工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用教案3手動操縱工業(yè)機(jī)器人

1、第三章 手動操縱工業(yè)機(jī)器人3.1 機(jī)器人運動軸與坐標(biāo)系3.1.1 機(jī)器人運動軸的名稱3.1.2 機(jī)器人坐標(biāo)系的種類3.2 認(rèn)識和使用示教器學(xué)習(xí)目標(biāo) 導(dǎo)入案例 課堂認(rèn)知 擴(kuò)展與提高 本章小結(jié) 思考練習(xí)3.3 機(jī)器人安全操作規(guī)程3.3.1 示教和手動機(jī)器人時3.3.2 再現(xiàn)和生產(chǎn)運行時3.4 手動移動機(jī)器人3.4.1 移動方式3.4.2 典型坐標(biāo)系下的手動操作課前回顧工業(yè)機(jī)器人主要由哪幾部分組成？如何判別工業(yè)機(jī)器人的點位運動和連續(xù)路徑運動？學(xué)習(xí)目標(biāo)認(rèn)知目標(biāo)*了解工業(yè)機(jī)器人的安全操作規(guī)程*熟悉示教器的按鍵及使用功能*掌握機(jī)器人運動軸與坐標(biāo)系*掌握手動移動機(jī)器人的流程和方法能力目標(biāo)*能夠熟練進(jìn)行機(jī)器人

2、坐標(biāo)系和運動軸的選擇*能夠使用示教器熟練操作機(jī)器人實現(xiàn)點動和連續(xù)移動導(dǎo)入案例Universal Robots 公司推出革命性的新型工業(yè)機(jī)器人UR5 機(jī)器人自重很輕（僅 18.4 kg ），可以方便地在生產(chǎn)場地移動，而且不需要繁瑣的安裝與設(shè)置就可以迅速地融入到生產(chǎn)線中，與員工交互合作。編程過程可通過教學(xué)編程模式實現(xiàn)，用戶可以扶住 UR 機(jī)械臂，手動引導(dǎo)機(jī)械臂，按所需的路徑及移動模式運行機(jī)械臂一次，UR 機(jī)器人就能自動記住移動路徑和模式。機(jī)器人通過一套獨特的、友好的圖形用戶界面操作，在觸摸屏幕上，有一系列范圍廣泛的功能讓用戶選擇。任何重復(fù)性的生產(chǎn)過程，都能夠使用它并從中受益。課堂認(rèn)知3.1 機(jī)器人

3、運動軸與坐標(biāo)系3.1.1 機(jī)器人運動軸的名稱通常機(jī)器人運動軸按其功能可劃分為機(jī)器人軸、基座軸和工裝軸， 基座軸 和工裝軸 統(tǒng)稱外部軸。 機(jī)器人系統(tǒng)中個運動軸的定義典型機(jī)器人操作機(jī)各運動軸A1 、 A2 和 A3 三軸（軸 1 、軸 2 和軸 3 ）稱為基本軸或主軸， 用以保證末端執(zhí)行器達(dá)到工作空間的任意位置。A4 、 A5 和 A6 三軸（軸 4 、軸 5 和軸 6 ）稱為腕部軸或次軸， 用以實現(xiàn)末端執(zhí)行器的任意空間姿態(tài)。 3.1.2 機(jī)器人坐標(biāo)系的種類目前，大部分商用工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，均可使用關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、直角坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系， 而工具坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系同屬于直角坐標(biāo)系范疇 。

4、TCP 為機(jī)器人系統(tǒng)控制點，出廠是默認(rèn)位于最后一個運動軸或安裝法蘭的中心，安裝工具后 TCP 點將發(fā)生改變。(1) 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下，機(jī)器人各軸均可實現(xiàn)單獨正向或反向運動。對大范圍運動，且不要求 TCP姿態(tài)的，可選擇關(guān)節(jié)坐標(biāo)系。 (2) 直角坐標(biāo)系（世界坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系）機(jī)器人示教與編程時經(jīng)常使用的坐標(biāo)系之一 ，原點定義在機(jī)器人安裝面與第一轉(zhuǎn)動軸的交點處， X 軸向前， Z 軸向上， Y 軸按右手法則確定。 直角坐標(biāo)系原點直角坐標(biāo)系下的各軸動作 (3) 工具坐標(biāo)系原點定義在 TCP 點，并且假定工具的有效方向為 X 軸（有些機(jī)器人廠商將工具的有效方向定義為 Z 軸），而 Y 軸、 Z

