《工業(yè)機器人技術及應用》 教案 任務5、6 機器人的本體、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)

《工業(yè)機器人技術及應用》教案姓 名 XXXXXXXX教案課程名稱：工業(yè)機器人技術及應用 授課人：XX課題工業(yè)機器人的本體課時2教學目的與要求（1）掌握六軸多關節(jié)機器人的結(jié)構(gòu)。（2）掌握水平關節(jié)機器人的結(jié)構(gòu)。（3）掌握并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)。（4）掌握工業(yè)機器人本體的線路連接。教學重點與難點重點：1）掌握各類型機器人的結(jié)構(gòu)難點：2）掌握工業(yè)機器人本體的線路連接教學方法課堂講授（PPT授課+小組討論）主要內(nèi)容及步驟備注教學過程一、組織教學：組織課堂，介紹本節(jié)課程的體系結(jié)構(gòu)，告知學習的基本要求。二、課題導入：工業(yè)機器人本體的結(jié)構(gòu)，本體的線路連接新課講授：工業(yè)機器人各類本體的結(jié)構(gòu)和線路連接四、強化鞏固利用實際生活中接觸的例子加強鞏固五、總結(jié)拓展1.課堂內(nèi)容總結(jié) 2.布置作業(yè)小組討論授課效果分析總結(jié)教學內(nèi)容課堂互動一、組織教學介紹本門課程的學習內(nèi)容及知識體系結(jié)構(gòu)，提出課程學習的基本要求，強調(diào)本門課程的上課時間、地點。推薦教材：《工業(yè)機器人技術及應用》活頁式教材二、課題導入我們學習工業(yè)機器人，那么思考：工業(yè)機器人的本體有哪些部分組成？導入：上次課堂上我們學習了工業(yè)機器人的品牌，本次課堂上我們學習工業(yè)機器人本體是上面部件組成的，為什么可以自己動起來呢？新課講授工業(yè)機器人的本體（一）六軸多關節(jié)機器人1.機械臂機械臂是工業(yè)機器人的機械主體，是用來完成各種作業(yè)的執(zhí)行機構(gòu)。如圖5-2所示。該圖為6自由度關節(jié)機器人的基本構(gòu)造，具體各關節(jié)如表5-1所示。為適應不同的用途，機器人本體最后一個軸的接口通常為一個法蘭，可以安裝不同的操作裝置（習慣上稱末端執(zhí)行器），如夾緊爪、吸盤、焊槍等。圖5-2六軸多關節(jié)機器人本體結(jié)構(gòu)表5-1六軸各關節(jié)結(jié)構(gòu)軸1軸2軸3軸4軸5軸6關節(jié)型工業(yè)機器人的機械臂是由關節(jié)連在一起的許多機械連桿的集合體。它的每一個關節(jié)均采用1個交流伺服電動機驅(qū)動。關節(jié)通常是移動關節(jié)和旋轉(zhuǎn)關節(jié)。移動關節(jié)允許連桿作直線移動，旋轉(zhuǎn)關節(jié)僅允許連桿之間發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動。由關節(jié)-連桿結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的機械臂大體可分為基座、腰部、臂部（大臂和小臂）和手腕4個部分，由4個獨立旋轉(zhuǎn)“關節(jié)”（腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)）串聯(lián)而成。（1）基座?；菣C器人的基礎部分，起支撐作用。整個執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動裝置都安裝在基座上。對固定式機器人，直接連接在地面基礎上；對移動式機器人，則安裝在移動機構(gòu)上，可分為有軌和無軌兩種。（2）腰部。腰部是機器人手臂的支撐部分。根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)坐標系的不同，腰部可以在基座上轉(zhuǎn)動，也可以和基座制成一體。有時腰部也可以通過導桿或?qū)Р墼诨弦苿?，從而增大工作空間。（3）臂部。有大臂和小臂，手臂是連接機身和手腕的部分，由機械臂的動力關節(jié)和連接桿件等構(gòu)成。它是執(zhí)行結(jié)構(gòu)中的主要運動部件，也稱主軸，主要用于改變手腕和末端執(zhí)行器的空間位置，滿足機器人的作業(yè)空間，并將各種載荷傳遞到基座。（4）手腕。手腕是連接末端執(zhí)行器和手臂的部分，將作業(yè)載荷傳遞到臂部，也稱次軸，主要用于改變末端執(zhí)行器的空間姿態(tài)。2.驅(qū)動裝置驅(qū)動裝置是驅(qū)使工業(yè)機器人機械臂運動的裝置。按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機器人產(chǎn)生動作。工業(yè)機器人常用的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動三種類型。目前除了個別精度要求不高，重負或有防爆要求的機器人采用液壓、氣壓驅(qū)動以外，工業(yè)機器人大多都是采用電氣驅(qū)動，而其中交流伺服電機用的最廣，而且一般都是每個關節(jié)由一個驅(qū)動獨立控制。