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机器人控制系统

机器人控制系统

 详情说明

关节机械手基本观念介绍
1. 空间坐标(位置与姿态)介绍
机械手的坐标一般是指末端点的位置与姿态,可参考下图,是一个六关节机械手,外加工具后的示意图

要表示空间坐标的信息,除了位置之外还有姿态,空间中的位置,就如一般理解并常用的(X, Y, Z),但是姿态信息(A, B, C)就不是这么容易理解了。
在关节式机械手中(A, B, C)可以想成是机械手朝下时,第4, 5, 6关节转动造成的姿态变化,此时机械手尖端所朝的方向是卡式坐标系的X,Y,Z三个坐标轴。

实际运行时,第1, 2, 3关节的坐标不会是0,机械手尖端方向是由六个关节所复合影响的,但我们只在意其最终形成的尖端方向。
2. 几个ABC数值与实际机构姿态对照


3. 各种坐标及其关联性
机械手的型式众多,为了方便使用,需将马达转动的位置,经过机构型式与尺寸的专用算法,转换为工具末端点的世界坐标表示法。这之中包含了几项专用名词,说明如下
马达坐标:马达的实际坐标值,与机构间的同动无关。
关节坐标:马达坐标经过机构耦合关系转换后的坐标值。(外观上可视的机构状态)
世界坐标:以机械手底座中心为原点,工具末端点的的位置与姿态。
正向运动学:由马达坐标转换到世界坐标的运算法则。
反向运动学:由世界坐标转换到马达坐标的运算法则。


自由度:空间坐标的表示法,包含XYZABC六个元素。当机械手轴数不足或设计方式差异时,可能会缺少某几个元素。举两种型式的机械手为例,其自由度如下:


为了限制机械手的移动范围,需透过极限设定来达成,关节式机械手的极限分为三类:



4. 各项坐标系介绍
除了上述的马达坐标、关节坐标、世界坐标外,为了方便校正点位、程序泛用性,程序移值的因素,通常会使用到与机构型式无关的坐标系,来进行表达工具末端点的位置与姿态,在此做一些说明
5. 世界坐标系
以机构定义的原点与方向为基准,以直角的XYZ三个方向轴为标准,所建立起来的坐标表示法。对每一种机构型式而言,工具末端点的世界坐标,就是相对于机构定义的原点与方向。



6. 工作坐标系
将机械手用于涂胶、抛光…等用途时,所有的动作是根据工件摆放的位置来决定,当产线需多台机械手执行相同的工作,应该让每台机械手使用相同的加工程序,但是因为机台与工件间的相对位置很难在安装时获得一致,因此需定义出坐标系,用来描述工件摆放的位置与旋转角度。
当您在编辑程序时,最好是依据某一工作坐标系,以便在后续动作的基准位置修改时,可以简单的透过改变工作坐标系的定义,就完成程序的移转,而不需重新修改相关的动作点位。
如下图,两组工件是一样的,只是所放置的位置与角度不同,因此在编辑程序时, 可以针对正常放置的工件,以工作坐标系的方式编辑路径,当要对另一组工件加工时,只要将工作坐标系切换到该组工件的基准位置即可。


7. 工具坐标系
程序运行过程中,有时需依机械手尖端的方向进行移动,例如车床的取换料动作,需根据当下手臂末端的方向,直直伸入将工件取出及放入。因为机械手尖端一定会再安装一个工具,故取名为工具坐标系。程序中当需要使用以当下姿态为参考进行动作时,即可设为使用工具坐标系。



8. 运动行为与运动路径说明
运动行为与运动大致可分类如下:



当使用路径移动时,路径可透过设定空间中的点坐标及其点位属性来表示出来,下图是一个点位属性与形成路径的示意图:


移动过程中,除了工具末端点为计算依据外,系统也会依据各设定点位的姿态,做一个合理的转换。

9. 记录坐标说明
在每一个程序中,都可以直接将运动路径上的点直接填入,且行数不设限,若使用教导程序编辑,也可达到2000行。有时为了让同一个程序可以在不同的机械手上运作,必需将关键的位置点记录在程序档案之外,再由各机械手进行校准这些关键位置点,来适应机械手安装时的差异。此时记录的
内容是根据空间中的位置点,是记录在「世界坐标记录」中。另外针对某些特别用途,像是要运送机械到其他场所时,希望让机械手固定在某一角度姿势,也可将这个姿势记录起来,以便要搬移前可以很快的调整到该姿势。此时记录的内容是根据各关节的角度,是记录在「关节坐标记录」中。

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