工業(yè)機(jī)器人工具及工件坐標(biāo)系的應(yīng)用

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摘要:本文根據(jù)工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系原理，討論了工具坐標(biāo)系標(biāo)定和工件坐標(biāo)系的標(biāo)定，并對(duì)工具坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系的應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比和工件坐標(biāo)系三種應(yīng)用環(huán)境作以說明，使得在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中怎樣合適的去轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系變得更加方便。

關(guān)鍵詞:工具坐標(biāo)系;工件坐標(biāo)系;轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系

1緒論

工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)系應(yīng)用非常廣泛，特別是工具坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)頻繁的使用，包括坐標(biāo)系的偏移及坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換等，本文從工具坐標(biāo)系的標(biāo)定驗(yàn)證，工件坐標(biāo)系的標(biāo)定驗(yàn)證及工具坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換三個(gè)方面出發(fā)，討論驗(yàn)證工具及工件坐標(biāo)系的應(yīng)用方法。工具坐標(biāo)系采用的是六點(diǎn)法TCP和Z，X的標(biāo)定方法，其應(yīng)用可以在工具坐標(biāo)的三個(gè)方向上進(jìn)行拓展，機(jī)器人在任何時(shí)候只會(huì)跟蹤工具坐標(biāo)系的X，Y，Z軸，因此當(dāng)工業(yè)上需要進(jìn)行一些特殊操作時(shí)就可以利用工具坐標(biāo)系進(jìn)行點(diǎn)位的示教。工件坐標(biāo)系的標(biāo)定采用的是3點(diǎn)法，通過坐標(biāo)原點(diǎn)和X軸正方向，Y軸正方向3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，工件坐標(biāo)系的用途非常廣發(fā)，本文主要討論了其三種用法，分別是進(jìn)行斜面繪圖、重復(fù)性工作及工件位置改變的作業(yè)，通過這三種方法的討論可以在工業(yè)生產(chǎn)中有效的進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換和選取，達(dá)到事半功倍的目的。

2工具坐標(biāo)系的標(biāo)定及應(yīng)用

在工業(yè)機(jī)器人的使用過程中，工具坐標(biāo)系通常采用默認(rèn)的工具坐標(biāo)，但是因?yàn)橐恍┨厥獾淖鳂I(yè)，需要重新建立工具坐標(biāo)并進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定工具坐標(biāo)系首先在程序數(shù)據(jù)里面找到tooldata這個(gè)數(shù)據(jù)，然后新建坐標(biāo)系，再對(duì)其進(jìn)行編輯定義，采用TCP和Z，X的方法進(jìn)行6個(gè)點(diǎn)的標(biāo)定。此時(shí)應(yīng)該盡量選取位姿差距比較大的位置進(jìn)行標(biāo)定示教，在這里應(yīng)該注意，因?yàn)楣ぞ咦鴺?biāo)系是采用的標(biāo)定工具進(jìn)行標(biāo)定的那么選取點(diǎn)位標(biāo)定時(shí)，一定要將機(jī)器人的各種姿態(tài)盡量的出現(xiàn)在TCP的四個(gè)點(diǎn)中，否則會(huì)出現(xiàn)工具的末端點(diǎn)出現(xiàn)偏移，在驗(yàn)證的環(huán)節(jié)會(huì)發(fā)現(xiàn)工具的坐標(biāo)系不停的進(jìn)行移動(dòng)。影響后面的作業(yè)。建立完成之后，將示教器的界面調(diào)整到手動(dòng)操作界面，將坐標(biāo)系變成工具坐標(biāo)系，選定新建的坐標(biāo)系，(此時(shí)若發(fā)現(xiàn)無法選定坐標(biāo)系那么需要將建立的工具坐標(biāo)系的載荷量MASS改為正值即可)然后將運(yùn)行方式改為重定位動(dòng)作，如果機(jī)器人末端執(zhí)行器在XYZ三個(gè)方向操作下，一直繞著一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖1所示，則工具坐標(biāo)系完成。如果運(yùn)行過程中沒有繞著一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，那么該工具坐標(biāo)系的標(biāo)定不正確。工具坐標(biāo)系的應(yīng)用非常廣泛，如圖2所示為工具坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系對(duì)比下的直線運(yùn)動(dòng)方式和繞Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式。在直線運(yùn)動(dòng)下需要將法蘭盤放入目標(biāo)點(diǎn)，如果是大地坐標(biāo)系，那么Z軸永遠(yuǎn)垂直向下，那么將很難將法蘭盤放入傾斜的目標(biāo)點(diǎn)位中。如果將機(jī)器人的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為工具坐標(biāo)系，只需要將工具保持和目標(biāo)點(diǎn)平行，那么工具Z軸將正對(duì)目標(biāo)點(diǎn)，沿著工具坐標(biāo)系直線向下很容易將法蘭裝入目標(biāo)點(diǎn)。繞Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在兩種坐標(biāo)系下也有很大的差別，繞大地Z軸旋轉(zhuǎn)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大圓，而轉(zhuǎn)換為工具坐標(biāo)系后就只會(huì)繞著工具Z軸進(jìn)行自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在應(yīng)用過程中應(yīng)該注意在合適的位置使用合適的坐標(biāo)系，就可以比較順利的完成工作任務(wù)。工具坐標(biāo)系的使用不只是Z軸一個(gè)方向，同樣的X，Y軸也可以使用這樣的操作的方式，在一個(gè)作業(yè)中如果順著工具的X軸方向可以完成動(dòng)作，就要將大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為工具坐標(biāo)系，然后根據(jù)示教器的提示沿著X軸方向進(jìn)行移動(dòng)，就可以順著X軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)了，Y軸也是一樣的。

