工业机器人基础与实用教程(课件)全书课件完整版全套教学教程最全电子教案电子讲义.ppt
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1、认识工业机器人认识工业机器人任务任务2 2 工业机器人操作基础工业机器人操作基础【任务实施】【任务实施】本任务主要对工业机器人的操作基础,帮助读者系统地建立工业机器人的整体概念。并在此基础上进一步熟悉操作注意事项,为实际操作打下基础。【任务目标】【任务目标】1、了解工业机器人的系统组成 2、理解工业机器人的操作基础 【知识链接】【知识链接】一、认识工业机器人的系统组成一、认识工业机器人的系统组成 工业机器人一般来说,由三大部分6个子系统组成。三大部分是机械部分、传感部分和控制部分。6个子系统可分为机械结构系统、驱动系统、感知系统、机器人环境交互系统、人机交互系统和控制系统。具体而言,机械部分是
2、机器人所需要的操作机械,例如机械手腕、机械臂部、行走设备等,这是构成机器人运行的主体。大多数工业机器人有36个运动自由度,其中腕部通常有13个运动自由度。传感部分主要功能是将计算机控制命令转化成为机械语言,进而实现该命令。控制部分是按照输入流程,对驱动程序、执行机构发出指令信息,并对其进行信息控制。如图1-8所示是工业机器人组成框图。图1-8 从机械结构来看,工业机器人总体上分为串联机器人和并联机器人。串联机器人的特点是一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点,如图1-9所示是串联机器人,而并联机器人一个轴运动则不会改变另一个轴的坐标原点,如图1-10所示是并联机器人。图1-9图1-10 早期的工
3、业机器人都是采用串联机构。并联机构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。并联机构有两个构成部分,分别是手腕和手臂。手臂活动区域对活动空间有很大的影响,而手腕是工具和主体的连接部分。与串联机器人相比较,并联机器人具有刚度大、结构稳定、承载能力大、微动精度高、运动负荷小的优点。在位置求解上,串联机器人的正解容易,但反解十分困难;而并联机器人则相反,其正解困难,反解却非常容易。驱动系统是向机械结构系统提供动力的装置。根据动力源不同,驱动系统的传动方式分为液压式、气压式、电气式和机械式4种。早期的工业机器人采用液压驱动。由于液
4、压系统存在泄露、噪声和低速不稳定等问题,并且功率单元笨重和昂贵,目前只有大型重载机器人、并联加工机器人和一些特殊应用场合使用液压驱动的工业机器人。气压驱动具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等优点。但是气压装置的工作压强低,不易精确定位,一般仅用于工业机器人末端执行器的驱动。气动手抓、旋转气缸和气动吸盘作为末端执行器可用于中、小负荷的工件抓取和装配。电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式,其特点是电源取用方便,响应快,驱动力大,信号检测、传递、处理方便,并可以采用多种灵活的控制方式,驱动电机一般采用步进电机或伺服电机,目前也有采用直接驱动电机,但是造价较高,控制也较为复杂,和电机相配的减速
5、器一般采用谐波减速器、摆线针轮减速器或者行星齿轮减速器。由于并联机器人中有大量的直线驱动需求,直线电机在并联机器人领域已经得到了广泛应用。机器人感知系统把机器人各种内部状态信息和环境信息从信号转变为机器人自身或者机器人之间能够理解和应用的数据和信息,除了需要感知与自身工作状态相关的机械量,如位移、速度和力等,视觉感知技术是工业机器人感知的一个重要方面。视觉伺服系统将视觉信息作为反馈信号,用于控制调整机器人的位置和姿态。机器视觉系统还在质量检测、识别工件、食品分拣、包装的各个方面得到了广泛应用。感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成,智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平
6、。机器人环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。机器人与外部设备集成为一个功能单元,如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。当然也可以是多台机器人集成为一个去执行复杂任务的功能单元。人机交互系统是人与机器人进行联系和参与机器人控制的装置。例如:计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板、危险信号报警器等。控制系统的任务是根据机器人的作业指令以及从传感器反馈回来的信号,支配机器 人的执行机构去完成规定的运动和功能。如果机器人不具备信息反馈特征,则为开环控制系统;具备信息反馈特征,则为闭环控制系统。根据控制原理可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运动的
