工業(yè)機(jī)器人編程快速定點(diǎn)要領(lǐng)

李志謙

【摘 要】機(jī)器人坐標(biāo)定義是其編程定點(diǎn)的關(guān)鍵一環(huán)，既影響機(jī)器人編程技術(shù)員的工作效率也決定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡是否準(zhǔn)確。本文從坐標(biāo)的分類、坐標(biāo)標(biāo)定原則和技巧出發(fā)介紹機(jī)器人坐標(biāo)的使用要素，歸納機(jī)器人編程時(shí)把坐標(biāo)應(yīng)用于定點(diǎn)的要領(lǐng)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器人;坐標(biāo);定點(diǎn)

中圖分類號(hào)： TP242.2-4;G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）01-0026-004

0 引言

隨著《中國發(fā)展2025》的實(shí)施，工業(yè)機(jī)器人成為智能制造中的核心技術(shù)，世界四大機(jī)器人品牌ABB、FANUC、KUKA、YASKAWA以及國內(nèi)眾多機(jī)器人廠商紛紛搶占市場(chǎng)。無論哪一個(gè)牌子的機(jī)器人，其工作原理和控制方式都大同小異，編程指令和方法也是不相上下。每一個(gè)機(jī)器人都有具體的工作對(duì)象和任務(wù)，它每一次的移動(dòng)都是根據(jù)坐標(biāo)值精確定位的。每一款機(jī)器人都提供了多種工作坐標(biāo)的類型以便快速適應(yīng)編程定點(diǎn)，機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)人員掌握坐標(biāo)的示教技巧和建立原則能大大地提高編程定點(diǎn)的效率，為程序的可靠運(yùn)行打下基礎(chǔ)，機(jī)器人技術(shù)的初學(xué)者往往分不清各種坐標(biāo)及其應(yīng)用場(chǎng)合。

1 工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)本質(zhì)

1.1 坐標(biāo)的分類

不同牌子的機(jī)器人同一類坐標(biāo)的名稱叫法不一，但可以歸納為以下四類：關(guān)節(jié)坐標(biāo)、世界坐標(biāo)、用戶坐標(biāo)、工具坐標(biāo)。關(guān)節(jié)坐標(biāo)狀態(tài)用于機(jī)器人各個(gè)軸的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，世界坐標(biāo)是機(jī)器人出廠就已經(jīng)集成在系統(tǒng)上的大地坐標(biāo)，如果不建立用戶坐標(biāo)則世界坐標(biāo)的方向就是用戶坐標(biāo)的方向;用戶坐標(biāo)是機(jī)器人技術(shù)員在編程調(diào)試時(shí)針對(duì)機(jī)器人工作對(duì)象的定點(diǎn)加工而設(shè)立的坐標(biāo)，可以根據(jù)實(shí)際定義多個(gè)用戶坐標(biāo);工具坐標(biāo)是機(jī)器人本體最后一軸安裝的工具上的坐標(biāo)，如果不定義工具坐標(biāo)，對(duì)關(guān)節(jié)機(jī)器人來說工具坐標(biāo)的中心就是機(jī)器人最后一軸的法蘭中心，工具坐標(biāo)是編程必須定義的坐標(biāo)，因?yàn)闄C(jī)器本身不知道它自己安裝的工具大小和長(zhǎng)短，只有通過定義工具坐標(biāo)才能讓機(jī)器人把默認(rèn)的法蘭中心坐標(biāo)遷移到所裝工具上，讓工具能在工作對(duì)象上準(zhǔn)確定點(diǎn)。

關(guān)節(jié)坐標(biāo)、世界坐標(biāo)是固定的，工具坐標(biāo)、用戶坐標(biāo)是因隨機(jī)器人工作的對(duì)象而自主定義。在圖1中可以看到，默認(rèn)世界坐標(biāo)的Z軸正方向是向上的，但第六軸法蘭坐標(biāo)的Z軸正方向是向下的，可以通過自定義的方式改變坐標(biāo)方向。

