創(chuàng)新應(yīng)用型數(shù)字交互規(guī)劃教材︱機(jī)械工程是圍繞全國(guó)教育人才發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(20102020年)中國(guó)制造2025制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南等綱領(lǐng)性文件,在上海市機(jī)械專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)和上海市機(jī)械工程學(xué)會(huì)先進(jìn)制造技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)的牽頭、指導(dǎo)下,由上?茖W(xué)技術(shù)出版社組織國(guó)內(nèi)高等院校及國(guó)內(nèi)外大型名企共同編寫(xiě)而成的一套將數(shù)字資源與紙質(zhì)書(shū)交互融合的本科教材。該套教材的出版,立足于滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)急需的智能制造業(yè)創(chuàng)新型、復(fù)合型人才的需求,有望在一定程度上推動(dòng)高等教育多樣化發(fā)展、優(yōu)化專(zhuān)業(yè)和課程結(jié)構(gòu)、提高專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的匹配程度、提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。教材特色如下:
1.創(chuàng)新課程設(shè)置,優(yōu)化實(shí)踐環(huán)節(jié)。充分考慮國(guó)家對(duì)智能制造人才培養(yǎng)的政策和制度層面的要求,改進(jìn)傳統(tǒng)教科書(shū)內(nèi)容陳舊、滯后于時(shí)代和行業(yè)發(fā)展的狀況,植入企業(yè)的相關(guān)內(nèi)容和案例,確保教材在內(nèi)容上技術(shù)先進(jìn)、工藝領(lǐng)先、案例新穎;并在每章開(kāi)始增設(shè)與國(guó)際工程教育認(rèn)證接軌的學(xué)習(xí)成果達(dá)成要求,進(jìn)一步拓寬學(xué)生在專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)領(lǐng)域的國(guó)際化視野。
2.創(chuàng)新編寫(xiě)模式,實(shí)現(xiàn)"產(chǎn)教研用"融合。由教指委、行業(yè)協(xié)會(huì)、名企、高校共同參與編寫(xiě),充分發(fā)揮學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)和行業(yè)組織在教材建設(shè)中的作用,以企業(yè)需求為導(dǎo)向,內(nèi)容技術(shù)互補(bǔ)、資源共享,突出專(zhuān)業(yè)和應(yīng)用實(shí)踐特色。
3.創(chuàng)新內(nèi)容形式,優(yōu)化教學(xué)方式。突破傳統(tǒng)教材模式,依托增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù),將智能制造仿真場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)操作視頻、材料顯微組織放大圖片、智能機(jī)器人技術(shù)演示、國(guó)內(nèi)外名企案例展示等多種數(shù)字資源與紙質(zhì)產(chǎn)品交互,以直觀、形象、標(biāo)準(zhǔn)、泛在(便。┑姆绞教峁┙o學(xué)生,幫助學(xué)生提升學(xué)習(xí)興趣,改進(jìn)學(xué)習(xí)效果,促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的變革。
4.出版新媒體服務(wù)到位。數(shù)字交互資源可后臺(tái)實(shí)時(shí)更新;教材免費(fèi)提供電子課件,在我社官網(wǎng)瀏覽下載。
工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用,就是要解決工業(yè)機(jī)器人與外圍設(shè)備以及生產(chǎn)系統(tǒng)相集成的問(wèn)題。為了幫助讀者了解和初步掌握這一過(guò)程,本書(shū)包括工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)和工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用兩部分內(nèi)容。
第1章主要介紹工業(yè)機(jī)器人的組成、技術(shù)指標(biāo)以及應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人解決工程實(shí)際問(wèn)題所面臨的基本任務(wù)。第2~5章屬于機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)部分,其相關(guān)內(nèi)容是研究機(jī)器人技術(shù)和應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人解決工程問(wèn)題的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)這些內(nèi)容要求具備高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等課程的基礎(chǔ)知識(shí)。
如何控制機(jī)器人末端執(zhí)行器精確地完成裝配、焊接、碼垛、噴涂等作業(yè)?這可以通過(guò)機(jī)器人示教或者編程來(lái)精確控制工具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人基坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人的連桿一般做空間運(yùn)動(dòng),為了研究空間物體運(yùn)動(dòng),引入了位姿矩陣,再引入能確定物體從一個(gè)位置和姿態(tài)到達(dá)另外一個(gè)位置和姿態(tài)的剛體運(yùn)動(dòng)(變換)矩陣,這是第2章首先要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。由于空間物體的運(yùn)動(dòng)可以在不同的坐標(biāo)系中描述,需要引入坐標(biāo)系變換,這實(shí)際上是線性代數(shù)中的基變換,其本質(zhì)是矩陣運(yùn)算,這些內(nèi)容也將在第2章學(xué)習(xí)。該章還闡述了剛體變換矩陣左乘和右乘對(duì)應(yīng)的剛體變換,從而為學(xué)習(xí)第3章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程奠定基礎(chǔ)。
