工业机器人专业教材计划PPT课件

工业机器人专业教材计划 南京熊猫电子装备有限公司 本培训内容解释权归南京熊猫电子装备所有 五 机器人的控制系统 工业机器人技术入门 工业机器人是一种多用途的 可重复编程的自动控制操作机 具有三个或者更多个可编程的轴 并且有提高劳动生产率 改善工人劳动强度和工作环境 降低对工人操作技术的要求等特点 广泛应用于工业自动化领域 1 机器人控制系统概述2 机器人控制系统参数3 机器人控制系统结构 1 机器人控制系统概述 工业机器人技术入门 一个最基本的机器人控制系统包含机器人控制器 机器人本体 机器人示教器三个重要组成部分 整个系统又以机器人控制器为核心 以示教器作为人机显示和操作界面 来控制机器人本体来进行工作 一个典型的焊接机器人控制系统 除了以上三部分外 还包含有焊机和外部轴 由熊猫公司自主研发的机器人控制系统 配备自主研发的数字化脉冲气保焊机和双轴变位机 即可组成一个典型的焊接机器人工作站 2 机器人控制系统参数 工业机器人技术入门 熊猫公司开发的机器人控制柜PRC100 具有以下特点 以iMx6作为主控芯片 性能卓越 伺服响应时间1ms可通过增加外部轴模块实现最多可同时控制轴27个配有多路通讯和IO接口 外部设备 数据连接便利使用CPCI框架结构 连接可靠 性能稳定超大容量的存储器 可存储1000个以上程序 2 硬件架构1 从电路上分 可分为主电路部分和控制电路两部分 2 从功能上分 可分为电机驱动器和电机控制部分 控制电源系统部分 主控制电路板部分 I O板部分 安全回路 冷却部分等组成 3 从能力上分 可分为6轴控制系统和外部轴系统 工业机器人技术入门 3 机器人控制系统结构 工业机器人技术入门 主电路部分 工业机器人技术入门 控制电路部分 工业机器人技术入门 各个电路板实现的功能1 主控制板整个控制器的大脑 实现所有信号的运算和处理 2 电机板与电机驱动器进行CAN通讯 实现对电机的控制 一块电机板可同时控制9个电机 一台控制柜可同时安装3个电机板 3 安全板一些安全回路的处理 以及报警控制和反馈 工业机器人技术入门 4 IO控制1板实现与驱动器的IO口之间的信号连接 连接到IO 2 1板上 实现与四个手操盒的信号连接 连接到IO 1板上 实现与示教器之间的485通讯实现与焊机之间的485通讯5 IO 1板和IO 2 1板实现信号的隔离和电平转换实现与焊机之间的IO信号连接实现与示教器之间的CAN通讯实现与外部设备之间的CAN通讯实现多台机器人之间的CAN通讯 工业机器人技术入门 6 IO控制2板和IO 2 2板实现9轴以外的电机控制 配合电机板使用 增加一个电机板则需要增加一个IO 2 2板 从而实现最多单台控制器能够控制27个轴 驱动器需要另配控制柜 7 背板实现CPCI框架中所有电路板的信号连接 减少连线 提高可靠性 8 Surge板实现防雷击保护和欠压 缺相报警 9 PanelDisplay板实现当前状态和报警代码显示 10 Encoder板实现本体电池的报警提示 工业机器人技术入门 五 机器人的感觉系统 1 机器人的传感器技术2 机器人的内部传感器3 机器人的外部传感器4 机器人的视觉传感器 人类熟悉的五种感觉 即视觉 嗅觉 味觉 听觉和触觉 机器人要想模仿人进行一些活动和工作 那么也必须要配备一些感觉系统 我们将机器人的 感觉器官 称之为传感器 工业机器人技术入门 1 机器人的传感器技术 定义 传感器按一定规律实现信号检测并将被测量 物理的 化学的和生物的信息 通过变送器变换为另一种物理量 通常是电压或电流量 它既能把非电量变换为电量 也能实现电量之间或非电量之间的互相转换 总而言之 一切获取信息的仪表器件都可称为传感器 国际上 传感技术被列为六大核心技术 计算机 激光 通讯 半到体 超导和传感 之一 传感技术也是现代信息技术的三大基础 传感技术 通讯技术 计算机技术 之一 传感器一般由敏感元件 转换元件 基本转换电路三部分组成 工业机器人技术入门 1 机器人的传感器技术 分类 