1.2 各坐標(biāo)之間的關(guān)系

在機(jī)器人的示教器中，用不同坐標(biāo)狀態(tài)來查看同一個(gè)姿態(tài)，會(huì)顯示不同的數(shù)值，實(shí)際上只要機(jī)器人的姿態(tài)確定，坐標(biāo)就確定，實(shí)際的坐標(biāo)值只有一個(gè)，只不過是不同角度的表達(dá);世界坐標(biāo)、用戶坐標(biāo)、關(guān)節(jié)坐標(biāo)顯示的數(shù)值是因參考點(diǎn)不同而表達(dá)不同而已。從圖1可以看到，世界坐標(biāo)是面向機(jī)器人以底座為基點(diǎn)，采用笛卡爾坐標(biāo)系建立的坐標(biāo);用戶坐標(biāo)可以看作是根據(jù)世界坐標(biāo)而設(shè)立的一個(gè)“偏移”斜面，用戶坐標(biāo)上的每一點(diǎn)可以映射到世界坐標(biāo)上;關(guān)節(jié)坐標(biāo)是以各軸的零點(diǎn)為基準(zhǔn)的移動(dòng)距離或旋轉(zhuǎn)角度;工具坐標(biāo)可以看作是在用戶坐標(biāo)基礎(chǔ)上根據(jù)偏移算法和旋轉(zhuǎn)算法建立的偏移坐標(biāo)。

工業(yè)機(jī)器人要完成運(yùn)行軌跡，每一個(gè)點(diǎn)的移動(dòng)可以看作是不同姿態(tài)在用戶坐標(biāo)下的改變加上工具在工具坐標(biāo)上的改變。準(zhǔn)確把握各坐標(biāo)的關(guān)系，根據(jù)不同場(chǎng)合靈活選用不同坐標(biāo)進(jìn)行定點(diǎn)示教是機(jī)器人應(yīng)用中最基本的技能。

1.3 機(jī)器人運(yùn)行與坐標(biāo)選取的關(guān)系

機(jī)器人示教工作點(diǎn)是編程的基礎(chǔ)工作，點(diǎn)與點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)無非是直線運(yùn)動(dòng)和圓弧運(yùn)動(dòng)，示教點(diǎn)選用的是關(guān)節(jié)坐標(biāo)則編程指令就要選用關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)指令控制點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)，若示教時(shí)選用關(guān)節(jié)坐標(biāo)而運(yùn)動(dòng)指令選用直線命令則會(huì)造成機(jī)器人在點(diǎn)與點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)容易出現(xiàn)奇異點(diǎn)報(bào)警而停止運(yùn)行，或者示教時(shí)能在兩個(gè)點(diǎn)之間準(zhǔn)確移動(dòng)，但程序運(yùn)行起來軌跡就會(huì)產(chǎn)生較大誤差。直線路徑點(diǎn)的編程也是同樣的道理。

從本質(zhì)上看，機(jī)器人的三維運(yùn)動(dòng)是在坐標(biāo)上完成的，六軸機(jī)器人、四軸機(jī)器人之所以能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)點(diǎn)之間的準(zhǔn)確移動(dòng)除了依靠精密的減速機(jī)外，也離不開控制每條軸工作的伺服器，更離不開協(xié)調(diào)各伺服器相互配合的控制系統(tǒng)。

2 機(jī)器人坐標(biāo)建立技巧

2.1 工具坐標(biāo)

機(jī)器人的工具分為兩類——尖細(xì)型工具（如氬弧焊焊槍、鋁焊焊槍、電焊焊槍、涂膠噴頭、雕刻刀、吸盤）和夾緊型工具（如手爪）。對(duì)于尖細(xì)型工具來說，定義其工具坐標(biāo)只要在加工工件上對(duì)著加工點(diǎn)進(jìn)行示教即可，定義的關(guān)鍵點(diǎn)在于工具坐標(biāo)的Z軸方向要垂直于加工點(diǎn)，這樣在編程移動(dòng)時(shí)才能快速定位。圖2是根據(jù)氬弧焊、鋁焊的焊槍在工件上運(yùn)動(dòng)時(shí)焊槍嘴要正對(duì)焊縫的工藝要求所定的工具坐標(biāo)。在雕刻中把機(jī)器人裝的雕刻刀的工具坐標(biāo)定義為垂直石膏面、木板面也是為了在垂直加工和帶角度加工時(shí)能快速變換刻刀角度。

