第13次課 IndustrialRobot工業(yè)機器人 Unit5IndustrialRobot 1 Introduction2 ProgrammingaRobot 單詞 工業(yè)機器人 可再編程的 液壓的 氣動的 機電的 工件封裝 圓柱狀的 梯形邏輯圖 industryrobot reprogrammable hydraulic pneumatic electromechanical cylindrical ladderlogic 開環(huán) open loop 閉環(huán) closed loop Workenvelop 單詞 fiction companionship anatomy similarity evolve gripper auxiliary 虛構(gòu) 想象 陪伴 生物體 結(jié)構(gòu) 相似之處 演化 演變 輔助的 補充的 夾持器 pendant joy stick 操縱桿 懸掛式操縱板 操作面板 keypad 鍵盤 gantry 臺架 potential 潛在的 1 Introduction Industrialrobotarerelativelynewelectromechanicaldevicesthatarebeginningtochangetheappearanceofmodernindustry 工業(yè)機器人是相對來說較新的機電設(shè)備 它已經(jīng)開始改變現(xiàn)代工業(yè)的面貌 Industrialrobotsarenotlikethesciencefictiondevicesthatpossesshuman likeabilitiesandprovidecompanionshipwithspacetravelers 工業(yè)機器人不像科幻小說中的那個模樣具有人一樣的能力并且能與其它移動物建立友誼 1 Introduction Researchtoenablerobotsto see hear touch and listen hasbeenunderwayfortwodecadesandisbeginningtobearFruit However thecurrenttechnologyofindustrialrobotsissuchthatmostrobotscontainonlyanArmratherthanalltheanatomyahumanpossesses 機器人能夠看見聽到觸覺聽的研究已經(jīng)進行了20多年 現(xiàn)在開始開花結(jié)果了 然而 通常所說的工業(yè)機器人技術(shù)是是大多數(shù)機器人只包含了一條臂而不是擁有人解剖學(xué)的全部結(jié)構(gòu) 1 Introduction Currentcontrolonlyallowsthesedevicestomoveformpointtopointinspace performingrelativelysimpletasks 通常的控制只允許這些機器人在空間上從點到點的移動 完成相對簡單的工作 1 Introduction TheRoboticsInstituteofAmericadefinesarobotsas areprogrammablemultifunctionmanipulatordesignedtomovematerial parts tools orotherspecializeddevicesthroughvariableprogrammedmotionsfortheperformanceofavarietyoftasks 1 美國機器人學(xué)會定義機器人為 一個可再編程序 多功能的機器手 它通過各種可編程的運行來完成不同的任務(wù) 用于搬運原料 零件 刀具 以及專用裝置 如果認(rèn)為不同類型的加工有不同的作用 1 Introduction ANCmachiningcenterwouldbequalifiedasarobotifonecaninterpretdifferenttypesofmachiningasdifferentfunctions MostmanufacturingengineersdonotconsideraNCmachiningcenterarobot eventhoughthesemachineshaveanumberofsimilarities 如果認(rèn)為不同類型的加工有不同的功能 那么一個數(shù)控加工中心也可以被認(rèn)為是機器人 大部分制造工程師認(rèn)為數(shù)控加工中心不是機器人 盡管他們有很多相似之處 1 Introduction ThepowerdriveandcontrollersofbothNCmachinesandrobotscanbequitesimilar Robots likeNCmachinescanbepoweredbyelectricalmotors hydraulicsystems orpneumaticsystems 數(shù)控機構(gòu)和機器人的動力驅(qū)動和控制十分相似 像數(shù)控機構(gòu)一樣機器人能夠由電機 液壓系統(tǒng) 氣壓系統(tǒng)提供動力 1 Introduction Controlforeitherdevicecanbeeitheropen looporclosed loop InfactmanyofthedevelopmentsusedinroboticshaveevolvedformtheNCindustry andmanyofthemanufacturersofrobotsalsomanufactureNCmachinesorNCcontrollers 兩種設(shè)備都能由開環(huán)控制或閉環(huán)控制 實際上 許多應(yīng)用于機器人發(fā)展技術(shù)由數(shù)控工業(yè)演變過來并且許多機器人制造商也制造數(shù)控機床和數(shù)控控制器 1 Introduction Aphysicalrobotisnormallycomposedofamainframe orarm withawristandsometooling usuallysometypeofgripper attheendoftheframe 2 Anauxiliarypowersystemmayalsobeincludedwiththerobot 實際的機器人由帶有腕 或稱為臂 的主機身和機器端部的工具 通常是某些的支撐器 組成 