《先进制造技术》电子教案
授课章节 | 5.3 工业机器人（一） | 学 时 | 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
教学目标 | 知识目标 | 1、了解工业机器人概念、应用范围 2、了解工业机器人操作机的类型及控制 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
能力目标 | 能够对工业机器人控制系统的组成有所认识 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
情感目标 | 1、培养学生的学习兴趣，养成良好的学习习惯，提升自学能力 2、引导学生掌握正确的分析方法，养成解决生产实际问题的思维习惯 3、培养学生在分析、应用过程中的条理性、协调性和严谨性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
教学重点 | 工业机器人概念、应用范围 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
教学难点 | 工业机器人操作机的控制 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
实施教学目标过程设计 | 【第一环节】课程导入 限时5分钟
【第二环节】授课过程 限时80分钟
【第三环节】归纳总结 限时5分钟
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【第一环节】课程导入 1．CAD/CAM概述及组成 计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD) 是指工程技术人员以计算机为辅助工具，通过计算机和CAD软件对设计产品进行分析、计算、仿真、优化与绘图。CAD包括建立几何模型、工程分析、产品分析(包括方案设计、总体设计、零部件设计)、动态模拟和自动绘图等。 计算机辅助工艺规划(Computer Aided Process Planning，CAPP) 借助计算机对制造加工工艺过程进行设计或规划，以期对工艺过程实现自动控制。 计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM) 是指应用计算机来进行产品制造的统称。CAM包括数字化控制、工艺过程设计、机器人、柔性制造系统(FMS)和工厂管理等。 CAD/CAM集成技术（简称CAD/CAM) 把计算机辅助制造和计算机辅助设计集成在一起的系统。CAD/CAM是随着计算机技术、制造工程技术的发展和需求，从早期的CAD、CAPP、CAM和计算机辅助工程（CAE）技术发展演变而来的。传统的设计与制造彼此相对分离，而CAD/CAM是将设计与制造集成，作为一个整体任务来规划和开发，实现了信息处理的高度一体化。 CAD/CAM系统由硬件系统和软件系统两部分构成。 2．CAD/CAM系统的功能 1）CNC系统及各种自动化加工设备，包括数控加工中心等各种数控机床、三坐标数控测量机、PLC、检测设备等。 2）物料存储及运送系统，包括自动化仓库。 3）分布式直接数控及设备控制系统，包括直接数控(DNC)系统及其与自动仓库的互联系统、工业控制系统等。 4）物流控制与管理系统，其功能是对物料存储及运送系统进行监测和控制，以服务于车间生产计划控制系统。 5）工艺规程设计与管理系统，其功能包括计算机辅助工艺规程设计、工艺数据库管理、工艺规程管理等。 6）数控加工自动编程系统，如用于复杂曲面模具加工自动编程系统，用于数控线切割、数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心等加工的自动编程系统。 7）全面质量保证系统(Total Quality Insurance System，TQIS)。 8)车间生产计划控制系统(Shoop-Floor Control System，SFCS)。 9)计算机辅助工程制图系统，其功能包括辅助制图、图样扫描及光栅-矢量混合编辑、图样管理等。 10)计算机辅助设计和计算机辅助工程(CAD／CAE)系统，其功能包括产品的二维设计或三维设计、装配设计、工程分析及优化、工业设计、产品信息管理等。 11）产品综合信息管理系统(PIIMS)，其功能是基于统一的数据库和框架，对产品的设计文档、设计辅助数据、产品模型(二维或三维)、版本信息、工程图纸、工艺规程、工艺数据、数据加工程序等各项信息实行统一管理。 3．CAD/CAM系统的发展趋势 1）集成化 2）智能化 3）标准化 4）网络化 5）最优化 【第二环节】授课内容 5.3.1 概念、应用范围 工业机器人是一种可重复编程的多自由度的自动控制操作机，是涉及机械学、控制技术、传感技术、人工智能、计算机科学等多学科技术为一体的现代制造业的基础设备。 工业机器人应用的范围，见下表。 工业机器人应用的范围
