工業(yè)機器人離線編程課程主要內(nèi)容第一章工業(yè)機器人認(rèn)知第二章激光切割工業(yè)機器人的離線編程第三章搬運機器人的離線編程第四章碼垛機器人的離線編程第五章輸送鏈搬運工作站的構(gòu)建與運行學(xué)習(xí)情境2：數(shù)控系統(tǒng)顯示畫面及操作

第一章工業(yè)機器人認(rèn)知學(xué)習(xí)目標(biāo)1.認(rèn)識工業(yè)機器人的定義、分類、系統(tǒng)組成及其坐標(biāo)系；2.了解工業(yè)機器人離線編程仿真應(yīng)用技術(shù)及常用的離線編程軟件；3.能夠進行ABB離線編程及仿真軟件RobotStudio的安裝，并熟悉并其操；任務(wù)描述認(rèn)識工業(yè)機器人的定義、分類、系統(tǒng)組成及坐標(biāo)系，了解常用的離線編程軟件，能夠進行RobotStudio軟件的安裝并熟悉軟件的操縱界面。1.1認(rèn)識工業(yè)機器人1920年捷克作家卡雷爾·查培克在其劇本《羅薩姆的萬能機器人》中最早使用機器人一詞，劇中機器人“Robot”這個詞的本意是苦力，即劇作家筆下的一個具有人的外表，特征和功能的機器，是一種人造的勞力，它是最早的工業(yè)機器人設(shè)想。實際上，真正能夠代替人類進行生產(chǎn)勞動的機器人，是在20世紀(jì)60年代才問世的。伴隨著機械工程、電氣工程、控制技術(shù)以及信息技術(shù)等相關(guān)科技的不斷發(fā)展，到20世紀(jì)80年代，機器人開始在汽車制造業(yè)、電機制造業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)中大量采用。現(xiàn)在，機器人不僅在工業(yè)，而且在農(nóng)業(yè)、商業(yè)、醫(yī)療、旅游、空間、海洋以及國防等諸多領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，機器人技術(shù)已經(jīng)形成了綜合性的學(xué)科——機器人學(xué)（Robotics）。機器人學(xué)有著及其廣泛的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，主要包括機器人本體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、機械手設(shè)計，軌跡設(shè)計和規(guī)劃，運動學(xué)和動力學(xué)分析，機器視覺、機器人傳感器，機器人控制系統(tǒng)以及機器智能等。1.1.1工業(yè)機器人的定義和分類1.工業(yè)機器人定義國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)對機器人的定義如下：

(1)機器人的動作機構(gòu)具有類似于人或其他生物體的某些器官(肢體、感受等)的功能；

(2)機器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變；

(3)機器人具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等；

(4)機器人具有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)在工作中可以不依賴于人的干預(yù)。2.工業(yè)機器人分類按機構(gòu)運動特征，機器人通?？煞譃橹苯亲鴺?biāo)機器人、柱面坐標(biāo)機器人、球面坐標(biāo)機器人和關(guān)節(jié)型機器人等類型。

（1）直角坐標(biāo)機器人具有空間上相互垂直的多個直線移動軸，通過直角坐標(biāo)方向的3個獨立自由度確定其手部的空間位置，其動作空間為一長方體。1.1.1工業(yè)機器人的定義和分類2.工業(yè)機器人分類（2）柱面坐標(biāo)機器人

主要由旋轉(zhuǎn)基座、垂直移動和水平移動軸構(gòu)成，具有一個回轉(zhuǎn)和兩個平移自由度，其動作空間呈圓柱形。1.1.1工業(yè)機器人的定義和分類2.工業(yè)機器人分類（3）柱面坐標(biāo)機器人空間位置分別由旋轉(zhuǎn)、擺動和平移3個自由度確定，動作空間形成球面的一部分。1.1.1工業(yè)機器人的定義和分類2.工業(yè)機器人分類（4）垂直多關(guān)節(jié)機器人