5、 軸由右手法則確定。 在進(jìn)行相對于工件不改變工具姿態(tài)的平移操作時選用該坐標(biāo)系最為適宜。 工具坐標(biāo)系原點工具坐標(biāo)系下的各軸動作(4) 用戶坐標(biāo)系可根據(jù)需要定義用戶坐標(biāo)系。 當(dāng)機(jī)器人配備多個工作臺時，選擇用戶坐標(biāo)系可使操作更為簡單 。在用戶坐標(biāo)系中， TCP 點將沿用戶自定義的坐標(biāo)軸方向運動。 用戶坐標(biāo)系原點用戶坐標(biāo)系下的各軸動作提示不同的機(jī)器人坐標(biāo)系功能等同，即機(jī)器人在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下完成的動作，同樣可在直角坐標(biāo)系下實現(xiàn)。機(jī)器人在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下的動作是單軸運動，而在直角坐標(biāo)系下則是多軸聯(lián)動。除關(guān)節(jié)坐標(biāo)系以外，其他坐標(biāo)系均可實現(xiàn)控制點不變動作（只改變工具姿態(tài)而不改變 TCP 位置）在進(jìn)行機(jī)器人 TCP

6、標(biāo)定時經(jīng)常用到。 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下的單軸運動 直角坐標(biāo)系下的多軸協(xié)調(diào)運動3.2 認(rèn)識和使用示教器 ABB FlexPendant KUKA smartPADFANUC iPendant YASKAWA DX100 工業(yè)機(jī)器人行業(yè)四巨頭的最新示教器產(chǎn)品示教器主要由 顯示屏 和各種操作 按鍵 組成，顯示屏主要有 4 個顯示區(qū)組成。 菜單顯示區(qū) 顯示操作屏主菜單和子菜單。通用顯示區(qū) 在通用顯示區(qū)，可對作業(yè)程序、特性文件、各種設(shè)定進(jìn)行顯示和編輯。狀態(tài)顯示區(qū) 顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，如動作坐標(biāo)系、機(jī)器人移動速度等。顯示的信息根據(jù)控制柜的模式（示教或再現(xiàn)）不同而改變。人機(jī)對話顯示區(qū) 在機(jī)器人示教或自動運行過程中，顯

7、示功能圖標(biāo)以及系統(tǒng)錯誤信息等。示教器按鍵設(shè)置主要包括【急停鍵】、【安全開關(guān)】、【坐標(biāo)選擇鍵】、【軸操作鍵】 /【 Jog 鍵】、【速度鍵】、【光標(biāo)鍵】、【功能鍵】、【模式旋鈕】等。 序號按鍵名稱按鍵功能1急停鍵通過切斷伺服電源立刻停止機(jī)器人和外部軸操作。一旦按下，開關(guān)保持緊急停止?fàn)顟B(tài)；順時針方向旋轉(zhuǎn)解除緊急停止?fàn)顟B(tài)。2安全開關(guān)在操作時確保操作者的安全。只有安全開關(guān)被按到適中位置，伺服電源才能，機(jī)器人方可動作。一旦松開或按緊，切斷伺服電源，機(jī)器人立即停止運動。3坐標(biāo)選擇鍵手動操作時，機(jī)器人的動作坐標(biāo)選擇鍵?？稍陉P(guān)節(jié)、直角、工具和用戶等常見坐標(biāo)系中選擇。此鍵每按一次，坐標(biāo)系變化一次。4軸操作鍵對機(jī)

8、器人各軸進(jìn)行操作的鍵。只有按住軸操作鍵，機(jī)器人才可動作?？梢园醋蓚€或更多的鍵，操作多個軸。5速度鍵手動操作時，用這些鍵來調(diào)整機(jī)器人的運動速度。6光標(biāo)鍵使用這些鍵在屏幕上按一定的方向移動光標(biāo)。7功能鍵使用這些鍵可根據(jù)屏幕顯示執(zhí)行指定的功能和操作。8模式旋鈕選擇機(jī)器人控制柜的模式（示教模式、再現(xiàn) / 自動模式、遠(yuǎn)程 / 遙控模式）3.3 機(jī)器人安全操作規(guī)程3.3.1 示教和手動機(jī)器人時1 ）禁止用力搖晃機(jī)械臂及在機(jī)械臂上懸掛重物。2 ）示教時請勿戴手套。穿戴和使用規(guī)定的工作服、安全鞋、安全帽、保護(hù)用具等3 ）未經(jīng)許可不能擅自進(jìn)入機(jī)器人工作區(qū)域。調(diào)試人員進(jìn)入機(jī)器人工作區(qū)域時， 需隨身攜帶示教器，以

