工業機器人中工具坐標系與工件坐標系的應用

李培東

摘 要：本文根據工業機器人坐標系原理，討論了工具坐標系標定和工件坐標系的標定，并對工具坐標系與大地坐標系的應用進行了對比和工件坐標系三種應用環境作以說明，使得在工業生產環境中怎樣合適的去轉換坐標系變得更加方便。

關鍵詞：工具坐標系;工件坐標系;轉換坐標系

1 緒論

工業機器人的坐標系應用非常廣泛，特別是工具坐標系和工件坐標系的應用在工業生產中會頻繁的使用，包括坐標系的偏移及坐標系的轉換等，本文從工具坐標系的標定驗證，工件坐標系的標定驗證及工具坐標系的轉換三個方面出發，討論驗證工具及工件坐標系的應用方法。工具坐標系采用的是六點法TCP和Z，X的標定方法，其應用可以在工具坐標的三個方向上進行拓展，機器人在任何時候只會跟蹤工具坐標系的X，Y，Z軸，因此當工業上需要進行一些特殊操作時就可以利用工具坐標系進行點位的示教。工件坐標系的標定采用的是3點法，通過坐標原點和X軸正方向，Y軸正方向3個點進行標定，工件坐標系的用途非常廣發，本文主要討論了其三種用法，分別是進行斜面繪圖、重復性工作及工件位置改變的作業，通過這三種方法的討論可以在工業生產中有效的進行坐標系的轉換和選取，達到事半功倍的目的。

2 工具坐標系的標定及應用

在工業機器人的使用過程中，工具坐標系通常采用默認的工具坐標，但是因為一些特殊的作業，需要重新建立工具坐標并進行標定，標定工具坐標系首先在程序數據里面找到tooldata這個數據，然后新建坐標系，再對其進行編輯定義，采用TCP和Z，X的方法進行6個點的標定。此時應該盡量選取位姿差距比較大的位置進行標定示教，在這里應該注意，因為工具坐標系是采用的標定工具進行標定的那么選取點位標定時，一定要將機器人的各種姿態盡量的出現在TCP的四個點中，否則會出現工具的末端點出現偏移，在驗證的環節會發現工具的坐標系不停的進行移動。影響后面的作業。建立完成之后，將示教器的界面調整到手動操作界面，將坐標系變成工具坐標系，選定新建的坐標系，（此時若發現無法選定坐標系那么需要將建立的工具坐標系的載荷量MASS改為正值即可）然后將運行方式改為重定位動作，如果機器人末端執行器在XYZ三個方向操作下，一直繞著一點運動，如圖1所示，則工具坐標系完成。如果運行過程中沒有繞著一個點進行運動，那么該工具坐標系的標定不正確。

工具坐標系的應用非常廣泛，如圖2所示為工具坐標系和大地坐標系對比下的直線運動方式和繞Z軸旋轉運動方式。在直線運動下需要將法蘭盤放入目標點，如果是大地坐標系，那么Z軸永遠垂直向下，那么將很難將法蘭盤放入傾斜的目標點位中。

如果將機器人的坐標系轉換為工具坐標系，只需要將工具保持和目標點平行，那么工具Z軸將正對目標點，沿著工具坐標系直線向下很容易將法蘭裝入目標點。繞Z軸旋轉運動在兩種坐標系下也有很大的差別，繞大地Z軸旋轉將會產生一個大圓，而轉換為工具坐標系后就只會繞著工具Z軸進行自轉運動。在應用過程中應該注意在合適的位置使用合適的坐標系，就可以比較順利的完成工作任務。工具坐標系的使用不只是Z軸一個方向，同樣的X，Y軸也可以使用這樣的操作的方式，在一個作業中如果順著工具的X軸方向可以完成動作，就要將大地坐標系轉換為工具坐標系，然后根據示教器的提示沿著X軸方向進行移動，就可以順著X軸進行運動了，Y軸也是一樣的。

