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機器人技術與應用

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叢書名：教育部財政部職業院校教師素質提高計劃職教師資培養資源開發項目《機電技術教育》專業職教師資培養資源開

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    本書以典型機器人的結構和應用為主線，系統介紹了典型工業機器人相關基礎知識及項目應用。全書分六個項目，包括直角坐標碼垛機器人、四自由度SCARA機器人、六自由度關節機器人、并聯加工機器人、AGV機器人，后以一個綜合多種機器人具體應用的柔性制造系統作為全書的總結項目予以介紹。全書基于工作過程，以項目驅動為導引，內容力求豐富、結構力求清晰、圖文并茂、力求言簡意賅、通俗易懂。通過本書的學習可以使讀者快速掌握典型應用作為項目驅動的常用工業機器人系統設計與調試方法。本書適用于可以作為普通高等院校機電專業教材，也可以作為從事機械電子、機器人理論與實踐研究人員以及從事工業機器人應用開發、調試、現場維護工程技術人員的參考書。

　　目前,為適應國家大力發展職業教育的新形勢,深入貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》中關于實施“職業院校教師素質提高計劃”的精神,發揮職教師資的培養優勢和特色,編者通過對職業院校和企業的廣泛調研,針對機電技術教育專業培養職教師資的社會需求,努力構建既能體現機電一體化技術理論與技能,又能充分體現師范技能與教師素質培養要求的培養標準與培養方案,構建一種緊密結合本專業人才培養需要的一體化課程體系,基于CDIO開發核心課程與相應特色教材,為我國職業教育的發展做出貢獻。

　　本書是以職業能力培養為核心,融合生產實際中的工作任務,基于工作過程、項目驅動進行開發編寫的。本書打破了課程的學科體系,打破了理論教學和實踐教學的界限,以綜合性工業機器人任務為載體,把相關知識點嵌入到每個項目的每個任務中,通過各項目及其漸進的工作任務來講述工業機器人技術和應用,工作任務需要什么就講什么、就練習什么,突出了專業實踐能力和專業實踐問題解決能力的培養。

　　本書分為6個項目,基于工作過程,以項目驅動方式作為本書的編寫主線,從不同的工業機器人應用出發,以典型的機器人設計及開發過程為主線,介紹了6種不同類型的現場型工業機器人的具體設計及應用場景。項目1主要是從最簡單的工業機器人出發,結合所涉及的電氣控制及相關元器件的使用方法,并根據所設計的直角坐標系機器人的結構特點設置了搬運碼垛的具體應用場景,并予以實施。項目2主要從四自由度SCARA機器人的工業應用為目的出發,介紹了此類機器人的軟硬件結構及特點,從項目開始,即將機器人運動學引入到教材中,針對本科生所學習過的機器人學課程進行理論知識的強化與計算,將SCARA機器人的軌跡規劃作為主要的應用對象,使讀者能切身體會到機器人理論對機器人應用的具體指導作用。項目3本著熟悉與掌握開放式運動控制理論的角度出發,把六自由度機器人的硬件與運動算法作為機器人示教運行的兩個基本任務,通過前兩個任務的完成進而完成第3個任務,再通過第3個任務的完成反過來驗證前兩個任務的正確性,最后從工業實際的角度出發,介紹了此類機器人在工程應用中的具體注意事項,達到理論與實際相結合、實驗與工程Ⅶ..........相結合的目的。項目4主要介紹了一種新型的并聯機器人,從并聯機器人的硬件設計及軟件編程兩個方面進行任務化驅動,最終以并聯機器人的加工作為檢驗并聯機器人軟件硬件設計的依據,通過對典型零件的加工,進一步擴展了工業機器人的應用范圍,有助于讀者將工業機器人技術與其他工業控制技術相融合,做到舉一反三。項目5介紹了機器人系統中應用廣泛的一種AGV小車,以項目驅動的形式介紹了AGV小車的機械結構及電氣控制系統的設計過程。本項目的任務驅動主要從AGV本身固有的開發特點出發,以典型的機器人一體化技術組成作為整個項目的擴展主線,將機械結構設計、運動學計算及路徑與軌跡規劃相結合,進而通過一個項目向讀者展示了AGV機器人的設計原理與工程實現過程。項目6為綜合項目,結合了機器人、視頻軟件、AGV、傳送帶等裝備,展現給讀者的是一個綜合實例,并將其中的內容以項目驅動的形式進行了分割,既保證了技術的完整性又不失為一個可以作為全書內容展示的總結性項目。