機器人也可能有一個輔助動力系統(tǒng) 1 Introduction Acontrollerwithsometypeofteachpendant joy stick orkey padisalsopartofthesystem AtypicalroboticsystemisshowninFig5 1 機器人系統(tǒng)還包括一個有一些示教板 操作桿 鍵盤 一種典型的機器人系統(tǒng)如圖5 1 1 Introduction Robotsareusuallycharacterizedbythedesignofthemechanicalsystem ArobotwhosemainframeconsistsofthreelinearaxesiscalledaCartesianrobot TheCartesianrobotderivesitsnamefromthecoordinatesystem Travelnormallytakesplacelinearlyinthree space 機器人特點通常由機械系統(tǒng)的設(shè)計表現(xiàn) 一個主要框架包括三條移動軸的機器人稱為笛卡爾機器人 笛卡爾機器人它的名字來源于笛卡爾坐標(biāo)系沿三維空間的直線移動 1 Introduction SomeCartesianrobotsareconstructedlikeagantrytominimizedeflectionalongeachoftheaxes Theserobotsarereferredtoasgantryrobots 一些笛卡爾機器人由龍門結(jié)構(gòu)構(gòu)成以便使沿每個軸的偏差最小 這些機器人稱為龍門機器人 1 Introduction Fig 5 2showsexamplesofCartesianrobots Theserobotsbehaveandcanbecontrolledsimilarlytoconventionalthree axisNCmachines 3 Gantrystructurearegenerallythemostaccuratephysicalstructureforrobots 圖5 2展示了笛卡爾機器人 這些機器人的動作控制都相似于傳統(tǒng)的三坐標(biāo)機床 龍門結(jié)構(gòu)一般來說是最準(zhǔn)確的機器人實際結(jié)構(gòu) 1 Introduction Gantryrobotsarecommonlyusedforassemblywheretighttoleranceandexactlocationarerequired 龍門機器人通常用于公差較小和位置度要求較高的裝配中 1 Introduction Acylindricalrobotiscomposedoftwolineraxesandonerotaryaxis Thisrobotderivesitsnamefromtheworkenvelope thespaceinwhichitoperates whichiscreatedbymovingtheaxesfromlimittolimit 圓柱機器人由兩個移動軸和一個旋轉(zhuǎn)軸組成 這種機器人的名稱來源自包圍軌跡 它的功作范圍 它由軸移動的極限位置構(gòu)成 1 Introduction Fig 5 3showstypicalcylindricalrobots cylindricalrobotsareusedforavarietyofapplications butmostfrequentlyformaterial handlingoperations 圖5 3展示了典型的圓柱機器人 圓柱機器人有許多應(yīng)用 最常見的是材料的搬運操作 2 ProgrammingaRobot ProgrammingaRobot給機器人編程Inorderforadevicetoqualifyasarobot itmustbeeasilyreprogrammable 為了使設(shè)備具有資格作為機器人 它必須是容易可再編程的 2 ProgrammingaRobot Nonprogrammablemechanisms regardlessoftheirpotentialflexibilitybyreassemblyorrewiring donotbequalifiedasrobots 4 Aclassofdevicesthatfitthiscategoryarefixedorvariable sequencerobots 不可編程的機構(gòu) 無論其通過重新裝配或再接線可實現(xiàn)的潛在柔性有多大 也不能算作機器人 許多這類設(shè)備是固定的或可變的序列機器人 2 ProgrammingaRobot Manyoftheserobotsarepneumaticallydriven Ratherthancontrollingtherobotpath thedeviceisdriventofixedstopsorswitchesviasomeformofladderlogic 很多這樣的機器人是由氣壓驅(qū)動的 這種機器人借助某種梯形邏輯圖被驅(qū)動至一些固定的擋塊或行程開關(guān)處 而不是控制它的軌跡 2 ProgrammingaRobot Althoughtheladderprogrammingqualifiesforthedefinitionofarobot theswitchesorstopsmustnormallybephysicallymovedinordertoalterthetasksbeingperformed 5 雖然梯形圖編程可滿足機器人的運動要求 但行程開關(guān)和擋塊必須正常的被整體移動 以改變所需執(zhí)行的工作任務(wù) 2 ProgrammingaRobot Driveactuatorsormotorsareturned on or off dependingonthedesiredsequenceoftasksandswitchstates Robotoperationsforthistypeofsystemarenormallylimitedtorathersimpleapplications 動力執(zhí)行器或發(fā)動機打開到 開 或 關(guān) 取決于工序的要求和轉(zhuǎn)換狀態(tài) 機器人對這類系統(tǒng)的操作通常局限于相當(dāng)簡單的應(yīng)用 2 ProgrammingaRobot