机电一体化技术-笫8章-工业机器人

机电一体化技术与系统,第8章工业机器人,1,第8章工业机器人,8.1工业机器人概述1.什么是机器人？工业机器人(IndustrialRobot简称IR)见图8-1。“Robot”一词是人类型或动物型的人工机器装置总称。机器人涉及到机械工程、电子学、控制理论、传感器技术、计算机科学、仿生学、人工智能等学科领域，是典型的机电一体化系统。1959年，美国造出世界上第一台工业机器人Unimate，可实现回转、伸缩、俯仰等动作。1987年国际标准化组织（ISO）对工业机器人的定义：工业机器人是一种是一件能自动控制，可重复编程，多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具来完成各种作业。日本工业标准JISB0134-1986则定义为“一种在自动控制下，能够编程完成某些操作或者动作功能的机械装置”。,图8-lKUKA工业机器人,美国第一台工业机器人Unimate,2,机器人的英文单词“Robot”起源于捷克作家卡雷尔卡佩克在1920年发表的科幻剧本罗萨姆的万能机器人（RossumsUniversalRobots）中。剧本中的Robot是一家公司发明的形状像人的机器，可以听从人的命令做各种动作；它可以不吃饭，能够不知疲倦地进行工作。自此以后，像人一样的机器出现在很多科幻小说中，我国干脆就将“Robot”翻译成“机器人”。其实，机器人是一种可以运动的机械电子装置，不全都像人。其定义为：,3,4,5,ABB机器人,最齐全的ABB机器人软件视频，ABB机器人离线编程仿真软件RobotStudio5.15破解版5.07送视频270课例子25套详情请看：,6,FANUC机器人,7,综合上述定义，工业机器人有以下三个重要特性：1)具有特定的机械机构，其动作是有类似于人或其它生物的某些器官(肢体、感受等)的功能；2)具有通用型，可从事多种工作，可灵活改变动作程序。3)具有不同程度的的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；4)具有独立性，一个完整机器人系统，在工作中不依赖于人的干预。机器人的出现和高速发展，是当前高科技为适应提高社会劳动生产率与人生活质量提高需求的必然产物。让机器人替那些人们不愿干、干不了、干不好的工作。例如焊接(点焊、弧焊)、搬运、码垛、喷漆涂装、切割、汽车装配、火山探险、空间探索等。当前著名的工业机器人有四大巨头：瑞士的ABB、德国的KUKA、日本的YASKAWA(日立)和日本的FANUC。中国作为世界最大的制造大国，随着用工成本增长，正向由人才红利取代人口红利，中国制造向中国智能制造转变。在这转折点上，工业机器人应用出现井喷式增长。2011年工业机器人巳装机7.43万台，居全球第一。预计2013-2015年装机量将以每年10增长。急需大量的工业机器人操作、编程与维修的技术人材。,8,世界主要机器人制造商简介第一：英国马丁路德(MartinLord)马丁路德集团是全球工业机器人自动化加工及高精度制造方案的供应商。公司总部位于英国，在瑞典、美国和中国设有分支机构。集团专注于高精密机械以及电气技术研制、开发和设计，公司位于英国克兰菲尔德大学，该大学的精密工程研究所(CUPE)是目前全球公认水平最高的超精密机床研发机构。马丁路德公司汇聚了该所的专业人士以及来自瑞士的高精密机械专家，为高端制造业提供更高精度的制造方案，公司的客户涵盖了欧美军工，航天，电子等各重要领域。第二：日本发那科（FANUC）FANUC公司创建于1956年的日本，中文名称发那科，是当今世界上数控系统科研、设计、制造、销售实力最强大的企业，总人数4549人。FANUC1959年首先推出了电液步进电机，在后来的若干年中逐步发展并完善了以硬件为主的开环数控系统。进入70年代，微电子技术、功率电子技术，尤其是计算技术得到了飞速发展，FANUC公司毅然舍弃了使其发家的电液步进电机数控产品，一方面从GETTES公司引进直流伺服电机制造技术。1976年FANUC公司研制成功数控系统5，随后又与SIEMENS公司联合研制了具有先进水平的数控系统7，从这时起，FANUC公司逐步发展成为世界上最大的专业数控系统生产厂家，产品日新月异，年年翻新。第三：瑞士ABBABB集团位列全球500强企业，集团总部位于瑞士苏黎世。