機(jī)器人是由一個(gè)個(gè)構(gòu)件(連桿)通過(guò)關(guān)節(jié)連接起來(lái)而形成的一個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈。在機(jī)器人的每個(gè)連桿上建立所謂的D-H坐標(biāo)系,利用D-H矩陣描述相鄰連桿之間的位置和姿態(tài)關(guān)系,之后把所有的D-H矩陣組合起來(lái)(位姿矩陣右乘),就得到機(jī)器人末端連桿相對(duì)于機(jī)器人基座的位置和姿態(tài),這就是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。這是本書(shū)第3章將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容,其本質(zhì)是第2章內(nèi)容剛體變換矩陣右乘的延伸和具體應(yīng)用。利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,可以研究機(jī)器人的正向和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。該章還將學(xué)習(xí)如何建立機(jī)器人末端執(zhí)行器坐標(biāo)系、機(jī)器人基坐標(biāo)系、工作臺(tái)坐標(biāo)系(世界坐標(biāo)系)和工件坐標(biāo)系之間的準(zhǔn)確關(guān)系。
第4章將學(xué)習(xí)機(jī)器人的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題,即在給定機(jī)器人末端執(zhí)行器位姿的前提下,如何確定機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。
機(jī)器人工作時(shí),末端執(zhí)行器線速度和角速度與每個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系就是機(jī)器人速度雅可比矩陣。另外,機(jī)器人末端的輸出力與機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)輸出力的關(guān)系就是力雅可比矩陣。這些內(nèi)容將在第5章學(xué)習(xí)。當(dāng)然,學(xué)習(xí)這些內(nèi)容需要掌握高等數(shù)學(xué)中的導(dǎo)數(shù)、向量叉積、反對(duì)稱(chēng)矩陣以及矩陣導(dǎo)數(shù)的概念;同時(shí),也需要掌握理論力學(xué)中的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)和牽連運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。
工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用部分包括第6~10章。為了使工業(yè)機(jī)器人能夠完成作業(yè)任務(wù),需要對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃,包括路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃,這是第6章需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。如何讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)既定的軌跡,這可以通過(guò)編程來(lái)完成,因此需要學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人的編程語(yǔ)言,這是第7章的學(xué)習(xí)內(nèi)容,該章還介紹了市場(chǎng)上主流工業(yè)機(jī)器人的編程語(yǔ)言。
機(jī)器人要投入應(yīng)用必須有末端執(zhí)行器,即手爪,因此第8章將首先學(xué)習(xí)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)方法;此外,末端執(zhí)行器的工作對(duì)象需要定位,為此需要設(shè)計(jì)工裝和夾具,這也是第8章將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。工業(yè)機(jī)器人要在現(xiàn)場(chǎng)得以應(yīng)用,必須與相關(guān)的外圍設(shè)備相集成,形成機(jī)器人工作站。如何配置機(jī)器人工作站,通過(guò)什么樣的技術(shù)手段能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)集成,這是第9章工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。機(jī)器人的典型應(yīng)用案例將在第10章給出,作為本書(shū)相關(guān)內(nèi)容的具體應(yīng)用。
本書(shū)依托增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù),將視頻等數(shù)字資源與紙質(zhì)教材交互,為讀者和用戶帶來(lái)更豐富有效的閱讀體驗(yàn),具體使用方法參見(jiàn)目錄前本書(shū)配套數(shù)字交互資源使用說(shuō)明。另外,教材按其主要內(nèi)容編制了各章課件,并為每章內(nèi)容附學(xué)習(xí)延伸及文獻(xiàn)導(dǎo)讀,強(qiáng)化內(nèi)容理解及拓展文獻(xiàn)鏈接,以及為第6章式(6-41)(p131)提供相關(guān)計(jì)算結(jié)果,均在上?茖W(xué)技術(shù)出版社網(wǎng)站(www.sstp.cn)課件/配套資源欄目公布,歡迎讀者瀏覽、下載。
本書(shū)具體編寫(xiě)分工如下: 第1~7章、第9章由上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)荊學(xué)東編寫(xiě);第8章由荊學(xué)東和上海師范大學(xué)王樂(lè)慧共同編寫(xiě);第10章由庫(kù)卡機(jī)器人(上海)有限公司于進(jìn)杰、顧俊和林楊勝藍(lán)共同編寫(xiě)。感謝庫(kù)卡機(jī)器人(上海)有限公司為本書(shū)提供了機(jī)器人技術(shù)參數(shù)、工程案例和部分圖片;感謝ABB(中國(guó))有限公司上海分公司為本書(shū)提供機(jī)器人技術(shù)參數(shù)和部分圖片。
本書(shū)可以作為高等院校機(jī)器人技術(shù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生和研究生的教材,也可為學(xué)習(xí)和掌握工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用的工程技術(shù)人員提供參考。
