工业机器人中工具坐标系与工件坐标系的应用

    李培东

    

    

    

    摘 要：本文根据工业机器人坐标系原理，讨论了工具坐标系标定和工件坐标系的标定，并对工具坐标系与大地坐标系的应用进行了对比和工件坐标系三种应用环境作以说明，使得在工业生产环境中怎样合适的去转换坐标系变得更加方便。

    关键词：工具坐标系;工件坐标系;转换坐标系

    1 绪论

    工业机器人的坐标系应用非常广泛，特别是工具坐标系和工件坐标系的应用在工业生产中会频繁的使用，包括坐标系的偏移及坐标系的转换等，本文从工具坐标系的标定验证，工件坐标系的标定验证及工具坐标系的转换三个方面出发，讨论验证工具及工件坐标系的应用方法。工具坐标系采用的是六点法TCP和Z，X的标定方法，其应用可以在工具坐标的三个方向上进行拓展，机器人在任何时候只会跟踪工具坐标系的X，Y，Z轴，因此当工业上需要进行一些特殊操作时就可以利用工具坐標系进行点位的示教。工件坐标系的标定采用的是3点法，通过坐标原点和X轴正方向，Y轴正方向3个点进行标定，工件坐标系的用途非常广发，本文主要讨论了其三种用法，分别是进行斜面绘图、重复性工作及工件位置改变的作业，通过这三种方法的讨论可以在工业生产中有效的进行坐标系的转换和选取，达到事半功倍的目的。

    2 工具坐标系的标定及应用

    在工业机器人的使用过程中，工具坐标系通常采用默认的工具坐标，但是因为一些特殊的作业，需要重新建立工具坐标并进行标定，标定工具坐标系首先在程序数据里面找到tooldata这个数据，然后新建坐标系，再对其进行编辑定义，采用TCP和Z，X的方法进行6个点的标定。此时应该尽量选取位姿差距比较大的位置进行标定示教，在这里应该注意，因为工具坐标系是采用的标定工具进行标定的那么选取点位标定时，一定要将机器人的各种姿态尽量的出现在TCP的四个点中，否则会出现工具的末端点出现偏移，在验证的环节会发现工具的坐标系不停的进行移动。影响后面的作业。建立完成之后，将示教器的界面调整到手动操作界面，将坐标系变成工具坐标系，选定新建的坐标系，（此时若发现无法选定坐标系那么需要将建立的工具坐标系的载荷量MASS改为正值即可）然后将运行方式改为重定位动作，如果机器人末端执行器在XYZ三个方向操作下，一直绕着一点运动，如图1所示，则工具坐标系完成。如果运行过程中没有绕着一个点进行运动，那么该工具坐标系的标定不正确。

    工具坐标系的应用非常广泛，如图2所示为工具坐标系和大地坐标系对比下的直线运动方式和绕Z轴旋转运动方式。在直线运动下需要将法兰盘放入目标点，如果是大地坐标系，那么Z轴永远垂直向下，那么将很难将法兰盘放入倾斜的目标点位中。

    如果将机器人的坐标系转换为工具坐标系，只需要将工具保持和目标点平行，那么工具Z轴将正对目标点，沿着工具坐标系直线向下很容易将法兰装入目标点。绕Z轴旋转运动在两种坐标系下也有很大的差别，绕大地Z轴旋转将会产生一个大圆，而转换为工具坐标系后就只会绕着工具Z轴进行自转运动。在应用过程中应该注意在合适的位置使用合适的坐标系，就可以比较顺利的完成工作任务。工具坐标系的使用不只是Z轴一个方向，同样的X，Y轴也可以使用这样的操作的方式，在一个作业中如果顺着工具的X轴方向可以完成动作，就要将大地坐标系转换为工具坐标系，然后根据示教器的提示沿着X轴方向进行移动，就可以顺着X轴进行运动了，Y轴也是一样的。

