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第13次课 IndustrialRobot工业机器人 Unit5IndustrialRobot 1 Introduction2 ProgrammingaRobot 单词 工业机器人 可再编程的 液压的 气动的 机电的 工件封装 圆柱状的 梯形逻辑图 industryrobot reprogrammable hydraulic pneumatic electromechanical cylindrical ladderlogic 开环 open loop 闭环 closed loop Workenvelop 单词 fiction companionship anatomy similarity evolve gripper auxiliary 虚构 想象 陪伴 生物体 结构 相似之处 演化 演变 辅助的 补充的 夹持器 pendant joy stick 操纵杆 悬挂式操纵板 操作面板 keypad 键盘 gantry 台架 potential 潜在的 1 Introduction Industrialrobotarerelativelynewelectromechanicaldevicesthatarebeginningtochangetheappearanceofmodernindustry 工业机器人是相对来说较新的机电设备 它已经开始改变现代工业的面貌 Industrialrobotsarenotlikethesciencefictiondevicesthatpossesshuman likeabilitiesandprovidecompanionshipwithspacetravelers 工业机器人不像科幻小说中的那个模样具有人一样的能力并且能与其它移动物建立友谊 1 Introduction Researchtoenablerobotsto see hear touch and listen hasbeenunderwayfortwodecadesandisbeginningtobearFruit However thecurrenttechnologyofindustrialrobotsissuchthatmostrobotscontainonlyanArmratherthanalltheanatomyahumanpossesses 机器人能够看见听到触觉听的研究已经进行了20多年 现在开始开花结果了 然而 通常所说的工业机器人技术是是大多数机器人只包含了一条臂而不是拥有人解剖学的全部结构 1 Introduction Currentcontrolonlyallowsthesedevicestomoveformpointtopointinspace performingrelativelysimpletasks 通常的控制只允许这些机器人在空间上从点到点的移动 完成相对简单的工作 1 Introduction TheRoboticsInstituteofAmericadefinesarobotsas areprogrammablemultifunctionmanipulatordesignedtomovematerial parts tools orotherspecializeddevicesthroughvariableprogrammedmotionsfortheperformanceofavarietyoftasks 1 美国机器人学会定义机器人为 一个可再编程序 多功能的机器手 它通过各种可编程的运行来完成不同的任务 用于搬运原料 零件 刀具 以及专用装置 如果认为不同类型的加工有不同的作用 1 Introduction ANCmachiningcenterwouldbequalifiedasarobotifonecaninterpretdifferenttypesofmachiningasdifferentfunctions MostmanufacturingengineersdonotconsideraNCmachiningcenterarobot eventhoughthesemachineshaveanumberofsimilarities 如果认为不同类型的加工有不同的功能 那么一个数控加工中心也可以被认为是机器人 大部分制造工程师认为数控加工中心不是机器人 尽管他们有很多相似之处 1 Introduction ThepowerdriveandcontrollersofbothNCmachinesandrobotscanbequitesimilar Robots likeNCmachinescanbepoweredbyelectricalmotors hydraulicsystems orpneumaticsystems 数控机构和机器人的动力驱动和控制十分相似 像数控机构一样机器人能够由电机 液压系统 气压系统提供动力 1 Introduction Controlforeitherdevicecanbeeitheropen looporclosed loop InfactmanyofthedevelopmentsusedinroboticshaveevolvedformtheNCindustry andmanyofthemanufacturersofrobotsalsomanufactureNCmachinesorNCcontrollers 两种设备都能由开环控制或闭环控制 实际上 许多应用于机器人发展技术由数控工业演变过来并且许多机器人制造商也制造数控机床和数控控制器 1 Introduction Aphysicalrobotisnormallycomposedofamainframe orarm withawristandsometooling usuallysometypeofgripper attheendoftheframe 2 Anauxiliarypowersystemmayalsobeincludedwiththerobot 实际的机器人由带有腕 或称为臂 的主机身和机器端部的工具 通常是某些的支撑器 组成 