《工业机器人技术及应用》 教案 任务5、6 机器人的本体、工业机器人控制系统

《工业机器人技术及应用》教案姓 名 XXXXXXXX教案课程名称：工业机器人技术及应用 授课人：XX课题工业机器人的本体课时2教学目的与要求（1）掌握六轴多关节机器人的结构。（2）掌握水平关节机器人的结构。（3）掌握并联机器人的结构。（4）掌握工业机器人本体的线路连接。教学重点与难点重点：1）掌握各类型机器人的结构难点：2）掌握工业机器人本体的线路连接教学方法课堂讲授（PPT授课+小组讨论）主要内容及步骤备注教学过程一、组织教学：组织课堂，介绍本节课程的体系结构，告知学习的基本要求。二、课题导入：工业机器人本体的结构，本体的线路连接新课讲授：工业机器人各类本体的结构和线路连接四、强化巩固利用实际生活中接触的例子加强巩固五、总结拓展1.课堂内容总结 2.布置作业小组讨论授课效果分析总结教学内容课堂互动一、组织教学介绍本门课程的学习内容及知识体系结构，提出课程学习的基本要求，强调本门课程的上课时间、地点。推荐教材：《工业机器人技术及应用》活页式教材二、课题导入我们学习工业机器人，那么思考：工业机器人的本体有哪些部分组成？导入：上次课堂上我们学习了工业机器人的品牌，本次课堂上我们学习工业机器人本体是上面部件组成的，为什么可以自己动起来呢？新课讲授工业机器人的本体（一）六轴多关节机器人1.机械臂机械臂是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机构。如图5-2所示。该图为6自由度关节机器人的基本构造，具体各关节如表5-1所示。为适应不同的用途，机器人本体最后一个轴的接口通常为一个法兰，可以安装不同的操作装置（习惯上称末端执行器），如夹紧爪、吸盘、焊枪等。图5-2六轴多关节机器人本体结构表5-1六轴各关节结构轴1轴2轴3轴4轴5轴6关节型工业机器人的机械臂是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体。它的每一个关节均采用1个交流伺服电动机驱动。关节通常是移动关节和旋转关节。移动关节允许连杆作直线移动，旋转关节仅允许连杆之间发生旋转运动。由关节-连杆结构所构成的机械臂大体可分为基座、腰部、臂部（大臂和小臂）和手腕4个部分，由4个独立旋转“关节”（腰关节、肩关节、肘关节和腕关节）串联而成。（1）基座。基座是机器人的基础部分，起支撑作用。整个执行机构和驱动装置都安装在基座上。对固定式机器人，直接连接在地面基础上；对移动式机器人，则安装在移动机构上，可分为有轨和无轨两种。（2）腰部。腰部是机器人手臂的支撑部分。根据执行机构坐标系的不同，腰部可以在基座上转动，也可以和基座制成一体。有时腰部也可以通过导杆或导槽在基座上移动，从而增大工作空间。（3）臂部。有大臂和小臂，手臂是连接机身和手腕的部分，由机械臂的动力关节和连接杆件等构成。它是执行结构中的主要运动部件，也称主轴，主要用于改变手腕和末端执行器的空间位置，满足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到基座。（4）手腕。手腕是连接末端执行器和手臂的部分，将作业载荷传递到臂部，也称次轴，主要用于改变末端执行器的空间姿态。2.驱动装置驱动装置是驱使工业机器人机械臂运动的装置。按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人产生动作。工业机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种类型。目前除了个别精度要求不高，重负或有防爆要求的机器人采用液压、气压驱动以外，工业机器人大多都是采用电气驱动，而其中交流伺服电机用的最广，而且一般都是每个关节由一个驱动独立控制。如图5-3所示。图5-3工业机器人驱动表5-2工业机器人驱动装置1机器人减速机2伺服电机3伺服驱动器4机器人控制器1）伺服电机伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。如表5-2所示。伺服电机可控制速度，通过控制速度来控制位置精度，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机可分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。如图5-4和图5-5所示。图5-4伺服电机外形图5-5伺服电机内部结构2）伺服驱动器伺服驱动器又称为伺服控制器、伺服放大器，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。如表5-2所示。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。如图5-6所示。图5-6伺服驱动器伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中。尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点。当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置3闭环控制算法。