模擬人手臂功能，由垂直于地面的腰部旋轉(zhuǎn)軸、帶動小臂旋轉(zhuǎn)的肘部旋轉(zhuǎn)軸以及小臂前端的手腕等組成，手腕通常有2~3個自由度，其動作空間近似一個球體。1.1.1工業(yè)機器人的定義和分類2.工業(yè)機器人分類（5）水平多關(guān)節(jié)機器人結(jié)構(gòu)上具有串聯(lián)配置的兩個能夠在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的手臂，自由度可依據(jù)用途選擇2~4個，動作空間為一圓柱體。1.1.1工業(yè)機器人的定義和分類1.1.2工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成

眾所周知，中國機器人產(chǎn)業(yè)由于先天因素，在單體與核心零部件仍然落后于日、美、韓等發(fā)達國家。雖然中國機器人產(chǎn)業(yè)經(jīng)過30年的發(fā)展，形成了較為完善的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，但與發(fā)達國家相比，仍存在較大差距，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)依然薄弱，關(guān)鍵零部件嚴(yán)重依賴進口。

整個機器人產(chǎn)業(yè)鏈主要分為上游核心零部件（主要是機器人三大核心零部件——伺服電機、減速器和控制系統(tǒng)，相當(dāng)于機器人的“大腦”）、中游機器人本體（機器人的“身體”）和下游系統(tǒng)集成商（國內(nèi)95%的企業(yè)都集中在這個環(huán)節(jié)上）三個層面。1.1.2工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)對機器人的定義如下：

工業(yè)機器人由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織正式定義為“自動控制的可重復(fù)編程的多功能機械手”。第一代工業(yè)機器人主要由以下幾部分組成：操作機、控制器和示教器。1.1.2工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成對于第二代及第三代工業(yè)機器人還包括感知系統(tǒng)和分析決策系統(tǒng)，它們分別由傳感器及軟件實現(xiàn)。1.機械本體是機器人賴以完成作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行機構(gòu)，一般是一臺機械手，也稱操作器、或操作手，可以在確定的環(huán)境中執(zhí)行控制系統(tǒng)指定的操作。典型工業(yè)機器人的機械本體一般由手部（末端執(zhí)行器）、腕部、臂部、腰部和基座構(gòu)成。機械手多采用關(guān)節(jié)式機械結(jié)構(gòu)，一般具有6個自由度，其中3個用來確定末端執(zhí)行器的位置，另外3個則用來確定末端執(zhí)行裝置的方向（姿勢）。機械臂上的末端執(zhí)行裝置可以根據(jù)操作需要換成焊槍、吸盤、扳手等作業(yè)工具。1.1.2工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成2.控制系統(tǒng)

是機器人的指揮中樞，相當(dāng)于人的大腦功能，負(fù)責(zé)對作業(yè)指令信息、內(nèi)外環(huán)境信息進行處理，并依據(jù)預(yù)定的本體模型、環(huán)境模型和控制程序做出決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，通過驅(qū)動器驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的各個關(guān)節(jié)按所需的順序、沿確定的位置或軌跡運動，完成特定的作業(yè)。從控制系統(tǒng)的構(gòu)成看，有開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)之分；從控制方式看有程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)之分。1.1.2工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成3.驅(qū)動器

