工业机器人技术及应用第5章
教案-工业机器人基础第5章01
第五章机器人驱动系统5.1机器人驱动系统概述【内容提要】本课主要学习机器人驱动系统的主要几个指标:驱动方式、驱动元件、传动机构、制动机构。
知识要点：✓机器人的驱动方式✓机器人的驱动元件✓机器人的传动机构✓机器人的制动机构重点：✓机器人的驱动方式✓机器人的驱动元件难点：✓机器人的传动机构关键字：✓驱动方式、驱动元件、传动机构、制动机构【本课内容】【内容提要】本章主要介绍机器人的驱动系统。
内容包括机器人的直接与间接驱动方式，液压、气压、电动驱动元件与特点，驱动机构与传动机构，制动器；液压系统组成与工作原理，液压系统的主要设各；气压系统组咸与王作原理，气压系统的主要设备；直流电动机与直流伺服电动机的结构原理与参数，交流电动机与交流伺服电动机的结构原理与参数，步进电动机的结构原理与参数，直线步进电动机简介。
学习完本章的内容后，学生应能够；了解机器人的驱动方式，掌握不同类型机器人驱动元件的性能与特点，熟悉驱动机构、传动机构及其传动方式的图例与特点，了解制动器的基本功能；能够熟练地分析实际机器人的驱动机构、驱动方式与制动原理，能够绘制出传动原理图。
掌握机器人的液压驱动系统的组成，熟悉液压驱动系统主要设备的工作机理；能够分析液压驱动系统的流程，能够找出液压驱动系统的故障环节。
掌握机器人的气压驱动系统的组成，熟悉气压驱动系统主要设备的工作机理；能够分析气压驱动系统的流程，能够找出气压驱动系统的故障环节。
了解伺服系统与伺服电动机的要点，掌握直流电动机与直流伺服电动机的结构原理与参数，掌握交流电动机与交流伺服电动机的结构原理与参数，掌握步进电动机的结构原理与参数；能够分析电动机驱动系统的工作特性，能够找出电动机驱动系统的控制要点。
5.1机器人驱动系统概述机器人是运动的，各个部位都需要能源和动力，因此设计和选择良好的驱动系统是非常重要的.本节主要介绍机器人驱动系统的主要几个指标；驱动方式、驱动元件、传动机构、制动机构。
工业机器人技术及应用(教案设计)5-搬运机器人及其操作应用
第五章搬运机器人及其操作应用5.1 搬运机器人的分类及特点5.2 搬运机器人的系统组成5.3 搬运机器人的作业示教5.3.1 冷加工搬运机器人5.3.2 热加工搬运机器人学习目标导入案例课堂认知扩展与提高本章小结思考练习5.4 搬运机器人的周边设备5.4.1 周边设备5.4.1 周边设备课前回顾如何使用在线示教方式进行工业机器人任务编程？如何进行工业机器人离线作业示教再现？学习目标认知目标了解搬运机器人的分类及特点掌握搬运机器人的系统组成及其功能熟悉搬运机器人作业示教的基本流程熟悉搬运机器人的周边设备与布局能力目标能够识别搬运机器人工作站基本构成能够进行搬运机器人的简单作业示教导入案例机器人助力机床上下料，国产高效智能压铸装备研制成功智能压铸岛是以压铸机为核心设备构成的一组智能化生产单元，以无人化生产管理方式自动完成从原材料到合格铸件成品间的工艺生产流程，实现压铸生产的程序化、数字化和远程控制。
高效智能压铸岛以压铸机为核心，配备 3-10 个机器人和多部 AGV 小车，集成多个控制系统、伺服系统、检测系统于一体，包括铝液智能熔化系统、伺服定量浇注系统、炉料回收系统、智能熔体含气量检测系统、真空压铸系统自动模温机、自动三维伺服喷涂机械手、耐高温抗腐蚀的装件取件机器人、镶嵌自动快速加热和均温装置、自动型芯冷却系统、自动余料去除及飞边清理装置、大型精密压铸模具、输送带、冷却装置、在线智能检测系统、激光打标机、智能转运小车、压铸生产信息化管理系统、嵌入式专用控制器、压铸专家系统等设备和系统。
课堂认知5.1 搬运机器人的分类及特点搬运机器人具有通用性强、工作稳定的优点，且操作简便、功能丰富，逐渐向第三代智能机器人发展，其主要优点有。
动作稳定和提高搬运准确性。
提高生产效率，解放繁重体力劳动，实现“无人”或“少人”生产。
改善工人劳作条件，摆脱有毒、有害环境。
柔性高、适应性强，可实现多形状、不规则物料搬运。
定位准确，保证批量一致性。
ABB工业机器人编程-第五章课件
任务5-2 掌握常用的Rapid编程指令
6.2.1. 赋值指令 ：=
a.添加常量赋值指令的操作
8.点击“确定”。
