工业基础集成应用 解答

工业机器人集成开发与调试答案（仅供参考）第一章思考与练习1.简述AUBO-i5机器人的系统组成及各部分功能。（1）电源：通常接220V两相或380V三相交流电，是控制器和机器人本体的能量来源。（2）机器人本体：包括基座、关节轴和法兰盘接口。基座用于机器人本体安装，可将机器人本体采用落地式、吊顶式、壁挂式安装。J1轴、J2轴、J3轴、J4轴、J5轴和J6轴的轴线方向和转动方向定义。法兰盘接口轴线方向与J6轴的轴线方向相同，用于安装末端工具。（3）控制器：控制器是工业机器人的大脑，所有控制指令都是从控制器发送给机器人本体。控制器的主要任务是控制工业机器人的运动位置、姿态、轨迹、操作顺序及动作的时间等。控制器还具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。（4）示教器：工业机器人示教器是人与机器人的交互接口。通过示教器，人可以查看机器人的运动状态，进行示教和在线编程，同时示教器还具有保护急停等功能。（5）末端执行器：末端执行器是工业机器人直接用于抓取、吸附或加持专用工具进行操作的部件。由于应用领域广泛，工业机器人的末端执行器种类繁多，如夹钳式操作手、焊接工具、激光切割工具、搬运执行器、多指灵巧手等。（6）其他外围设备：除了以上组成部分，根据不同的应用领域，工业机器人系统组成还包括其他外围设备。如，在压力机上的装卸作业中，还需要传送带、供料装置、定位装置等。当使用工业机器人进行操作时，需要对这些外围设备进行必要的改造，才能构成完整的工业机器人应用系统。2.AUBO-i5机器人相对比较重要技术参数有哪些？工业机器人的技术参数主要包括自由度、绝对定位精度/重复定位精度、工作空间、最大负载等。3.AUBO-i5机器人上电的步骤。一.上电前准备（1）检查机器人与控制柜是否连接完好。（2）检查示教器与控制柜之间是否连接完好。（3）检查控制柜电源电缆是否连接完好。（4）控制柜电源总开关在电源未接通时处于关闭状态。（5）控制柜和示教器急停开关处于弹起状态。（6）模式选择按钮处于正确的位置。（7）确保机器人不会碰到周围人员或设备。二.控制柜上电把电源电缆品字插头插到工频交流电源插座上，然后把电源开关从OFF旋转至ON状态，电源指示灯亮。三.示教器和机器人上电（1）通过MODEMANUAL/LINKAGE按钮选择使用模式。（2）等待橙色指示灯（STANDBY）常亮，进入待机状态。（3）按下示教器左上角的启动按钮约1s，蓝色灯光亮，机器人与示教器一同上电，示教器屏幕点亮。（4）示教器启动按钮及LED指示灯开机状态。第二章思考与练习1.简述AUBO-i5机器人控制系统的结构。工业机器人控制系统的结构主要包括示教器；输入输出接口：通用I/O、工具I/O、安全I/O、通信接口；示教器是人机交互的接口，绝大多数操作都需要通过示教器来完成的、输入输出接口主要用于扩展控制柜的功能，使控制柜使用更加灵活。其他还包括各类指示灯、电源开关和急停开关等。2.工业机器人的控制器接口有哪些？一.通用输入/输出接口工业机器人控制通用输入/输出接口可满足大多数用户对数字信号和模拟信号的控制需求。通用输入/输出接口主要包括数字信号输入接口、数字信号输出接口、模拟信号输入接口和模拟信号输出接口。这四个通用输入/输出接口功能简介如下：（1）数字信号输入接口：用于读取开关按钮、传感器、PLC（ProgrammableLogicController）和工业机器人的动作信号等；（2）数字输出接口：可直接控制负载，也可和PLC或工业机器人通信；（3）模拟电压输入接口：用于读取外部传入的模拟电压信号，用户可根据读取的电压值进行各类控制；（4）模拟信号输出接口：可输出用户期望的电压控制信号和电流控制信号，实现对外部设备的控制功能。在使用工业机器人控制器的通用输入输出接口时，务必需要了解接口的电气性能，如数字信号接口耐压范围、模拟信号输入输出范围以及各类接口信号的输入输出精度等。二.工具输入/输出接口工业机器人通常在靠近机器人末端位置提供一些电气接口，用户可使用这些接口为机器人末端使用的特定工具（夹持器等）提供电源和控制信号。