ABB由两个历史100多年的国际性企业瑞典的阿西亚公司（ASEA）和瑞士的布朗勃法瑞公司（BBCBrownBoveri）在1988年合并而成。两公司分别成立于1883年和1891年。ABB是电力和自动化技术领域的领导厂商。ABB的技术可以帮助电力、公共事业和工业客户提高业绩，同时降低对环境的不良影响。ABB集团业务遍布全球100多个国家，拥有13万名员工，2010年销售额高达320亿美元。,9,第四：德国库卡（KUKA）德国库卡公司成立于1898年，自1977年开始系列化生产各种用途的机器人，是目前国际上最大的机器人制造商之一。库卡机器人最显著的特点是采用PCBASED控制系统，该系统在微软的Windows界面下操作。PCBASED控制系统的设计，再加上标准化的个人电脑硬件，以及简单的规划和设置，使其MTBF(平均故障间隔时间)超越7万5干小时。而机器人平均使用寿命更长达10-15年。机器人应用于包装机械行业已有多年历史，现在最新型的库卡卸码垛机器人采用了精巧的聚碳纤维材料制造，令机器人在非常轻巧的同时具有更高强度，使其尤其适用于高负载作业。该机器人的卸码垛过程采用了FEM的最优化操作方式，而四轴倾斜式的设计降低了维护保养的成本。2001年，KUKA开发的“Robocoaster”是世界上第一台客运工业机器人。该机可提供两名乘客的类似于过山车式的运动序列，其行使实现了程序化。目前进行的“Robocoaster”开发针对轨道行程，开发目的是实现过山车，以及其它如主题公园与娱乐等沿预定路径运行的目标。第五：瑞士史陶比尔（STAUBLI）史陶比尔集团有着100多年的发展历史，是一家在纺织机械，工业快速接头和工业机器人三大领域保持领先地位的世界知名企业。为了向客户就近提供更好、更快捷的服务，1997年史陶比尔集团在亚洲建立了首家制造工厂-史陶比尔（杭州）公司。秉承史陶比尔一贯的优良传统和专业精神，史陶比尔(杭州)公司竭诚向客户提供创新、完美的解决方案和优质的技术支持和服务。,10,“机器人学三原则”这三个原则如下：1）机器人不得伤害人或由于故障而使人遭受不幸；2）机器人应执行人们下达的命令，除非这些命令与第一原则相矛盾；3）机器人应能保护自己的生存，只要这种保护行为不与第一或第二原则相矛盾。,11,2.工业机器人的基本参数机器人的基本参数主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性、动态特性等。一般,机器人自由度等于它的关节数,大多是有6-8个自由度，自由度越多，机器人的功能就越强。图8-2左图所示的就是具有6个自由度的工业机器人，各关节动作是由电动执行装置和齿轮减速传动机械来实现的。6个自由度如下：手臂扫掠（腰左转或右转）；肩旋转（肩向上或向下）；肘伸展（肘缩进或伸出）；俯仰（手腕上转或下转）；偏航（手腕左转或右转）；横滚（手腕顺时针转或反时针转）。,12,3.工业机器人的组成与分类(1)工业机器人的组成一般由操作机械、计算机控制系统、驱动伺服单元、传感器检测系统和输入输出接口等几部份组成。如图8-2所示。,图8-2工业机器人的组成,13,工业机器人运动轴定义,14,机器人轴的名称,15,16,操作机械操作机为工业机器人完成作业的执行机构，它具有和手臂相似的动作功能，是可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。包括机座、立柱、手臂、手腕和手部等部分。有时为增加工作空间，在机座处装有行走机构实现移动功能，例如有轮式、履帶式、足腿式结抅.驱动系统驱动系统指驱动执行机构的传动装置。由驱动器、减速器、检测元件等组件组成。根据驱动器的不同，可分为电动、液动和气动驱动系统。计算机控制系统控制系统是工业机器人的核心部分，作用是支配操作机按所需的顺序，沿规定的位置或轨迹运动。从控制系统的构成看，有开环控制系统和闭环控制系统；从控制方式看有程序控制系统、自适应性控制系统和智能控制系统。,机器人的系统组成各部份,17,传感系统为了使机器人能获得外围环境信息，除关节伺服驱动系统的位置传感器外(例如装于电机同轴上的光电编码器)，有时还要配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多类型的传感器及信号的转换与采样处理。输入输出接口为了机器人与周边系统及相应操作进行联系，还应有各种通信接口和人机通信装置。