工业机器人编程快速定点要领

李志谦

【摘 要】机器人坐标定义是其编程定点的关键一环，既影响机器人编程技术员的工作效率也决定机器人运动轨迹是否准确。本文从坐标的分类、坐标标定原则和技巧出发介绍机器人坐标的使用要素，归纳机器人编程时把坐标应用于定点的要领。

【关键词】机器人;坐标;定点

中图分类号： TP242.2-4;G434 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）01-0026-004

0 引言

随着《中国发展2025》的实施，工业机器人成为智能制造中的核心技术，世界四大機器人品牌ABB、FANUC、KUKA、YASKAWA以及国内众多机器人厂商纷纷抢占市场。无论哪一个牌子的机器人，其工作原理和控制方式都大同小异，编程指令和方法也是不相上下。每一个机器人都有具体的工作对象和任务，它每一次的移动都是根据坐标值精确定位的。每一款机器人都提供了多种工作坐标的类型以便快速适应编程定点，机器人系统集成技术人员掌握坐标的示教技巧和建立原则能大大地提高编程定点的效率，为程序的可靠运行打下基础，机器人技术的初学者往往分不清各种坐标及其应用场合。

1 工业机器人的坐标本质

1.1 坐标的分类

不同牌子的机器人同一类坐标的名称叫法不一，但可以归纳为以下四类：关节坐标、世界坐标、用户坐标、工具坐标。关节坐标状态用于机器人各个轴的单独运动，世界坐标是机器人出厂就已经集成在系统上的大地坐标，如果不建立用户坐标则世界坐标的方向就是用户坐标的方向;用户坐标是机器人技术员在编程调试时针对机器人工作对象的定点加工而设立的坐标，可以根据实际定义多个用户坐标;工具坐标是机器人本体最后一轴安装的工具上的坐标，如果不定义工具坐标，对关节机器人来说工具坐标的中心就是机器人最后一轴的法兰中心，工具坐标是编程必须定义的坐标，因为机器本身不知道它自己安装的工具大小和长短，只有通过定义工具坐标才能让机器人把默认的法兰中心坐标迁移到所装工具上，让工具能在工作对象上准确定点。

关节坐标、世界坐标是固定的，工具坐标、用户坐标是因随机器人工作的对象而自主定义。在图1中可以看到，默认世界坐标的Z轴正方向是向上的，但第六轴法兰坐标的Z轴正方向是向下的，可以通过自定义的方式改变坐标方向。

1.2 各坐标之间的关系

在机器人的示教器中，用不同坐标状态来查看同一个姿态，会显示不同的数值，实际上只要机器人的姿态确定，坐标就确定，实际的坐标值只有一个，只不过是不同角度的表达;世界坐标、用户坐标、关节坐标显示的数值是因参考点不同而表达不同而已。从图1可以看到，世界坐标是面向机器人以底座为基点，采用笛卡尔坐标系建立的坐标;用户坐标可以看作是根据世界坐标而设立的一个“偏移”斜面，用户坐标上的每一点可以映射到世界坐标上;关节坐标是以各轴的零点为基准的移动距离或旋转角度;工具坐标可以看作是在用户坐标基础上根据偏移算法和旋转算法建立的偏移坐标。

工业机器人要完成运行轨迹，每一个点的移动可以看作是不同姿态在用户坐标下的改变加上工具在工具坐标上的改变。准确把握各坐标的关系，根据不同场合灵活选用不同坐标进行定点示教是机器人应用中最基本的技能。

1.3 机器人运行与坐标选取的关系

机器人示教工作点是编程的基础工作，点与点之间的运动无非是直线运动和圆弧运动，示教点选用的是关节坐标则编程指令就要选用关节运动指令控制点之间的运动，若示教时选用关节坐标而运动指令选用直线命令则会造成机器人在点与点之间的运动容易出现奇异点报警而停止运行，或者示教时能在两个点之间准确移动，但程序运行起来轨迹就会产生较大误差。直线路径点的编程也是同样的道理。

