弧焊機(jī)器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定方法

袁有德

威海職業(yè)學(xué)院交通工程系，山東 威海 264210

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弧焊機(jī)器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定方法

袁有德

威海職業(yè)學(xué)院交通工程系，山東 威海 264210

本文以ABBIRB1410型弧焊機(jī)器人為例介紹工業(yè)機(jī)器人常見的坐標(biāo)系及相互關(guān)聯(lián)性；介紹六點(diǎn)法標(biāo)定工具坐標(biāo)系的標(biāo)定原理及操作步驟。

工業(yè)機(jī)器人；坐標(biāo)系；六點(diǎn)法

目前，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中并扮演重要角色，在未來的工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器設(shè)備的自動(dòng)化、智能化將成為工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。為了適應(yīng)不用的應(yīng)用領(lǐng)域，機(jī)器人手臂末端為機(jī)械接口，并配置一個(gè)法蘭盤用于安裝各種機(jī)械工具。就焊機(jī)器人就是在工業(yè)機(jī)器人的法蘭盤上安裝各種焊槍，用于工業(yè)生產(chǎn)中焊接的操作。弧焊機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)，根據(jù)機(jī)器人本體型號(hào)的不同，一般具有三個(gè)或以上可編程的軸，主要用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域。在弧焊機(jī)器人使中用到若干坐標(biāo)系，每一坐標(biāo)系都適用于特定類型的微動(dòng)控制或編程[1]。規(guī)定不同坐標(biāo)系的目的在于對機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃和編程時(shí)提供一種標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)，以便被主機(jī)識(shí)別并作出相應(yīng)動(dòng)作。

一、弧焊機(jī)器人的坐標(biāo)系

弧焊機(jī)器人使用若干坐標(biāo)系，主要包括世界坐標(biāo)系(現(xiàn)場坐標(biāo)系或全局坐標(biāo)系)、機(jī)器人基坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系等。

(一)世界坐標(biāo)系：世界坐標(biāo)系是一種笛卡爾坐標(biāo)系，它類似于一般數(shù)控機(jī)床的機(jī)床坐標(biāo)系。它包括原點(diǎn)和符合右手定則的XYZ三個(gè)坐標(biāo)軸[2]。其他所有坐標(biāo)系都以世界坐標(biāo)系為參考基準(zhǔn)，在世界坐標(biāo)系下可以方便、完整地表達(dá)裝配環(huán)境中的各種設(shè)備、工裝及裝配對象間的相互位置關(guān)系。

(二)基坐標(biāo)系：位于機(jī)器人基座。它是最便于機(jī)器人從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置的坐標(biāo)系?；鴺?biāo)系在機(jī)器人基座中有相應(yīng)的零點(diǎn)，這使固定安裝的機(jī)器人的移動(dòng)具有可預(yù)測性。因此它對于將機(jī)器人從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置很有幫助。

(三)工具坐標(biāo)系：對工業(yè)機(jī)器人來說，裝備的工具不同，就需要標(biāo)定不同的工具坐標(biāo)系。工具坐標(biāo)系是用來定義機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)所使用工具的空間位置。工具坐標(biāo)系將設(shè)備工具中心點(diǎn)設(shè)為零點(diǎn)，并據(jù)此定義工具的位置和方向。工具坐標(biāo)系通常被縮寫為TCPF(Tool Center Point Frame)，而工具坐標(biāo)系中心縮寫為TCP(Tool Center Point)[3]?；『笝C(jī)器人的TCP點(diǎn)就是焊絲端頭，也是弧焊機(jī)器人需要控制的關(guān)鍵點(diǎn)。在執(zhí)行程序時(shí)，機(jī)器人就是將TCP移至需要編程的預(yù)設(shè)位置。

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

(五)大地坐標(biāo)系：大地坐標(biāo)系在工作單元中的固定位置有其相應(yīng)的零點(diǎn)，在標(biāo)定若干個(gè)機(jī)器人或由外軸移動(dòng)的機(jī)器人時(shí)常常用到。一般在默認(rèn)的情況下，大地坐標(biāo)系和基坐標(biāo)系是相同的。