机器人用传感器可分为检测内部状态信息传感器和检测外部对象和外部环境状态的外部信息传感器 内部信息传感器包括检测位置 速度 力 力矩 温度以及异常变化的传感器 外部信息传感器包括触觉传感器 力觉传感器 接近觉传感器 角度觉 平衡觉 传感器 视觉传感器等 具有多种外部传感器是先进机器人的重要标志 工业机器人技术入门 1 机器人的传感器技术 选择 机器人对传感器的一般要求是 精度高 重复性好 稳定性好 可靠性高 抗干扰能力强 重量轻 体积小 安装方便可靠 价格便宜 在现代工业中 机器人被用于执行各种加工任务 其中比较常见的加工任务有物料搬运 装配 喷漆 焊接 检验等 不同的加工任务对机器人提出了不同的要求 机器人控制需要采用传感器检测机器人的运动位置 速度 加速度 多数机器人都采用了位置传感器作为闭环控制器的反馈元件 机器人根据位置传感器反馈的位置信息 对机器人的运动误差进行补偿 不少机器人还装备有速度传感器和加速度传感器 加速度传感器可以检测机器人构件受到的惯性力 使控制能够补偿惯性力引起的变形误差 速度检测用于预测机器人的运动时间 计算和控制由离心力引起的变形误差 工业机器人在从事某些辅助工作时 也要求有一定的感觉能力 机器人在这方面的主要用途有检查毛刺 裂缝或孔洞的存在 确定表面粗糙度和装饰质量 检查装配体的完成等 在外观检验中 机器人主要需要视觉能力 有时也需要其他类型的传感器 工业机器人技术入门 1 机器人的传感器技术 传感器性能指标的确定 1 灵敏度 传感器输出的变化值与相应的被测量的变化值之比 2 线性度 传感器的输入 输出关系曲线与其选定的拟合直线之间的偏差 3 测量范围 范围是指仪表能按规定精确度进行测量的上限和下限的区间 4 精度 是真值附近正负三倍标准差的值与量程之比 是指测量值与真值的最大差异 5 重复性 传感器在同一工作条件下 输入量按同一方向作全量程连续多次测量时 所得特性曲线间的一致程度 6 分辨率 传感器在规定测量范围内 可能检测出的被测信号的最小增量 7 响应时间 被测量发生变化时 传感器输出信号的变化速度 8 可靠性 是指传感器在规定的时间内 规定的条件下 具有给定测量范围和精度的概率 工业机器人技术入门 2 机器人的内部传感器 电位器电位器是 种典型的位置传感器 可分为直线型 测量位移 和旋转型 测量角度 电位器由环状或棒状电阻丝和滑动片 或称为电刷 组成 滑动片接触电阻丝取出电信号 电刷与驱动器连成 体 将其线位移或角位移转换成电阻的变化 在电路中以电压或电流的变化形式输出 电位器可分为导电塑料 线绕式 混合式等滑片型和磁阻式 光标式等非接触型 工业机器人技术入门 2 机器人的内部传感器 测速发电机测速发电机是利用发电机原理的速度传感器或角速度传感器 根据这个原理测量角速度的测速发电机 可按其构造分为直流测速发电机 交流测速发电机和感应式交流测速发电机 直流测速发电机的定子是永久磁铁 转子是线圈绕组 可以测量0 10000r min的旋转速度 线性度为0 1 此外 停机时不易产生残留电压 因此 它最适宜作速度传感器 工业机器人技术入门 2 机器人的内部传感器 光学编码器光学编码器是机器人关节伺服系统中常用的一种检测装置 它实际是一种量化式的模拟数字转换器 将机械轴的转角值或直线运动的位移值转换成相应的电脉冲 和所有量化式编码器一样 光学编码器分为增量式和绝对式两种 所谓增量式编码器 即在编码盘上的读数起始点是不固定的 它从读数起始点开始 把角位移或线位移的变化量进行累积检测 它只能检测角值或线值的变化量 增量 故称为增量式编码器 所谓绝对式编码器 其读数起始点是给定的 它以编码盘固有的某图案为起始点 检测角位移或线位移 它能同时检测角值或线值的初始量和增量 也就是能取出总量 绝对量 放称为绝对式编码器 工业机器人技术入门 3 机器人的外部传感器 触觉传感器单向微动开关 当规定的位移或力作用到可动部分 称为执行器 时 开关的接点断开或接通而发出相应的信号 接近开关 非接触式接近传感器有高频振荡式屈感应式 电容感应式 超声波式 气动式 光电式 光纤式等多种接近开关 