机器人也可能有一个辅助动力系统 1 Introduction Acontrollerwithsometypeofteachpendant joy stick orkey padisalsopartofthesystem AtypicalroboticsystemisshowninFig5 1 机器人系统还包括一个有一些示教板 操作杆 键盘 一种典型的机器人系统如图5 1 1 Introduction Robotsareusuallycharacterizedbythedesignofthemechanicalsystem ArobotwhosemainframeconsistsofthreelinearaxesiscalledaCartesianrobot TheCartesianrobotderivesitsnamefromthecoordinatesystem Travelnormallytakesplacelinearlyinthree space 机器人特点通常由机械系统的设计表现 一个主要框架包括三条移动轴的机器人称为笛卡尔机器人 笛卡尔机器人它的名字来源于笛卡尔坐标系沿三维空间的直线移动 1 Introduction SomeCartesianrobotsareconstructedlikeagantrytominimizedeflectionalongeachoftheaxes Theserobotsarereferredtoasgantryrobots 一些笛卡尔机器人由龙门结构构成以便使沿每个轴的偏差最小 这些机器人称为龙门机器人 1 Introduction Fig 5 2showsexamplesofCartesianrobots Theserobotsbehaveandcanbecontrolledsimilarlytoconventionalthree axisNCmachines 3 Gantrystructurearegenerallythemostaccuratephysicalstructureforrobots 图5 2展示了笛卡尔机器人 这些机器人的动作控制都相似于传统的三坐标机床 龙门结构一般来说是最准确的机器人实际结构 1 Introduction Gantryrobotsarecommonlyusedforassemblywheretighttoleranceandexactlocationarerequired 龙门机器人通常用于公差较小和位置度要求较高的装配中 1 Introduction Acylindricalrobotiscomposedoftwolineraxesandonerotaryaxis Thisrobotderivesitsnamefromtheworkenvelope thespaceinwhichitoperates whichiscreatedbymovingtheaxesfromlimittolimit 圆柱机器人由两个移动轴和一个旋转轴组成 这种机器人的名称来源自包围轨迹 它的功作范围 它由轴移动的极限位置构成 1 Introduction Fig 5 3showstypicalcylindricalrobots cylindricalrobotsareusedforavarietyofapplications butmostfrequentlyformaterial handlingoperations 图5 3展示了典型的圆柱机器人 圆柱机器人有许多应用 最常见的是材料的搬运操作 2 ProgrammingaRobot ProgrammingaRobot给机器人编程Inorderforadevicetoqualifyasarobot itmustbeeasilyreprogrammable 为了使设备具有资格作为机器人 它必须是容易可再编程的 2 ProgrammingaRobot Nonprogrammablemechanisms regardlessoftheirpotentialflexibilitybyreassemblyorrewiring donotbequalifiedasrobots 4 Aclassofdevicesthatfitthiscategoryarefixedorvariable sequencerobots 不可编程的机构 无论其通过重新装配或再接线可实现的潜在柔性有多大 也不能算作机器人 许多这类设备是固定的或可变的序列机器人 2 ProgrammingaRobot Manyoftheserobotsarepneumaticallydriven Ratherthancontrollingtherobotpath thedeviceisdriventofixedstopsorswitchesviasomeformofladderlogic 很多这样的机器人是由气压驱动的 这种机器人借助某种梯形逻辑图被驱动至一些固定的挡块或行程开关处 而不是控制它的轨迹 2 ProgrammingaRobot Althoughtheladderprogrammingqualifiesforthedefinitionofarobot theswitchesorstopsmustnormallybephysicallymovedinordertoalterthetasksbeingperformed 5 虽然梯形图编程可满足机器人的运动要求 但行程开关和挡块必须正常的被整体移动 以改变所需执行的工作任务 2 ProgrammingaRobot Driveactuatorsormotorsareturned on or off dependingonthedesiredsequenceoftasksandswitchstates Robotoperationsforthistypeofsystemarenormallylimitedtorathersimpleapplications 动力执行器或发动机打开到 开 或 关 取决于工序的要求和转换状态 机器人对这类系统的操作通常局限于相当简单的应用 2 ProgrammingaRobot