5.3.2 工业机器人操作机的类型及控制 1．机器人的自由度 表示机器人动作灵活的程度，机器人的自由度用机器人具有的运动副数目表示，这和物理中所说的刚体自由度不同。 2．机器人操作机的结构及其特点 根据坐标型式分为四种结构： （1）直角坐标型操作机 特点是手部在空间三个相互垂直的X、Y、Z三个方向上作直线移动，运动是独立的，其控制简单，运动直观，容易达到高精度，但操作灵活性差，运动速度较低，操作范围较小而占据的空间相对较大。 （2）圆柱坐标型操作机 特点是在水平转台上装有立柱，水平臂可沿立柱上下运动并可在水平方向伸缩，其工作范围较 大，运动速度较高，但随着水平臂沿水平方向伸长，其线位移分辨精度将越来越低。 （3）球坐标型操作机 特点是工作臂不仅可绕垂直轴旋转，还可绕水平轴作俯仰运动，且能沿手臂轴线作伸缩运动，其操作比圆柱坐标型更为灵活，并能扩大机器人的工作空间，但旋转关节反映在末端执行器上的线位移分辨率是一个变量，不利于控制。 （4）关节型操作机 特点是由多个关节联接的机座、大臂、小臂和手腕等构成，大小臂既可在垂直于机座的平面内运动，也可绕垂直轴作转动。其操作灵活性最好，运动速度较高，操作范围大，但精度受手臂位置和姿态的影响，实现高精度运动比较困难。 3．机器人控制系统 机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务。其基本功能有8个。 （1）记忆功能 存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关信息。 （2）示教功能 分离线编程，在线示教，间接示教。 （3）与外围设备联系功能 包括输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口等。 （4）坐标设置功能 具有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 （5）人机接口 是人和机器人之间进行信息交换的主要通道，主要有示教盒、操作面板、显示屏等。 （6）传感器接口 实现位置、视觉、触觉、力觉的检测等。 （7）位置伺服功能 是机器人将电信号转化为机械运动的设备，包括机器人多轴联动，运动、速度和加速度控制、动态补偿等。 （8）故障诊断安全保护功能 具有系统运行状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。 4．机器人的编程 机器人的编程是指机器人代替人进行作业时，必须预先对机器人发出指示，规定机器人应完成的工作和作业的具体内容的过程。又称为对机器人的示教。有三种编程方式。 （1）物理设置编程系统 由操作者设置固定的限位开关，实现起动、停车的程序操作和简单的拾起和放置作业。 （2）在线编程 是通过人的示教来完成操作信息的记忆过程编程方式，分直接示教，模拟示教，示教盒示教等方式。其中直接示教就是人们常说的手把手示教，由人直接搬动机器人的手臂对机器人进行示教，如示教盒示教或操作杆示教等。在这种示教中，为了示教方便及获取信息的快捷而准确，人们可选择在关节、直角、极坐标、工具、工件等不同的坐标系下示教。 （3）离线编程 不对实际作业的机器人直接进行示教，而是脱离实际作业环境生成示教数据，间接地对机器人进行示教，又称为离线示教。 5．机器人用传感器 利用传感器从机器人内部和外部获得有用信息，对机器人的手足位置、速度、姿态等进行测量和控制，对提高机器人的运动效率和工作效率、节省能源、防止危险都是非常重要的。机器人用传感器按用途可分为内部传感器和外部传感器。 （1）内部传感器 装在操作机上，包括位移、速度、加速度传感器，是为了检测机器人操作机的内部状态，并向伺服控制系统反馈信号。 （2）外部传感器 如视觉、触觉、力觉、距离等传感器，是为了检测作业对象及环境与机器人的联系。 6．机器人驱动系统 按照动力源可分为液压、气动、电动三种基本驱动系统，其简要特点见下表。 三种基本驱动系统简要特点表
【第三环节】归纳总结 1．概念、应用范围 工业机器人是一种可重复编程的多自由度的自动控制操作机，是涉及机械学、控制技术、传感技术、人工智能、计算机科学等多学科技术为一体的现代制造业的基础设备。 2．工业机器人操作机的类型及控制 （1）机器人操作机结构根据坐标型式的不同分为以下四种结构： 1）直角坐标型操作机 2）圆柱坐标型操作机 3）球坐标型操作机 4）关节型操作机 （2）机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务。其基本功能有8个。 1）记忆功能 存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关信息。 2）示教功能 分离线编程，在线示教，间接示教。 3）与外围设备联系功能 包括输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口等。 4）坐标设置功能 具有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 5）人机接口 是人和机器人之间进行信息交换的主要通道，主要有示教盒、操作面板、显示屏等。 6）传感器接口 实现位置、视觉、触觉、力觉的检测等。 7）位置伺服功能 是机器人将电信号转化为机械运动的设备，包括机器人多轴联动，运动、速度和加速度控制、动态补偿等。 8）故障诊断安全保护功能 具有系统运行状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。 （3）机器人的编程是指机器人代替人进行作业时，必须预先对机器人发出指示，规定机器人应完成的工作和作业的具体内容的过程。又称为对机器人的示教。有三种编程方式。 1）物理设置编程系统 2）在线编程 3）离线编程 （4）利用传感器从机器人内部和外部获得有用信息，对机器人的手足位置、速度、姿态等进行测量和控制，对提高机器人的运动效率和工作效率、节省能源、防止危险都是非常重要的。机器人用传感器按用途可分为内部传感器和外部传感器。 （5）机器人驱动系统 按照动力源可分为液压、气动、电动三种基本驱动系统，其简要特点见下表。 三种基本驱动系统简要特点表
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