作者：黄风 编著
出版社：化学工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
工业机器人编程指令详解试读：
前言
20世纪60年代，在桂林的一个“小人书摊”前，一个小孩坐在小凳上看一本科幻的小人书，书中讲述了一个机器人冒充足球队员踢球的故事，这个冒名顶替的“足球队员”又能跑，又能抢，关键是射门准确，只要球队处于劣势，把他换上场就无往而不胜。这个故事太吸引人了，小孩恨不得自己就是那个机器人。这个小孩就是当年的我。50年过去了，有些科幻成了现实，有些现实超越了科幻。
机器人在人们的生活中越来越多地出现，而工业机器人是机器人领域中的重要分支。近年来，工业机器人在制造领域的应用如火如荼，是智能制造的核心技术。工业机器人行业是国家和地方政府大力扶持的高新技术行业。据国际机器人联合会估计，2014年全球工业机器人销量约为225000台，较2013年增长27％。工业机器人销量在全球所有主要市场均出现增长，其中亚洲市场增长过半。中国市场表现尤为耀眼，2014年中国地区工业机器人销量约为56000台，同比增长54％，这表明中国正在加快工业机器人普及速度。2016年中国安装的工业机器人数量将位居全球之首。
本书从实用的角度出发，对工业机器人的特殊功能、编程指令、状态变量、参数功能及软件应用等方面做了深入浅出的介绍，提供了大量的程序指令解说案例。
本书第1章是机器人的基本功能介绍，是机器人应用的理论基础，主要介绍了机器人的选型、特殊功能。工业机器人实质上也是一种运动控制器，机器人具有的特殊功能是其他运动控制器所没有的。
根据“二八原则”，可能只有20％的功能是最常用的，因此在第2章介绍的是最常用的编程指令，便于读者的快速入门和应用。在第3章介绍了全部的编程指令。第4章介绍了机器人的状态变量，状态变量表示了机器人的实际工作状态，在实际编程中会经常使用。第5章介绍了机器人编程中要使用的各种计算函数。正确地使用计算函数可以大大简化编程工作。
第6章介绍了参数功能及设置。参数赋予了机器人各种功能，在实际使用中对参数的设置是必不可少的。本章结合软件的使用对重点参数的功能及设置做了说明，这也是从使用者的角度着想的。
第7章介绍了机器人专用输入输出信号的使用。作为自动化生产线上的一个核心控制设备，机器人必须与主控系统、外围检测信号有许多信息交流，为了便于机器人的使用，机器人系统配置了许多专用输入输出信号，正确地连接和使用这些输入输出信号是机器人正常工作的前提。
第8章介绍了编程软件的使用，事实上所有的编程和参数设置都是在软件上完成的。该软件同时还具备状态监视和模拟运行的功能。
第9章提供了一个应用案例，结合应用案例可以对照学习编程指令及参数设置，加深对编程指令的理解。
感谢林步东先生对本书的写作提供了大量的支持。
笔者学识有限，书中不足之处在所难免，请读者批评指正。笔者邮箱：hhhfff57710@163.com。编著者第1章 工业机器人基本知识和特有的功能1.1 机器人概述1.1.1 机器人基本知识
机器人实质上是一套“数控系统”，也可以说是一套运动控制器，是一台可以多轴联动的运动控制系统。
机器人可分为：
①机器人本体 包含机械构件（各关节）和伺服电机。伺服电机已经安装在本体上。如图1-1所示。图1-1 机器人本体
②控制器 包括控制CPU、伺服驱动器、基本I/O，各种通信接口（USB/以太网）。如图1-2所示。图1-2 控制器
③示教单元 也称为“手持操作器”，简称TB，用于手动操作机器人运行，确定各工作点、JOG运行、设置参数、设置原点、显示机器人工作状态。如图1-3所示。图1-3 手持示教单元
④选件 输入输出卡等。如图1-4所示。图1-4 输入输出卡
