业机器人的离线编程112.2. 1 RAPID程序的构架112.2. 2 RAPID程序的程序数据与指令112.2. 3 RAPID程序运动控制指令132.2. 4 RAPID程序逻辑控制指令152.2. 5 RAPID程序的经典程序解析：17第三章  工业机器人的安装243.1 机器人的搬运243.1 安全护栏的安装253.2 机器人的安装253.21 机器人本体的安装实例263.22  机器人的壁挂式安装273.3 安装现场和环境273.4 线缆的连接27第四章  交流永磁伺服电动机294.1 交流永磁电机的结构294.11 交流永磁电机的定子结构294.12 交流永磁电机的转子结构304.13 交流永磁电机的控制方式314.14 永磁体的退磁324.2 交流永磁电机的伺服控制324.21 交流永磁电机的驱动器334.22 交流永磁电机的控制方式394.23 转矩控制实例43第五章  机器人的驱动475.1 步进电机驱动475.11 步进电机的工作原理与分类475.12 步进电机的控制505.13 对步进电机的选择525.2 直流伺服驱动535.21直流伺服电机的组成及工作原理535.3 交流伺服电动机555.31 交流伺服电动机原理及分类555.32 交流伺服电动机的特点555.33 交流伺服电动机控制原理565.4 三环系统565.41 光电编码器575.42 比例积分（PI）调节61第六章  工业机器人的传感器626.1 工业机器人的视觉626.11工业机器人视觉系统的功能626.12 工业机器人视觉系统的要求626.13 人类与机器人的视觉626.14 图像采集技术636.15 图像处理技术646.2 工业机器人的听觉656.21语音消噪656.22语音信号预处理及特征提取666.2 工业机器人的触觉666.21 机器人触觉传感器简介666.22 机器人触觉的原理67第七章  工业机器人的维修707.1 机器人的常见故障707.2 交流永磁电动机的维修707.21 定子绕组的维修707.22 刹车盘的维修717.23 刹车电磁铁的维修717.24 永磁电机转子的维修717.3 伺服驱动器的维修727.4 机器人本体及电缆的维修727.41 机器人臂的维修727.42 机器人立柱和平衡缸的维修737.43 机器人电缆的维修737.5 减速机的维修737.51 轴承的维修747.52 曲轴的维修74结束语75第一章  工业机器人的组成1.1 绪论工业机器人是由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置几大部分构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间内完成各种作业的现代机电一体化自动化生产设备。特别适合多品种、变批量的柔性生产。工业机器人对稳定、提高产品质量，提升生产效率，改善劳动环境和条件，产品的快速更新换代等都起着十分重要的作用。工业机器人是一种集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多种学科先进技术于一体的现代制造业之中重要的自动化装备。是当代研究十分热门，应用快速广泛的领域。工业机器人的应用情况，已成为一个国家工业自动化水平的重要标志。工业机器人并不只是在简单意义上的代替人工劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。1.2 工业机器人的定义工业机器人是一种模拟人的手、臂，按照预定的程序、轨迹及其要求，实现抓取、搬运及其操作的自动化装置。1.3 工业机器人的组成工业机器人包括的范围很大，分类方式也是多种多样。下面是对现在的工业机器人进行分类。工业机器人按操作机坐标形式分以下几类：（坐标形式是指操作机的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。 （1）直角坐标型工业机器人      其运动部分由三个相互垂直的直线移动（即PPP）组成，其工作空间图形为长方形。它在各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，控制无耦合，结构简单，但机体所占空间体积大，动作范围小，灵活性差，难与其他工业机器人协调工作。    （2） 圆柱坐标型工业机器人      其运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现的，其工作空间图形为圆柱，与直角坐标型工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大，其位置精度仅次于直角坐标型机器人，难与其他工业机器人协调工作。     （3） 球坐标型工业机器人       又称极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动和一个直线移动（即RRP,一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动）所组成，其工作空间为一球体，它可以作上下俯仰动作并能抓取地面上或教低位置的协调工件，其位置精度高，位置误差与臂长成正比。     （4） 多关节型工业机器人  又称回转坐标型工业机器人，这种工业机器人的手臂与人一体上肢类似，其前三个关节是回转副（即RRR），该工业机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂见形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂做回转运动和俯仰摆动，小臂做仰俯摆动。其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，能与其他工业机器人协调工作，但位置精度教低，有平衡问题，控制耦合，这种工业机器人应用越来越广泛。  （5）平面关节型工业机器人  它采用一个移动关节和两个回转关节（即PRR），移动关节实现上下运动，而两个回转关节则控制前后、左右运动。这种形式的工业机器人又称装配机器人。在水平方向则具有柔顺性，而在垂直方向则有教大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业的插接、装配中应用广泛。  工业机器人按驱动方式分以下几类： （1） 气动式工业机器人  这类工业机器人以压缩空气来驱动操作机，其优点是空气来源方便，动作迅速，结构简单造价低，无污染，缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳定性较差，又因气源压力一般只有6kPa左右，所以这类工业机器人抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大百余牛顿。 （2） 液压式工业机器人   液压压力比气压压力高得多，一般为70kPa左右，故液压传动工业机器人具有较大的抓举能力，可达上千牛顿。这类工业机器人结构紧凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温或低温环境下工作。  （3） 电动式工业机器人  这是目前用得最多的一类工业机器人，不仅因为电动机品种众多，为工业机器人设计提供了多种选择，也因为它们可以运用多种灵活控制的方法。早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服驱动单元，目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。这些驱动单元或是直接驱动操作机，或是通过诸如谐波减速器的装置来减速后驱动，结构十分紧凑、简单。 以现在应用最广的电动式六轴多关节机器人为列，工业机器人是模仿人类的手、臂的自动化装置。其机器人本体由四大部分组成：控制系统、驱动系统、执行机构、检测系统。 工业机器人还可以按用途分以下几类： 焊接机器人、冲压机器人、浇注机器人、装配机器人、搬运机器人、喷漆机器人、切削加工机器人、检测机器人等。1.31 工业机器人的控制系统    工业机器人控制系统的定义：用来控制机器人的执行机构按规定要求动作，相当于人的大脑。工业机器人是通过控制末端执行器的坐标（TCP）来实现动作。控制程序一般是通过专业软件进行离线编程，也可以通过手持示教编程器进行现场控制。工业机器人控制系统可以从不同角度分类，如控制运动的方式不同，可为关节控制、笛卡尔空间运动控制和自适应控制；按轨迹控制方式的不同，可分为点位控制和连续轨迹控制；按速度控制方式的不同，可分为速度控制、加速度控制、力控制。给每个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。工业机器人的控制技术是在传统机械系统的控制技术的基础上发展起来的，两者在根本上相差不大，但工业机器人控制系统也有许多特殊之处。工业机器人控制系统的组成：（1） 控制计算机。是控制系统的核心。一般为微处理器，有32位、64位等。（2） 示教器。用于控制机器人的工作轨迹和参数设定。实现人为控制和数据交流。拥有自己独立的CPU和储存单元。通过串行通信方式与计算机之间实现交流。（3） 操作面板。对机器人基本功能进行操作。（4） 储存器。存储机器人工作程序。（5） 打印机接口。记录各种需要输出的信息。（6） 总线接口。实现机器人的总线通信。包括与计算机的总线、与其他机器人的总线、与外围设备的总线等。工业机器人控制方式：（1） 点位控制。只控制工业机器人TCP在空间内离散点的位姿。这种控制方式只要求工业机器人快速、准确的实现相邻点之间的运动，而对到达目标点的运动轨迹不做要求。这种控制方式的关键在于定位精度和运动时间。