如圖5-3所示。圖5-3工業(yè)機器人驅(qū)動表5-2工業(yè)機器人驅(qū)動裝置1機器人減速機2伺服電機3伺服驅(qū)動器4機器人控制器1）伺服電機伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。如表5-2所示。伺服電機可控制速度，通過控制速度來控制位置精度，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機可分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。如圖5-4和圖5-5所示。圖5-4伺服電機外形圖5-5伺服電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)2）伺服驅(qū)動器伺服驅(qū)動器又稱為伺服控制器、伺服放大器，是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應用于高精度的定位系統(tǒng)。如表5-2所示。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術的高端產(chǎn)品。如圖5-6所示。圖5-6伺服驅(qū)動器伺服驅(qū)動器是現(xiàn)代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用于工業(yè)機器人及數(shù)控加工中心等自動化設備中。尤其是應用于控制交流永磁同步電機的伺服驅(qū)動器已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點。當前交流伺服驅(qū)動器設計中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設計合理與否，對于整個伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關鍵作用。3）傳動單元驅(qū)動裝置的受控運動必須通過傳動單元帶動機械臂產(chǎn)生運動，以精確的保證末端執(zhí)行器所要求的位置、姿態(tài)和實現(xiàn)其運動。目前工業(yè)機器人廣泛采用的機械傳動單元是減速機，關節(jié)減速機要求具有傳動鏈短、體積小、功率大、質(zhì)量輕和易于控制等特點。精密減速機使機器人伺服電機在一個合適的速度下運轉(zhuǎn)，并精確地將轉(zhuǎn)速降到工業(yè)機器人各部位所需要的速度，在提高機械本體剛性的同時輸出更大的轉(zhuǎn)矩。大量用在關節(jié)型機器人上的減速機主要有兩類：諧波減速機和RV減速機。一般將諧波減速機放在手臂、腕部或手部等輕負載位置（20kg以下機器人關節(jié)）；而將RV減速機放置在基座、腰部、大臂等重負載位置（20kg以上機器人關節(jié)）。此外，機器人還采用齒輪傳動、鏈條（帶）傳動、直線運動單元等。①諧波減速機諧波減速機主要由諧波發(fā)生器、柔性齒輪和剛性齒輪三個基本構(gòu)件組成，諧波傳動減速器，是一種靠波發(fā)生器使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，并與剛性齒輪相嚙合來傳遞運動和動力的齒輪傳動。如圖5-7所示。諧波齒輪傳動減速器是利用行星齒輪傳動原理發(fā)展起來的一種新型減速器，諧波齒輪傳動簡稱為諧波傳動。②RV減速機RV減速機主要由擺線針輪和行星支架組成，如圖5-7。RV傳動是新興起的一種傳動，它是在傳統(tǒng)針擺行星傳動的基礎上發(fā)展出來的，不僅克服了一般針擺傳動的缺點，而且以其體積小，抗沖擊力強，扭矩大，定位精度高，振動小，減速比大等諸多優(yōu)點被廣泛應用于工業(yè)機器人、機床、醫(yī)療檢測設備、衛(wèi)星接收系統(tǒng)等領域。如圖5-8所示。圖5-7諧波減速機圖5-8RV減速機與諧波傳動相比，RV傳動具有較高的疲勞強度和剛度以及較長的壽命，而且回差精度穩(wěn)定，不像諧波傳動，隨著使用時間的增長，運動精度就會顯著降低，故高精度機器人傳動多采用RV減速器，且有逐漸取代諧波減速器的趨勢。水平關節(jié)機器人四軸機器人，小型裝配機器人中，“四軸SCARA機器人”是指“選擇性裝配關節(jié)機器臂”，即四軸機器人的手臂部分可以在一個幾何平面內(nèi)自由移動。如圖5-9所示。SCARA機器人有3個旋轉(zhuǎn)關節(jié)，前兩個關節(jié)可以在水平面上左右自由旋轉(zhuǎn)。第三個關節(jié)由一個稱為羽毛（quill）的金屬桿和夾持器組成。該金屬桿可以在垂直平面內(nèi)向上和向下移動或圍繞其垂直軸旋轉(zhuǎn)，但不能傾斜。這種獨特的設計使四軸機器人具有很強的剛性，從而使它們能夠勝任高速和高重復性的工作。在包裝應用中，四軸機器人擅長高速取放和其他材料處理任務。例如，快速將一件小物件從一條輸送帶移動到另一條輸送帶上并排列好。如圖5-9所示。