例如PLC控制系统中用的RS-232、RS-485等异步通信接口模块，实现PLC与PLC、PLC与上位PC机、PLC与现场设备或远程I/O之间的信息交换。此外还包括语言合成、识别技术及多媒体系统，以实现人机对话。人工智能系统人工智能系统是机器人计算机控制系统的更高层次发展。主要由两部分组成：其一，感觉系统（硬件）。主要靠各类传感器来实现其感觉功能；其二,决策、规划系统（软件）。包括辑判断、模式识别、大容量数据库和规划操作程序等功能。,18,（2）工业机器人的分类1）按技术特点分类示教再现机器人，属第一代机器人。由人操纵机械手做一遍应当完成的动作或通过控制器发出指令让机械手臂动作，在动作过程中机器人会自动将这一过程存入记忆装置。当机器人工作时，能再现人教给它的动作，并能自动重复的执行。目前在工业现场应用最多，如喷涂、汽车点焊接。感知机器人，属第二代机器人。对外界环境有一定感知能力。工作时，根据感觉器官（传感器）获得的信息，灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。目前巳进入应用阶段。如自动焊接中，通过传感器感知焊缝的位置，通过反馈控制，机器人自动跟踪焊缝。智能机器人，属第三代机器人。具有感觉能力、独立判断和行动的能力及记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。“智能”特征就在于它具有与外部世界对象、环境和人相适应、相协调的工作机能。从控制方式看是以一种“认知适应”的方式自律地进行操作，有发现问题，并且能自主故解决问题的能力，目前尚处于实验研究阶段。,配备视觉系统的工业机器人,手把手示教,19,2）按操作机构坐标形式分类,y,z,x,直角坐标机器人具有空间上相互垂直的多个直,线移动轴，通过直角坐标方向的3个独立自由度确,定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。,直角坐标机器人,20,r,工业机器人的坐标结构形式,x,直角坐标系,柱面坐标系,球面坐标系,多关节坐标系,柱面坐标机器人主要由旋转基座、垂直移动和,水平移动轴构成，具有一个回转和两个平移自由,度，其动作空间呈圆柱形。,柱面坐标机器人,21,工业机器人的坐标结构形式,r,直角坐标系,柱面坐标系,球面坐标系,多关节坐标系,球面坐标机器人空间位置分别由旋转、摆动和,平移3个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。,球面坐标机器人,22,工业机器人的坐标结构形式,直角坐标系,柱面坐标系,球面坐标系,多关节坐标系,垂直多关节机器人,模拟人手臂功能，由垂直于,地面的腰部旋转轴、带动小臂旋转的肘部旋转轴,以及小臂前端的手腕等组成，手腕通常有23个自,由度，其动作空间近似一个球体。,垂直多关节坐标机器人,23,z,2,1,工业机器人的坐标结构形式,3,直角坐标系,柱面坐标系,球面坐标系,多关节坐标系,水平多关节机器人结构上具有串联配置的两个,能够在水平面内旋转的手臂，自由度可依据用途,选择24个，动作空间为一圆柱体。,多关节坐标系,水平多关节机器人,24,3)按控制方式分类点位控制工业机器人采用点到点的控制方式，它只在目标点处准确控制工业机器人手部的位姿，完成预定的操作要求，而不对点与点之间的运动过程进行严格的控制。目前应用的工业机器人中，多数属于点位控制方式，如上下料搬运机器人、点焊机器人等。连续轨迹控制工业机器人各关节同时作受控运动，准确控制工业机器人手部按预定轨迹和速度运动，而手部的姿态也可以通过腕关节的运动得以控制。弧焊、喷漆和检测机器人均属连续轨迹控制方式。,25,4)按驱动方式分类气动式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，适合防爆环境。缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳定性较差，又因为气源压力只有6KPa左右，所以抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大百余牛顿。液压式工业机器人因为液压比气压压力高，一般为70KPa左右，故液压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、低温和易燃易爆环境下工作。电动式工业机器人目前用得最多的一类工业机器人。