由于其控制简单，定位精度要求不高，这种控制方式常用在搬运、上下料、点焊等只要求在目标点保持末端执行器的姿态和位置的作业之中。（2） 连续轨迹控制。控制机器人末端执行器在作业空间内按照一定的轨迹、位姿、速度进行运动，而且轨迹光滑、速度可控。这种控制方式的的关键在于机器人末端执行器的运动精度和平稳度。这种控制方式常用在弧焊、喷漆、检测作业等。（3） 力（力矩）控制。在存在力（力矩）传感器的情况下，对力（力矩）信号进行处理控制。这种控制方式是针对一些除了要求准确定位之外，还要求一定的力和力矩的工作。在力（力矩）伺服控制之中有时也会利用接近、滑觉等传感功能来进行自适应控制。（4） 智能控制。根据外部传感器获取周围的环境知识，根据其内部的知识库做出决策并进行控制。这种控制方式需要很强的环境适应性和自学习能力。目前这种控制方式还不成熟。工业机器人控制系统的特点：  （1） 工业机器人有若干个关节，每个关节都对应一个伺服电机，每一个伺服电机都有一个伺服驱动器，每一个伺服驱动器都有一个编码器，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。    （2） 工业机器人的工作核心是操作机器人手部（TCP）进行空间点位运动或连续轨迹运动，对工业机器人的运动控制，需要进行复杂的坐标变换运算，以及矩阵函数的逆运算。    （3） 工业机器人的数学模型是一个多变量、非线性和变参数的复杂模型，各变量之间还存在着耦合，因此工业机器人的控制中经常使用前馈、补偿、解耦和自适应等复杂控制技术。 （4） 较高级的工业机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和分析，采用计算机建立庞大的信息库，用人工智能的方法进行控制、决策、管理和操作，按照给定的要求，自动选择最佳控制规律。 工业机器人的控制系统发基本要求有：    （1） 实现对工业机器人的位置、速度、加速度等控制功能，对于连续轨迹运动的工业机器人还必须具有轨迹的规划与控制功能。（2） 方便的人-机交互功能，操作人员采用直接指令代码对工业机器人进行作用指示。使用工业机器人具有作业知识的记忆、修正和工作程序的跳转功能。 （3） 具有对外部环境（包括作业条件）的检测和感觉功能。为使工业机器人具有对外部状态变化的适应能力，工业机器人应能对诸如视觉、力觉、触觉等有关信息进行测量、识别、判断、理解等功能。在自动化生产线中，工业机器人应用与其它设备交换信息，协调工作的能力。1.32 工业机器人的驱动系统工业机器人的驱动系统的定义：按照控制系统发出的控制指令将信号放大，驱动执行机构运动的传动装置。工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压，气动和电动三大类。根据需要也可由这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的各有自己的特点。液压驱动系统：由于液压技术是一种比较成熟的技术。它具有动力大、力(或力矩)与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适于在承载能力大，惯量大以及在防焊环境中工作的这些机器人中应用。但液压系统需进行能量转换(电能转换成液压能)，速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低。液压系统的液体泄泥会对环境产生污染，工作噪声也较高。因这些弱点，近年来，在负荷为100kg以下的机器人中往往被电动系统所取代。气动驱动系统：具有速度快、系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适于在中、小负荷的机器人中采用。但因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。 电动驱动系统：由于低惯量，大转矩交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器(交流变频器、直流脉冲宽度调制器)的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量选用。这类系统不需能量转换，使用方便，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的环境中，成本也较上两种驱动系统的高。但因这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的选用。机器人对关节驱动电机的主要要求规纳如下：   （1）快速性。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。   （2）起动转矩惯量比大。在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。   （3）控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。   （4）调速范围宽。能使用于1：100010000的调速范围。   （5）体积小、质量小、轴向尺寸短。   （6）能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。工业机器人驱动系统中所采用的电动机，大致可分为以下几种：（1）交流伺服电动机：包括同步型交流伺服电动机及反应式步进电动机等。   （2）直流伺服电动机：包括小惯量永磁直流伺服电动机、印制绕组直流伺服电动机、大惯量永磁直流伺服电动机、空心杯电枢直流伺服电动机。   （3）步进电动机：包括永磁感应步进电动机。三种电动机的区别主要有：交流伺服电动机、直流伺服电动机、直接驱动电动机（DD）均采用位置闭环控制，一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。步进电动机驱动系统多适用于对精度、速度要求不高的小型简易机器人开环系统中。交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花，在易燃易爆环境中得到了广泛的使用。1.33 工业机器人的执行机构工业机器人的执行机构的定义：是一种具有和人手臂有相似的动作功能，可在空间抓放物体或执行其它操作的机械装置。通常包括机座、手臂、手腕和末端执行器。              1底座 2第二轴 3第三轴 4第四轴 5第五轴 6第六轴                         图 1-1基座：工业机器人的基座对机器人本体起支撑和固定作用，有固定和移动式两种。轴：以一般的六轴工业机器人为列，第一轴为底盘（腰）；第二轴为连接臂（躯干）；第三轴为手臂；第四、第五、第六轴为腕部。末端执行器：机器人的末端执行器是一种能够拿起一个目标，并且具有处理、传输、夹持、放置和释放目标到一个准确的离散位置等功能的机械机构。其作用是直接执行工作任务的工具，相当于人类的手指。末端执行器的的功用是抓取工件，需要应用在不同的场合，因此末端执行器的种类也是多种多样。大体上可以分为以下几类：机械式夹持器：如图1-2工业机器人中应用的机械式夹持器大多为双指头爪式，按其手指的运动方式可以分为平移型和回转型两种类型。按照其夹持方式来分可以分为外夹式和内撑式两种类型，按其驱动方式来进行分类的，可分为电动（电磁）式、液压式和气动式三种类型。机械式夹持器由手爪、传动机构、驱动装置等组成。图 1-2吸附式末端执行器：如图1-3吸附式末端执行器是靠吸附力抓取物料，它适用于抓取大平面、易碎、微小件等类型的物料。照现在常用的吸附式末端执行器有气吸式末端执行器和磁吸式末端执行器两种。图 1-3    气吸式末端执行器利用吸盘内产的负压产生的吸力来吸住并移动工件，适用于抓取大平面、微小件、易碎等类型的物料。吸盘是用软橡胶或塑料制成的皮碗，通过形成的负压来吸住工件的。可适用于吸取大而薄，刚性差的钣金和木质板材、纸板、玻璃和弧形壳体等零件。根据不同的工作情况，可以做成单点吸盘、双点吸盘、多点吸盘或特殊形状的吸盘。按形成负压的方法可以分为方式挤压式吸盘、气流负压式吸盘、真空泵排气式吸盘几种。磁吸式末端执行器利用电磁力来吸住并移动工件，适用于抓取金属物料。磁吸式末端执行器可以分为电磁吸盘和永久吸盘两种形式。电磁吸盘通过接通和切断电磁线圈中的电流的方法，产生和消除磁力来吸住和释放铁磁性物体。如图1-4永磁吸盘是利用永久磁铁的磁力来吸住铁磁性物体，通过移动隔磁物体改变吸盘中的磁力线回路，从而做到吸住和释放物体的目的。它不需电源，结构简单，安全可靠，但是吸力不如电磁吸盘大。1.34 工业机器人的检测系统工业机器人的检测系统的定义：针对机器人的执行机构所执行的动作进行检测和监控，并反馈给机器人的控制系统。为了达到其目的，工业机器人之中应用了大量的传感器。而且机器人传感器对其检测传感的信息的种类和智能化数据处理的要求更高。工业机器人具有类似人的肢体和感官功能，拥有一定程度上的智能，可以实现自动化操纵。机器人传感器在机器人的控制中是必不可少的部分，因为传感器的应用，机器人具备了类似于人类的知觉功能和反应能力。工业机器人的传感器的分类：一般机器人的传感器可以分为内部信息传感器与外部信息传感器。其中内部信息传感器主要是针对机器人本体、关节、速度、加速度、TCP位置、负载等来自机器人内部的信息。外部信息传感器主要是针对外部环境、机器人与工作对象之间的信息的采集。工业机器人传感器的特点：（1） 对敏感材料的柔性和功能有特定要求。（2） 机器人的传感器不仅包括传感器本体，还包括对传感器的信息处理。（3） 传感器获取的信息将用于实时控制和反馈调节。（4） 与其他传感器相比机器人传感器对其检测传感的信息的种类和智能化数据处理的要求更高。