07 模块7 工业机器人操作与编程

《工业机器人技术基础》课程教案课题：模块7工业机器人操作与编程课型：新授课课时：本章安排4个课时。教学过程：教学形式：讲授课，教学组织采用课堂整体讲授和分组演示。教学媒体：采用启发式教学、案例教学等教学方法。教学手段采用多媒体课件、视频等媒体技术。板书设计：本课标题模块7工业机器人操作与编程课次2授课方式理论课□讨论课□习题课□其他□课时安排4学分共2分授课对象应用型本科院校和高职院校工业机器人专业学生任课教师教材及参考资料1.《工业机器人技术基础》。2.本教材配套视频教程及学习检查等资源。3.与本课程相关的其他资源。教学基本内容教学方法及教学手段引言工业机器人最初是为工业生产制造提供劳动力而设计的产品：人类社会的劳动力实现从人力到机械的跨越经过了漫长的时间，然而传统的机械设备仍然需要人来进行实时操作。于是人们想象有这样一种机械设备——它不仅能够完成人力能做的所有事，还能服从人的命令，按照人的要求自动去从事劳动，并且不偷懒，不怕累，也不需要在人类的监督下工作。基于这样的理念，人们设计出了工业机器人。虽然工业机器人有这样强大的功能，但要想让它按照人们的需求工作，还需要人们将工作内容和要求预先转化为机器可接收的信息，进而输入工业机器人系统。这就是工业机器人应用中的操作与编程。工业机器人的基础操作是在脱离自动化程序的场景下，单独实现工业机器人的各项功能，它可用于检验工业机器人的功能以及工作质量。工业机器人的编程是把对工业机器人的工作需求转变为一种机器人能识别的语言命令并输入机器人系统，进而让工业机器人按照这些命令执行工作。参考以下形式：1.衔接导入2.悬念导入3.情景导入4.激疑导入5.演示导入6.实例导入7.其他形式本章基本知识汇总单元1工业机器人基本操作一、手动操作动作模式在手动操作模式下，工业机器人的动作模式通常有三种：关节运动、线性运动、重定位运动。（一）关节运动在手动操作模式下对工业机器人进行运动操作，使某一个轴单独作回转运动。（二）线性运动在手动操作模式下对工业机器人进行运动操作，使工具坐标系沿着参考坐标系的轴向作线性运动。（三）重定位运动在手动操作模式下对工业机器人进行运动操作，使机器人绕着工具坐标系的X（或Y，Z）轴作回转运动，正方向用右手法则判定。二、坐标系统认知（一）参考坐标系与运动对象ABB工业机器人的参考坐标系包括四种（机器人品牌大多是这四种参考坐标系，只是名称可能不同）：1.基坐标系。2.大地坐标系。3.工具坐标系。4.工件坐标系。ABB工业机器人的运动对象是末端工具，用工具坐标系定义姿态，运动参考点是TCP（ToolCenterPoint，工具坐标系原点）。没有安装工具时，以工具安装法兰为对象，用工具坐标系tool0定义姿态。（二）基坐标系基坐标系是固定在工业机器人底座上的一个参考坐标系。当工业机器人在空间内移动TCP时，始终有一个参照系给TCP的运动作参照，我们把这个默认的参照系称为六轴工业机器人的“基坐标系”。（三）大地坐标系大地坐标系是工业机器人系统工作站中唯一固定不变的参照坐标系。当工业机器人本体不是固定不动，或者工作空间内存在多个机器人协作，需要统一它们的位置参照时，就需要用一个参照系来确定机器人的基坐标系在空间内的位置，我们把这个参照系称作“大地坐标系”。一般情况下，单个机器人的工作站中机器人位置固定不动时，大地坐标系默认设置是与基坐标系重合的。（四）工具坐标系工具坐标系是固定在机器人末端法兰或工具上的参考坐标系。机器人工具在运动的过程中，有的需要参考整个工具，意味着工具的姿态需要是可控的，要在工具上建立一个笛卡尔坐标系。