　　本書是由教育部財政部職業院校教師素質提高計劃職教師資培養資源開發項目(項目編號:VTNE016)資助的《機電技術教育》專業核心課程教材開發成果。本書由天津職業技術師范大學孫宏昌、鄧三鵬、祁宇明主編,許琢、莊紅超、李麗娜、蔣永翔、劉朝華參編,另外天津職業技術師范大學機器人與智能裝備研究所的研究生井平安、岳剛、程二亭,本科生孔祥波也參與了本書的編寫以及視頻錄制工作,在此一并表示感謝。

　　本書在編寫過程中得到了天津職業技術師范大學機電工程系、機器人及智能裝備研究所和天津博諾智創機器人技術有限公司的大力支持和幫助,在此深表謝意。

　　由于編者學術水平所限,改革探索經驗不足,書中難免存在不妥之處,懇請專家和讀者不吝賜教,多加批評、指正。

　　編者

出版說明
前言
項目1　直角坐標碼垛機器人  1
　任務1　直角坐標碼垛機器人系統認知  1
　　1. 1　任務概述  1
　　1. 2　任務目標  1
　　1. 3　任務引入  1
　　1. 4　任務實施  1
　　　1. 4. 1　直角坐標碼垛機器人簡述  1
　　　1. 4. 2　關節型碼垛機器人簡述  3
　　　1. 4. 3　碼垛機器人兩大類型特點及應用比較  3
　　　1. 4. 4　BNRT-CACS3 型直角坐標碼垛機器人系統組成  4
　　　1. 4. 5　BNRT-CACS3 型直角坐標碼垛機器人部件功能與使用  5
　任務2　直角坐標碼垛機器人系統調試與訓練案例  11
　　2. 1　任務概述  11
　　2. 2　任務目標  11
　　2. 3　任務引入  11
　　2. 4　任務實施  11
　　　2. 4. 1　BNRT-CACS3 型直角坐標碼垛機器人接線準則  11
　　　2. 4. 2　BNRT-CACS3 型直角坐標碼垛機器人調試訓練  13
　　　2. 4. 3　BNRT-CACS3 型直角坐標碼垛機器人系統工作訓練  13
　任務3　直角坐標碼垛機器人井式供料單元訓練案例  14
　　3. 1　任務概述  14
　　3. 2　任務目標  14
　　3. 3　任務引入  14
　　3. 4　任務實施  14
　　　3. 4. 1　用PLC 實現兩個常開按鈕和兩個磁性開關對推料電磁閥的控制  14
　　　3. 4. 2　用PLC 實現貨物有無檢測報警的控制  16
　任務4　直角坐標碼垛機器人旋轉編碼器定位操作訓練案例  18
　　4. 1　任務概述  18
　　4. 2　任務目標  18
Ⅸ ..........
　　4. 3　任務引入  19
　　4. 4　任務實施  19
　任務5　直角坐標碼垛機器人日常維護與常見故障排除案例  24
　　5. 1　任務概述  24
　　5. 2　任務目標  24
　　5. 3　任務引入  24
　　5. 4　任務實施  24
　　　5. 4. 1　直角坐標碼垛機器人常見故障排除  24
　　　5. 4. 2　BNRT-CACS3 型直角坐標碼垛機器人維護和保養  25
項目2　四自由度SCARA 機器人  27
　任務1　SCARA 機器人路徑軌跡規劃  27
　　1. 1　任務概述  27
　　1. 2　任務目標  27
　　1. 3　任務引入  27
　　1. 4　任務實施  28
　　　1. 4. 1　機器人的位姿描述  28
　　　1. 4. 2　齊次變換及運算  28
　　　1. 4. 3　機器人運動學方程  32
　　　1. 4. 4　SCARA 機器人運動學模型  36
　任務2　SCARA 裝配機器人的控制系統  42
　　2. 1　任務概述  42
　　2. 2　任務目標  42
　　2. 3　任務引入  42
　　2. 4　任務實施  43
　　　2. 4. 1　運動控制系統的硬件部分  43
　　　2. 4. 2　運動控制系統的軟件部分  46
項目3　六自由度關節機器人  48
　任務1　六自由度模塊化關節機器人硬件系統  48
　　1. 1　任務概述  48
　　1. 2　任務目標  48
　　1. 3　任務引入  48
　　1. 4　任務實施  48
　　　1. 4. 1　模塊化的定義與原則  48
　　　1. 4. 2　模塊化的作用  49
　　　1. 4. 3　模塊的劃分原則  49
　　　1. 4. 4　模塊的組合原則  50
　　　1. 4. 5　模塊的接口  50
　　　1. 4. 6　六自由度模塊化關節機器人結構  50
　任務2　六自由度模塊化關節機器人示教編程與控制案例  52
Ⅹ..........
　　2. 1　任務概述  52
　　2. 2　任務目標  52
　　2. 3　任務引入  52
　　2. 4　任務實施  53
　　　2. 4. 1　機器人正/逆運動學的D-H 方法  53
　　　2. 4. 2　正運動學  54