光电开关 由LED光源和光电二极管或光电三极管等光敏元件 相隔一定距离间构成的透光式开关 当充当基准位置的遮光片通过光源和光敏元件间的缝隙时 光射不到光敏元件上 而起到开关的作用 光电开关的特点是非接触检测 精度可达0 5mm左右 触须传感器 由须状触头及其检测部构成 触头由具有一定长度的柔空软条丝构成 它与物体接触所产生的弯曲由在根部的检测单元检测 工业机器人技术入门 3 机器人的外部传感器 滑觉传感器滑觉传感器是检测垂直加压方向的力和位移的传感器 用手爪抓取处于水平位置的物体时 手爪对物体施加水平压力 如果压力较小 垂直方向作用的重力会克服这个压力使物体下滑 能够克服重力的手抓把持力称为最小把持力 工业机器人技术入门 3 机器人的外部传感器 力觉传感器力觉传感器是一类触觉传感器 它在机器人和机电一体化设备中具有广泛的应用 这里专门加以介绍 力和力矩传感器是用来检测设备内部力或与外界环境相互作用力为目的的 力不是直接可测量的物理量 力是通过其他物理量间接测量出的 力传感器可用作变换器 如压电元件 它可提供一个与变形 亦即作用于接触点的力成正比的信号 这样的测量可用以提供碰撞复原时的力反馈 或使机器人卡爪能够夹持像鸡蛋一类的易损物体而不弄碎它 工业机器人技术入门 4 机器人的视觉传感器 概述如同人类视觉系统的作用一样 机器人视觉系统赋予机器人一种高级感觉机构 使得机器人能以 智能 和灵活的方式对其周围环境作出反应 机器人视觉是一门涉及多领域的交叉学科 包括图像处理 人工智能 解析几何学 模式识别 实时计算等学科 机器人视觉系统利用视觉传感器 如摄像机 获取三维景物的二维图像 通过视觉处理器对一幅或多幅图像进行处理 分析和解释 得到有关景物的符号描述 并为特定任务提供有用的信息 用于指导机器人的动作 工业机器人技术入门 4 机器人的视觉传感器 机器人视觉可以划分为六个主要部分 感觉与处理 分割 描述 识别 解释 根据上述过程所涉及的方法和技术的复杂性可分为3个处理层次 低层视觉处理 中层视觉处理和高层视觉处理 第一代系统根据物体的剪影工作 可由其剪影形状推断诸如物体的位置 方位和尺寸等参数 此种系统以二值即两个灰度级图象处理为其特征 而图象系出逆光景象生成 第二代机器人视觉系统采用若干灰度等级以表征物体 这种系统可根据面光景象工作 并可区分纹理模式 第三代系统不仅检测灰度 而且采用立体技术以确定景象中可见物体的三维坐标 更高级的系统甚至可推断出不可见表面 例如一个物体背面的某些信息 现在正处于机器人视觉系统的第三代 机器人视觉系统的重要特点是数据量大且要求处理速度快 工业机器人技术入门 4 机器人的视觉传感器 实用的机器人视觉系统由硬件和软件两部分组成 1 硬件部分 景物和距离传感器 常用的有摄像机 CCD图像传感器 超声波传感器和结构光设备 照明和光学系统 视频信号数字化设备 视频信号快速处理器 如DSP系统 计算机及其外设 机器人或机械手及其控制器 2 软件部分包括 计算机系统软件 机器人视觉处理算法 机器人控制软件 工业机器人技术入门 4 机器人的视觉传感器 机器人视觉应用的几个关键要素照明系统 光源 是影响机器视觉系统输入的重要因素 因为它直接影响输入数据的质量和至少30 的应用效果 图像的数字化 数字化的速度和精度关系到系统信号的精确输入 完成这一主要任务的是图像采集卡 图像采集卡的工作原理为 视频信号首先经低通滤波器滤波 转换为在时间上连续的模拟信号 按照应用系统对图像分辨率的要求 得用采样 保持电路对边疆的视频信号在时间上进行间隔采样 把视频信号转换为离散的模拟信号 然后再由A D转换器转变为数字信号输出 而图像采集 处理卡在具有模数转换功能的同时 还具有对视频图像分析 处理功能 并同时可对相机进行有效的控制 图像处理速度 处理速度直接关系到机器人系统是否能够根据环境的变化及时做出反应 工业机器人技术入门 4 机器人的视觉传感器 机器人视觉系统的应用机器人的视觉技术主要应用在下述两个方面 1 装配机器人 机械手 视觉装置 要求视觉系统必须做到 