要实现 Fanuc 机器人末端 Z 坐标与测距传感器的闭环控制，需要通过以下几个关键步骤实现传感器数据采集、通信和实时位置调整：
系统架构设计
硬件组成：
Fanuc M-20iD 机器人及 R-30iB 控制器
测距传感器（如激光位移传感器、超声波传感器）
传感器接口模块（如 I/O 模块或通信转换模块）
通信线缆（以太网、Profibus 等）
软件组成：
Fanuc 机器人系统（含 Karel 编程语言支持）
传感器驱动程序
闭环控制逻辑程序
闭环控制实现方案
方案一：通过 I/O 模块采集传感器数据
basic
; Fanuc机器人末端Z坐标闭环控制程序（I/O方式）
N1000 ; 程序开始
; 定义变量和常量
[CONSTANTS]
TARGET_DIST = 150.0 ; 目标距离(mm)
KP = 0.5 ; 比例控制系数
MAX_ADJUST = 5.0 ; 最大单次调整量(mm)
SENSOR_IO = 100 ; 传感器模拟量输入起始地址
[VARIABLES]
ACTUAL_DIST : REAL ; 实际测量距离
ERROR : REAL ; 距离误差
Z_ADJUST : REAL ; Z轴调整量
CURRENT_Z : REAL ; 当前Z坐标
; 初始化
N1010 J P[HOME] 100% FINE
N1020 CALL INIT_SYSTEM()
; 主循环 - 闭环控制
N1030 WHILE TRUE
N1040 CALL READ_SENSOR() ; 读取传感器数据
N1050 CALL CALCULATE_ERROR() ; 计算误差
N1060 CALL ADJUST_POSITION() ; 调整位置
N1070 WAIT 0.1 ; 循环周期0.1秒
N1080 ENDWHILE
N1090 J P[HOME] 100% FINE
N1100 M02 ; 程序结束
; 初始化系统
INIT_SYSTEM:
N2000 SPEED 50%
N2010 DO[SENSOR_POWER] = ON ; 开启传感器电源
N2020 WAIT 2.0 ; 等待传感器稳定
N2030 RETURN
; 读取传感器数据
READ_SENSOR:
N3000 ACTUAL_DIST = AI[SENSOR_IO] * 10.0 ; 读取模拟量并转换为mm
N3010 RETURN
; 计算误差
CALCULATE_ERROR:
N4000 ERROR = TARGET_DIST - ACTUAL_DIST
N4010 RETURN
; 调整位置
ADJUST_POSITION:
N5000 Z_ADJUST = ERROR * KP ; 比例控制计算调整量
N5010 IF ABS(Z_ADJUST) > MAX_ADJUST THEN ; 限制最大调整量
N5020 Z_ADJUST = SIGN(Z_ADJUST) * MAX_ADJUST
N5030 ENDIF
N5040 CURRENT_Z = P[CURRENT_POS].Z ; 获取当前Z坐标
N5050 P[CURRENT_POS].Z = CURRENT_Z + Z_ADJUST ; 更新Z坐标
N5060 L P[CURRENT_POS] 10% FINE ; 移动到新位置
N5070 RETURN
方案二：通过 Karel 程序实现高级闭环控制
对于更复杂的控制算法，可以使用 Karel 语言编写程序：
karel
; Fanuc Karel闭环控制程序 - 激光测距传感器控制Z坐标
PROGRAM Z_HEIGHT_CONTROL
; 定义常量
CONST
TARGET_DIST : REAL := 150.0 ; 目标距离(mm)
KP : REAL := 0.5 ; 比例系数
KI : REAL := 0.01 ; 积分系数
KD : REAL := 0.1 ; 微分系数
MAX_ADJUST : REAL := 5.0 ; 最大单次调整量(mm)
SENSOR_IP : STRING[15] := '192.168.1.20' ; 传感器IP地址
SENSOR_PORT : INTEGER := 502 ; 传感器端口号
; 定义变量
VAR
actual_dist : REAL ; 实际测量距离
error, prev_error : REAL ; 当前误差和上一次误差
integral, derivative : REAL ; 积分项和微分项
z_adjust : REAL ; Z轴调整量
current_pos : POSITION ; 当前位置
socket_id : INTEGER ; 通信套接字ID
response : STRING[256] ; 传感器响应
status : INTEGER ; 状态码
BEGIN
; 初始化
WRITE('Z坐标闭环控制程序启动', CR);
; 打开与传感器的通信连接
SOCKET_OPEN(socket_id, SENSOR_IP, SENSOR_PORT, status);
IF status <> 0 THEN
WRITE('传感器连接失败!', CR);
STOP;
ENDIF;
; 初始位置
current_pos := $POS_ACT;
; 主控制循环
WHILE TRUE DO
; 1. 读取传感器数据
SOCKET_WRITE(socket_id, 'GET_DIST', status);
SOCKET_READ(socket_id, response, 256, status);
actual_dist := STR_TO_REAL(response);
; 2. 计算PID误差
error := TARGET_DIST - actual_dist;
integral := integral + error * 0.1; ; 积分项累加
derivative := (error - prev_error) / 0.1; ; 微分项计算
; 3. 计算调整量
z_adjust := KP * error + KI * integral + KD * derivative;
; 4. 限制最大调整量
IF ABS(z_adjust) > MAX_ADJUST THEN
z_adjust := SIGN(z_adjust) * MAX_ADJUST;
ENDIF;
; 5. 更新位置
current_pos.z := current_pos.z + z_adjust;
; 6. 移动机器人
$MOVJ(current_pos, 30, 50, 0, 0);
; 7. 保存当前误差用于下次计算
prev_error := error;
; 8. 等待下一周期
WAIT(0.1);
ENDWHILE;
; 关闭通信连接
SOCKET_CLOSE(socket_id, status);
END Z_HEIGHT_CONTROL
系统配置与调试步骤
传感器配置：
设置传感器测量范围和输出格式（模拟量或数字量）
配置通信参数（IP 地址、波特率等）
进行传感器校准
机器人配置：
启用外部设备通信功能
配置 I/O 模块或网络通信参数
编写或导入闭环控制程序
调试要点：
先进行开环测试，验证传感器数据采集和机器人运动
逐步调整 PID 参数（KP、KI、KD）以获得稳定响应
设置安全限制，防止失控
监测系统响应，确保无振荡或超调
注意事项
采样频率：控制周期应根据传感器响应时间和机器人动态特性设置，通常为 50-100ms。
安全机制：
设置最大调整范围和极限位置
设计紧急停止条件
实现错误处理和报警功能
通信稳定性：
数字通信优先（如以太网 / Profinet）
添加通信超时处理
实现数据校验机制
通过以上方案，Fanuc 机器人可以根据测距传感器的实时数据动态调整末端 Z 坐标，实现高精度的闭环控制。