    3 工件坐标系的标定及应用

    工件坐标系也叫用户坐标系，就是用户自己定义的坐标系。工件坐标系相比较于工具坐标系，在工业生产中应用的更多一点。工件坐标系可以完成批量生产过程中的工件路径规划和位置发生变化时工件的表面路径规划，为喷漆，上色等工业工艺提供了很大的便利，在斜面上绘图也采用工件坐标系，只需要将工件坐标系标定在一个斜面上，那么机器人的末端执行器动作就会沿着斜面的角度进行移动，非常方便从而解决斜面作业的困难。位置发生改变的作业也可以使用工件坐标系，只需要重新定义一个工件坐标系，然后将原坐标系和新坐标系的偏移计算出来，就可以利用原点位进行轨迹的示教。

    工件坐标系标定首先在程序数据里面找到Wobjdata这个程序数据，然后新建坐标系，再对其进行编辑定义，这里与工具坐标系如出一辙，然后采用三点法的方式，在工作台上可以任意的标定一个工件坐标系。标定的时候首先选定坐标原点位置，然后将机器人运动到原点位置进行示教，然后需要确定X轴正方向，选定X正方向由用户自己定义，接下来选定Y轴正方向，其中XY正方向根据右手定则来选，确定右手定则之后那么Z轴正方向就会确定，这样一个工件坐标系就定义好了。工件坐标系的应用主要分为三种如下：

    3.1 斜面绘图

    在一个倾斜的平面上进行绘图如图3所示，需要用到工件坐标系，将斜面放置好，在斜面上任意找一个点作为原点O。

    在O点进行X轴正方向的标定和Y轴正方向的标定，建立一个工件坐标系。利用这个新建的工件坐标系，让机器人沿着X轴方向移动和Y轴方向移动，会发现机器人末端执行器的工作平面就是斜面，因此在斜面上工作的话利用此坐标系可以方便的进行作业。在斜面上进行坐标系标定的时候应该特别注意，因为是在大地坐标系下进行工件坐标的标定，那么一定要注意原点的位置和X轴或者Y轴正方向的位置一定要与斜面处在同一距离，让原点和XY构成的平面一定平行于斜面，否则工件坐标系将会出现偏移效应，出现点位偏差，从而影响工程作业。如果在大地坐标系下进行动作，那么此时Y轴方向将会是水平进行移动，不会沿着斜面进行运动，绘图工作比较困难。

    3.2 重复工作

    图4为在多个相同的工件下的工件坐标系的应用，如图中所示A为大地坐标系，B为工件1坐标系，C为工件2坐标系。该机器人工作环境为给两个工件进行表面处理。当在B坐标系下完成工件1的所有点位示教后，就可以利用工件坐标系的转换进行工件2的点位示教。计算出坐标系B和坐标系C的偏移量，那么只需要将工件1的所有点位复制到坐标系C下就可以实现工件2的点位示教。利用该方法只需要将一个工件进行手动示教，其他的工件标定好坐标系之后进行偏移量的计算，然后将所有点进行复制就可以完成相同工件的表面处理。此处的工件数量是不受限制的。

    3.3 位置变换工作

    图5为同一个工件在不同时刻下的不同位置，B为位置A的工件坐标系，D为位置C的工件坐标系，在A位置B坐标系下对工件进行轨迹示教并编写程序，当位置变换为C时标定工件坐标系D，然后计算出坐标系B和坐标系D的偏移量，那么只需要将在A位置B坐标系下示教的点位复制到D坐标系下就可以完成对位置C的轨迹示教，这样就可以在工业生产中很容易实现不同位置的工件工作。同样的无论这个工件进行了多少次的位置变换都可以采用方法快速地实现位置变换后的工件轨迹示教。

    4 结论

    本文重点讨论了工具坐标系和工件坐标系标定及应用。并针对不同工业场景下的工具工件坐标系进行了对比应用说明，工具坐标系作为工业机器人末端执行器的基准坐标系，在标定过程中应该严格把握标定点的准确度，并在应用中能及时地进行工具坐标系的转变已满足能高速有效地完成工业机器人手动示教工作。工件坐标系标定应针对不同工件进行准确的三点法示教，选取合适的原点位置。应用工件坐标系的环境主要分为斜面、重复和位置变换，能有效地进行工件坐标的选取置换将决定工业生产的效率。

    参考文献：

    [1]王志强.工业机器人应用编程初级ABB.高等教育出版社，2020.

    [2]陈佩云.我国工业机器人现状与发展[J].机器人技术与应用，2013：1-6.