⑤附件 抓手和各种接口板，各连接电缆。1.1.2 机器人通用功能
本书以三菱工业机器人为例，介绍机器人的功能及规格。以下不特别提及，均指三菱工业机器人。
①机器人可以由一套控制器控制做单机运行。
②机器人可以装在三菱QPLC平台上作为其中的一个运动CPU运行。类似于C70数控系统。这样可以充分利用三菱QPLC的丰富功能构成强大的控制系统。
③机器人可以配置一个CCLINK卡，作为CCLINK总线中的一个站。
④机器人还可以连接附加“通用伺服轴”，控制9个伺服轴运行。
⑤机器人可以连接触摸屏，由触摸屏进行控制。1.1.3 机器人型号（1）垂直多功能机器人型号标注的说明
三菱机器人的型号标注如图1-5所示。图1-5 三菱机器人的型号标注规则
标注说明：【机器人型号分类】 RV—垂直机器人；RH—水平机器人。【最大可搬运重量】 4—4kg；7—7kg；13—13kg；20—20kg。【机器人型号系列】 F系列。【轴数】 未标记—6轴型；J—5轴型。【机械臂长度】 未标记—标准机械臂；L或LL—长机械臂或加长机械臂。【环境规格/保护规格】 未标记—一般环境（IP40）；M—油雾规格（IP67）；C—清洁规格（ISO等级3）。【控制器类型】 D—独立控制器；Q—Q系列控制器。【特殊机号】 限于订购了特殊规格的情况下，SH××表示配线/配管内装规格。（2）水平多功能机器人型号标注的说明
水平多功能机器人型号标注如图1-6所示。图1-6 水平多功能机器人型号标注【RH】 水平多关节型。【最大搬运重量】 3 kg/6 kg/1 2 kg。【系列名称】 FH。【臂长】 35—350mm；45—450mm；55—550mm。【上下行程】 12—120mm；15—150mm。【环境规格】 无标记—普通规格；C—清洁规格。【控制器型号】 1D—CR751-D；1Q—CR751-Q。1.2 机器人技术规格1.2.1 垂直多功能机器人技术规格
表1-1为垂直多功能机器人技术规格。在技术规格中，标明了伺服电机容量、动作范围、最大合成速度、搬运重量等，是选型的重要依据。表1-1 垂直多功能机器人技术规格1.2.2 水平多功能机器人技术规格
表1-2为水平多功能机器人技术规格。在技术规格中，标明了臂长、动作范围、最大合成速度、搬运重量、位置重复精度等，是选型的重要依据。水平多功能机器人多用于平面搬运和垂直搬运。表1-2 水平多功能机器人技术规格1.3 技术规格中若干性能指标的解释1.3.1 机器人部分有关规格的名词术语【动作自由度】 机器人的动作维度。有几个轴就有几个自由度。【安装位置】 机器人的可安装方式。有落地、吊顶、挂壁方式。【驱动方式】 机器人各轴的动力源。一般采用AC伺服电机。【位置检测】 检测机器人各轴运行位置的器件。采用绝对位置编码器。【动作范围】 J1～J6轴以度数为单位。【最大速度】 J1～J6轴以（°）/s为单位。【最大动作半径】 在基本坐标系内，控制点的动作半径范围。以mm为单位（以机械IF坐标原点为控制点）。【最大合成速度】 指控制点在X-Y-Z方向上的最大矢量速度。【可搬运重量】 机器人能够搬运移动物体的重量。以kg为单位，是选型重要指标。【位置重复精度】 多次反复定位的精度（0.02mm）。1.3.2 控制器技术规格
