工业机器人技术及应用教案手动操纵工业机器人.docx
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工业机器人技术及应用教案手动操纵工业机器人
第三章手动操纵工业机器人
课前回顾
工业机器人主要由哪几部分组成？
如何判别工业机器人的点位运动和连续路径运动？
学习目标认知目标
*了解工业机器人的安全操作规程
*熟悉示教器的按键及使用功能
*掌握机器人运动轴与坐标系
*掌握手动移动机器人的流程和方法
能力目标
*能够熟练进行机器人坐标系和运动轴的选择
*能够使用示教器熟练操作机器人实现点动和连续移动导入案例
UniversalRobots公司推出革命性的新型工业机器人
UR5机器人自重很轻（仅18.4kg），可以方便地在生产场地移动，而且不需要繁琐的安装与设置就可以迅速地融入到生产线中，与员工交互合作。
编程过程可通过教学编程模式实现，用户可以扶住UR机械臂，手动引导机械臂，按所需的路径及移动模式运行机械臂一次，UR机器人就能自动记住移动路径和模式。
机器人通过一套独特的、友好的图形用户界面操作，在触摸屏幕上，有一系列范围广泛的功能让用户选择。
任何重复性的生产过程，都能够使用它并从中受益。
课堂认知
机器人系统中个运动轴的定义
典型机器人操作机各运动轴
A1、A2和A3三轴（轴1、轴2和轴3）称为基本轴或主轴，用以保证末端执行器达到工作空间的任意位置。
A4、A5和A6三轴（轴4、轴5和轴6）称为腕部轴或次轴，用以实现末端执行器的任意空间姿态。
关节坐标系、直角坐标系、工具坐标系和用户坐标系，而工具坐标系和用户坐标系同属于直角坐标系范畴。
TCP为机器人系统控制点，出厂是默认位于最后一个运动轴或安装法兰的中心，安装工具后TCP点将发生改变
（1）关节坐标系
在关节坐标系下，机器人各轴均可实现单独正向或反向运动。
对大范围运动，且不要求TCP姿态的，可选择关节坐标系。
2直角坐标系（世界坐标系、大地坐标系）
机器人示教与编程时经常使用的坐标系之一，原点定义在机器人安装面与第一转动轴的交点处，X轴向前，Z轴向上，Y轴按右手法则确定。
直角坐标系原点
直角坐标系下的各轴动作
（3）工具坐标系原点定义在TCP点，并且假定工具的有效方向为X轴（有些机器人厂商将工具的有效方向定义为Z轴），而Y轴、Z轴由右手法则确定。
在进行相对于工件不改变工具姿态的平移操作时选用该坐标系最为适宜。
工具坐标系原点
工具坐标系下的各轴动作
（4）用户坐标系
可根据需要定义用户坐标系。
当机器人配备多个工作台时，选择用户坐标系可使操
作更为简单。
在用户坐标系中，TCP点将沿用户自定义的坐标轴方向运动。
用户坐标系原点
用户坐标系下的各轴动作
提示不同的机器人坐标系功能等同，即机器人在关节坐标系下完成的动作，同样可在直
角坐标系下实现。
机器人在关节坐标系下的动作是单轴运动，而在直角坐标系下则是多轴联动。
除关
节坐标系以外，其他坐标系均可实现控制点不变动作（只改变工具姿态而不改变
TCP位置）在进行机器人TCP标定时经常用到。
关节坐标系下的单轴运动直角坐标系下的多轴协调运动
3.2认识和使用示教器
ABBFlexPendantKUKAsmartPAD
FANUCiPendantYASKAWADX100
工业机器人行业四巨头的最新示教器产品
示教器主要由显示屏和各种操作按键组成，显示屏主要有4个显示区组成菜单显示区显示操作屏主菜单和子菜单。
通用显示区在通用显示区，可对作业程序、特性文件、各种设定进行显示和编辑。
状态显示区显示系统当前状态，如动作坐标系、机器人移动速度等。
显示的信息根据控制柜的模式（示教或再现）不同而改变。
人机对话显示区在机器人示教或自动运行过程中，显示功能图标以及系统错误信息等。
