工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用(教案)3-手動操縱工業(yè)機(jī)器人

1、第三章 手動操縱工業(yè)機(jī)器人機(jī)器人運(yùn)動軸與坐標(biāo)系機(jī)器人運(yùn)動軸的名稱機(jī)器人坐標(biāo)系的種類認(rèn)識和使用示教器學(xué)習(xí)目標(biāo) 導(dǎo)入案例 課堂認(rèn)知 擴(kuò)展與提高 本章小結(jié) 思考練習(xí)機(jī)器人安全操作規(guī)程示教和手動機(jī)器人時再現(xiàn)和生產(chǎn)運(yùn)行時手動移動機(jī)器人移動方式課前回顧工業(yè)機(jī)器人主要由哪幾部分組成？學(xué)習(xí)目標(biāo)認(rèn)知目標(biāo)*了解工業(yè)機(jī)器人的安全操作規(guī)程*熟悉示教器的按鍵及使用功能*掌握機(jī)器人運(yùn)動軸與坐標(biāo)系*掌握手動移動機(jī)器人的流程和方法能力目標(biāo)*能夠熟練進(jìn)行機(jī)器人坐標(biāo)系和運(yùn)動軸的選擇*能夠使用示教器熟練操作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動和連續(xù)移動導(dǎo)入案例Universal Robots 公司推出革命性的新型工業(yè)機(jī)器人UR5 機(jī)器人自重很輕（僅 1

2、8.4 kg ），可以方便地在生產(chǎn)場地移動，而且不需要繁瑣的安裝與設(shè)置就可以迅速地融入到生產(chǎn)線中，與員工交互合作。編程過程可通過教學(xué)編程模式實(shí)現(xiàn)，用戶可以扶住 UR 機(jī)械臂，手動引導(dǎo)機(jī)械臂，按所需的路徑及移動模式運(yùn)行機(jī)械臂一次，UR 機(jī)器人就能自動記住移動路徑和模式。機(jī)器人通過一套獨(dú)特的、友好的圖形用戶界面操作，在觸摸屏幕上，有一系列范圍廣泛的功能讓用戶選擇。任何重復(fù)性的生產(chǎn)過程，都能夠使用它并從中受益。課堂認(rèn)知機(jī)器人運(yùn)動軸與坐標(biāo)系機(jī)器人運(yùn)動軸的名稱通常機(jī)器人運(yùn)動軸按其功能可劃分為機(jī)器人軸、基座軸和工裝軸， 基座軸 和工裝軸 統(tǒng)稱外部軸。機(jī)器人系統(tǒng)中個運(yùn)動軸的定義典型機(jī)器人操作機(jī)各運(yùn)動軸A1

3、、 A2 和 A3 三軸（軸 1 、軸 2 和軸 3 ）稱為基本軸或主軸， 用以保證末端執(zhí)行器達(dá)到工作空間的任意位置。A4 、 A5 和 A6 三軸（軸 4 、軸 5 和軸 6 ）稱為腕部軸或次軸， 用以實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的任意空間姿態(tài)。機(jī)器人坐標(biāo)系的種類目前，大部分商用工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，均可使用關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、直角坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系， 而工具坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系同屬于直角坐標(biāo)系范疇 。TCP 為機(jī)器人系統(tǒng)控制點(diǎn)，出廠是默認(rèn)位于最后一個運(yùn)動軸或安裝法蘭的中心， 安裝工具后 TCP 點(diǎn)將發(fā)生改變。關(guān)節(jié)坐標(biāo)系在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下，機(jī)器人各軸均可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)正向或反向運(yùn)動。對大范圍運(yùn)動，且不要求 TCP姿態(tài)