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任务5-2 掌握常用的Rapid编程指令
6.2.1. 赋值指令 ：=
a.添加常量赋值指令的操作
9.在这里就能看到所增加的指令。
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任务5-2 掌握常用的Rapid编程指令
3.点击“取消”。
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第五章 ABB机器人程序编写实战
任务5-2 掌握常用的Rapid编程指令
4.点击左下角文件菜单里的“新建模块”。
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第五章 ABB机器人程序编写实战
2.选中“reg2”。
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任务5-2 掌握常用的Rapid编程指令
6.2.1. 赋值指令 ：=
b.添加带数学表达式的赋值指令的操作
3.选中“<EXP>”并蓝色高亮显示。
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任务5-2 掌握常用的Rapid编程指令
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任务5-2 掌握常用的Rapid编程指令
6.2.1. 赋值指令 ：=
b.添加带数学表达式的赋值指令的操作
1.在指令列表中选择“:=” 。
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任务5-2 掌握常用的Rapid编程指令
6.2.1. 赋值指令 ：=
工业机器人运动轴与坐标系
为了实现上述两种情况下工具的快速姿态调整，工业机器人提供了工具坐标系。 结论：建立工具坐标系的作用： （1）确定工具的TCP点（即工具中心点），方便调整工具姿态。 （2）确定工具进给方向，方便工具位置调整。
5.3 工具坐标系
5.3.2. 工具坐标系特点
新的工具坐标系是相对于默认的工具坐标系变化得到的，新的工具坐标系的位置和 方向始终同法兰盘保持绝对的位置和姿态关系，但在空间上是一直变化的。 （1）图 5-12（a）为垂直于法兰盘的垂直卡爪，TCP为机械工具坐标系平移即可，无 角度变化。 （2）图 5-12（b）为带弧形的工具，其TCP由机械工具坐标系平移或旋转获得。两种 形式的TCP均与机械工具坐标系之间存在绝对位姿关系。
5.3 工具坐标系
为了分析工具坐标系在工业机器人使用过程中的作用，进行如下探索： 探索1：研究对象和参考对象
运动学中，在研究物体运动过程时，需要选定参考对象和研究对象 思考：机器人在实际应用过程中做些什么？图 5-7所示的三种典型工业机器人应用中 的参考对象和研究对象又会是什么？
（a）弧焊
(b)点焊 图 5-7 工业机器人的典型应用案例
5.2 坐标系
5.2.4. 工具坐标系
（5）工具坐标系，由工具中心点的位置（x,y,z）和姿势（w,p,r）构成。 TCP的位置， 通过相对机械接口坐标系的工具中心点的坐标值 x、y、z 来定义，如图 5-6所示。工具 的姿势，通过机械接口坐标系的 X 轴、Y 轴、Z 轴周围的回转角 w、p、r 来定义。工 具中心点用来对位置数据的位置进行示教。在进行工具的姿势控制时，需要用上工具 姿势。
5.3 工具坐标系
5.3.3. 工具坐标系的标定
国家开放大学《机器人技术及应用》章节测试参考答案
国家开放大学《机器人技术及应用》章节测试参考答案第一章机器人技术与应用一、判断1.机器人是在科研或工业生产中用来代替人工作的机械装置。
（√）2.19世纪60年代和20世纪70年代是机器人发展最快、最好的时期，这期间的各项研究发明有效地推动了机器人技术的发展和推广。
（×）3.对于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。
（√）4.所谓特种机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。
