本书以典型机器人的结构和应用为主线，系统介绍了典型工业机器人相关基础知识及项目应用。全书分六个项目，包括直角坐标码垛机器人、四自由度SCARA机器人、六自由度关节机器人、并联加工机器人、AGV机器人，后以一个综合多种机器人具体应用的柔性制造系统作为全书的总结项目予以介绍。全书基于工作过程，以项目驱动为导引，内容力求丰富、结构力求清晰、图文并茂、力求言简意赅、通俗易懂。通过本书的学习可以使读者快速掌握典型应用作为项目驱动的常用工业机器人系统设计与调试方法。本书适用于可以作为普通高等院校机电专业教材，也可以作为从事机械电子、机器人理论与实践研究人员以及从事工业机器人应用开发、调试、现场维护工程技术人员的参考书。
目前,为适应国家大力发展职业教育的新形势,深入贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》中关于实施“职业院校教师素质提高计划”的精神,发挥职教师资的培养优势和特色,编者通过对职业院校和企业的广泛调研,针对机电技术教育专业培养职教师资的社会需求,努力构建既能体现机电一体化技术理论与技能,又能充分体现师范技能与教师素质培养要求的培养标准与培养方案,构建一种紧密结合本专业人才培养需要的一体化课程体系,基于CDIO开发核心课程与相应特色教材,为我国职业教育的发展做出贡献。
本书是以职业能力培养为核心,融合生产实际中的工作任务,基于工作过程、项目驱动进行开发编写的。本书打破了课程的学科体系,打破了理论教学和实践教学的界限,以综合性工业机器人任务为载体,把相关知识点嵌入到每个项目的每个任务中,通过各项目及其渐进的工作任务来讲述工业机器人技术和应用,工作任务需要什么就讲什么、就练习什么,突出了专业实践能力和专业实践问题解决能力的培养。
本书分为6个项目,基于工作过程,以项目驱动方式作为本书的编写主线,从不同的工业机器人应用出发,以典型的机器人设计及开发过程为主线,介绍了6种不同类型的现场型工业机器人的具体设计及应用场景。项目1主要是从最简单的工业机器人出发,结合所涉及的电气控制及相关元器件的使用方法,并根据所设计的直角坐标系机器人的结构特点设置了搬运码垛的具体应用场景,并予以实施。项目2主要从四自由度SCARA机器人的工业应用为目的出发,介绍了此类机器人的软硬件结构及特点,从项目开始,即将机器人运动学引入到教材中,针对本科生所学习过的机器人学课程进行理论知识的强化与计算,将SCARA机器人的轨迹规划作为主要的应用对象,使读者能切身体会到机器人理论对机器人应用的具体指导作用。项目3本着熟悉与掌握开放式运动控制理论的角度出发,把六自由度机器人的硬件与运动算法作为机器人示教运行的两个基本任务,通过前两个任务的完成进而完成第3个任务,再通过第3个任务的完成反过来验证前两个任务的正确性,最后从工业实际的角度出发,介绍了此类机器人在工程应用中的具体注意事项,达到理论与实际相结合、实验与工程Ⅶ..........相结合的目的。项目4主要介绍了一种新型的并联机器人,从并联机器人的硬件设计及软件编程两个方面进行任务化驱动,最终以并联机器人的加工作为检验并联机器人软件硬件设计的依据,通过对典型零件的加工,进一步扩展了工业机器人的应用范围,有助于读者将工业机器人技术与其他工业控制技术相融合,做到举一反三。项目5介绍了机器人系统中应用广泛的一种AGV小车,以项目驱动的形式介绍了AGV小车的机械结构及电气控制系统的设计过程。本项目的任务驱动主要从AGV本身固有的开发特点出发,以典型的机器人一体化技术组成作为整个项目的扩展主线,将机械结构设计、运动学计算及路径与轨迹规划相结合,进而通过一个项目向读者展示了AGV机器人的设计原理与工程实现过程。项目6为综合项目,结合了机器人、视频软件、AGV、传送带等装备,展现给读者的是一个综合实例,并将其中的内容以项目驱动的形式进行了分割,既保证了技术的完整性又不失为一个可以作为全书内容展示的总结性项目。