4、的，可選擇關(guān)節(jié)坐標(biāo)系。直角坐標(biāo)系（世界坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系）機(jī)器人示教與編程時經(jīng)常使用X Z Y 軸按右手法則確定。直角坐標(biāo)系原點(diǎn)直角坐標(biāo)系下的各軸動作工具坐標(biāo)系原點(diǎn)定義在 TCP 點(diǎn)，并且假定工具的有效方向?yàn)?X 軸（有些機(jī)器人廠商將工具的有效方向定義為 Z 軸），而 Y 軸、 Z 軸由右手法則確定。 在進(jìn)行相對于工件不改變工具姿態(tài)的平移操作時選用該坐標(biāo)系最為適宜。工具坐標(biāo)系原點(diǎn)工具坐標(biāo)系下的各軸動作用戶坐標(biāo)系可根據(jù)需要定義用戶坐標(biāo)系。 當(dāng)機(jī)器人配備多個工作臺時，選擇用戶坐標(biāo)系可使操作更為簡單 。在用戶坐標(biāo)系中， TCP 點(diǎn)將沿用戶自定義的坐標(biāo)軸方向運(yùn)動。用戶坐標(biāo)系原點(diǎn)用戶坐標(biāo)系下的各軸動作提

5、示不同的機(jī)器人坐標(biāo)系功能等同，即機(jī)器人在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下完成的動作，同樣可在直角坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下的動作是單軸運(yùn)動，而在直角坐標(biāo)系下則是多軸聯(lián)動。除關(guān)節(jié)坐標(biāo)系以外，其他坐標(biāo)系均可實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)不變動作（只改變工具姿態(tài)而不改變 TCP 位置）在進(jìn)行機(jī)器人 TCP 標(biāo)定時經(jīng)常用到。關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下的單軸運(yùn)動直角坐標(biāo)系下的多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動認(rèn)識和使用示教器ABB FlexPendantKUKA smartPADFANUC iPendantYASKAWA DX100工業(yè)機(jī)器人行業(yè)四巨頭的最新示教器產(chǎn)品示教器主要由 顯示屏 和各種操作 按鍵 組成，顯示屏主要有 4 個顯示區(qū)組成。菜單顯示區(qū) 顯示操作屏主菜

6、單和子菜單。通用顯示區(qū) 在通用顯示區(qū)，可對作業(yè)程序、特性文件、各種設(shè)定進(jìn)行顯示和編輯。狀態(tài)顯示區(qū) 顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，如動作坐標(biāo)系、機(jī)器人移動速度等。顯示的信息根據(jù)控制柜的模式（示教或再現(xiàn)）不同而改變。人機(jī)對話顯示區(qū) 在機(jī)器人示教或自動運(yùn)行過程中，顯示功能圖標(biāo)以及系統(tǒng)錯誤信息等。示教器按鍵設(shè)置主要包括【急停鍵】、【安全開關(guān)】、【坐標(biāo)選擇鍵】、【軸操作鍵】 /【 Jog 鍵】、【速度鍵】、【光標(biāo)鍵】、【功能鍵】、【模式旋鈕】等。序號 按鍵名稱急停鍵坐標(biāo)選擇按鍵功能通過切斷伺服電源立刻停止機(jī)器人和外部軸操作。一旦按下，開關(guān)保持緊急停止?fàn)顟B(tài)；順時針方向旋轉(zhuǎn)解除緊急停止?fàn)顟B(tài)。在操作時確保操作者的安全。只

7、有安全開關(guān)被按到適中位置，伺服電源才能，機(jī)器人方可動作。一旦松開或按緊，切斷伺服電源，機(jī)器人立即停止運(yùn)動。手動操作時，機(jī)器人的動作坐標(biāo)選擇鍵。此鍵每按一次，坐標(biāo)系變化一次。4軸操作鍵對機(jī)器人各軸進(jìn)行操作的鍵。此鍵每按一次，坐標(biāo)系變化一次。4軸操作鍵對機(jī)器人各軸進(jìn)行操作的鍵。只有按住軸操作鍵，機(jī)器人才可動作?？梢园醋蓚€或更多的鍵，操作多個軸。5速度鍵手動操作時，用這些鍵來調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動速度。6光標(biāo)鍵使用這些鍵在屏幕上按一定的方向移動光標(biāo)。7功能鍵使用這些鍵可根據(jù)屏幕顯示執(zhí)行指定的功能和操作。8模式旋鈕選擇機(jī)器人控制柜的模式（示教模式、再現(xiàn) / 自動模式、遠(yuǎn)程 /遙控模式）機(jī)器人安全操作規(guī)程遙

