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工业机器人试验指导书
工业机器人现场教学

试验一 工业机器人认知部分
1.试验目标
1）了解多种机器人；
2）了解FANUC ARC Mate 100iB机器人系统组成；
3）介绍机器人试教编程，进行机器人动作演示；
2.试验器材
1) 日本FANUC ARC Mate 100iB 焊接机器人一台，ABB机器人两台，众为兴机器人一台，导管架焊接机器人一台，爬壁式机器人一台
2) 工控计算机，ABB企业ROBOTSTUDIO离线编程软件一套
3.试验原理
1）Fanuc机器人介绍
² 机器人关键参数
FANUC机器人本体型号为ARC Mate M6iB，控制柜型号为M-6iB。机器人具体性能参数以下：
轴数：6
手部负重（kg）:6
运动范围：
反复定位精度：
最大运动速度
² FANUC 机器人安装环境
环境温度:0-45 摄氏度
环境湿度:一般:75%RH
短时间:85%（30天之内）
振动:=0.5G(4.9M/s2)
² FANUC 机器人编程方法
在线编程
离线编程
² FANUC 机器人特色功效
High sensitive collision detector 高性能碰撞检测机能,机器人无须外加传感器,
多种场所均适用
Soft float 软浮动功效用于机床工件安装和取出,有弹性机械手.
Remote TCP
2）FANUC 机器人组成
² FANUC 机器人软件系统
Handling Tool 用于搬运
Arc Tool 用于弧焊
Spot Tool 用于点焊
Sealing Tool 用于布胶
Paint Tool 用于油漆
Laser Tool 用于激光焊接和切割
² FANUC 机器人硬件系统
图15所表示，通用FANUC 机器人硬件系统包含：机器人本体、机器人控制柜、操纵台（或变位器）和示教操作盒。

（a） FANUC 机器人组成 (b) 机器人控制柜内部结构
图1 FANUC 机器人硬件系统
作为焊接机器人Fanuc ArcMate 100iB机器人除了含有通用机器人组件外，还包含焊接所需各个组件：
Power Wave F355i：图2
适合材料: 碳钢/不锈钢/合金钢/铝合金
图2 电焊机Power Wave F355i

焊接波型: CV/Pulse/Rapid Arc/
Power Mode/Pulse on Pulse
电流范围: 5-425A, 300A/100%, 350A/60%
波型控制技术：Wave Control Technology TM
通讯方法： ArcLink®
逆变技术： Inverter （60kHz)
全数字焊机: Total Digital
输入电源: 380V/50Hz/3Phase/PE
图3 送丝机Power Feeder 10R
Power Feeder 10R
适合焊丝: 实芯/药芯/铝焊丝
速度反馈装置，闭环正确控制。
四轮驱动，更换焊丝不需工具
通讯方法： ArcLink®
输入： 40V DC
送丝速度范围: 50-800IPM(1.3-20.3m/min)
70-1200IPM(2.0-30.5m/min)
实芯焊丝范围: .025-3/32 in (0.6-2.4mm)
.025-1/16 in (0.6-1.6mm)
图4 焊枪 Tough Gun 500A

药芯焊丝范围： .035-.120 in. (0.9-3.0mm)
.035-5/64 in (0.9-2.0mm)
Tough Gun 500A (泰霸）
焊丝: 碳钢/不锈钢，实芯/药芯, 0.1.6mm
电流: 500A/100%/CO2, 350A/100%/Ar混合气
焊枪角度：22º，45º, 180º

3）认识TP(Teach Pendant) 图5所表示。
紧急停
止按键
液晶屏
ON/OFF
开关
TP操作键
Dead Man
开关

图5 机器人示教盒
其上关键按键和开关功效以下：
紧急停止按键：此按钮被按下时，机器人立即停止运动；
ON/OFF开关:ON：TP有效；OFF：TP无效。当TP无效时，示教、编程及手动不能被使用
Dead Man开关：当TP有效时，只有Dead Man 开关被按到适中位置，机器人才能运动，一旦松开或按紧，机器人立即停止运动，并出现报警。
² TP 作用
TP作业包含：点动机器人，编写机器人程序，试运行程序，生产运行和查阅机器人状态（I/O 设置，位置，焊接电流）。
² 认识TP 上操作键
TP上各操作键分布图6所表示。

TEACH

图6 TP上各操作键分布
具体各个按键功效以下：
RESET 键（复位键）: 按此键清除报警信息。

SHIFT键:和其它键配合使用实施特定功效。

Jog 键: 使用这些键来点动机器人。

COORD键:用该键来切换机器人运动坐标系（World,Tool,Joint) 。图7所表示，坐标系相关节坐标系（Joint），直角坐标系（World），工具坐标系（Tool）和其它坐标系。

