工業(yè)機器人技術及應用(教案)4-初識工業(yè)機器人的作業(yè)示教

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第四章 初識工業(yè)機器人的作業(yè)示教4.1 工業(yè)機器人示教的主要內(nèi)容4.1.1 運動軌跡4.1.2 作業(yè)條件4.1.3 作業(yè)順序?qū)W習目標 導入案例 課堂認知 擴展與提高 本章小結 思考練習4.2 工業(yè)機器人的簡單試教學與再現(xiàn)4.2.1 在線示教及其特點4.2.2 在線示教的基本步驟其特點4.3 工業(yè)機器人的離線編程技術4.3.1 離線編程及其特點4.3.2 離線編程系統(tǒng)的軟件架構4.3.3 離線編程的基本步驟課前回顧如何選擇機器人坐標系和運動軸？機器人點動與連續(xù)移動有何區(qū)別，分別適合在哪些場合運用？學習目標認知目標掌握工業(yè)機器人示教的主要內(nèi)容熟悉機器人在線示教的特點與操作

2、流程熟悉機器人離線編程的特點與操作流程掌握機器人示教 - 再現(xiàn)工作原理能力目標能夠進行工業(yè)機器人簡單作業(yè)在線示教與再現(xiàn)能夠進行工業(yè)機器人離線作業(yè)示教與再現(xiàn)導入案例機器人職業(yè)前景分析對于機器人企業(yè)來說，他們需要的高端人才，至少應熟悉編程語言和仿真設計，以及神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制等常用控制算法，能達到指導員工的程度。在此基礎上，能依據(jù)實際情況自主研究算法。此外，最好還能主導大型機電一體化設備的研發(fā)，具備一定的管理能力。而其余調(diào)試，操作員工的要求相應遞減。跟據(jù)職能劃分，大概可分為四個工種： 1. 工程師助手，主要責任是協(xié)助工程師繪制機械圖樣、電氣圖樣、簡單工裝夾具設計、制作工藝卡片、指導工人按照裝配圖進

3、行組裝；2. 機器人生產(chǎn)線試產(chǎn)員與操作員；3. 機器人總裝與調(diào)試者；4.高端維修或售后服務人員。課堂認知4.1 工業(yè)機器人示教的主要內(nèi)容目前，企業(yè)引入的以第一代工業(yè)機器人為主，其基本工作原理是 “示教 - 再現(xiàn)” ?！笆窘獭币卜Q導引，即由操作者直接或間接導引機器人，一步步按實際作業(yè)要求告知機器人應該完成的動作和作業(yè)的具體內(nèi)容，機器人在導引過程中以程序的形式將其記憶下來，并存儲在機器人控制裝置內(nèi)；“再現(xiàn)”則是通過存儲內(nèi)容的回放，機器人就能在一定精度范圍內(nèi)按照程序展現(xiàn)所示教的動作和賦予的作業(yè)內(nèi)容 程序是把機器人的作業(yè)內(nèi)容用機器人語言加以描述的文件，用于保存示教操作中產(chǎn)生的示教數(shù)據(jù)和機器人指令。機器

4、人完成作業(yè)所需的信息包括 運動軌跡、作業(yè)條件和作業(yè)順序 。4.1.1 運動軌跡運動軌跡是機器人為完成某一作業(yè)，工具中心點（ TCP ）所掠過的路徑，是機器示教的重點。從運動方式上看，工業(yè)機器人具有點到點（ PTP ）運動和連續(xù)路徑（ CP ）運動2 種形式。按運動路徑種類區(qū)分，工業(yè)機器人具有直線和圓弧 2 種動作類型。示教時，直線軌跡示教 2 個程序點（直線起始點和直線結束點）；圓弧軌跡示教 3 個程序點（圓弧起始點、圓弧中間點和圓弧結束點）。在具體操作過程中，通常 PTP 示教各段運動軌跡端點，而 CP 運動由機器人控制系統(tǒng)的路徑規(guī)劃模塊經(jīng)插補運算產(chǎn)生。 機器人運動軌跡機器人運動軌跡的示教主