8、控模式）示教和手動機(jī)器人時）禁止用力搖晃機(jī)械臂及在機(jī)械臂上懸掛重物。）示教時請勿戴手套。等）需隨身攜帶示教器，以防他人誤操作。）鍵】、【安全開關(guān)】等。）在手動操作機(jī)器人時要采用較低的倍率速度以增加對機(jī)器人的控制機(jī)會。）在按下示教器上的【軸操作鍵】之前要考慮到機(jī)器人的運(yùn)動趨勢。）要預(yù)先考慮好避讓機(jī)器人的運(yùn)動軌跡，并確認(rèn)該路徑不受干涉。）在察覺到有危險時，立即按下【急停鍵】，停止機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)。再現(xiàn)和生產(chǎn)運(yùn)行時）機(jī)器人處于自動模式時，嚴(yán)禁進(jìn)入機(jī)器人本體動作范圍內(nèi)。）在運(yùn)行作業(yè)程序前，須知道機(jī)器人根據(jù)所編程序?qū)⒁獔?zhí)行的全部任務(wù)。）程序。）須知道所有會左右機(jī)器人移動的開關(guān)、傳感器和控制信號的位置和狀態(tài)。）

9、情況下按下這些按鈕。）等待讓它繼續(xù)移動的輸入信號。手動移動機(jī)器人移動方式點(diǎn)動點(diǎn)動機(jī)器人就是點(diǎn)按 / 微動【軸操作鍵】來移動機(jī)器人手臂的方式。每點(diǎn)按或微動【軸操作鍵】一次機(jī)器人移動一段距離。 點(diǎn)動機(jī)器人主要用在示教時離目標(biāo)位置較近的場合。點(diǎn)動機(jī)器人連續(xù)移動連續(xù)移動機(jī)器人則是長按 / 撥動【軸操作鍵】來移動機(jī)器人手臂的方式。 連續(xù)移動機(jī)器人主要用在示教時離目標(biāo)位置較遠(yuǎn)的場合 。連續(xù)移動機(jī)器人( 1關(guān)鍵步驟：系統(tǒng)上電開機(jī) A 工位機(jī)器人手動示教 選擇關(guān)節(jié)坐標(biāo)系 移機(jī)器人到B 工位 / 旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)機(jī) B 工位機(jī)器人手動示教。工位 A工位 B工位 A工位 A雙工位操作雙工位 + 變位機(jī)操作提示 機(jī)器人外部

10、軸的運(yùn)動控制，只能在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下進(jìn)行。( 2 ) 直角坐標(biāo)系關(guān)鍵步驟：系統(tǒng)上電開機(jī) 選擇關(guān)節(jié)坐標(biāo)系 變換末端工具姿態(tài)至作業(yè)姿態(tài)選擇直角坐標(biāo)系 移動機(jī)器人至直線軌跡的開始點(diǎn) 選擇直角坐標(biāo)系的 Y 軸 移動機(jī)器人至直線軌跡的結(jié)束點(diǎn)。機(jī)器人直線運(yùn)動軌跡( 3 ) 工具坐標(biāo)系關(guān)鍵步驟： 選擇直角坐標(biāo)系 移動機(jī)器人到作業(yè)軌跡的結(jié)束點(diǎn) 選擇工具坐標(biāo)系的 X 軸 移動機(jī)器人到一個安全位置。末端工具規(guī)避動作提示 若設(shè)定工具的有效方向?yàn)楣ぞ咦鴺?biāo)系的 Z 軸，此時末端工具規(guī)避動作應(yīng)選Z 軸進(jìn)行操作。手動移動機(jī)器人運(yùn)動，其基本操作流程可歸納：示教前的準(zhǔn)備和手動移動機(jī)器人。需要注意的是，手動操作機(jī)器人移動時，機(jī)器人運(yùn)

