GB T 16720.3-1996 工业自动化系统 制造报文规范 第3部分;机器人伴同标准.pdf
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1、中华人民共和国国家标准工业自动化系统制造报文规范第部分机器人伴同标准发布实施国家技术监督局发布前言本标准是根据国际标准化组织和国际电工委员会工业自动化系统制造报文规范第部分机器人伴同标准而制定的在技术内容上与该国际标准等效在编写格式上符合我国标准标准化工作导则第一单元第一部分标准编写的基本规定目次按章列出第章范围按的要求重新进行了内容和条款的组织并删除了国际标准中那些说明在本标准中不规定和不标识的内容的句子第章引用标准按的规定进行编写先列出国家标准后列出国际标准并按顺序编排第章原文定义的术语共条本标准删去了与中相重复的条第条中原文有的提法因与机器人术语及功能测试时的提法不同故改为工具中心点第条
2、图中坐标轴方向与不一致本标准作了相应的修改目前虽已提出了两个修改件草案因未正式发布故本标准其余章条的内容此版不作更改和补充在附录的最后国际标准为索引在本标准中改为中英对照并删去一些重复的词通过对该国际标准的等效采用促使我们全面理解标准的内容更好地贯彻和实施本标准从而促使我国机器人和机器人系统的开发和应用使之在生产中产生更大的经济效益根据的规定保留了该国际标准的前言和引言本标准是工业自动化系统制造报文规范的第部分前两部分已转化成我国标准其余部分正在转化中其名称如下第部分服务定义第部分协议规范第部分机器人伴同标准第部分数控伴同标准第部分可编程控制器伴同标准第部分过程控制伴同标准本标准从年月日起实施
3、本标准的附录都是提示的附录本标准由全国工业自动化系统标委会提出本标准由机械部北京机械工业自动化所归口并起草本标准主要起草人胡景镠郝淑芬沈重重前言国际标准化组织和国际电工委员会共同组成世界范围标准化体系作为或成员的国家团体通过这两个组织所设置的从事各自领域内技术活动的技术委员会参与国际标准的制定工作和各技术委员会在共同感兴趣的领域内互相合作其他与和有联系的政府间的和民间的国际组织也参与了此工作在信息技术领域内和已建立了一个联合技术委员会由联合技术委员会正式通过的国际标准草案在国家团体中进行投票至少要有参加投票的国家团体的同意才能作为国际标准出版国际标准是由工业自动化系统和集成联合技术委员会制定的
4、在总标题工业自动化系统制造报文规范下由下列部分组成第部分服务定义第部分协议规范第部分机器人伴同标准附录和仅作为资料性附录引言本标准用于使用机器人和机器人系统的开放通信系统该机器人或机器人系统是依据模型与通信网络互连的本标准认可机器人对于一些装置可充当控制器客户这些装置包括与机器人相连接的视觉系统和夹持器等与这些装置通信的客户一致性本标准未进行定义应由该装置的伴同标准来定义与这些装置通信的一致性要求或由和来定义本标准定义了当机器人使用于具有多客户网络中的一致性要求并采用在中定义的方法来描述报文本标准给出了几种一致性类别的说明其中包括一个基本类别基本类别被作为机器人的最低限的一致性来考虑这些机器人
5、是作为网络的主计算机或客户装置的从设备或服务器而连入的基本类别形成了机器人在这些类型网络中的一致性的内核所有其他的一致性类别将被附加到基本类别上本标准亦给出了包括通用模型中未定义的协议元素的抽象语法表示法在内的机器人专用服务和协议本标准认可机器人对与其相连的诸如视觉系统和各种夹持器等的装置充当控制器并标识这种方式中进行通信的要求但并不标识机器人起客户作用时服务和协议的一致性要求这些一致性要求由预定与机器人通信的那些装置的伴同标准来标识要求与某些标准一起使用这些标准能实现所定义的信息处理系统中开放系统互连所需的系统性和统一性的规定因此被置于模型的应用层内它规定了扩展信息系统网络所要求的应用服务元
6、素和协议该网络是供自动化工厂环境的可编程控制装置使用的由所定义的服务是通用的供各个伴同标准引用但每个伴同标准面向一个更专用的应用类别本标准考虑到任何时刻机器人都要安全操作在中规定了机器人的安全要求在本标准中所描绘的全部机器人动作都是在安全标准中许可的本标准的实施只需要最低限的包括在第章中的执行程序该章引用了和的一致性要求为了正确地实施本标准机器人和机器人系统的实施者对应有全面的理解并应对本标准所确定的建模服务和协议有充分的理解机器人及机器人系统的用户应接受本文件中有关服务和建模的章条的指导本标准所采用的术语机器人即中所定义的操作型工业机器人当在本标准中使用术语机器人时通常是指操作机以及为了机器
