工業(yè)機(jī)器人控制器：Universal Robots UR Controller：UR控制器基本操作與安全規(guī)范

工業(yè)機(jī)器人控制器：UniversalRobotsURController：UR控制器基本操作與安全規(guī)范1UR控制器簡介1.1UR控制器的歷史UniversalRobots（UR）是一家丹麥公司，成立于2005年，專注于開發(fā)和制造協(xié)作機(jī)器人（簡稱“cobots”）。UR控制器作為其機(jī)器人的核心組成部分，自公司成立以來經(jīng)歷了多個(gè)版本的迭代，旨在提供更高效、更安全、更易用的機(jī)器人控制解決方案。UR控制器最初的設(shè)計(jì)理念是實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作，通過輕量化、靈活的機(jī)器人臂，以及直觀的編程界面，使得機(jī)器人能夠在工業(yè)環(huán)境中與人類工作者并肩工作，而無需復(fù)雜的隔離措施。1.1.1發(fā)展歷程2008年：UR發(fā)布了第一款機(jī)器人控制器，UR5，標(biāo)志著協(xié)作機(jī)器人時(shí)代的開端。2012年：UR10型號(hào)的推出，進(jìn)一步擴(kuò)大了UR機(jī)器人的應(yīng)用范圍，適用于更重負(fù)載的工業(yè)場景。2015年：UR3的發(fā)布，標(biāo)志著UR機(jī)器人系列向更小、更精確的領(lǐng)域拓展。2017年：UR推出了e系列機(jī)器人，其控制器在安全性和易用性方面進(jìn)行了重大升級(jí)，包括更先進(jìn)的碰撞檢測技術(shù)和更直觀的編程界面。2020年：UR發(fā)布了最新的CB3控制器，支持更廣泛的工業(yè)協(xié)議，增強(qiáng)了與外部設(shè)備的集成能力，同時(shí)在軟件上提供了更多的編程選項(xiàng)和工具。1.2UR控制器的型號(hào)與特性UR控制器主要分為兩種類型：內(nèi)置控制器和CB3控制器。內(nèi)置控制器通常與UR機(jī)器人臂集成在一起，而CB3控制器則是一個(gè)獨(dú)立的控制箱，可以與UR機(jī)器人系列中的任何型號(hào)配合使用。1.2.1內(nèi)置控制器內(nèi)置控制器是UR5e、UR10e和UR16e等e系列機(jī)器人的一部分，其特點(diǎn)包括：緊湊設(shè)計(jì)：控制器與機(jī)器人臂集成，減少了占地面積，便于在狹小空間內(nèi)部署。直觀編程：通過UR的PolyScope軟件，用戶可以輕松地通過示教器進(jìn)行編程，無需復(fù)雜的編程知識(shí)。安全功能：內(nèi)置的安全功能，如力矩限制和碰撞檢測，確保了人機(jī)協(xié)作的安全性。1.2.2CB3控制器CB3（CompactController3rdGeneration）是UR的最新一代獨(dú)立控制器，其特性包括：模塊化設(shè)計(jì)：CB3控制器采用模塊化設(shè)計(jì)，便于維護(hù)和升級(jí)。增強(qiáng)的連接性：支持多種工業(yè)通信協(xié)議，如EtherCAT、Profinet、DeviceNet等，易于與現(xiàn)有生產(chǎn)線集成。高級(jí)編程選項(xiàng)：除了PolyScope軟件，CB3還支持URScript編程語言，為高級(jí)用戶提供了更靈活的編程環(huán)境。1.2.3特性詳解1.2.3.1安全功能UR控制器的安全功能是其最突出的特點(diǎn)之一，包括但不限于：力矩限制：機(jī)器人在與物體或人接觸時(shí)，能夠自動(dòng)限制施加的力，防止傷害。碰撞檢測：通過實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，一旦檢測到與環(huán)境的意外接觸，機(jī)器人會(huì)立即停止運(yùn)動(dòng)。安全停止功能：在緊急情況下，機(jī)器人能夠迅速停止所有運(yùn)動(dòng)，確保操作人員的安全。1.2.3.2編程與控制UR控制器提供了多種編程和控制選項(xiàng)，以適應(yīng)不同的用戶需求：PolyScope軟件：UR的圖形化編程界面，用戶可以通過拖拽操作輕松創(chuàng)建機(jī)器人程序。URScript編程語言：一種基于C語言的腳本語言，允許用戶進(jìn)行更復(fù)雜的編程，如自定義邏輯和算法。1.2.3.3通信與集成UR控制器支持多種通信協(xié)議，便于與外部設(shè)備和系統(tǒng)集成：EtherCAT：高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信協(xié)議，用于與高速設(shè)備的集成。Profinet：工業(yè)以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)，廣泛用于自動(dòng)化領(lǐng)域。DeviceNet：一種用于工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的現(xiàn)場總線協(xié)議。1.3示例：URScript編程下面是一個(gè)使用URScript編程語言控制UR機(jī)器人移動(dòng)到特定位置的示例代碼：#定義目標(biāo)位置

target_pose=[0.2,0.3,0.4,0,3.14,0]