这些电气接口同样包括数字信号输入/输出接口和模拟信号输入/输出接口。用户在使用工具输入输出接口时，同样务必先了解该接口的电气性能。三.安全输入/输出接口为了保证运行安全，工业机器人控制器通常会提供安全输入/输出接口。以AUBO-i5工业机器人为例，其安全输入/输出接口均具备双回路安全通道（冗余设计），可确保在发生单一故障时不会丧失安全功能。在使用时，安全装置及设备必须按照安全说明安装，并经过全面的风险评估后，方可使用。四.通信接口工业机器人控制器通常会提供多种通信接口，包括以太网接口、ModBusRTU（RemoteTerminalUnit）接口、USB（UniversalSerialBus）接口等。各个接口的应用为：（1）以太网接口可用于工业机器人的远程访问和控制。（2）USB接口可用于更新软件，导入导出工程文件。（3）ModbusRTU接口可连接至Modbus设备。（4）以太网及USB接口均可连接到系统工控单元。3.简述AUBO-i5机器人示教器界面各部分功能。编号名称功能说明1软件关闭按钮关闭示教器2面板选择包括机械臂示教，在线编程、设置等3机器人3D仿真界面仿真机械臂模式下显示机械臂的状态4步进控制被控制的变量以步进的方式精确变化5位置控制实现对末端执行器进行不同坐标系下的示教6机器人实时状态末端位置、姿态参数显示显示机器人末端的位置和姿态，默认为工具法兰中心7姿态控制控制机器人末端的姿态8关节轴控制控制每个机械臂关节的转动“+”表示该关节中的电机逆时针转动，“-”表示该关节中的电机顺时针转动9零位姿态，初始位姿长按可使机械臂回到零位姿态和初始姿态10机器人时间显示、运动速度控制及显示通过控制滑条来调整机械臂示教时的运动速度三思考与练习1.简述工业机器人位姿的定义。刚体参考点的位置和刚体的姿态统称为刚体的位姿，要确定机器人在空间中的位姿，即确定机器人某点的位置和刚体的空间姿态。点的位置可以通过矢量来描述，刚体的姿态可以采用固连在刚体上的坐标系来描述。相对于参考坐标系，空间中任意一点的位置可用一个的位置矢量来描述。如图3-1所示，用三个正交的单位矢量来表示坐标系{A}，那么对于空间中任意一点P可用矢量来表示，左上标表示其参考的坐标系{A}。矢量在各个坐标轴上的投影即为其在相应坐标轴上的距离，分别用，和表示。那么位置矢量可表示为：{A}{A}图3-1相对于坐标系的矢量A （3-1）A为了描述刚体的姿态，可在刚体上固定一个坐标系，再将该固连的坐标系在空间中表示出来。由于这个坐标系一直固连在刚体上，因此该刚体相对于坐标系的位置为已知。只要该坐标系可在空间表示出来，就可得到该刚体相对于固定坐标系的位姿。要描述一个坐标系相对于另一个坐标系的关系，必须给出坐标系原点的位置和它的坐标轴方向。如图3-2所示，取刚体上一点P，该点相对于参考坐标系的位置可由位置描述给出，为，按照右手定则在点P处建立坐标系{B}固定在物体上，则坐标系{B}相对于坐标系{A}的描述就可表示出刚体的姿态。{A}{B}{A}{B}图3-2位置和姿态的确定用、和来表示坐标系{B}主轴方向的单位矢量。当该单位矢量在参考坐标系{A}表达时，可表示为、和，那么坐标系{B}相对于坐标系{A}的表达可由旋转矩阵来表示： （3-2）式（3-2）中、和分别为单位矢量、和在坐标系{A}中的投影，可由单位矢量的点积表示，即坐标轴各分量之间夹角的余弦。按照一定的顺序进行三次绕主轴的旋转，可得到24种角坐标系表示法，其中12种为固定角坐标系表示法，另外12种为欧拉角坐标系表示法，下面简单介绍几种常用的姿态表示方法。一.XYZ固定角坐标系（RPY（RouPitchYam）角）XYZ固定角坐标系又称为RPY角表示法，是描述船舶在海中航行时姿态的一种方法。按照定义，首先将坐标系{B}和已知坐标系{A}重合，然后将{B}绕旋转角，再绕旋转角，最后绕旋转角。每次旋转都是绕着固定参考坐标系{A}的轴，随后的“ZYX欧拉角”与“ZYZ欧拉角”中的旋转同理，不再赘述。二.ZYX欧拉角ZYX欧拉角依次绕运动坐标系{B}的Z、Y、X轴旋转。首先将坐标系{B}和已知坐标系{A}重合，然后将{B}绕旋转角,再绕旋转角,再绕旋转角。