尖細(xì)型工具的工具坐標(biāo)示教比較簡(jiǎn)單，只要取一個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的工作點(diǎn)，例如豎立一根蠟燭，以蠟燭的尖端來進(jìn)行示教即可。點(diǎn)的工具坐標(biāo)也可以找工件上的一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行三點(diǎn)法、四點(diǎn)法、六點(diǎn)法的示教，示教過程注意不同點(diǎn)中機(jī)器人的變換姿態(tài)要盡量大，各軸都要有明顯變化;但在搬運(yùn)中的手爪抓取的物體不是一個(gè)點(diǎn)，也不能看成一個(gè)點(diǎn)，手爪工具坐標(biāo)的示教最好是在工件上進(jìn)行，圖3就是手爪Z軸在工件重心上的定點(diǎn)方法，保證Z軸與工件重心盡量重合才能保持機(jī)器人抓取和搬運(yùn)工件是平穩(wěn)、安全的。對(duì)于一些不規(guī)則的工件或帶有斜面的工件需要依賴配套的夾具來實(shí)現(xiàn)牢固夾緊。

機(jī)器人工具坐標(biāo)是動(dòng)態(tài)坐標(biāo)，在機(jī)器人變換姿態(tài)時(shí)會(huì)不斷改變，但編程定點(diǎn)是以工具尖端進(jìn)行的，編程定點(diǎn)時(shí)機(jī)器人記錄的是每一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，以焊接來說，只要焊槍不更換，動(dòng)態(tài)的工具坐標(biāo)會(huì)使每一個(gè)加工點(diǎn)如圖4垂直于焊縫或保持編程示教時(shí)該點(diǎn)的角度和相對(duì)焊槍的距離，正因?yàn)楣ぞ咦鴺?biāo)隨加工軌跡而變才能保證加工工藝的統(tǒng)一。

2.2 用戶坐標(biāo)

不管是曲面還是平面，兩個(gè)面相交的外角超過90度就要在該面上定義一個(gè)用戶坐標(biāo)，目的是讓機(jī)器人在XYZ方向移動(dòng)時(shí)是平行加工面的，如圖5，如果焊接車身架的三個(gè)面就要定義三個(gè)用戶坐標(biāo)，加工哪一個(gè)面，在示教定點(diǎn)和編程時(shí)就要切換到該面的用戶坐標(biāo)。

曲面的用戶坐標(biāo)應(yīng)定在其切面上，這樣才能兼顧曲面不同位置盡管曲率不同，但機(jī)器人的XY移動(dòng)方向逼近曲面切線。

用戶坐標(biāo)是靜態(tài)的，它根據(jù)技術(shù)員的編程習(xí)慣來靈活定義，例如可以把Z軸的正方向定義為向上或向下都是可以的，在使用機(jī)器人示教器定點(diǎn)時(shí)按“Z+”鍵，機(jī)器人移動(dòng)的方向就是與技術(shù)員定義的Z+方向一樣了，在用戶坐標(biāo)下編程，機(jī)器人是把世界坐標(biāo)遷移到用戶坐標(biāo)來了，不需要再顧慮世界坐標(biāo)的影響。只要示教時(shí)示教器選取的是用戶坐標(biāo)，所記錄的點(diǎn)的坐標(biāo)也就是用戶坐標(biāo)下的數(shù)據(jù)。

3 機(jī)器人編程快速定點(diǎn)與坐標(biāo)選用要領(lǐng)

3.1 先選工具坐標(biāo)和用戶坐標(biāo)再編程定點(diǎn)

程序執(zhí)行是在一套工具坐標(biāo)和用戶坐標(biāo)下執(zhí)行的，不同面采用不同用戶坐標(biāo)時(shí)在程序中必須指明每段程序使用的是哪一個(gè)用戶坐標(biāo)，否則出現(xiàn)程序調(diào)整時(shí)，調(diào)整者與編程者所用坐標(biāo)不一致可能導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡與原程序偏離。