9、防他人誤操作。4 ）示教前，需仔細(xì)確認(rèn)示教器的安全保護(hù)裝置是否能夠正確工作，如【急停鍵】、【安全開關(guān)】等。5 ）在手動操作機(jī)器人時要采用較低的倍率速度以增加對機(jī)器人的控制機(jī)會。6 ）在按下示教器上的【軸操作鍵】之前要考慮到機(jī)器人的運動趨勢。7 ）要預(yù)先考慮好避讓機(jī)器人的運動軌跡，并確認(rèn)該路徑不受干涉。8 ）在察覺到有危險時，立即按下【急停鍵】，停止機(jī)器人運轉(zhuǎn)。3.3.2 再現(xiàn)和生產(chǎn)運行時1 ）機(jī)器人處于自動模式時，嚴(yán)禁進(jìn)入機(jī)器人本體動作范圍內(nèi)。2 ）在運行作業(yè)程序前，須知道機(jī)器人根據(jù)所編程序?qū)⒁獔?zhí)行的全部任務(wù)。3 ）使用由其他系統(tǒng)編制的作業(yè)程序時，要先跟蹤一遍確認(rèn)動作，之后再使用該程序。4 ）

10、須知道所有會左右機(jī)器人移動的開關(guān)、傳感器和控制信號的位置和狀態(tài)。5 ）必須知道機(jī)器人控制器和外圍控制設(shè)備上的【急停鍵】的位置，準(zhǔn)備在緊急情況下按下這些按鈕。6 ）永遠(yuǎn)不要認(rèn)為機(jī)器人沒有移動，其程序就已經(jīng)完成，此時機(jī)器人很可能是在等待讓它繼續(xù)移動的輸入信號。3.4 手動移動機(jī)器人3.4.1 移動方式(1) 點動點動機(jī)器人就是點按 / 微動【軸操作鍵】來移動機(jī)器人手臂的方式。每點按或微動【軸操作鍵】一次機(jī)器人移動一段距離。 點動機(jī)器人主要用在示教時離目標(biāo)位置較近的場合。 點動機(jī)器人(2) 連續(xù)移動連續(xù)移動機(jī)器人則是長按 / 撥動【軸操作鍵】來移動機(jī)器人手臂的方式。 連續(xù)移動機(jī)器人主要用在示教時離目

11、標(biāo)位置較遠(yuǎn)的場合 。 連續(xù)移動機(jī)器人3.4.2 典型坐標(biāo)系下的手動操作( 1 ) 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系關(guān)鍵步驟：系統(tǒng)上電開機(jī) A 工位機(jī)器人手動示教 選擇關(guān)節(jié)坐標(biāo)系 移機(jī)器人到B 工位 / 旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)機(jī) B 工位機(jī)器人手動示教。工位 A 工位 A 工位 B 工位 A 工位 B雙工位操作 雙工位 + 變位機(jī)操作提示 機(jī)器人外部軸的運動控制，只能在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下進(jìn)行。( 2 ) 直角坐標(biāo)系關(guān)鍵步驟：系統(tǒng)上電開機(jī) 選擇關(guān)節(jié)坐標(biāo)系 變換末端工具姿態(tài)至作業(yè)姿態(tài) 選擇直角坐標(biāo)系 移動機(jī)器人至直線軌跡的開始點 選擇直角坐標(biāo)系的 Y 軸 移動機(jī)器人至直線軌跡的結(jié)束點。 機(jī)器人直線運動軌跡( 3 ) 工具坐標(biāo)系關(guān)鍵步驟： 選

12、擇直角坐標(biāo)系 移動機(jī)器人到作業(yè)軌跡的結(jié)束點 選擇工具坐標(biāo)系的 X 軸 移動機(jī)器人到一個安全位置。 末端工具規(guī)避動作提示 若設(shè)定工具的有效方向為工具坐標(biāo)系的 Z 軸，此時末端工具規(guī)避動作應(yīng)選 Z 軸進(jìn)行操作。手動移動機(jī)器人運動，其基本操作流程可歸納：示教前的準(zhǔn)備和手動移動機(jī)器人。需要注意的是，手動操作機(jī)器人移動時，機(jī)器人運動數(shù)據(jù)將不被保存。 手動移動機(jī)器人操作流程擴(kuò)展與提高機(jī)器人 TCP （工具中心點）標(biāo)定工具坐標(biāo)系的準(zhǔn)確度直接影響機(jī)器人的軌跡精度。默認(rèn)工具坐標(biāo)系的原點位于機(jī)器人安裝法蘭的中心，當(dāng)接裝不同的工具（如焊槍）時，工具需獲得一個用戶定義的直角坐標(biāo)系。 a) 未 TCP 標(biāo)定 b) TC