三.ZYZ欧拉角ZYZ欧拉角依次绕运动坐标系{B}的Z、Y、Z轴旋转。首先将坐标系{B}和已知坐标系{A}重合，然后将{B}绕旋转角,再绕旋转角，再绕旋转角。2.简述工业机器人的几种坐标系。一世界坐标系世界坐标系(WorldCoordinateSystem)又称大地坐标系或绝对坐标系，是以地球为参照系的固定笛卡尔坐标系，与机器人的运动无关。在没有建立其他坐标系之前，机器人上所有点的位置都基于该坐标系来确定，如图3-3所示。在使用世界坐标系时，机器人在空间中的运动始终是唯一的，因为世界坐标系的原点和坐标方向始终固定已知。对于单台机器人，世界坐标系和基本坐标系通常重合，但是对于两台或多台共同协作的机器人，很难预测相互协作运动的情况，此时可定义一个共同的世界坐标系取而代之。图33世界坐标系(WorldCoordinateSystem)二基本坐标系基本坐标系(BaseCoordinateSystem)又称为基座坐标系，固连在机器人的静止部位，通常位于机器人基座上，与世界坐标系重合（如图3-3所示），是最便于描述机器人从一个位置移动到另一个位置的坐标系。基本坐标系在机器人基座中有相应的零点，在正常配置的机器人系统中，可通过移动底座来移动该坐标系。三法兰坐标系法兰坐标系（FlangeCoordinateSystem）又称为机械IF坐标系，是以机器人最前端法兰面为基准确定的坐标系。如图3-4所示，其坐标原点位于法兰中心，与法兰面垂直的轴为Z轴，Z轴正向朝外，法兰中心与定位销孔的连接线为Y轴。法兰坐标系固连在法兰面上，当法兰转动时，法兰坐标系会随着法兰面转动。图3-4法兰坐标系四工具坐标系工具坐标系(ToolCoordinateSystem)以工具的中心为基准点建立。安装在末端法兰盘上的工具需要在其中心点定义一个工具坐标系，通过坐标系的转换，可操作机器人在工具坐标系下运动，从而方便操作。由于工具坐标系在法兰坐标系基础上建立，如果工具磨损或更换，只需重新定义工具坐标系，而不用更改程序。五用户坐标系用户坐标系(UserCoordinateSystem)通常在基坐标系或者世界坐标系下建立，机器人可和不同的工作台或夹具配合工作，在每个工作台上建立一个用户坐标系。机器人大部分采用示教编程的方式，步骤繁琐，对于相同工件，若放置在不同工作台进行操作，不必重新编程，只需相应地变换到当前用户坐标系下。3.简述工业机器人末端工具中心点在路点间的移动操作。一直线运动直线运动使工具在路点之间进行线性移动。这意味着每个关节都会执行更为复杂的移动，以使工具保持在直线路径上。适用于此移动类型的共用参数包括所需工具最大速度和工具最大加速度（单位分别为mm/s和mm/s2），及运动模式。与轴动运动类似，工具速度能否达到和保持最大速度取决于直线位移和最大加速度参数。二轨迹运动多个路点的轨迹运动，运行过程中相应的关节空间或笛卡尔空间运行速度、加速度连续，始末路点速度为零。目前支持Arc_Cir（圆弧圆周）、moveP（直线轨迹的圆弧平滑过渡）、B_Spline（B样条曲线）三种模式。编写轨迹运动时，每个Move条件下至少需要三个路点（理论没有上限）。（1）圆弧运动：三点法确定圆弧，并按照顺序进行从起始路点运动至结束路点，属于笛卡尔空间轨迹规划。姿态变化仅受始末点影响。最大速度和加速度意义同直线运动。轨迹类型选择Arc_Cir时，右侧文本输入循环次数为0时的运动为圆弧运动。（2）圆周运动：与圆弧运动相似，三点法确定整圆轨迹及运动方向，完成整个圆周运动后回到起点。运动过程中保持起始点姿态不变。最大速度和加速度意义同直线运动。当参数类型选择Arc_Cir时，右侧文本输入框输入循环次数大于0时对应的运动为圆周运动。（3）直线轨迹的圆弧平滑过渡，相邻两段直线设置为交融半径处的圆弧平滑过渡，运行过程中的姿态变化仅受始末点影响。最大速度和加速度意义同直线运动。（4）B样条曲线：根据给定的路径点拟合出一条路径曲线。生成拟合曲线所使用的路点越多，拟合出的曲线离预期越接近。在机械臂轨迹运动和直线运动编程时，应确保两个Move命令相邻的路点连续，即上一个Move命令的最后一个路点和下一个Move命令的第一个路点一致。