工业机器人技术及应用(教案)4-初识工业机器人的作业示教.doc

第四章 初识工业机器人的作业示教4.1 工业机器人示教的主要内容4.1.1 运动轨迹4.1.2 作业条件4.1.3 作业顺序学习目标 导入案例 课堂认知 扩展与提高 本章小结 思考练习4.2 工业机器人的简单试教学与再现4.2.1 在线示教及其特点4.2.2 在线示教的基本步骤其特点4.3 工业机器人的离线编程技术4.3.1 离线编程及其特点4.3.2 离线编程系统的软件架构4.3.3 离线编程的基本步骤课前回顾如何选择机器人坐标系和运动轴？机器人点动与连续移动有何区别，分别适合在哪些场合运用？学习目标认知目标掌握工业机器人示教的主要内容熟悉机器人在线示教的特点与操作流程熟悉机器人离线编程的特点与操作流程掌握机器人示教 - 再现工作原理能力目标能够进行工业机器人简单作业在线示教与再现能够进行工业机器人离线作业示教与再现导入案例机器人职业前景分析对于机器人企业来说，他们需要的高端人才，至少应熟悉编程语言和仿真设计，以及神经网络、模糊控制等常用控制算法，能达到指导员工的程度。在此基础上，能依据实际情况自主研究算法。此外，最好还能主导大型机电一体化设备的研发，具备一定的管理能力。而其余调试，操作员工的要求相应递减。跟据职能划分，大概可分为四个工种： 1. 工程师助手，主要责任是协助工程师绘制机械图样、电气图样、简单工装夹具设计、制作工艺卡片、指导工人按照装配图进行组装；2. 机器人生产线试产员与操作员；3. 机器人总装与调试者；4.高端维修或售后服务人员。课堂认知4.1 工业机器人示教的主要内容目前，企业引入的以第一代工业机器人为主，其基本工作原理是 “示教 - 再现” 。“示教”也称导引，即由操作者直接或间接导引机器人，一步步按实际作业要求告知机器人应该完成的动作和作业的具体内容，机器人在导引过程中以程序的形式将其记忆下来，并存储在机器人控制装置内；“再现”则是通过存储内容的回放，机器人就能在一定精度范围内按照程序展现所示教的动作和赋予的作业内容 程序是把机器人的作业内容用机器人语言加以描述的文件，用于保存示教操作中产生的示教数据和机器人指令。机器人完成作业所需的信息包括 运动轨迹、作业条件和作业顺序 。4.1.1 运动轨迹运动轨迹是机器人为完成某一作业，工具中心点（ TCP ）所掠过的路径，是机器示教的重点。从运动方式上看，工业机器人具有点到点（ PTP ）运动和连续路径（ CP ）运动2 种形式。按运动路径种类区分，工业机器人具有直线和圆弧 2 种动作类型。示教时，直线轨迹示教 2 个程序点（直线起始点和直线结束点）；圆弧轨迹示教 3 个程序点（圆弧起始点、圆弧中间点和圆弧结束点）。在具体操作过程中，通常 PTP 示教各段运动轨迹端点，而 CP 运动由机器人控制系统的路径规划模块经插补运算产生。 机器人运动轨迹机器人运动轨迹的示教主要是确认程序点的属性 。每个程序点主要包含：位置坐标:描述机器人 TCP 的 6 个自由度（ 3 个平动自由度和 3 个转动自由度）。插补方式:机器人再现时，从前一程序点移动到当前程序点的动作类型。再现速度:机器人再现时，从前一程序点移动到当前程序点的速度。空走点:指从当前程序点移动到下一程序点的整个过程不需要实施作业，用于示教除作业开始点和作业中间点之外的程序点。作业点:指从当前程序点移动到下一程序点的整个过程需要实施作业，用于作业开始点和作业中间点。空走点和作业点决定从当前程序点移动到下一程序点是否实施作业。提示 作业区间的再现速度一般按作业参数中指定的速度移动，而空走区间的移动速度则按移动命令中指定的速度移动；登录程序点时，程序点属性值也将一同被登录。工业机器人常见插补方式 插补方式动作描述动作图示关节插补机器人在未规定采取何种轨迹移动时，默认采用关节插补。出于安全考虑，通常在程序点 1 用关节插补示教。