（×）5.机器人机械本体结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动，而大多数机器人是基于开环控制原理进行的。
（×）6.机器人各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出，由主计算机根据示教点参考坐标的空间位置、方位及速度，通过运动学逆运算把数据转变为关节的指令值。
（√）7.为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，机器人还应有各种通信接口和人机通信装置。
（√）8.轮式机器人对于沟壑、台阶等障碍的通过能力较高。
（×）9.为提高轮式移动机器人的移动能力，研究者设计出了可实现原地转的全向轮。
（√）10.履带式机器人是在轮式机器人的基础上发展起来的，是一类具有良好越障能力的移动机构，对于野外环境中的复杂地形具有很强的适应能力。
（√）11.腿式（也称步行或者足式）机构的研究最早可以追溯到中国春秋时期鲁班设计的木车马。
（√）12.机器人定义的标准是统一的，不同国家、不同领域的学者给出的机器人定义都是相同的。
（×）13.球形机器人是一种具有球形或近似球形的外壳，通过其内部的驱动装置实现整体滚动的特殊移动机器人。
（√）14.可编程机器人可以根据操作员所编的程序，完成一些简单的重复性操作，目前在工业界已不再应用。
（×）15.感知机器人，即自适应机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，具有不同程度的“感知”能力。
工业机器人第五章
（2）在线示教（On －line Teaching）
在机器人工作现场操纵机器人完成全部操作运动，并记录 下位姿等参数的方法，称为～。
条件： 机器人各个关节采用闭环控制（？），具备获得位姿 值的条件（例如利用编码器可以获得关节转角值）。
手把手示教 示教装置示教
手把手示教：
操作员用手直接推动机器人经过一系列示教点。
条件：
编程工具（语言）和显示界面。
机器人控制柜（或示教盒）要含有输入界面（如键盘）和 显示界面（如显示屏）等！ 先进机器人基本采用混和示教方式！
四. 示教－再现原理（Teach－Playback)
借助于示教获得机器人的轨迹参数，然后再依靠控制系统 将运动复现出来的方法，称为示教－再现。 关键在于“示教”！再现功能的实现相对容易。 示教再现机器人：
轨迹参数； 示教再现原理； 关节控制曲线； 多轴协调； 轨迹插补； 学习基础： 电机学 古典控制理论 测试技术
§5.1 轨迹参数
从运动学的角度看，机器人控制的目的就是实现要求的运动！ 问题：如何向机器人描述希望的运动？
一.轨迹参数
轨迹： 机器人末端执行器标架在运动过程中的广义位移、 广义速度和广义加速度，称为～ 轨迹参数： 描述轨迹的参数，称为～ 主要参数 位姿－轨迹上各点位姿
使用机器人语言的目的是为了进行运动编程； 许多通用计算机语言都具备此类功能； 通用计算机语言功能更多； 现在的机器人控制器远比早期时强大。 对通用计算机编程语言进行改造，保留相关功能，剪裁无 用功能，增加新的函数，即可以快速得到一种不错的机器 人语言，例如ROBOC。
§5.2 轨迹实现
一. 控制方式 1. 点到点控制（PTP-Point To Point）
第五章
FANUC工业机器人配置与编程技术 第5章 FANUC 工业机器人示教编程
38
5.6 运动指令
编辑指令的各个命令说明如下。 Insert：在程序当中插入空白行。 Delete：从程序当中删除程序行。 Copy/Cut：复制/剪切程序行到程序中其他位置。 Find：查找程序元素。 Replace：用一个程序元素替换另外一个程序元素。 Renumber：对位置号重新排序。 Comment：隐藏/显示注释。 Undo：撤销上一步操作。 Remark：备注。
3
5.1 示教器介绍
安全开关属于 3 位置安全 开关，按到中间点即为有 效。当示教器处于有效状 态时，从安全开关松开手 或者用力将其握住时，工 业机器人就会停止。当按 住急停按钮时，无论示教 器有效开关的状态如何， 工业机器人都会立刻停下 。
4
5.1.1 示教器按键
菜单相关的键控开关 点动相关的键控开关 执行相关的键控开关 编辑相关的键控开关和其 他键控开关