13、P 標(biāo)定機(jī)器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定 目前，機(jī)器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定方法主要有 外部基準(zhǔn)法 和 多點標(biāo)定法 。(1) 外部基準(zhǔn)標(biāo)定法 只需要使工具對準(zhǔn)某一測定好的外部基準(zhǔn)點，便可完成標(biāo)定，標(biāo)定過程快捷簡便。但這類標(biāo)定方法依賴于機(jī)器人外部基準(zhǔn)。(2) 多點標(biāo)定法 這類標(biāo)定包含工具中心點（ TCP ）位置多點標(biāo)定和工具坐標(biāo)系（TCF ）姿態(tài)多點標(biāo)定。 TCP 位置標(biāo)定是使幾個標(biāo)定點 TCP 位置重合，從而計算出 TCP ，如四點法； TCF 姿態(tài)標(biāo)定是使幾個標(biāo)定點之間具有特殊的方位關(guān)系，從而計算出工具坐標(biāo)系相對于末端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的姿態(tài)，如五點法、六點法。TCP 六點法操作步驟：1 ）在機(jī)器人動作范圍內(nèi)找一個

14、精確的固定點作為參考點。2 ）在工具上確定一個參考點（最好是工具中心點 TCP ）。3 ）移動工具參考點，以四種不同的工具姿態(tài)盡可能與固定點剛好碰上。4 ）機(jī)器人控制柜通過前 4 個點的位置數(shù)據(jù)即可計算出 TCP 的位置，通過后 2 個點即可確定 TCP 的姿態(tài)。5 ）根據(jù)實際情況設(shè)定工具的質(zhì)量和重心位置數(shù)據(jù)。 a) 位置點1 b) 位置點2 c) 位置點 3d) 位置點 4 e) 位置點 5 f) 位置點 6TCP 標(biāo)定過程提示 TCP 標(biāo)定操作要以次軸（腕部軸）為主。 在參考點附近要降低速度，以免相撞。TCP 標(biāo)定后，可通過在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系以外的坐標(biāo)系中進(jìn)行控制點不變動作檢驗標(biāo)定效果。如果使用

15、搬運類的夾具，其 TCP 設(shè)定方法如下：以搬運物料袋的夾緊爪為例，其結(jié)構(gòu)對稱，重心在默認(rèn)工具坐標(biāo)系的 Z 方向偏移一定距離，可在設(shè)置頁面直接手動輸入偏移量數(shù)值、質(zhì)量數(shù)據(jù)。 夾緊爪 TCP 標(biāo)定本章小結(jié)通?？蓪C(jī)器人運動軸分為本體軸和外部軸兩類。本體軸屬于機(jī)器人本身，外部軸包括基座軸和工裝軸。目前在大部分商用工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，存在四類可以使用的坐標(biāo)系：關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、直角坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系。其中，關(guān)節(jié)坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系在機(jī)器人手動操作和作業(yè)示教中運用最多。手動操縱工業(yè)機(jī)器人是通過手動操控示教器上的機(jī)器人運動軸按鍵將機(jī)器人在某一或某幾個坐標(biāo)系下移動到某個位置的方法。一般采用點動和連續(xù)移動兩

16、種方式來實現(xiàn)。點動機(jī)器人主要用在離目標(biāo)位置較近的場合，而連續(xù)移動機(jī)器人則用在離目標(biāo)位置較遠(yuǎn)的場合。思考練習(xí) 1、填空(1) 一般來說，機(jī)器人運動軸按其功能可劃分為 _ 、 _ 和工裝軸，_和工裝軸統(tǒng)稱 _ 。(2) 在進(jìn)行相對于工件不改變工具姿態(tài)的平移操作時選用 _ 坐標(biāo)系最為適宜(3) 當(dāng)機(jī)器人到達(dá)離目標(biāo)作業(yè)位置較近位置時，盡量采用 _ 操作模式完成精確定位。2、選擇(1) 工業(yè)機(jī)器人常見的坐標(biāo)系有（ ）。關(guān)節(jié)坐標(biāo)系；直角坐標(biāo)系；工具坐標(biāo)系；用戶坐標(biāo)系A(chǔ). B. C. D. (2) 示教器顯示屏多為彩色觸摸顯示屏，能夠顯示圖像、數(shù)字、字母和符號，并提供一系列圖標(biāo)來定義屏幕上的各種功能，可將屏幕顯示區(qū)劃分為（ ）。菜單顯示區(qū)；通用顯示區(qū)；人機(jī)對話顯示區(qū)；狀態(tài)顯示區(qū)A. B. C. D. 3、判斷(1) 在直角坐標(biāo)系下，機(jī)器人各軸可實現(xiàn)單獨正向或反向運動。（ ）(2) 機(jī)器人在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下完成的動作，無法