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工业机器人编程实验
弧焊机器人运动编程及自动弧焊(教案)
清华大学基础工业训练中心
材料成型实验室
(试行)内部资料
2017年5月
焊接作为工业制造中的“钢铁裁缝”,是工业生产中非常重要的加工手段,焊接质量的好坏对产品质量起着决定性的影响,同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在,焊接的工作环境又非常恶劣。
随着先进制造技术的发展,实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已经成为必然趋势,采用机器人焊接已经成为焊接技术自动化的主要标志[1]。
机器人从上世纪60年代诞生至今经历了示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。
因技术尚未成熟,目前在国内外生产中应用的机器人系统多数处于示教再现编程阶段。
工业机器人的示教主要有2种方式:
①在线示教。
由技术人员引导,控制机器人运动,记录机器人作业的程序点并插入所需的机器人命令来完成程序的编制。
②离线示教。
操作者不对实际作业的机器人直接进行示教,而是在离线编程系统中进行编程或在模拟环境中进行仿真,生成示教数据,通过PC机间接对机器人控制柜进行示教。
本文以直接示教来探讨示教编程方法。
课程以清华大学基础工业训练中心材料成型实验室现有的KUKA-KR5arc6自由度弧焊机器人为研究对象,通过对直线轨迹、圆弧轨迹及其各自附加摆动功能示教编程方法的探讨,尝试实现板-板对接的机器人焊接试验,旨在培养学生的实践动手能力和机器人驾驭能力。
拓宽学生对焊接技术在机械化自动化方面的了解以及对数字化制造的认知。
此次实验使用的工业机器人是德国的KUKA-KR5arc6自由度弧焊机器人,见图1所示。
图1.kuka工业机器人
一、实验目的
1)了解工业机器人的组成结构及性能参数。
2)学习机器人基本操作和使用。
3)掌握机器人在线示教的方法
4)初步掌握KUKA焊接机器人示教编程过程。
。
二、实验内容
1)了解KUKA机器人的组成结构和性能参数。
2)了解机器人编程语句及功能函数。
3)学习并熟悉如何使用示教盒手动调整示教机器人。
4)“系标”示教编程实训,典型结构弧焊。
三、实验设备及材料
1)KUKA工业机器人1台;
2)示教盒1个;
3)焊接材料,其他附件。
四、实验步骤
1)通过工业机器人焊接的演示范例,了解工业机器人的应用。
2)阅读相关辅助资料,了解KUKA机器人的组成结构和性能参数。
3)熟悉机器人示教盒的操作方法,以及示教程序的编制和编辑方法。
4)规划机器人的轨迹,手工对机器人进行示教,存储关键点。
程序名以IE组号为标识。
5)学习机器人程序编制的规范以及相关的弧焊程序指令。
6)学生操作
7)将示教程序下载至计算机上,用文本编辑器进行修改。
将修改后的程序上传至机器人控制柜,试运行检验无误后,发布运行控制程序。
五、实验任务
在A4纸上示教(见图2所示),,完成相应的线条绘制,实验前需标注出关键点的坐标值,以便实验室示教编程。
设计机器人的运动轨迹,思考提升绘图效率的方法,记录机器人绘画完成的总时间。
设定机器人焊接程序中的工艺参数(电流、电压、焊接速度、摆动方式)进行碳钢平焊对接及角接的工艺实验;
六、实验报告
1)说明机器人运动轨迹的设计以及完成绘图的实际时间。
2)附实验程序,对指令进行注释。
3)记录实验工艺参数和焊缝成型特点。
4)实验中遇到的问题,以及相应解决问题的方法。
5)思考题
(1)机器人的定义。
(2)机器人在“中国制造2025”或“工业4.0”中的应用。
(3)弧焊机器人的行业发展现状。
(4)弧焊机器人示教焊接编程的基本思路是什么?