編者
荊學(xué)東,工學(xué)博士,現(xiàn)為上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)和陜西科技大學(xué)研究生導(dǎo)師,主要從事智能檢測(cè)技術(shù)及機(jī)器人技術(shù)的研究,科技部國(guó)際合作項(xiàng)目評(píng)審專(zhuān)家。2010年赴日本研修節(jié)能技術(shù);1997.10-1998.9赴日本國(guó)立高知大學(xué)留學(xué),研究TIG焊接及機(jī)器人控制技術(shù)。具有較豐富的相關(guān)科研經(jīng)驗(yàn)
第1章 緒論
1.1 工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介
1.2 工業(yè)機(jī)器人的組成、分類(lèi)及關(guān)鍵技術(shù)
1.3 工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)指標(biāo)
1.4 機(jī)器人編程語(yǔ)言
1.5 研究和應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)須具備的基礎(chǔ)知識(shí)
1.6 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用
1.7 應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人解決工程問(wèn)題面臨的基本任務(wù)
第2章 剛體運(yùn)動(dòng)描述、坐標(biāo)變換及坐標(biāo)系變換
2.1 質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)描述
2.2 剛體運(yùn)動(dòng)描述
第3章 工業(yè)機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)及與作業(yè)相關(guān)的坐標(biāo)系的建立
3.1 機(jī)器人常用運(yùn)動(dòng)副及機(jī)器人機(jī)構(gòu)
3.2 機(jī)器人連桿及相對(duì)運(yùn)動(dòng)描述D-H矩陣
3.3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程
3.4 與機(jī)器人作業(yè)相關(guān)的坐標(biāo)系建立及坐標(biāo)系標(biāo)定
第4章 工業(yè)機(jī)器人逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)及坐標(biāo)系標(biāo)定
4.1 工業(yè)機(jī)器人逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)
4.2 機(jī)器人逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解實(shí)例
4.3 機(jī)器人坐標(biāo)系的標(biāo)定
第5章 工業(yè)機(jī)器人的速度、靜力分析和動(dòng)力學(xué)
5.1 位置向量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)質(zhì)點(diǎn)速度
5.2 向量叉積的計(jì)算方法以及自由向量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)
5.3 剛體運(yùn)動(dòng)的線速度和角速度
5.4 機(jī)器人速度雅可比矩陣和連桿之間的速度傳遞
5.5 連桿上的靜力及其傳遞
5.6 機(jī)器人力雅可比矩陣及其作用
5.7 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)
●工業(yè)機(jī)器人技術(shù)
第6章 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃
6.1 工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃概述
6.2 插補(bǔ)方式與軌跡控制
6.3 機(jī)器人軌跡插值計(jì)算
6.4 軌跡規(guī)劃的實(shí)施過(guò)程
6.5 基于動(dòng)力學(xué)的機(jī)器人軌跡規(guī)劃
第7章 機(jī)器人編程語(yǔ)言
7.1 機(jī)器人編程語(yǔ)言的基本功能
7.2 工業(yè)機(jī)器人編程語(yǔ)言的分類(lèi)
7.3 主流工業(yè)機(jī)器人編程語(yǔ)言及其分類(lèi)
7.4 通用離線編程語(yǔ)言
第8章 工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器以及工裝和夾具設(shè)計(jì)
8.1 機(jī)器人末端執(zhí)行器的類(lèi)型
8.2 機(jī)器人夾持式和吸附式末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)方法
8.3 專(zhuān)用末端執(zhí)行器的選配
8.4 機(jī)器人作業(yè)工裝設(shè)計(jì)
8.5 機(jī)器人作業(yè)夾具設(shè)計(jì)
8.6 機(jī)器人焊接工裝和夾具設(shè)計(jì)
8.7 機(jī)器人噴涂工裝和夾具設(shè)計(jì)
8.8 機(jī)器人搬運(yùn)工裝和夾具設(shè)計(jì)
8.9 機(jī)器人裝配工裝和夾具設(shè)計(jì)
8.10 機(jī)器人激光加工工裝和夾具設(shè)計(jì)
8.11 機(jī)器人光整加工工裝和夾具設(shè)計(jì)
8.12 機(jī)器人測(cè)量和檢測(cè)工裝與夾具設(shè)計(jì)
第9章 工業(yè)機(jī)器人與外圍設(shè)備及生產(chǎn)系統(tǒng)的集成
9.1 工業(yè)機(jī)器人與外圍設(shè)備及生產(chǎn)系統(tǒng)相集成的基本問(wèn)題
9.2 工業(yè)機(jī)器人與外圍設(shè)備相集成的技術(shù)途徑
9.3 機(jī)器人與外圍設(shè)備相集成的工作流程
第10章 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用實(shí)例
10.1 作業(yè)要求
10.2 副車(chē)架生產(chǎn)工藝流程
10.3 機(jī)器人工作站總體布置方案
10.4 產(chǎn)能和設(shè)備開(kāi)動(dòng)率以及機(jī)器人工作站生產(chǎn)節(jié)拍
10.5 弧焊機(jī)器人選型及外圍設(shè)備配置
10.6 作業(yè)工序
10.7 用戶界面及應(yīng)用程序
后記