《KEBA機(jī)器人控制系統(tǒng)基礎(chǔ)操作與編程應(yīng)用》 教案1.2 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成

KEBA機(jī)器人控制系統(tǒng)基礎(chǔ)操作與編程應(yīng)用教案課程KEBA機(jī)器人控制系統(tǒng)基礎(chǔ)操作與編程應(yīng)用課題工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成教學(xué)目的及要求：了解工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的組成各部分。熟悉控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)的功能作用。了解伺服驅(qū)動(dòng)器的控制方式。了解驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的3種動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。熟悉工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)。教學(xué)重點(diǎn)：工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)。教學(xué)難點(diǎn)：工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)儀器及教具：無教學(xué)過程備注一、教學(xué)導(dǎo)入（約5分鐘）本節(jié)課的課程安排；本節(jié)課的課堂練習(xí)；本節(jié)課的重難點(diǎn)內(nèi)容；二、主要內(nèi)容（約35分鐘）、工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成（約35分鐘）1、控制系統(tǒng)（1）控制器（2）伺服驅(qū)動(dòng)2、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（1）伺服電機(jī)（2）減速器3、機(jī)械系統(tǒng)（1）機(jī)器人本體（2）機(jī)器人末端執(zhí)行器4、感知系統(tǒng)（1）內(nèi)部傳感器（2）外部傳感器三、本節(jié)小結(jié)四、布置作業(yè)及其它課后作業(yè)：無續(xù)頁一、控制系統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人功用和功能的主要要素。控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)收回指令信號(hào)，并進(jìn)行控制。工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)的主要任務(wù)便是控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的活動(dòng)范圍、姿勢(shì)和軌跡、動(dòng)作的時(shí)間等。1、控制器機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分，用于對(duì)操作機(jī)的控制，以完成特定的工作任務(wù)，其基本功能如下:1)記憶功能:指存儲(chǔ)作業(yè)順序、運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。2)示教功能:指離線編程、在線示教和間接示教。在線示教包括示教器和導(dǎo)引示教兩種。3)與外圍設(shè)備聯(lián)系功能。此功能需要的接口有輸人和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口和同步接口。4)坐標(biāo)設(shè)置功能:有關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、絕對(duì)坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系、用戶自定義坐標(biāo)系四種。5)人機(jī)接口:有示教器接口，操作面板接口及顯示屏接口。6)傳感器接口:有多種傳感器(如位置傳感器，視覺傳感器、觸覺傳感器、力覺傳感器)接口。7)位置何服功能:包括機(jī)器人多軸聯(lián)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)控制、速度和加速度控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取?、示教器示教器是指進(jìn)行機(jī)器人的手動(dòng)操縱、程序編寫、參數(shù)配置以及監(jiān)控用的手持裝置，是常用于機(jī)器人的控制。3、伺服驅(qū)動(dòng)器伺服驅(qū)動(dòng)器（ServoDrives）又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對(duì)伺服電機(jī)（有的資料也把電機(jī)稱為馬達(dá)）進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位。二、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（一）動(dòng)力裝置工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力裝置，按照動(dòng)力源不同，可以分為液壓動(dòng)力系統(tǒng)、氣動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)和電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)三大類。1、液壓動(dòng)力系統(tǒng)是利用存儲(chǔ)在也體內(nèi)的勢(shì)能驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，主要包括直線位移或旋轉(zhuǎn)式活塞、液壓伺服系統(tǒng)。液壓伺服系統(tǒng)是利用伺服閥改變液流截面，與控制信號(hào)成比例地調(diào)節(jié)流速的一種方式。液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是動(dòng)力大，力或力矩慣量比大，響應(yīng)快速，易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等，故適于在承載能力大、慣量大、防爆環(huán)境條件下使用。