识别传送带上所要装配的机械零件 确定该零件的空间位置 据此信息控制机械手的动作 做到准确装配 对机械零件的检查 检查工件的完好性 量测工件的极限尺寸 检查工件的磨损等 此外 机械手还可根据视觉的反馈信息进行自功焊接 喷漆和自动上下料等 2 行走机器人视觉装置 要求视觉系统能够识别室内或室外的景物 进行道路跟踪和自主导航 用以完成危险材料的搬运和野外作业等任务 工业机器人技术入门 五 机器人的语言系统 1 机器人语言系统概述2 机器人语言简介3 PANDA机器人语言简介 工业机器人技术入门 1 机器人语言系统概述 机器人语言系统的组成是由以下几部分组成的 工业机器人技术入门 1 机器人语言系统概述 机器人语言系统的基本功能有 运算功能 机器人的运动功能 机器人的决策功能 机器人的通信功能 机器人的工具功能 传感器的数据处理功能 工业机器人技术入门 2 机器人语言简介 1 VAL语言VAL语言是美国Unimation公司于1979年推出的一种机器人编程语言 主要配置在PUMA和UNIMATION等型机器人上 是一种专用的动作类描述语言 VAL语言可应用于上下两级计算机控制的机器人系统 VAL语言命令简单 清晰易懂 VAL语言系统包括文本编辑 系统命令和编程语言三个部分 VAL语言的指令包括监控指令和程序指令两种 监控指令有六类 分别为 位置及及姿态定义指令 程序编辑指令 列表指令 存储指令 控制程序执行指令和系统状态控制指令 程序指令包括 运动指令 机器人位姿控制指令 赋值指令 控制指令 开关量赋值指令 其他指令等 工业机器人技术入门 2 机器人语言简介 2 SIGLA语言SIGLA是一种仅用于直角坐标式SIGMA装配型机器人运动控制时的一种编程语言 是20世纪70年代后期由意大利Olivetti公司研制的一种简单的非文本语言 这种语言主要用于装配任务的控制 它可以把装配任务划分为一些装配子任务 如取旋具 在螺钉上料器上取螺钉A 搬运螺钉A 定位螺钉A 装入螺钉A 紧固螺钉等 编程时预先编制子程序 然后用子程序调用的方式来完成 工业机器人技术入门 2 机器人语言简介 3 IML语言IML也是一种着眼于末端执行器的动作级语言 由日本九州大学开发而成 IML语言的特点是编程简单 能人机对话 适合于现场操作 许多复杂动作可由简单的指令来实现 易被操作者掌握 IML语言的主要指令有 运动指令MOVE 速度指令SPEED 停止指令STOP 手指开合指令OPEN及CLOSE 坐标系定义指令COORD 轨迹定义命令TRAJ 位置定义命令HERE 程序控制指令IF THEN FOREACH语句 CASE语句及DEFINE等 工业机器人技术入门 2 机器人语言简介 4 AL语言AL语言是20世纪70年代中期美国斯坦福大学人工智能研究所开发研制的一种机器人语言 它是在WAVE的基础上开发出来的 也是一种动作级编程语言 但兼有对象级编程语言的某些特征 使用于装配作业 运行VA语言的系统硬件环境包括主 从两级计算机控制 AL语言的编程格式 程序BEGIN开始 由END结束 语句与语句之间用分号隔开 变量先定义说明其类型 后使用 变量名以英文字母开头 由字母 数字和下画线组成 字母大 小写不分 程序的注释用大括号括起来 变量赋值语句中如所赋的内容为表达式 则先计算表达式的值 再把该值赋给等式左边的变量 工业机器人技术入门 3 PANDA机器人语言简介 PANDA机器人语言具有语言简介紧凑 使用方便 占用内存小 执行速度快等优点 工业机器人技术入门 3 PANDA机器人语言简介 PANDA机器人的焊接动作编程示例 切换至Teach模式 按下 File New 后的界面如图2 有多种操作顺序 这里参照以下顺序完成 1 输入语句 编制程序的概要 2 示教各个动作点 图2 新界面 工业机器人技术入门 3 PANDA机器人语言简介 1 输入语句 编制程序的概要第一步动作是JMOVE到安全退避点 P1 动作类别是初期状态 J JMOVE 按下 Add 键 于是 第2行内增加 P001 JMOVEv 20 