11、動數(shù)據(jù)將不被保存。手動移動機(jī)器人操作流程擴(kuò)展與提高機(jī)器人 TCP （工具中心點(diǎn)）標(biāo)定工具坐標(biāo)系的準(zhǔn)確度直接影響機(jī)器人的軌跡精度。默認(rèn)工具坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于機(jī)器人安裝法蘭的中心，當(dāng)接裝不同的工具（如焊槍）時，工具需獲得一個用戶定義的直角坐標(biāo)系。未 TCP 標(biāo)定b) TCP 標(biāo)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定目前，機(jī)器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定方法主要有 外部基準(zhǔn)法 和 多點(diǎn)標(biāo)定法 。定，標(biāo)定過程快捷簡便。但這類標(biāo)定方法依賴于機(jī)器人外部基準(zhǔn)。多點(diǎn)標(biāo)定法 這類標(biāo)定包含工具中心點(diǎn)（ TCP）位置多點(diǎn)標(biāo)定和工具坐標(biāo)系（TCF ）姿態(tài)多點(diǎn)標(biāo)定。 TCP 位置標(biāo)定是使幾個標(biāo)定點(diǎn) TCP 位置重合，從而計算出 TCP ，如四點(diǎn)法

12、； TCF 姿態(tài)標(biāo)定是使幾個標(biāo)定點(diǎn)之間具有特殊的方位關(guān)系，從而計算出工具坐標(biāo)系相對于末端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的姿態(tài)，如五點(diǎn)法、六點(diǎn)法。TCP 六點(diǎn)法操作步驟：）在機(jī)器人動作范圍內(nèi)找一個精確的固定點(diǎn)作為參考點(diǎn)。）在工具上確定一個參考點(diǎn)（最好是工具中心點(diǎn) TCP ）。）移動工具參考點(diǎn)，以四種不同的工具姿態(tài)盡可能與固定點(diǎn)剛好碰上。）機(jī)器人控制柜通過前 4 個點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)即可計算出 TCP 的位置，通過后 個點(diǎn)即可確定 TCP 的姿態(tài)。）根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定工具的質(zhì)量和重心位置數(shù)據(jù)。位置點(diǎn)1b) 位置點(diǎn)2c) 位置點(diǎn) 3d) 位置點(diǎn) 4e) 位置點(diǎn) 5f) 位置點(diǎn) TCP 標(biāo)定過程提示 TCP 標(biāo)定操作要以次軸（腕

13、部軸）為主。在參考點(diǎn)附近要降低速度，以免相撞。TCP 標(biāo)定后，可通過在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系以外的坐標(biāo)系中進(jìn)行控制點(diǎn)不變動作檢驗(yàn)標(biāo)定效果。如果使用搬運(yùn)類的夾具，其 TCP 設(shè)定方法如下：以搬運(yùn)物料袋的夾緊爪為例，其結(jié)構(gòu)對稱，重心在默認(rèn)工具坐標(biāo)系的 Z 方向偏移一定距離，可在設(shè)置頁面直接手動輸入偏移量數(shù)值、質(zhì)量數(shù)據(jù)。夾緊爪 TCP 標(biāo)定本章小結(jié)通?？蓪C(jī)器人運(yùn)動軸分為本體軸和外部軸兩類。本體軸屬于機(jī)器人本身，外部軸包括基座軸和工裝軸。目前在大部分商用工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，存在四類可以使用的坐標(biāo)系：關(guān)節(jié)坐標(biāo) 機(jī)器人手動操作和作業(yè)示教中運(yùn)用最多。手動操縱工業(yè)機(jī)器人是通過手動操控示教器上的機(jī)器人運(yùn)動軸按鍵將機(jī)器人在某