（五）工件坐标系工件坐标系是用户根据操作编程需求自行建立在任意位置和方向的参考坐标系。三、I/O信号监控I/O信号监控是操作员对工业机器人系统输入信号的监视和输出信号的控制。单元2工业机器人编程一、工业机器人编程概述为了让工业机器人按照一定的流程自主地完成相关作业，我们需要为工业机器人编写一套指令的有序集合。编写指令的过程就是工业机器人编程。指令流程：1.机器人夹爪到达铁块正上方。2.打开夹爪。3.夹爪到达铁块夹取位置place1。4.夹爪闭合，夹住铁块。5.夹爪向上运动。6.夹爪到达place2位置正上方。7.夹爪夹着铁块运动到place2。8.打开夹爪，释放铁块。二、工业机器人编程功能工业机器人的程序指令有很多，它是一套完整的机器语言。但从功能上，这些指令主要分为三部分，分别是运动监控、信号监控、逻辑控制。（一）运动监控运动监控指令分运动监视和运动控制两部分。运动监视指令可用于读取机器人的运动数据，包括位置数据、速度数据、时间数据等。运动控制指令主要控制机器人的运动模式，包括运行轨迹、运行速度等。（二）信号监控信号监控指令分信号监视和信号控制两部分。信号监视指令可用于读取机器人控制系统关联的信号对应的状态，包括数字信号的电平、模拟信号的大小等。信号控制指令主要用于控制机器人系统的数字量输出信号和模拟量输出信号，能够置位或置反数字量输出信号并设置模拟量输出信号的大小。（三）逻辑控制逻辑控制指令用于控制程序的运行逻辑，如循环、条件判断、计算、跳转等。三、工业机器人编程语言在机器人专用语言未能实用化之前，人们使用通用的计算机语言编制机器人管理和控制程序，当时最常用的语言有汇编语言、FORTRAN语言、PASCAL语言、BASIC语言等。现在所广泛使用的机器人语言也是在通用计算机语言的基础上开发出来的。一般而言，机器人语言至少应当包括以下几个模块：系统初始化模块、状态自检模块、命令处理模块、起始定位模块、编辑操作模块、示教操作模块、单步操作模块及再现操作模块等。（一）编程方式由于机器人的控制装置和作业要求多种多样，国内外尚未制订统一的机器人控制代码标准，所以编程语言也是多种多样的。目前，在工业生产中应用的机器人编程方式主要有以下几种形式：1.顺序控制的编程在顺序控制的机器中，所有的控制都是由机械的或电气的顺序控制器实现的，一般没有程序设计的要求。顺序控制的灵活性小，这是因为所有的工作过程都已预先编好——可由机械挡块或其他确定的办法所控制。这种方法的主要优点是成本低、易于控制和操作。2.示教方式编程目前，大多数机器人仍采用示教方式编程，这是一项成熟的技术，易于被熟悉工作任务的人员所掌握，而且使用简单的设备和控制装置即可进行。示教过程进行得很快，示教过后，马上即可应用。在对机器人进行示教时，机器人控制系统将示教的机器人轨迹和各种操作存入存储器，如果需要，过程可以重复多次。在某些系统中，还可以用与示教时不同的速度进行模拟。如果能够从一个运输装置获得使机器人的操作与搬运装置同步的信号，就可以用示教的方法来解决机器人与搬运装置配合的问题。示教方式编程也有一些缺点：（1）只能在有限的速度下工作。（2）难与传感器的信息相配合。（3）不能用于某些危险的情况。（4）在操作大型机器人时，这种方法不实用。（5）难获得高速和直线运动。（6）难与其他操作同步。使用示教盒可以克服其中的部分缺点。3.示教盒示教利用装在控制盒上的按钮可以驱动机器人按需要的顺序进行操作。在示教盒中，每一个关节都有一对按钮，分别控制该关节在两个方向上的运动，有时还提供附加的最大允许速度控制。虽然为了获得最高的运行效率，人们希望机器人能实现多关节合成运动，但在用示教盒示教的方式下，却难以同时移动多个关节。