#移動(dòng)到目標(biāo)位置

movej(target_pose,a=1.0,v=0.5,t=0,r=0)

#等待機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置

waitdi("robot_reached_target",1,10)1.3.1代碼解釋target_pose：定義了機(jī)器人目標(biāo)位置的坐標(biāo)，包括x、y、z位置和三個(gè)旋轉(zhuǎn)角度。movej：這是一個(gè)關(guān)節(jié)空間移動(dòng)指令，參數(shù)a表示加速度，v表示速度，t表示時(shí)間，r表示半徑。此指令將機(jī)器人移動(dòng)到target_pose定義的位置。waitdi：這是一個(gè)等待數(shù)字輸入指令，等待名為robot_reached_target的輸入信號(hào)變?yōu)?，超時(shí)時(shí)間為10秒。這通常用于確保機(jī)器人已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)位置。1.4結(jié)論UR控制器通過其歷史發(fā)展、型號(hào)特性以及安全、編程和通信功能，為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的支持。無論是對(duì)于需要快速部署的生產(chǎn)線，還是對(duì)于尋求高級(jí)編程和控制選項(xiàng)的工程師，UR控制器都能提供合適的解決方案。通過URScript編程語言，用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人更精細(xì)的控制，滿足復(fù)雜工業(yè)應(yīng)用的需求。2工業(yè)機(jī)器人控制器：UniversalRobotsURController2.1UR控制器基本操作2.1.1開機(jī)與關(guān)機(jī)步驟2.1.1.1開機(jī)步驟確保機(jī)器人控制器和所有連接的設(shè)備都已正確連接。將機(jī)器人控制器的電源開關(guān)置于“ON”位置。等待控制器啟動(dòng)，直到控制面板顯示主界面。解鎖機(jī)器人，通過按下控制面板上的“解鎖按鈕”并按照屏幕指示操作。2.1.1.2關(guān)機(jī)步驟在控制面板上，選擇“關(guān)閉系統(tǒng)”選項(xiàng)。確認(rèn)關(guān)閉操作，等待系統(tǒng)完全關(guān)閉。將電源開關(guān)置于“OFF”位置。斷開所有連接的設(shè)備。2.1.2控制面板的使用控制面板是UR控制器的核心界面，用于操作和編程機(jī)器人。它包括以下主要部分：狀態(tài)欄：顯示機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)，如運(yùn)行模式、程序狀態(tài)等。主菜單：提供訪問所有功能的入口，包括程序編輯、系統(tǒng)設(shè)置等。示教器：用于手動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人，設(shè)置點(diǎn)位，以及編程。程序編輯器：編寫和編輯機(jī)器人程序的界面。2.1.3編程界面的介紹UR控制器的編程界面基于URScript，這是一種專為UR機(jī)器人設(shè)計(jì)的編程語言。編程界面允許用戶創(chuàng)建、編輯和運(yùn)行程序，包括以下功能：程序創(chuàng)建：通過點(diǎn)擊“新建程序”開始創(chuàng)建新的機(jī)器人程序。程序編輯：使用URScript編寫程序，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和操作。程序運(yùn)行：選擇“運(yùn)行程序”來執(zhí)行已編寫的程序。2.1.4基本運(yùn)動(dòng)指令的使用URScript提供了多種運(yùn)動(dòng)指令，用于控制機(jī)器人的精確運(yùn)動(dòng)。以下是幾種常用的基本運(yùn)動(dòng)指令：2.1.4.1movej關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)movej指令用于控制機(jī)器人以關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的方式移動(dòng)到指定位置。#將機(jī)器人移動(dòng)到關(guān)節(jié)位置[0,-pi/2,0,-pi/2,0,0]

movej([0,-pi/2,0,-pi/2,0,0])2.1.4.2movel線性運(yùn)動(dòng)movel指令用于控制機(jī)器人以線性運(yùn)動(dòng)的方式移動(dòng)到指定位置，保持TCP點(diǎn)的直線路徑。#將機(jī)器人TCP點(diǎn)線性移動(dòng)到位置[0.5,0,0.5]，姿態(tài)[pi/2,0,pi/2]

