基于工業機器人TCP 技術應用與校準的探索與實踐

孟繁秋

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林長春 130011）

0 引言

工作坐標系的原點TCP（Tool Center Point，工具中心點）是機器人軌跡示教、軌跡編程的重要參考點。通過該技術可以靈活的在不同生產線場景中靈活的設定工具坐標，根據機器人所裝載的不同工具設定不同的TCP 便于在軌跡編程和調整中提高效率。另一方面，在機器人發生碰撞或其他意外情況導致工具發生形變，可以通過TCP 坐標校準平移補償的方式快速的完成校準，從而確保機器人的運動軌跡符合生產線的質量要求。

1 TCP 技術是工業機器系統重要應用

1.1 TCP 的應用

生產制造的生產線現場的工業機器人形態大部分是由多個軸構成的機械手臂形式。目前在汽車制造領域應用比較廣泛的機器人系統有KUKA，Fanuc 和ABB 等。機器人應用主要是代替人工自動重復的工作任務，如搬運、焊接和擰緊等，以及人工無法進行作業的特定生產環境，如高溫環境、低溫環境、輻射環境和無塵環境等。機器人運動就需要有相應的坐標系統作為運動方向參考基準坐標系，在工業機器人的操作、編程和投入運行時，坐標系具有重要的意義。

在不同的機器人控制系統中大致都定義了下列坐標系（根據制造體系標準的不同，機器人廠家會有對應不同廠家的標準）：WORLD 世界坐標系、ROBROOT 機器人局部坐標系、BASE基坐標系、FLANGE 法蘭坐標、TOOL 工具坐標系等，雖然各自系統界面有所不同，但是其TCP 技術的應用和設定大體一致。

在機器人工作時通常需要在機器人的末端固定完成響應工作任務的工具，比如焊接機器人的焊槍、涂膠機器人的膠槍、搬運機器人的夾具、壓合機器人的壓頭等。由于各工具的大小、形狀各不相同，這樣就需要在工具坐標系中選擇一個點來代表整個工具，這種技術就是TCP 技術工作坐標系的原點應用。

不同的機器人系統，可以設定的工具坐標數量也有所不同，以KUKA 機器人系統為例，最多可以設定多達32 個工具坐標，極大的方便了生產現場的工藝布局規劃和現場機器人軌跡示教編程，同時為后期的工具更換和升級提供了足夠的預留。

1.2 TCP 的設定

初始狀態的工具中心點是工具坐標系的原點。當以手動或編程的方式讓機器人去接近空間的某一點時，其本質是工具中心點去接近該點。因此可以說機器人的軌跡運動，就是工具中心點的運動。因為同一個機器人可以掛載不同的工具，對不同的工具設定合適的中心點非常重要，因為同一時刻，機器人只能處理一個工具中心點，比如，使用不同尺寸的焊槍，其槍口的位置肯定是不同的；但一次只能用一把焊槍，不能同時用兩個，所以要根據工作場景的不同來設定符合現場實際應用的工具中心點。

通常設定TCP 有兩種基本類型：移動式工具中心點和靜態工具中心點。移動式工具中心點的特點是設定點會隨著工業機器人的手臂的運動而同時運動。例如焊接機器人的焊槍、搬運機器人的夾具等。靜態工具中心點是以工業機器人本體外的某個點作為中心點，機器人攜帶對應的工作物圍繞該點做軌跡運動。例如在部分涂膠工藝中，涂膠槍的噴嘴是固定的，機器人抓取工件繞涂膠槍的噴嘴做軌跡運動，該涂膠槍的噴嘴就是靜態工具中心點。

機器人調試時首先要設置工具數據，其內容包括設置工具中心點、工具的重量和重心。部分品牌機器人系統在出廠時有一個默認的工具數據，以有6 個工作軸的工業機器人型號為例，其定義的TCP 在機器人第6 軸法蘭盤的中心處。在實際生產時調試時，要根據安裝工具的不同、安裝位置的不同，產品換型不同來定義不同工具數據。

設定工具意味著生成一個以工具參照點為原點的坐標系，該參照點被稱為TCP，該坐標系即為工具坐標系。設定通常以工具測量包括的方式完成，可分為TCP 的測量和坐標系姿態或朝向的測量，測量時，工具坐標系到法蘭坐標系的距離（用X、Y 和Z）以及之間的轉角（用角度A、B 和C）被對應的設定工具保存，從而形成新的TCP 從而被應用。在設定時，可以通過X、Y、Z4 點法或直接在對應的機器人系統設定中輸入計算好的至法蘭中心點的距離值（X，Y，Z）和轉角（A，B，C）的姿態來完成設定。