但由于要進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換為液壓能的能量轉(zhuǎn)換，速度控制多采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動(dòng)驅(qū)動(dòng)要低，液壓系統(tǒng)液體泄漏會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，工作噪聲較高，一般中低負(fù)載的機(jī)器人動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多采用電動(dòng)系統(tǒng)。2、氣動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)是利用氣動(dòng)壓力驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，一般由活塞和控制閥組成。其特點(diǎn)是速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，價(jià)格低廉，適于中小負(fù)荷機(jī)器人使用。但實(shí)現(xiàn)伺服控制困難，多用于程序控制的機(jī)器人中，如上下料、沖壓等。3、電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等方式。近十年來，低慣量、大轉(zhuǎn)矩交直流伺服電動(dòng)機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動(dòng)器廣泛用于各類機(jī)器人中。其特點(diǎn)是:不需能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電動(dòng)機(jī)后面需裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直流有刷電動(dòng)機(jī)不能用于要求防爆的環(huán)境中。近幾年又開發(fā)了直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使機(jī)器人能快速、高精度定位，已廣泛用于裝配機(jī)器人中。電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)是目前主流的動(dòng)力裝置。伺服電機(jī)（ServoMotor）也稱為執(zhí)行電機(jī)，是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電機(jī)是執(zhí)行元件，其作用是把接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的角位移或角速度輸出。它的動(dòng)作完全服從于控制信號(hào)：當(dāng)控制信號(hào)到來之前，其轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；當(dāng)控制信號(hào)到來時(shí)，其轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)起來；當(dāng)控制信號(hào)消失時(shí)，其轉(zhuǎn)子立即自動(dòng)停轉(zhuǎn)。正是由于這種“伺服”性能，故而稱之為伺服電機(jī)。按使用電源類型的不同，伺服電機(jī)可分交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)兩大類。結(jié)合視頻《機(jī)器人核心部件》了解。(二)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（減速器）用來把動(dòng)力裝置的動(dòng)力傳遞到關(guān)節(jié)和動(dòng)作部位。減速器將電機(jī)的反轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的反轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩的裝置，從而降低轉(zhuǎn)速，添加轉(zhuǎn)矩；當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，一味提升伺服電機(jī)的功率是很不劃算的，能夠在適宜的速率范疇內(nèi)通過減速器來進(jìn)步輸出扭矩。伺服電機(jī)在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)下容易發(fā)熱和出現(xiàn)低頻振動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間和重復(fù)性的工作不利于確保其準(zhǔn)確性、牢靠地運(yùn)轉(zhuǎn)。精細(xì)減速電機(jī)的存在使伺服電機(jī)在一個(gè)適宜的速率下運(yùn)轉(zhuǎn)，加強(qiáng)機(jī)器體剛性的同時(shí)輸出更大的力矩。如今主流的減速器有兩種：諧波減速器和RV減速。（有的資料，比如ABB的操作手冊(cè)，也把減速器寫為齒輪箱）結(jié)合《諧波減速器》視頻了解。三、機(jī)械系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)由基座、臂部、腕部、末端執(zhí)行器（或手部）組成。對(duì)于6關(guān)節(jié)機(jī)器人的本體，J1（第一軸、肩部）、J2（第二軸、大臂）、J3（第三軸、小臂）的運(yùn)動(dòng)主要改變機(jī)器人的位置，稱為basejoints（基本關(guān)節(jié)）；J4（第四軸）、J5（第五軸）、J6（第六軸、腕部）的運(yùn)動(dòng)主要改變機(jī)器人的方向姿態(tài)，稱為wristjoints（腕關(guān)節(jié)）。結(jié)合《工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)》視頻了解。1、基座工業(yè)機(jī)器人的臂部是機(jī)器人的主要執(zhí)行部件，它的作用是支承腕部和末端執(zhí)行器，并帶腕部和末端執(zhí)行器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，改變腕部和末端執(zhí)行器的空間位置，滿足機(jī)器人的作業(yè)空間，并將各種載荷傳遞到機(jī)身。2、臂部工業(yè)機(jī)器人的臂部是機(jī)器人的主要執(zhí)行部件，它的作用是支承腕部和末端執(zhí)行器，并帶腕部和末端執(zhí)行器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，改變腕部和末端執(zhí)行器的空間位置，滿足機(jī)器人的作業(yè)空間，并將各種載荷傳遞到機(jī)身。3、腕部工業(yè)機(jī)器人的腕部作用是改變末端執(zhí)行器的空間方向和將載荷傳遞到臂部。4、末端執(zhí)行器機(jī)器人末端執(zhí)行器也稱為機(jī)器人工具或者機(jī)