值得注意的是，当机械臂做圆周运动时，该Move命令的最后一个路点实际为第一个路点（首尾路点重合）。当程序逻辑列表中有Loop循环命令时，还应保持第一个Move命令的第一个路点和最后一个Move命令的最后一个路点一致。第四章思考与练习1.简述工业机器人的外部I/O系统。AUBO机器人i系列标准控制柜提供了多种电气接口，用来连接外部设备及工具端，用户可方便地使用这些接口。控制柜的电气接口主要分为:安全I/O和通用I/O。控制柜上共有16个通用数字输入接口、16个通用数字输出接口、四对模拟电压输入接口、2对模拟电压输出接口以及2对模拟电流输出接口，其电气误差在±1%。2.简述工业机器人末端夹具的种类。气动夹具气动夹具以压缩空气为动力源，其通过气缸把空气压力转换为机械能，可实现式样定位、夹紧的效果。一.气动夹具的优点（1）操作简单，便于实现自动化控制，不必借助人为的力量进行夹紧式样的工作。（2）气动反应速度快，可重复实验性高，在生产过程中能缩短实验时间，提高生产效率。二.气动夹具的缺点（1）价格昂贵，其价格根据质量材料等价格不定。（2）维修成本比手动设备昂贵。电动夹具移动工件可更好地控制夹爪位置、抓去检测、速度和抓握力。电动夹具无需空气管路，从而节省能量和维护成本，工作环境更清洁。电动夹具的电机具备以下四点优势：（1）低惯性和高转速可缩短循环时间；（2）直流无刷无槽技术可持久可靠地运行；（3）高功率密度电机和较轻的重量；（4）系统可整合电机反馈(而不是利用定时器)来获取抓握过程，从而提高生产效率。柔性夹具柔性夹具属可拆卸、易连接的夹具，依照工艺规程可循环使用，其强度和精度都相对较高，由标准化柔性原料构成。柔性夹具包括基座、手臂总成和柔性手。柔性手包括连接手臂总成的手指基座、互成夹持结构的至少两个柔性机械手指和用于驱动柔性机械手指抓放的驱动部分。柔性机械手指至少包括依次铰接形成平面摇杆机构的三个指节。通常柔性手指的机械手总成采用有指节的手指，夹持不规则工件时，驱动部分驱动柔性机械手指仿生性抓放，能够适应不同形状工件的夹持，通用性较强。指尖处指节的夹持面设置有柔性材料，可保护工件表面不受损伤，且增大夹持面积，适合对表面精度和表面质量要求较高的工件夹持工作，利于保证工件质量，节约现场使用成本。3.简述工业机器人视觉系统的主要工作过程。（1）工件定位检测器探测到物体已经被运动至接近摄像系统的视野中心，向图像采集部分发送触发脉冲；（2）图像采集部分按照事先设定的程序和延时，分别向摄像机和照明系统发出启动脉冲；（3）摄像机停止目前的扫描，重新开始新的一帧扫描，或者摄像机在启动脉冲到来之前处于等待状态，启动脉冲到来后启动一帧扫描；（4）摄像机开始新的一帧扫描之前打开曝光机构，曝光时间可事先设定；（5）启动另一个脉冲打开灯光照明，灯光的开启时间应该与摄像机的曝光时间匹配；（6）摄像机曝光后，正式开始一帧图像的扫描和输出；（7）图像采集部分接受模拟视频信号，通过A/D（Analog/Digital）将其数字化，或者直接接收摄像机数字化后的数字视频数据；（8）图像采集部分将数字图像存放在处理器或者计算机内存中；（9）处理器对图像进行处理、分析、识别，获得测量结果或逻辑控制值；（10）处理结果控制流水线的动作、进行定位、纠正运动的误差等。4.简述工业机器人外部系统的组成。一.滑轨将关节机器人安装于滑轨上，并通过外部轴功能控制器控制关节机器人的长距离滑动，可实现大范围的多工位工作。比如机床行业中的一台手臂对多台机床的取放料，以及焊接行业中的大范围焊接切割。二.翻转台与滑轨相比，翻转台独立于机器人本体，通过外部轴的功能控制翻转到特定角度，更加利于手臂对工件的某一面进行加工，主要应用于焊接、切割、喷涂、热处理等方面。五思考与练习填空题控制柜的电气接口主要分为：_安全I/O_和_通用I/O_。控制柜上共有_16_个通用数字输入接口、__16个通用数字输出接口、_4对模拟电压输入接口、_2__对模拟电压输出接口以及_2__对模拟电流输出接口,其电气误差为±1%_。禁止在机械臂运行过程中插拔_外围安全__设备。