示教器按键设置主要包括【急停键】、【安全幵关】、【坐标选择键】、【轴操作
键】/【Jog键】、【速度键】、【光标键】、【功能键】、【模式旋钮】等。
序号
按键名
称
按键功能
通过切断伺服电源立刻停止机器人和外部轴操作。
1
急停键
一旦按下，幵关保持紧急停止状态；顺时针方向旋转解除紧
急停止状态。
在操作时确保操作者的安全。
安全幵
只有安全幵关被按到适中位置，伺服电源才能，机器人方可
2
关
动作。
一旦松幵或按紧，切断伺服电源，机器人立即停止运动。
坐标选
手动操作时，机器人的动作坐标选择键。
3
择键
可在关节、直角、工具和用户等常见坐标系中选择。
此键每按次，坐标系变化次。
对机器人各轴进行操作的键。
4
轴操作
键
只有按住轴操作键，机器人才可动作。
可以按住两个或更多的键，操作多个轴。
5
速度键
手动操作时，用这些键来调整机器人的运动速度。
6
光标键
使用这些键在屏幕上按定的方向移动光标。
7
功能键
使用这些键可根据屏幕显示执行指定的功能和操作。
8
模式旋
钮
选择机器人控制柜的模式（示教模式、再现/自动模式、远程
/遥控模式）
禁止用力摇晃机械臂及在机械臂上悬挂重物
2）示教时请勿戴手套。
穿戴和使用规定的工作服、安全鞋、安全帽、保护用具等3）未经许可不能擅自进入机器人工作区域。
调试人员进入机器人工作区域时，需随身携带示教器，以防他人误操作
4）示教前，需仔细确认示教器的安全保护装置是否能够正确工作，如【急停键】、【安全开关】等。
5）在手动操作机器人时要采用较低的倍率速度以增加对机器人的控制机会。
6）在按下示教器上的【轴操作键】之前要考虑到机器人的运动趋势。
7）要预先考虑好避让机器人的运动轨迹，并确认该路径不受干涉。
在运行作业程序前，须知道机器人根据所编程序将要执行的全部任务。
3）使用由其他系统编制的作业程序时，要先跟踪一遍确认动作，之后再使用该程序。
4）须知道所有会左右机器人移动的开关、传感器和控制信号的位置和状态。
5）必须知道机器人控制器和外围控制设备上的【急停键】的位置，准备在紧急情况下按下这些按钮。
6）永远不要认为机器人没有移动，其程序就已经完成，此时机器人很可能是在等待让它继续移动的输入信号。
点动机器人主要用在示教时离目标位置较近的场合。
点动机器人
（2）连续移动
连续移动机器人则是长按/拨动【轴操作键】来移动机器人手臂的方式。
连续移动
机器人主要用在示教时离目标位置较远的场合。
连续移动机器人
tA工位机器人手动示教t选择关节坐标系t移机器人到B工位/旋转回转机tB工
位机器人手动示教。
双工位操作双工位+变位机操作
提示机器人外部轴的运动控制，只能在关节坐标系下进行。
（2）直角坐标系
关键步骤：
系统上电幵机T选择关节坐标系T变换末端工具姿态至作业姿态T选择
直角坐标系T移动机器人至直线轨迹的幵始点T选择直角坐标系的Y轴T移动机器
人至直线轨迹的结束点。
机器人直线运动轨迹
（3）工具坐标系关键步骤：
T选择直角坐标系T移动机器人到作业轨迹的结束点T选择工具坐
标系的X轴t移动机器人到一个安全位置。
末端工具规避动作
提示若设定工具的有效方向为工具坐标系的Z轴，此时末端工具规避动作应选Z轴
进行操作。
手动移动机器人运动，其基本操作流程可归纳：
示教前的准备和手动移动机器人。
需要注意的是，手动操作机器人移动时，机器人运动数据将不被保存。
手动移动机器人操作流程
扩展与提高机器人TCP（工具中心点）标定
工具坐标系的准确度直接影响机器人的轨迹精度。
默认工具坐标系的原点位于机器人安装法兰的中心，当接装不同的工具（如焊枪）时，工具需获得一个用户定义的直角坐标系。
a）未TCP标定b）TCP标定
机器人工具坐标系的标定
目前，机器人工具坐标系的标定方法主要有外部基准法和多点标定法。