Programmingofmoreconventionalrobotsnormallytakesoneofthreeform 1 walk throughorpendantteaching 2 lead throughteaching or 3 offlineprogramming 传统机器人的程序通常采用以下三个形式之一 1 操作器或示教板编程 2 导入式程序 3 脱机编程 2 ProgrammingaRobot Eachrobotnormallycomeswithoneormoreofthesetypesofprogrammingsystems Eachhasadvantagesanddisadvantagesdependingontheapplicationbeingconsidered 每个机器人通常具有一个或更多这种程序类型的系统 每种形式的优缺点依不同的应用而不同 2 ProgrammingaRobot Walk throughorpendantteachingorprogrammingisthemostcommonlyusedrobotprogrammingprocedure Inthistypeofprogramming apendantthatnormallycontainsoneormorejoysticksisusedtomovetherobotthroughoutitsworkenvelope 操作器或示教板编程是最常用的机器人编程方式 这种类型编程 Apendant 悬挂操作板 通常包括几个用于使机器人在它工作范围移动的操作杆 2 ProgrammingaRobot Attheendofeachteachpoint thecurrentrobotpositionissaved AswasthecasewithNCmachines somerobotsallowtheprogrammertheoptionofdefiningthepathbetweenpoints 在每个工序的终点 机器人的位置被保存 像数控机床一样 一些机器人允许编程人员选择定义两点间路线 2 ProgrammingaRobot Again theserobotsarecalledcontinuous pathsystems Systemsthatdonotallowtheusertospecifythepathtakenarecalledpoint to pointsystems Manycontinuous pathrobotsallowtheusertodefinethepathtobetakenbetweensuccessivepoints Thatis theusermaydefineastraight line circular orjoint interpolatedpath 另外 这些机器人被称为连续路径系统 不允许用户指定路径的系统称为点到点系统 许多连续路径机器人允许用户定义在两个主要点之间连线的路径 那么 用户可以定义直线 圆弧的 关节 插补的路径 2 ProgrammingaRobot Inastraight linepath therobotsmovebetweensuccessivepointsinastraight lineinCartesianspace Circularmoves asthenameimplies takeplaceincirclesalongoneofthemajorplanes 6 Thepaththattherobottakesusingajoint interpolationschemeisnotalwayseasytodetermine 在直线路径中 机器人在笛卡尔空间中 在直线连续端点间移动 顾名思义 圆弧运动就是在某一主平面上沿圆弧运动 机器人以关节插补方案执行的路线很不容易确定 2 ProgrammingaRobot Injointinterpolation eachoftherobotjointsismovedataconstantratesothatalltheaxesstartandstopatthesametime 7 ForCartesianrobots straight lineandjoint interpolationschemesproducethesamepath Fortheothertypesofrobotsystems thisisnottrue 在关节插补中 机器人的每一关节都以一恒定速度移动以保证所有的轴同时启动和停止 对于笛卡尔机器人 直线和结点插补方案产生相同的路径 对于其他类型机器人系统 这不成立 2 ProgrammingaRobot Pendantprogrammingsystemsnormallyhavesupplementalcommandsthatallowtheprogrammertoperformauxiliaryoperationssuchasclosetheend effector wait pause checkthestatusofaswitchorseveralswitches returnarequiredstatustoamachine etc 操作器编程系统通常提供允许编程人完成辅助操作的命令 如关闭终端 等待 暂停 检查一种或几种转换状态 返回全部状况给机床 等等 2 ProgrammingaRobot Theprogrammerwalkstherobotthroughthenecessarystepsrequiredtoperformatask savingeachintermediatestepalongwiththeauxiliaryinformation TheteachpendantusedtoprogramtheFanucMIrobotisshowninFig 5 4 编程人员使机器人走过要求完成一项工作的必要步骤 保存每一中间步骤和辅助的信息 用于给FanucM1机器人编程的操作器 如图5 4所示 2 ProgrammingaRobot Lead throughprogrammingisoneofthesimplestprogrammingproceduresusedtoprogramarobot