　　　2. 4. 3　逆運動學  56
　　　2. 4. 4　機器人示教—再現過程  57
　　　2. 4. 5　六自由度模塊化關節機器人示教過程  57
　任務3　六自由度模塊化關節機器人常見故障案例  63
　　3. 1　任務概述  63
　　3. 2　任務目標  63
　　3. 3　任務引入  63
　　3. 4　任務實施  63
　　　3. 4. 1　六自由度模塊化關節機器人操作規程  63
　　　3. 4. 2　六自由度模塊化關節機器人常見故障  64
　　　3. 4. 3　六自由度模塊化關節機器人日常維護  64
項目4　并聯機器人  67
　任務1　并聯機器人控制系統構建案例  67
　　1. 1　任務概述  67
　　1. 2　任務目標  67
　　1. 3　任務引入  67
　　1. 4　任務實施  68
　　　1. 4. 1　控制系統方案設計  68
　　　1. 4. 2　數控系統硬件搭建  69
　　　1. 4. 3　I/ O 控制  70
　任務2　并聯機器人軟件系統開發案例  70
　　2. 1　任務概述  70
　　2. 2　任務目標  71
　　2. 3　任務引入  71
　　2. 4　任務實施  71
　　　2. 4. 1　開發工具的選擇  71
　　　2. 4. 2　建立VC 環境下PMAC 卡的初始化及數控程序框架  72
　　　2. 4. 3　建立控制系統功能模塊  73
　　　2. 4. 4　設計控制系統軟件人機界面  74
　任務3　并聯機器人加工案例  80
　　3. 1　任務概述  80
　　3. 2　任務目標  80
　　3. 3　任務引入  80
Ⅺ ..........
　　3. 4　任務實施  80
　　　3. 4. 1　刀具補償數量級的確定  80
　　　3. 4. 2　3D 刀具半徑補償的方向  81
　　　3. 4. 3　3D 刀具補償執行過程  81
　　　3. 4. 4　3D 刀具偏移軌跡驗證  82
項目5　AGV 小車  84
　任務1　AGV 小車系統認知  84
　　1. 1　任務概述  84
　　1. 2　任務目標  84
　　1. 3　任務引入  84
　　1. 4　任務實施  85
　　　1. 4. 1　AGV 小車概述  85
　　　1. 4. 2　AGV 小車的結構組成  86
　　　1. 4. 3　AGV 小車導引原理  88
　　　1. 4. 4　AGV 小車的主要技術參數  89
　　　1. 4. 5　物流信息管理系統  90
　任務2　AGV 小車機械結構設計  90
　　2. 1　任務概述  90
　　2. 2　任務目標  91
　　2. 3　任務引入  91
　　2. 4　任務實施  91
　　　2. 4. 1　AGV 系統結構設置與動力學建模  91
　　　2. 4. 2　AGV 中機械部分主要零件的選取  95
　任務3　AGV 電氣系統設計  102
　　3. 1　任務概述  102
　　3. 2　任務目標  103
　　3. 3　任務引入  103
　　3. 4　任務實施  103
　　　3. 4. 1　控制系統  103
　　　3. 4. 2　電路的設計  104
　　　3. 4. 3　行走策略  105
　　　3. 4. 4　傳感器采樣  106
　　　3. 4. 5　控制策略  107
　　　3. 4. 6　動作類型  107
項目6　柔性制造系統  109
　任務1　柔性制造系統認知  109
　　1. 1　任務概述  109
　　1. 2　任務目標  109
　　1. 3　任務引入  109
1. 4　任務實施  110
　　　1. 4. 1　柔性制造系統工作流程  110
　　　1. 4. 2　六自由度關節型機器人  111
　　　1. 4. 3　流水線  112
　　　1. 4. 4　電氣控制系統  116
　任務2　柔性制造系統安裝與調試  118
　　2. 1　任務概述  118
　　2. 2　任務目標  118
　　2. 3　任務引入  119
　　2. 4　任務實施  119
　　　2. 4. 1　軟件安裝  119
　　　2. 4. 2　柔性制造系統設備安裝  119
　　　2. 4. 3　系統測試運行  121
　任務3　柔性制造物品視覺識別  122
　　3. 1　任務概述  122
　　3. 2　任務目標  122
　　3. 3　任務引入  122
　　3. 4　任務實施  126
　　　3. 4. 1　硬件連接  126
　　　3. 4. 2　軟件調試及安裝  126
　　　3. 4. 3　實驗操作步驟  126
　　課后練習  127
參考文獻  128

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