5、要是確認程序點的屬性 。每個程序點主要包含：位置坐標:描述機器人 TCP 的 6 個自由度（ 3 個平動自由度和 3 個轉動自由度）。插補方式:機器人再現(xiàn)時，從前一程序點移動到當前程序點的動作類型。再現(xiàn)速度:機器人再現(xiàn)時，從前一程序點移動到當前程序點的速度?？兆唿c:指從當前程序點移動到下一程序點的整個過程不需要實施作業(yè)，用于示教除作業(yè)開始點和作業(yè)中間點之外的程序點。作業(yè)點:指從當前程序點移動到下一程序點的整個過程需要實施作業(yè)，用于作業(yè)開始點和作業(yè)中間點?？兆唿c和作業(yè)點決定從當前程序點移動到下一程序點是否實施作業(yè)。提示 作業(yè)區(qū)間的再現(xiàn)速度一般按作業(yè)參數(shù)中指定的速度移動，而空走區(qū)間的移動速度則按移

6、動命令中指定的速度移動；登錄程序點時，程序點屬性值也將一同被登錄。工業(yè)機器人常見插補方式 插補方式動作描述動作圖示關節(jié)插補機器人在未規(guī)定采取何種軌跡移動時，默認采用關節(jié)插補。出于安全考慮，通常在程序點 1 用關節(jié)插補示教。直線插補機器人從前一程序點到當前程序點運行一段直線，即直線軌跡僅示教 1 個程序點（直線結束點）即可。直線插補主要用于直線軌跡的作業(yè)示教。圓弧插補機器人沿著用圓弧插補示教的 3 個程序點執(zhí)行圓弧軌跡移動。圓弧插補主要用于圓弧軌跡的作業(yè)示教。起點4.1.2 作業(yè)條件工業(yè)機器人作業(yè)條件的登錄方法，有 3 種形式：使用作業(yè)條件文件 輸入作業(yè)條件的文件稱為作業(yè)條件文件。使用這些文件，

7、可使作業(yè)命令的應用更簡便。在作業(yè)命令的附加項中直接設定 首先需要了解機器人指令的語言形式，或程序編輯畫面的構成要素。程序語句一般由行標號、命令及附加項幾部分組成。 8: J P1 100% FINE 0008 MOVJ VJ = 80.00 (a) FANUC 機器人 (b) YASKAWA 機器人程序語句的主要構成要素手動設定 在某些應用場合下，有關作業(yè)參數(shù)的設定需要手動進行。4.1.3 作業(yè)順序作業(yè)順序不僅可保證產(chǎn)品質(zhì)量，而且可提高效率。作業(yè)順序的設置主要涉及：作業(yè)對象的工藝順序 在某些簡單作業(yè)場合，作業(yè)順序的設定同機器人運動軌跡的示教合二為一。機器人與外圍周邊設備的動作順序 在完整的工業(yè)

8、機器人系統(tǒng)中，除機器人本身外，還包括一些周邊設備，如變位機、移動滑臺、自動工具快換裝置等。 工業(yè)機器人四巨頭的機器人移動命令在線示教因簡單直觀、易于掌握，是工業(yè)機器人目前普遍采用的編程方式。4.2.1 在線示教及特點由操作人員手持示教器引導，控制機器人運動，記錄機器人作業(yè)的程序點并插入所需的機器人命令來完成程序的編制。典型的示教過程是依靠操作者觀察機器人及其末端夾持工具相對于作業(yè)對象的位姿，通過對示教器的操作，反復調(diào)整程序點處機器人的作業(yè)位姿、運動參數(shù)和工藝條件，再轉入下一程序點的示教。 工業(yè)機器人的在線示教早期機器人作業(yè)編程系統(tǒng)中，亦有一種人工牽引示教（也稱直接示教或手把手示教）。即由操作人