直线插补机器人从前一程序点到当前程序点运行一段直线，即直线轨迹仅示教 1 个程序点（直线结束点）即可。直线插补主要用于直线轨迹的作业示教。圆弧插补机器人沿着用圆弧插补示教的 3 个程序点执行圆弧轨迹移动。圆弧插补主要用于圆弧轨迹的作业示教。起点4.1.2 作业条件工业机器人作业条件的登录方法，有 3 种形式：使用作业条件文件 输入作业条件的文件称为作业条件文件。使用这些文件，可使作业命令的应用更简便。在作业命令的附加项中直接设定 首先需要了解机器人指令的语言形式，或程序编辑画面的构成要素。程序语句一般由行标号、命令及附加项几部分组成。 8: J P1 100% FINE 0008 MOVJ VJ = 80.00 (a) FANUC 机器人 (b) YASKAWA 机器人程序语句的主要构成要素手动设定 在某些应用场合下，有关作业参数的设定需要手动进行。4.1.3 作业顺序作业顺序不仅可保证产品质量，而且可提高效率。作业顺序的设置主要涉及：作业对象的工艺顺序 在某些简单作业场合，作业顺序的设定同机器人运动轨迹的示教合二为一。机器人与外围周边设备的动作顺序 在完整的工业机器人系统中，除机器人本身外，还包括一些周边设备，如变位机、移动滑台、自动工具快换装置等。 工业机器人四巨头的机器人移动命令在线示教因简单直观、易于掌握，是工业机器人目前普遍采用的编程方式。4.2.1 在线示教及特点由操作人员手持示教器引导，控制机器人运动，记录机器人作业的程序点并插入所需的机器人命令来完成程序的编制。典型的示教过程是依靠操作者观察机器人及其末端夹持工具相对于作业对象的位姿，通过对示教器的操作，反复调整程序点处机器人的作业位姿、运动参数和工艺条件，再转入下一程序点的示教。 工业机器人的在线示教早期机器人作业编程系统中，亦有一种人工牵引示教（也称直接示教或手把手示教）。即由操作人员牵引装有力 - 力矩传感器的机器人末端执行器对工件实施作业，机器人实时记录整个示教轨迹与工艺参数，然后根据这些在线参数就能准确再现整个作业过程。在线示教作业任务编制共同特点：1 ）利用机器人有较高的重复定位精度优点，降低了系统误差对机器人运动绝对精度的影响。2 ）要求操作者有专业知识和熟练的操作技能，近距离示教操作，有一定的危险性，安全性较差。3 ）示教过程繁琐、费时，需要根据作业任务反复调整末端执行器的位姿，占用了大量时间，时效性较差 。4 ）机器人在线示教精度完全靠操作者的经验目测决定，对于复杂运动轨迹难以取得令人满意的示教效果 。5 ）机器人示教时关闭与外围设备联系功能。对需要根据外部信息进行实时决策的应用就显得无能为力 。6 ）在柔性制造系统中，这种编程方式无法与 CAD 数据库相连接。4.2.2 在线示教的基本步骤通过在线示教方式为机器人输入从工件 A 点到 B 点的加工程序。 机器人运动轨迹 为提高工作效率，通常将程序点 6 和程序点 1 设在同一位置。程序点说明程序点说 明程序点说 明程序点说 明程序点 1机器人原点程序点 3作业开始点程序点 5作业规避点程序点 2作业临近点程序点 4作业结束点程序点 6机器人原点(1) 示教前的准备 (2) 新建作业程序1 ） 工件表面清理。 作业程序是用机器人语言描述2 ） 工件装夹。 机器人工作单元的作业内容，主要3 ） 安全确认。 用于登录示教数据和机器人指令。4 ） 机器人原点确认在线示教基本流程(3) 程序点的登录 运动轨迹示教方法程序点示教方法程序点 1 （机器人原点） 按第 3 章手动操纵机器人要领移动机器人到原点。将程序点属性设定为“空走点”，插补方式选“ PTP ”。 确认保存程序点 1 为机器人原点。程序点 2 （作业临近点） 手动操纵机器人移动到作业临近点。将程序点属性设定为“空走点”，插补方式选“ PTP ”。确认保存程序点 2 为作业临近点。程序点 3 （作业开始点）手动操纵机器人移动到作业开始点。确认保存程序点 3 为作业开始点。