电视游戏机上的游戏杆虽可用来提供几个方向上的关节速度，但它也有缺点——这种游戏杆是通过移动控制盒中的编码器或电位器来控制各关节的速度和方向，难以实现精确控制。示教盒一般用于对大型机器人或危险作业条件下的机器人示教。这种方法难以获得高的控制精度，也难以跟其他设备同步及与传感器信息相配合。4.脱机编程或预编程脱机编程和预编程的含意相同，是指用机器人程序语言预先进行程序设计，而不是用示教的方法编程。脱机编程有以下几个方面的优点：（1）编程时可以不使用机器人，可腾出机器人去做其他工作。（2）可预先优化操作方案和运行周期。（3）以前完成的过程或子程序可结合到待编的程序中去。（4）可用传感器探测外部信息，从而使机器人作出相应的响应，这种响应使机器人可以在自适应的方式下工作。（5）控制功能中可以包含现有的计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）的信息。（6）可以用预先运行程序来模拟实际运动，从而不会出现危险。利用图形仿真技术，可以在屏幕上模拟机器人运动来辅助编程。（7）对不同的工作目的，只需替换一部分待定的程序。在非自适应系统中，没有外界环境的反馈，仅有的输入是各关节传感器的测量值，因此可以使用简单的程序设计手段。（二）机器人编程语言的基本要求和类别机器人编程语言是一种程序描述语言，它能十分简洁地描述工作环境和机器人的动作，能把复杂的操作内容通过尽可能简单的程序来实现。机器人编程语言也和一般的程序语言一样，应当具有结构简明、概念统一、容易扩展等特点。从实际应用的角度来看，很多情况下都是操作者实时地操纵机器人工作，为此，机器人编程语言还应当简单易学，并且有良好的对话性。高水平的机器人编程语言还能够应用目标物体和环境的几何模型，因此性能优越的机器人语言会极大地减少编程的困难。从描述操作命令的角度来看，机器人编程语言的水平可以分为动作级语言、对象级语言和任务级语言。（1）动作级语言：以机器人末端执行器的动作为中心来描述各种操作，要在程序中说明每个动作，这是一种最基本的描述方式。（2）对象级语言：允许较粗略地描述操作对象的动作、操作对象之间的关系等。使用这种语言时，必须明确地描述操作对象之间的关系和机器人与操作对象之间的关系，它特别适用于组装作业。（3）任务级语言：为实现指定操作内容，机器人必须一边思考一边工作，任务级语言是直接指定操作内容的一种水平很高的机器人程序语言。现在还有人在开发一种系统，它能按某种原则给出最初的环境状态和最终的工作状态，然后让机器人自动进行推理、计算，最后自动生成机器人的动作。目前在实际生产中常见的机器人编程语言可分为以下几类：1.ABB机器人编程语言ABB机器人使用的是RAPID编程语言，它是在Pascal语言的基础上进行设计的，用于对ABB机器人进行运动控制、数据处理、信号处理、逻辑设置等编程功能。ABB机器人的程序模块有三部分，分别是例行程序（又叫无返回值例行程序）、中断程序和功能程序（也叫有返回值例行程序）。例行程序主要用于机器人的正常工作编程，包括运动控制、信号控制、和逻辑控制。中断程序用于机器人工作中非正常故障的自动处理。功能程序用于在机器人中反馈某些变量数据值。ABB程序指令从结构上看，分为程序指令和程序数据。程序指令用于控制机器人的运动模式、运行逻辑、处理信号的方式等。程序数据是一个具体的程序变量，如运动速度、位置坐标、循环次数、信号对象等。2.KUKA机器人编程语言KUKA机器人使用的是KRL（KUKARobotLanguage）编程语言，它是KUKA公司自