编程器做了详细介绍，包括示教器按键功能、画面说明以
及基本编程语句。其次，介绍了机器人常用坐标系，包括 世界坐标系、关节坐标系、直角坐标系、工具坐标系、用 户坐标系，并对其在示教器下的设置方法进行了详细介绍。 再次，对于 FANUC 机器人程序语句的操作，本章也做了专
门介绍，包括创建、选择、删除、复制、查看属性等。最
20
5.3.1 六点法
21
5.3.1 六点法
22
5.3.2 三点法
23
5.3.3 直接输入法
24
5.3.3 直接输入法
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5.4 用户坐标系设置
·在实际使用 FANUC 机器人的过程中，可在任何位置、任何方位设 置坐标系，最多可以设置 9 个用户坐标系，它们被存储于系统变量 $MNUFRAME。 ·用户坐标系设置方法主要有三种：三点法、四点法和直接输入法。 ·以下仅以三点法设置为例进行讲解。
工业机器人技术基础及其应用没章思考题练习题参考答案
《工业机器人技术基础及其应用》（戴凤智，乔栋主编）的每章思考与练习题及其参考答案第1章工业机器人概述1.机器人系统由哪四部分组成？答：（教材第2页）机器人系统由以下四部分组成：机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统。
2.工业机器人有哪些基本特点？答：（教材第3页）工业机器人主要有以下三个基本特点：可编程、拟人化、通用性。
3.工业机器人的传感部分有哪些子系统组成？答：（教材第12页）机器人的传感部分相当于人类的五官，机器人可以通过传感部分来感觉自身和外部环境状况，帮助机器人工作更加精确。
工业机器人的传感部分主要分为两个子系统：感受（传感）系统、机器人与环境交互系统。
4.工业机器人的机械部分有哪些子系统组成？答：（教材第11页）机械部分是机器人的硬件组成，也称为机器人的本体。
工业机器人的机械部分主要分为两个子系统：驱动系统、机械结构系统。
5.工业机器人的控制部分有哪些子系统组成？答：（教材第11页）控制部分相当于机器人的大脑，可以直接或者通过人工对机器人的动作进行控制。
工业机器人的控制部分分为两个子系统：人机交互系统、控制系统。
6.工业机器人一般有哪些主要技术指标？答：（教材第12页）工业机器人的技术指标是机器人生产厂商在产品供货时所提供的技术数据，反映了机器人的适用范围和工作性能，是选择机器人时必须考虑的问题。
工业机器人的主要技术指标一般包括：自由度、工作精度、工作范围、额定负载、最大工作速度等。
7.工业机器人是如何进行分类的？答：（教材第14页）工业机器人的分类方法有很多，本书主要介绍了以下三种分类方法。
（1）按机械结构可以分为串联机器人和并联机器人。
（2）按机器人的机构特性可以分为直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人、多关节坐标机器人。
（3）按程序输入方式可以分为编程输入型机器人、示教输入型机器人。
第2章工业机器人的机械结构系统和驱动系统1.工业机器人的机械系统有哪三部分组成？答：（教材第22页）工业机器人的机械系统由手部、手臂、基座三部分组成。
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置
构形式。主要运用于立体库类，如档案自动存取、全自动银行保管箱存取系统
——— —
等。
摆臂式搬运机器人
【
课 堂 认
其坐标系主要由 X 轴、 Y 轴和 Z 轴组成。 Z 轴主要是升降，也称为主轴。 Y 轴的移动主要通过外加滑轨， X 轴末端连接控制器，其绕 X 轴的转动，实现 4
知 】
轴联动。 广泛应用于国内外生产厂家，是关节式机器人的理想替代品，但其 负载程度相对于关节式机器人小。
压，工件在外部压力的作用下
1 — 橡胶吸盘； 2 — 固定环； 3 — 垫片 被抓取。
4 — 支撑杆； 5 — 螺母； 6 — 基板
真空吸盘吸附
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5.2 搬运机器人的系统组成
所 处
1) 气吸附 主要是利用吸盘内压力和大气压之间压力差进行工作，依据压 力差分为真空吸盘吸附、气流负压气吸附、挤压排气负压气吸附等。