Asthenameimplies theprogrammersimplyphysicallymovestherobotthroughtherequiredsequenceofmotions Therobotscontrollerrecordsthepositionandspeedastheprogrammerleadstherobotthroughtheoperation 导入式程序是最简单的机器人程序设计过程之一 顾名思义 编程人只需根据需要的运动顺序进行机器人的实际移动 机器人控制器反馈它的位置并且像编程人一样引导机器人完成操作 2 ProgrammingaRobot Thepowerisnormallyshutdownwhiletheprogrammerisleadingtherobotthroughthenecessarymoves sothattherobotwillnotwillnotgenerateany glitches thatmightinjuretheoperator 当编程人员负责引导机器人完成必要动作时 动力降低以便机器人不产生伤害操作人员的 小毛病 2 ProgrammingaRobot Althoughlead throughprogrammingistheeasiestprogrammingmethodlearn itdoesintroducesomeseverelimitationstotherobot sapplication Forinstance whentherobotisbeingledthroughtheoperation theoperatorcarriestheweighoftherobot 尽管导入式编程是最容易学的程序语言 但它也反映了一些机器人应用的限制 例如 当机器人正在进行操作时 操作人员搬运机器人 2 ProgrammingaRobot Thegears motorandleadscrewmayintroduceafalseresolverreading sothatwhentheweightofrobot andperhapsapart mustbesupportedbythesystemtheactualend effectorpositionmaybesignificantlydifferentfromthepositiontaughttotherobot 齿轮 电动机和丝杠会引入错误的运算读数值 这样当机器人的重量 也许是工件的重量必须由系统承担时 端部执行器的实际位置可能与机器人的训练位置有很大差异 2 ProgrammingaRobot Anotherproblemwiththismethodisthatsincethepositionandspeedarerecordedastherobotisbeingledthroughthedesiredpath asignificantamountofdataaregenerated Thisdatamustbestoredandlaterrecalled 这种方式的另一个问题是 由于机器人被指引通过期望的路径时 机器人的位置和速度会被记录 产生大量的数据信号 这些数据必须进行存储之后调用 2 ProgrammingaRobot Storageandretrievalspaceandtimecancausetheprogrammerproblems Perhapsthemajorproblemassociatedwithlead throughprogrammingisthatthehumanwholeadstherobotthroughtheprocessiscapableofonlyfiniteaccuracyandmayintroduceinconsistenciesintotheprocess 存储和重新调用的空间和时间可能会引起汇编器问题 也许导入式编程的主要问题是引导机器人完成工艺过程的人仅能够达到有限的准确度 可能引起工艺过程的不协调 2 ProgrammingaRobot Human inducederrorsandinaccuracieseliminatesomeofthemajoradvantagesofusingrobots 人为错误和不准确性削弱了使用机器人的优点 2 ProgrammingaRobot Offlineprogrammingforrobotsisarelativelynewtechnologythatprovidesseveraladvantagesoverbothlead throughandteachprogramming TheprinciplesofofflineprogrammingaresimilartousinganofflinelanguagesuchasAPTforNCprogramming 脱机编程对机器人来说是相对较新的技术 它能够提供导入式和控制板编程的一些优点 脱机编程的规律与对数控技术应用脱机语言类似 2 ProgrammingaRobot SeverallanguageshavebeendevelopedatmajoruniversitiesaswellinindustrythroughouttheU S ExamplesoftheselanguagesincludeVALcreatedbyUnimation AR BasicbyAmericanRobotCorp ARM BASICbyMicrobot Inc andAIM ByIBM 几种脱机语言已经在美国的主要大学和工业中发展 这些语言主要有Unimation的VAL 美国机器人协会的ARM BASIC Microbot Inc的ARM BASIC和IBM的AMI 2 ProgrammingaRobot Toillustrateofflineprogramming AR Basicwillbeused AR Basicallowstheuserto 为解释说明脱机语言 AR Basic允许用户 Definethepositionoftherobot定义机器人的位置Controlthemotionoftherobot控制机器人的运动Inputandoutputcontroldata输入输出控制数据 