14、一或某幾個坐標(biāo)系下移動到某個位置的方法。一般采用點(diǎn)動和連續(xù)移動兩種方式來實(shí)現(xiàn)。點(diǎn)動機(jī)器人主要用在離目標(biāo)位置較近的場合，而連續(xù)移動機(jī)器人則用在離目標(biāo)位置較遠(yuǎn)的場合。思考練習(xí)1、填空一般來說，機(jī)器人運(yùn)動軸按其功能可劃分為、和工裝軸， 和工裝軸統(tǒng)稱。在進(jìn)行相對于工件不改變工具姿態(tài)的平移操作時選用坐標(biāo)系為適宜當(dāng)機(jī)器人到達(dá)離目標(biāo)作業(yè)位置較近位置時，盡量采用操作模完成精確定位。2、選擇工業(yè)機(jī)器人常見的坐標(biāo)系有（ ）。關(guān)節(jié)坐標(biāo)系；直角坐標(biāo)系；工具坐標(biāo)系；用戶坐標(biāo)系A(chǔ). B. C. D. 并提供一系列圖標(biāo)來定義屏幕上的各種功能，可將屏幕顯示區(qū)劃分為（ ）。菜單顯示區(qū)；通用顯示區(qū)；人機(jī)對話顯示區(qū)；狀態(tài)顯示區(qū)A.

15、 B. C. D. 3、判斷在直角坐標(biāo)系下，機(jī)器人各軸可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)正向或反向運(yùn)動。（ ）機(jī)器人在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下完成的動作，無法在直角坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)。（ ）安全監(jiān)督人員以便在機(jī)器人異常運(yùn)轉(zhuǎn)時能夠迅速按下緊急停止按鈕。（ ）示教時，為愛護(hù)示教器，最好戴上手套。（ ）手動操作移動機(jī)器人時，機(jī)器人運(yùn)動數(shù)據(jù)將不被保存。（ 4、綜合應(yīng)用移動方式機(jī)器人坐標(biāo)系移動方式機(jī)器人坐標(biāo)系位置工點(diǎn)動 連續(xù)移動 關(guān)節(jié) 直角具A B C D EE F F A手動移動機(jī)器人要領(lǐng)大連理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心實(shí)習(xí)教案實(shí)習(xí)項(xiàng)目名稱：工業(yè)機(jī)器人訓(xùn)練教案編寫：姜英實(shí)習(xí)地點(diǎn)：現(xiàn)代制造技術(shù)車間講課時間：教案審定：工業(yè) 機(jī) 器人教學(xué)目的及要求：了解工

16、業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)知識、應(yīng)用和簡單的工作過程教學(xué)重點(diǎn)：略教學(xué)難點(diǎn)：略教學(xué)內(nèi)容：（結(jié)合實(shí)物講解）概述：機(jī)器人是典型的光機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)品。工業(yè)機(jī)器人是目前技術(shù)上最成熟、應(yīng)用最廣泛的機(jī)器人?，F(xiàn)在世界各國已裝配了90余萬臺工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用使產(chǎn)品的質(zhì)量更加可靠，生產(chǎn)線的柔性增加，企業(yè)適應(yīng)市場的能力大大提高。工業(yè)機(jī)器人的定義：工業(yè)機(jī)器人是指在工業(yè)中應(yīng)用的一種可自動定位控制的，可重復(fù)編程的， 多功能的、多自由度的、多用途的操作機(jī)。它能夠搬運(yùn)物料、零件，或者是操持工具，用以完成各種作業(yè)。工業(yè)機(jī)器人的分類：根據(jù)臂機(jī)構(gòu)，按照其工作形態(tài)，可以分為：圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人極坐標(biāo)型機(jī)器人直角坐標(biāo)型機(jī)器人多關(guān)節(jié)型

