弧焊机器人工具坐标系的标定方法

袁有德

威海职业学院交通工程系，山东 威海 264210



弧焊机器人工具坐标系的标定方法

袁有德

威海职业学院交通工程系，山东 威海 264210

本文以ABBIRB1410型弧焊机器人为例介绍工业机器人常见的坐标系及相互关联性；介绍六点法标定工具坐标系的标定原理及操作步骤。

工业机器人；坐标系；六点法

目前，工业机器人已广泛应用在工业生产的各个领域中并扮演重要角色，在未来的工业生产中，机器设备的自动化、智能化将成为工业发展的必然趋势。为了适应不用的应用领域，机器人手臂末端为机械接口，并配置一个法兰盘用于安装各种机械工具。就焊机器人就是在工业机器人的法兰盘上安装各种焊枪，用于工业生产中焊接的操作。弧焊机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机，根据机器人本体型号的不同，一般具有三个或以上可编程的轴，主要用于工业自动化生产领域。在弧焊机器人使中用到若干坐标系，每一坐标系都适用于特定类型的微动控制或编程[1]。规定不同坐标系的目的在于对机器人进行轨迹规划和编程时提供一种标准符号，以便被主机识别并作出相应动作。

一、弧焊机器人的坐标系

弧焊机器人使用若干坐标系，主要包括世界坐标系(现场坐标系或全局坐标系)、机器人基坐标系、工具坐标系、工件坐标系、大地坐标系等。

(一)世界坐标系：世界坐标系是一种笛卡尔坐标系，它类似于一般数控机床的机床坐标系。它包括原点和符合右手定则的XYZ三个坐标轴[2]。其他所有坐标系都以世界坐标系为参考基准，在世界坐标系下可以方便、完整地表达装配环境中的各种设备、工装及装配对象间的相互位置关系。

(二)基坐标系：位于机器人基座。它是最便于机器人从一个位置移动到另一个位置的坐标系。基坐标系在机器人基座中有相应的零点，这使固定安装的机器人的移动具有可预测性。因此它对于将机器人从一个位置移动到另一个位置很有帮助。

(三)工具坐标系：对工业机器人来说，装备的工具不同，就需要标定不同的工具坐标系。工具坐标系是用来定义机器人到达目标点时所使用工具的空间位置。工具坐标系将设备工具中心点设为零点，并据此定义工具的位置和方向。工具坐标系通常被缩写为TCPF(Tool Center Point Frame)，而工具坐标系中心缩写为TCP(Tool Center Point)[3]。弧焊机器人的TCP点就是焊丝端头，也是弧焊机器人需要控制的关键点。在执行程序时，机器人就是将TCP移至需要编程的预设位置。

(四)工件坐标系：工件坐标系和加工的工件有关，可以有多个工件坐标系，通常是最适于对机器人进行编程的坐标系。工件坐标系定义工件相对于大地坐标系(或其他坐标系)的位置。工具坐标系需要分别定义用户框架(与大地基座相关)和工件框架(与用户框架相关)。机器人可以拥有若干个工件坐标系，或者表示不同工件，或者表示同一个工件在不同位置的若干副本。

(五)大地坐标系：大地坐标系在工作单元中的固定位置有其相应的零点，在标定若干个机器人或由外轴移动的机器人时常常用到。一般在默认的情况下，大地坐标系和基坐标系是相同的。

二、工具坐标系的标定

以ABBIRB1410型弧焊机器人为例，介绍工具坐标系的标定方法。机器人采用ABB公司生产的IRB1410型工业机器人，IRC5控制器；焊机配置北京时代公司生产的TDN3500数字气保焊机。机器人自带工具坐标系tool0，其定义的TCP点为第六轴的法兰盘中心。在六轴安装焊枪后应重新标定工具坐标系。这里采用六点法标定，具体操作步骤如下：

(一)将控制柜上的机器人状态钥匙切换到中间的手动限速状态，在状态栏中确认机器人状态已切换为“手动”。

(二)在示教器中，选择ABB主菜单中的“手动操纵”后，单击“工具坐标”。

(三)单击“新建”，新工具坐标系命名为“tool1”。

(四)单击“初始值”在初始值的参数中，需要手动输入焊枪的有关参数。如“msaa”表示焊枪的重量，本系统中输入2kg；在“cog”目录下输入焊枪焊丝头相对于法兰盘中心的位置偏移量，在本机器人系统中的偏移量为(100，0，100)。输入焊枪参数完毕后点击“确定”。

(五)选中“tool1”，单击“编辑”，单击“定义”。在“方法”下拉菜单中选择“TCP和Z，X”，即六点标定法。

(六)在机器人工作区域内选择一空间点作为参考点(比如可以在变位机上放置一个空矿泉水瓶，在瓶盖上插入一个钉子，以钉子尖端作为参考点)，手动操纵机器人，使焊枪以一种常见姿态无限接近参考点。当靠近后，在示教器中选中“点1”，单击“修改位置”，记录下该空间点。

(七)同理，改变焊枪姿态，手动操纵机器人TCP点无限接近设定的参考点后，分别记录下点2和点3。

(八)手动操纵机器人使TCP点垂直并无限接近于设定的参考点，在示教器中选中“点4”，单击“修改位置”，记录下该空间点。

(九)在线性模式下，操纵机器人TCP点从第四点沿设定的X方向移动一段距离后，记录为5点(即延伸器点X)。

(十)手动操纵机器人TCP点从新回到记录的第4点，然后操纵TCP沿设定的Z方向移动一定距离，记录为第6点(即延伸器点Z)。

(十一)六点全部记录后，在示教器窗口中，单击“确定”。

(十二)单击“确定”，工具坐标系tool1标定完成。可以通过手动重定位模式验证工具坐标系是否设定准确。具体步骤是将弧焊机器人TCP点靠近参考点，在重定位模式下，操纵摇杆移动机器人，检查TCP点的偏移量，偏移量越小，表明标定的坐标系越准确，反之，表示误差越大。

三、工具坐标系标定中注意的问题

采用六点法标定工具坐标系时应注意以下问题：

(一)新建工具坐标系后，在初始值中输入的焊枪参数一定要准确，特别是焊丝端口相对于法兰盘中心点的偏移量一定要准确，否者会影响工具坐标系标定的准确性。

(二)空间参考点的选择要在机器人的工作区域内，且方便机器人以不同的姿态到达该空间点。

(三)在标定前三个点时，需要改变焊枪的姿态，让焊枪以是三个不同的姿态来靠近参考点，三个记录点上焊枪姿态相差越大，标定的工具坐标系准确度越高。

(四)标定第五点和第六点时，为保证准确度，推荐在线性模式下操纵机器人，不建议使用单轴模式。

[1]何京文，谢美蓉.代春涛焊接机器人工作站应用研究制造技术研究[J].制造技术研究，2008.

[2]谷鸣宇.六自由度机械手运动学动力学分析及仿真.吉林大学，2005.

[3]范守文.机器人工作空间分析的解析法[J].机械设计与研究，2004.

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