《工业机器人技术及应用》 教案 任务5、6 机器人的本体、 工业机器人控制系统.docx

工业机器人技术及应用教案课程名称：工业机器人技术及应用授课人：XX课题工业机活人的本体课时2教学目的与要求（1）掌握六轴多关节机涔人的结构。（2）掌握水平关节机器人的结构。（3）掌握并联机器人的结构.（4）掌握工业机器人本体的线路连接.教学重点与难点盘点：1）掌握各类型机器人的结构难点：2）掌握工业机器人本体的线路连接教学方法课堂讲授（PPT授课+小组讨论）教学过程主要内容及步骤备注-、组织教学：组织课堂，介绍本节课程的体系结构，告知学习的基本要求。二、课题导入：工业机器人本体的结构，本体的线路连接三、新课讲授：工业机涔人各类本体的结构和线路连接四、强化巩固利用实际生活中接触的例子加强巩固五、总结拓展1.课堂内容总结.2.布宜作业小组讨论授课效果分析总结敦学内容课堂互动SSK坦叙，介绍本门课程的学习内容及知识体系结构，提出课程学习的基本耍求，强调本门课程的上课时间、地点。«*推荐教材：工业机器人技术及应用活页式教材二、课题导入我们学习工业机器人，那么思考：工业机器人的本体有哪些部分组成？导入：上次课堂上我们学习/工业机器人的品牌，本次课堂上我们学习工业机器人本体是上面部件组成的，为什么可以自己动起来呢？三、宙课讲工业机器人的本体课意导入(一)六轴多关节机器人1.机械If机械惜是工业机器人的机械主体,是用来完成各种作业的执行机构.如图5-2所示。该图为6自由度关节机器人的域本构造，具体各关节如表5-1所示。为适应不同的用途，机器人本体坦后个轴的接口通常为一个法兰，可以安装不同的操作装置(习惯上称末端执行器)，如央紧乐、吸盘、焊枪等.UH*电HtO6基本知识讲解i¾4-看质图5-2六釉多美节机器人本体结构衣5-1六轴各关节结构关节型工业机涔人的机械臂是出关节连在起的许多机械连杆的集合体。它的每一个关节均采用1个交流伺服电动机驱动.关节通常是移动关节和旋转关节。移动关节允许连杆作直线移动，提转关节仅允许连杆之间发生旋转运动。由关节-连杆结构所构成的机械行人体可分为基座、腰部、骨部（大仔和小臂）和手腕4个部分，由4个独立旋转“关书”（腰关节、肩关节、肘关节和腕关节）串联而成.（1）基座.基座是机器人的基础部分,起支掠作用。整个执行机构和驱动装置.都安装在基座上,对固定式机器人，直接连接在地面基础上：对移动式机器人，则安装在移动机构匕可分为有轨和无轨两种“<2）腰部,腰部是机器人手将的支掠除分。根掳执行机构坐标系的不同，腹部可以在基座上转动，也可以和基座制成一体.有时腔部也可以通过导杆或导槽在站座上移动，从而埒大工作空间。（3）臂部.有大臂和小普，手一是连接机身和手腕的部分，由机械臂的动力关节和连接杆件等构成，它是执行结构中的主要运动部件,也称主轴,主要用于改变手腕和末笫执行器的空间位置，满足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到基座.<4）手腕.手腕是连接末端执行器和手臂的部分，格作业载荷传递到对部，也称次轴，主要用于改变末端执行器的空间姿态。木节重点2.驱动装置驱动奘置是驱使工业机器人机械鸭运动的装S1.按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人产生动作。工业机潺人常用的颤动方式主要有液压业动、气压驱动和电气感动三种类型，目前除了个别精良要求不商，曲负或有防爆要求的机器人果用液压、气压驱动以外，工业机器人大多都是采用电气驱动，而其中交流何眼电机用的m广,而且一般都是每个关节的一个期动独立控制.如图53所示O图5-3工业机器人撷动表5-2工业机器人驱动装置1机器人减速机2伺服电机WIi；F箸机器人控制器1）伺服电机伺服电机是指在伺服彩统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置.如表5-2所示.伺限电机可控制速度，通过控制速慢来控制位附精度，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制时象，伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中,用作执行元件，且具彳I机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号代描成电动机轴上的角位移或角速度输出。