Programmingofmoreconventionalrobotsnormallytakesoneofthreeform 1 walk throughorpendantteaching 2 lead throughteaching or 3 offlineprogramming 傳統(tǒng)機器人的程序通常采用以下三個形式之一 1 操作器或示教板編程 2 導(dǎo)入式程序 3 脫機編程 2 ProgrammingaRobot Eachrobotnormallycomeswithoneormoreofthesetypesofprogrammingsystems Eachhasadvantagesanddisadvantagesdependingontheapplicationbeingconsidered 每個機器人通常具有一個或更多這種程序類型的系統(tǒng) 每種形式的優(yōu)缺點依不同的應(yīng)用而不同 2 ProgrammingaRobot Walk throughorpendantteachingorprogrammingisthemostcommonlyusedrobotprogrammingprocedure Inthistypeofprogramming apendantthatnormallycontainsoneormorejoysticksisusedtomovetherobotthroughoutitsworkenvelope 操作器或示教板編程是最常用的機器人編程方式 這種類型編程 Apendant 懸掛操作板 通常包括幾個用于使機器人在它工作范圍移動的操作桿 2 ProgrammingaRobot Attheendofeachteachpoint thecurrentrobotpositionissaved AswasthecasewithNCmachines somerobotsallowtheprogrammertheoptionofdefiningthepathbetweenpoints 在每個工序的終點 機器人的位置被保存 像數(shù)控機床一樣 一些機器人允許編程人員選擇定義兩點間路線 2 ProgrammingaRobot Again theserobotsarecalledcontinuous pathsystems Systemsthatdonotallowtheusertospecifythepathtakenarecalledpoint to pointsystems Manycontinuous pathrobotsallowtheusertodefinethepathtobetakenbetweensuccessivepoints Thatis theusermaydefineastraight line circular orjoint interpolatedpath 另外 這些機器人被稱為連續(xù)路徑系統(tǒng) 不允許用戶指定路徑的系統(tǒng)稱為點到點系統(tǒng) 許多連續(xù)路徑機器人允許用戶定義在兩個主要點之間連線的路徑 那么 用戶可以定義直線 圓弧的 關(guān)節(jié) 插補的路徑 2 ProgrammingaRobot Inastraight linepath therobotsmovebetweensuccessivepointsinastraight lineinCartesianspace Circularmoves asthenameimplies takeplaceincirclesalongoneofthemajorplanes 6 Thepaththattherobottakesusingajoint interpolationschemeisnotalwayseasytodetermine 在直線路徑中 機器人在笛卡爾空間中 在直線連續(xù)端點間移動 顧名思義 圓弧運動就是在某一主平面上沿圓弧運動 機器人以關(guān)節(jié)插補方案執(zhí)行的路線很不容易確定 2 ProgrammingaRobot Injointinterpolation eachoftherobotjointsismovedataconstantratesothatalltheaxesstartandstopatthesametime 7 ForCartesianrobots straight lineandjoint interpolationschemesproducethesamepath Fortheothertypesofrobotsystems thisisnottrue 在關(guān)節(jié)插補中 機器人的每一關(guān)節(jié)都以一恒定速度移動以保證所有的軸同時啟動和停止 對于笛卡爾機器人 直線和結(jié)點插補方案產(chǎn)生相同的路徑 對于其他類型機器人系統(tǒng) 這不成立 2 ProgrammingaRobot Pendantprogrammingsystemsnormallyhavesupplementalcommandsthatallowtheprogrammertoperformauxiliaryoperationssuchasclosetheend effector wait pause checkthestatusofaswitchorseveralswitches returnarequiredstatustoamachine etc 操作器編程系統(tǒng)通常提供允許編程人完成輔助操作的命令 如關(guān)閉終端 等待 暫停 檢查一種或幾種轉(zhuǎn)換狀態(tài) 返回全部狀況給機床 等等 2 ProgrammingaRobot Theprogrammerwalkstherobotthroughthenecessarystepsrequiredtoperformatask savingeachintermediatestepalongwiththeauxiliaryinformation TheteachpendantusedtoprogramtheFanucMIrobotisshowninFig 5 4 編程人員使機器人走過要求完成一項工作的必要步驟 保存每一中間步驟和輔助的信息 用于給FanucM1機器人編程的操作器 如圖5 4所示 2 ProgrammingaRobot Lead throughprogrammingisoneofthesimplestprogrammingproceduresusedtoprogramarobot Asthenameimplies