李天旭

(北華大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林 吉林 132021)

目前，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)逐漸完善并應(yīng)用于工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中，日本安川株式會(huì)社生產(chǎn)的MOTOMAN工業(yè)機(jī)器人，以其成熟的技術(shù)和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，在業(yè)界獲得了良好的口碑，其銷(xiāo)量位居世界前列.本實(shí)驗(yàn)室使用的MOTOMAN-HP6型六自由度機(jī)器人是一款通用型機(jī)器人，根據(jù)環(huán)境的不同可以更換末端操作器以及外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)噴漆、焊接、碼/拆垛等多種應(yīng)用.機(jī)器人的編程研究經(jīng)歷了示教再現(xiàn)編程、離線(xiàn)編程和自主編程三個(gè)階段，由于技術(shù)的不成熟性和應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，現(xiàn)在的工業(yè)機(jī)器人編程主要使用的還是示教再現(xiàn)編程[1].MOTOMAN工業(yè)機(jī)器人的編程主要分為兩種：在線(xiàn)示教與離線(xiàn)示教.結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，本研究主要探討MOTOMAN工業(yè)機(jī)器人的在線(xiàn)示教編程方法.

1 MOTOMAN工業(yè)機(jī)器人的語(yǔ)言與指令功能

機(jī)器人語(yǔ)言按照作業(yè)描述水平的高低可以分為三類(lèi)：動(dòng)作級(jí)、對(duì)象級(jí)和任務(wù)級(jí).動(dòng)作級(jí)語(yǔ)言一般是以機(jī)器人的動(dòng)作行為為描述中心，由一系列命令組成，一般一個(gè)命令對(duì)應(yīng)一個(gè)動(dòng)作，語(yǔ)言簡(jiǎn)單，容易編程，但是不能進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算；對(duì)象級(jí)語(yǔ)言是以描述操作物之間的關(guān)系為中心的操作語(yǔ)言；任務(wù)級(jí)語(yǔ)言是比較高級(jí)的機(jī)器人語(yǔ)言,只要按某種原則給出最初的環(huán)境模型和最終的工作狀態(tài),機(jī)器人可自動(dòng)進(jìn)行推理計(jì)算,最后生成機(jī)器人的動(dòng)作[2].

MOTOMAN-HP6型機(jī)器人所使用的編程語(yǔ)言是INFORMⅢ,為動(dòng)作級(jí)的語(yǔ)言，以點(diǎn)為單位記錄機(jī)器人的動(dòng)作，在程序點(diǎn)可以加入所需的控制命令.機(jī)器人指令可以分為運(yùn)動(dòng)控制功能、環(huán)境定義功能、運(yùn)算功能、程序控制功能和輸入、輸出功能等等.運(yùn)動(dòng)控制功能是其中最重要的功能之一,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的控制方式有兩種：CP(連續(xù)軌跡控制)控制方式和PTP(點(diǎn)位控制)控制方式.由于以動(dòng)作順序?yàn)橹行?使用這兩種控制方式進(jìn)行示教無(wú)需進(jìn)行作業(yè)環(huán)境內(nèi)容的位置姿態(tài)的計(jì)算[2].

MOTOMAN-HP6型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制功能包括：軌跡插補(bǔ)方式的設(shè)定(關(guān)節(jié)插補(bǔ)、直線(xiàn)插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)和自由曲線(xiàn)插補(bǔ))；運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定(單位為mm/s或cm/min)；動(dòng)作定時(shí)(TIMER命令)；定位精度設(shè)定(最高可達(dá)±0.08mm)；工具的控制(如焊槍的工作與停止或手爪的開(kāi)合控制等).在編程時(shí)，要根據(jù)不同的作業(yè)和具體的環(huán)境選用合適的功能進(jìn)行機(jī)器人設(shè)定.

2 MOTOMAN工業(yè)機(jī)器人的示教編程

MOTOMAN工業(yè)機(jī)器人的示教方法主要分為兩種：在線(xiàn)示教與離線(xiàn)示教.

在線(xiàn)示教(直接示教)，是指由技術(shù)人員引導(dǎo)，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，記錄機(jī)器人作業(yè)的程序點(diǎn)并插入所需的機(jī)器人命令來(lái)完成程序的編制.這種示教方法的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單直觀，技術(shù)人員可以在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行編程，基本上不需要進(jìn)行過(guò)多的更改，而且錯(cuò)誤率低，但是在小批量的生產(chǎn)中，這種編程效率較低，很難滿(mǎn)足頻繁改變?nèi)蝿?wù)的工作環(huán)境.

