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工业机器人工具坐标系的设置

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：李岩

[导读] 摘要：工业机器人在使用之前，必须首先根据末端执行器的类型，选择合理的设置方法，正确的利用示教器进行示教，从而建立新的工具坐标系，为机器人精确的运动控制奠定基础，也为FANUC机器人的学习和使用提供了参考。

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        摘要：工业机器人在使用之前，必须首先根据末端执行器的类型，选择合理的设置方法，正确的利用示教器进行示教，从而建立新的工具坐标系，为机器人精确的运动控制奠定基础，也为FANUC机器人的学习和使用提供了参考。
        关键词：业机器人；坐标系；
        进入 21 世纪以来，互联网、新能源、新材料和生物技术正在以极快的速度形成巨大的产业能力和市场，将使整个工业生产体系提升到一个新的水平。在此背景下，德国率先提出了第四次工业革命，即工业4.0，这一概念正推动工业领域的智能化水平达到全新的高度。工业 4.0 主要是通过利用网络空间虚拟系统和通信技术相结合的方案，将制造业向智能化方向转型。
        一、工具坐标系TOOL
        工具坐标系TOOL是用来定义安装在机器人末端执行器的工具中心点（TCP）位置和工具姿态的坐标系，工具中心点 TCP一般设置在末端执行器中心，用坐标轴X、Y、Z表示，而工具姿态用W、P、R表示。在FANUC机器人默认的工具坐标系中，末端执行器默认为法兰盘，则法兰盘中心为工具坐标系的原点，+X方向为法兰盘中心指向法兰盘定位孔的方向，+Z方向为垂直法兰盘向外，+Y方向则由右手法则判定。
        在实际应用中，不同功能的工业机器人会在末端执行器上安装不同的工具，例如喷漆机器人使用喷嘴作为工具，弧焊机器人使用弧焊枪作为工具，搬运机器人常用真空吸盘、手爪等作为工具。因此，随着末端执行器上所装工具的位置与角度的不断变化，工具中心点TCP及方向也会产生变化。为了方便示教，这就需要将 TCP 移到工具的某一个尖端位置，以建立相应新的工具坐标系，来描述所安装的工具的TCP 的位姿。也就是说，新的工具坐标系是相对于默认的工具坐标系经移动及旋转而变换得到的，新的工具坐标系的位置和方向始终同法兰盘保持绝对的位置和姿态关系，但在空间上是一直变化的。
        二、工具参考点装置的功能要求
        为让操作者更安全、准确、高效地测定工具坐标系，对工具参考点装置提出以下功能要求：
        1)测定时，该装置的参照点在空间中的位置必须保持固定不变，使用时，参照点与工具上测量点保证可靠接触的同时，又不容易被接触的工具改变位置。
        2)测定时，该参照点能够被工具的TCP及其他位置接触，即可及范围尽量大，干涉区域尽量小。
        3)在反复使用该装置后，参照点不容易磨损和变形，即要求有一定的硬度和强度。
        4)测定时，操作人员能很容易找到参照点，即参照点的位置须很明显，容易被操作者观察和捕捉到。
        5)当操作不当发生碰撞时，参照点不容易被损坏。
        6)在使用时保证操作者的安全，不能出现锋利的棱角和锐边，防止划伤操作者。
        7)工具参考点装置的结构简单，零件的加工工艺性好，安装与拆卸简单，维护方便。
        8)工具参考点装置外形美观，符合人机工程学要求，工作时与操作者和周围的设备、环境保持安全、舒适与和谐的状态。
        三、工具参考点装置的设计
        目前，在教学与培训中，采用尖触头工具作为工具参考点装置，在操作者使用过程中存在以下弊端：①尖触头工具中的画笔采用普通水彩笔，其笔尖较粗，在接触参照点位置时，很难保证接触的是空间中的同一个点，用四点法测出TCP位置的故障值较大，常常达不到误差小于0.95mm的要求。②由于初学者的失误，尖触头工具在使用时很容易撞到工作台，损坏水彩笔。而更换水彩笔的过程较烦琐，会影响操作者将该尖触头工具作为工具参考点装置使用。

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为了提高教学效率，改善工具坐标系的测定条件，提高测定精度，设计一种简单、高效、美观的工具参考点装置就显得尤为必要。本文根据工具参考点装置的功能要求，设计了以下两种方案：1)为了让参照点不易磨损和变形，满足一定的硬度和强度要求，可采用金属材料制作。为了使参照点的位置明显，容易观察，采用铝合金材料制作，其银白色的色调很容易被操作者观察和捕捉到，而且与夹爪、尖触头工具的底座等材质保持一致。装置包含圆锥、过渡圆柱和底座3个部分，结构简单，加工工艺性好。外形尺寸总高40mm，底座直径40mm，参照点位于圆锥的顶点A。由于该装置总高较低，为了便于操作，可在底座上垫上若干个物料。2)为了使参照点有一定的硬度和强度，其空间位置容易被操作者观察和捕捉到，同时与夹爪、尖触头工具底座等的材质保持一致，设计方案二的工具参考点装置仍然采用铝合金材料制作。为了弥补方案一中装置较短的缺点，可加高底座。若制成整体式结构，则参照点损坏时需更换整个装置。为了提高材料利用率，可将参考点装置制作成装配式结第1期邓嘉超，等：工业机器人工具参考点装置的创新设计与制作7万方数据A图5方案二的工具参考点装置1.底座2.顶尖Φ50M20×1.5190构，通过螺纹连接将装置的顶尖安装至底座上，顶尖具有一定的可换性。
        四、工具坐标系的设置
        3.1直接输入法
        在FANUC机器人示教器中，直接输入法操作步骤如下：第一步：切换至坐标系号需设置的“方法”选择界面，其具体操作如下：【MENU】（菜单）→【SETUP】（设置）→F1【Type】（类型）→【Frames】坐标系→F3【OTHER】（坐标）→【ToolFrame】（工具坐标）→选择要设置的坐标系号→F2【DETAIL】详细→F2【METHOD】方法，进入“方法”选择界面。第二步：选择坐标系的设置方法。在“方法”选择界面中，选择【Direct Entry】（直接输入法）→【ENTET】回车确认，进入“直接输入法”界面。第三步：修改参数。在“直接输入法”界面中，选择并修改要设置的参数→【ENTET】回车确认。
        3.3六点法
        在 FANUC 机器人示教器中，六点法是在三点法的基础上实现的，只是第四点也被称为坐标原点，是让工具的参考点垂直于基准点，如图4（d）所示；第五点是工具参考点从坐标原点向将要设定为TCP的+X方向移动，如图4（e）所示；第六点是工具参考点从坐标原点向将要设定 TCP 的+Z 方向移动，如图 4（f）所示。这样，机器人通过这六个位置点的数据自动计算求得新的工具坐标系TCP的数据。
        结论：工具参考点装置是测定机器人工具坐标系的必备装置。本文针对之前使用的工具参考点装置的弊端，根据功能要求，提出了两种改善方案，经过实际数控加工与装配，制作出了实物。通过实际应用，验证了改善装置能够满足日常教学与培训要求，在工业机器人测定工具坐标系方面也具有一定的应用价值。工业机器人在使用之前，必须首先根据末端执行器的类型，选择合理的设置方法，正确的利用示教器进行示教，从而建立新的工具坐标系，为机器人精确的运动控制奠定基础，也为FANUC机器人的学习和使用提供了参考。
        参考文献：
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