有時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)器人是通過法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)來更換不同工具對(duì)不同位置進(jìn)行加工，此時(shí)更換工具后，程序中要注意更換后的工具坐標(biāo)管轄的程序范圍，在示教工具坐標(biāo)時(shí)兩個(gè)工具坐標(biāo)可以定義為全局坐標(biāo)，但要注意名字不能相同。無論機(jī)器人帶多少個(gè)工具或變換多少個(gè)工具，每一個(gè)工具都要示教一個(gè)唯一的工具坐標(biāo)。

3.2 工具坐標(biāo)必須示教，使用偏移指令時(shí)一定要示教好用戶坐標(biāo)

工具坐標(biāo)一般是在機(jī)器人工作現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)工件進(jìn)行標(biāo)定的，在固定機(jī)器人并把工件固定在工作臺(tái)后進(jìn)行，工具坐標(biāo)只影響是否把機(jī)器人法蘭中心點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)移到工具前端來，對(duì)偏移指令的使用是沒有影響的。用戶坐標(biāo)表達(dá)的是工件某個(gè)面的坐標(biāo)，偏移指令是在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的XYZ任何一個(gè)方向的基礎(chǔ)上進(jìn)行的偏移，例如碼垛中，往往重復(fù)同一個(gè)偏移方向和偏移值，如果貨物平放地面，示教用戶坐標(biāo)時(shí)Z方向與地面不垂直將會(huì)導(dǎo)致以垂直計(jì)算的Z方向偏移量無法讓機(jī)器人抓取到工件，甚至出現(xiàn)機(jī)器人與工件發(fā)生“碰撞”。

為了使程序調(diào)試中減少意外的發(fā)生，應(yīng)分段運(yùn)行程序觀察執(zhí)行效果，降低調(diào)試時(shí)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，萬一出現(xiàn)意外碰撞則要重新修正示教點(diǎn)。在設(shè)計(jì)運(yùn)行軌跡時(shí)要考慮最優(yōu)路徑，一方面為了提高執(zhí)行效率，另一方面避免程序中用戶坐標(biāo)經(jīng)常變換。

3.3 選好逼近點(diǎn)

逼近點(diǎn)是指機(jī)器人工具到達(dá)真正工作點(diǎn)前的一個(gè)接近點(diǎn)，逼近點(diǎn)的設(shè)立為了提高機(jī)器人對(duì)點(diǎn)定位的準(zhǔn)確性，逼近點(diǎn)可以不止一個(gè)，可以逐級(jí)逼近。例如機(jī)器人把工件從A點(diǎn)搬運(yùn)到C點(diǎn)，在C點(diǎn)的上方設(shè)立了逼近點(diǎn)B，在運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)器人從A點(diǎn)到B點(diǎn)可以是關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)或圓弧運(yùn)動(dòng)，但B點(diǎn)到C點(diǎn)要為直線運(yùn)動(dòng)，目的是保證B點(diǎn)到真正的工作點(diǎn)C時(shí)手爪能垂直對(duì)準(zhǔn)工件進(jìn)行包圍抓取。

3.4 出現(xiàn)奇異點(diǎn)的處理方法

對(duì)于六軸機(jī)器人，如果第五軸運(yùn)動(dòng)時(shí)接近其零點(diǎn)是最容易出現(xiàn)奇異點(diǎn)的報(bào)警導(dǎo)致機(jī)器人停止工作的;奇異點(diǎn)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)達(dá)到其運(yùn)動(dòng)極限而出現(xiàn)的，示教時(shí)該點(diǎn)不出現(xiàn)奇異點(diǎn)的報(bào)警不代表運(yùn)行時(shí)在該點(diǎn)不報(bào)警，因?yàn)闄C(jī)器人從其他點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到該點(diǎn)的姿態(tài)變換是系統(tǒng)運(yùn)算決定的，有可能跟示教過程的姿態(tài)不一樣。出現(xiàn)奇異點(diǎn)，首先要切換到關(guān)節(jié)坐標(biāo)，消除報(bào)警;再用關(guān)節(jié)坐標(biāo)讓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)離開奇異點(diǎn);最后才重新示教記錄奇異點(diǎn)附近點(diǎn)的機(jī)器人姿態(tài)，直到運(yùn)行時(shí)沒有出現(xiàn)奇異點(diǎn)報(bào)警為止。