不仅电动机品种众多，为工业机器人设计提供了多种选择；而且可运用多种灵活的控制方法。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。,26,8.2工业机器人操作机的机械结构,工业机器人操作机械由机座、立柱、手臂、手腕和手部等部分组成，如图8-8。确定一个工业机器人操作机位置时所需要的独立运动参数的数目称为工业机器人的运动自由度。自由度数取决于作业目标所要求的动作。对于进行二维平面作业需三个自由度；若要具有随意的位姿，则至少需要六个自由度；而对于回避障碍作业的工业机器人则需要有比六个自由度更多的冗余自由度。工业机器人操作机常采用回转副或移动副主动关节来实现各个自由度。,图8-8工业机器人操作机构1-手臂2-腕关节3-手部4-立柱5-机座,27,1.手臂手臂是操作机中的主要运动部件，它用来支承手腕和手部，调整手部在空间的位置。手臂一般至少应有三个自由度,可以是移动副和回转副。因此按运动副不同的组合方案，可有27种方案。手臂的直线运动多数通过液压（气）缸驱动来实现，也可通过齿轮齿条、滚珠丝杠、直线电动机等来实现。手臂回转运动的实现手段很多，如蜗轮蜗杆式；液压缸活塞杆上的齿条驱动齿轮的方式；利用液压缸活塞杆直接驱动手臂回转；由回转液压（气）缸直接驱动手臂回转；由步进电动机通过齿轮传动使手臂回转；由直流电动机通过谐波传动装置驱动手臂回转等。PUMA型工业机器人是由直流伺服电动机驱动的六自由度关节型工业机器人。其大臂和小臂是用高强度铝合金材料制成的薄臂框形结构，各运动都是采用齿轮传动。驱动大臂的传动机构如图8-9a)所示，驱动小臂的传动机构如图8-9b)所示，腰座(用转机座)的回转运动1如图8-9C)所示。,28,图8-9PUMA机器人手臂传动机构1、10-大臂，2、3、5、6、8、9、14、15、19、21、22、23-齿轮，4、13、16、20-偏心套7、11、24-驱动电动机12-驱动轴17-小臂18-腰座,29,2.手腕手腕是连接手臂和末端执行器的部件，作用是调整或改变工件的方向，因而具有独立的自由度。一般需要三个自由度，由3个回转关节组合而成，常用的组合结构如图8-10所示。各回转方向的名称如下：臂转:绕小劈轴线方向的旋转称臂转。腕摆:使末端执行器相对于手臂进行的摆动称腕摆。手转:使末端执行器绕自身轴线方向的旋转称手转。实现手腕回转运动的机构，应用最多的是气压(液压)缸。结构简单,但回转角度小于360o，并要求严格密封。若回转角度等于360o时可采用齿轮齿条或链条链轮传动。,图8-10腕部回转关节的组合形式,30,3.手部手部装在操作机手腕前端，它是操作机直接执行工作的装置。根据其用途和结构的不同可以分为机械夹持器、专用工具和万能手三类。多数情况下手部是为特定的用途而专门设计的，但也可设计成一种适用性较大的多用途手部。为实现快速和自动更换手部，可以采用电磁吸盘或气动锁紧的接换器。(1)机械夹持器回转式机械夹持器图8-11a)示出了楔块杠杆式回转机械夹持器。当夹持器驱动向前推动时，通过楔块4楔面和杠杆1，使手爪产生夹紧动作和夹紧力；当楔块后移时靠弹黄2的拉力使手爪松开。同理，图8-11b）示出了滑槽杠杆式回转夹持器。图8-11C)示出了连杆杠杆式回转夹持器，工作原理类似。,31,图8-11回转式机械夹持器a)楔块杠杆式回转型夹持器b)滑槽杠杆式回转型夹持器c)连杆杠杆式回转型夹持器1、9-杠杆2弹簧3-滚子4-楔块5-驱动器6-支架7、10-杆8-圆柱销11-连杆12-摆动钳爪13-调整垫片,32,移动式机械夹持器图8-12a)所示为齿轮齿条平行连杆式移动夹持器，电磁式驱动器3驱动齿条杆2和2个扇形齿轮l，带动杆5绕O1、O2旋转。连杆5、6，钳爪7和夹持器4构成一平行四杆机构，驱动两钳爪作平移以夹紧和松开工件。图8-12b)所示的是左右旋丝杆式移动夹持器，由电动机8驱动一对旋向相反的丝杠9提供准确的移动夹紧动作。,图8-12移动式机械夹持器a)齿轮齿条平行连杆式平移夹持器b)左右旋丝杠平移型夹持器1-扇形齿轮2-齿条杆3-电磁式驱动器4-夹持器体5、6-连杆7钳爪8-电动机9-丝杠10-导轨11-钳瓜杆,33,内撑式机械夹持器内撑式机械夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，如图8-13所示。其撑紧方向与上述两种方式的外夹式相反。