表1-3为控制器技术规格一览表。控制器技术规格有控制轴数、存储容量、可控制的输入输出点数、可使用电源范围、内置接口等。表1-3 控制器技术规格一览表1.3.3 控制器有关规格的名词术语【存储容量】 示教位置点数：39000。指用示教单元可以确认的位置点数量。【步数】 指一个程序内的“步数”。例如78000步。【程序个数】 512。指同时可以存放在控制器内的程序数量。【编程语言】 MELFA-BASIC V。【位置示教方式】 是用示教单元驱动机器人本体，对当前位置进行记录的方式。【MDI方式】 MDI是Manual Data Input（手动数据输入）的缩写，是将数值直接输入的方式。【外部输入输出】 指通过使用外部I/O单元或模块可扩展的输入输出点数量。例如：I265/O256。【专用输入输出】 指由控制器内部已经定义的输入输出的功能。【抓手开闭输入输出】 专门用于控制抓手的输入输出点。例如I8/O8。【RS-42 2通信口】 控制器内置的串行通信口。TB（示教单元）专用。【以太网端口】 控制器内置的以太网通信口。10BASE-T/100BASE-Tx。【USB接口】 控制器内置的USB通信口。用于电脑与机器人连接。【附加轴接口】 控制器内置通信口。用于SCNET Ⅲ与MR-J3-B、MR-J4-B系列连接。【采样接口】 控制器内置的编码器信号接口。用于视觉追踪等场合。【选购件插槽】 控制器内置的插口。用于安装外部I/O卡。【输入电压范围】 控制器使用的电压范围：RV-4F系列，AC 180～253V；RV-7F/13F系列，三相AC 180～253V或单相AC 207～253V。【电源容量kV·A】 RV-4F系列，1.0；RV-7 F系列，2.0；RV-13 F系列，3.0。
注意
不要直接使用工厂内的三相380V电源。1.4 机器人特有的功能
机器人不同于一般的数控机床和运动控制系统，一般的机器人有6个轴，即6个自由度。其运动的空间复杂性比一般的数控机床要复杂。机器人有许多自身特有的功能，为了便于阅读后续的章节，需要对这些特有的功能进行解释。1.4.1 机器人坐标系及原点
1.4.1.1 世界坐标系（1）定义
世界坐标系是表示机器人（控制点）“当前位置”的坐标系。所有表示位置点的数据是以世界坐标系为基准的（世界坐标系类似于数控系统的G54坐标系，事实上就是工件坐标系）。（2）设置
世界坐标系是以机器人的基本坐标系为基准设置的（这是因为每一台机器人基本坐标系是由其安装位置决定的）。只是确定世界坐标系基准点时，是从世界坐标系来观察基本坐标系的位置，从而确定新的世界坐标系本身的基准点。所以基本坐标系是机器人坐标系中第1基准坐标系。
在大部分的应用中，世界坐标系与基本坐标系相同。
见图1-7，图中X-Y-Z是世界坐标系。当前位置是以世界坐标mmm系为基准的。如图1-8所示。图1-7 世界坐标系与基本坐标系之间的关系图1-8 当前位置以世界坐标系为基准
1.4.1.2 基本坐标系
基本坐标系是以机器人底座安装基面为基准的坐标系。在机器人底座上有图示标志。基本坐标系如图1-9所示。实际上基本坐标系是机器人第一基准坐标系。世界坐标系也是以基本坐标系为基准的。图1-9 基本坐标系
1.4.1.3 机械IF坐标系
机械IF坐标系也就是“机械法兰面坐标系”。以机器人最前端法兰面为基准确定的坐标系称为“机械IF坐标系”，以X-Y-Z表示。mmm如图1-10所示。与法兰面垂直的轴为“Z轴”，Z轴正向朝外，X轴、mY轴在法兰面上。法兰中心与定位销孔的连接线为X轴，但必须注mm意X轴的“正向”与定位销孔相反。m图1-10 机械IF坐标系的定义
因在机械法兰面要安装抓手，所以这个“机械法兰面”就有特殊意义。特别注意：机械法兰面转动，机械IF坐标系也随之转动。而法兰面的转动受J5轴J6轴的影响（特别J6轴的旋转带动了法兰面的旋转，也就带动了机械IF坐标系的旋转，如果以机械IF坐标系为基准执行定位，就会影响很大），参见图1-11、图1-12。图1-12是J6轴逆时针旋转了的坐标系。图1-11 机械IF坐标系的图示图1-12 J6轴逆时针旋转了的机械IF坐标系
1.4.1.4 工具（TOOL）坐标系（1）工具（TOOL）坐标系的定义及设置基准