theprogrammersimplyphysicallymovestherobotthroughtherequiredsequenceofmotions Therobotscontrollerrecordsthepositionandspeedastheprogrammerleadstherobotthroughtheoperation 導(dǎo)入式程序是最簡單的機器人程序設(shè)計過程之一 顧名思義 編程人只需根據(jù)需要的運動順序進行機器人的實際移動 機器人控制器反饋它的位置并且像編程人一樣引導(dǎo)機器人完成操作 2 ProgrammingaRobot Thepowerisnormallyshutdownwhiletheprogrammerisleadingtherobotthroughthenecessarymoves sothattherobotwillnotwillnotgenerateany glitches thatmightinjuretheoperator 當(dāng)編程人員負(fù)責(zé)引導(dǎo)機器人完成必要動作時 動力降低以便機器人不產(chǎn)生傷害操作人員的 小毛病 2 ProgrammingaRobot Althoughlead throughprogrammingistheeasiestprogrammingmethodlearn itdoesintroducesomeseverelimitationstotherobot sapplication Forinstance whentherobotisbeingledthroughtheoperation theoperatorcarriestheweighoftherobot 盡管導(dǎo)入式編程是最容易學(xué)的程序語言 但它也反映了一些機器人應(yīng)用的限制 例如 當(dāng)機器人正在進行操作時 操作人員搬運機器人 2 ProgrammingaRobot Thegears motorandleadscrewmayintroduceafalseresolverreading sothatwhentheweightofrobot andperhapsapart mustbesupportedbythesystemtheactualend effectorpositionmaybesignificantlydifferentfromthepositiontaughttotherobot 齒輪 電動機和絲杠會引入錯誤的運算讀數(shù)值 這樣當(dāng)機器人的重量 也許是工件的重量必須由系統(tǒng)承擔(dān)時 端部執(zhí)行器的實際位置可能與機器人的訓(xùn)練位置有很大差異 2 ProgrammingaRobot Anotherproblemwiththismethodisthatsincethepositionandspeedarerecordedastherobotisbeingledthroughthedesiredpath asignificantamountofdataaregenerated Thisdatamustbestoredandlaterrecalled 這種方式的另一個問題是 由于機器人被指引通過期望的路徑時 機器人的位置和速度會被記錄 產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信號 這些數(shù)據(jù)必須進行存儲之后調(diào)用 2 ProgrammingaRobot Storageandretrievalspaceandtimecancausetheprogrammerproblems Perhapsthemajorproblemassociatedwithlead throughprogrammingisthatthehumanwholeadstherobotthroughtheprocessiscapableofonlyfiniteaccuracyandmayintroduceinconsistenciesintotheprocess 存儲和重新調(diào)用的空間和時間可能會引起匯編器問題 也許導(dǎo)入式編程的主要問題是引導(dǎo)機器人完成工藝過程的人僅能夠達到有限的準(zhǔn)確度 可能引起工藝過程的不協(xié)調(diào) 2 ProgrammingaRobot Human inducederrorsandinaccuracieseliminatesomeofthemajoradvantagesofusingrobots 人為錯誤和不準(zhǔn)確性削弱了使用機器人的優(yōu)點 2 ProgrammingaRobot Offlineprogrammingforrobotsisarelativelynewtechnologythatprovidesseveraladvantagesoverbothlead throughandteachprogramming TheprinciplesofofflineprogrammingaresimilartousinganofflinelanguagesuchasAPTforNCprogramming 脫機編程對機器人來說是相對較新的技術(shù) 它能夠提供導(dǎo)入式和控制板編程的一些優(yōu)點 脫機編程的規(guī)律與對數(shù)控技術(shù)應(yīng)用脫機語言類似 2 ProgrammingaRobot SeverallanguageshavebeendevelopedatmajoruniversitiesaswellinindustrythroughouttheU S ExamplesoftheselanguagesincludeVALcreatedbyUnimation AR BasicbyAmericanRobotCorp ARM BASICbyMicrobot Inc andAIM ByIBM 幾種脫機語言已經(jīng)在美國的主要大學(xué)和工業(yè)中發(fā)展 這些語言主要有Unimation的VAL 美國機器人協(xié)會的ARM BASIC Microbot Inc的ARM BASIC和IBM的AMI 2 ProgrammingaRobot Toillustrateofflineprogramming AR Basicwillbeused AR Basicallowstheuserto 為解釋說明脫機語言 AR Basic允許用戶 