9、員牽引裝有力 - 力矩傳感器的機器人末端執(zhí)行器對工件實施作業(yè)，機器人實時記錄整個示教軌跡與工藝參數(shù)，然后根據(jù)這些在線參數(shù)就能準確再現(xiàn)整個作業(yè)過程。在線示教作業(yè)任務編制共同特點：1 ）利用機器人有較高的重復定位精度優(yōu)點，降低了系統(tǒng)誤差對機器人運動絕對精度的影響。2 ）要求操作者有專業(yè)知識和熟練的操作技能，近距離示教操作，有一定的危險性，安全性較差。3 ）示教過程繁瑣、費時，需要根據(jù)作業(yè)任務反復調(diào)整末端執(zhí)行器的位姿，占用了大量時間，時效性較差 。4 ）機器人在線示教精度完全靠操作者的經(jīng)驗目測決定，對于復雜運動軌跡難以取得令人滿意的示教效果 。5 ）機器人示教時關閉與外圍設備聯(lián)系功能。對需要根據(jù)外部

10、信息進行實時決策的應用就顯得無能為力 。6 ）在柔性制造系統(tǒng)中，這種編程方式無法與 CAD 數(shù)據(jù)庫相連接。4.2.2 在線示教的基本步驟通過在線示教方式為機器人輸入從工件 A 點到 B 點的加工程序。 機器人運動軌跡 為提高工作效率，通常將程序點 6 和程序點 1 設在同一位置。程序點說明程序點說 明程序點說 明程序點說 明程序點 1機器人原點程序點 3作業(yè)開始點程序點 5作業(yè)規(guī)避點程序點 2作業(yè)臨近點程序點 4作業(yè)結束點程序點 6機器人原點(1) 示教前的準備 (2) 新建作業(yè)程序1 ） 工件表面清理。 作業(yè)程序是用機器人語言描述2 ） 工件裝夾。 機器人工作單元的作業(yè)內(nèi)容，主要3 ） 安全

11、確認。 用于登錄示教數(shù)據(jù)和機器人指令。4 ） 機器人原點確認在線示教基本流程(3) 程序點的登錄 運動軌跡示教方法程序點示教方法程序點 1 （機器人原點） 按第 3 章手動操縱機器人要領移動機器人到原點。將程序點屬性設定為“空走點”，插補方式選“ PTP ”。 確認保存程序點 1 為機器人原點。程序點 2 （作業(yè)臨近點） 手動操縱機器人移動到作業(yè)臨近點。將程序點屬性設定為“空走點”，插補方式選“ PTP ”。確認保存程序點 2 為作業(yè)臨近點。程序點 3 （作業(yè)開始點）手動操縱機器人移動到作業(yè)開始點。確認保存程序點 3 為作業(yè)開始點。如有需要，手動插入焊接開始作業(yè)命令。程序點 4（作業(yè)結束點）手

12、動操縱機器人移動到作業(yè)結束點。 將程序點屬性設定為“空走點”，插補方式選“直線插補”。確認保存程序點 4 為作業(yè)結束點。 如有需要，手動插入焊接結束作業(yè)命令。程序點 5 （作業(yè)規(guī)避點） 手動操縱機器人移動到作業(yè)規(guī)避點。將程序點屬性設定為“空走點”，插補方式選“直線插補”。 確認保存程序點 5 為作業(yè)規(guī)避點。程序點 6 （機器人原點） 手動操縱機器人要領移動機器人到原點。將程序點屬性設定為“空走點”，插補方式選“ PTP ”。確認保存程序點 6 為機器人原點。 (4) 設定作業(yè)條件在作業(yè)開始命令中設定焊接開始規(guī)范及焊接開始動作次序；在焊接結束命令中設定焊接結束規(guī)范及焊接結束動作次序；手動調(diào)節(jié)保護