是機器人的動力系統(tǒng)，相當(dāng)于人的心血管系統(tǒng)，一般由驅(qū)動裝置和傳動機構(gòu)兩部分組成。因驅(qū)動方式的不同，驅(qū)動裝置可以分成電動、液動和氣動三種類型。驅(qū)動裝置中的電動機、液壓缸、氣缸可以與操作機直接相連，也可以通過傳動機構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)相連。傳動機構(gòu)通常有齒輪傳動、鏈傳動、諧波齒輪傳動、螺旋傳動、帶傳動等幾種類型。1.1.2工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成4.傳感器是機器人的感測系統(tǒng)，相當(dāng)于人的感覺器官，是機器人系統(tǒng)的重要組成部分，包括內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類。內(nèi)部傳感器主要用來檢測機器人本身的狀態(tài)，為機器人的運動控制提供必要的本體狀態(tài)信息，如位置傳感器、速度傳感器等。外部傳感器則用來感知機器人所處的工作環(huán)境或工作狀況信息，又可分成環(huán)境傳感器和末端執(zhí)行器傳感器兩種類型；前者用于識別物體和檢測物體與機器人的距離等信息，后者安裝在末端執(zhí)行器上，檢測處理精巧作業(yè)的感覺信息。常見的外部傳感器有力覺傳感器、觸覺傳感器、接近覺傳感器、視覺傳感器等。1.1.2工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成機器人系統(tǒng)有哪些坐標(biāo)系？世界坐標(biāo)系：世界坐標(biāo)系是系統(tǒng)的絕對坐標(biāo)系，在沒有建立用戶坐標(biāo)系之前，機器人上所有點的坐標(biāo)都是以該坐標(biāo)系的原點來確定各自的位置的。工具坐標(biāo)系：工具坐標(biāo)系是一個直角坐標(biāo)系,原點位于工具上?；鴺?biāo)系：基坐標(biāo)系位于機器人基座。它是最便于機器人從一個位置移動到另一個位置的坐標(biāo)系。工件坐標(biāo)系：工件坐標(biāo)系與工件相關(guān)，通常是最適于對機器人進行編程的坐標(biāo)系。用戶坐標(biāo)系：用戶坐標(biāo)系在表示持有其他坐標(biāo)系的設(shè)備（如工件）時非常有用。1.1.3工業(yè)機器人的坐標(biāo)系1.基坐標(biāo)系基坐標(biāo)系在機器人基座中有相應(yīng)的零點，這使固定安裝的機器人的移動具有可預(yù)測性。因此它對于將機器人從一個位置移動到另一個位置很有幫助。對機器人編程來說，其它如工件坐標(biāo)系等坐標(biāo)系通常是最佳選擇。1.1.3工業(yè)機器人的坐標(biāo)系2.大地坐標(biāo)系1.1.3工業(yè)機器人的坐標(biāo)系在默認(rèn)情況下，世界坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系是一致的！A：機器人1的基坐標(biāo)系B：世界坐標(biāo)系C：機器人2的基坐標(biāo)系世界坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系3.工具坐標(biāo)系1.1.3工業(yè)機器人的坐標(biāo)系工具坐標(biāo)系是將工具中心點設(shè)為零位，由此再確定工具的位置和方向。所有機器人在手腕處都有一個預(yù)定義工具坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系被稱為tool0，即為法蘭坐標(biāo)系。所有定義的其他一個或多個新工具坐標(biāo)系定義均為為tool0的偏移值。4.工件坐標(biāo)系1.1.3工業(yè)機器人的坐標(biāo)系A(chǔ)：世界坐標(biāo)系B：工件坐標(biāo)系1C：工件坐標(biāo)系2工件坐標(biāo)系的優(yōu)點：重新定位工作站中的工件時，只需更改工件坐標(biāo)系的位置，所有路徑將即刻隨之更新。允許操作以外軸或傳送導(dǎo)軌移動的工件，因為整個工件可連同其路徑一起移動。1.2離線編程與仿真技術(shù)概況1.2.1離線編程與仿真技術(shù)概況離線編程，是通過軟件，在電腦里重建整個工作場景的三維虛擬環(huán)境，然后軟件可以根據(jù)要工加零件的大小、形狀、材料，同時配合軟件操作者的一些操作，自動生成機器人的運動軌跡，即控制指令，然后在軟件中仿真與調(diào)整軌跡，最后生成機器人程序傳輸給機器人。典型的離線編程系統(tǒng)軟件架構(gòu)包括建模模塊、布局模塊、編程模塊和仿真模塊。1.2.1離線編程與仿真技術(shù)概況離線編程的優(yōu)勢：①減少機器人停機的時間，當(dāng)對下一個任務(wù)進行編程時，機器人可仍在生產(chǎn)線上工作；②使編程者遠離危險的工作環(huán)境，改善了編程環(huán)境；③離線編程系統(tǒng)使用范圍廣，可以對各種機器人進行編程；④能方便地實現(xiàn)優(yōu)化編程;⑤可對復(fù)雜任務(wù)進行編程，能夠自動識別與搜索CAD模型的點、線、面信息生成軌跡；⑥便于修改機器人程序。RobotMaster1.2.2常用離線編程軟件介紹2.RobotArt1.2.2常用離線編程軟件介紹3.RobotWorks1.2.2常用離線編程軟件介紹4.DELMIA1.2.2常用離線編程軟件介紹5.Robcad1.2.2常用離線編程軟件介紹ROBCAD是西門子旗下的軟件，軟件較龐大，重點在生產(chǎn)線仿真。軟件支持離線點焊、支持多臺機器人仿真、支持非機器人運動機構(gòu)仿真，精確的節(jié)拍仿真，ROBCAD主要應(yīng)用于產(chǎn)品生命周期中的概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個前期階段。1.3RobotStudio軟件介紹優(yōu)點：CAD導(dǎo)入方便?？煞奖愕貙?dǎo)入各種主流CAD格式的數(shù)據(jù)，包括IGES、STEP、VRML、VDAFS、ACIS及CATIA等；AutoPath功能。該功能通過使用待加工零件的CAD模型，僅在數(shù)分鐘之內(nèi)便可自動生成跟蹤加工曲線所需要的機器人位置(路徑)，而這項任務(wù)以往通常需要數(shù)小時甚至數(shù)天；程序編輯器?？缮蓹C器人程序，使用戶能夠在Windows環(huán)境中離線開發(fā)或維護機器人程序，可顯著縮短編程時間、改進程序結(jié)構(gòu)；1.3RobotStudio軟件介紹優(yōu)點：路徑優(yōu)化。如果程序包含接近奇異點的機器人動作，RobotStudio可自動檢測出來并發(fā)出報警，從而防止機器人在實際運行中發(fā)生這種現(xiàn)象。仿真監(jiān)視器是一種用于機器人運動優(yōu)化的可視工具，紅色線條顯示可改進之處，以使機器人按照最有效方式運行?？梢詫CP速度、加速度、奇異點或軸線等進行優(yōu)化，縮短周期時間;可達性分析。通過Autoreach可自動進行可到達性分析，使用十分方便，用戶可通過該功能任意移動機器人或工件，直到所有位置均可到達，在數(shù)分鐘之內(nèi)便可完成工作單元平面布置驗證和優(yōu)化；