圖5-9水平關節(jié)機器人（三）并聯(lián)機器人并聯(lián)機器人如圖5-10所示，它是一個封閉的運動鏈，并聯(lián)機構(gòu)(ParallelMechanism，簡稱PM)，可以定義為動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構(gòu)具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機構(gòu)。并聯(lián)機器人主要的結(jié)構(gòu)包括機座、大臂、小臂、電機和抓手安裝法蘭。如表5-3所示。圖5-10并聯(lián)機器人基本結(jié)構(gòu)1機座2電機3大臂4小臂5抓手法蘭表5-3并聯(lián)機器人主要結(jié)構(gòu)并聯(lián)機器人和傳統(tǒng)工業(yè)用串聯(lián)機器人在應用上構(gòu)成互補關系，它是一個封閉的運動鏈，和串聯(lián)機器人相比較，并聯(lián)機器人具有以下特點：（1）不易有動態(tài)誤差，無累積誤差，精度較高。（2）運動慣性小。（3）結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定，輸出軸大部份承受軸向應力，機器剛性高，承載能力大。（4）為熱對稱性結(jié)構(gòu)設計，熱變形量較小。（5）在位置求解上，串聯(lián)機構(gòu)正解容易，反解困難，而并聯(lián)機構(gòu)正解困難，反解容易。（6）工作空間較小。（7）驅(qū)動裝置可置于定平臺上或接近定平臺的位置，這樣運動部分重量輕，速度高，動態(tài)響應好。（8）完全對稱的并聯(lián)機構(gòu)具有較好的各向同性。根據(jù)這些特點，并聯(lián)機器人在需要高剛度、高精度、大荷重、工作空間精簡的領域內(nèi)得到了廣泛應用，尤其在拾取分揀領域。（四）機器人本體與控制柜之間需要連接三條電纜及連接1、機器人本體與控制柜之間需要連接三條電纜：動力電纜、SMB電纜，如圖5-11--圖5-12所示。圖5-11動力電纜圖5-12SMB電纜2、機器人本體與控制柜之間的連接（1）將標注為R1.MP的動力電纜插頭接入對應機器人本體底座的插頭上，如圖5-13所示。（2）將SMB電纜（彎頭）接頭插入到機器人本體底座SMB端口，如圖5-14所示。圖5-13動力電纜接入機器人本體圖5-14SMB電纜接入機器人本體3、（1）此任務中IRB1200是使用單相220V供電，最大功率0.5kw。根據(jù)此參數(shù)，準備電源線并且制作控制柜端的接頭，如圖5-15所示。圖5-15電源線接頭（2）將電源線根據(jù)定義進行接線，將電線涂錫后插入接頭壓緊，如圖5-16所示。圖5-16電源線接線圖5-17電源線（3）已制作好的電源線如圖5-17所示。任務總結(jié)本任務主要講述了工業(yè)機器人本體的結(jié)構(gòu)和本體通訊插口。機器人本體機構(gòu)中需要重點掌握的是減速機和伺服電機，機器人本體通訊接口處需要注意的是動力電纜、SMB電纜、具體對應的插孔、氣管插孔的具體位置，最后需要注意及時切斷電源，保證最基本的人身安全。四、強化鞏固工業(yè)機器人本體什么怎么樣組成的，線路該怎么連接五、總結(jié)拓展（一）課堂總結(jié)（1）工業(yè)機器人本體的結(jié)構(gòu)組成（2）工業(yè)機器人本體的線路連接（二）布置作業(yè)總結(jié)本節(jié)課的內(nèi)容提前組織教學課題導入基本知識講解本節(jié)重點本節(jié)難點《工業(yè)機器人技術及應用》教案姓 名 XXXXXXXX教案課程名稱：工業(yè)機器人技術及應用 授課人：XX課題工業(yè)機器人控制系統(tǒng)課時2教學目的與要求（1）了解工業(yè)機器人控制器的結(jié)構(gòu)。（2）了解工業(yè)機器人控制器的基本功能。（3）了解工業(yè)機器人控制器的分類。（4）了解工業(yè)機器人控制器的基礎操作。教學重點與難點重點：1）掌握機器人控制器的結(jié)構(gòu)、基本功能及分類。2）掌握工業(yè)機器人控制柜與工業(yè)機器人本體的線路連接。3）掌握機器人控制器的上電開機及手、自動的調(diào)節(jié)。難點：4）掌握機器人控制柜I/O板的分布。教學方法課堂講授（PPT授課+小組討論）主要內(nèi)容及步驟備注教學過程一、組織教學：組織課堂，介紹本節(jié)課程的體系結(jié)構(gòu)，告知學習的基本要求。二、課題導入：工業(yè)機器控制器的結(jié)構(gòu)和基礎操作；工業(yè)機器人控制器的基本功能和分類新課講授：機器人控制柜I/O板的分布，制器的上電開機及手、自動的調(diào)節(jié)。與工業(yè)機器人本體的線路連接?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)、基本功能及分類。四、強化鞏固利用實際生活中接觸的例子加強鞏固五、總結(jié)拓展1.課堂內(nèi)容總結(jié) 2.布置作業(yè)小組討論授課效果分析總結(jié)教學內(nèi)容課堂互動一、組織教學介紹本門課程的學習內(nèi)容及知識體系結(jié)構(gòu)，提出課程學習的基本要求，強調(diào)本門課程的上課時間、地點。推薦教材：《工業(yè)機器人技術及應用》活頁式教材二、課題導入我們學習了機器人本體結(jié)構(gòu)以及分類，那么思考：工業(yè)機器人的是靠什么來控制的呢？