选择题对于控制柜通用数字I/O，以下属于输入特性的是(多选)？漏型输入、NPN开集电极晶体管5mA/DC24V输入信号电流漏型晶体管末端工具模拟输入电压范围是？0V~24V0V~10V5V~24V5V~10V简答题安全I/O的作用？机器人可在不添加附加安全设备的情况下安全使用。通用输入输出I/O的作用？表5-1和表5-2列出了各个I/O的功能定义，表5-3和表5-4给出各个接口的电气特性。其中，电压输入输出范围为0~+10V，精度为±1%；电流输出范围为0~20mA，精度为±1%。控制柜面板上的按钮和开关占用了部分I/O。表5-1联动模式I/O功能定义输入LI00联动-程序启动输入LI03联动-回初始位置输入LI01联动-程序停止输入LI04远程开机LI02联动-程序暂停输入LI05远程关机输出LO00联动-程序运行输出LO02联动-暂停输出LO01联动-程序停止输出LO03联动-回初始位置输出表5-2用户可用通用数字输入输出输入DI00DI01DI02DI03DI04DI05DI06DI07DI10DI11DI12DI13DI14DI15DI16DI17输出DO00DO01DO02DO03DO04DO05DO06DO07DO10DO11DO12DO13DO14DO15DO16DO17表5-3用户可用通用数字输入输出接口电气参数DI输入信号形式漏型输入无电压触点输入NPN开集电极晶体管输入方式输入信号电流电气规格5mA/DC24VDO输出形式晶体管（漏型）电气规格300mA/DC24V表5-4用户可用通用模拟输入输出特性输入VI0模拟电压输入VI2模拟电压输入VI1模拟电压输入VI3模拟电压输入输出VO0模拟电压输出CO0模拟电流输出VO1模拟电压输出CO1模拟电流输出实验题接入指示灯，机械臂运动到指定位置指示灯亮起。使用末端I/O控制指示灯。第六章思考与练习1.Robotiq运动时需要设置哪些参数?图6-7Robotiq参数配置如图6-7所示，打开示教器软件，打开“扩展”-->“外设”-->“Robotiq”-->“Setting”，进入Robotiq的参数设置界面。在参数设置界面中，机器人和Robotiq手爪通讯所必要的参数配置：①手爪ＩＤ（InputGripperID）09②端口号(PortName)/dev/ttyUSB0③波特率(Baudrate)115200④数据位(Databits)8⑤停止位(StopBits)1⑥奇偶校验(Parity)None⑦流控制(FlowControl)None2.Robotiq的供电电压是多少V伏特?接机器人控制柜的24V电源如何确定Robotiq已经连接成功？参数配置完毕后，单击“Connect”（连接）按钮，机器人会自动和Robotiq手爪连接，并在该界面的“Connectioninfo”连接信息中会显示“GripperisConnected”，如图6-8所示。单击“ActiveGripper”，Robotiq手爪就会张合一次。图6-8Robotiq连接成功图第七章思考与练习在进行码跺或者卸跺时，路点集合中其中一个路点位置不合适，应怎样调节？切换到卸跺高级参数设置界面。该功能主要修正已经设置好的某一组路点中某个路点的位置。设置参数包括：已经设置好的路点组名称（同保存的文件名称）、更改路点组中的第几个路点、该路点基于当前路点的行偏移数值、列偏移数值和层偏移数值。机器人码跺或卸跺时，如何定义码跺或卸跺的入点方向？码垛首先明确原点位置选取方法：下图中方格为码跺区，三角为机器人位置。若取料点是下图中五角星取料点2，则码跺区示教原点为位置2。位置1同理，目的为从里往外码跺。卸跺首先明确原点位置选取方法。下图所示的中方格为卸跺区，三角为机器人位置。若放置点是图中五角星放置点2，则卸跺区示教原点为位置2。位置1同理实现从外往里卸跺。如何定义机器人手爪I/O信号量以及机器人在抓取或者释放时的停留时间？机器人手抓IO信号量切换界面到“工具端设置”，工具端类型选为用户IO输出，设置“工具打开”时，Di_out_01为有效；工具关闭时，Di_out_01为无效。请根据实际设置IO，同时右侧可查询本次设置（断电不保留）。抓取