钳爪3从工件内孔撑紧工件，为使撑紧后能准确地用内孔定位，多采用三个钳爪(图中只画了两个)。,图8-13内撑连杆杠杆式夹持器1-驱动器2-杆3-钳爪,34,(2)专用工具专用工具是供工业机器人完成某类特定的作业之用。如吸附手、喷枪、焊枪等。,图8-14工业机器人专用工具a)真空吸附手b)喷枪C)空气袋膨胀手d)弧焊焊枪e)电磁吸附手f)点焊枪,35,8.3工业机器人的控制系统,8.3.1工业机器人控制系统的特点和要求1.工业机器人控制系统的特点工业机器人有若干个关节，典型工业机器人有五至六个关节，每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。工业机器人的工作任务是要求操作机的手部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。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。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。,36,2.对工业机器人控制系统的基本要求实现对工业机器人的位姿、速度、加速度等的控制功能，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。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业指示。使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。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，工业机器人应能对视觉、力觉、触觉等有关信息进行检测、识别、判断、理解等功能。在自动生产线中，工业机器人应有与其它设备交换信息，协调工作的能力。具有诊断、故障监视等功能。目前大部分工业机器人都采用二级计算机控制，第一级为主控制级，第二级为伺服控制级。主控制级由主控制计算机及示教盒等外围设备组成，主要用以接受作业指令，协调关节运动，控制运动轨迹，完成作业操作。伺服控制级为一组伺服控制系统，其主体亦为计算机、每一伺服控制系统对应一定关节，用于接收主控制计算级向各关节发出的位置、速度等运动指令信号，以实时控制操作机各关节的运行。,37,8.3.2工业机器人控制系统的分类控制系统可以从不同角度进行分类，如按控制运动的方式分为关节运动控制、笛卡尔空间运动控制和自适应控制；按轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制；按速度控制方式可分为速度控制、加速度控制、力控制。例如按发展阶段可作以下分类：(1)程序控制系统目前工业用的绝大多数第一代机器人属于程序控制机器人，其系统结构如图8-15所示，包括程序控制器、信息处理器和放大执行装置。系统输出量X为操作机构运动状态，一般为各关节的转角或位移；给定量G是输出量X的要达到的目标值，通常是以程序形式给出的时间函数；U是控制器输出，作用于操作机的输入端。G的给定可以通过计算工业机器人的运动规迹来编制程序，也可通过示教法来编制程序。,图8-15程序控制系统,38,(2)自适应性控制系统自适应性控制系统多用于第二代工业机器人，即具有知觉的工业机器人，它具有力觉、触觉或视觉等功能。这类控制系统一般不事先给出运动规迹，由系统根据外界环境的瞬时状态变化即对控制系统的扰动量来进行实时控制，见图8-16。图中F是外部扰动向量，代表外部环境条件的变化；G是给定量是机器人的目标值；控制器输出值U根据操作机与目标值之间坐标的偏差值而变化，从而控制操作机运动。显然，此类系统比程序控制系统复杂。,图8-16自适应控制系统,39,(3)智能控制系统智能控制系统是最高级、最完善的控制系统，为第三代工业机器人。该系统在外界环境变化不定的条件下，为保证所要求的品质，控制系统的结构和参数能自动改变。其系统框图见8-17。智能控制系统具有检测所需新信息的能力，并能通过学习和积累经验不断完善计划，该系统在其种程度上模拟了人的智力活动过程，是具有智能控制系统的工业机器人。,图8-17智能控制系统,40,目前大部份工业机器人都采用两级计算机控制，第一级为主控制级，第二级为伺服控制级，系统框图如图8-18所示。