（1）外部基准标定法只需要使工具对准某一测定好的外部基准点，便可完成标定，标定过程快捷简便。
但这类标定方法依赖于机器人外部基准。
（2）多点标定法这类标定包含工具中心点（TCP位置多点标定和工具坐标系
（TCF姿态多点标定。
TCP位置标定是使几个标定点TCP位置重合，从而计算出TCP如四点法；TCF姿态标定是使几个标定点之间具有特殊的方位关系，从而计算出工具坐标系相对于末端关节坐标系的姿态，如五点法、六点法。
TCP六点法操作步骤：
1）在机器人动作范围内找一个精确的固定点作为参考点。
2）在工具上确定一个参考点（最好是工具中心点TCP）。
3）移动工具参考点，以四种不同的工具姿态尽可能与固定点刚好碰上。
4）机器人控制柜通过前4个点的位置数据即可计算出TCP的位置，通过后2个点即可
确定TCP的姿态。
5）根据实际情况设定工具的质量和重心位置数据。
a）位置点1b）位置点2c）位置点3
d）位置点4e）位置点5f）位置点6
TCF标定过程
提示TCPS定操作要以次轴（腕部轴）为主。
在参考点附近要降低速度，以免相撞。
TCF标定后，可通过在关节坐标系以外的坐标系中进行控制点不变动作检验标定效
果。
如果使用搬运类的夹具，其TCPS定方法如下：
以搬运物料袋的夹紧爪为例，其结构对称，重心在默认工具坐标系的Z方向偏移一
定距离，可在设置页面直接手动输入偏移量数值、质量数据。
夹紧爪TCF标定
本章小结通常可将机器人运动轴分为本体轴和外部轴两类。
本体轴属于机器人本身，外部轴包括基座轴和工装轴。
目前在大部分商用工业机器人系统中，存在四类可以使用的坐标系：
关节坐标系、直角坐标系、工具坐标系和用户坐标系。
其中，关节坐标系和直角坐标系在机器人手动操作和作业示教中运用最多。
手动操纵工业机器人是通过手动操控示教器上的机器人运动轴按键将机器人在某一或某几个坐标系下移动到某个位置的方法。
一般采用点动和连续移动两种方式来实现。
点动机器人主要用在离目标位置较近的场合，而连续移动机器人则用在离目标位置较远的场合。
思考练习
1、填空
（1）一般来说，机器人运动轴按其功能可划分为、和工装轴，
和工装轴统称。
（2）在进行相对于工件不改变工具姿态的平移操作时选用坐标系最为适宜
（3）当机器人到达离目标作业位置较近位置时，尽量采用操作模式
完成精确定位。
2、选择
（1）工业机器人常见的坐标系有（）。
①关节坐标系；②直角坐标系；③工具坐标系；④用户坐标系
A.①②B.①②③C.①③④D.①②③④
（2）示教器显示屏多为彩色触摸显示屏，能够显示图像、数字、字母和符号，
并提供一系列图标来定义屏幕上的各种功能，可将屏幕显示区划分为（）。
①菜单显示区；②通用显示区；③人机对话显示区；④状态显示区
A.①②B.①②③C.①③D.①②③④
3、判断
（1）在直角坐标系下，机器人各轴可实现单独正向或反向运动。
（）
（2）机器人在关节坐标系下完成的动作，无法在直角坐标系下实现。
（）
（3）当机器人发生故障需要进入安全围栏进行维修时，需要在安全围栏外配备安全监督人员以便在机器人异常运转时能够迅速按下紧急停止按钮。
（）
（4）示教时，为爱护示教器，最好戴上手套。
（）
（5）手动操作移动机器人时，机器人运动数据将不被保存。
（）
4、综合应用
使用示教器按下图所示路径（A^BfCtD^E^FtA）移动机器人，简述其操作过程，并填写表3-6（请在相应选项下打“V”）。
位置
移动方式
机器人坐标系
点动
连续移
动
关节
直
角
工
具
AtB
Btc
CtD
dte
起4圏
—F
手动
J移动机器人
V
FtA
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