1.3 TCP 技術的優勢

應用TCP 技術，在實際的工程實踐中有著巨大便利和優勢。在不同的工藝設計中，柔性化的生產線設計可以極大的提高生產線利用率，提高生產線投資的精益性，在滿足生產效率的同時可以兼容多個產品型號的生產。所以會出現一個機器人同時攜帶3 個或以上的工具或者存在同一個工位同時生產不同產品的情況，在對機器人的每一個工具以TCP 的方式設定其獨有的工具坐標并進行精確測定后，在實踐中對操作和編程人員會極大的提高生產效率，在完成設定后，可以改善操作人員在手動移動機器人操作時的參考便利性，減少由于不直觀的運動軌跡參考導致在工位中操作造成的位置移動失誤產生的非必要碰撞，間接的可以提升自動化設備的設備開動率和降低維修、維護成本；在工位編程調試階段，完成工作坐標的設定后，可圍繞設定好的工具TCP 來隨意的改變姿態，在產品實物示教編程調整的過程中，沿著設定好的工具TCP 作業方向移動運動編程時，以TCP 定義的姿態可沿著軌跡保持已編程的運行速度精準的將機器人工具安全的移動到作業的可達處，同時可以參照運動空間位置來計算軌跡移動的最優路線，提升自動化生產線的單站生產節拍。

2 TCP 校準和偏差補償

2.1 TCP 偏差產生

在實際的生產過程中，工業機器人的TCP 點在工作過程中會產生偏差。產生偏差的原因有很多，如意外導致的機器人碰撞變形、工具調整造成的位置變化、緊固件松脫造成的位置變動、外部工具點變化，例如：外部設定的工具發生位移或沉降等都會導致TCP 位置的偏差。

在偏差產生后，如果不及時的對偏差進行補償修正，會對工位所生產的產品質量產生影響，尤其是對軌跡精度要求較高的工藝，例如激光釬焊、擰緊、密封涂膠等，嚴重的情況下，還會在機器人運動過程與同工位中的其他生產設備或者產品發生刮擦或者碰撞導致設備損壞和生產停臺損失，增加生產成本和設備維修成本，所以TCP 發生偏差的危害性是及其嚴重的。

2.2 確認是否產生偏差的方法

對于安裝在機器人法蘭上的工具，其工作軌跡是工具中心點TCP 相對于基坐標系的運動軌跡，而TCP 是相對于機器人法蘭坐標系原點通過工具測量計算得出的。在生產現場，更換了工具、發生了碰撞或者更換了影響工具TCP 點的機械零部件，及其所攜帶的工具的TCP 相對于法蘭坐標系原點位置會發生偏差，而控制器仍依照原來的TCP 引導機器人運動，從而表現出機器人軌跡偏移。

在自動化生產線規劃和工程實踐中，通常在機器人所在工位中選取一個穩固位置，設定一個TCP 校準測量點。針對不同的工具，其校準測量點的材料和形式可以根據工具在工作中的定位特性來單獨設計，例如焊鉗類工具就可以采取“刀庫”形式，以機器人所帶的焊槍工具端的焊接電極帽準確入庫作為TCP校準測量的基準點。根據生產線產品質量要求，編制機器人校準UP 子程序，可以將此程序通過PLC 關聯到工位控制面板的功能按鈕，操作者就可以定期對TCP 的精準度進行校準，一旦發現偏差就可以及時的進行校準。

2.3 偏差補償校準

不同廠家品牌的機器人系統都可以通過偏差補償的方法來糾正偏差，不同的汽車廠商也會根據多年的生產線規劃設計經驗來設定相關的標準來進行TCP 偏差補償的校準。以KUKA 機器人系統大眾標準為例，當在校準時發現TCP 發現偏差時，可通過運行機器人TCP 參考程序UP206，測量出機器人TCP 的偏差量和偏差方向，之后根據該偏差量和偏差方向計算出新的TCP 點。讓新的TCP 引導機器人運動，這樣機器人軌跡就不會發生變化。TCP 點的位置可通過系統變量“$tool_data”進行修改。

機器人的編程軌跡如圖1 所示（省略Z 向），假設機器人的編程軌跡為P1（0，0）→P2（1，1），更換工具后TCP 的實際位置從（0，0）變為（1，1）。更換工具后，機器人運行實際軌跡從P1（0，0）→P2（1，1），變為P1（1，1）→P2（2，2），運行軌跡的X 和Y方向各偏＋1。此時只需要把工具TCP 測量值從（0，0）改為（-1，-1），即可保證機器人軌跡不發生改變。在進行具體操作時要對原始值進行記錄，進行TCP 偏差補償時，操作失誤或者中途放棄修改，可以根據記錄保留的數據進行TCP 數值還原，具體操作與偏差補償操作相同。在實際的生產實踐中，這種對TCP 進行偏差補償的方法可以快速的糾正偏差，使得工具坐標針對新的空間位置進行坐標平移，可以快速的完成設定，減少停臺時間，提升自動化設備的開動率。

圖1 機器人的編程軌跡

3 結束語

通過TCP 技術可以使機器人在工程實踐應用中更加靈活，在投產后機器人軌跡日常精度管理更加地完善，保障機器人應用的自動工位能夠更加便利的進行軌跡精度校驗，使工藝質量管理和機器人設備管理工作更加地準確、高效。TCP 技術可以應用在自動化生產線設計、規劃、投產、升級和改造優化的各個階段，保障機器人可以更加便利、多元化的應用到各行業的自動生產線集成中，提高實際使用過程的質量管理和生產效率。