4 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡偏離的坐標(biāo)排查思路

4.1 從指令執(zhí)行方式和坐標(biāo)定義的準(zhǔn)確性出發(fā)分析運(yùn)動(dòng)軌跡偏差成因

機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)指令是以兩點(diǎn)一線的原理來使用的，機(jī)器人兩條運(yùn)動(dòng)軌跡之間需要過渡，如圖6，哪怕是兩條直線的過渡，運(yùn)動(dòng)指令執(zhí)行速度大小和過渡方式會(huì)影響轉(zhuǎn)角處的軌跡，所以出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡與工藝之間的偏差時(shí)不要單純考慮工具坐標(biāo)、用戶坐標(biāo)的標(biāo)定是否準(zhǔn)確，還要考慮指令本身的特點(diǎn)。

4.2 檢查用戶坐標(biāo)和工具坐標(biāo)示教的準(zhǔn)確性

讓機(jī)器人遠(yuǎn)離工件，把示教器分別切換到用戶坐標(biāo)和工具坐標(biāo)狀態(tài)，在用戶坐標(biāo)中觀察使用X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-鍵時(shí)機(jī)器人是否在所定義的用戶坐標(biāo)平面上移動(dòng)，是否發(fā)生偏差，若有偏差則要重新示教用戶坐標(biāo);在工具坐標(biāo)狀態(tài)下，用示教器X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-軸的鍵移動(dòng)機(jī)器人觀察機(jī)器人的工具是否在工具坐標(biāo)平面移動(dòng)，用示教器鍵旋轉(zhuǎn)機(jī)器人，看是否分別繞工具坐標(biāo)的X軸、Y軸、Z軸旋轉(zhuǎn)。

4.3 確保程序中記錄的示教點(diǎn)與示教過程所用的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)

程序使用了不同的用戶坐標(biāo)和工具坐標(biāo)時(shí)，在程序中要指明哪段程序使用的是哪個(gè)用戶坐標(biāo)和工具坐標(biāo)，也可以采用子程序的方式把不同坐標(biāo)下運(yùn)動(dòng)的模塊放入一個(gè)功能區(qū)。不同牌子的機(jī)器人對(duì)示教時(shí)記錄的點(diǎn)的定義是不一樣的，有些牌子把每一個(gè)點(diǎn)都作為全局變量來處理，但有些牌子作為局部變量來處理，要根據(jù)不同機(jī)器人牌子的使用要求來檢查。

5 小結(jié)

機(jī)器人工具坐標(biāo)必須根據(jù)安裝的工具在現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，機(jī)器人程序編程中每個(gè)點(diǎn)實(shí)際對(duì)應(yīng)一個(gè)工具坐標(biāo)和一個(gè)用戶坐標(biāo)，一個(gè)程序在編程定點(diǎn)時(shí)只要選擇了固定的坐標(biāo)，機(jī)器人在編程定點(diǎn)時(shí)可以在用戶坐標(biāo)、關(guān)節(jié)坐標(biāo)、世界坐標(biāo)下進(jìn)行，機(jī)器人記錄點(diǎn)是在用戶坐標(biāo)狀態(tài)下記錄的，所以選擇合適的用戶坐標(biāo)可以給編程定點(diǎn)帶來快捷。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張愛紅，張秋菊.機(jī)器人示教編程方法[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù).2003，4：47-49.

[2]徐海慧，孫首群，魏會(huì)芳.噴印機(jī)器人工具坐標(biāo)系標(biāo)定[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào).2014，3：222-228.

[3]劉亮.標(biāo)記機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2016.

[4]張文增，陳強(qiáng)，孫振國，湯曉華.弧焊機(jī)器人工件坐標(biāo)系快速標(biāo)定方法[J].焊接學(xué)報(bào).2015，7：1-4.

[5]康存鋒，王紅偉，張鵬飛，李舒進(jìn)，陳樹君.焊接機(jī)器人工具坐標(biāo)系標(biāo)定的研究與實(shí)現(xiàn)[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2016，1：30-34.

[6]李宏勝，汪允鶴.六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用.2016，8：101-104.