本书是由教育部财政部职业院校教师素质提高计划职教师资培养资源开发项目(项目编号:VTNE016)资助的《机电技术教育》专业核心课程教材开发成果。本书由天津职业技术师范大学孙宏昌、邓三鹏、祁宇明主编,许琢、庄红超、李丽娜、蒋永翔、刘朝华参编,另外天津职业技术师范大学机器人与智能装备研究所的研究生井平安、岳刚、程二亭,本科生孔祥波也参与了本书的编写以及视频录制工作,在此一并表示感谢。
本书在编写过程中得到了天津职业技术师范大学机电工程系、机器人及智能装备研究所和天津博诺智创机器人技术有限公司的大力支持和帮助,在此深表谢意。
由于编者学术水平所限,改革探索经验不足,书中难免存在不妥之处,恳请专家和读者不吝赐教,多加批评、指正。
编者
出版说明
前言
项目1 直角坐标码垛机器人 1
任务1 直角坐标码垛机器人系统认知 1
1. 1 任务概述 1
1. 2 任务目标 1
1. 3 任务引入 1
1. 4 任务实施 1
1. 4. 1 直角坐标码垛机器人简述 1
1. 4. 2 关节型码垛机器人简述 3
1. 4. 3 码垛机器人两大类型特点及应用比较 3
1. 4. 4 BNRT-CACS3 型直角坐标码垛机器人系统组成 4
1. 4. 5 BNRT-CACS3 型直角坐标码垛机器人部件功能与使用 5
任务2 直角坐标码垛机器人系统调试与训练案例 11
2. 1 任务概述 11
2. 2 任务目标 11
2. 3 任务引入 11
2. 4 任务实施 11
2. 4. 1 BNRT-CACS3 型直角坐标码垛机器人接线准则 11
2. 4. 2 BNRT-CACS3 型直角坐标码垛机器人调试训练 13
2. 4. 3 BNRT-CACS3 型直角坐标码垛机器人系统工作训练 13
任务3 直角坐标码垛机器人井式供料单元训练案例 14
3. 1 任务概述 14
3. 2 任务目标 14
3. 3 任务引入 14
3. 4 任务实施 14
3. 4. 1 用PLC 实现两个常开按钮和两个磁性开关对推料电磁阀的控制 14
3. 4. 2 用PLC 实现货物有无检测报警的控制 16
任务4 直角坐标码垛机器人旋转编码器定位操作训练案例 18
4. 1 任务概述 18
4. 2 任务目标 18
Ⅸ ..........
4. 3 任务引入 19
4. 4 任务实施 19
任务5 直角坐标码垛机器人日常维护与常见故障排除案例 24
5. 1 任务概述 24
5. 2 任务目标 24
5. 3 任务引入 24
5. 4 任务实施 24
5. 4. 1 直角坐标码垛机器人常见故障排除 24
5. 4. 2 BNRT-CACS3 型直角坐标码垛机器人维护和保养 25
项目2 四自由度SCARA 机器人 27
任务1 SCARA 机器人路径轨迹规划 27
1. 1 任务概述 27
1. 2 任务目标 27
1. 3 任务引入 27
1. 4 任务实施 28
1. 4. 1 机器人的位姿描述 28
1. 4. 2 齐次变换及运算 28
1. 4. 3 机器人运动学方程 32
1. 4. 4 SCARA 机器人运动学模型 36
任务2 SCARA 装配机器人的控制系统 42
2. 1 任务概述 42
2. 2 任务目标 42
2. 3 任务引入 42
2. 4 任务实施 43
2. 4. 1 运动控制系统的硬件部分 43
2. 4. 2 运动控制系统的软件部分 46
项目3 六自由度关节机器人 48
任务1 六自由度模块化关节机器人硬件系统 48
1. 1 任务概述 48
1. 2 任务目标 48
1. 3 任务引入 48
1. 4 任务实施 48
1. 4. 1 模块化的定义与原则 48
1. 4. 2 模块化的作用 49
1. 4. 3 模块的划分原则 49
1. 4. 4 模块的组合原则 50
1. 4. 5 模块的接口 50
1. 4. 6 六自由度模块化关节机器人结构 50
任务2 六自由度模块化关节机器人示教编程与控制案例 52
Ⅹ..........