2 ProgrammingaRobot AR BasicisaninterpretiveBASICsystemthatemploysmanyofthesamefunctionsasthefamiliarBASICprogramminglanguage InAR Basic pointsandtoolsaredefinedasasetofprimitivedata Pointsaredefinedusingtheconvention 约定 协定 AR Basic系统的解释 他采用的许多相同的功能采用了我们熟悉的basic程序语言 在InAR Basic中 点和刀具定义为初始化数据 点由以下协议定义X Y Z R P Y 2 ProgrammingaRobot WhereX Y andZaretheCartesianspaceoccupiedbytheend effector andR P andYaretheroll pitch 节距 andyawofthetool Eachofthepointdefinitionscanbespecifiedaseitherabsoluteorrelativepoint againdefinedinasimilarmannerasforNCmachines X Y Z表示由端部执行器占据的笛卡尔空间 R P Y表示刀具旋转 进给 节距 和刀具偏角 每个点的定义既可以是绝对的也可以是相对的 和数控机床有相似的规则 2 ProgrammingaRobot Tool definitioncommandsareusedtodefinethelocationofanytoolingthatmightberequiredforanopperation Thetooldefinationspecifiesthemidpointoftherobot sfaceplate andconsistsofthesamesixdatausedtodescribeapoint 刀具定义命令常用于定义操作要求的所有刀具的位置 刀具定义指定机器人面板的中心 包括与用于定义点相同的六个数据 2 ProgrammingaRobot Therobotissetintomotionusingasetofmotioncontrolcommands Themotioncommandsallowstheprogrammerto Definethetypeofpathtotake straight line circular orjoint coordinated 机器人通过运动控制命令执行运动 运动命令允许编程人员定义采取的路径类型 直线 圆弧 关节 协调 2 ProgrammingaRobot DefinetheendoftoolingspeedDefinetheframeofreferenceDescribethecurrenttooltip定义刀具的最终速度定义参考框架定义刀尖的类别 2 ProgrammingaRobot AR Basicalsoallowstheprogrammertoinputdatatoanydevicetowhichtherobotisinterfaced AnaloganddigitaldatacanbesenttoA Dconverters D Aconverters parallel orserialI Oports AR Basic也允许程序编译人员输入 输出数据到与机器人连接的设备 模拟和数字信号可以传送到模 数 数 模转换器并行的或串行的I O口 2 ProgrammingaRobot Table5 1containsPointandTooldefinitionexamples Table5 2containsAR Basicexampleformotioncontrol 表5 1是点和刀具定义的举例 表5 2举例说明了AR Basic的运动控制 Forlightwork thedrillpressiswidelyused Whenrequired turnonthemachinelight please Computer controlprogrammersandoperatorsusecomputernumericallycontrolled CNC machinestocutandshapeprecisionproducts suchasautomobileparts machineparts andcompressor BeforeCNCprogrammersmachineapart theymustcarefullyplanandpreparetheoperation Assignment1 Assignment2 Thereisnophysicalcontactbetweenworkpieceandtool 工件和刀具不直接接触 Thetailstockcarriesahollowspindlewhichmaybeadvancedorretractedbyahandwheel 尾架上装有空心轴 可由手轮操作前进或后退 Personinterestedinbecomingcomputercontrolprogrammersoroperatorsshouldbemechanicallyinclinedandabletoworkindependentlyanddohighlyaccuratework 有意成为数控编程员或操作员者必须主修机械专业 并且能独立工作 完成非常精细的工作 Assignment3 ThefirstbenefitofferedbyallformsofCNCmachinetoolsisimprovedautomation ThesecondmajorbenefitofCNCtechnologyisconsistentandaccurateworkpieces Allfeedraterelatedpointsmadeduringourdiscussionofstraightlinemotionstillapply