工业机器人传感器的要求：（1） 精度高、重复性好。机器人的工作质量受机器人传感器精度的直接影响。控制和检测机器人运动的传感器是机器人定位的基础，机器人能否连续精确的工作，取决于传感器的测量精度。（2） 稳定性好、可靠性高。长期在无人看管的情况下进行工作的机器人对传感器的稳定性和可靠性要求十分的高。若传感器在工作时出现故障，将会极大的影响生产，并极易照成重大事故。（3） 抗干扰能力强。机器人的的工作条件一般比较恶劣，因此要求机器人传感器能够承受强震动、电磁干扰、高温、高压、高污染等恶劣的工作环境。（4） 体积、质量小，安装方便可靠。为了避免加大机器人运动的惯量、影响其运动性能，要求机器人传感器的质量、体积要小。机器人的工作空间和工作范围有限，所以对传感器的体积和安装严格的要求。（5） 价格低。现代生产之中机器人应用十分之广，针对现代生产的要求，机器人的制造要控制成本。    现代生产之中，机器人应用十分广泛，工作任务各种各样，所以针对不同的工作任务，机器人对传感器的要求也是不同的。在选择传感器时应该以实际需求为准。工业机器人传感器的种类：常见的机器人的传感器有视觉、听觉、接近觉、触觉、嗅觉、味觉等。如表1-1所示，在工业机器人中最常用的有视觉、听觉、接近觉、触觉等。机器人传感器的分类与应用表 1-1    工业机器人的传感器是一个很大的系统，在后面的章节之中我还会进行详细的介绍。1.4 工业机器人之中的常用概念姿态：指工具的位置和姿态。 外轴：机器人的外围设备。总线：在现场微机测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。自由度：指机器人在三维空间内所具有的独立坐标轴运动的数码。机器人一般有6个自由度。外轴数据：机器人外围设备的数据，一般是指外轴位置数据。工具数据：指机器人工具的坐标位置和负荷数据。工件坐标：一般是指机器人工作台的坐标。大地坐标：机器人的基准坐标，一般为机器人底座中心。负荷数据：一般是指机器人工具的数据，包括重心位置、质量、形状等。负载能力：在不影响机器人性能情况下的最大载重。最大速度：机器人运动的最大速度，单位为毫米，一般机器人的速度不超过最大速度的80。工作范围：机器人工作时，其腕轴交点能在空间活动的范围。 定位精度：机器人手部所实际到达的位置与目标位置之间的差异。重复定位精度：在同一条件下，重复N次所到达点的位置的一致程度。重复路径精度：沿同一轨迹跟随N次，所测得的轨迹之间的一致程度。刹车：机器人关节上面安装的刹车，主要作用是让机器人在出现断电之类的事故的时候能够保持现有状态，是一种安全装置。第 12 页第二章  工业机器人的离线开发     工业机器人的离线开发是指不在现场而是在计算机上通过虚拟仿真，建立机器人虚拟工作站并进行应用的过程。机器人的机器人本体选择，外围设备的选择，工作任务的确立，操作程序的编写都要在机器人的离线开发中完成。应用离线开发技术可以极大的减少成本和节约时间。2.1 工业机器人的编程方式机器人编程是指为了使机器人完成编程工作。早期的机器人只有简单的动作功能和固定的过程控制,运动的适应性差。随着机器人技术的发展和机器人的功能需求的提高,就要求机器人能够通过相应的程序来完成各种工作,并具有良好的通用性和适应性。现阶段使用的机器人编程方式有三种，分别是示教编程、机器人语言编程、离线编程。示教编程：示教编程是一种应用在机器人现场的编程方式，它适用于目前大多数工业机器人的编程。用这种方法编程时，程序的编制是在机器人工作现场进行，并且需要用手持示教编程器来完成。机器人语言编程：    机器人语言编程是一种采用机器人语言来实现机器人的运动控制的方式，现阶段应用的机器人语言是动作级和对象级语言。离线编程：离线编程是在离线情况下进行应用专门的仿真软件帮助，使用专用程序或者通用程序，来对机器人运动轨迹规划编程的一种方法。现阶段在生产之中应用最多的是离线编程和示教编程，在机器人工作站的建立之中通常都要使用两种编程方法协同作业。但是示教编程有很大的局限性，所以现在工作站的中，大部分内容都是通过离线编程来完成。相比于示教编程，离线编程的优点如下：（1） 使用范围广, 离线编程系统可以对机器人各种工作对象进行编程。（2） 减少机器人的不工作时间。在对机器人下一个任务进行编程时，机器人仍可以在生产线上进行工作，变成不占用机器人的工作时间。（3） 使编程者远离危险的编程环境。（4） 易于与CAD/CAM系统结合，做CAD/CAM/Robotics一体化。（5） 可使用高级计算机编程语言对复杂任务进行编程。（6） 便于修改机器人的程序。由于离线编程具有十分显著的优点，所以在机器人应用之中是一个极大的热点，通过对离线编程的学习，我们可以更好的掌握机器人。2.2 ABB工业机器人的离线编程工业机器人的种类多种多样，每一个机器人生产厂家所应用的编程方式也是各有不同。下面我将以ABB工业机器人所应用的RAPID程序为列探讨工业机器人的离线编程。