图7 机器人在不一样坐标系下示教
速度键: 用这些键来调整机器人运动速度。

TEACH

程序键: 用这些键来选择编程时菜单选项。
SELECT 键：显示程序清单
EDIT 键：显示目前使用或编写程序
DATA 键：显示weld schedules, weld processes, weave schedules, TorchMate data 等

功效键: 使用这些键依据屏幕显示实施指定功效和操作。

NEXT 键: 按下该键显示更多对应于F1-F2-F3-F4-F5按键功效键。

光标键:使用这些键在屏幕上按一定方向移动光标。

数字键: 这些键用来输入数值: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 减号 (-), 小数点 (.)，逗号 (,)
确定键: 使用该键确定一个数值输入，或从一个菜单中确定选择一个项目。
STEP 键:在T1 或 T2 模式中, 使用该键在以下两种实施模式间切换：
单步模式 (每次实施程序中一行)
连续模式 (连续运行程序）
FWD (前进) 键:在STEP开启时使用该键来实施下一个程序语句。
连续运行程序时，使用该键驱使机器人开始实施编好程序。
BWD (后退) 键:用该键实施排在光标前面程序语句。
WELD ENBL 键:运行一个程序时，使用该键来控制是否开启焊接过程
焊丝运动键: Wire “+” 使焊丝经由焊枪送出，Wire “–” 使焊丝经由焊枪回抽。

ITEM 键:用该键 在一个列表中选择一个项目

例1: 要在一个TP 程序列表中选择一行, 按下ITEM, 输入要选行编号后按下 ENTER
例2:要在一个System Variables 清单中选择一行，按下ITEM 键，输入要选行编号后按下 ENTER
BACK SPACE 键: 使用该键能依次删除光标前字母和数字
PREV 键:用该键能显示上一级屏幕界面
MENUS键:用该键显示菜单屏幕：下面是按下 MENUS后出现列表:
1.UTILITIES > :显示提醒
2.TEST CYCLE > ：为测试操作指定数据
3.MANUAL FCTNS > ：实施宏指令
4.ALARM > ：显示报警历史和具体信息
5.I/O > ：显示和手动设置输出，仿真输入/输出，分配信号
6.SETUP > ：设置系统
7.FILE > ：读取或存放文件
8.USER ：显示用户信息
9.SELECT ：列出和创建程序
10.EDIT ：编辑和实施程序
11.DATA > ：显示寄存器、位置寄存器和堆码寄存器值
12.STATUS > ：显示系统和弧焊状态
13.POSITION ：显示机器人目前位置
14.SYSTEM > ：设置系统变量，Mastering
15.BROWSER :浏览网页，只对iPendant有效

HOLD 键: 用该键可停止机器人运动
FCTN 键:用该键显示补充菜单，按下 FCTN键后出现经典项目：

ABORT (ALL)：强制中止正在实施或暂停程序
Disable FWD/BWD：使用TP实施程序时，选择FWS/BWD是否有效
CHANGE GROUP：改变组
QUICK/FULL MENUS：在快速菜单和完整菜单之间选择
SAVE：保留目前屏幕中相关数据到软盘中
PRINT SCREEN：打印目前屏幕数据
……
4. 试验内容和试验步骤（以老师讲解，学生参观为主）
1) 开机
² 打开机器人控制柜断路开关，按住“ON”按钮几秒钟，示教盒开机画面将会显示出来；
² 手持示教盒，按下而且一直握住“Dead man switch”，将示教盒上开关打到“ON”位置；
² 在示教盒键盘上找到“STEP”键，按一下并确定左上部“STEP”状态指示灯亮，此时屏幕顶端右面蓝色状态行应该为-Joint 10%。
2）关节坐标模式（Joint Coordinate）下移动机器人
² 按下并保持“SHIFT”，在配合其它方向键移动机器人。
² 经过示教盒上“+%”和“-%”键进行调整（或同时 配合“SHIFT”进行大范围调整），为了安全起见，在开始时候尽可能以较低速度移动机器人，并确定不会发生碰撞时，再合适提升移动速度。
3）直角坐标模式下移动机器人
松开 “SHIFT” 键， 在键盘上找到并按“COORD”键直到蓝色状态栏显示“World”。（注意，切换了示教模式以后机器人移动速度会自动降低到10%。）
此时再移动机器人时, 机器人不再单轴（单关节）转动。而是：当按前面三组J1，J2，J3键时，机器人TCP以直线运动；当按后面三组J4，J5，J6键时，机器人TCP固定不动绕对应直线坐标轴旋转。
4）认识轴软件限位
² 一直按住“J3, +Z” 键， 第三轴提升到一定程度将自动停止继续往上升，此时，在屏幕顶部信息提醒栏中应该有限位或位置不可达报警提醒，按“RESET”键消除报警；
² 按住“J3, -Z”键使第三轴往回运动。
5）认识Dead-Man/E-Stop 开关作用
² 当释放“Dead-Man” 开关，状态信息栏中就会有报警信息，要消除报警只要重新按住并保持住，报警信息将自动消失。
² “Dead-Man” 开关是个3位开关，按压力太大也会造成报警。
6）急停按钮使用
² 按一下示教盒右上方红色“E-STOP”急停按钮，在屏幕状态信息显示栏中会有急停报警。
² 要复位该信息，只需顺时针旋转使按钮复位，再按“RESET”键复位即可。
² 注意：在进行急停或复位急停操作时，除了能够听得到第二轴和第三轴抱闸声音，还能够听到机器人控制柜内部断路器跳闸声音。
5. 思索题（选作）
1）简述工业机器人定义，说明FANUC机器人关键特点是什么？
2）机器人为几自由度机器人？关键有哪多个关节？分别可作什么样运动？
3）工业机器人和数控机床有什么区分？
4）说明工业机器人基础组成和关键特点。

