2. FANUC机器人基础与协同作业原理

在搭建多机器人协同生产线之前，必须先建立对FANUC机器人系统构成、坐标系约定、运动指令体系以及多机通信与安全逻辑的清晰认识。这些内容不是孤立的知识点，而是后续协同设计、节拍优化与故障排查的共同基础。本节从硬件构成出发，逐步过渡到坐标系、运动指令，最后落到多机协同的通信机制与安全逻辑。

一、系统硬件构成：本体、控制柜与示教器

一台FANUC机器人系统由三大部分组成：机器人本体、控制柜和示教器。本体是执行机构，常见如M-10iD、M-20iD、R-2000iC等系列，其规格由负载、可达半径、重复定位精度决定。例如M-20iD/25表示负载25 kg、可达半径约1831 mm，重复定位精度约±0.02 mm。选型时需同时校核负载与惯量，负载不仅包括工件重量，还包括末端执行器（焊枪、吸盘、夹爪）的质量与重心偏移。

控制柜（如R-30iB Plus、R-30iB Mate）是运动控制与逻辑运算的核心，内部包含伺服放大器、主板、I/O模块和通信板卡。协同生产线中，控制柜之间的通信板卡决定了多机数据交换能力。示教器（如iPendant）用于现场示教、程序编辑与状态监控，其上的DEADMAN开关、急停按钮和模式开关（AUTO/T1/T2）是安全操作的关键。

二、坐标系体系：从关节到工具

FANUC机器人涉及多个坐标系，理解它们之间的变换关系是编程与协同的基础。主要坐标系包括：

• 关节坐标系（JOINT）：以各轴角度描述位置，适合大范围姿态调整和避奇异点。
• 世界坐标系（WORLD）：固定在机器人基座上的绝对参考系，原点由厂家定义。
• 用户坐标系（UF, User Frame）：由用户定义，通常建立在工件或工装上，是协同作业中统一各机器人参考的关键。
• 工具坐标系（UT, Tool Frame）：定义在末端执行器上，TCP（工具中心点）的位置和姿态由此确定。

在多机器人协同中，统一用户坐标系是核心约定。假设两台机器人共同加工同一工件，若各自使用不同的用户坐标系，则同一空间点在两台机器人中的坐标表示不一致，会导致碰撞或加工偏差。通常做法是：以工件上的三个基准点（如一个角点和两条边方向）建立统一的用户坐标系，两台机器人分别用三点法或六点法标定到同一UF，使坐标表示一致。

工具坐标系标定常用六点法：以TCP分别从四个不同姿态接近同一固定点，再沿工具Z轴方向接近一次，最后绕Z轴旋转一次，系统据此解算出TCP位置与姿态。标定完成后，运动指令中的位置即代表TCP位置，而非法兰盘中心。

三、运动指令体系：关节、直线与圆弧

FANUC常用运动指令包括：

• J指令（关节运动）：各轴独立插补，速度快，路径不可控，适合空行程。
• L指令（直线运动）：TCP沿直线运动，路径可控，适合焊接、涂胶、切割。
• C指令（圆弧运动）：通过中间点和终点定义圆弧，适合圆弧焊缝或轨迹。

指令格式示例：

J P[1] 100% FINE
L P[2] 500mm/sec FINE
C P[3]
  P[4] 300mm/sec CNT50

其中FINE表示精确到达点位，CNT表示圆滑过渡（CNT值越大过渡越圆滑，但路径偏差越大）。在协同作业中，若两台机器人需要保持相对位置关系，通常使用FINE确保同步点精确；若追求节拍，可在非关键点使用CNT。

四、多机协同通信机制

FANUC多机器人协同主要有三种通信方式：

• I/O硬线通信：通过数字I/O信号交换简单的握手信号（如“请求”“允许”“完成”），可靠性高但信息量小。
• Ethernet/IP或PROFINET：通过工业以太网交换大量数据，适合与PLC和上位系统集成。
• Robot Link / Multi-Robot协同功能：FANUC专用的多机协同功能，支持多台机器人共享运动轨迹和同步控制，常用于搬运、焊接等需要精确配合的场景。

以两台机器人协同搬运为例，典型握手逻辑为：机器人A到达取件点后置位DO[1]=ON，机器人B检测到DI[1]=ON后开始动作，双方通过WAIT指令等待对方信号。若使用Robot Link，则可通过共享寄存器直接同步位置，减少握手延迟。

五、安全逻辑与协同约束

多机器人协同的安全逻辑包括：安全围栏、安全光幕、区域扫描和机器人间的互锁。FANUC的DCS（Dual Check Safety）功能可对机器人速度、位置和区域进行安全监控，当机器人进入限制区域时自动减速或停止。

协同作业中，互锁逻辑必须明确：例如机器人A和B共享同一工作空间时，必须通过信号确保同一时刻只有一台机器人进入共享区域。常见做法是设置“区域请求”信号，先请求者获得通行权，另一台等待。若发生通信中断，安全逻辑应默认进入停止状态，而非继续运行。

六、协同作业的典型配置流程

在实际项目中，配置两台机器人协同作业通常按以下顺序推进：

1. 统一用户坐标系：在工件上选取基准点，两台机器人分别标定到同一UF，验证同一空间点在两台机器人中的坐标偏差应小于0.5 mm。
2. 标定工具坐标系：分别标定各自TCP，确保运动指令中的位置代表实际工具端点。
3. 建立通信：配置I/O或Ethernet/IP，定义握手信号和共享寄存器地址。
4. 编写协同程序：使用WAIT、DO、DI实现同步，关键点用FINE，非关键点用CNT优化节拍。
5. 配置安全逻辑：设置DCS区域、互锁信号和急停链，验证通信中断时机器人进入停止状态。
6. 空运行与验证：在T1模式下低速验证轨迹和信号，确认无干涉后切换AUTO模式。