如有需要，手动插入焊接开始作业命令。程序点 4（作业结束点）手动操纵机器人移动到作业结束点。 将程序点属性设定为“空走点”，插补方式选“直线插补”。确认保存程序点 4 为作业结束点。 如有需要，手动插入焊接结束作业命令。程序点 5 （作业规避点） 手动操纵机器人移动到作业规避点。将程序点属性设定为“空走点”，插补方式选“直线插补”。 确认保存程序点 5 为作业规避点。程序点 6 （机器人原点） 手动操纵机器人要领移动机器人到原点。将程序点属性设定为“空走点”，插补方式选“ PTP ”。确认保存程序点 6 为机器人原点。 (4) 设定作业条件在作业开始命令中设定焊接开始规范及焊接开始动作次序；在焊接结束命令中设定焊接结束规范及焊接结束动作次序；手动调节保护气体流量。(5) 检查试运行跟踪的主要目的是 检查示教生成的动作以及末端工具指向位置是否已登录。单步运转 连续运转通过逐行执行当前行（光标所在行）的程序 通过逐行执行当前行（光标所在行）的程序语句，机器人实现两个临近程序点间的单步 语句的末尾，机器人完成多个程序点的顺向正向或反向移动。结束 1 行的执行后，机器 连续移动。程序为顺序执行，所以仅能实现，人动作暂停。 正向跟踪多用于作业周期估计。跟踪方式确认机器人附近无人后，按以下顺序执行作业程序的测试运转：1 ）打开要测试的程序文件。2 ）移动光标至期望跟踪程序点所在命令行。3 ）持续按住示教器上的有关【跟踪功能键】，实现机器人的单步或连续运转。提示当机器人 TCP 当前位置与光标所在行不一致时，按下【 跟踪功能键 】，机器人将从当前位置移动到光标所在程序点位置；而当机器人 TCP 当前位置与光标所在行一致时，机器人将从当前位置移动到下一临近示教点位置。执行检查运行时，不执行起弧、喷涂等作业命令，只执行空再现。 利用跟踪操作可快速实现程序点的变更、增加和删除。(6) 再现施焊工业机器人程序的启动可用两种方法：手动启动:使用示教器上的【启动按钮】 来启动程序的方式。适合作业任务及测试阶段 。自动启动:利用外部设备输入信号来启动程序的方式。在实际生产中经常用到。在确认机器人的运行范围内没有其他人员或障碍物后，接通保护气体，采用手动启动方式实现自动焊接作业。1 ）打开要再现的作业程序，并移动光标到程序开头。2 ）切换【模式旋钮】至“再现 / 自动”状态。3 ）按示教器上的【伺服 ON 按钮】，接通伺服电源。4 ）按【启动按钮】，机器人开始运行。提示执行程序时，光标跟随再现过程移动，程序内容自动滚动显示。4.3.1 离线编程及其特点离线编程是利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的几何模型，通过对图形的控制和操作，使用机器人编程语言描述机器人作业任务，然后对编程的结果进行三维图形动画仿真，离线计算、规划和调试机器人程序的正确性，并生成机器人控制器可执行的代码，最后通过通讯接口发送至机器人控制器。机器人的离线编程基于虚拟现实技术的机器人作业编程已成为机器人学中的新兴研究方向，它将虚拟现实作为高端的人机接口，允许用户通过声、像、力以及图形等多种交互设备实时地与虚拟环境交互。机器人的虚拟示教4.3.2 离线编程系统的软件构架典型的机器人离线编程系统的软件架构，主要由建模模块、布局模块、编程模块、仿真模块、程序生成及通讯模块组成。 典型机器人离线编程系统的软件架构建模模块:这是离线编程系统的基础，为机器人和工件的编程与仿真提供可视的三维几何造型。布局模块:按机器人实际工作单元的安装格局在仿真环境下进行整个机器人系统模型的空间布局。编程模块:包括运动学计算、轨迹规划等，前者是控制机器人运动的依据；后者用来生成机器人关节空间或直角空间里的轨迹。 仿真模块:用来检验编制的机器人程序是否正确、可靠，一般具有碰撞检查功能。程序生成:把仿真系统所生成的运动程序转换成被加载机器人控制器可以接受的代码指令，以命令真实机器人工作。