工業機器人工具參考點裝置的創新設計研究

敖冰峰 楊宏帥 徐 鵬

在工業生產過程中，為了更好地保證工業機器人開展特定工作，就需要對機器人的相關技術進行改進，與此同時，為了更好地提高機器人的專業性，往往在機器人身上加裝各種執行器，用于進行各種特定的操作。例如搬運機器人的爪夾、焊接機器人的焊槍、涂裝機器人的噴槍等，通過在機器人的末端加裝執行器，可以大大提高工業機器人的工作效率，同時還能夠讓機器人的工作更加專業化。由于在工作過程中需要進行移動或者姿態的調整，所以就需要機器人能夠對自身的位置進行適當的調整，從而更好地完成相對應的工作，對此就需要給機器人加裝工具參考點裝置，從而更好地提升機器人的運動與適應能力。

一、工具參考點裝置的意義

在進行工業生產過程中，有很多的操作過程需要有十分精準的定位，只有如此才能夠更好地保證產品的質量，例如在進行焊接工作時，往往需要根據焊接點的位置和特性進行焊接方式和焊接姿勢的調整，在人力焊接的過程中，為了更好地保證工藝的水平，往往會請一些經驗較為豐富的員工進行重要設備的焊接。在一些設備的焊接過程中如果出現抖動或者其他的問題，就會導致整個設備的質量出現問題，甚至導致整個設備無法正常使用，盡管使用機器人進行焊接能夠有效地防止抖動和其他的問題，但是在整個焊接過程中需要不斷地進行焊接姿態的調整，所以需要對工業機器人進行深度的升級與改進，從而大大提高機器人的精準度，所以工具參考點裝置的應用就顯得尤為重要。由此可見，在工業生產過程中，應用機器人進行生產就必須要加裝工具參考點裝置，只有如此才可以更好地保證機器人進行精準的姿態和位置的調整。

在進行裝配時，首先需要對機器人的TCF工具坐標系進行定義，隨后利用控制系統將TCF在坐標系中的具體姿態與位置進行記錄，在完成上述操作之后，機器人設備就能夠實現各種姿態的轉變，同時更好地將加裝在機器人上的工具進行姿態與位置的調整，根據實際的作業需求進行變換，提高機器人的工作效率和適用范圍。在對工具坐標系進行了正確的標定之后，就能夠全面提升機器人的工作效率，不僅可以對作業方向進行改變，從而更好地做出各種多樣化的動作，還能夠對TCP進行引導，從而實現對整個程序指令的改善，幫助機器人改變運動軌跡和運送速度，大大提高了機器人的穩定性。為了更好地保證工業機器人的運行效率，就需要在操作空間設定參照點，通過設定參照點可以大大提高測量的精度，也就是工具參考點裝置進行測定，這一方式在使用的過程中，可以根據測定裝置的不同來選擇相對應的測定點數。

二、工業參考點裝置的功能要求

在進行工業生產過程中，為了保證工作的效率，就需要工業機器人的操作能夠簡單、方便、高效，為了實現這一目標，就需要對工業機器人使用的工具參考點裝置進行優化，只有保證了參考點裝置的安全準確性，才能夠更好地保證工具坐標系的準確性，進而實現整個工作過程準確有效地開展。所以在進行參考點裝置的設計與使用過程中，需要對其進行良好的設計與測試，只有保證各項功能都能夠正常穩定運轉之后，才能將其應用到工業機器人的生產中去。

(一)要保證參照點保持位置不變。在進行測定的過程中如果參照點的位置發生了變化，就會導致整個測定的結果出現錯誤，從而導致機器人做出錯誤的判斷，同時還要保證參照物不會被隨意改變位置，能夠有效抵抗其他事物的干擾，從而保證測定結果的準確性。

(二)保證參照點的可及范圍盡量大。在進行工具坐標系的測定時，需要工具和測定點進行接觸，這就需要參照點能夠盡量放置在較大的可及范圍之內，從而更好地保證工具可以進行接觸。與此同時，還要保證周圍的干擾因素盡量少，避免工具在進行測定的過程中受到影響，從而導致測定的結果出現錯誤。對于參照點而言，還需要保證其自身的干涉區域盡量達到最小。

(三)使用硬度與強度較高的材料制作參照點。由于參照點是能夠多次使用的，所以在進行參照點的生產時，需要選用硬度與耐磨性較好的材料，通過使用這類材料可以保證參照點有更長的使用壽命，不容易出現磨損和變形，保證工具坐標系的測定結果更加精確。

(四)參照點擺放位置要足夠明顯。在進行測定的過程中，往往需要有操作人員進行參照點的更換以及對設備的操作，因此就需要參照點能夠被及時發現和捕捉，在測定完成之后也能夠及時地將測定點進行回收，提高整個測定過程的效率。