3 工件坐標系的標定及應用

工件坐標系也叫用戶坐標系，就是用戶自己定義的坐標系。工件坐標系相比較于工具坐標系，在工業生產中應用的更多一點。工件坐標系可以完成批量生產過程中的工件路徑規劃和位置發生變化時工件的表面路徑規劃，為噴漆，上色等工業工藝提供了很大的便利，在斜面上繪圖也采用工件坐標系，只需要將工件坐標系標定在一個斜面上，那么機器人的末端執行器動作就會沿著斜面的角度進行移動，非常方便從而解決斜面作業的困難。位置發生改變的作業也可以使用工件坐標系，只需要重新定義一個工件坐標系，然后將原坐標系和新坐標系的偏移計算出來，就可以利用原點位進行軌跡的示教。

工件坐標系標定首先在程序數據里面找到Wobjdata這個程序數據，然后新建坐標系，再對其進行編輯定義，這里與工具坐標系如出一轍，然后采用三點法的方式，在工作臺上可以任意的標定一個工件坐標系。標定的時候首先選定坐標原點位置，然后將機器人運動到原點位置進行示教，然后需要確定X軸正方向，選定X正方向由用戶自己定義，接下來選定Y軸正方向，其中XY正方向根據右手定則來選，確定右手定則之后那么Z軸正方向就會確定，這樣一個工件坐標系就定義好了。工件坐標系的應用主要分為三種如下：

3.1 斜面繪圖

在一個傾斜的平面上進行繪圖如圖3所示，需要用到工件坐標系，將斜面放置好，在斜面上任意找一個點作為原點O。

在O點進行X軸正方向的標定和Y軸正方向的標定，建立一個工件坐標系。利用這個新建的工件坐標系，讓機器人沿著X軸方向移動和Y軸方向移動，會發現機器人末端執行器的工作平面就是斜面，因此在斜面上工作的話利用此坐標系可以方便的進行作業。在斜面上進行坐標系標定的時候應該特別注意，因為是在大地坐標系下進行工件坐標的標定，那么一定要注意原點的位置和X軸或者Y軸正方向的位置一定要與斜面處在同一距離，讓原點和XY構成的平面一定平行于斜面，否則工件坐標系將會出現偏移效應，出現點位偏差，從而影響工程作業。如果在大地坐標系下進行動作，那么此時Y軸方向將會是水平進行移動，不會沿著斜面進行運動，繪圖工作比較困難。

3.2 重復工作

圖4為在多個相同的工件下的工件坐標系的應用，如圖中所示A為大地坐標系，B為工件1坐標系，C為工件2坐標系。該機器人工作環境為給兩個工件進行表面處理。當在B坐標系下完成工件1的所有點位示教后，就可以利用工件坐標系的轉換進行工件2的點位示教。計算出坐標系B和坐標系C的偏移量，那么只需要將工件1的所有點位復制到坐標系C下就可以實現工件2的點位示教。利用該方法只需要將一個工件進行手動示教，其他的工件標定好坐標系之后進行偏移量的計算，然后將所有點進行復制就可以完成相同工件的表面處理。此處的工件數量是不受限制的。

3.3 位置變換工作

圖5為同一個工件在不同時刻下的不同位置，B為位置A的工件坐標系，D為位置C的工件坐標系，在A位置B坐標系下對工件進行軌跡示教并編寫程序，當位置變換為C時標定工件坐標系D，然后計算出坐標系B和坐標系D的偏移量，那么只需要將在A位置B坐標系下示教的點位復制到D坐標系下就可以完成對位置C的軌跡示教，這樣就可以在工業生產中很容易實現不同位置的工件工作。同樣的無論這個工件進行了多少次的位置變換都可以采用方法快速地實現位置變換后的工件軌跡示教。

4 結論

本文重點討論了工具坐標系和工件坐標系標定及應用。并針對不同工業場景下的工具工件坐標系進行了對比應用說明，工具坐標系作為工業機器人末端執行器的基準坐標系，在標定過程中應該嚴格把握標定點的準確度，并在應用中能及時地進行工具坐標系的轉變已滿足能高速有效地完成工業機器人手動示教工作。工件坐標系標定應針對不同工件進行準確的三點法示教，選取合適的原點位置。應用工件坐標系的環境主要分為斜面、重復和位置變換，能有效地進行工件坐標的選取置換將決定工業生產的效率。

參考文獻：

[1]王志強.工業機器人應用編程初級ABB.高等教育出版社，2020.

[2]陳佩云.我國工業機器人現狀與發展[J].機器人技術與應用，2013：1-6.