7、形式可分为点位控制和连续轨迹控制。二、工业机器人的操作基础二、工业机器人的操作基础 机器人是由两部分组成:机器人本体和机器人控制器(柜),如图1-11所示。图1-11 机器人本体也可以称为机械人或操作机,是工业机器人的机械主体,是用来完成规定任务的执行机构,主要由机械臂、驱动装置、传动装置和内部传感器组成。对于六轴垂直多关节机器人来说,机械臂则包括了基座、腰部、手臂(大臂和小臂)、手腕和手部。如图1-12所示,左边部分是六轴垂直多关节机器人机械臂各部分名称,那么水平多关节机器人机械臂的各部分名称,如图1-12所示。图1-12 (1)基座是机器人的支撑基础,整个执行机构和驱动传动装置都安装在基座
8、上。作业过程中,基座还要能够承受起外部作用力,臂部的运动越多基座的受力越复杂。工业机器人基座安装方式主要有两种一种是直接固定在地面上;一种是安装在移动装置上。(2)腰部一般是与基座相连接的回转机构,可以与基座做成一个整体。有时为了扩大工作空间,也可以通过导杆和导槽在基座上移动。腰部是机器人整个手臂的支撑部分,还带动手臂、手腕和末端执行器在空间回转,同时决定了它们所能到达的回转角度范围。(3)手臂是连接手臂和手腕的部分,由操作机的动力关节和连接杆等组成。它又称为主轴,是执行机构中的重要运动部件,作用是改变手腕和未端执行器的空间位置,以满足机器人的作业空间,并将各种载荷传递到基座。(4)手腕是连接
9、末端执行器和手臂的部分,将作业载荷传递到臂部,也称为次轴,它的作用是支撑腕部和调整或改变末端执行器的空间位姿,因此它具有独立的自由度,从而使末端执行器完成复杂的动作。机器人手腕运动一般分为回转手腕和摆动手腕,如图1-13所示,回转手腕又称R腕是一种回转关节,摆动手腕又称B腕是一种摆动关节。图1-13 通常六轴垂直多关节机器人的手腕自由度是3,这样能够使末端执行器处于空间任意姿态,如图1-14所示。图1-14 手腕由R腕和B腕组合而成。常用手腕结构形式有RBR型和3R型,其结构如图1-15所示。两种手腕结构的运用各不相同,常用的是RBR型,而喷涂行业一般采用3R型。图1-15 (5)机器人本体轴
10、可分为两类:基本轴(又称主轴),用于保证末端执行器达到工作空间的任意位置。腕部轴(又称次轴),用于实现末端执行器的任意空间姿态。六轴垂直多关节机器人的机械臂有6个可活动关节,对应6个机器人本体轴。四大机器人家族对其本体轴(六轴)的定义如图1-16所示,本体轴的类型如表1-2所示。图1-16四大四大家族家族基本轴(主轴基本轴(主轴腕部轴(次轴)腕部轴(次轴)第1轴第2轴第3轴第4轴第5轴第6轴ABB轴1轴2轴3轴4轴5轴6KUKAA1A2A3A4A5A6YASKAWAS轴L轴U轴R轴B轴T轴FANUCJ1J2J3J4J5J6表1-2 机器人控制器系统主要由主计算机板、机器人计算机板、快速硬盘、网
11、络通信计算机、示教器、驱动单元、通信单元和电力版组成。变压器、主计算机、轴计算机、驱动板、串口测量和编码器组成伺服驱动系统,对位置、速度和电机电流进行数字化调整。如图1-17所示,是工业机器人控制器框图。图1-17 机器人的控制器相当于人类的大脑,工业机器人的控制器主要包括两个部分第一是控制柜,控制柜中包含了多个PLC控制模块,用于控制机器人六轴或N轴的运动。第二就是示教器,示教器是人机掌控的连接器,可用于编程和发送控制命令给控制柜以命令机器人运动。工业机器人的控制器是由控制器硬件与控制器软件组成的,其中控制器的软件部分就相当于机器人的“心脏”。如图1-18所示,是操作机器人本体结构图。图1-
12、18认识工业机器人任务任务3 3 认识工业机器人性能和技术参数认识工业机器人性能和技术参数【任务描述】【任务描述】本任务主要讲述了工业机器人的性能特征、主要技术参数和IRB120机器人的特点、控制器、相关参数等内容。IRB120是 ABB工业机器人的典型产品,近几年已经使用于学校、培训机构等教育教学中。【任务目标】【任务目标】1、了解工业机器人的性能特征、主要技术参数 2、理解IRB120工业机器人的控制器面板、示教器、以及相关参数【知识链接】【知识链接】一、工业机器人的性能特征一、工业机器人的性能特征 相比于传统的工业设备,工业机器人有众多的优势,如易用性、智能化水平高、生产效率、安全性高、