(5)简述机器人CO2气体保护焊工艺参数(关键参数)对焊缝成形质量的影响规律。
6)实验体会。
图2绘制图形
七、机器人安全操作注意事项
1)未经许可不能擅自进入机器人工作区域,机器人处于自动模式时,不允许进入其运动所及区域。
2)机器人运行中发生任何意外或运行不正常时,立即使用E-Stop键(急停按钮),使机器人停止运行。
3)在编程及测试程序时,必须将机器人置于手动模式(T1),并使机器人以低速运行。
4)实验现场指导人员进入机器人工作区时,需随身携带示教器,以防实验学生误操作。
5)严禁非授权人员在手动模式下进入机器人软件系统,尤其在专家系统下随意修改程序及机器人参数。
八、附录
1KUKA机器人性能参数
表1KUKA机器人性能参数
1
持重
5kg,承受焊枪所必需的负荷能力
2
重复位置精度
±0.02,高精度
3
可控轴数
6轴同时控制,便于焊枪姿态调整
4
动作方式
各轴单独插补、直线插补、圆弧插补、焊枪端部等速控制(直线、圆弧插补)
5
速度控制
焊接速度2/s,调速范围广(从极低速到高速均可调)
6
焊接功能
焊接电流、电压的选定,允许在焊接中途改变焊接条件,断弧、粘丝保护功能,焊接抖动功能(软件)
7
存储功能
IC存储器,128kW、
8
辅助功能
定时功能、外部输入输出接口。
9
应用功能
程序编辑、外部条件判断、异常检查、传感器接口
2KUKA机器人的构成
控制系统(控制柜(V)KRC4)
机械手(机器人机械系统)
示教盒(KUKAsmartPAD)
图3KUKA机器人的设备构成
机器人机械系统的部件主要由铸铝和铸钢制成。
在个别情况下也使用碳纤维部件。
底座
转盘
平衡配重
连杆臂(大臂)
小臂
手
图4KUKA机械系统构成
3KUKA机器人的动作轴
图5KUKA机器人的动作轴
图6 通过示教盒的3D鼠标移动机器人
4示教盒smartPAD概览
图7smartPAD
图中序号
说明
1
用于拔下smartPAD的按钮
2
用于调出连接管理器的钥匙开关。
只有当钥匙插入时,方可转动开关。
可以通过连接管理器切换运行模式。
3
紧急停止键。
用于在危险情况下关停机器人。
紧急停止键在被按下时将自行闭锁。
4
3D鼠标。
用于手动移动机器人。
5
移动键。
用于手动移动机器人。
6
用于设定程序倍率的按键
7
用于设定手动倍率的按键
8
主菜单按键。
用来在smartHMI上将菜单项显示出来。
9
状态键。
状态键主要用于设定应用程序包中的参数。
其确切的功能取决于所安装的技术包。
10
启动键。
通过启动键可启动一个程序。
11
逆向启动键。
用逆向启动键可逆向启动一个程序。
程序将逐步运行。
12
停止键。
用停止键可暂停正运行中的程序。
13
键盘按键:
显示键盘。
通常不必特地将键盘显示出来,smartHMI可识别需要通过键盘输入的情况并自动显示键盘。
5机器人相关的坐标系
图8机器人坐标系
表2机器人坐标系
名称
位置
应用
特点
世界坐标系(WORLD)
可自由定义
ROBROOT和BASE的原点
大多数情况下与ROBROOT坐标系一致,可以从机器人足部“向外移出”。
机器人足部坐标系(ROBROOT)
固定于机器人足部
机器人的原点,是世界坐标系的参考点。
说明机器人在世界坐标系中的位置。
基坐标系(BASE)
可自由定义
测量工件和装置。
说明基坐标在世界坐标系中的位置。
法兰坐标系(FLANGE)
固定于机器人法兰上
是工具坐标系的参考点。
原点为机器人法兰中心。
工具坐标系(TOOL)
可自由定义
测量工具
TOOL坐标系的原点被称为“TCP”。
(TCP=ToolCenterPoint,即工具中心点)。
6机器人运动
6.1读取并解释机器人控制系统的信息提示
控制器与操作员的通信通过信息窗口实现。
其中有五种信息提示类型:
图标
类型
确认信息
●用于显示需操作员确认才能继续处理机器人程序的状态。
(例如:
“确认紧急停止”)
●确认信息始终引发机器人停止或抑制其起动。
状态信息
●状态信息报告控制器的当前状态。
(例如:
“紧急停止”)
●只要这种状态存在,状态信息便无法被确认。
提示信息
●提示信息提供有关正确操作机器人的信息。
(例如:
“需要启动键”)
●提示信息可被确认。
只要它们不使控制器停止,则无需确认。
等待信息
●等待信息说明控制器在等待哪一事件(状态、信号或时间)。
●等待信息可通过按“模拟”按键手动取消。
指令“模拟”只允许在能够排除碰撞和其他危险的情况下使用!