導入：上次課堂上我們學習了工業(yè)機器人本體的結(jié)構(gòu)，本次課堂上我們學習工業(yè)機器控制系統(tǒng)，為什么可以自己動起來呢？是什么驅(qū)使機器人本體能進行控制的呢？新課講授工業(yè)機器人控制系統(tǒng)（如果說工業(yè)機器人本體是機器人的“肢體”，那么控制系統(tǒng)則是工業(yè)機器人的“大腦”和“心臟”。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)是根據(jù)指令以及傳感信息控制工業(yè)機器人完成一定動作或作業(yè)任務的裝置，是決定工業(yè)機器人功能和性能的主要因素，也是工業(yè)機器人系統(tǒng)中更新和發(fā)展最快的部分。（一）工業(yè)機器人控制器的結(jié)構(gòu)工業(yè)機器人控制器由計算機硬件、軟件和一些專用電路構(gòu)成，其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機器人專用語言、機器人運動學、動力學軟件、機器人控制軟件、機器人自診斷、自保護功能軟件等，它處理機器人工作過程中的全部信息和控制其全部動作。工業(yè)機器人控制器的功能模塊包括：（1）計算機模塊；（2）電機驅(qū)動單元模塊；（3）機箱控制模塊；（4）分布式輸入/輸出&通訊模塊。（三）工業(yè)機器人控制器分類控制器是完成工業(yè)機器人控制功能的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。依據(jù)控制系統(tǒng)的開放程度，機器人控制可分為3類：封閉型、開放型和混合型。目前應用中的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)，基本上都是封閉型系統(tǒng)（如日系機器人）或混合型系統(tǒng)（如歐系機器人）。按計算機結(jié)構(gòu)、控制方式和控制算法的處理方法，機器人控制器又可分為集中式控制和分布式控制兩種方式。集中式控制器集中式控制器利用一臺微型計算機實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能，早期機器人常采用這種結(jié)構(gòu)。集中式控制器的優(yōu)點是硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，整體性與協(xié)調(diào)性較好?；赑C的系統(tǒng)硬件擴展較為方便。但其缺點也顯而易見：系統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險容易集中，一旦出現(xiàn)故障，其影響面廣，后果嚴重；由于工業(yè)機器人的實時性要求很高，當系統(tǒng)進行大量數(shù)據(jù)計算時，會降低系統(tǒng)實時性，系統(tǒng)對多任務的響應能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突；此外系統(tǒng)連線復雜，會降低系統(tǒng)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”，即系統(tǒng)對其總體目標和任務可以進行綜合協(xié)調(diào)和分配，并通過子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來完成控制任務，整個系統(tǒng)在功能、邏輯和物理等方面都是分散的。子系統(tǒng)是由控制器和不同被控對象或設備構(gòu)成的，各個子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡等進行相互通信。分布式控制結(jié)構(gòu)提供了一個開放、實時、精確的機器人控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級控制方式，由上位機和下位機組成。上位機負責整個系統(tǒng)管理以及運動學計算、軌跡規(guī)劃等，下位機由多CPU組成，每個CPU控制一個關節(jié)運動。上、下位機通過通信總線（如RS-232、RS-485、以太網(wǎng)等）相互協(xié)調(diào)工作。分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險性降低，采用多處理器的分散控制，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的處理效率，縮短響應時間。機器人本體與控制柜之間需要連接三條電纜及連接將標注為XP1的動力電纜插頭接入控制柜XS1端口，如圖6-2所示。將SMB電纜（直頭）接頭插入到控制柜XS2端口，如圖6-3所示。將示教器電纜（紅色）的接頭插入到控制柜XS4端口，如圖6-4所示。圖6-2動力電纜接入控制柜圖6-3SMB電纜接入控制柜圖6-4示教器電纜接入控制柜（五）工業(yè)機器人控制器的基礎操作工業(yè)機器人控制器上下電開關、急停按鈕、手、自動切換，如表6-1所示。機器人狀態(tài)表6-1工業(yè)機器人控制器上的主要開關按鈕機器人狀態(tài)電源總開