该算法中速度闭环设计合理与否，对于整个伺服控制系统，特别是速度控制性能的发挥起到关键作用。3）传动单元驱动装置的受控运动必须通过传动单元带动机械臂产生运动，以精确的保证末端执行器所要求的位置、姿态和实现其运动。目前工业机器人广泛采用的机械传动单元是减速机，关节减速机要求具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。精密减速机使机器人伺服电机在一个合适的速度下运转，并精确地将转速降到工业机器人各部位所需要的速度，在提高机械本体刚性的同时输出更大的转矩。大量用在关节型机器人上的减速机主要有两类：谐波减速机和RV减速机。一般将谐波减速机放在手臂、腕部或手部等轻负载位置（20kg以下机器人关节）；而将RV减速机放置在基座、腰部、大臂等重负载位置（20kg以上机器人关节）。此外，机器人还采用齿轮传动、链条（带）传动、直线运动单元等。①谐波减速机谐波减速机主要由谐波发生器、柔性齿轮和刚性齿轮三个基本构件组成，谐波传动减速器，是一种靠波发生器使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。如图5-7所示。谐波齿轮传动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，谐波齿轮传动简称为谐波传动。②RV减速机RV减速机主要由摆线针轮和行星支架组成，如图5-7。RV传动是新兴起的一种传动，它是在传统针摆行星传动的基础上发展出来的，不仅克服了一般针摆传动的缺点，而且以其体积小，抗冲击力强，扭矩大，定位精度高，振动小，减速比大等诸多优点被广泛应用于工业机器人、机床、医疗检测设备、卫星接收系统等领域。如图5-8所示。图5-7谐波减速机图5-8RV减速机与谐波传动相比，RV传动具有较高的疲劳强度和刚度以及较长的寿命，而且回差精度稳定，不像谐波传动，随着使用时间的增长，运动精度就会显著降低，故高精度机器人传动多采用RV减速器，且有逐渐取代谐波减速器的趋势。水平关节机器人四轴机器人，小型装配机器人中，“四轴SCARA机器人”是指“选择性装配关节机器臂”，即四轴机器人的手臂部分可以在一个几何平面内自由移动。如图5-9所示。SCARA机器人有3个旋转关节，前两个关节可以在水平面上左右自由旋转。第三个关节由一个称为羽毛（quill）的金属杆和夹持器组成。该金属杆可以在垂直平面内向上和向下移动或围绕其垂直轴旋转，但不能倾斜。这种独特的设计使四轴机器人具有很强的刚性，从而使它们能够胜任高速和高重复性的工作。在包装应用中，四轴机器人擅长高速取放和其他材料处理任务。例如，快速将一件小物件从一条输送带移动到另一条输送带上并排列好。如图5-9所示。图5-9水平关节机器人（三）并联机器人并联机器人如图5-10所示，它是一个封闭的运动链，并联机构(ParallelMechanism，简称PM)，可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机器人主要的结构包括机座、大臂、小臂、电机和抓手安装法兰。如表5-3所示。图5-10并联机器人基本结构1机座2电机3大臂4小臂5抓手法兰表5-3并联机器人主要结构并联机器人和传统工业用串联机器人在应用上构成互补关系，它是一个封闭的运动链，和串联机器人相比较，并联机器人具有以下特点：（1）不易有动态误差，无累积误差，精度较高。（2）运动惯性小。（3）结构紧凑稳定，输出轴大部份承受轴向应力，机器刚性高，承载能力大。（4）为热对称性结构设计，热变形量较小。（5）在位置求解上，串联机构正解容易，反解困难，而并联机构正解困难，反解容易。（6）工作空间较小。（7）驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好。（8）完全对称的并联机构具有较好的各向同性。根据这些特点，并联机器人在需要高刚度、高精度、大荷重、工作空间精简的领域内得到了广泛应用，尤其在拾取分拣领域。（四）机器人本体与控制柜之间需要连接三条电缆及连接1、机器人本体与控制柜之间需要连接三条电缆：动力电缆、SMB电缆，如图5-11--图5-12所示。图5-11动力电缆图5-12SMB电缆2、机器人本体与控制柜之间的连接（1）将标注为R1.MP的动力电缆插头接入对应机器人本体底座的插头上，如图5-13所示。（2）将SMB电缆（弯头）接头插入到机器人本体底座SMB端口，如图5-14所示。图5-13动力电缆接入机器人本体图5-14SMB电缆接入机器人本体3、（1）此任务中IRB1200是使用单相220V供电，最大功率0.5kw。根据此参数，准备电源线并且制作控制柜端的接头，如图5-15所示。图5-15电源线接头（2）将电源线根据定义进行接线，将电线涂锡后插入接头压紧，如图5-16所示。图5-16电源线接线图5-17电源线（3）已制作好的电源线如图5-17所示。任务总结本任务主要讲述了工业机器人本体的结构和本体通讯插口。机器人本体机构中需要重点掌握的是减速机和伺服电机，机器人本体通讯接口处需要注意的是动力电缆、SMB电缆、具体对应的插孔、气管插孔的具体位置，最后需要注意及时切断电源，保证最基本的人身安全。