movel(p=[0.5,0,0.5],a=pi/2,v=0.5,r=0)2.1.4.3movec圓弧運(yùn)動(dòng)movec指令用于控制機(jī)器人以圓弧運(yùn)動(dòng)的方式移動(dòng)到指定位置，通過一個(gè)中間點(diǎn)定義圓弧路徑。#將機(jī)器人TCP點(diǎn)圓弧移動(dòng)到位置[0.5,0.5,0.5]，姿態(tài)[pi/2,0,pi/2]，通過中間點(diǎn)[0.5,0,0.5]

movec(p1=[0.5,0,0.5],p2=[0.5,0.5,0.5],a=pi/2,v=0.5,r=0)2.1.5安全規(guī)范在操作UR控制器時(shí)，安全是首要考慮。以下是一些基本的安全規(guī)范：操作前檢查：確保機(jī)器人工作區(qū)域內(nèi)沒有人員或障礙物。緊急停止：熟悉緊急停止按鈕的位置，一旦發(fā)生危險(xiǎn)立即按下。速度限制：在編程時(shí)，設(shè)置合理的速度和加速度，避免過快的運(yùn)動(dòng)。安全設(shè)置：啟用安全功能，如碰撞檢測和力矩限制。通過遵循上述操作步驟和安全規(guī)范，可以有效地使用UR控制器進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的操作和編程，同時(shí)確保工作環(huán)境的安全。3UR控制器安全規(guī)范3.1安全啟動(dòng)程序3.1.1原理安全啟動(dòng)程序是確保UniversalRobots(UR)控制器在啟動(dòng)時(shí)能夠識(shí)別所有連接的設(shè)備并進(jìn)行必要的安全檢查，以防止任何潛在的危險(xiǎn)。這一過程包括了硬件自檢、軟件初始化以及安全功能的激活。3.1.2內(nèi)容硬件自檢：控制器會(huì)檢查所有硬件組件，包括電機(jī)、傳感器和安全裝置，確保它們處于正常工作狀態(tài)。軟件初始化：加載操作系統(tǒng)的內(nèi)核，初始化所有軟件模塊，包括通信協(xié)議和控制算法。安全功能激活：啟用安全限制，如速度限制、力矩限制和碰撞檢測，確保機(jī)器人在安全參數(shù)內(nèi)運(yùn)行。3.2緊急停止與重啟3.2.1原理緊急停止功能允許在任何危險(xiǎn)情況下立即停止機(jī)器人操作，而重啟程序則是在緊急停止后，按照安全規(guī)程重新啟動(dòng)機(jī)器人，確保所有安全功能被正確激活。3.2.2內(nèi)容緊急停止：通過按下控制器上的緊急停止按鈕或外部緊急停止開關(guān)，機(jī)器人立即停止所有運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入安全狀態(tài)。重啟程序：確認(rèn)所有危險(xiǎn)已解除。重置緊急停止按鈕。執(zhí)行安全啟動(dòng)程序，包括硬件自檢和軟件初始化。3.3安全設(shè)置與參數(shù)調(diào)整3.3.1原理安全設(shè)置與參數(shù)調(diào)整是根據(jù)工作環(huán)境和任務(wù)需求，對(duì)UR控制器的安全參數(shù)進(jìn)行個(gè)性化配置，以確保機(jī)器人操作的安全性和效率。3.3.2內(nèi)容速度限制：設(shè)置機(jī)器人的最大運(yùn)行速度，以減少潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。力矩限制：定義機(jī)器人在接觸外部物體時(shí)的最大力矩，防止對(duì)操作人員或設(shè)備造成傷害。碰撞檢測：調(diào)整碰撞檢測的靈敏度，確保在發(fā)生輕微接觸時(shí)機(jī)器人能夠及時(shí)停止。3.3.3示例代碼#設(shè)置UR控制器的速度限制

speed_limit=0.5#m/s

robot.set_speed_limit(speed_limit)

#設(shè)置力矩限制

torque_limit=50#Nm

robot.set_torque_limit(torque_limit)