①定义 由于实际使用的机器人都要安装夹具抓手等辅助工具，因此机器人的实际控制点就移动到了工具的中心点上，为了控制方便，以工具的中心点为基准建立的坐标系就是TOOL坐标系。
②设置 因夹具抓手直接安装在机械法兰面上，所以TOOL坐标系就是以机械IF坐标系为基准建立的。建立TOOL坐标系有参数设置方法和指令速度法，实际上都是确定TOOL坐标系原点在机械IF坐标系中的位置和形位（POSE）。
TOOL坐标系与机械IF坐标系的关系如图1-13所示。TOOL坐标系用X、Y、Z表示。TOOL坐标系是在机械IF坐标系基础上建立的。在tttTOOL坐标系的原点数据中，XYZ表示TOOL坐标系原点在机械IF坐标系内的直交位置点。ABC表示TOOL坐标系绕机械IF坐标系X、Y、mmZ轴的旋转角度。m图1-13 工具坐标系与机械IF坐标系的关系
TOOL坐标系的原点不仅可以设置在任何位置，而且坐标系的方位（pose）也可以通过ABC值任意设置（相当于一个立方体在一个万向轴接点任意旋转）。在图1-13中，TOOL坐标系绕Y轴旋转了-90°，所以Z轴方向就朝上（与机械IF坐标系中的Z方向不同）。而且当机tm械法兰面旋转（J6轴旋转）时，TOOL坐标系也会随着旋转，分析时要特别注意。（2）动作比较
①JOG或示教动作
a.使用机械IF坐标系。未设置TOOL坐标系时，使用机械IF坐标系以出厂值法兰面中心的为“控制点”，在X方向移动（此时，X轴垂直向下），其移动形位（pose）如图1-14所示。图1-14 X方向移动的形位
b.以TOOL坐标系动作。设置了TOOL坐标系后，以TOOL坐标系动作。注意在X方向移动时，是沿着TOOL坐标系的X方向动作。这t样就可以平行或垂直于抓手面动作，使JOG动作更简单易行。如图1-15所示。图1-15 在TOOL坐标系X方向移动
c.A方向动作。
• 使用机械IF坐标系。未设置TOOL坐标系时，使用机械IF坐标系，绕X轴旋转。抓手前端大幅度摆动。如图1-16所示。m图1-16 A方向的动作
• 设置TOOL坐标系绕X轴旋转。设置TOOL坐标系后，绕X轴旋tt转。抓手前端绕工件旋转。在不偏离工件位置的情况下，改变机器人形位（pose）。如图1-17所示。图1-17 在TOOL坐标系中绕X轴旋转t
以上是在JOG运行时的情况。
②自动运行
a.近点运行。在自动程序运行时，TOOL坐标系的原点为机器人“控制点”。在程序中发出的定位点是以世界坐标系为基准的。但是，Mov指令中的近点运行功能中的“近点”的位置则是以TOOL坐标系的Z轴正负方向为基准移动。这是必须充分注意的。
指令例句： 1Mov P1,50
其动作是：将TOOL坐标系原点移动到P点的“近点”，“近点”1为P点沿TOOL坐标系的Z轴正向移动50mm。如图1-18所示。1图1-18 在TOOL坐标系中的近点动作
b.相位旋转。绕工件位置点旋转（Z），可以使工件旋转一个角t度。
例：指令在P点绕Z轴旋转45°（使用两点的乘法指令）。1 1 Mov P1*(0,0,0,0,0,45)'使用两点的乘法指令
实际的运动结果如图1-19所示。图1-19 在TOOL坐标系中的相位旋转
1.4.1.5 工件坐标系
工件坐标系是以工件原点确定的坐标系。在机器人系统中，可以通过参数预先设置8个工件坐标系。也可以通过BASE指令设置工件坐标系原点或选择工件坐标系。另外，可以指令当前点为新的世界坐标系的原点。
BASE指令就是设置世界坐标系的指令。（1）参数设置法
表1-4为工件坐标系相关参数。可在软件上做具体设置。表1-4 工件坐标系相关参数（2）指令设置法