知
】
柔性手
灵巧手
返回 目录
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5.2 搬运机器人的系统组成
所
搬运机器人夹钳式、仿人式手爪需要连接相应外部信号控制装置及传感系统，
处 以控制搬运机器人手爪实时的动作状态及力的大小，其手爪驱动方式多为 气动、电
位 置
动和液压驱动，对于轻型和中型的零件采用气动的手爪，对于重型的零件采用液压
———手爪，对于精度要求高或复杂的场合采用伺候的手爪。
柔性高、适应性强，可实现多 形状、不规则物料搬运 。
定位准确，保证批量一致性 。
5/52
降低制造成本，提高生产效益。
返回
目录
5.1 搬运机器人的分类及特点
所
从结构形式上看，搬运机器人可分为 龙门式搬运机器人、悬臂式搬运机器
处 位
人、侧壁式搬运机器人、摆臂式搬运机器人和关节式搬运机器人 。
置
———
—
目录
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5.1 搬运机器人的分类及特点
所
搬运机器人具有通用性强、工作稳定的优点，且操作简便、功能丰富，逐渐
处 向第三代智能机器人发展，其主要优点有。
位
置
———
动作稳定和提高搬运准确性 。
—
【
课
提高生产效率，解放繁重体力劳动，
堂
实现“无人”或“少人”生产 。
认
知
】
改善工人劳作条件，摆脱有毒、有
害环境 。
位 搬运机器人略去手腕旋转这一关节， 置———曲这两个关节运动。
4
轴搬运机器人则略去了手腕旋转和手腕弯
—
【 课 堂 认 知 】
a) 四轴
b) 五轴 搬运机器人运动轴
11/52
c) 六轴
返回 目录
5.2 搬运机器人的系统组成
所 常见的搬运机器人末端执行器有 吸附式 、 夹钳式 和 仿人式 等。
处
位 吸附式 吸附式末端执行器依据吸力不同可分为 气吸附 和 磁吸附 。
工业机器人技术及应用
— 搬运机器人及其操作应用
讲授：王兴
章节目录
学习目标 导入案例
5.1 搬运机器人的分类及特点
5.2 搬运机器人的系统组成 5.3 搬运机器人的作业示教
5.3.1 冷加工搬运机器人 5.3.2 热加工搬运机器人
课堂认知 扩展与提高 本章小结
思考练习
5.4 搬运机器人的周边设备 ….
掌握搬运机器人的系统组 成及其功能
熟悉搬运机器人作业示教 的基本流程
熟悉搬运机器人的周边设 备与布局
能够识别搬运机器人工作 站基本构成
能够进行搬运机器人的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 单作业示教
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导入案例
所 处 位 置 ———
—
机器人助力机床上下料，国产高效智能压铸装备研制成功
智能压铸岛是以压铸机为核心设备构成的一组智能化生产单元，以无人化生
【 导
产管理方式自动完成从原材料到 合格铸件成品间的工艺生产流程，
入 案
实现压铸生产的程序化、数字化
例 和远程控制。 高效智能压铸岛以
】 压铸机为 核心，配备 3-10 个机器
人和多部 AGV 小车，集成多个控
制系统、伺服系统、检测系统于
一体，包括铝液智能熔化系统、
伺服定量浇注系统、炉料回收系
统、智能熔体含气量检测系统、
返回 目录
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5.2 搬运机器人的系统组成
所 2) 磁吸附 利用磁力进行吸取工件， 常见的磁力吸盘分为 永磁吸盘、电磁吸
处 位
盘、电永磁吸盘 等。
置
———
—
【
利用磁力线通路的连续性及
课
磁场叠加性而工作，永磁吸
堂 认
盘的磁路为多个磁系，通过
知
磁系之间的相互运动来控制
】
工作磁极面上的磁场强度的
强弱进而实现工件的吸附和
目录
17/52
5.2 搬运机器人的系统组成
所
根据被抓取工件形状、大小及抓取部位的不同，爪面形式常有平滑爪面、齿
处 位
形爪面和柔性爪面。
置
———
—
【
平滑爪面
指爪面光滑平整，多数用来加持已加工好的工件表面，保证加工
课
表面无损伤。
堂
认
知
】