四、强化巩固工业机器人本体什么怎么样组成的，线路该怎么连接五、总结拓展（一）课堂总结（1）工业机器人本体的结构组成（2）工业机器人本体的线路连接（二）布置作业总结本节课的内容提前组织教学课题导入基本知识讲解本节重点本节难点《工业机器人技术及应用》教案姓 名 XXXXXXXX教案课程名称：工业机器人技术及应用 授课人：XX课题工业机器人控制系统课时2教学目的与要求（1）了解工业机器人控制器的结构。（2）了解工业机器人控制器的基本功能。（3）了解工业机器人控制器的分类。（4）了解工业机器人控制器的基础操作。教学重点与难点重点：1）掌握机器人控制器的结构、基本功能及分类。2）掌握工业机器人控制柜与工业机器人本体的线路连接。3）掌握机器人控制器的上电开机及手、自动的调节。难点：4）掌握机器人控制柜I/O板的分布。教学方法课堂讲授（PPT授课+小组讨论）主要内容及步骤备注教学过程一、组织教学：组织课堂，介绍本节课程的体系结构，告知学习的基本要求。二、课题导入：工业机器控制器的结构和基础操作；工业机器人控制器的基本功能和分类新课讲授：机器人控制柜I/O板的分布，制器的上电开机及手、自动的调节。与工业机器人本体的线路连接。控制器的结构、基本功能及分类。四、强化巩固利用实际生活中接触的例子加强巩固五、总结拓展1.课堂内容总结 2.布置作业小组讨论授课效果分析总结教学内容课堂互动一、组织教学介绍本门课程的学习内容及知识体系结构，提出课程学习的基本要求，强调本门课程的上课时间、地点。推荐教材：《工业机器人技术及应用》活页式教材二、课题导入我们学习了机器人本体结构以及分类，那么思考：工业机器人的是靠什么来控制的呢？导入：上次课堂上我们学习了工业机器人本体的结构，本次课堂上我们学习工业机器控制系统，为什么可以自己动起来呢？是什么驱使机器人本体能进行控制的呢？新课讲授工业机器人控制系统（如果说工业机器人本体是机器人的“肢体”，那么控制系统则是工业机器人的“大脑”和“心脏”。工业机器人控制系统是根据指令以及传感信息控制工业机器人完成一定动作或作业任务的装置，是决定工业机器人功能和性能的主要因素，也是工业机器人系统中更新和发展最快的部分。（一）工业机器人控制器的结构工业机器人控制器由计算机硬件、软件和一些专用电路构成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学、动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断、自保护功能软件等，它处理机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。工业机器人控制器的功能模块包括：（1）计算机模块；（2）电机驱动单元模块；（3）机箱控制模块；（4）分布式输入/输出&通讯模块。（三）工业机器人控制器分类控制器是完成工业机器人控制功能的结构实现。依据控制系统的开放程度，机器人控制可分为3类：封闭型、开放型和混合型。目前应用中的工业机器人控制系统，基本上都是封闭型系统（如日系机器人）或混合型系统（如欧系机器人）。按计算机结构、控制方式和控制算法的处理方法，机器人控制器又可分为集中式控制和分布式控制两种方式。集中式控制器集中式控制器利用一台微型计算机实现系统的全部控制功能，早期机器人常采用这种结构。集中式控制器的优点是硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易于实现系统的最优控制，整体性与协调性较好。基于PC的系统硬件扩展较为方便。但其缺点也显而易见：系统控制缺乏灵活性，控制危险容易集中，一旦出现故障，其影响面广，后果严重；由于工业机器人的实时性要求很高，当系统进行大量数据计算时，会降低系统实时性，系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突；此外系统连线复杂，会降低系统的可靠性。2.分布式控制器分布式控制器主要思想是“分散控制，集中管理”，即系统对其总体目标和任务可以进行综合协调和分配，并通过子系统的协调工作来完成控制任务，整个系统在功能、逻辑和物理等方面都是分散的。子系统是由控制器和不同被控对象或设备构成的，各个子系统之间通过网络等进行相互通信。分布式控制结构提供了一个开放、实时、精确的机器人控制系统。分布式系统中常采用两级控制方式，由上位机和下位机组成。上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等，下位机由多CPU组成，每个CPU控制一个关节运动。上、下位机通过通信总线（如RS-232、RS-485、以太网等）相互协调工作。分布式控制系统的优点在于系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。机器人本体与控制柜之间需要连接三条电缆及连接将标注为XP1的动力电缆插头接入控制柜XS1端口，如图6-2所示。将SMB电缆（直头）接头插入到控制柜XS2端口，如图6-3所示。将示教器电缆（红色）的接头插入到控制柜XS4端口，如图6-4所示。图6-2动力电缆接入控制柜图6-3SMB电缆接入控制柜图6-4示教器电缆接入控制柜（五）工业机器人控制器的基础操作工业机器人控制器上下电开关、急停按钮、手、自动切换，如表6-1所示。机器人状态表6-1工业机器人控制器上的主要开关按钮机器人状态电源总开