7、人实施任务所需的控制系统和辅助设备装置传感器或通信链图表示了在本标准中描述的机器人系统的各个元素由于中的定义只描述了具有单臂的机器人系统而本标准亦考虑了可协调操作的多臂机器人因为此术语已经通用化术语机器人系统控制器应包括系统的多个机器人臂可能有多个的控制程序的单任务程序操作的各种服务指的是在中所定义的抽象服务协议指的是在中所定义的协议图机器人系统中华人民共和国国家标准工业自动化系统制造报文规范第部分机器人伴同标准国家技术监督局批准实施范围本标准规定了需要由伴同标准规定的协议元素的抽象语法记法表示的各种机器人专用服务和协议及机器人专用的标准化对象本标准描述了机器人的模型以及机器人的属性如何被映射
8、到虚拟制造装置的属性上本标准给出了包含一个基本类别和几个增强型类别的一致性类别的说明本标准给出了在本标准规定的抽象语法中作为服务器操作的机器人的协议和各种服务定义本标准适用于使用机器人和机器人系统的开放式通信系统而该机器人或机器人系统是依据模型与通信网络相连的引用标准下列标准所包含的条文通过在本标准中引用而构成为本标准的条文本标准出版时所示版本均为有效所有标准都会被修订使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性信息处理系统开放系统互连基本参考模型工业机器人术语和图形符号信息处理系统开放系统互连服务约定信息处理系统开放系统互连抽象语法记法规范工业自动化系统制造报文规范第部分服务定义工业自
9、动化系统制造报文规范第部分协议规范信息处理系统开放系统互连文件传送存取和管理信息处理系统开放系统互连关联控制服务元素的服务定义信息处理系统开放系统互连关联控制服务元素的协议规范工业机器人坐标系和运动操作型工业机器人安全定义本标准采用下列定义通用定义本标准采用第章及和中已定义的术语专用定义本地控制是一个布尔值它指出对于远程操作能或不能引起服务器状态的变化若本地控制是真则远程操作不能改变服务器的状态注此定义适用于伴同标准但与所定义的含义不同使能运动是一个布尔值若此值为真则表示对一个机器人臂控制程序的有效指令的存在将导致机器人臂的运动远程操作通过通信网络使用服务进行操作的数据采集或控制机器人臂当在本
10、标准中使用时指的是一个操作机和末端执行器及其动力源以及控制操作机的控制程序机器人系统控制器机器人的整个控制系统由单个任务程序及用于控制单或多个机器人臂和单或多个辅助装置的单或多套控制程序组成注本标准的术语机器人即工业机器人步一个任务程序执行的基本元素它可包含也可不包含机器人的运动注步的概念取决于机器人的编程语言缩略语在本标准的正文中使用了下述缩略语关联控制服务元素应用服务元素抽象语法表示法条件参数一致性构造块确认伴同标准国际标准草案文件传送存取和管理指示输入输出国际标准代理机械接口坐标系制造报文规范开放系统互连协议数据单元协议执行程序一致性语句请求应答选择技术报告用户任选参数虚拟制造装置机器人
11、应用描述制造配置一般考虑在本标准第章中所定义的一致性类别与其被使用时的配置无关在此条款中所描述的配置仅起指导作用是为了对作为本标准基础的基本原理的深入了解实际的配置能够同时展现几种配置的特性在远程通信环境中一个节点被认为是客户另一个节点被认为是服务器一个与机器人连接的主机被认为是机器人的客户主机通常给机器人以命令并监控机器人的功能机器人相对于主机被认为是服务器在机器人通过通信通道与智能周边设备诸如夹持器视觉系统等装置或其他机器人相连接的情况下此机器人相对于这些装置被视为客户本标准所描述的各个装置之间的连接为逻辑连接虽然操作盘和示教盒能够被用于直接操作机器人但在上述的意义中由于它们没有通过通信通
12、道与机器人连接因此不认为它们是客户然而可以认为它们是机器人服务器的一部分当客户与机器人进行通信时本标准没有对客户的配置规定任何硬性要求只要客户有能力把适当的请求发送到机器人和接收来自机器人的应答配置一机器人服务器单客户本配置是由一个客户即主计算机和一个机器人所组成见图客户控制机器人或与其进行通信联络客户或主机把请求发送到机器人或服务器对此机器人必须应答机器人可包含其本身的诸如视觉和夹持器控制等子系统这些子系统不通过来直接控制也不属于配置一的范围在配置一的简单执行程序中仅需要一个关联在较复杂的执行程序中可以有多个共存的关联例如为了增加通流量在主机和机器人之间使用了两个关联图机器人服务器单客户配置
