工业机器人操作与应用（初级） 课件 第1、2章 工业机器人认知、KUKA 机器人和KRC4机器人控制系统

第一章工业机器人认知工业和信息化工业机器人技术技能人才培养工程系列从书工业机器人操作与应用——初级01初识工业机器人PARTONE01初识工业机器人由于影视宣传和科幻小说的影响，人们往往把机器人想象成外貌似人的机械和电子装置，但事实并非如此，特别是工业机器人，其实工业机器人的外观与人的外貌毫无相似之处，如图1-1所示。01初识工业机器人工业机器人是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化生产设备，特别适用于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和进行产品的快速更新换代具有十分重要的意义。工业机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科的高新技术，是相关研究十分活跃、应用日益广泛的技术。工业机器人的应用情况是一个国家工业自动化水平的重要标志。01初识工业机器人工业机器人并不是简单意义上代替人的劳动，它是综合了人的特长和机器的特长的-种拟人的电子机械设备，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、能抵抗恶劣环境的能力。从某种意义上说，它是机器进化过程的产物，是工业及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。02工业机器人的基本构成PARTTWO02工业机器人的基本构成机械系统又分为执行机构和驱动机构。执行机构是机器人完成工作任务的实体，通常由一系列连杆、关节或其他形式的运动部件组成。从功能的角度可分为基座、机身、臀部、腕部、手部，如图1-3所示。其中，手部可以是抓手，也可以是焊钳、弧焊枪、涂胶枪、喷嘴等，基座作为最底层的支撑部件，负责整体的安装连接，可以是固定的或移动的，具体可有不同的结构形式。1.2.1工业机器人机械系统02工业机器人的基本构成驱动装置按照驱动方式不同，可分为电(电机驱动)、液(液压驱动)、气(气压驱动)驱动装置及把它们结合起来应用的综合系统。气压驱动是指用压缩空气来驱动执行机构。液压驱动是指使用液体来驱动执行机构。电机驱动是指利用电动机产生的力矩驱动执行结构，是工业机器人中使用最多的一种驱动方式。1.2.1工业机器人机械系统02工业机器人的基本构成常用的传动装置有谐波传动装置、螺旋传动装置、链传动装置、带传动装置及齿轮传动装置等。大多数工业机器人采用交流伺服电机驱动的驱动方式，由于电机速度快，通常必须采用减速器(如谐波减速器和RV减速器等)。工业机器人各轴的运动通过服电机有针对性的调控而实现，这些伺服电机通过减速器与执行机构的各部件相连。1.2.1工业机器人机械系统02工业机器人的基本构成1.2.1工业机器人机械系统1.工业机器人减速器工业机器人减速器主要包括谐波减速器和RV减速器，对于主流的6轴关节工业机器人来说(如KUKA、FAUNC、安川、ABB)，A4A5A轴一般采用谐波减速器，A1A2A3轴一般采用RV减速器。(1)谐波减速器谐波减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器，是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力的一种传动装置。02工业机器人的基本构成1.2.1工业机器人机械系统(2)RV减速器：RV减速器采用的是一种二级封闭行星轮系，是在摆线针轮传动基础上发展起来的一种新型传动装置，由一级行星轮系串联一级摆针轮组成。02工业机器人的基本构成2.工业机器人伺服电机伺服电机是工业机器人的动力系统，一般安装在工业机器人的关节处，是工业机器人运动的“心脏”。工业机器人对伺服系统的要求较高，其必须满足快速响应，起动转矩大，动转矩惯量比大，调速范围宽，适应工业机器人的外形等要求，以做到体积小、重量轻、能够加减速运行，且需要具备高可靠性和稳定性。目前，工业机器人使用较多的是交流伺服系统。1.2.1工业机器人机械系统02工业机器人的基本构成伺服电机按其使用的电源性质不同，可分为直流伺服电机和交流伺服电机两大类，工业机器人大部分情况下使用的是交流伺服电机，其特点是起动转矩大、运行范围大、无自转现象。交流伺服电机的结构如图1-6所示。1.2.1工业机器人机械系统02工业机器人的基本构成1.2.1工业机器人机械系统3.