接口通讯:离线编程系统的重要部分分为用户接口和通讯接口：前者设计成交互式，可利用鼠标操作机器人的运动；后者负责连接离线编程系统与机器人控制器。 提示在离线编程软件中，机器人和设备模型均为三维显示，可直观设置、观察机器人的位置、动作与干涉情况。在实际购买机器人设备之前，通过预先分析机器人工作站的配置情况，可使选型更加准确。离线编程软件使用的力学、工程学等计算公式和实际机器人完全一致。因此，模拟精度很高，可准确无误地模拟机器人的动作。离线编程软件中的机器人设置、操作和实际机器人上的几乎完全相同，程序的编辑画面也与在线示教相同。利用离线编程软件做好的模拟动画可输出为视频格式，便于学习和交流。4.3.3 离线编程的基本步骤通过离线方式输入从 A 到 B 作业点程序。 为提高工作效率，通常将程序点 6 和程序点 1 设在同一位置。 机器人运动轨迹离线编程的基本流程(1) 几何建模 机器人工作台的几何建模提示各机器人公司开发的离线编程软件的模型库中基本含有其生产的所有型号的机器人本体模型和一些典型周边设备模型；在导入由其他 CAD 软件绘制的机器人工作环境模型时，要注意参考坐标系是否一致问题。(2) 空间布局提供一个与机器人进行交互的虚拟环境，需要把整个机器人系统（包括机器人本体、变位机、工件、周边作业设备等）的模型按照实际的装配和安装情况在仿真环境中进行布局。 机器人及其作业环境布局(3) 运动规划运动规划主要有两个方面： 作业位置规划和作业路径规划 。作业位置规划 在机器人运动空间可达性的条件下，尽可能的减少机器人在作业过程中的极限运动或机器人各轴的极限位置。作业路径规划 在保证末端工具作业姿态的前提下，避免机器人与工件、夹具、周边设备等发生碰撞。 机器人运动规划提示同在线示教一样，机器人的离线运动规划需新建一个作业程序以保存示教数据和机器人指令。采用在线示教方式操作机器人运动主要是通过示教器上的按键，而离线编程操作机器人三维图形运动主要用鼠标。(4) 动画仿真系统对运动规划的结果进行三维图形动画仿真，模拟整个作业情况，检查末端工具发生碰撞的可能性及机器人的运动轨迹是否合理，并计算机器人的每个工步的操作时间和整个工作过程的循环时间，为离线编程结果的可行性提供参考。 作业开始点仿真 作业结束点仿真(5) 程序生成及传输作业程序的仿真结果完全达到作业的要求后，将该作业程序转换成机器人的控制程序和数据，并通过通信接口下载到机器人控制柜，驱动机器人执行指定的作业任务。(6) 运行确认与施焊处于安全考虑，离线编程生成的目标作业程序在自动运转前需跟踪试运行。至此，机器人从工件 A 点到 B 点的离线作业编程操作完毕。提示开始再现前，请做如下准备工作：工件表面清理与装夹、机器人原点确认。出于生产现场的复杂性、作业的可靠性等方面的考虑，工业机器人的作业示教在短期内仍将无法脱离在线示教的现状。无论在线示教还是离线编程，其主要目的是完成机器人运动轨迹、作业条件和作业顺序的示教。 机器人示教的主要内容扩展与提高机器人作业程序的编辑常见的操作有程序点的追加、变更和删除，机器人移动速度的修改以及机器人指令的添加。1程序点的追加、变更和删除程序点编辑方法编辑类别操作要领动作图示示教点的 追加 使用跟踪功能将机器人移动到程序点 1 位置。 手动操作机器人移动到新的目标点位置（程序点 3 ）。点按示教器按键登录程序点 3 。程序点 3示教点的 变更 使用跟踪功能将机器人移动到程序点 2 位置。手动操作机器人移动到新的目标点位置。程序点 2示教点的删除 点按示教器按键登录程序点 2 。使用跟踪功能将机器人移动到程序点 2 位置。点按示教器按键删除程序点 2 。 程序点 32机器人移动速度的修改示教再现操作过程中，涉及 3 类动作速度：手动操作机器人移动时的 示教速度、运动轨迹确认时的 跟踪速度 、程序自动运转时的 再现速度 。示教速度 使用示教器手动操作机器人移动的速度，分点动速度和连续移动速度。