13、二一个机器人服务器多个客户在配置二中机器人是服务器但有多个客户见图由于任何客户主机都能初始化一个关联因此要求机器人服务器部分能对多个共存的关联进行支持一个多客户配置要求有一个取得和放弃机器人控制权的机制没有这种能力就没有方法去防止两个以上的客户同时企图控制机器人图机器人服务器多个客户此种配置的一个例子是一个实施机器人控制的主机及一个作为更大系统一部分用以监控机器人的第二主机配置三机器人客户在配置三中机器人是一个或多个装置的客户见图该机器人同时也可能如配置一和配置二所示对一个或多个主机而言又是一个服务器机器人在客户身份中要求能起请求启动器的作用而不仅是一个应答器本标准仅定义作为客户的系统和各个作
14、为各服务器的机器人之间的交互作用并不定义与其他装置如视觉系统夹持器等的交互作用此类交互作用只能由基于这些装置的要求来定义此类配置的一例是一个作为客户的机器人对作为文件服务器的另一个系统图机器人客户配置四同层对同层在配置四中几台机器人被认为是同层的并且都能起客户和服务器两种作用见图在此配置中每个机器人含有客户和服务器两重身份图同层对同层机器人专用模型机器人物理模型总则本标准描述了一个机器人系统的抽象模型为了从通信通道的角度描述机器人的活动能力需要有该模型的各种属性实际的机器人系统可能有比在此描述的更多的特性但也不要求机器人系统具有在本标准中所描述的全部属性一个机器人系统是由一个或多个机器人臂以及
15、一个机器人系统控制器组成还有若干与机器人臂协调作用的辅助装置它们是从机器人臂中物理地和逻辑地分离出来的特别是各种安全联锁就是此类辅助装置之一种其中急停按钮可视为一个组件机器人臂机器人臂子系统机器人系统的中心要素是由操作机及其动力源机器人臂控制程序和末端执行器组成的机器人臂本标准的集中点是机器人臂的远程操作及与其一起的辅助装置的协调控制操作机是由一组机械连杆和关节组成每个连杆与其相关连的关节一起组成机器人的一个轴关节是由一个被机器人臂控制程序所控制的驱动器所驱动机器人臂的控制程序被认为是由两个主要部分组成一个是伺服机构一个是路径规划器在本标准中已建模的机器人臂所具有的特性同样地影响着伺服机构和路
16、径规划器子系统为了实施机器人的任务了解操作机的关节数目和每个关节的特性是必要的为了正确地操作机器人系统必须了解实际的校准状态已校准未校准或正在校准和电源状态臂电源开关在一个机器人臂中信息流程可描述如下见图任务程序生成操作机的编程的位姿然后编程的位姿被传送到路径规划器的子系统中该系统生成以关节值表示的指令状态然后把该指令状态输入到驱动操作机的伺服机构子系统中图信息流程路径规划器路径规划器子系统接收来自任务程序的指令或来自其他的局部资源并且把这些请求转成一个计时的成组的伺服机构指令使操作机运动实际上路径规划器是负责把所要求的操作机的路径转换成适当的伺服机构指令而其路径是由工具中心点的速度或位置来表
17、示的为了以惯用的方式来表示这些运动引入一组坐标系来描述机器人臂这将在中加以详细说明路径规划器是负责监控操作机运动的某些特性并使用期望值来修改其中值得注意的是工具中心点速度和加速度的控制编程速度通常是将指令输入到路径规划器而形成的速度路径规划是来自机器人系统控制器的任务程序编程速度通常是由任务程序所建立的工具中心点的速度速度系数是一种适用于改变操作机速度的超限增值系数速度系数将改变操作机的编程速度因此整个操作机的运动由任务程序所支配的能够以某个速度来实施该速度可由被编程速度均匀地进行上下调节编程加速度通常是把指令输入到路径规划器而形成的加速度路径规划是来自机器人系统控制器的任务程序编程加速度通常
18、是由任务程序所建立的工具中心点的加速度加速度系数是适用于改变操作机的加速度的一个超限增值系数加速度系数将改变操作机的编程加速度因此整个操作机的运动由任务程序控制的能够以某个加速度来实施此加速度可由编程加速度均匀地进行上下调节路径规划器的附加属性包括一组输入和输出值路径规划器的输入值描述了包含位置速度和加速度的以欧基里德空间来表示的操作机的编程状态路径规划器的输出值描述了以关节空间表示的操作机的指令状态机器人臂伺服机构机器人臂伺服机构子系统是由一组连接的伺服机构组成操作机每个关节都有一个操作机的关节可以是转动类型或是滑动类型每个关节可以单独地校准有一个行程的上下限每个关节有一套制动机构及一组与构