2.2. 1 RAPID程序的构架RAPID程序之中包含了控制机器人的一连串指令，通过执行这些指令就可以实现对机器人的控制。RAPID程序使用专用的RAPID编程语言，它是一种拥有特定语法和词汇的英文语言。其所包含的指令可以实现机器人运动的控制、设置输入和输出，还可以实现决策、重复指令、构造程序、与系统程序员交流等功能。RAPID程序的基本构架如下图所示：RAPID程序程序模块1程序模块2系统模块程序数据程序数据程序数据主程序main例行程序例行程序例行程序中断程序中断程序中断程序功能功能功能RAPID程序的构架说明：（1） RAPID程序由程序模块和系统模块组成。我们一般只应用程序模块进行工作，系统模块是由生产厂家做好的。（2） RAPID程序可以根据实际情况创建多个程序模块。（3） RAPID程序之中，不同一个程序模块之间的例行程序、程序数据、中断程序和功能是可以相互调用的。（4） RAPID程序之中，只有一个主程序main，并且作为程序的起点。2.2. 2 RAPID程序的程序数据与指令RAPID程序中的程序数据是在程序模块或系统模块之中设定的值和定义的一些环境数据。程序数据在于程序模块之中被应用，相当于单片机或者PLC之中的指令表。程序数据有严格的定义和分类，分别是针对每一条指令都有的数据类型，例如：num（数值数据）、pos(位置数据)、bool(布尔量)等；还有就是对每一个数据的数据性质进行定义的储存类型，分别是变量（VAR）、常量（CONST）、可变量（PERS）。变量VAR：    变量型数据是在程序运行之中会更随程序的执行而变化的数据，变量型数据在程序暂停时会保持当前的值，但是在程序重启后会变为初始值。常量CONST:常量型数据是在定义程序时就被定义的值，常量在程序之中不能被修改，只能手动修改。可变量PERS    可变量型数据的特点：重启后会保持上次的最后值，初始值必定为定值，不允许使用赋值表达式。VAR(储存类型) num(数据类型) reg1:=0;这条程序的意思是：定义一个名为reg1的数值的变量，对 reg1赋值0.工业机器人的三个关键程序数据：在工业机器人之中有三个程序数据是必须存在的，它们分别是：工具数据tooldata、工件坐标wobjdata、负荷数据loaddata.工具数据tooldata用于描述安装在机器人第六轴上面的工具的TCP、质量、重心等参数。PERS tooldata tool1:=FALSE/TRUE,poes,loaddataPERS表示可变量。FALSE/TRUE表示工件是否被抓取到，FALSE表示否，TRUE表示是。Pose表示工具TCP的位置，包括位置数据pos和姿态数据orient.Loaddata表示工具的负荷数据。工件坐标wobjdata用于定义工件相对于大地坐标(或者其他坐标)的位置。机器人可以拥有多个工件坐标系。通常在机器人编程的时候采用三点定位法来确定工件坐标系。负荷数据Loaddata用于描述工具（夹具）以及搬运对象的质量、重心位置、力矩和转动惯量。在RAPID编程之中，有效载荷的变化需要实时调整。以一个搬运机器人的主程序main为例：PROC main()     Set do1;                  ！表示得到工件被稳定抓取到的信号。     Gripload load1;           ！表示选用load1的负荷数据。     Movel P1,V100,fine,tool1Wobj:=Wobj1;   ！线性运动到P1点。Movel P2,V100,fine,tool1Wobj:=Wobj1;   ！线性运动到P2点。MoveJ P3,V100,fine,tool1Wobj:=Wobj1;   ！关节运动到P3（终点）。Reset do1;                ！表示放下工件的信号。Gripload load0;           ！表示选用load0的负荷数据。ENDPROC注：“ ！”之后的内容表示为注释部分，程序运行时会自动跳过。通过上面的程序我们知道机器人在有效负荷发生变化的时候必须要进行实时的调整。RAPID程序的指令：RAPID程序的指令十分的丰富，应用的场合也是各不相同。针对常用的每一个指令的特点，我将生产之中常用的各种指令分为三大类，分别是运动指令指令、逻辑控制指令和通信指令。在机器人的RAPID程序之中，运动指令用来控制机器人的运动轨迹；逻辑控制指令用来控制机器人程序的逻辑关系；通信指令则是用于机器人与外围设备、示教器等实现联动和控制。在下面的章节中，我将针对每一种指令进行详细的分析。2.2. 3 RAPID程序运动控制指令机器人的常用的运动指令主要有绝对位置运动（MoveAbsJ）、线性运动（MoveL）、关节运动（MoveJ）、圆弧运动（MoveC）、线性点偏移（MoveL offs）五种。绝对位置运动指令（MoveAbsJ）：绝对位置运动指令是机器人运动使用的是机器人的六个轴和外轴的角度来定义目标的位置数据。