向眼电机可分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现兔，转速的籽转矩的增加而匀速下降，如图5T和图5-5所示.图57向服电机外形图5-5伺阻电机内部结构2）伺SUK动Q伺服第动器又称为伺服控制器、伺服放大器,是用来控制伺服电机的一种控制涔.其作用类似于变版渊作用于普通交流，达,蟠于何服系统的一部分,主要应用于高精度的定位系统，如表5-2所示一般是通过位置、速度和力矩三种方式时伺限马达进行控制，实现海粕度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。如图5-6所示.图5-6伺服驱动器何阳驱动器是现代运动控制的理要组成部分,被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设需中,尤其是应用于控制交流永破同步电机的同服期动器已经成为国内外研究热点，当前交流伺服驶动器设计中冲通采用基于矢奴控制的电流、速度、位置3闭环控制算法.该笄法中速度闭环设计合理与否，对于整个伺服控制系统,特别是逑度控制性能的发挥起到关键作用。3）传动单元驱动装置的受控运动必须通过传动单元带动机械好产生运动.以精确的保证末端执行器所要求的位置、姿态和实现其运动。目前工业机器人广泛采用的机械传动单元是减速机，关节减速机要求具有传动链S1.体积小、功率大、质业轻和易于控制等特点.精密减速机使机器人何贵电机在一个合适的速度下运转,并精确地将传速降到工业机零人各部位所需要的速度.在提高机械本体网性的同时输出更大的转矩。大录用在关节型机器人上的M速机主要有两类：谐波减速机和RYM速机。®将谐波减速机放在手臂、腕部或手部等轻负我位置（2Okg以下机器人关节）：而将RY减速机放置在基座、腹部、大耨等重负载位置（2Okg以上机渊人关节）.此外.机涔人还采用齿轮传动、链条（带）传动、百战运动单元等.谐波减速机主要由谐波发生器、柔性为轮和刚性伙i轮一个基本构件组成,谐波传动戚速器，是一种希波发生器使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相喷合来传通运动和动力的齿轮传动，如图5-7所示。谐波齿轮传动减速器是利用行星齿轮传动原埋发展起来的一种新型M速器.谐波齿轮传动简称为谐波传动.RVit速机RY减速机主要由摆战针轮和行星支架组成，如图5-7。RV传动是新兴起的一种传动，它是在传统针搜行星传动的基础上发展出来的，不仅克服了股钟摆传动的块点.而且以其体枳小,抗冲击力强扭矩大,定位精度高,振动小减速比大等诸多优点被广泛应用于工业机器人、机床、医疗检测设需、卫星接收系统等领域,如图5-8所示。图5-8RY诚速机与谐波传动相比RY传动具有较高的疲劳强度和刚度以及较长的寿命,而同回差精度稔定，不像谐波传动，随着使用时间的增长，运动精度就会显著降低，故高格改机器人传动多采用RV减速器，且有逐渐取代谐波减速器的超势.(二)水平关节机叁人四轴机器人,小型装限机携人中,“四轴SCRRA机器人”是指“选择性奘配关节机器将”,即四轴机器人的手曾部分Ur以在一个几何平面内自由移动,，如图5-9所示。图5-9水平关节机器人SCARA机器人有3个旋转关节，前两个关节可以在水平面上左右臼由旋转.第三个关节由一个称为羽毛(qui1.1.)的金属杆和夹持涔组成.该金属杆可以在垂史平面内向上和向卜.移动或困绕其班百.轴技转，但不能忸斜，这种独特的设计使四轴机涔人具有很强的刚性，从而使它们能泌胜任高逸和高Hi发性的工作。在包装应刖中，四轴机器人报长高速取放和其他材料处理任务.例如，快速将一件小物件从一条输送带移动到另一条输送带上并排列好.如图59所示.(三)并联机用人并联机器人如图5T0所示，它是一个时闭的运动链，并联机构(Para1.1.e1.Hechanism,简称PM),可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接机构具有两个或两个以上自由度且以并联方式飘动的一种闭环机构.并联机器人主要的结构包括机座、大骨、小将、电机和抓手安装法兰.如表5-3所示1图5-10并联机器人基本结构表5-3并联机器人主要结构并联机器人和传统工业用串联机器人在应用上构成互补关系.它是一个封闭的运动链，和申联机器人相比较，并联机器人具有以卜特点：（1）不易有动态误差，无累枳误差，制度较高，（2）运动惯性小。（3）结构紫凄稳定.