13、氣體流量。(5) 檢查試運行跟蹤的主要目的是 檢查示教生成的動作以及末端工具指向位置是否已登錄。單步運轉 連續(xù)運轉通過逐行執(zhí)行當前行（光標所在行）的程序 通過逐行執(zhí)行當前行（光標所在行）的程序語句，機器人實現(xiàn)兩個臨近程序點間的單步 語句的末尾，機器人完成多個程序點的順向正向或反向移動。結束 1 行的執(zhí)行后，機器 連續(xù)移動。程序為順序執(zhí)行，所以僅能實現(xiàn)，人動作暫停。 正向跟蹤多用于作業(yè)周期估計。跟蹤方式確認機器人附近無人后，按以下順序執(zhí)行作業(yè)程序的測試運轉：1 ）打開要測試的程序文件。2 ）移動光標至期望跟蹤程序點所在命令行。3 ）持續(xù)按住示教器上的有關【跟蹤功能鍵】，實現(xiàn)機器人的單步或連續(xù)運轉

14、。提示當機器人 TCP 當前位置與光標所在行不一致時，按下【 跟蹤功能鍵 】，機器人將從當前位置移動到光標所在程序點位置；而當機器人 TCP 當前位置與光標所在行一致時，機器人將從當前位置移動到下一臨近示教點位置。執(zhí)行檢查運行時，不執(zhí)行起弧、噴涂等作業(yè)命令，只執(zhí)行空再現(xiàn)。 利用跟蹤操作可快速實現(xiàn)程序點的變更、增加和刪除。(6) 再現(xiàn)施焊工業(yè)機器人程序的啟動可用兩種方法：手動啟動:使用示教器上的【啟動按鈕】 來啟動程序的方式。適合作業(yè)任務及測試階段 。自動啟動:利用外部設備輸入信號來啟動程序的方式。在實際生產(chǎn)中經(jīng)常用到。在確認機器人的運行范圍內(nèi)沒有其他人員或障礙物后，接通保護氣體，采用手動啟動方

15、式實現(xiàn)自動焊接作業(yè)。1 ）打開要再現(xiàn)的作業(yè)程序，并移動光標到程序開頭。2 ）切換【模式旋鈕】至“再現(xiàn) / 自動”狀態(tài)。3 ）按示教器上的【伺服 ON 按鈕】，接通伺服電源。4 ）按【啟動按鈕】，機器人開始運行。提示執(zhí)行程序時，光標跟隨再現(xiàn)過程移動，程序內(nèi)容自動滾動顯示。4.3.1 離線編程及其特點離線編程是利用計算機圖形學的成果，建立起機器人及其工作環(huán)境的幾何模型，通過對圖形的控制和操作，使用機器人編程語言描述機器人作業(yè)任務，然后對編程的結果進行三維圖形動畫仿真，離線計算、規(guī)劃和調(diào)試機器人程序的正確性，并生成機器人控制器可執(zhí)行的代碼，最后通過通訊接口發(fā)送至機器人控制器。機器人的離線編程基于虛擬

16、現(xiàn)實技術的機器人作業(yè)編程已成為機器人學中的新興研究方向，它將虛擬現(xiàn)實作為高端的人機接口，允許用戶通過聲、像、力以及圖形等多種交互設備實時地與虛擬環(huán)境交互。機器人的虛擬示教4.3.2 離線編程系統(tǒng)的軟件構架典型的機器人離線編程系統(tǒng)的軟件架構，主要由建模模塊、布局模塊、編程模塊、仿真模塊、程序生成及通訊模塊組成。 典型機器人離線編程系統(tǒng)的軟件架構建模模塊:這是離線編程系統(tǒng)的基礎，為機器人和工件的編程與仿真提供可視的三維幾何造型。布局模塊:按機器人實際工作單元的安裝格局在仿真環(huán)境下進行整個機器人系統(tǒng)模型的空間布局。編程模塊:包括運動學計算、軌跡規(guī)劃等，前者是控制機器人運動的依據(jù)；后者用來生成機器人關