工业机器人伺服系统工业机器人伺服系统一般包括三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环，如图1-7所示。伺服系统是所有机电一体化设备的核心，它的基本设计要求是输出量能迅速而准确地响应输入量的变化。02工业机器人的基本构成1.2.1工业机器人机械系统伺服系统按照有无反馈分为开环控制、半闭环控制和全闭环控制三种。(1)开环(OpenLoop)控制:指在一个控制系统中系统的输入量不受输出量影响，也就是不将控制结果反馈回来影响当前系统的输入量。(2)半闭环(Semi-ClosedLoop):将位置(或速度)传感器安装于电机轴上以取得反馈信号02工业机器人的基本构成1.2.1工业机器人机械系统(3)全闭环(Ful1-ClosedLoop)控制：利用光栅尺等位置传感器，直接将物体的位移量同步反馈到控制装置中。全闭环控制系统分为负反馈系统和正反馈系统，若反馈信号与系统给定信号极性相反，则称为负反馈系统；若相同，则称为正反馈系统一般全闭环控制系统均为负反馈系统，如图1-10所示。02工业机器人的基本构成1.2.2工业机器人控制系统工业机器人控制系统作为工业机器人的重要组成部分之一，其主要作用是根据作业指令及传感器反馈回来的信号支配工业机器人去完成规定的动作。整个工业机器人系统的性能主要取决于控制系统的性能。02工业机器人的基本构成1.2.2工业机器人控制系统1.工业机器人控制系统的特点机器人控制技术是在传统机械系统控制技术的基础上发展起来的，这两种技术之间本质上并无不同，但由于工业机器人的结构是由连杆通过关节串联组成的空间开链结构，各个关节的运动是相互独立的，因此为了实现末端的运动，需要多关节的协调。所以，工业机器人控制系统虽然与机构运动学和动力学关系密切，但是比普通的自动化设备控制系统要复杂得多。02工业机器人的基本构成1.2.2工业机器人控制系统2.工业机器人控制系统的基本功能工业机器人控制系统的主要任务是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态轨迹、操作顺序及动作时间等，其基本功能包括以下4个。(1)示教再现功能;

(2)坐标设置功能;(3)与外围设备的通信功能;

(4)伺服控制功能。02工业机器人的基本构成智能系统是工业机器人的重要组成部分。按传感器采集信息的位置，其一般可分为内部传感器和外部传感器两类。内部传感器是完成工业机器人运动控制所必需的传感器，如位置传感器、速度传感器等，用于采集机器人内部信息，是构成工业机器人不可缺少的基本设备。外部传感器用于检测机器人所处环境、外部物体状态或机器人与外部物体的关系。常用的外部传感器有力觉传感器、触觉传感器、视觉传感器等。1.2.3工业机器人智能系统03工业机器人的起源和发展PARTTHERE03工业机器人的起源和发展工业机器人自20世纪60年代初问世以来，经过了几十年的发展，已经广泛应用于各工业生产领域，成为制造业中主要的机电一体化产品。美国是工业机器人的诞生地，如今美国有着一批具有国际影响力的工业机器人供应商。FANUC公司是世界上较大的工业机器人供应商之一。安川公司于1977年研制出第一个全自动工业机器人，其代表性的工业机器人有点焊和弧焊机器人、油漆和处理机器人、LCD玻璃板传输机器人及半导体晶片传输机器人等03工业机器人的起源和发展工业机器人自20世纪60年代初问世以来，经过了几十年的发展，已经广泛应用于各工业生产领域，成为制造业中主要的机电一体化产品。美国是工业机器人的诞生地，如今美国有着一批具有国际影响力的工业机器人供应商。德国工业机器人的数量位于世界第三，仅次于美国和日本，其智能机器人的研究和应用在世界上处于领先地位。瑞典的ABB公司是世界上较大的工业机器人供应商之一。03工业机器人的起源和发展意大利的COMAU公司从1978年开始研制和生产工业机器人，至今已有40多年的历史。日本工业机器人供应商的代表有FANUC、安川、川崎、OTC、松下、NACHI等。FANUC公司是世界上较大的工业机器人供应商之一。安川公司于1977年研制出第一个全自动工业机器人，其代表性的工业机器人有点焊和弧焊机器人、油漆和处理机器人、LCD玻璃板传输机器人及半导体晶片传输机器人等。04工业机器人的技术特点PARTFOUR04工业机器人的技术特点工业机器人集精密化、柔性化、智能化等先进制造技术于一体，通过对过程实施检测控制、优化、调度、管理和决策，增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗和环境污染，是工业自动化水平的较高体现。