试验二 工业机器人运动学模型
试验一 工业机器人认知部分
1.试验目标
1）了解FANUC ARC Mate100iB机器人本体结构；
2）了解FANUC ARC Mate100iB机器人各关节运动动作；
3）复习右手螺旋定则和右手坐标系；
4）复习机器人杆件坐标系建立方法；
2.试验器材
1）日本FANUC ARC Mate 100iB 焊接机器人
3.试验原理
1）D-H模型
※机器人杆件坐标系建立方法不唯一，能够有多个定义方法，DH模型仅是最常见、最常见一个。
※同一机器人在建立DH模型过程中，杆件坐标系也不尽相同。首先DH模型本身可分为坐标系前置型（我们学习DH模型）和坐标系后置型（也叫DHM，不做深入学习，有爱好以后自学）；其次即使同种DH模型也会因为机器人初始位型不一样DH参数表也不一样；最终即使同种位型，各坐标系Z轴选择也会引发DH模型参数表不一样。
2）转动关节DH模型建立，见图-8
①连杆i坐标系Zi轴，在连杆i和连杆i+1转动关节轴上
②连杆i两端轴线公垂线为连杆坐标系Xi轴
③Xi轴和Zi轴交点为Oi点
④Yi轴由右手定则决定
Oi
Yi
连杆i-1
连杆i
连杆i+1
关节i
关节i+1
qi+1
Zi
Xi
qi

图8 DH模型建立
3）连杆参数，见图9
①两个参数描述连杆i
两关节(关节i和i+1)轴线公垂线长度ai（连杆长度）
两关节(关节i和i+1)轴线夹角αi （连杆扭角）
②两个参数描述相邻两个连杆间关系（连杆i-1和连杆i关系）
沿关节i轴线两个公垂线距离di （连杆距离）
垂直于关节i轴线平面内两公垂线夹角θi（连杆夹角
连杆i-2
连杆i-1
连杆i
连杆i+1
关节i-1
关节i
关节i+1
qi-1
qi
qi+1
di
ai
ai
qi
Zi
Xi
Zi -1
Xi -1

图9连杆参数
4）A变换矩阵
将机器人每一个连杆建立一个坐标系，并用齐次变换来描述这些坐标系间相对关系，也叫相对位姿
通常把描述一个连杆坐标系和下一个连杆坐标系间相对关系齐次变换矩阵叫做A变换矩阵或A矩阵。
A1矩阵表示第一个连杆坐标系相对于固定坐标系位姿
A2矩阵表示第二个连杆坐标系相对于第一个连杆坐标系位姿
………… …………
An矩阵表示第n个连杆坐标系相对于第n-1个连杆坐标系位姿

5）坐标系i-1和i之间转换矩阵
一旦全部连杆要求坐标系后，就能根据下列步骤建立相邻连杆i-1和i之间相对关系。即坐标系i-1和i之间转换矩阵。
（1）绕Zi-1轴旋转θi角，使Xi-1转到和Xi同一平面内
记做：Rot（Zi-1,θi ）
（2）沿Zi-1轴平移一距离di，把Xi-1转到和Xi同一直线上
记做：Trans（0,0,di ）
（3）沿Xi轴平移一距离ai，把连杆i-1坐标系移动到使其原点和连杆i坐标系原点重合地方
记做：Trans（ai,0,0 ）
（4）绕Xi轴旋转αi角，使Zi-1转到和Zi同直线上
记做：Rot（Xi,αi ）
4. 试验内容和试验步骤
1）依据右手螺旋定则确定机器人关节值方向，和机器人各杆件运动方向。
2) 练习机器人杆件坐标系建立方法，经过右手定则判定各杆件坐标系坐标轴方向。
Z
X
Y
X
Y
Z

（a）我描述方法 （b）教科书上方法
图10 右手坐标系建立
Z

图11 右手螺旋定则

5. 大作业
1）试寻求FANUC ARC Mate 100iB机器人初始位型
2)建立FANUC ARC Mate 100iB 6自由度关节型机器人杆件坐标系，绘制机器人杆件坐标系图
3)制作DH参数表。
i
θ
d
a
α