1.3RobotStudio軟件介紹優(yōu)點：虛擬示教臺。是實際示教臺的圖形顯示，其核心技術(shù)是VirtualRobot。從本質(zhì)上講，所有可以在實際示教臺上進行的工作都可以在虛擬示教臺(QuickTeach)上完成，因而是一種非常出色的教學(xué)和培訓(xùn)工具;事件表。一種用于驗證程序的結(jié)構(gòu)與邏輯的理想工具。程序執(zhí)行期間，可通過該工具直接觀察工作單元的I/O狀態(tài)。可將I/O連接到仿真事件，實現(xiàn)工位內(nèi)機器人及所有設(shè)備的仿真。該功能是一種十分理想的調(diào)試工具；

1.3RobotStudio軟件介紹優(yōu)點：碰撞檢測。碰撞檢測功能可避免設(shè)備碰撞造成的嚴(yán)重?fù)p失。選定檢測對象后，RobotStudio可自動監(jiān)測并顯示程序執(zhí)行時這些對象是否會發(fā)生碰撞;VBA功能?？刹捎肰BA改進和擴充RobotStudio功能，根據(jù)用戶具體需要開發(fā)功能強大的外接插件、宏，或定制用戶界面;直接上傳和下載。整個機器人程序無需任何轉(zhuǎn)換便可直接下載到實際機器人系統(tǒng)，該功能得益于ABB獨有的VirtualRobot技術(shù)。1.3RobotStudio軟件介紹缺點：只支持ABB品牌機器人，機器人間的兼容性很差。1.3RobotStudio軟件介紹直接從ABB官網(wǎng)上下載RobotStudio安裝包，下載完成后解壓，進入解壓文件夾，找到Setup.exe，雙擊進行安裝。安裝語言選擇“中文（簡體）”1.3.1RobotStudio軟件安裝2.點擊“下一步”，選擇“我接受許可證協(xié)議中的條款”，并點擊“下一步”1.3.1RobotStudio軟件安裝3.點擊“接受”，接受該隱私申明，如果無必要，不建議更改安裝文件夾，點擊“下一步”1.3.1RobotStudio軟件安裝4.在安裝類型選擇時，默認(rèn)選擇的“完整安裝”，如果有特殊需求的可自定義。選擇完成后點擊“下一步”，點擊“安裝”。稍等幾分鐘，軟件會自己完成安裝1.3.1RobotStudio軟件安裝為了確保RobotStudio軟件能