07 模塊7 工業(yè)機(jī)器人操作與編程

《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》課程教案課題：模塊7工業(yè)機(jī)器人操作與編程課型：新授課課時(shí)：本章安排4個(gè)課時(shí)。教學(xué)過程：教學(xué)形式：講授課，教學(xué)組織采用課堂整體講授和分組演示。教學(xué)媒體：采用啟發(fā)式教學(xué)、案例教學(xué)等教學(xué)方法。教學(xué)手段采用多媒體課件、視頻等媒體技術(shù)。板書設(shè)計(jì)：本課標(biāo)題模塊7工業(yè)機(jī)器人操作與編程課次2授課方式理論課□討論課□習(xí)題課□其他□課時(shí)安排4學(xué)分共2分授課對(duì)象應(yīng)用型本科院校和高職院校工業(yè)機(jī)器人專業(yè)學(xué)生任課教師教材及參考資料1.《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》。2.本教材配套視頻教程及學(xué)習(xí)檢查等資源。3.與本課程相關(guān)的其他資源。教學(xué)基本內(nèi)容教學(xué)方法及教學(xué)手段引言工業(yè)機(jī)器人最初是為工業(yè)生產(chǎn)制造提供勞動(dòng)力而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品：人類社會(huì)的勞動(dòng)力實(shí)現(xiàn)從人力到機(jī)械的跨越經(jīng)過了漫長(zhǎng)的時(shí)間，然而傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備仍然需要人來進(jìn)行實(shí)時(shí)操作。于是人們想象有這樣一種機(jī)械設(shè)備——它不僅能夠完成人力能做的所有事，還能服從人的命令，按照人的要求自動(dòng)去從事勞動(dòng)，并且不偷懶，不怕累，也不需要在人類的監(jiān)督下工作。基于這樣的理念，人們?cè)O(shè)計(jì)出了工業(yè)機(jī)器人。雖然工業(yè)機(jī)器人有這樣強(qiáng)大的功能，但要想讓它按照人們的需求工作，還需要人們將工作內(nèi)容和要求預(yù)先轉(zhuǎn)化為機(jī)器可接收的信息，進(jìn)而輸入工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。這就是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中的操作與編程。工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)操作是在脫離自動(dòng)化程序的場(chǎng)景下，單獨(dú)實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的各項(xiàng)功能，它可用于檢驗(yàn)工業(yè)機(jī)器人的功能以及工作質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人的編程是把對(duì)工業(yè)機(jī)器人的工作需求轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N機(jī)器人能識(shí)別的語言命令并輸入機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)而讓工業(yè)機(jī)器人按照這些命令執(zhí)行工作。參考以下形式：1.銜接導(dǎo)入2.懸念導(dǎo)入3.情景導(dǎo)入4.激疑導(dǎo)入5.演示導(dǎo)入6.實(shí)例導(dǎo)入7.其他形式本章基本知識(shí)匯總單元1工業(yè)機(jī)器人基本操作一、手動(dòng)操作動(dòng)作模式在手動(dòng)操作模式下，工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作模式通常有三種：關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、線性運(yùn)動(dòng)、重定位運(yùn)動(dòng)。（一）關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)在手動(dòng)操作模式下對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)操作，使某一個(gè)軸單獨(dú)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（二）線性運(yùn)動(dòng)在手動(dòng)操作模式下對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)操作，使工具坐標(biāo)系沿著參考坐標(biāo)系的軸向作線性運(yùn)動(dòng)。（三）重定位運(yùn)動(dòng)在手動(dòng)操作模式下對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)操作，使機(jī)器人繞著工具坐標(biāo)系的X（或Y，Z）軸作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，正方向用右手法則判定。