(五)參照點抗變形能力要強。在進行工具坐標系的測算過程中，不可避免地會出現操作上的失誤，一旦出現操作上的失誤就可能會導致測定點受到損害，所以在制作測定點時要選用抗變形能力強的材料，即使遇到外力也能夠保證測定點不會損壞。

(六)測定點避免面出現銳邊、尖端。在測定點的使用過程中需要操作人員進行重復的移動，如果在測定點表面存在銳邊或者尖端，就很可能在使用的過程中劃傷操作人員，所以為了保證操作人員的安全，就需要加工測定點時避免出現鋒利的棱角和銳利的邊緣。

(七)要保證零件的結構簡單易加工。在加工工具參考點裝置時，首先需要保證零件的結構簡單易加工，與此同時，還能夠為后期的使用與維護創造極大的便利。通過使用良好的加工工藝，能夠在保證零件性能的同時，提高零件的安裝與使用的便捷程度，大大提高工作效率。

(八)要注重美觀。在進行工具參考點的設計時，要充分考慮機器人工程學的相關要求，保證設備能夠與參考點相互作用，從而精準地實現工具坐標系的確定。保證設備正常運轉的同時，保證參考點裝置的外形美觀，與周圍的環境相呼應形成一種和諧、穩定的氛圍。

三、工業參考點裝置的設計

現階段使用的尖觸頭的參考點裝置在使用過程中有著一定的弊端，一是利用水彩筆作為尖觸頭工具中的畫筆，往往會由于筆尖較粗，導致在使用過程中很難確定精確位置，在利用四點法測定工具坐標系時，往往會由于精確度不夠而產生較大的故障值。二是在初學者的使用過程中，由于操作不夠熟練很容易將尖端與工作臺相撞，導致水彩筆的筆尖損壞，由于更換過程十分復雜也就需要較長的時間，使得操作者無法正常使用工具參考點裝置。為了更好地避免上述問題的出現，對整個測定方法和測定工具進行改進，就需要設計出一款更加簡單高效的參考點裝置。本文針對參考點裝置的功能要求進行了設計，改善現階段存在的問題，并提出兩種可行方案。

方案一：在選材方面選擇金屬材料進行制造，以此來保證參照點的硬度和強度達到相對應的要求，從而更好地避免在使用過程中出現磨損和變形的問題。此外，為了保證參照點的可見性高，所以可以使用顏色較為明顯的金屬材料。例如銀白色的鋁合金材料，既能夠滿足硬度、強度、可見性的要求，還能夠保證設備整體材料的一致性。具體的外形包含底座、圓柱體過渡和圓錐的頂部。這三部分的組合能夠很好地保證結構簡單同時加工工藝性良好的要求，總體的高度為40mm，底座直徑為40mm，能夠充分滿足參考點裝置的功能要求。

方案二：相比較與方案一而言，方案二在材料上不做出改變，以此來保證強度、硬度、可見性的要求。通過對方案一的分析可以發現，方案一設計出來的參考點裝置大小相對較小，因此在方案二的設計中針對這一問題進行了改進，對參考點裝置的底座進行了加高，與此同時在結構上將整體結構改為了裝配式結構，大大提高了參考點裝置的可更換性，各項材料的利用率大大提升，總體的長度也加長到了190mm，底座的直徑擴大為50mm，有著更高的穩定性，即使在與TCP進行了接觸也很難發生位置的改變。

總體來說，方案一在設計上結構更為簡單，但是在使用過程中高度不容易調節，更適合有操作經驗的人員進行使用。方案二在設計結構上相對復雜，對于加工工藝的要求較高需要有著豐富的加工和裝配經驗，制作的周期相對較長，但是無需進行高度調節，適合初學者進行測定工具坐標系的學習。兩個方案各有優略，操作者可以根據自身的喜好和需求進行選擇。

四、工業參考點裝置的應用

對于工業參考點裝置而言，其主要使用用于工具坐標系的測定中，在完成了工具坐標系的測定之后，工業機器人才能夠正常地進行工作，利用測定完成的工具坐標系來實現各種姿態和位置的轉換。在坐標系的幫助下，可以大大擴大工業機器人的應用范圍，利用機器人完成一些難度較高的操作，進而實現工業生產效率和生產質量的提升。

五、結語

在進行機器人工具坐標系的測定時，必須要使用工具參考點裝置來完成，通過對參考點裝置的相關分析，確定了參考點裝置的功能要求，進而提出了兩種設計方案，為工具參考點裝置的進行了優化，不僅在教學與培訓過程中有一定的使用價值，對工業機器人參考點裝置的改進也有一定的促進作用。