设置世界坐标系的偏置坐标（偏置坐标为以世界坐标系为基准观察到的基本坐标系原点在世界坐标系内的坐标） 1 Base(50,100,0,0,0,90)'设置一个新的世界坐标系(如图1-20所示)图1-20 使用Base指令设置新的坐标系 2 Mvs P1' 3 Base P2'以 4 Mvs P1' 5 Base 0设置世界坐标系与基本坐标系相同(回初始状态)（3）以工件坐标系号选择新世界坐标系的方法 1 Base 1'选择1 2 Mvs P1'运动到 3 Base 2'选择2 4 Mvs P1'运动到 5 Base 0选择基本坐标系
1.4.1.6 JOG动作
在示教单元上，可以进行以下JOG操作：
①三轴直交JOG XYZ三轴以直角坐标移动。ABC三轴以关节轴的角度单位运行。
②圆筒JOG 以圆筒坐标系运动。X轴表示圆筒坐标系的直径大小。Y轴表示绕圆筒的旋转（绕J1轴的旋转）。Z轴表示上下运动。ABC轴表示各轴的旋转，以角度为单位。
③工件JOG 以工件坐标系为基准进行JOG动作。动作如图1-21所示。图1-21 在工件坐标系内的JOG运动
④JOG TOOL 以工具坐标系为基准进行的JOG运动。1.4.2 专用输入输出信号（1）机器人控制器的通用输入输出信号
机器人控制器的通用输入输出信号如第7章所述。接收通用输入输出信号的I/O卡为“2D-TZ368”或“2D-TZ378”。
I/O卡插入控制器的硬插槽“SLOT1”/“SLOT2”中。其站号也已经规定。“SLOT1”——站号=0（信号地址0～31）“SLOT2”——站号=1（信号地址32～63）
这些输入输出信号最初没有做任何定义，可以由编程工程师给予任意定义，这与通用PLC使用是相同的。（2）机器人控制器的专用输入输出信号
由于机器人工作的特殊性，机器人控制器有很多“已经定义的功能”，也称为“专用输入输出功能”。这些功能可以定义在“通用输入输出信号的任何一个端子”。机器人控制器中的专用输入输出类似于数控系统中的固定接口，其输入信号用于向“控制器”发出指令，输出信号表示“控制器”的工作状态。
控制器的专用输入输出只是各种功能，至于这些功能赋予到那些针脚上，需要通过（软件）参数来设置。1.4.3 操作权（1）能够对机器人进行控制的设备
对机器人进行控制的设备有以下几种：
①示教单元；
②操作面板（外部信号）；
③计算机；
④触摸屏。
某一类设备对“机器人”的控制权就称为“操作权”。示教单元上有一“使能开关”就是“操作权”开关。表1-5是示教单元上的“使能开关”与“操作权”的关系。表1-5 示教单元上的“使能开关”与“操作权”的关系注：表示有操作权；×表示无操作权。（2）与操作权相关的参数
IOENA——本信号的功能是使外部操作信号有效和无效。在RT ToolBox2软件中，在“参数”—“通用1”中设置本参数。
操作权：对机器人的操作可能来自
①示教单元；
②外部信号；
③计算机软件（调试时）；
④触摸屏。（3）实际操作
①在示教单元中“ENABLE”开关=ON，可以进行示教操作。即使外部IO操作权=ON，即使外部没有选择“自动模式”，也可以通过示教单元的“开机”—“运行”—“操作面板”—“启动”进行程序启动（示教单元有优先功能“ENABLE”）。
②如果在操作面板上选择了“自动模式”，而“ENABLE”= ON，系统会报警，使“ENABLE”=OFF，报警消除。
③如果需要进入调试状态，必须使IOENA=OFF。
④如果使用外部信号操作，则需要使IOENA=ON。1.4.4 最佳速度控制
最佳速度控制功能——机器人在两点之间运动，需要保持形位（pose）要求的同时，还需要控制速度防止速度过大出现报警。
最佳速度控制功能有效时，机器人控制点速度不固定。用Spd M_NSpd指令设置“最佳速度控制”。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]