二、坐標(biāo)系統(tǒng)認(rèn)知（一）參考坐標(biāo)系與運(yùn)動(dòng)對(duì)象ABB工業(yè)機(jī)器人的參考坐標(biāo)系包括四種（機(jī)器人品牌大多是這四種參考坐標(biāo)系，只是名稱可能不同）：1.基坐標(biāo)系。2.大地坐標(biāo)系。3.工具坐標(biāo)系。4.工件坐標(biāo)系。ABB工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)對(duì)象是末端工具，用工具坐標(biāo)系定義姿態(tài)，運(yùn)動(dòng)參考點(diǎn)是TCP（ToolCenterPoint，工具坐標(biāo)系原點(diǎn)）。沒有安裝工具時(shí)，以工具安裝法蘭為對(duì)象，用工具坐標(biāo)系tool0定義姿態(tài)。（二）基坐標(biāo)系基坐標(biāo)系是固定在工業(yè)機(jī)器人底座上的一個(gè)參考坐標(biāo)系。當(dāng)工業(yè)機(jī)器人在空間內(nèi)移動(dòng)TCP時(shí)，始終有一個(gè)參照系給TCP的運(yùn)動(dòng)作參照，我們把這個(gè)默認(rèn)的參照系稱為六軸工業(yè)機(jī)器人的“基坐標(biāo)系”。（三）大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)工作站中唯一固定不變的參照坐標(biāo)系。當(dāng)工業(yè)機(jī)器人本體不是固定不動(dòng)，或者工作空間內(nèi)存在多個(gè)機(jī)器人協(xié)作，需要統(tǒng)一它們的位置參照時(shí)，就需要用一個(gè)參照系來確定機(jī)器人的基坐標(biāo)系在空間內(nèi)的位置，我們把這個(gè)參照系稱作“大地坐標(biāo)系”。一般情況下，單個(gè)機(jī)器人的工作站中機(jī)器人位置固定不動(dòng)時(shí)，大地坐標(biāo)系默認(rèn)設(shè)置是與基坐標(biāo)系重合的。（四）工具坐標(biāo)系工具坐標(biāo)系是固定在機(jī)器人末端法蘭或工具上的參考坐標(biāo)系。機(jī)器人工具在運(yùn)動(dòng)的過程中，有的需要參考整個(gè)工具，意味著工具的姿態(tài)需要是可控的，要在工具上建立一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系。（五）工件坐標(biāo)系工件坐標(biāo)系是用戶根據(jù)操作編程需求自行建立在任意位置和方向的參考坐標(biāo)系。三、I/O信號(hào)監(jiān)控I/O信號(hào)監(jiān)控是操作員對(duì)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)輸入信號(hào)的監(jiān)視和輸出信號(hào)的控制。單元2工業(yè)機(jī)器人編程一、工業(yè)機(jī)器人編程概述為了讓工業(yè)機(jī)器人按照一定的流程自主地完成相關(guān)作業(yè)，我們需要為工業(yè)機(jī)器人編寫一套指令的有序集合。編寫指令的過程就是工業(yè)機(jī)器人編程。指令流程：1.機(jī)器人夾爪到達(dá)鐵塊正上方。2.打開夾爪。3.夾爪到達(dá)鐵塊夾取位置place1。4.夾爪閉合，夾住鐵塊。5.夾爪向上運(yùn)動(dòng)。6.夾爪到達(dá)place2位置正上方。7.夾爪夾著鐵塊運(yùn)動(dòng)到place2。8.打開夾爪，釋放鐵塊。二、工業(yè)機(jī)器人編程功能工業(yè)機(jī)器人的程序指令有很多，它是一套完整的機(jī)器語言。但從功能上，這些指令主要分為三部分，分別是運(yùn)動(dòng)監(jiān)控、信號(hào)監(jiān)控、邏輯控制。（一）運(yùn)動(dòng)監(jiān)控運(yùn)動(dòng)監(jiān)控指令分運(yùn)動(dòng)監(jiān)視和運(yùn)動(dòng)控制兩部分。運(yùn)動(dòng)監(jiān)視指令可用于讀取機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括位置數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)等。運(yùn)動(dòng)控制指令主要控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式，包括運(yùn)行軌跡、運(yùn)行速度等。（二）信號(hào)監(jiān)控信號(hào)監(jiān)控指令分信號(hào)監(jiān)視和信號(hào)控制兩部分。信號(hào)監(jiān)視指令可用于讀取機(jī)器人控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的信號(hào)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，包括數(shù)字信號(hào)的電平、模擬信號(hào)的大小等。