17、節(jié)空間或直角空間里的軌跡。 仿真模塊:用來檢驗編制的機器人程序是否正確、可靠，一般具有碰撞檢查功能。程序生成:把仿真系統(tǒng)所生成的運動程序轉換成被加載機器人控制器可以接受的代碼指令，以命令真實機器人工作。接口通訊:離線編程系統(tǒng)的重要部分分為用戶接口和通訊接口：前者設計成交互式，可利用鼠標操作機器人的運動；后者負責連接離線編程系統(tǒng)與機器人控制器。 提示在離線編程軟件中，機器人和設備模型均為三維顯示，可直觀設置、觀察機器人的位置、動作與干涉情況。在實際購買機器人設備之前，通過預先分析機器人工作站的配置情況，可使選型更加準確。離線編程軟件使用的力學、工程學等計算公式和實際機器人完全一致。因此，模擬精度

18、很高，可準確無誤地模擬機器人的動作。離線編程軟件中的機器人設置、操作和實際機器人上的幾乎完全相同，程序的編輯畫面也與在線示教相同。利用離線編程軟件做好的模擬動畫可輸出為視頻格式，便于學習和交流。4.3.3 離線編程的基本步驟通過離線方式輸入從 A 到 B 作業(yè)點程序。 為提高工作效率，通常將程序點 6 和程序點 1 設在同一位置。 機器人運動軌跡離線編程的基本流程(1) 幾何建模 機器人工作臺的幾何建模提示各機器人公司開發(fā)的離線編程軟件的模型庫中基本含有其生產(chǎn)的所有型號的機器人本體模型和一些典型周邊設備模型；在導入由其他 CAD 軟件繪制的機器人工作環(huán)境模型時，要注意參考坐標系是否一致問題。(

19、2) 空間布局提供一個與機器人進行交互的虛擬環(huán)境，需要把整個機器人系統(tǒng)（包括機器人本體、變位機、工件、周邊作業(yè)設備等）的模型按照實際的裝配和安裝情況在仿真環(huán)境中進行布局。 機器人及其作業(yè)環(huán)境布局(3) 運動規(guī)劃運動規(guī)劃主要有兩個方面： 作業(yè)位置規(guī)劃和作業(yè)路徑規(guī)劃 。作業(yè)位置規(guī)劃 在機器人運動空間可達性的條件下，盡可能的減少機器人在作業(yè)過程中的極限運動或機器人各軸的極限位置。作業(yè)路徑規(guī)劃 在保證末端工具作業(yè)姿態(tài)的前提下，避免機器人與工件、夾具、周邊設備等發(fā)生碰撞。 機器人運動規(guī)劃提示同在線示教一樣，機器人的離線運動規(guī)劃需新建一個作業(yè)程序以保存示教數(shù)據(jù)和機器人指令。采用在線示教方式操作機器人運動主

20、要是通過示教器上的按鍵，而離線編程操作機器人三維圖形運動主要用鼠標。(4) 動畫仿真系統(tǒng)對運動規(guī)劃的結果進行三維圖形動畫仿真，模擬整個作業(yè)情況，檢查末端工具發(fā)生碰撞的可能性及機器人的運動軌跡是否合理，并計算機器人的每個工步的操作時間和整個工作過程的循環(huán)時間，為離線編程結果的可行性提供參考。 作業(yè)開始點仿真 作業(yè)結束點仿真(5) 程序生成及傳輸作業(yè)程序的仿真結果完全達到作業(yè)的要求后，將該作業(yè)程序轉換成機器人的控制程序和數(shù)據(jù)，并通過通信接口下載到機器人控制柜，驅(qū)動機器人執(zhí)行指定的作業(yè)任務。(6) 運行確認與施焊處于安全考慮，離線編程生成的目標作業(yè)程序在自動運轉前需跟蹤試運行。至此，機器人從工件 A