2. 1 任务概述 52
2. 2 任务目标 52
2. 3 任务引入 52
2. 4 任务实施 53
2. 4. 1 机器人正/逆运动学的D-H 方法 53
2. 4. 2 正运动学 54
2. 4. 3 逆运动学 56
2. 4. 4 机器人示教—再现过程 57
2. 4. 5 六自由度模块化关节机器人示教过程 57
任务3 六自由度模块化关节机器人常见故障案例 63
3. 1 任务概述 63
3. 2 任务目标 63
3. 3 任务引入 63
3. 4 任务实施 63
3. 4. 1 六自由度模块化关节机器人操作规程 63
3. 4. 2 六自由度模块化关节机器人常见故障 64
3. 4. 3 六自由度模块化关节机器人日常维护 64
项目4 并联机器人 67
任务1 并联机器人控制系统构建案例 67
1. 1 任务概述 67
1. 2 任务目标 67
1. 3 任务引入 67
1. 4 任务实施 68
1. 4. 1 控制系统方案设计 68
1. 4. 2 数控系统硬件搭建 69
1. 4. 3 I/ O 控制 70
任务2 并联机器人软件系统开发案例 70
2. 1 任务概述 70
2. 2 任务目标 71
2. 3 任务引入 71
2. 4 任务实施 71
2. 4. 1 开发工具的选择 71
2. 4. 2 建立VC 环境下PMAC 卡的初始化及数控程序框架 72
2. 4. 3 建立控制系统功能模块 73
2. 4. 4 设计控制系统软件人机界面 74
任务3 并联机器人加工案例 80
3. 1 任务概述 80
3. 2 任务目标 80
3. 3 任务引入 80
Ⅺ ..........
3. 4 任务实施 80
3. 4. 1 刀具补偿数量级的确定 80
3. 4. 2 3D 刀具半径补偿的方向 81
3. 4. 3 3D 刀具补偿执行过程 81
3. 4. 4 3D 刀具偏移轨迹验证 82
项目5 AGV 小车 84
任务1 AGV 小车系统认知 84
1. 1 任务概述 84
1. 2 任务目标 84
1. 3 任务引入 84
1. 4 任务实施 85
1. 4. 1 AGV 小车概述 85
1. 4. 2 AGV 小车的结构组成 86
1. 4. 3 AGV 小车导引原理 88
1. 4. 4 AGV 小车的主要技术参数 89
1. 4. 5 物流信息管理系统 90
任务2 AGV 小车机械结构设计 90
2. 1 任务概述 90
2. 2 任务目标 91
2. 3 任务引入 91
2. 4 任务实施 91
2. 4. 1 AGV 系统结构设置与动力学建模 91
2. 4. 2 AGV 中机械部分主要零件的选取 95
任务3 AGV 电气系统设计 102
3. 1 任务概述 102
3. 2 任务目标 103
3. 3 任务引入 103
3. 4 任务实施 103
3. 4. 1 控制系统 103
3. 4. 2 电路的设计 104
3. 4. 3 行走策略 105
3. 4. 4 传感器采样 106
3. 4. 5 控制策略 107
3. 4. 6 动作类型 107
项目6 柔性制造系统 109
任务1 柔性制造系统认知 109
1. 1 任务概述 109
1. 2 任务目标 109
1. 3 任务引入 109
1. 4 任务实施 110
1. 4. 1 柔性制造系统工作流程 110
1. 4. 2 六自由度关节型机器人 111
1. 4. 3 流水线 112
1. 4. 4 电气控制系统 116
任务2 柔性制造系统安装与调试 118
2. 1 任务概述 118
2. 2 任务目标 118
2. 3 任务引入 119
2. 4 任务实施 119
2. 4. 1 软件安装 119
2. 4. 2 柔性制造系统设备安装 119
2. 4. 3 系统测试运行 121
任务3 柔性制造物品视觉识别 122
3. 1 任务概述 122
3. 2 任务目标 122
3. 3 任务引入 122
3. 4 任务实施 126
3. 4. 1 硬件连接 126
3. 4. 2 软件调试及安装 126
3. 4. 3 实验操作步骤 126
课后练习 127
参考文献 128
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