13、易于管理、经济效益显著以及可以在高危环境下进行作业等。1、工业机器人的易用性:在我国,工业机器人广泛应用于制造业,不仅仅应用于汽车制造业,大到航天飞机的生产,军用装备,高铁的开发,小到圆珠笔的生产都有广泛的应用。并且已经从较为成熟的行业延伸到食品,医疗等领域。由于机器人技术发展迅速,与传统工业设备相比,不仅产品的价格差距越来越小,而且产品的个性化程度高,因此在一些工艺复杂的产品制造过程中,可以让工业机器人替代传统设备,这样就可以在很大程度上提高经济效率。2、工业机器人的智能化水平高:随着计算机控制技术的不断进步,工业机器人将逐渐能够明白人类的语言,同时工业机器人可以完成产品的组件,这样就可以让
14、工人免除复杂的操作。工业生产中焊接机器人系统不仅能实现空间焊缝的自动实时跟踪,而且还能实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制,可以满足技术产品复杂的焊接工艺及其焊接质量、效率的迫切要求。另外随着人类探索空间的扩展,在极端环境如太空、深水以及核环境下,工业机器人也能利用其智能将任务顺利完成。3、工业机器人的生产效率及安全性高:机械手,顾名思义,通过仿照人类的手型而生产出来的机械手,它生产一件产品耗时是固定的。同样的生存周期内,使用机械手的产量也是固定的,不会忽高忽低。并且每一模的产品生产时间是固定化,产品的成品率也高,使用机器人生产更符合老板利益。工厂采用工业机器人生产,是可以解决很多安全生
15、产方面的问题。对于由于个人原因,如不熟悉工作流程、工作疏忽、疲劳工作等导致安全生产隐患,统统都可以避免了。4、工业机器人易于管理,经济效益显著:企业可以很清晰的知道自己每天的生产量,根据自己所能够达到的产能去接收订单和生产商品。而不会去盲目预估产量或是生产过多产品产生浪费的现象。而工厂每天对工业机器人的管理,也会比管理员工简单得多。工业机器人可以24小时循环工作,能够做到生产线的最大产量,并且无需给予加班的工时费用。对于企业来说,还能够避免员工长期高强度工作后产生的疲劳、生病带来的请假等误工的情况。生产线换用工业机器人生产后,企业生产只需要留下少数能够操作维护工业机器人的员工对工业机器人进行维
16、护作业就可以了。经济效益非常的显著。二、工业机器人主要技术参数二、工业机器人主要技术参数 工业机器人的主要技术参数包括:自由度、工作范围、工作精度、承载能力、最大工作速度等。(1)自由度,是描述物体运动所需要的独立坐标轴的数目。自由物体在空间有6个自由度,即3个移动自由度和3个转动自由度。如果机器人是一个开式连杆系统,而每个关节运动又只有一个自由度,那么机器人的自由度数就等于它的关节数。目前生产中应用的机器人通常具有46个自由度。如图1-19所示,是IRB120机器人六轴6个自由度。图1-19 (2)工作范围,机器人的工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心运动时所能到达的所有点的集合,也叫工作区
17、域。因为末端执行器形状和尺寸多种多样,工作范围一般指不安装末端执行器时的工作区域。工作范围的形状和大小十分重要,机器人在执行作业时可能会因为手部不能到达作业死区不能完成任务。如图1-20所示,是 IRB120工业机器人的作业范围(单位:mm),其中阴影部分是其可以到达范围。图1-20 (3)工作精度,工业机器人的工作精度主要指定位精度和重复定位精度。定位精度是指工业机器人末端执行器的实际到达位置与目标位置之间的偏差。重复定位精度(又称为重复精度)是指工业机器人在同一环境、同一条件、同一目标动作及同一命令下,工业机器人连续运动若干次重复定位至同一目标位置的能力。(4)承载能力,工业机器人的承载能
18、力又称为有效负载,指机器人在工作时臂端可能搬运的物体质量或所能承受的力。当关节型机器人的臂杆处于不同位姿时,其负载能力是不同的。机器人的额定负载能力是指其臂杆在工作空间中任意位姿时腕关节端部所能搬运的最大质量。如表1-3所示,不同类型机器人所承载的能力。表1-3 (5)最大工作速度,机器人的最大工作速度是指机器人主要关节上最大的稳定速度或手臂末端最大的合成速度,因生产厂家不同而标注不同,一般都会在技术参数中加以说明。工作速度越高,工作效率越高,但是,工作速度越高就要花费更多的时间去升速或降速,或者对机器人最大加速度的要求更高。三、三、IRB120工业机器人工业机器人 1、IRB120工业机器人
19、的控制器工业机器人的控制器 IRB120工业机器人的控制器,采用IRC5 Compact控制柜,如图1-21所示,是IRC5 Compact控制柜前面板,如表1-4所示,是IRC5 Compact控制柜前面板说明。图1-21表1-42、IRB120机器人的特点机器人的特点 IRB120是ABB新型第四代机器人家族的最新成员,也是迄今为止ABB制造的最小机器人,IRB120具有以下特点:(1)紧凑轻量。IRB120在紧凑空间内凝聚了ABB产品系列的全部功能与技术。其重量减至仅25Kg,结构设计紧凑,几乎可安装在任何地方,比如工作站内部,机械设备上方,或生产线上其他机器人的近旁。(2)易于集成。I