工业机器人是继动力机械、计算机之后出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具，是实现生产数字化、自动化、网络化及智能化的重要手段。04工业机器人的技术特点工业机器人应用领域广泛，可用于制造、安装、检测、物流等环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、军工、烟草、金融、医药冶金及印刷等行业。工业机器人集成并融合了多项学科，涉及多个技术领域，包括机器人控制技术、机器人动力学及仿真、机器人构建、有限元分析、激光加工技术、模块化程序设计、智能测量建模加工一体化、工厂自动化及精细物流等，技术综合性强05工业机器人专业术语PARTFIVE05工业机器人专业术语机械手:也可称为操作机，具有和人臂相似的功能，是可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。驱动器:将电、液、气转换成机械能的动力装置。末端操作器(简称末端):位于工业机器人腕部末端、直接执行任务的装置，如夹持器焊枪、焊钳等。位姿:工业机器人末端在指定坐标系中的位置和姿态。工作空间:工业机器人执行任务时，其腕轴交点能在空间活动的范围。机械原点:工业机器人各自由度公用的机械坐标系中的基准点。05工业机器人专业术语工作原点:工业机器人工作空间中的基准点。速度:工业机器人在额定条件下，在匀速运动过程中，机械接口中心点或工具中心点(TCP)在单位时间内移动的距离或转动的角度。额定负载:工业机器人在限定的操作条件下，其机械接口处能承受的最大负载(包括末端)，用质量或力矩表示。位姿重复精度:工业机器人在同一条件下用同一方法操作时，重复t次所测得的位姿的一致程度。点位控制:控制工业机器人从一个位姿运动到另一个位姿，路径不限。05工业机器人专业术语轨迹重复精度:工业机器人机械接口中心点沿同一轨迹跟随x次所测得的轨迹之间的一致程度。连续轨迹控制:控制工业机器人的机械接口按程序规定的位姿和速度在指定的轨迹上运动。外部检测功能:工业机器人所具备的对外界物体状态和环境状况等的检测能力。内部检测功能:工业机器人对自身的位置、速度等状态的检测能力。自诊断功能:工业机器人判断自身全部或部分状态是否正常的能力。06工业机器人安全PARTSIX06工业机器人安全工业机器人作为自动化生产中重要的机电一体化设备，如果操作不当或维护不当，会造成公司财产损失，甚至危及个人生命安全。因此作为公司的技术人员，必须严格遵照工业机器人安全操作规程进行作业，将风险降到最低，有效避免人员伤亡事故的发生。由于工业机器人系统复杂且危险性强，在学习期间，对工业机器人进行任何操作都必须注意安全。无论什么时候进入工业机器人的工作范围都可能导致严重的伤害，只有经过培训认证的人员才可以进入该区域。07工业机器人环境保护PARTSEVEN07工业机器人环境保护工业机器人在日常维护或故障处理时，都会产生一些废弃的工业垃圾，做好工业垃圾的处理与回收也是预防安全事故发生的重要手段。工业垃圾主要包括：1、现场产生的危险固体废弃物；2、废工业电池、废电路板；3、废润滑油、废油脂、废油桶；4、粘油回丝或抹布；5、损坏的零件；6、包装材料。谢谢观看第二章KUKA机器人和KRC4机器人控制系统工业和信息化工业机器人技术技能人才培养工程系列从书工业机器人操作与应用——初级01KUKA机器人机械系统PARTONE01KUKA机器人机械系统1、机械手机械手是工业机器人机械系统的主体。它由众多活动的、相互连接在一起的关节(轴)组成，也称为运动链，如图2-2所示。机械手的主要组件包括手部、腕部、臂部(大臂、小臂)、基座、机身，其中拆解后的大臂、小臂、机身、基座如图2-3所示。一般来说，用于保证末端达到工作空间任意位置的轴称为主轴或基本轴，用于实现末端任意空间姿态的轴，称为腕部轴或次轴，如图2-4所示。01KUKA机器人机械系统01KUKA机器人机械系统2.KUKA机器人伺服电机在实际应用中，工业机器人大部分采用交流伺服电机控制。KUKA机器人所用的伺服电机采用交流同步电机(伺服马达)的工作原理，定子线圈按星形结构连接，转子内设有永久磁铁，如图2-5所示。伺服电机通过伺服控制器的控制驱动机器人各轴运动01KUKA机器人机械系统KUKA机器人何服电机示例如图2-6所示。02KRC4机器人控制系统PARTTWO02KRC4机器人控制系统KRC4机器人控制系统(又称控制柜，如图2-7所示，以下简称KRC4系统)主要包括伺服控制模块、电源模块、接口模块等。02KRC4机器人控制系统2.2.2KRC4系统内部结构KRC4系统内部结构示意图如图2-8所示,由于用户的实际需要及系统配置不同,KRC4系统内部各主要元器件的布局、数量和功能会有所不同。