所謂的離線(xiàn)示教就是指脫離機(jī)器人和實(shí)際的工作環(huán)境，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行離線(xiàn)的編程.技術(shù)人員不對(duì)機(jī)器人實(shí)體進(jìn)行控制，而是在離線(xiàn)編程系統(tǒng)中進(jìn)行編程或在模擬環(huán)境中進(jìn)行仿真，生成示教數(shù)據(jù).這種示教方法常常用于工作人員對(duì)機(jī)器人的工作環(huán)境比較熟悉和機(jī)器人管線(xiàn)內(nèi)藏的條件下，要求所建立的3D模型要真實(shí)的反映機(jī)器人的實(shí)際工作狀態(tài)[3].這種示教方法的特點(diǎn)是方便工作人員進(jìn)行脫離實(shí)際的機(jī)器人示教，但是對(duì)技術(shù)人員的技術(shù)水平要求較高，其實(shí)現(xiàn)也較在線(xiàn)示教復(fù)雜.

現(xiàn)在也有人開(kāi)始了基于PC機(jī)的機(jī)器人三維可視化離線(xiàn)編程和虛擬示教系統(tǒng)的研究，這種系統(tǒng)能夠在虛擬條件下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的仿真在線(xiàn)示教，操作也相對(duì)傳統(tǒng)的離線(xiàn)示教簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)這種示教系統(tǒng)仿真后，再將作業(yè)文件下載到機(jī)器人的控制器完成示教[4,5].

3 MOTOMAN工業(yè)機(jī)器人在線(xiàn)示教編程研究

下面以MOTOMAN-HP6型工業(yè)機(jī)器人為例，來(lái)討論MOTOMAN機(jī)器人的在線(xiàn)示教編程方法.

3.1 MOTOMAN-HP6型機(jī)器人的系統(tǒng)組成

MOTOMAN-HP6型六自由度機(jī)器人是最為典型的工業(yè)機(jī)器人之一.它由機(jī)器人本體、機(jī)器人控制柜NX100、NX100示教編程器以及連接電纜組成.其組成如圖1所示.

圖1 MOTOMAN-HP6型工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

(1)機(jī)器人本體.如圖2所示，MOTOMAN-HP6型機(jī)器人本體部分包括S、L、U、R、B、T六個(gè)自由度(動(dòng)作軸)，每個(gè)自由度由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng).MOTOMAN-HP6型機(jī)器人的部分基本規(guī)格如表1所示.

圖2 MOTOMAN-HP6機(jī)器人本體

機(jī)構(gòu)形態(tài)垂直多關(guān)節(jié)型自由度6可搬質(zhì)量6kg重復(fù)定位精度±0.08mm動(dòng)作范圍S軸(回轉(zhuǎn))±170°L軸(下臂)+155°,-90°U軸(上臂)+250°,-175°R軸(手腕回轉(zhuǎn))±180°B軸(手腕擺動(dòng))+225°,-45°T軸(手腕回轉(zhuǎn))±360°

(2)NX100控制柜.NX100控制柜的結(jié)構(gòu)為獨(dú)立式、封閉型；系統(tǒng)采用間接冷卻，電源使用三相交流電：200VAC(+10%至-15%)，50/60Hz(±2%)或220VAC(+10%至-15%)，60Hz(±2%)；數(shù)字輸入/輸出(I/O)包括專(zhuān)用信號(hào)(19個(gè)輸入和3個(gè)輸出)和通用信號(hào)(40個(gè)輸入和40個(gè)輸出)；自動(dòng)位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用串行通訊方式(絕對(duì)值編碼器)，加速度/負(fù)加速度控制采用軟件伺服控制.

(3)示教編程器NX100.示教編程器也就是機(jī)器人的示教盒，上面設(shè)有用于對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教和編程所需的操作鍵和按鈕.此外，在編程器上還帶有CF卡插槽.

3.2 示教流程與示教任務(wù)分析

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的示教采用PTP方式，只須示教各段運(yùn)動(dòng)軌跡的端點(diǎn)，而端點(diǎn)之間的連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡控制(CP)由規(guī)劃部分插補(bǔ)運(yùn)算產(chǎn)生.示教前，接通機(jī)器人主電源，等待系統(tǒng)完成初始化.完成初始化之后，打開(kāi)機(jī)器人的急停鍵，選擇好示教模式并設(shè)置好合適的坐標(biāo)系與手動(dòng)操作速度，做好這一系列準(zhǔn)備工作后，建立一個(gè)新程序，錄入程序點(diǎn)與插入機(jī)器人指令進(jìn)行示教.示教編程流程圖如圖3所示.