使用这条指令时机器人将返回到机械零点。线性运动（MoveL）:线性运动指令是使机器人的TCP从起点到终点运动方式始终保持一条直线运动的指令。一般应用在涂胶、焊接等对路径要求比较高的场合。线性运动MoveL P1,V100,fine,toolWobj：=Wobj1;这条指令的含义是：在名为wodj1的工件坐标下，使用名为tool1的工具，以100mm/s的速度运动直线到P1点，在P1点处没有圆角。关节运动（MoveJ）：关节运动指令是使机器人TCP从一点以最快或者说是最轻松的方式运动到另一点，运动的路径不一定是直线。运动精度不高。关节运动MoveJ P1,V100,Z1,toolWobj：=Wobj1;    这条指令的含义是：在名为wodj1的工件坐标下，使用名为tool1的工具，以100mm/s的速度关节运动到P3点，在P3点的圆角半径为1。圆弧运动（MoveC）：圆弧运动指令是使机器人TCP在空间内三个点做圆周运动。第一个点为起点，第二个点定义圆弧的曲率，第三个点是圆弧的终点。一次圆弧运动的最大角度为240。圆弧运动MoveL P1,V100,fine,toolWobj：=Wobj1;   MoveC P3,p4,V100,fine,toolWobj：=Wobj1;这条指令的含义是：在名为wodj1的工件坐标下，使用名为tool1的工具，以100mm/s的速度运动直线到P1点。在之后做P1为起点，P4为终点，并通过P3点的圆弧运动。线性点偏移（MoveL offs）：线性点偏移指令是在空间中已到达一个点后，对以改点为基准进行定位的点进行线性运动。线性点偏移运动MoveL P10,V100,fine,toolWobj：=Wobj1;              MoveL Offs(P10,100,0,0),V100,fine,toolWobj：=Wobj1;               MoveL Offs(P10,100,100,0),V100,fine,toolWobj：=Wobj1;              MoveL Offs(P10,0,100,0),V100,fine,toolWobj：=Wobj1;            MoveL Offs(P10,0,0,0),V100,fine,toolWobj：=Wobj1;这条指令的含义是：在名为wodj1的工件坐标下，使用名为tool1的工具，以100mm/s的速度运动直线到P10点。在之后做P10为起点进行线性运动，分别要经过P20，P30，P40点，最后在回到P10点的运动。空间连续轨迹运动：机器人的运动不是只有一条简单的运动构成，而是在空间内各个点之间形成连续轨迹运动。连续轨迹运动 MoveL P0,V100,fine,toolWobj：=Wobj1;Movel P1,V200,Z10,toolWobj：=Wobj1; Movel P2,V100,fine,toolWobj：=Wobj1; MoveJ P3,V500,fine,toolWobj：=Wobj1;这条指令的含义是：在名为wodj1的工件坐标下，使用名为tool1的工具，以100mm/s的速度运动直线到P0点。在之后做P0为起点以200mm/s的速度进行线性运动到P1点，在P1点有半径为10mm的圆角。在到达做P1之后以100mm/s的速度进行线性运动到P2点，在P1点没有圆角。最后再以500mm/s的速度关节运动到P3点。上面这些就是工业机器人最常用的五条运动指令，只要能够熟练且合理的应用这些指令，工业机器人就能够完成各种简单的运动了。运动设定（补充）：机器人受机械结构电气设备等的影响，在空间运动时会有一定的极限，包括速度、加速度、奇异点等，所以我们在做机器人控制时经常要定义机器人的运动极限和可用比列。下面我将以速度设定为例来进行示范：VelSet  ( 100,5000 )   这条指令的含义是：最大速度为5000mm/s,可用范围为100%。2.2. 4 RAPID程序逻辑控制指令在我的理解之中，机器人的逻辑控制指令是为了配合机器人的运动指令完成更加复杂的工作。通过各种逻辑关系的确定和使用可以让机器人更加智能化，可以让机器人的运动更加复杂和准确。以应付更多的工作状况。工业机器人的逻辑控制指令主要包含逻辑关系控制、时间控制和空间管理。其中应用最多的是逻辑关系和时间控制。下面我将对常见的逻辑控制指令进行分析。赋值指令（：=）：赋值指令用于对数据进行赋值，把赋值符号后面的内容赋值给前面。    VAR num reg1;reg1:=10;这条指令的含义是定义一个数值的变量reg1，对其赋值10。数学逻辑（<,>,+,-,*，=）：    数学逻辑指令的用法与数学逻辑基本相同，但是要注意要给与一个数据值的时候，只能使用赋值表达式，“=”只用于逻辑关系的表达。假设判定（IF/ELSEIF）:假设判定IF/ELSEIF用于对一个条件进行判定，来决定之下的程序是否执行。