二、工具坐標(biāo)系的標(biāo)定

以ABBIRB1410型弧焊機(jī)器人為例，介紹工具坐標(biāo)系的標(biāo)定方法。機(jī)器人采用ABB公司生產(chǎn)的IRB1410型工業(yè)機(jī)器人，IRC5控制器；焊機(jī)配置北京時(shí)代公司生產(chǎn)的TDN3500數(shù)字氣保焊機(jī)。機(jī)器人自帶工具坐標(biāo)系tool0，其定義的TCP點(diǎn)為第六軸的法蘭盤中心。在六軸安裝焊槍后應(yīng)重新標(biāo)定工具坐標(biāo)系。這里采用六點(diǎn)法標(biāo)定，具體操作步驟如下：

(一)將控制柜上的機(jī)器人狀態(tài)鑰匙切換到中間的手動(dòng)限速狀態(tài)，在狀態(tài)欄中確認(rèn)機(jī)器人狀態(tài)已切換為“手動(dòng)”。

(二)在示教器中，選擇ABB主菜單中的“手動(dòng)操縱”后，單擊“工具坐標(biāo)”。

(三)單擊“新建”，新工具坐標(biāo)系命名為“tool1”。

(四)單擊“初始值”在初始值的參數(shù)中，需要手動(dòng)輸入焊槍的有關(guān)參數(shù)。如“msaa”表示焊槍的重量，本系統(tǒng)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(jī)器人系統(tǒng)中的偏移量為(100，0，100)。輸入焊槍參數(shù)完畢后點(diǎn)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(diǎn)標(biāo)定法。

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

(七)同理，改變焊槍姿態(tài)，手動(dòng)操縱機(jī)器人TCP點(diǎn)無限接近設(shè)定的參考點(diǎn)后，分別記錄下點(diǎn)2和點(diǎn)3。

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

(九)在線性模式下，操縱機(jī)器人TCP點(diǎn)從第四點(diǎn)沿設(shè)定的X方向移動(dòng)一段距離后，記錄為5點(diǎn)(即延伸器點(diǎn)X)。

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

(十一)六點(diǎn)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(biāo)系tool1標(biāo)定完成?？梢酝ㄟ^手動(dòng)重定位模式驗(yàn)證工具坐標(biāo)系是否設(shè)定準(zhǔn)確。具體步驟是將弧焊機(jī)器人TCP點(diǎn)靠近參考點(diǎn)，在重定位模式下，操縱搖桿移動(dòng)機(jī)器人，檢查TCP點(diǎn)的偏移量，偏移量越小，表明標(biāo)定的坐標(biāo)系越準(zhǔn)確，反之，表示誤差越大。

三、工具坐標(biāo)系標(biāo)定中注意的問題

采用六點(diǎn)法標(biāo)定工具坐標(biāo)系時(shí)應(yīng)注意以下問題：

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

(二)空間參考點(diǎn)的選擇要在機(jī)器人的工作區(qū)域內(nèi)，且方便機(jī)器人以不同的姿態(tài)到達(dá)該空間點(diǎn)。

(三)在標(biāo)定前三個(gè)點(diǎn)時(shí)，需要改變焊槍的姿態(tài)，讓焊槍以是三個(gè)不同的姿態(tài)來靠近參考點(diǎn)，三個(gè)記錄點(diǎn)上焊槍姿態(tài)相差越大，標(biāo)定的工具坐標(biāo)系準(zhǔn)確度越高。

(四)標(biāo)定第五點(diǎn)和第六點(diǎn)時(shí)，為保證準(zhǔn)確度，推薦在線性模式下操縱機(jī)器人，不建議使用單軸模式。

[1]何京文，謝美蓉.代春濤焊接機(jī)器人工作站應(yīng)用研究制造技術(shù)研究[J].制造技術(shù)研究，2008.

[2]谷鳴宇.六自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析及仿真.吉林大學(xué)，2005.

[3]范守文.機(jī)器人工作空間分析的解析法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2004.

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