圖3 示教編程流程圖

示教一個(gè)如圖4所示的碼/拆垛程序，將A處的垛拆除，在B處碼一個(gè)新垛.首先，要為機(jī)器人加裝合適的末端操作器——手爪(本實(shí)驗(yàn)室配置的為SMC公司生產(chǎn)的MHLZ-16DZ型薄型氣爪)，配置相應(yīng)的外圍設(shè)備(如氣動(dòng)手爪需要?dú)庠?使機(jī)器人能夠抓取工件.硬件設(shè)備準(zhǔn)備完畢后，就可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程.編程采用直接示教方式進(jìn)行，如果按照作業(yè)要求，一個(gè)程序點(diǎn)一個(gè)程序點(diǎn)的示教，編程的效率較低，且工作量很大，為了提高效率和減少技術(shù)人員的勞動(dòng)量，在碼/拆垛過(guò)程中主要是通過(guò)使用平行移動(dòng)命令來(lái)完成任務(wù).平行移動(dòng)指的是對(duì)象物體從指定位置進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，對(duì)象物體各點(diǎn)均保持等距離移動(dòng)，這樣在機(jī)器人實(shí)際作業(yè)時(shí)可以通過(guò)示教軌跡(或位置)的平行移動(dòng)來(lái)減少工作量.

圖4 碼/拆垛示意圖

3.3 具體示教程序與說(shuō)明

在具體編程過(guò)程中技術(shù)人員使用示教編程器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教，確定好示教點(diǎn)、插補(bǔ)方式和移動(dòng)速度，根據(jù)需要設(shè)置延時(shí)等待、輸入、輸出等命令.使用平行移動(dòng)功能時(shí)，首先要測(cè)定示教點(diǎn)與要移動(dòng)位置的差(各坐標(biāo)中XYZ的變動(dòng)位置)，并預(yù)先輸入到位置型變量中.再現(xiàn)運(yùn)行時(shí)，執(zhí)行了平行移動(dòng)命令后，則只把示教位置按所指定的位置變量中輸入的移動(dòng)量進(jìn)行移動(dòng).根據(jù)碼/拆垛所抓取工件的數(shù)量，可以建立一個(gè)作計(jì)數(shù)器使用的字節(jié)型變量，設(shè)置好數(shù)值，作為程序中跳轉(zhuǎn)的條件.在這些都設(shè)置好之后，就可以對(duì)程序進(jìn)行檢驗(yàn)了，看編制的程序是否符合實(shí)際要求.具體示教程序如下：

NOP ；程序開(kāi)始

SET B001 0 ；將字節(jié)型變量B001置0(作計(jì)數(shù)器使用)

SUB P003 P003 ；將位置型變量P003清零

SUB P005 P005 ；將位置型變量P005清零

MOVJ C00000 VJ=25.00 ；程序點(diǎn)1，移動(dòng)機(jī)器人手爪至待機(jī)位置

*A ；設(shè)置標(biāo)號(hào)，表示跳轉(zhuǎn)目的地

MOVJ C00001 VJ=25.00 ；程序點(diǎn)2，移動(dòng)機(jī)器人手爪至抓取位置正上方

SFTON P005 RF ；開(kāi)始平移動(dòng)作

MOVL C00002 V=500.0 ；程序點(diǎn)3，移動(dòng)機(jī)器人手爪至抓取位置

DOUT OG#(3) 1 ；抓取工件

WAIT IN#(21)=ON ；待機(jī)，至外部輸入信號(hào)為ON

TIMER T=2.00 ；在指定時(shí)間內(nèi)停止動(dòng)作

SFTOF ；停止平移動(dòng)作

SUB P005 P004 ；減去下次動(dòng)作的移動(dòng)量

MOVL C00003 V=500.0 ；程序點(diǎn)4，移動(dòng)機(jī)器人手爪至抓取位置正上方，與程序點(diǎn)2重合

MOVL C00004 V=500.0 ；程序點(diǎn)5，移動(dòng)機(jī)器人手爪至釋放位置正上方

SFTON P003 RF ；開(kāi)始平移動(dòng)作

MOVL C00005 V=500.0 ；程序點(diǎn)6，移動(dòng)機(jī)器人手爪至釋放位置

DOUT OG#(3) 2 ；釋放工件

WAIT IN#(20)=ON ；待機(jī)，至外部輸入信號(hào)為ON

TIMER T=2.00 ；在指定時(shí)間內(nèi)停止動(dòng)作

SFTOF ；停止平移動(dòng)作

ADD P003 P004 ；增加下次動(dòng)作的移動(dòng)量

MOVL C00006 V=500.0 ；程序點(diǎn)7，移動(dòng)機(jī)器人手爪至釋放位置正上方，與程序點(diǎn)5重合

INC B001 ；B001加1

JUMP *A IF B001<4 ；跳轉(zhuǎn)到指定標(biāo)號(hào)