IFTHEN       !是对的，按步执行。   “YES-part”ELSE                !是错的（否则），“NOT-part”    ！执行“NOT-part”。ENDIFIF这条指令是针对IF之后的条件进行判断，如果被判别的内容是对的，则按步执行。如果是错的则跳过下面这条指令执行后面的指令。下面将对一个简单实例进行分析：IF 2>1 THEN         SET DO1;       !置位DO1之后红灯会亮。ELSE               SET DO2;       !置位DO3之后绿灯会亮。ENDIF这条指令所表达的含义是，如果2>1那么红灯会亮，否则绿灯会亮。从结果上来看那该是哪个灯会亮呢？很显然是红灯。IFTHEN       !是对的，按步执行。   “YES-part1”    ！执行“YES-part1”。ELSEIFTHEN   !是错的，“YSE-part2”    ！执行“YSE-part2”。ENDIFELSEIF这条指令与IF类似，只是把判定的内容变为错的，一般情况下ELSEIF和IF共用。条件判定（WHILE）:WHILE这条指令是针对WHILE之后的条件进行循环判断，如果判别的结果是对的，则按步执行。如果是错的则跳过下面这条指令执行后面的指令。下面将对一个简单实例进行分析：    VAR num reg1:=0;WHILE reg1<5 DO              SET DO1;        !置位DO1之后会得到一个脉冲。      Reg1:=reg1+1;ENDWHILE这条指令所表达的含义是，对reg1<5进行循环判定，当条件成立则会得到一个脉冲。之后通过赋值指令对rge1进行加1的运算，当程序循环到条件不成立时，就会执行ENDWHILE来结束判定，再执行之后的程序。这个程序最终会得到5个脉冲。条件测试（TEST）：TEST这条指令是针对TEST之后的各个条件进行判断，如果哪个判别的结果是对的，则执行之后的程序。如果是错的则跳过下面这条指令执行后面的指令。下面将对一个简单实例进行分析：第 91 页VAR num reg1:=2;WHILE reg1              CASE 1;        SET DO1;           !红灯会亮。      CASE 2;SET DO2            !绿灯会亮。CASE 3;SET DO3;           !黄灯会亮。DEFYLT                   !否则（上述条件没有一个是满足的）。      SET DO1;      SET DO2;      SET DO3;           !三个灯都会亮。ENDTSET这条指令所表达的含义是，对reg1=2与后面面的条件进行匹配，如果对应的条件成立，那么灯会亮。从结果上来看那该是哪个灯会亮呢？很显然是绿灯。延时等待（WaitTime）:这条指令用于程序之中的等待或暂停。执行这条指令之后程序会停止一段时间，之后在继续运行。WaitTime 3这条指令所表达的含义是：等待3秒之后再继续运行。条件等待（WaitUntil）:类似于WaitTime这条指令的含义是等待一个条件的满足，满足之后程序再继续运行。通过这么多的指令，我们已经可以做到对程序的阅读和编写，下面我将对一个堆垛的经典程序进行详细解析，来更清晰的了解机器人的离线编程。2.2. 5 RAPID程序的经典程序解析：下面我将针对一个经典的堆垛机器人程序进行分析。这个工作站主要由一个机器人本体，一条输送链和一个装货的箱子组成。输送链奖货物送到指定的位置，再由机器人抓取到货物，并准确的放到箱子的指定位置。程序内除了包括了主要的运动程序和逻辑程序之外还包含一些检查和修正程序。程序的构架十分严密，可以让我们直观的认识到什么是机器人程序。            图 3-1                               图 3-2              图 3-3MODULE MainMoudleCONST robtarget pPick:=394.997607159,132.703199388,12.734872184,0.005862588,-0.00300065,0.999966662,0.004827206,0,0,0,0,9E9,9E9,9E9,9E9,9E9,9E9;！定义一个常量的点pPick.CONST robtarget pHome:=-548.424175962,-238.61219249,801.420966892,-0.000000012,-0.707106781,0.707106781,-0.000000012,0,0,0,0,9E9,9E9,9E9,9E9,9E9,9E9;！定义一个常量的点pHome.CONST robtarget pPlaceBase:=