弧焊機器人工具坐標系的標定方法

袁有德

威海職業學院交通工程系，山東 威海 264210

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弧焊機器人工具坐標系的標定方法

袁有德

威海職業學院交通工程系，山東 威海 264210

本文以ABBIRB1410型弧焊機器人為例介紹工業機器人常見的坐標系及相互關聯性；介紹六點法標定工具坐標系的標定原理及操作步驟。

工業機器人；坐標系；六點法

目前，工業機器人已廣泛應用在工業生產的各個領域中并扮演重要角色，在未來的工業生產中，機器設備的自動化、智能化將成為工業發展的必然趨勢。為了適應不用的應用領域，機器人手臂末端為機械接口，并配置一個法蘭盤用于安裝各種機械工具。就焊機器人就是在工業機器人的法蘭盤上安裝各種焊槍，用于工業生產中焊接的操作。弧焊機器人是一種多用途的、可重復編程的自動控制操作機，根據機器人本體型號的不同，一般具有三個或以上可編程的軸，主要用于工業自動化生產領域。在弧焊機器人使中用到若干坐標系，每一坐標系都適用于特定類型的微動控制或編程[1]。規定不同坐標系的目的在于對機器人進行軌跡規劃和編程時提供一種標準符號，以便被主機識別并作出相應動作。

一、弧焊機器人的坐標系

弧焊機器人使用若干坐標系，主要包括世界坐標系(現場坐標系或全局坐標系)、機器人基坐標系、工具坐標系、工件坐標系、大地坐標系等。

(一)世界坐標系：世界坐標系是一種笛卡爾坐標系，它類似于一般數控機床的機床坐標系。它包括原點和符合右手定則的XYZ三個坐標軸[2]。其他所有坐標系都以世界坐標系為參考基準，在世界坐標系下可以方便、完整地表達裝配環境中的各種設備、工裝及裝配對象間的相互位置關系。

(二)基坐標系：位于機器人基座。它是最便于機器人從一個位置移動到另一個位置的坐標系。基坐標系在機器人基座中有相應的零點，這使固定安裝的機器人的移動具有可預測性。因此它對于將機器人從一個位置移動到另一個位置很有幫助。

(三)工具坐標系：對工業機器人來說，裝備的工具不同，就需要標定不同的工具坐標系。工具坐標系是用來定義機器人到達目標點時所使用工具的空間位置。工具坐標系將設備工具中心點設為零點，并據此定義工具的位置和方向。工具坐標系通常被縮寫為TCPF(Tool Center Point Frame)，而工具坐標系中心縮寫為TCP(Tool Center Point)[3]。弧焊機器人的TCP點就是焊絲端頭，也是弧焊機器人需要控制的關鍵點。在執行程序時，機器人就是將TCP移至需要編程的預設位置。

(四)工件坐標系：工件坐標系和加工的工件有關，可以有多個工件坐標系，通常是最適于對機器人進行編程的坐標系。工件坐標系定義工件相對于大地坐標系(或其他坐標系)的位置。工具坐標系需要分別定義用戶框架(與大地基座相關)和工件框架(與用戶框架相關)。機器人可以擁有若干個工件坐標系，或者表示不同工件，或者表示同一個工件在不同位置的若干副本。

(五)大地坐標系：大地坐標系在工作單元中的固定位置有其相應的零點，在標定若干個機器人或由外軸移動的機器人時常常用到。一般在默認的情況下，大地坐標系和基坐標系是相同的。

二、工具坐標系的標定

以ABBIRB1410型弧焊機器人為例，介紹工具坐標系的標定方法。機器人采用ABB公司生產的IRB1410型工業機器人，IRC5控制器；焊機配置北京時代公司生產的TDN3500數字氣保焊機。機器人自帶工具坐標系tool0，其定義的TCP點為第六軸的法蘭盤中心。在六軸安裝焊槍后應重新標定工具坐標系。這里采用六點法標定，具體操作步驟如下：

(一)將控制柜上的機器人狀態鑰匙切換到中間的手動限速狀態，在狀態欄中確認機器人狀態已切換為“手動”。

(二)在示教器中，選擇ABB主菜單中的“手動操縱”后，單擊“工具坐標”。

(三)單擊“新建”，新工具坐標系命名為“tool1”。

(四)單擊“初始值”在初始值的參數中，需要手動輸入焊槍的有關參數。如“msaa”表示焊槍的重量，本系統中輸入2kg；在“cog”目錄下輸入焊槍焊絲頭相對于法蘭盤中心的位置偏移量，在本機器人系統中的偏移量為(100，0，100)。輸入焊槍參數完畢后點擊“確定”。

(五)選中“tool1”，單擊“編輯”，單擊“定義”。在“方法”下拉菜單中選擇“TCP和Z，X”，即六點標定法。

(六)在機器人工作區域內選擇一空間點作為參考點(比如可以在變位機上放置一個空礦泉水瓶，在瓶蓋上插入一個釘子，以釘子尖端作為參考點)，手動操縱機器人，使焊槍以一種常見姿態無限接近參考點。當靠近后，在示教器中選中“點1”，單擊“修改位置”，記錄下該空間點。

(七)同理，改變焊槍姿態，手動操縱機器人TCP點無限接近設定的參考點后，分別記錄下點2和點3。

(八)手動操縱機器人使TCP點垂直并無限接近于設定的參考點，在示教器中選中“點4”，單擊“修改位置”，記錄下該空間點。

(九)在線性模式下，操縱機器人TCP點從第四點沿設定的X方向移動一段距離后，記錄為5點(即延伸器點X)。

(十)手動操縱機器人TCP點從新回到記錄的第4點，然后操縱TCP沿設定的Z方向移動一定距離，記錄為第6點(即延伸器點Z)。

(十一)六點全部記錄后，在示教器窗口中，單擊“確定”。

(十二)單擊“確定”，工具坐標系tool1標定完成。可以通過手動重定位模式驗證工具坐標系是否設定準確。具體步驟是將弧焊機器人TCP點靠近參考點，在重定位模式下，操縱搖桿移動機器人，檢查TCP點的偏移量，偏移量越小，表明標定的坐標系越準確，反之，表示誤差越大。

三、工具坐標系標定中注意的問題

采用六點法標定工具坐標系時應注意以下問題：

(一)新建工具坐標系后，在初始值中輸入的焊槍參數一定要準確，特別是焊絲端口相對于法蘭盤中心點的偏移量一定要準確，否者會影響工具坐標系標定的準確性。

(二)空間參考點的選擇要在機器人的工作區域內，且方便機器人以不同的姿態到達該空間點。

(三)在標定前三個點時，需要改變焊槍的姿態，讓焊槍以是三個不同的姿態來靠近參考點，三個記錄點上焊槍姿態相差越大，標定的工具坐標系準確度越高。

(四)標定第五點和第六點時，為保證準確度，推薦在線性模式下操縱機器人，不建議使用單軸模式。

[1]何京文，謝美蓉.代春濤焊接機器人工作站應用研究制造技術研究[J].制造技術研究，2008.

[2]谷鳴宇.六自由度機械手運動學動力學分析及仿真.吉林大學，2005.

[3]范守文.機器人工作空間分析的解析法[J].機械設計與研究，2004.

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