输出轴大部份承受轴向府力机器刚性高,承毂能力（1）为热对称性结构设计，热变形玳较小。（5）在位置求解上，率联机构正解容易,反解困难.而并联机构正解困难.反解容易.（6）工作空间较小。（7）费动袋就可跣于定平台上或接近定平台的位置这样运动部分曳Ift轻，速度高动态响应好.（8）完全对称的并联机构具有较好的各向同性.根据这些特点，井联机器人在海要高刚度、高精度、大荷虫、工作空间精荷的领域内得到了广泛应用，尤其在拾取分拣领域.（四）机器人本体与控制柜之间需要连接三条电埴及旌按11一图5T2所示。图5T2SNB电缆木节难点图5-11动力电缆1、机器人本体与控制柜之间需要连接三条电缆：动力电缆、SMB电缆,如图5-2,机器人本体与控制柜之间的连接<1）将标注为R1.V1.P的动力电线插头接入对应机器人本体底座的插头上，如图5-13所示。<2）将SMB电缆<fif）接头捅入到机器人本体底座SMB端口,如图574所示。图5T3动力电缆接入机器人本体图3T4SMB电皴接入机器人本体3、（I）此任务中IRBI200是使用电相220Y供电，最大功率0.5kw.根据此参数、准备电源线并且制作控制柜端的接头,如图5T5所示。图5T5电源或接头（2）将电源处根据定义迸行接线，将电践涂锡后插入接头仄紧，如图5T6所示.+0图5T6电源线接线图5-17电海线（3）已制作好的电源线如图5T7所示.二、任务总结本任务主娈讲述了工业机器人本体的结构和本体通讯插口。机器人本体机构中需要由点掌握的是战速机和伺服电机，机器人本体通讯接口处需要注意的是动力电缆、SMB电缆、具体对应的插孔、气管捕孔的具体位置,最后需要注意及时切断电源，保证最墙本的人身安全。四、强化巩固工业机器人本体什么怎么样组成的，线路该怎么连接(一)课堂总结(1)工业机器人本体的结构组成(2)工业机器人本体的线路连接(二)布置作业总结本节课的内容工业机器人技术及应用教案课程名称：工业机器人技术及应用授课人：XX课题MUS人控IW系统课时2教学目的与要求（1）了斛工业机器人控制器的结构。（2） J'解工业机器人控制器的基本功能。（3） 了解工业机器人控制器的分类。（4） J'解工业机器人控制器的基附操作。教学重点与难点重点：I）掌握机器人控制器的结构、基本功能及分类。2）掌握工业机器人控制柜与工业机器人本体的线路连接，3）掌握机器人控制器的上电开机及手、自动的调节，难点：4）掌握机器人控制柜I/O板的分布。教学方法课堂讲授（PpT授课+小组讨论）教学过S.主要内容及步骤备注组织教学：组织课堂，介绍本节课程的体系结构，告知学习的基本要求.二、课题导入：工业机器控制器的结构和基础操作：工业机器人控制器的基本功能和分类四、新课讲授：机器人控制柜1/0板的分布，制器的上电开机及手、自动的调节。与工业机器人本体的畿路连接，控制器的结构、基本功能及分类。四、强化巩固利用实际生活中接触的例子加强巩固五、总结拓展1 .课堂内容总结.2 .布置作业小组讨论授课效果分析总结敦学内容课常互动醯蛆黑教翻介绍本门课程的学习内容及知识体系结构，提出课程学习的基本要求，强调本门课程的上课时间、地点。推荐教材：工业机器人技术及应用活页式教材IBbs导着我们学习了机器人本体结构以及分类，那么思考：工业机器人的是靠什么来控制的呢？IMHfiiRet学导入：上次课堂上我们学习r工业机器人本体的结构，本次课堂上我们学习工业机器控制系统，为什么可以自己动起来呢？是什么驱使机器人本体能进行控制的呢？四、颤胭工业机器人控制系统（如果说工业机器人本体是机器人的“肢体”，那么控制系统则是工业机器人的“大脑”和“心脏”。工业机器人控制系统是根据指令以及传嬉信息控制工业机器人完成一定动作或作业任务的装四,是决定工业机器人功能和性能的主要因素，也是工业机器人系统中更新和发展班快的部分.课题导入（一）工业机器人控制器的结构工业机器人控制器由计柒机硬件、软件和一的专用电路构成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学、动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断、自保护功能状件等，它处埋机器人工作过程中的全部信总和控制其全部动作.工业机器人控制器的功能模块包括：（1）计算机模块：（2）电机驱动单元模块：（3）机箱控制模块：（4）分布式输入，输出&通讯模块，（三）工业机叁人拄制得分类控制器是完成工业机器人控制功能的结构实现,依据控制系统的开放程度，机器人控制可分为3类：封闭型'开放型和混合型,目前应用中的工业机潺人控制系统，基本上都是封闭型系统（如日系机器人）或混合型系统（如欧系机器人），按计算机结构、控制方式和控制算法的处理方法，机器人控制器又可分为集中式控制和分布式控制两种方式.1.