21、 點到 B 點的離線作業(yè)編程操作完畢。提示開始再現(xiàn)前，請做如下準備工作：工件表面清理與裝夾、機器人原點確認。出于生產(chǎn)現(xiàn)場的復雜性、作業(yè)的可靠性等方面的考慮，工業(yè)機器人的作業(yè)示教在短期內(nèi)仍將無法脫離在線示教的現(xiàn)狀。無論在線示教還是離線編程，其主要目的是完成機器人運動軌跡、作業(yè)條件和作業(yè)順序的示教。 機器人示教的主要內(nèi)容擴展與提高機器人作業(yè)程序的編輯常見的操作有程序點的追加、變更和刪除，機器人移動速度的修改以及機器人指令的添加。1程序點的追加、變更和刪除程序點編輯方法編輯類別操作要領動作圖示示教點的 追加 使用跟蹤功能將機器人移動到程序點 1 位置。 手動操作機器人移動到新的目標點位置（程序點 3

22、 ）。點按示教器按鍵登錄程序點 3 。程序點 3示教點的 變更 使用跟蹤功能將機器人移動到程序點 2 位置。手動操作機器人移動到新的目標點位置。程序點 2示教點的刪除 點按示教器按鍵登錄程序點 2 。使用跟蹤功能將機器人移動到程序點 2 位置。點按示教器按鍵刪除程序點 2 。 程序點 32機器人移動速度的修改示教再現(xiàn)操作過程中，涉及 3 類動作速度：手動操作機器人移動時的 示教速度、運動軌跡確認時的 跟蹤速度 、程序自動運轉時的 再現(xiàn)速度 。示教速度 使用示教器手動操作機器人移動的速度，分點動速度和連續(xù)移動速度。跟蹤速度 使用示教器進行運行軌跡確認，或者程序編輯中跟蹤機器人到某一程序點位置時的

23、移動速度。跟蹤操作時，一般有作業(yè)條件速度、移動命令速度以及高低檔速度切換三種選擇。再現(xiàn)速度 運行示教程序的機器人移動速度。同跟蹤速度類似，在作業(yè)區(qū)間內(nèi)按照作業(yè)命令中的速度運行，而空走區(qū)間按照移動命令中的速度運行。3機器人指令的添加 機器人指令分為以下幾類：動作指令、作業(yè)指令、寄存器指令、 I/O 指令、跳轉指令和其他指令。動作指令:指以指定的移動速度和插補方式使機器人向作業(yè)空間內(nèi)的指定位置移動的指令。作業(yè)指令:依據(jù)機器人具體應用領域而編制的一類指令，如碼垛指令、焊接指令搬運指令等。寄存器指令:進行寄存器的算術運算的指令。I/O 指令:改變向外圍設備的輸出信號，或讀取輸入信號狀態(tài)的指令。跳轉指令

24、:使程序的執(zhí)行從程序某一行轉移到其他（程序的）行，如標簽指令、程序結束指令、條件轉移指令及無條件轉移指令等。其他指令:如計時器指令、注釋指令等。本章小結目前國際上商品化、實用化的工業(yè)機器人基本都屬屬于第一代工業(yè)機器人，它的基本工作原理是“示教 - 再現(xiàn)”?！笆窘獭本褪菣C器人學習的過程，“再現(xiàn)”是機器人按照示教時記錄下來的程序展現(xiàn)這些動工業(yè)機器人工作前，通常是通過“示教”的方法為機器人作業(yè)程序生成運動命令，目前主要采用兩種方式進行：一是在線示教；二是離線編程。對工業(yè)機器人的作業(yè)任務進行編程，不論是在線示教還是離線編程，其主要涉及運動軌跡、作業(yè)條件和作業(yè)順序三方面的示教。思考練習1、填空(1) _ 也稱導引，即由操作者直接或間接導引機器人，一步步按實際作業(yè)要求告知機器人應該完成的動作和作業(yè)的具體內(nèi)容，機器人在導引過程中以_ 的形式將其記憶下來，并存儲在機器人控制裝置內(nèi)； _ 則是通過存儲內(nèi)容的回放，機器人就能在一定精度范圍內(nèi)按照程序展現(xiàn)所示教的動作和賦予的作業(yè)內(nèi)容。(2) _ 的主要目的是檢查示教生成的動作以及末端工具指向位置是否已登錄。(3)_ 是