19、成机器人臂运动链中其他关节有关的连杆参数每个关节由一个伺服机构所控制伺服机构把控制信号送到关节驱动器并且从关节传感器取得反馈信息伺服机构发出指令以驱动关节到一个预定值并且监控由它运行的实际值辅助装置机器人辅助装置是与机器人任务相关的子系统它是直接由机器人系统控制器控制的辅助装置的控制并入到机器人任务控制器中在辅助装置控制中使用的信息例如辅助装置的专用参数是机器人任务总参数不可缺少的一部分辅助装置的控制能够被一个或多个机器人程序来实现注辅助装置的实例有安全联锁焊接控制器喷涂系统水喷射系统视觉系统传感器和夹持器等机器人坐标系约定本标准所使用的坐标系有绝对坐标系机座坐标系和机械接口坐标系在中描述了这
20、些已标准化的坐标系为了帮助了解本标准在和中描述了另外两种机器人坐标系对于整个制造操作绝对坐标系建立了一个固定的参照框架并且通常用于工位布局此坐标系的定义一般是由用户来制定机座坐标系建立在机器人安装平面处通常由机器人制造厂给出机械接口坐标系是一个依附于操作机最后杆件上的运动着的坐标系该杆件确立了末端执行器相对于机座坐标系的位置除已标准化的坐标系外引入了两个经常使用的坐标系即工具坐标系和用户坐标系工具坐标系用于定义机器人工具末端执行器的位置用户坐标系用于替代机座坐标系供机器人臂作为参照框架图表示各种机器人坐标系的约定图机器人坐标系工具坐标系工具坐标系的原点是由实施者所定义的位于机器人工具上的点和轴
21、线是由实施者所定义且相互垂直轴线是由右手定则确定的在工具坐标系内的一个物体由坐标变换来表示其中表示沿着坐标轴线的位移表示沿着坐标轴线的位移表示沿着坐标轴线的位移表示绕着坐标轴反时针方向旋转表示绕着坐标轴反时针方向旋转表示绕着坐标轴反时针方向旋转坐标变换遵循右手定则正负号方向的约定用户坐标系用户坐标系的原点是实施者所确定的点和轴是实施者确定的并且互相垂直轴是由右手定则确定的在用户坐标系内的一个物体由其坐标的变换来表示其中表示沿坐标轴的位移表示沿坐标轴的位移表示沿坐标轴的位移表示绕坐标轴反时针方向旋转表示绕坐标轴反时针方向旋转表示绕坐标轴反时针方向旋转坐标变换遵循右手定则正负号方向约定坐标系变换在
22、描述机器人运动的过程中必须描述空间物体的任意位置和姿态上面所述的任一坐标系都能够作出这种描述就某些坐标系而论一个物体位置和姿态的说明相当于从参考坐标系转换成嵌入在物体中的坐标系的说明因此在机器人运动数学中变换起着很大作用上面所描述的五种坐标系其中四种常常是用作描述其他物体时的参照坐标系而工具坐标系是嵌入在物体中的坐标系而该物体需要知道位置和姿态本标准标识了坐标系的五种变换这些变换是用于描述机器人系统部件的动力学的相互关系他们是机座坐标系相对于绝对坐标系的变换机械接口坐标系相对于机座坐标系的变换用户坐标系相对于机座坐标系的变换工具坐标系相对于用户坐标系的变换工具坐标系相对于机械接口坐标系的变换机
23、器人专用功能控制系统机器人系统控制器机器人系统的一个基本部件是机器人系统控制器它代表了支配机器人操作的智能机器人系统的控制器通常是通过采用多用途计算机运行一个或多个计算机程序来实现但也可用其他的方法来实现在以计算机为基础的方式中下位计算机在使用的控制功能可能比机器人控制功能更多但本标准只涉及计算机的与机器人操作有关的功能在此处机器人操作的涵义包括为完成机器人功能所需的全部辅助装置的操作集成单元控制器是功能超出本标准范围的此类计算机系统的一例作为其操作的一部分它直接指挥机器人活动机器人控制的协调在许多情况下能由多点控制机器人的操作引入通信设备则增加了另一种潜在的控制点为了排除在控制中的冲突设定机
24、器人具有唯一地对一个控制点的控制赋值方法此控制赋值起互斥信志作用机器人操作状态机器人操作状态图如图中的描述机器人系统由一个有限状态自动化装置来建模图机器人操作状态图中转移编号的说明装载某些任务程序被装入机器人系统控制器中清除由机器人系统控制器中移去任务程序赋值已准备好一个已装载的任务程序以供执行去值赋值的反面程序开始机器人进入状态执行结束机器人运动被停止且机器人被返回到状态程序复位一个已暂停的机器人被返回到状态暂停机器人已临时停止运动继续暂停的机器人返回到状态清除异常终止除任务程序未执行完成外其他与清除同清除舍弃除任务程序未开始外其他与清除同应急动作将机器人置入要求手动介入的状态机器人操作状态
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