信號(hào)控制指令主要用于控制機(jī)器人系統(tǒng)的數(shù)字量輸出信號(hào)和模擬量輸出信號(hào)，能夠置位或置反數(shù)字量輸出信號(hào)并設(shè)置模擬量輸出信號(hào)的大小。（三）邏輯控制邏輯控制指令用于控制程序的運(yùn)行邏輯，如循環(huán)、條件判斷、計(jì)算、跳轉(zhuǎn)等。三、工業(yè)機(jī)器人編程語言在機(jī)器人專用語言未能實(shí)用化之前，人們使用通用的計(jì)算機(jī)語言編制機(jī)器人管理和控制程序，當(dāng)時(shí)最常用的語言有匯編語言、FORTRAN語言、PASCAL語言、BASIC語言等?，F(xiàn)在所廣泛使用的機(jī)器人語言也是在通用計(jì)算機(jī)語言的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。一般而言，機(jī)器人語言至少應(yīng)當(dāng)包括以下幾個(gè)模塊：系統(tǒng)初始化模塊、狀態(tài)自檢模塊、命令處理模塊、起始定位模塊、編輯操作模塊、示教操作模塊、單步操作模塊及再現(xiàn)操作模塊等。（一）編程方式由于機(jī)器人的控制裝置和作業(yè)要求多種多樣，國(guó)內(nèi)外尚未制訂統(tǒng)一的機(jī)器人控制代碼標(biāo)準(zhǔn)，所以編程語言也是多種多樣的。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)器人編程方式主要有以下幾種形式：1.順序控制的編程在順序控制的機(jī)器中，所有的控制都是由機(jī)械的或電氣的順序控制器實(shí)現(xiàn)的，一般沒有程序設(shè)計(jì)的要求。順序控制的靈活性小，這是因?yàn)樗械墓ぷ鬟^程都已預(yù)先編好——可由機(jī)械擋塊或其他確定的辦法所控制。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低、易于控制和操作。2.示教方式編程目前，大多數(shù)機(jī)器人仍采用示教方式編程，這是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，易于被熟悉工作任務(wù)的人員所掌握，而且使用簡(jiǎn)單的設(shè)備和控制裝置即可進(jìn)行。示教過程進(jìn)行得很快，示教過后，馬上即可應(yīng)用。在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教時(shí)，機(jī)器人控制系統(tǒng)將示教的機(jī)器人軌跡和各種操作存入存儲(chǔ)器，如果需要，過程可以重復(fù)多次。在某些系統(tǒng)中，還可以用與示教時(shí)不同的速度進(jìn)行模擬。如果能夠從一個(gè)運(yùn)輸裝置獲得使機(jī)器人的操作與搬運(yùn)裝置同步的信號(hào)，就可以用示教的方法來解決機(jī)器人與搬運(yùn)裝置配合的問題。示教方式編程也有一些缺點(diǎn)：（1）只能在有限的速度下工作。（2）難與傳感器的信息相配合。（3）不能用于某些危險(xiǎn)的情況。（4）在操作大型機(jī)器人時(shí)，這種方法不實(shí)用。（5）難獲得高速和直線運(yùn)動(dòng)。（6）難與其他操作同步。使用示教盒可以克服其中的部分缺點(diǎn)。3.示教盒示教利用裝在控制盒上的按鈕可以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人按需要的順序進(jìn)行操作。在示教盒中，每一個(gè)關(guān)節(jié)都有一對(duì)按鈕，分別控制該關(guān)節(jié)在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，有時(shí)還提供附加的最大允許速度控制。雖然為了獲得最高的運(yùn)行效率，人們希望機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)合成運(yùn)動(dòng)，但在用示教盒示教的方式下，卻難以同時(shí)移動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)。電視游戲機(jī)上的游戲桿雖可用來提供幾個(gè)方向上的關(guān)節(jié)速度，但它也有缺點(diǎn)——這種游戲桿是通過移動(dòng)控制盒中的編碼器或電位器來控制各關(guān)節(jié)的速度和方向，難以實(shí)現(xiàn)精確控制。示教盒一般用于對(duì)大型機(jī)器人或危險(xiǎn)作業(yè)條件下的機(jī)器人示教。這種方法難以獲得高的控制精度，也難以跟其他設(shè)備同步及與傳感器信息相配合。4.脫機(jī)編程或預(yù)編程脫機(jī)編程和預(yù)編程的含意相同，是指用機(jī)器人程序語言預(yù)先進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，而不是用示教的方法編程。脫機(jī)編程有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）編程時(shí)可以不使用機(jī)器人，可騰出機(jī)器人去做其他工作。（2）可預(yù)先優(yōu)化操作方案和運(yùn)行周期。