对话信息
●对话信息用于与操作员的直接通讯/问询。
●将出现一个含各种按键的信息窗口,用这些按键可给出各种不同的回答。
用“OK”可对可确认的信息提示加以确认。
用“全部OK”可一次性全部确认所有可以被确认的信息提示。
6.2设置运行方式
1)KUKA机器人的运行方式:
(1)T1(手动慢速运行)
●用于测试运行、编程和示教
●程序执行时的最大速度为250mm/s
●手动运行时的最大速度为250mm/s
(2)T2(手动快速运行)
●用于测试运行
●程序执行时的速度等于编程设定的速度!
●手动运行:
无法进行
(3)AUT(自动运行)
●用于不带上级控制系统的工业机器人
●程序执行时的速度等于编程设定的速度!
●手动运行:
无法进行
(4)AUTEXT(外部自动运行)
●用于带上级控制系统(PLC)工业机器人
●程序执行时的速度等于编程设定的速度!
●手动运行:
无法进行
2)运行方式的安全提示:
(1)手动运行T1和T2
手动运行用于调试工作。
调试工作是指所有为使机器人系统上可进入自动运行模式而必须在其上所执行的工作,其中包括:
●示教/编程
●在点动运行模式下执行程序(测试/检验)
(2)在手动慢速运行方式(T1)下:
对新的或者经过更改的程序必须始终先在手动慢速运行方式(T1)下进行测试。
●操作人员防护装置(防护门)未激活!
●在不必要的情况下,不允许其他人员在防护装置隔离的区域内停留。
如果需要有多个工作人员在防护装置隔离的区域内停留,则必须注意以下事项:
⏹所有人员必须能够不受防碍地看到机器人系统。
⏹必须保证所有人员之间都可以直接看到对方。
●操作人员必须选定一个合适的操作位置,使其可以看到危险区域并避开危险。
(3)在手动快速运行方式下(T2):
●操作人员防护装置(防护门)未激活!
●只有在必须以大于手动慢速运行的速度进行测试时,才允许使用此运行方式。
●在这种运行模式下不得进行示教。
●在测试前,操作人员必须确保确认装置的功能完好。
●操作人员的操作位置必须处于危险区域之外。
●不允许其他人员在防护装置隔离的区域内停留。
(4)运行方式自动和外部自动
●必须配备安全、防护装置,而且它们的功能必须正常。
●所有人员应位于由防护装置隔离的区域之外。
3)操作步骤
如果在运行过程中改变运行方式,驱动装置即立刻关断。
工业机器人以安全停止2停机。
(1)在KCP上转动用于连接管理器的开关。
连接管理器随即显示。
(2)选择运行方式。
(3)将用于连接管理器的开关再次转回初始位置。
所选的运行方式会显示在smartPAD的状态栏中。
7启动机器人程序
机器人程序在导航器中的用户界面上供选择。
通常,在文件夹中创建移动程序。
导航器:
文件夹/硬盘结构
导航器:
文件夹/数据列表
选中的程序
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
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- 工业 机器人 编程 实验