主控制级由主控制计算机及示教盒等外部设备组成，主要用以接受作业指令，协调关节运动，控制运动轨迹，完成作业操作。伺服控制级为一组伺服控制系统，其主体亦为计算机，每一伺服控制系统对应一定关节，用于接收主控制计算机向各关节发出的位置、速度等运动指令信号，以实时控制操作机各关节的运行。,8.3.3工业机器人控制系统的构成,图8-18工业机器人两级计算机控制系统构成原理框图,41,1.主控制级主控制级的功能是建立操作和工业机器人之间的信息通道，传递作业指令和参数，反馈工作状态，完成作业所需的各种计算，建立与伺服控制级之间的接口。它由以下几个部纷组成：（1）主控制计算机主要完成从作业任务、运动指令到关节运动之间的全部运算以及各设备之间的运动协调。对主控计算机硬件的要求是：要有相应的运算速度、运算精度、存储容量和中断处理能力。（2）主控制软件主控制软件主要包括：指令的的分析和解释即编译程序；运动的规划程序(根据运动轨迹规划出沿轨迹的运动参数)；插补计算程序(求取直线或圆弧的运动规迹，两坐标点之间的加密点数据)及坐标变换程序等。（3）外围设备主控制级外围设备除具有显示器、控制键盘、硬盘、和打印机等一般设备外，还具有示教控制盒。,42,（4）示教控制盒示教控制盒是第一代机器人-示教再现工业机器人操作的重要外围设备。要使工业机器人具有完成预定作业任务的功能，须将预先要完成的作业教给机器人，这一操作过程称为“示教”。将示教内容由计算机记忆下来，称为“存储”。工业机器人按存储的示教内容进行动作，称为“再现”。工业机器人的动作就是通过“示教-存储-再现”的过程来实现的。示教主要两种方式，即间接示教和直接示教方式。,图8-19工业机械手控制示教方式a)手把手示教b)示教盒示教,43,示教控制盒,44,间接示教方式-是一种人工数据输入编程方式。将数据、图形等与作业有关的指令信息，采用工业计算机编程语言进行离线编程方法，再通过键盘、图像读取装置等输入设备输入计算机。直接示教方式-是一种在线示教方法。它又可分两种形式：手把手示教和示教盒示教方式。手把手示教方式-就是由操作人员直接利用示教手柄，操作机器人完成预定作业的全部运动(路径和姿态)，如图8-19a)所示。示教编程方式-是利用示教盒进行的，如图8-19b)所示。示教盒是一种以微处理器为基础编的程装置，如图8-20所示。示教盒面板上有一组控制操作机运动的按钮；一组实现编程与修改的按钮以及运行、测试按钮等。操作示教盒相应功能按键，可控制机器人各关节的单轴运动或多关节的协调运动，以预定的空间直线和曲线运动规迹到达规定位置，完成示教编程操作。与手把手示教相比，该方法安全但编程精度不高。,45,手把手示教,示教器示教,46,图8-20工业机器人示教盒1-紧急仃2-字符数字显示3-工具键4-是/真键5-否假键6-连续键7-向后键8-向前键9-关节运动键10-机械接口坐标运动键11-基座坐标运动键12-向前/向后渐近键13-报警请除键14-循环停止键15-循环再启动键16-精确位置键17-路径点键18-关节坐标键19-笛卡尔坐标键20-修改键21-记录键22-数字输入键23-删除键24-速度键25-步号键26-子程序键27-I/0输入键28-I/0输出键29-电源开关键30-安金开关,47,2伺服控制级伺服控制级由一组伺服控制系统构成，每一个伺服控制系统分别驱动工业机器人操作机构的一个关节。每一个关节的运动参数来自控制级计算机的输出。伺服控制级主要组成部份有：（1）伺服驱动器工业机器人常用的的电动伺服驱动器通常由伺服电动机(气动伺服驱动器则通过电磁伐控制)、位置传感器、速度传感器及制动器组成。伺服电动机的输出轴直接与操作机构的关节轴相联接，以完成预定的关节运动。关节运动的位置和速度，由装在电动机同轴上的光电编码盘等传感器检测并各自反馈至位置环和速度环。制动器是在失电时保持关节现有位置用的，由电磁铁和摩擦盘构成。实际伺服驱动器控制系统往往在速度环后面还有一个电流环调节器，取样电机电流反馈电流环，以保证操作机构的输出力矩。,48,（2）伺服控制器电路伺服控制器的基本电路是比较器、偏差放大器、运算器和功率放大器等。输入信号除参考信号外，还有各种传感器反馈信号。控制器可以采用模拟调节电路也可用微处理器构成的数字调节器构成。数字伺服系统灵活性强，调节参数可自动改变适应性强，便于实现各种复杂控制。,图8-21具有位置和速度反馈的伺服控制系统,49,3工业机器人计算机控制系统的实例1978年美国Unimation公司(现称StaubliUnimation)推出通用工业机器人PUMA。