工业机器人操作入门：从核心原理到安全实操的系统精通

2025/11/19企业新闻新闻中心行业新闻 60

一、引言：超越“机械臂”的认知——作为集成系统的机器人

在公众的想象中，工业机器人可能只是一个模仿人类手臂的机械装置。然而，对于操作者而言，它是一个由本体、控制器、示教器、末端执行器及外围设备构成的精密集成系统。真正的“操作”，意味着与这个完整系统进行对话，理解其语言，预判其行为，并确保其在整个工作单元中安全、高效地完成任务。

本体： 即我们看到的机械臂，通常由一系列通过关节连接的连杆组成，模仿了人的肩、肘、腕等结构。其结构形式（如六轴关节型、SCARA、Delta）决定了其工作空间和主要应用场景。
控制器： 机器人的“大脑”，内部嵌入了核心的算法与操作系统。它负责执行用户程序、进行运动学解算、控制伺服驱动器，并处理所有I/O信号。
示教器： 人机交互的“桥梁”，是操作员手持的编程终端。它集成了显示屏、使能按钮、急停按钮和各种功能键，是手动操纵和编程的主要工具。
末端执行器： 机器人的“手”，如焊枪、夹爪、吸盘、喷枪等。它直接与工件或环境交互，决定了机器人具体执行的任务。

操作者的首要任务，就是建立起对这个系统整体的、相互关联的认知。

二、操作的安全基石：永不妥协的“零伤害”原则

在接触机器人之前，安全是必须内化于心的第一准则。工业机器人力量巨大、运动快速且不知疲倦，其潜在危险远超传统机器。

安全防护体系：
- 物理防护： 安全围栏、安全门及其联锁开关是首要防线。当门被打开时，联锁开关会触发系统进入安全状态（如停止运动、降低速度）。
- 区域监控： 通过安全光幕、激光扫描仪等，在机器人工作空间内创建虚拟的保护区域，一旦有人员闯入，机器人会自动减速或停止。
- 紧急停止电路： 分布于示教器、控制柜及工作单元各处的急停按钮，采用硬接线安全回路，优先级最高，一旦按下立即切断伺服电源。
操作员个人安全规范：
- 示教模式下的安全： 在手动模式下进行编程或调试时，必须遵循“低速、近距离、时刻观察”的原则。始终保持与机器人的安全距离，并规划好紧急撤离路径。
- 使能按钮的正确使用： 示教器背面的使能按钮是安全保障的最后一道手动关卡。它有三个状态：松开（未按下） – 伺服电机未上电；半按（中间位置） – 伺服电机上电，可运动；全按（到底） – 触发紧急停止，伺服断电。这个设计强制操作员必须用三指握持示教器，并能随时在紧急情况下本能地全按下去。
- 上锁/挂牌程序： 在进行任何内部维护、检修或更换末端执行器时，必须严格执行上锁/挂牌程序，彻底隔离机器人系统的所有能源（电、气、液），并挂上个人锁，防止他人误启动。

三、深入核心：坐标系与手动操纵的精髓

手动操纵机器人是所有操作的基础，而理解坐标系是精通手动操纵的关键。

四大核心坐标系：
- 基坐标系： 以机器人安装底座的中心为原点。这是机器人的“绝对”坐标系，所有运动最终都以此为准。
- 工具坐标系： 以末端执行器（工具）的尖端为原点。这是最为重要且必须熟练掌握的坐标系。正确设定工具坐标系后，无论机器人处于何种姿态，工具尖端的运动方向都将与操作员在示教器上指定的方向完全一致。例如，在焊接时，让焊枪始终垂直于焊缝移动；在搬运时，让夹爪始终保持竖直向下。
- 工件坐标系： 以待加工工件上的某个点为原点。它使得编程可以基于工件本身，而非机器人的底座。当工件的位置因夹具调整而改变时，只需重新标定一次工件坐标系，所有基于该坐标系的程序点将自动更新，无需重新编程，极大地提升了程序的柔性和复用性。
- 用户坐标系： 在空间内任意定义的坐标系，为操作者提供更直观的观察和操纵视角。
手动操纵的三种模式：
- 单轴运动： 在此模式下，操作员可以单独控制机器人的每一个关节（J1, J2, J3…）。这对于将机器人移动到特定的“回零”姿态或绕过奇异点非常有用。
- 线性运动： 在指定的坐标系（通常是工具或工件坐标系）下，机器人末端将沿X, Y, Z轴做直线运动。这是最常用的编程和调试模式，用于精确定位。
- 重定位运动： 在工具坐标系下，机器人的末端工具尖端在空间中的位置保持不变，仅改变工具的姿态（绕X, Y, Z轴旋转）。这对于调整焊接角度或抓取姿态至关重要。

四、编程实战：从点到轨迹的创造

机器人编程的本质是“示教-再现”，即先由人“教”会机器人一系列动作，然后让它自动重复。

创建程序与运动指令：
- 程序点： 在手动模式下，将机器人移动到关键位置，并将这些位置记录为程序点。每个点都包含了机器人所有关节的角度或其在空间中的位姿数据。
- 运动类型：
  - PTP： 点对点运动，机器人以最快速度、最优路径从一个点运动到另一个点，不关心中间轨迹，常用于空跑或回原点。
  - LIN： 直线运动，末端工具沿绝对直线运动，速度恒定。用于焊接、涂胶、检测等需要精确路径的场合。
  - CIRC： 圆弧运动，通过三个点（起点、中间点、终点）定义一段圆弧轨迹。
逻辑与流程控制：
- I/O指令： 机器人通过数字量或模拟量输入/输出信号与外围设备通信。例如，DO1=1 表示打开夹爪，Wait Until DI1=1 表示等待传感器检测到工件到位。
- 流程控制指令： 使用IF...THEN...ELSE进行条件判断，使用WHILE...DO进行循环，使用CALL调用子程序。这使得程序能够处理复杂的、非顺序性的任务。
一个简单的拾放程序示例：text复制下载PROC main() ! 初始化，回安全点 MoveJ pHome, v1000, fine, tool0; ! 移动到工件上方准备点 MoveL pPickApproach, v500, fine, tool0; ! 下降到抓取点 MoveL pPick, v200, fine, gripper; ! 执行抓取（输出信号） Set DO1; WaitTime 0.5; ! 等待抓取稳定 ! 抬起到准备点 MoveL pPickApproach, v500, fine, gripper; ! 移动到放置点上方 MoveL pPlaceApproach, v500, fine, gripper; ! 下降到放置点 MoveL pPlace, v200, fine, gripper; ! 释放工件 Reset DO1; WaitTime 0.3; ! 返回安全点 MoveJ pHome, v1000, fine, tool0; ENDPROC

五、调试与优化：从“能动”到“好用”

程序编写完成后，调试是关键。这包括：

单步运行与连续运行： 先单步执行，观察每一个动作和信号是否正常，再低速连续运行。
轨迹与节拍优化： 通过调整过渡点（使用zone参数而非fine，实现圆滑过渡）、优化运动路径、提高空跑速度等方式，缩短整个工作周期，提升生产效率。
碰撞检测与处理： 现代机器人通常具备软件碰撞检测功能，当电机转矩异常增高时，会判断为碰撞并立即停止。操作员需要熟悉碰撞后的恢复流程。