跟踪速度 使用示教器进行运行轨迹确认，或者程序编辑中跟踪机器人到某一程序点位置时的移动速度。跟踪操作时，一般有作业条件速度、移动命令速度以及高低档速度切换三种选择。再现速度 运行示教程序的机器人移动速度。同跟踪速度类似，在作业区间内按照作业命令中的速度运行，而空走区间按照移动命令中的速度运行。3机器人指令的添加 机器人指令分为以下几类：动作指令、作业指令、寄存器指令、 I/O 指令、跳转指令和其他指令。动作指令:指以指定的移动速度和插补方式使机器人向作业空间内的指定位置移动的指令。作业指令:依据机器人具体应用领域而编制的一类指令，如码垛指令、焊接指令搬运指令等。寄存器指令:进行寄存器的算术运算的指令。I/O 指令:改变向外围设备的输出信号，或读取输入信号状态的指令。跳转指令:使程序的执行从程序某一行转移到其他（程序的）行，如标签指令、程序结束指令、条件转移指令及无条件转移指令等。其他指令:如计时器指令、注释指令等。本章小结目前国际上商品化、实用化的工业机器人基本都属属于第一代工业机器人，它的基本工作原理是“示教 - 再现”。“示教”就是机器人学习的过程，“再现”是机器人按照示教时记录下来的程序展现这些动工业机器人工作前，通常是通过“示教”的方法为机器人作业程序生成运动命令，目前主要采用两种方式进行：一是在线示教；二是离线编程。对工业机器人的作业任务进行编程，不论是在线示教还是离线编程，其主要涉及运动轨迹、作业条件和作业顺序三方面的示教。思考练习1、填空(1) _ 也称导引，即由操作者直接或间接导引机器人，一步步按实际作业要求告知机器人应该完成的动作和作业的具体内容，机器人在导引过程中以_ 的形式将其记忆下来，并存储在机器人控制装置内； _ 则是通过存储内容的回放，机器人就能在一定精度范围内按照程序展现所示教的动作和赋予的作业内容。(2) _ 的主要目的是检查示教生成的动作以及末端工具指向位置是否已登录。(3)_ 是利用计算机图形学的成果，在计算机中建立起机器人及其工作环境的模型，通过对图形的控制和操作，在不使用实际机器人的情况下编程，进而产生机器人程序。2、选择(1) 对工业机器人进行作业编程，主要内容包含（ ）。运动轨迹；作业条件；作业顺序；插补方式A. B. C. D. (2) 机器人运动轨迹的示教主要是确认程序点的属性，这些属性包括（ ）。位置坐标；插补方式；再现速度；作业点 / 空走点A. B. C. D. (3) 与传统的在线示教编程相比，离线编程具有如下优点：（ ）。减少机器人的非工作时间；使编程者远离苛刻的工作环境；便于修改机器人程序；可结合各种人工智能等技术提高编程效率；便于和 CAD/CAM系统结合，做到 CAD 、 CAM 、 Robotics 一体化A. B. C. D. 3、判断(1) 因技术尚未成熟，现在广泛应用的工业机器人绝大多数属于第一代机器人，它的基本工作原理是示教 - 再现。（ ）(2) 机器人示教时，对于有规律的轨迹，原则上仅需示教几个关键点。（ ）(3) 采用直线插补示教的程序点指的是从当前程序点移动到下一程序点运行一段直线。（ ）(4) 离线编程是工业机器人目前普遍采用的编程方式。（ ）(5) 虽然示教再现方式存在机器人占用机时、效率低等诸多缺点，人们也试图通过采用传感器使机器人智能化，但在复杂的生产现场和作业可靠性等方面处处碰壁，难以实现。因此，工业机器人的作业示教在相当长时间内仍将无法脱离在线示教的现状。（ ）4、综合应用用机器人完成下图所示直线轨迹（AB ）的焊接作业，回答如下问题：1) 结合具体示教过程，填写下表（请在相应选项下打 “ ” ）。2) 实际作业编程时，为提高效率，对程序点 1 和程序点 6 如何处理？简述操作过程。直线轨迹作业示教程序点作业点 / 空走点插补方式作业点空走点PTP直线插补程序点 1程序点 2程序点 3程序点 4程序点 5程序点 6