以PUMA-560为例，其所确定的关节式机器人的几何模型如一般工业机器人的安全保障措施、机器人的初始化、初始校准过程等技术，在现今工业机器人制造领域都还在应用。PUMA560型工业机器人，由PUMA560机械手臂、MarkII控制器、示教盒和VALII控制软件组成，其工作行程为878mm，负载2.2kg，如图8-22所示PUMA500型工业机器人PUMA-560型工业机器人计算机控制系统如图8-23所示，它由主控制计算机、伺服控制系统和外围设备三部份组成。笫一级主控制级计算机包括CPU(LSI-11，16位)、EPROM、RAM存储器和串并行接口等。第二级伺服控制级有6套伺服控制系统（如图8-24），分别对6个关节进行独立控制。每个伺服控制系统包括微处理器(6503，8位)、D/A转换器、速度单元和位置编码器等。,50,图8-22PUMA560型工业机器人,51,图8-23PUMA-560型工业机器人计算机控制系统,52,图8-24PUMA-560型工业机器人伺服控制系统,53,8.4工业机器人编程,1.编程方法种类机器人技术的一个重要特点就在于它具有通用性。为此，就必须使它具有一种可编程序的机构，改变其程序便能实现不同的作业。有以下三种方式可以生成机器人作业程序，即直接示教方式，离线数据程序设计方式和使用机器人语言编程的方式。三种方法比较如下：,（1）直接示教法编程优点：不需要预备知识，不需要复杂的计算机装置，所以被广泛使用，尤其适合单纯的重复性作业，例如搬运、喷漆、焊接等。缺点：示教时间太长，速度太慢，尤其是对于一些复杂的动作；不同的机器人，或者即使同一个机器人，对于不同的任务都需要重新示教；无法接受感觉信息的反馈；无法控制多台机器人的协调动作。（2）离线数据编程：对于一些复杂的作业，或需要给出连续的数据时，是比较合适的。（3）机器人语言编程：机器人语言是一种专用语言，即用符号来描述机器人的动作，类似于计算机的程序设计语言。,54,(1)概述目前，企业引入的以第一代工业机器人为主，其基本工作原理是“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该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，并存储在机器人控制装置内；,“再现”则是通过存储内容的回放，机器人就能在一定精度范围内按照程,序展现所示教的动作和赋予的作业内容,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。,机器人完成示教编程所需的信息包括运动轨迹、作业条件和作业顺序。,2.工业机器人直接示教编程,55,56,57,轨迹仅示教1个程序点（直线,58,作业条件,59,作业顺序,60,2.工业机器人的简单示教与再现编程,工业机器人四巨头的机器人移动命令,移动命令,运动形式,移动方式,ABB,FANUC,YASKAWA,KUKA,点位运动,PTP,MoveJ,J,MOVJ,PTP,直线,MoveL,L,MOVL,LIN,连续路径运动,圆弧,MoveC,C,MOVC,CIRC,在线示教因简单直观、易于掌握，是工业机器人目前普遍采用的编程方式。,(1)在线示教及特点,由操作人员手持示教器引导，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。,典型的示教过程是依靠操作者观察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。,61,62,63,置,3.工业机器人的离线编程技术,置,该软件可在和网站上下载到,但是注意该软件是随机器人赠送的，有唯一的授权密码。一般人可免费试用30天，30天后可再行安装，当然有人说有高手破解方法，可在网上搜索。另外低版本如5.15一定要在win32机上安装，而高版本如6.1则需在64位机上安装。在以上网站中都有机器人操作、编程、维停培训视频，同学们可以收看学习。,64,65,66,67,68,69,8.4工业机器人的应用,目前工业机器人主要用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、金属加工及金属制品业等。在日本、美国和西欧等工业发达国家中，工业机器人的应用越来越广泛。随着生产