#調(diào)整碰撞檢測靈敏度

collision_sensitivity=5#1-10,10為最靈敏

robot.set_collision_sensitivity(collision_sensitivity)3.4安全操作模式的解釋3.4.1原理UR控制器提供了多種安全操作模式，每種模式都有其特定的安全特性，適用于不同的工作場景。3.4.2內(nèi)容手動(dòng)模式：機(jī)器人只能通過示教器或手動(dòng)引導(dǎo)進(jìn)行操作，速度受限，確保操作人員的安全。自動(dòng)模式：機(jī)器人按照預(yù)設(shè)程序自動(dòng)運(yùn)行，需要在安全圍欄內(nèi)操作，且所有安全功能必須激活。自動(dòng)+模式：允許機(jī)器人在更開放的環(huán)境中運(yùn)行，但需要額外的安全措施，如安全傳感器和防護(hù)裝置。3.5與UR控制器相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)3.5.1原理UR控制器的設(shè)計(jì)和操作必須符合國際和行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)，以確保其在各種工業(yè)環(huán)境中的安全使用。3.5.2內(nèi)容ISO10218：機(jī)器人和機(jī)器人系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)，包括設(shè)計(jì)、安裝和操作的安全要求。ISO/TS15066：協(xié)作機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)，定義了與人類協(xié)作時(shí)的安全要求和評(píng)估方法。EN775-1：歐洲安全標(biāo)準(zhǔn)，適用于工業(yè)機(jī)器人控制器，包括電氣安全和機(jī)械安全要求。3.5.3結(jié)論遵循上述安全規(guī)范和操作模式，可以有效提升UR控制器在工業(yè)應(yīng)用中的安全性，保護(hù)操作人員和設(shè)備免受傷害。在實(shí)際操作中，應(yīng)定期檢查和調(diào)整安全參數(shù)，確保機(jī)器人始終在安全的條件下運(yùn)行。4實(shí)踐操作指南4.1示例1:示教器的使用技巧4.1.11熟悉示教器界面示教器是UniversalRobotsUR控制器的關(guān)鍵組成部分，用于編程、操作和監(jiān)控機(jī)器人。其界面直觀，通過觸摸屏操作，包含以下主要區(qū)域：主菜單：訪問所有功能的入口。程序編輯器：編寫和編輯機(jī)器人程序。狀態(tài)欄：顯示機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)和警告信息。控制面板：用于手動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人和控制程序運(yùn)行。4.1.22手動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人手動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人是示教器的基本功能之一，通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：選擇移動(dòng)模式：在控制面板中，選擇“關(guān)節(jié)”或“線性”移動(dòng)模式。使用箭頭按鈕：通過箭頭按鈕，可以精確控制機(jī)器人的移動(dòng)方向和速度。設(shè)置速度：在“設(shè)置”菜單中，調(diào)整機(jī)器人的移動(dòng)速度，確保安全操作。4.1.33編程示例示教器支持直接在機(jī)器人上編寫程序，以下是一個(gè)簡單的示例，用于控制機(jī)器人執(zhí)行一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的移動(dòng)：#程序示例：點(diǎn)到點(diǎn)移動(dòng)

defmove_to_point():

p1=[0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6]#目標(biāo)點(diǎn)位置

speed=0.1#移動(dòng)速度

acc=0.1#加速度

movej(p1,a=acc,v=speed,t=0,r=0)#使用關(guān)節(jié)移動(dòng)指令

#調(diào)用函數(shù)

move_to_point()4.1.3.1解釋movej函數(shù)用于關(guān)節(jié)移動(dòng)，參數(shù)p1定義了目標(biāo)位置，speed和acc分別控制移動(dòng)速度和加速度。4.2示例2:常見故障排除4.2.11診斷工具示教器內(nèi)置診斷工具，幫助識(shí)別和解決常見問題。通過“狀態(tài)”菜單，可以查看：錯(cuò)誤代碼：提供故障的具體信息。警告信息：顯示可能影響機(jī)器人性能的警告。4.2.22故障示例：機(jī)器人無法啟動(dòng)如果機(jī)器人無法啟動(dòng)，可能的原因包括：電源問題：檢查電源連接是否正常。緊急停止按鈕：確認(rèn)緊急停止按鈕是否被觸發(fā)。安全設(shè)置：檢查安全設(shè)置是否阻止機(jī)器人啟動(dòng)。4.2.2.1解決步驟檢查電源：確保機(jī)器人和所有外圍設(shè)備的電源連接無誤。復(fù)位緊急停止：如果緊急停止按鈕被觸發(fā)，按照示教器上的指示進(jìn)行復(fù)位。調(diào)整安全設(shè)置：如果安全設(shè)置過于嚴(yán)格，適當(dāng)調(diào)整，確保符合操作需求。4.3示例3:維護(hù)與保養(yǎng)建議4.3.11定期檢查定期檢查機(jī)器人和控制器，確保其處于最佳工作狀態(tài)。檢查項(xiàng)目包括：機(jī)械部件：檢查機(jī)器人臂、關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器的磨損情況。電氣連接：確保所有電纜和連接器無損壞。軟件更新：定期更新機(jī)器人軟件，以獲取最新功能和安全補(bǔ)丁。4.3.22清潔與潤滑清潔：使用干凈的布定期清潔機(jī)器人表面，避免使用腐蝕性清潔劑。潤滑：根據(jù)制造商的建議，定期對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)進(jìn)行潤滑。4.3.33數(shù)據(jù)備份定期備份機(jī)器人程序和設(shè)置，以防數(shù)據(jù)丟失。通過示教器的“文件”菜單，可以將數(shù)據(jù)保存到USB設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)位置。#數(shù)據(jù)備份命令示例