3工件坐標(biāo)系的標(biāo)定及應(yīng)用

工件坐標(biāo)系也叫用戶坐標(biāo)系，就是用戶自己定義的坐標(biāo)系。工件坐標(biāo)系相比較于工具坐標(biāo)系，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的更多一點(diǎn)。工件坐標(biāo)系可以完成批量生產(chǎn)過程中的工件路徑規(guī)劃和位置發(fā)生變化時(shí)工件的表面路徑規(guī)劃，為噴漆，上色等工業(yè)工藝提供了很大的便利，在斜面上繪圖也采用工件坐標(biāo)系，只需要將工件坐標(biāo)系標(biāo)定在一個(gè)斜面上，那么機(jī)器人的末端執(zhí)行器動(dòng)作就會(huì)沿著斜面的角度進(jìn)行移動(dòng)，非常方便從而解決斜面作業(yè)的困難。位置發(fā)生改變的作業(yè)也可以使用工件坐標(biāo)系，只需要重新定義一個(gè)工件坐標(biāo)系，然后將原坐標(biāo)系和新坐標(biāo)系的偏移計(jì)算出來，就可以利用原點(diǎn)位進(jìn)行軌跡的示教。工件坐標(biāo)系標(biāo)定首先在程序數(shù)據(jù)里面找到Wobjdata這個(gè)程序數(shù)據(jù)，然后新建坐標(biāo)系，再對(duì)其進(jìn)行編輯定義，這里與工具坐標(biāo)系如出一轍，然后采用三點(diǎn)法的方式，在工作臺(tái)上可以任意的標(biāo)定一個(gè)工件坐標(biāo)系。標(biāo)定的時(shí)候首先選定坐標(biāo)原點(diǎn)位置，然后將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到原點(diǎn)位置進(jìn)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(jù)右手定則來選，確定右手定則之后那么Z軸正方向就會(huì)確定，這樣一個(gè)工件坐標(biāo)系就定義好了。工件坐標(biāo)系的應(yīng)用主要分為三種如下:

3．1斜面繪圖

在一個(gè)傾斜的平面上進(jìn)行繪圖如圖3所示，需要用到工件坐標(biāo)系，將斜面放置好，在斜面上任意找一個(gè)點(diǎn)作為原點(diǎn)O。在O點(diǎn)進(jìn)行X軸正方向的標(biāo)定和Y軸正方向的標(biāo)定，建立一個(gè)工件坐標(biāo)系。利用這個(gè)新建的工件坐標(biāo)系，讓機(jī)器人沿著X軸方向移動(dòng)和Y軸方向移動(dòng)，會(huì)發(fā)現(xiàn)機(jī)器人末端執(zhí)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(biāo)系可以方便的進(jìn)行作業(yè)。在斜面上進(jìn)行坐標(biāo)系標(biāo)定的時(shí)候應(yīng)該特別注意，因?yàn)槭窃诖蟮刈鴺?biāo)系下進(jìn)行工件坐標(biāo)的標(biāo)定，那么一定要注意原點(diǎn)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(diǎn)和XY構(gòu)成的平面一定平行于斜面，否則工件坐標(biāo)系將會(huì)出現(xiàn)偏移效應(yīng)，出現(xiàn)點(diǎn)位偏差，從而影響工程作業(yè)。如果在大地坐標(biāo)系下進(jìn)行動(dòng)作，那么此時(shí)Y軸方向?qū)?huì)是水平進(jìn)行移動(dòng)，不會(huì)沿著斜面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，繪圖工作比較困難。

3．2重復(fù)工作

圖4為在多個(gè)相同的工件下的工件坐標(biāo)系的應(yīng)用，如圖中所示A為大地坐標(biāo)系，B為工件1坐標(biāo)系，C為工件2坐標(biāo)系。該機(jī)器人工作環(huán)境為給兩個(gè)工件進(jìn)行表面處理。當(dāng)在B坐標(biāo)系下完成工件1的所有點(diǎn)位示教后，就可以利用工件坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換進(jìn)行工件2的點(diǎn)位示教。計(jì)算出坐標(biāo)系B和坐標(biāo)系C的偏移量，那么只需要將工件1的所有點(diǎn)位復(fù)制到坐標(biāo)系C下就可以實(shí)現(xiàn)工件2的點(diǎn)位示教。利用該方法只需要將一個(gè)工件進(jìn)行手動(dòng)示教，其他的工件標(biāo)定好坐標(biāo)系之后進(jìn)行偏移量的計(jì)算，然后將所有點(diǎn)進(jìn)行復(fù)制就可以完成相同工件的表面處理。此處的工件數(shù)量是不受限制的。

3．3位置變換工作

圖5為同一個(gè)工件在不同時(shí)刻下的不同位置，B為位置A的工件坐標(biāo)系，D為位置C的工件坐標(biāo)系，在A位置B坐標(biāo)系下對(duì)工件進(jìn)行軌跡示教并編寫程序，當(dāng)位置變換為C時(shí)標(biāo)定工件坐標(biāo)系D，然后計(jì)算出坐標(biāo)系B和坐標(biāo)系D的偏移量，那么只需要將在A位置B坐標(biāo)系下示教的點(diǎn)位復(fù)制到D坐標(biāo)系下就可以完成對(duì)位置C的軌跡示教，這樣就可以在工業(yè)生產(chǎn)中很容易實(shí)現(xiàn)不同位置的工件工作。同樣的無論這個(gè)工件進(jìn)行了多少次的位置變換都可以采用方法快速地實(shí)現(xiàn)位置變換后的工件軌跡示教。

4結(jié)論

本文重點(diǎn)討論了工具坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系標(biāo)定及應(yīng)用。并針對(duì)不同工業(yè)場(chǎng)景下的工具工件坐標(biāo)系進(jìn)行了對(duì)比應(yīng)用說明，工具坐標(biāo)系作為工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，在標(biāo)定過程中應(yīng)該嚴(yán)格把握標(biāo)定點(diǎn)的準(zhǔn)確度，并在應(yīng)用中能及時(shí)地進(jìn)行工具坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)變已滿足能高速有效地完成工業(yè)機(jī)器人手動(dòng)示教工作。工件坐標(biāo)系標(biāo)定應(yīng)針對(duì)不同工件進(jìn)行準(zhǔn)確的三點(diǎn)法示教，選取合適的原點(diǎn)位置。應(yīng)用工件坐標(biāo)系的環(huán)境主要分為斜面、重復(fù)和位置變換，能有效地進(jìn)行工件坐標(biāo)的選取置換將決定工業(yè)生產(chǎn)的效率。

參考文獻(xiàn):

［1］王志強(qiáng)．工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程初級(jí)ABB．高等教育出版社，2020．

［2］陳佩云．我國(guó)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀與發(fā)展［J］．機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2013:1-6．87

作者：李培東 單位：楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院