Definethepositionoftherobot定義機器人的位置Controlthemotionoftherobot控制機器人的運動Inputandoutputcontroldata輸入輸出控制數(shù)據(jù) 2 ProgrammingaRobot AR BasicisaninterpretiveBASICsystemthatemploysmanyofthesamefunctionsasthefamiliarBASICprogramminglanguage InAR Basic pointsandtoolsaredefinedasasetofprimitivedata Pointsaredefinedusingtheconvention 約定 協(xié)定 AR Basic系統(tǒng)的解釋 他采用的許多相同的功能采用了我們熟悉的basic程序語言 在InAR Basic中 點和刀具定義為初始化數(shù)據(jù) 點由以下協(xié)議定義X Y Z R P Y 2 ProgrammingaRobot WhereX Y andZaretheCartesianspaceoccupiedbytheend effector andR P andYaretheroll pitch 節(jié)距 andyawofthetool Eachofthepointdefinitionscanbespecifiedaseitherabsoluteorrelativepoint againdefinedinasimilarmannerasforNCmachines X Y Z表示由端部執(zhí)行器占據(jù)的笛卡爾空間 R P Y表示刀具旋轉(zhuǎn) 進給 節(jié)距 和刀具偏角 每個點的定義既可以是絕對的也可以是相對的 和數(shù)控機床有相似的規(guī)則 2 ProgrammingaRobot Tool definitioncommandsareusedtodefinethelocationofanytoolingthatmightberequiredforanopperation Thetooldefinationspecifiesthemidpointoftherobot sfaceplate andconsistsofthesamesixdatausedtodescribeapoint 刀具定義命令常用于定義操作要求的所有刀具的位置 刀具定義指定機器人面板的中心 包括與用于定義點相同的六個數(shù)據(jù) 2 ProgrammingaRobot Therobotissetintomotionusingasetofmotioncontrolcommands Themotioncommandsallowstheprogrammerto Definethetypeofpathtotake straight line circular orjoint coordinated 機器人通過運動控制命令執(zhí)行運動 運動命令允許編程人員定義采取的路徑類型 直線 圓弧 關(guān)節(jié) 協(xié)調(diào) 2 ProgrammingaRobot DefinetheendoftoolingspeedDefinetheframeofreferenceDescribethecurrenttooltip定義刀具的最終速度定義參考框架定義刀尖的類別 2 ProgrammingaRobot AR Basicalsoallowstheprogrammertoinputdatatoanydevicetowhichtherobotisinterfaced AnaloganddigitaldatacanbesenttoA Dconverters D Aconverters parallel orserialI Oports AR Basic也允許程序編譯人員輸入 輸出數(shù)據(jù)到與機器人連接的設(shè)備 模擬和數(shù)字信號可以傳送到模 數(shù) 數(shù) 模轉(zhuǎn)換器并行的或串行的I O口 2 ProgrammingaRobot Table5 1containsPointandTooldefinitionexamples Table5 2containsAR Basicexampleformotioncontrol 表5 1是點和刀具定義的舉例 表5 2舉例說明了AR Basic的運動控制 Forlightwork thedrillpressiswidelyused Whenrequired turnonthemachinelight please Computer controlprogrammersandoperatorsusecomputernumericallycontrolled CNC machinestocutandshapeprecisionproducts suchasautomobileparts machineparts andcompressor BeforeCNCprogrammersmachineapart theymustcarefullyplanandpreparetheoperation Assignment1 Assignment2 Thereisnophysicalcontactbetweenworkpieceandtool 工件和刀具不直接接觸 Thetailstockcarriesahollowspindlewhichmaybeadvancedorretractedbyahandwheel 尾架上裝有空心軸 可由手輪操作前進或后退 Personinterestedinbecomingcomputercontrolprogrammersoroperatorsshouldbemechanicallyinclinedandabletoworkindependentlyanddohighlyaccuratework 有意成為數(shù)控編程員或操作員者必須主修機械專業(yè) 并且能獨立工作 完成非常精細的工作 Assignment3 ThefirstbenefitofferedbyallformsofCNCmachinetoolsisimprovedautomation ThesecondmajorbenefitofCNCtechnologyisconsistentandaccurateworkpieces Allfeedraterelatedpointsmadeduringourdiscussionofstraightlinemotionstillapply