robot_data_backup.sh4.3.3.1解釋上述命令是一個(gè)示例，實(shí)際操作中，應(yīng)使用UR控制器提供的數(shù)據(jù)備份功能或腳本。通過以上實(shí)踐操作指南，可以有效提升UniversalRobotsUR控制器的使用效率，確保操作安全，延長設(shè)備壽命。5案例研究與應(yīng)用5.1UR控制器在汽車行業(yè)的應(yīng)用在汽車行業(yè)，UniversalRobots(UR)的控制器因其靈活性和安全性，被廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化任務(wù)中。UR控制器能夠與汽車生產(chǎn)線上的其他設(shè)備無縫集成，實(shí)現(xiàn)從組裝到質(zhì)量控制的自動(dòng)化流程。5.1.1實(shí)例：車門組裝自動(dòng)化假設(shè)在一家汽車制造廠，UR控制器被用于車門組裝的自動(dòng)化。車門組裝包括多個(gè)步驟，如安裝車窗、門把手、鎖具等。UR控制器通過其編程接口，可以精確控制機(jī)器人執(zhí)行這些任務(wù)，提高生產(chǎn)效率和一致性。5.1.1.1控制器編程示例#導(dǎo)入U(xiǎn)R控制器編程庫

importurx

#連接到UR控制器

robot=urx.Robot("192.168.1.100")

#定義車門組裝的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置

start_pos=[0.3,0.2,0.1,0,0,0]

end_pos=[0.3,0.2,0.5,0,0,0]

#控制機(jī)器人移動(dòng)到起點(diǎn)位置

robot.movej(start_pos)

#執(zhí)行車門組裝動(dòng)作

#假設(shè)組裝動(dòng)作包括一系列的關(guān)節(jié)角度調(diào)整

assembly_steps=[

[0.3,0.2,0.15,0,0,0],

[0.3,0.2,0.4,0,0,0],

[0.3,0.2,0.5,0,0,0]

]

forstepinassembly_steps:

robot.movej(step)

#移動(dòng)到終點(diǎn)位置

robot.movej(end_pos)

#斷開與UR控制器的連接

robot.close()5.1.2安全規(guī)范在汽車行業(yè)中使用UR控制器時(shí)，必須遵循嚴(yán)格的安全規(guī)范，以確保操作人員的安全。UR控制器內(nèi)置的安全功能，如碰撞檢測和速度限制，可以有效防止意外事故的發(fā)生。5.2UR控制器在電子制造中的實(shí)踐電子制造業(yè)對(duì)精度和速度有極高的要求，UR控制器能夠滿足這些需求，通過精確控制機(jī)器人完成微小電子元件的組裝和測試。5.2.1實(shí)例：電路板組裝在電路板組裝過程中，UR控制器可以控制機(jī)器人精確地放置和焊接電子元件，如電阻、電容和芯片。這不僅提高了組裝的精度，也大大減少了人工操作的錯(cuò)誤率。5.2.1.1控制器編程示例#導(dǎo)入U(xiǎn)R控制器編程庫

importurx

#連接到UR控制器

robot=urx.Robot("192.168.1.100")

#定義電路板組裝的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置

start_pos=[0.1,0.1,0.1,0,0,0]

end_pos=[0.1,0.1,0.2,0,0,0]

#控制機(jī)器人移動(dòng)到起點(diǎn)位置

robot.movej(start_pos)

#執(zhí)行電路板組裝動(dòng)作

#假設(shè)組裝動(dòng)作包括一系列的關(guān)節(jié)角度調(diào)整

assembly_steps=[

[0.1,0.1,0.12,0,0,0],

[0.1,0.1,0.14,0,0,0],

[0.1,0.1,0.16,0,0,0]

]

forstepinassembly_steps:

robot.movej(step)

#移動(dòng)到終點(diǎn)位置

robot.movej(end_pos)

#斷開與UR控制器的連接

rob