20、RB120仅重25kg,出色的便携性与集成性,使其成为同类产品中的佼佼者。该机器人的安装角度不受任何限制。机身表面光洁,便于清洗;空气管线与用户信号线缆从底脚至手腕全部嵌入机身内部,易于机器人集成。(3)优化工作范围。除水平工作范围达580mm以外,IRB120还具有一流的工作行程,底座下方拾取距离为112mm。IRB120采用对称结构,第2轴无外凸,回转半径极小,可靠近其他设备安装,纤细的手腕进一步增强了手臂的可达性。(4)快速、精准、敏捷。IRB120配备轻型铝合金马达,结构轻巧、功率强劲,可实现机器人高加速运行,在任何应用中都能确保优异的精准度与敏捷性。(5)紧凑型控制器。ABB新推出的
21、这款紧凑型控制器高度浓缩了IRC5的顶尖功能,将以往大型设备“专享”的精度与运动控制引入了更广阔的应用空间。除节省空间之外,新型控制器还通过设置单相电源输入、外置式信号接头(全部信号)及内置式可扩展16路O系统,简化了调试步骤。离线编程软件 Robotstudio可用于生产工作站模拟,为机器人设定最佳位置,还可执行离线编程,避免发生代价高昂的生产中断或延误。小型机器人的最佳“拍档”。(6)缩小占地面积。紧凑化、轻量化的IRB120机器人与IRC5紧凑型控制器这两种新产品的完美结合,显著缩小了占地面积,最适合空间紧张的应用场合。(7)用途广泛。IRB120广泛适用于电子、食品饮料、机械、太阳能、
22、制药、医疗、研究等领域,进一步增强了ABB新型第四代机器人家族的实力。这款6轴机器人最高荷重3kg(手腕(五轴)垂直向下时为4kg),工作范围达580mm,能通过柔性(非刚性)自动化解决方案执行一系列作业。IRB120是实现高成本效益生产的完美之选,在有限的生产空间其优势尤为明显。3、IRB120工业机器人参数工业机器人参数 IRB120工业机器人已被用于学校教育教学和企业实践培训等,因此可以通过使用手册进行查找此机器人的使用说明和技术参数。如下表所示是ABB IRB120工业机器人参数示例表。规格规格型号型号IRB120-3/0.6IRB120-3/0.6工作范围580mm有效载荷3kg(4
23、kg)手臂载荷0.3kg特性集成信号源手腕设10路信号集成气源手腕设4路空气(5bar)重复定位精度0.01mm机器人安装任意角度防护等级IP30控制器IRC5紧凑型/IRC5单柜型运动范围轴1旋转工作范围:+165-165;最大速度250/s轴2手臂工作范围:+110-110;最大速度250/s轴3手臂工作范围:+70-90;最大速度250/s轴4手腕工作范围:+160-160;最大速度320/s轴5弯曲工作范围:+120-120;最大速度320/s轴6翻转工作范围:+400-400;最大速度420/s电气连接电源电压200600V,50/60Hz变压器额定功率3.0kVA功耗0.25kW物
24、理特性机器人底座尺寸180mmX180mm机器人高度700mm质量25Kg认识工业机器人任务任务4 4 工业机器人关键技术、安装与调试工业机器人关键技术、安装与调试【任务描述】【任务描述】本任务主要对工业机器人的关键技术以及安装与调试方法进行介绍,读者要在理解工业机器人关键技术的基础上,了解其安装与调试方法。同时,特别注意对安全注意事项学习,为实际操作打下基础,树立安全意识。【任务目标】【任务目标】1、理解工业机器人的关键技术 2、了解工业机器人的安装过程 3、了解工业机器人的调试 方法【知识链接】【知识链接】一、工业机器人的关键技术一、工业机器人的关键技术1、本体设计关键技术、本体设计关键技
25、术 (1)传动结构设计。拟定总体方案,确定机器人的结构形式,并据此进行初步的传动结构设计,零件结构设计,三维建模。要求设计者对机器人常见的结构形式,常见的传动原理和传动结构,减速器的类型和特点非常的熟悉和了解,要有较强的结构设计能力和经验。(2)减速器选型。要对减速器的结构类型,性能参数的含义有深刻理解,会对减速器进行选型和计算校核。要会对减速器进行检测、测试,检测的内容主要包括噪音、抖动、输出扭矩、扭转刚度、背隙、重复定位精度和定位精度等。减速器的振动会引起机器人末端的抖动,降低机器人的轨迹精度。减速器振动有多种原因,其中共振是共性的问题,机器人企业必须掌握抑制或者避免出现共振的方法。(3)
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