（3）以前完成的過程或子程序可結(jié)合到待編的程序中去。（4）可用傳感器探測(cè)外部信息，從而使機(jī)器人作出相應(yīng)的響應(yīng)，這種響應(yīng)使機(jī)器人可以在自適應(yīng)的方式下工作。（5）控制功能中可以包含現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）的信息。（6）可以用預(yù)先運(yùn)行程序來模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)，從而不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。利用圖形仿真技術(shù)，可以在屏幕上模擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)來輔助編程。（7）對(duì)不同的工作目的，只需替換一部分待定的程序。在非自適應(yīng)系統(tǒng)中，沒有外界環(huán)境的反饋，僅有的輸入是各關(guān)節(jié)傳感器的測(cè)量值，因此可以使用簡(jiǎn)單的程序設(shè)計(jì)手段。（二）機(jī)器人編程語言的基本要求和類別機(jī)器人編程語言是一種程序描述語言，它能十分簡(jiǎn)潔地描述工作環(huán)境和機(jī)器人的動(dòng)作，能把復(fù)雜的操作內(nèi)容通過盡可能簡(jiǎn)單的程序來實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人編程語言也和一般的程序語言一樣，應(yīng)當(dāng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、概念統(tǒng)一、容易擴(kuò)展等特點(diǎn)。從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，很多情況下都是操作者實(shí)時(shí)地操縱機(jī)器人工作，為此，機(jī)器人編程語言還應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)單易學(xué)，并且有良好的對(duì)話性。高水平的機(jī)器人編程語言還能夠應(yīng)用目標(biāo)物體和環(huán)境的幾何模型，因此性能優(yōu)越的機(jī)器人語言會(huì)極大地減少編程的困難。從描述操作命令的角度來看，機(jī)器人編程語言的水平可以分為動(dòng)作級(jí)語言、對(duì)象級(jí)語言和任務(wù)級(jí)語言。（1）動(dòng)作級(jí)語言：以機(jī)器人末端執(zhí)行器的動(dòng)作為中心來描述各種操作，要在程序中說明每個(gè)動(dòng)作，這是一種最基本的描述方式。（2）對(duì)象級(jí)語言：允許較粗略地描述操作對(duì)象的動(dòng)作、操作對(duì)象之間的關(guān)系等。使用這種語言時(shí)，必須明確地描述操作對(duì)象之間的關(guān)系和機(jī)器人與操作對(duì)象之間的關(guān)系，它特別適用于組裝作業(yè)。（3）任務(wù)級(jí)語言：為實(shí)現(xiàn)指定操作內(nèi)容，機(jī)器人必須一邊思考一邊工作，任務(wù)級(jí)語言是直接指定操作內(nèi)容的一種水平很高的機(jī)器人程序語言。現(xiàn)在還有人在開發(fā)一種系統(tǒng)，它能按某種原則給出最初的環(huán)境狀態(tài)和最終的工作狀態(tài)，然后讓機(jī)器人自動(dòng)進(jìn)行推理、計(jì)算，最后自動(dòng)生成機(jī)器人的動(dòng)作。目前在實(shí)際生產(chǎn)中常見的機(jī)器人編程語言可分為以下幾類：1.ABB機(jī)器人編程語言ABB機(jī)器人使用的是RAPID編程語言，它是在Pascal語言的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，用于對(duì)ABB機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)處理、邏輯設(shè)置等編程功能。ABB機(jī)器人的程序模塊有三部分，分別是例行程序（又叫無返回值例行程序）、中斷程序和功能程序（也叫有返回值例行程序）。例行程序主要用于機(jī)器人的正常工作編程，包括運(yùn)動(dòng)控制、信號(hào)控制、和邏輯控制。中斷程序用于機(jī)器人工作中非正常故障的自動(dòng)處理。功能程序用于在機(jī)器人中反饋某些變量數(shù)據(jù)值。ABB程序指令從結(jié)構(gòu)上看，分為程序指令和程序數(shù)據(jù)。程序指令用于控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式、運(yùn)行邏輯、處理信號(hào)的方式等。程序數(shù)據(jù)是一個(gè)具體的程序變量，如運(yùn)動(dòng)速度、位置坐標(biāo)、循環(huán)次數(shù)、信號(hào)對(duì)象等。2.KUKA機(jī)器人編程語言KUKA機(jī)器人使用的是KRL（KUKARobotLanguage）編程語言，它是KUKA公司自