指爪面刻有齿纹，主要目的是增加与加持工件的摩擦力，确保加持
齿形爪面
位
置
———
—
【
课
堂 认
利用流体力学原理，通过
知 】
压缩空气（高压）高速流 动带走吸盘内气体（低压）
使吸盘内形成负压，同样
利用吸盘内外压力差完成
取件动作，切断压缩空气
随即消除吸盘内负压，完
1 — 橡胶吸盘； 2 — 心套； 3 — 透气螺钉 4 — 支撑架； 5 — 喷嘴； 6 — 喷嘴套
成释放工件动作。
—
【
依据手爪开启闭合状态的传动装置可分为 回转型 和 移动型。
课
堂 认
传动装置
知
】
回转型
夹钳式手爪常用形式，是通过斜楔、滑槽、连杆、齿轮 螺杆或蜗轮蜗杆等机构组合形成，可适时改变传动比以
实现对夹持工件不同力的需求。
移动型
手爪做平面移动或者直线往复移动来实现开启闭合，多 用于夹持具有平行面的工件，设计结构相对复杂，应用 不如回转型手爪广泛。
搬运机器人主要包括机器人和搬运系统组成。机器人由搬运机器人本体及完
成搬运路线控制的控制柜组成。而搬运系统中末端执行器主要有吸附式、夹钳式 返回
和仿人式等形式。
目录
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5.3 搬运机器人的作业示教
所
搬运机器人主要适应对象为大批量、重复性强或是工件重量较大以及工作环境
16/52
尖型爪
返回 目录
5.2 搬运机器人的系统组成
所 2) 磁吸附 利用磁力进行吸取工件， 常见的磁力吸盘分为 永磁吸盘、电磁吸
处 位
盘、电永磁吸盘 等。
置 ———
1
+
-
—
【
2
课
堂
认
知
】
利用内部激磁线圈通 直流电后产生磁力， 而吸附导磁性工件。
3
1 — 直流电源； 2 — 激磁线圈； 3 — 工件
5.4.1 周边设备 5.4.2 工位布局
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课前回顾
所 处 位 置 ——— —
【 课 前 回 顾 】
如何使用在线示教方式进行工业机器人任务编程 ？ 如何进行工业机器人离线作业示教再现 ？
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学习目标
所 处 位 置 ——— —
【 学 习 目 标 】
了解搬运机器人的分类及 特点
【 课 堂 认 知 】
龙门式搬运机器人
悬臂式搬运机器人
摆臂式搬运机器人
侧壁式搬运机器人
搬运机器人分类
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关节式搬运机器人
返回 目录
5.1 搬运机器人的分类及特点
所 处 位 置 ——— —
【 课 堂 认 知 】
龙门式搬运机器人
其坐标系主要由 X 轴、 Y 轴和 Z 轴组成。其多采用模块化结构，可依据负 载位置、大小等选择对应直线运动单元及组合结构形式，可实现实现大物料、 重吨位搬运，采用直角坐标系，编程方便快捷， 广泛运用于生产线转运及机 床上下料等大批量生产过程。 悬臂式搬运机器人
—
1) V 型爪 常用于圆柱形工件，其加持稳固可靠，误差相对较小。
【
课
2) 平面型爪 多数用于加持方形工件（至少有两个平行面如方形包装盒等），厚
堂 认
板形或者短小棒料。
知 】
3) 尖型爪 常用于加持复杂场合小型工件，避免与周围障碍物相碰撞，也可加
持 炽热工件，避免搬运机器人本体受到热损伤。
V 型爪
平面型爪
气流负压气吸附
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5.2 搬运机器人的系统组成
所 1) 气吸附 主要是利用吸盘内压力和大气压之间压力差进行工作，依据压
处
力差分为真空吸盘吸附、气流负压气吸附、挤压排气负压气吸附等。
位
置
———
—
【
课
堂
认 知
利用吸盘变形和拉
】
杆移动改变吸盘内
外部压力完成工件
吸取和释放动作。
1 — 橡胶吸盘； 2 — 弹簧； 3 — 拉杆 挤压排气负压气吸附
电磁吸附
电永磁吸附 是利用永磁磁铁产生磁力，利用激磁线圈对吸力大小进行
控制，起到“开、关”作用。
磁吸附只能吸附对磁产生感应物体起作用，故对于要求不能有剩磁的工
件无法使用，且磁力受高温影响较大，故在高温下工作亦不能选择磁吸附，