MOVL C00007 V=500.0 ；程序點(diǎn)8，移動(dòng)機(jī)器人手爪至待機(jī)位置，與程序點(diǎn)1重合

END ；程序結(jié)束

在示教完成后，要進(jìn)行示教軌跡的確認(rèn).軌跡的確認(rèn)有3種方式：①單步動(dòng)作確認(rèn)，將光標(biāo)移動(dòng)到第一個(gè)程序點(diǎn)，接通伺服電源，按下編程器上的[前進(jìn)]鍵，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到光標(biāo)所在的程序點(diǎn)，每按一次[前進(jìn)]鍵，機(jī)器人向下移動(dòng)一個(gè)程序點(diǎn).執(zhí)行程序中的非移動(dòng)命令時(shí)，按[連鎖]+[前進(jìn)]鍵，如果不執(zhí)行非移動(dòng)命令，移動(dòng)光標(biāo)到下一個(gè)程序點(diǎn)再繼續(xù)進(jìn)行單步確認(rèn)；②連續(xù)動(dòng)作確認(rèn)，接通伺服電源，同時(shí)按下[聯(lián)鎖]鍵和[試運(yùn)行]鍵，機(jī)器人連續(xù)運(yùn)行，再現(xiàn)所有程序點(diǎn)，一個(gè)循環(huán)之后停止動(dòng)作；③再現(xiàn)確認(rèn)，切換至再現(xiàn)模式，接通伺服電源，然后按下啟動(dòng)按鈕再現(xiàn)示教過(guò)程.

經(jīng)過(guò)確認(rèn)，示教程序能夠按照預(yù)期完成所要求的碼/拆垛的作業(yè).

4 示教中需要注意的問(wèn)題與經(jīng)驗(yàn)

(1)在示教過(guò)程中應(yīng)注意以下問(wèn)題：①示教前要確認(rèn)機(jī)器人動(dòng)作范圍內(nèi)沒(méi)有人和障礙物；②在使用氣爪前，要確認(rèn)氣源供氣正常，否則將導(dǎo)致工具無(wú)法正常工作；③動(dòng)作移動(dòng)量的設(shè)定要謹(jǐn)慎，一定要測(cè)量好之后再設(shè)定；④要選擇便于操作的坐標(biāo)系和設(shè)定合適的再現(xiàn)速度.

(2)編程經(jīng)驗(yàn)與一些情況的處理方法.在這個(gè)碼/拆垛的示教程序中，由于工件是水平放置在地面或底座上，在抓取或釋放工件時(shí)，應(yīng)保證手爪保持水平姿勢(shì)的上下垂直運(yùn)動(dòng)，這樣設(shè)置在直角坐標(biāo)系下操作就很方便，在確定如程序點(diǎn)2這樣的處于工件正上方的位置時(shí)，通過(guò)目測(cè)很難保證精度，可以先操作手爪以水平姿勢(shì)垂直向下“套住”工件后，沿Z軸正方向向上平移，選擇合適的程序點(diǎn)2位置.在編程中可能會(huì)遇到一些突發(fā)情況，如沒(méi)有先打開(kāi)氣源或氣源供氣異常，在執(zhí)行程序時(shí)，手爪抓取工件后不能釋放，這時(shí)需要停止機(jī)器人動(dòng)作，打開(kāi)氣源，使用通用輸入輸出命令手動(dòng)松開(kāi)工件.在設(shè)定動(dòng)作移動(dòng)量時(shí)，要測(cè)量好工具和工件的尺寸，盡量使抓取時(shí)，手爪處于工件的中部(也可以根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整)，在抓取或釋放工件時(shí)，要特別注意最下面的一個(gè)或一些工件，保證在程序執(zhí)行中不會(huì)導(dǎo)致抓取位置過(guò)低使機(jī)器人與放置工件的底座或地面發(fā)生碰撞，如果因?yàn)楣ぜ叽绲脑?，避免不了碰撞，可以考慮更換合適的工具.

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