集中式控制S1.集中式控制器利用一台微型计算机实现系统的全部控制功能，早期机器人基本知识讲郁常采用这种结构,集中式控制器的优点是硬件成本较低,便于信息的果集和分析.易于实现系统的最优控制.整体性与协调性较好.基于PC的系统硬件扩展法为方便但其缺点也显而易见：系统控制缺乏灵活性，控制危险容易集中，旦出现故障，其影响面广，后果严正：由于工业机器人的实时性要求很高，当系统进行大累数据计灯时.会降低系统实时性，系统时多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突：此外系统连线红杂,会降低系统的可靠性.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“，即系统时其总体目标和任务可以进行综合协词和分配,并通过了系统的协调工作来完成控制任分，整个系统在功能、逻辑和物理等方面都是分侬的.子系统是由控制满和不同技控对象或设备构成的，各个子系统之间通过附络等进行相互通信，分布式控制结构提供了一个开放、实时、精确的机器人控制系统，分布式系统中常采用两级控制方式，由上位机和下位机蛆成.上位机负费整个系统管理以及运动学计0、轨迹规划等，卜位机由多CP1.由成，姆个CPU控制一个关节运动，上、下位机通过通信总线（如RS-232、RS-185、以太网等）相互协冏工作.分布式控制系统的优点在于系统是活性好，控制系统的危险性降低,采用多处理器的分散控制,有利干系统功能的并行执行，提高系统的处理效率,缗短响应时间。（四）机叁人本体与拄制柜之间需要连接三条电连接1,将标注为XPI的动力电揽插头接入控制板XS1.端口，如图6-2所示.2、将SMR电缆（直头接头插入到控制柜XS2端口，如图6-3所示。3、将示数器电线（红色的接头插入到控制柜XSI端门,如图67所示.图6-2动力电缆接入控制柜图6-3SMB电缆接入控制柜图67示教器电她接入控制柜（五）工业机豁人控制叁的涮舞作工业机器人控制器上下电开关、急件按钮、手、自动切换，如表6T所1 .控制系I1.h电掾作D旋钮转动到0、位置，控制柜上电启动2）将控制柜上机器人状态仍匙切换到手动限速状态（小手标志.3）在状态栏中，确认机器人的状态己切换为“手动”如图6-5所示。1）单击左上用主菜单按钮.如图6-6所示.如图66如图652 .紫念停止后的恢复操作机器人系统花素急容止后,需要进行以卜,的操作后才可快豆到正常的状D机器人处于紧急停止状态，如图6-7所示.2）松开急停按钮。3）按下电机通电/复位按钮，-I）机涔人系统恢攵到正常状态,*WMKMBIiVftBAn11IM>te»««1.Ht«A«1.t如图68所示.BmTdIt入41r««t(!«««SQAf1.e，序WSBf1.a也fHIA“Drfm1.tVMr，幻3,U-,OTFyI0-图6-7图6-8（六）工业机叁入控制器的基本功能机涔人控制器是工业机器人的重要组成部分，足工业机器人的神经中枢、大脏。用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下：1.记忆功能：存徜作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息.2,示教功能：离线编程，在线示教，间接示教，在线示教包括示教盒和导引示教两种。3、与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口.1.坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系.5、人机接口：示教盒、操作面板、显示屏，6、传感器接口：位词检测、视觉、触觉、力觉等。7、位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速僮和加速度控制、动态补偿等.8、故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断.HM三i工业机器人本体什么怎么样组成的，线路该怎么连接(一)课堂总结(I)工业机器人本体的结构组成(2)工业机器人本体的线路连接(二)布置作业总结本节课的内容