17、機(jī)器人0IRB1400機(jī)器人的組成：Controller: 控制器。Manipulator:機(jī)械手機(jī)械本體：由六個轉(zhuǎn)軸組成的空間六桿開鏈結(jié)構(gòu)；六個轉(zhuǎn)軸均有AC伺服電機(jī)驅(qū)動，每個電機(jī)后面均有編碼器；每個轉(zhuǎn)軸帶有一個齒輪箱。有手動松閘按鈕，用于維修時使用。機(jī)器人控制器：Teach pendantControllerManipulatorOperators panelMains SwitchDisk driveMains Switch:主電源開關(guān)Teach Pendant:示教器。Operators Panel:操 作 盤 。 Disk drive:磁盤驅(qū)動器機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由中心控制計算機(jī)和伺

18、服控制器組成。中心控制計算機(jī)發(fā)出指令協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)驅(qū)動器之間的運(yùn)動，同時完成編程、示教/再現(xiàn)以及和其他環(huán)境狀況、工藝要求、外部相關(guān)設(shè)備協(xié)調(diào)工作。伺服控制器控制各關(guān)節(jié)驅(qū)動器，使各軸按一定的速度、加速度和位置要求進(jìn)行運(yùn)動。(示教器)示教器功能：坐標(biāo)系指定： 大地、基礎(chǔ)、工具、工件運(yùn)動性質(zhì)指定：直線、姿態(tài)軸動作：對各關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制速度設(shè)定:動作方式設(shè)定：單步、單次、循環(huán)急停、暫停、運(yùn)行、結(jié)束、復(fù)位指定示教數(shù)據(jù)命令修正：對已示教過的數(shù)據(jù)命令進(jìn)行修正（變更、插入、刪除）作業(yè)條件再線修正自由度數(shù)自由度數(shù)65kg方式0.05mmAC伺服電機(jī)驅(qū)動點(diǎn)到點(diǎn)（PTP）連續(xù)軌跡（CP）能力1軸能力1軸1802軸-9

19、0+110運(yùn)動3軸-230+50范圍4軸2005軸1156軸400程序編制坐標(biāo)系：用戶在編制程序時，可根據(jù)需要選擇坐標(biāo)系。機(jī)器人可以建立的坐標(biāo)系有“World坐標(biāo)系”,“Base坐標(biāo)系”,“Tool坐標(biāo)系” ，Wobj工件坐標(biāo)系”，“Wirst腕坐標(biāo)系”等。其相互關(guān)系如下：stcotatesTool coordinatesYWobjcoordinatesxTCPZZUsercoordinatesZYZZxYBase coordinatesObjectYxYxxWorld coordinatesWorld大地坐標(biāo)系。Base基礎(chǔ)坐標(biāo)系。Tool工具坐標(biāo)系。Wobj工件坐標(biāo)系。編制程序：機(jī)器人的語言命令是一種用戶非常容易理解的語言。語言中的每個語句（命令）例：基本運(yùn)動指令： MoveLp1，v100，z10，tool1;Move L: 線性運(yùn)動。（Linear） Move J：關(guān)節(jié)軸運(yùn)動。（Joint） Move C：圓周運(yùn)動。（Circular）p1:目標(biāo)位置。v100:規(guī)定在數(shù)據(jù)中的速度z10:規(guī)定在轉(zhuǎn)彎區(qū)尺寸。tool1:工具。速度選擇：mm/svmax速度為v5000,可自定義速度。最大可定義至v7000轉(zhuǎn)彎區(qū)尺寸選擇：mm選擇所需轉(zhuǎn)彎區(qū)尺寸，可自定義。fine指機(jī)器人TCP焊接時必須用。zone指機(jī)器人TCP不