02KRC4机器人控制系统2.2.2KRC4系统内部结构图2-8中各序号的含义见表2-2。02KRC4机器人控制系统KRC4总线系统如图2-9所示。2.2.3KRC4总线系统02KRC4机器人控制系统KUKA控制总线(KCB)是基于实时以太网的驱动总线，循环时间为125us,与FSoE(功能安全协议)可相互通信。KCB可以连接控制单元、PC控制系统、电源模块、伺服控制模块、分解器数字转换器、用于测量机器人零点的EMD工具。2.2.4KUKA控制总线(KCB)02KRC4机器人控制系统KPP可从三相电网中生成整流电路中间回路电压。利用中间回路电压可给内置驱动调节器和外置驱动装置供电。KPP的运行状态可通过电源模块上的LED显示便于故障诊断排查。KSP属于机械手驱动轴的传动调节器，具有集成式安全功能，运行状态可通过LED显示，便于故障诊断、排查。2.2.4KUKA控制总线(KCB)02KRC4机器人控制系统2.2.5KUKA系统总线(KSB)KUKA系统总线(KSB)是基于EtherCAT的驱动总线，循环时间为lus，与FSOE也可相互通信。KSB可以与CCU、KPC、smartPAD、RoboTeam(用于实现协同作业)、SIB(SafetyInterfaceBoard，安全接口板)相连，如图2-14所示。02KRC4机器人控制系统2.2.5KUKA系统总线(KSB)SIB是用户安全接口的组成部分，且与KSB连接。03KRC4示教器PARTTHREE03KRC4示教器2.3.1smartPAD操作按键说明smartPAD是用于KUKA机器人的示教器(手持编程器)拥有独立的WdowsCE操作系统。它支持热插(在运行期间插接或拔除)，具有工业机器人操作和编程所需的各种操作及显示功能,KRC4系统与smartPAD显示屏通过RDP(RemoteDesktopProtocol，远程桌面协议)关联。smartPAD的显示屏是一个触摸屏(smartHM可用手指或指示笔进行操作，不需要外部鼠标和外部键盘。03KRC4示教器2.3.1smartPAD操作按键说明smartPAD的正面、背面如图2-16图2-17所示。03KRC4示教器2.3.1smartPAD操作按键说明图2-17中各序号的含义见表2-5。03KRC4示教器2.3.2smartHMI操作界面说明1.状态栏状态栏主要显示机器人当前运行状态，如图2-19所示。多数情况下通过点击状态栏中的相应图标就能打开一个窗格，可在窗格中进行设置。03KRC4示教器2.3.2smartHMI操作界面说明图2-19中各序号的含义见表2-7。03KRC4示教器2.3.2smartHMI操作界面说明图2-19中各序号的含义见表2-7。(1)解释器KRC4系统上平行执行着两个任务:机器人解释器和提交解释器。机器人解释器：机器人程序通过机器人解释器运行。机器人程序主要是指用户建立的非SUB程序，KRC4系统中有一些程序模板，用户可以选择。提交(SUBMIT)解释器：提交程序(SUB程序)通过提交解释器运行。SUB程序可以执行操作或者监控任务。2.3.2smartHMI操作界面说明03KRC4示教器03KRC4示教器(2)驱动状态显示点击状态栏中的驱动状态显示图标，可打开“移动条件”窗格，驱动状态显示如图2-23所示。2.3.2smartHMI操作界面说明03KRC4示教器(3)机器人运行方式用户可以通过连接管理器来更改机器人运行方式，见表2-8。2.3.2smartHMI操作界面说明03KRC4示教器2.3.2smartHMI操作界面说明(4)机器人倍率调整点击状态栏中的POV/HOV状态显示图标，进行机器人倍率调整。03KRC4示教器2.3.2smartHMI操作界面说明图2-24中各序号的说明见表2-9。03KRC4示教器2.3.2smartHMI操作界面说明(5)程序运行方式点击状态栏中的程序运行方式状态显示图标，“程序运行方式”窗格被打开。03KRC4示教器2.3.2smartHMI操作界面说明(6)增量式手动移动增量式手动移动能精确地控制机器人运动的距离或角度，在需要精细编程的工艺要求中作用明显。03KRC4示教器2.3.2smartHMI操作界面说明2.空间鼠标和按键操作(1)空间鼠标点击smartHMI操作界面右侧的空间鼠标状态显示图标，打开显示空间鼠标当前定位的“鼠标”窗格，在窗格中可以修改其定位。(2)按键点击smartHMI操作界面右侧的运行状态显示图标，打开“按键”窗格，显示当前手动操作前的坐标系，通过此图标可进行坐标系之间的选择、切换。