792 000 0 000 533 000 内容 第二步动作是JMOVE到焊接机开始准备点 P2 同样 按下 Add 键 于是 第3行内增加 P002 JMOVEv 20 792 000 0 000 533 000 内容 工业机器人技术入门 3 PANDA机器人语言简介 1 输入语句 编制程序的概要第三步动作是LMOVE到焊接开始点 P3 动作类别由 J 更改为 L 焊接机开开始点是表示从此点到下一点是Weld状态的 所以需要把 Empty 更改为 Weld 然后 按下 Add 键 增加第3行内容 第4行 ARC SET 1 A 150 V 24 4 第5行 P003 LMOVEv 1 440 792 000 0 000 533 000 第6行 ARC ON 工业机器人技术入门 3 PANDA机器人语言简介 1 输入语句 编制程序的概要第四步动作是LMOVE移动到焊接中继点 动作类别是 L 直接按下 Add 键 于是 第7行内增加 P004 LMOVE v 0 480 792 000 0 000 533 000 内容 因为是焊接中的LMOVE 所以动作速度是0 48 m min 另外 显示焊接中的标识 工业机器人技术入门 3 PANDA机器人语言简介 1 输入语句 编制程序的概要第五步动作是LMOVE移动到焊接结束点 因为焊接结束点是表示焊接到此点之后为Empty状态 所以需要把 Weld 更改为 Empty 然后 按下 Add 增加以下2行内容 第8行 P005 LMOVE v 0 480 792 000 0 000 533 000 第9行 ARC OFF 工业机器人技术入门 3 PANDA机器人语言简介 1 输入语句 编制程序的概要第六步动作是LMOVE移动到焊接完成退避点 P6 按下 Add 于是 第10行内增加 P006 LMOVEv 1 440 792 000 0 000 533 000 内容 最后的动作是JMOVE移动到安全退避点 P1 动作类别由 L 更改为 J 按下 Add 于是 第11行内增加 P007 JMOVEv 20 792 000 0 000 533 000 内容 工业机器人技术入门 3 PANDA机器人语言简介 1 输入语句 编制程序的概要以上步骤完成编制程序概略 编制程序如图3 图3 编制的程序 工业机器人技术入门 3 PANDA机器人语言简介 2 示教各个动作点开始示教操作 退避点 P1 直接使用初期位置 示教焊接开始准备点 P2 光标移动到第3行 P002 JMOVEv 20 792 000 0 000 533 000 出现下图4 界面上显示 PosREC 按键 按下JOG键 把机器人移动到焊接开始准备点 P2 工业机器人技术入门 3 PANDA机器人语言简介 2 示教各个动作点按下 PosREC 键 出现以下确认信息 图5确认界面 工业机器人技术入门 3 PANDA机器人语言简介 2 示教各个动作点按下 OK 键 光标行的位置数据更新为机器人当前的位置数据 出现如图6的界面 图6 示教P002位置 示教后 工业机器人编程 一 编程示教器的构成及工作原理 概述示教编程用于示教 再现型机器人中 它是目前大多数工业机器人的编程方式 在机器人作业现场进行 示教编程 即操作者根据机器人作业的需要把机器人末端执行器送到目标位置 且处于相应的姿态 然后把这一位置 姿态所对应的关节角度信息记录到存储器保存 示教编程的优点是操作简单 易于掌握 操作者不需要具备专门知识 不需复杂的装置和设备 轨迹修改方便 再现过程快 工业机器人编程 一 编程示教器的构成及工作原理 构成熊猫自主研发的示教器 主要由示教器外壳 液晶触摸屏 按键面膜 钥匙开关 急停开关 按钮 伺服安全开关 示教器主控电路板等部分组成 工业机器人编程 一 编程示教器的构成及工作原理 工作原理在接通电源后 示教器通过液晶显示屏来显示系统控制软件菜单界面 通过左手按下示教器上的伺服安全开关 来接通伺服电源 此时 控制柜上的伺服电源指示灯亮 通过钥匙开关来选择 TEACH 模式和 REMORE