从本质上看，机器人的三维运动是在坐标上完成的，六轴机器人、四轴机器人之所以能准确实现点之间的准确移动除了依靠精密的减速机外，也离不开控制每条轴工作的伺服器，更离不开协调各伺服器相互配合的控制系统。

2 机器人坐标建立技巧

2.1 工具坐标

机器人的工具分为两类——尖细型工具（如氩弧焊焊枪、铝焊焊枪、电焊焊枪、涂胶喷头、雕刻刀、吸盘）和夹紧型工具（如手爪）。对于尖细型工具来说，定义其工具坐标只要在加工工件上对着加工点进行示教即可，定义的关键点在于工具坐标的Z轴方向要垂直于加工点，这样在编程移动时才能快速定位。图2是根据氩弧焊、铝焊的焊枪在工件上运动时焊枪嘴要正对焊缝的工艺要求所定的工具坐标。在雕刻中把机器人装的雕刻刀的工具坐标定义为垂直石膏面、木板面也是为了在垂直加工和带角度加工时能快速变换刻刀角度。

尖细型工具的工具坐标示教比较简单，只要取一个机器人运动范围内的工作点，例如竖立一根蜡烛，以蜡烛的尖端来进行示教即可。点的工具坐标也可以找工件上的一个点进行三点法、四点法、六点法的示教，示教过程注意不同点中机器人的变换姿态要尽量大，各轴都要有明显变化;但在搬运中的手爪抓取的物体不是一个点，也不能看成一个点，手爪工具坐标的示教最好是在工件上进行，图3就是手爪Z轴在工件重心上的定点方法，保证Z轴与工件重心尽量重合才能保持机器人抓取和搬运工件是平稳、安全的。对于一些不规则的工件或带有斜面的工件需要依赖配套的夹具来实现牢固夹紧。

机器人工具坐标是动态坐标，在机器人变换姿态时会不断改变，但编程定点是以工具尖端进行的，编程定点时机器人记录的是每一个点的坐标值，以焊接来说，只要焊枪不更换，动态的工具坐标会使每一个加工点如图4垂直于焊缝或保持编程示教时该点的角度和相对焊枪的距离，正因为工具坐标随加工轨迹而变才能保证加工工艺的统一。

2.2 用户坐标

不管是曲面还是平面，两个面相交的外角超过90度就要在该面上定义一个用户坐标，目的是让机器人在XYZ方向移动时是平行加工面的，如图5，如果焊接车身架的三个面就要定义三个用户坐标，加工哪一个面，在示教定点和编程时就要切换到该面的用户坐标。

曲面的用户坐标应定在其切面上，这样才能兼顾曲面不同位置尽管曲率不同，但机器人的XY移动方向逼近曲面切线。

用户坐标是静态的，它根据技术员的编程习惯来灵活定义，例如可以把Z轴的正方向定义为向上或向下都是可以的，在使用机器人示教器定点时按“Z+”键，机器人移动的方向就是与技术员定义的Z+方向一样了，在用户坐标下编程，机器人是把世界坐标迁移到用户坐标来了，不需要再顾虑世界坐标的影响。只要示教时示教器选取的是用户坐标，所记录的点的坐标也就是用户坐标下的数据。

3 机器人编程快速定点与坐标选用要领

3.1 先选工具坐标和用户坐标再编程定点

程序执行是在一套工具坐标和用户坐标下执行的，不同面采用不同用户坐标时在程序中必须指明每段程序使用的是哪一个用户坐标，否则出现程序调整时，调整者与编程者所用坐标不一致可能导致机器人运动轨迹与原程序偏离。

有时关节型机器人是通过法兰转动来更换不同工具对不同位置进行加工，此时更换工具后，程序中要注意更换后的工具坐标管辖的程序范围，在示教工具坐标时两个工具坐标可以定义为全局坐标，但要注意名字不能相同。无论机器人带多少个工具或变换多少个工具，每一个工具都要示教一个唯一的工具坐标。

3.2 工具坐标必须示教，使用偏移指令时一定要示教好用户坐标

工具坐标一般是在机器人工作现场针对工件进行标定的，在固定机器人并把工件固定在工作台后进行，工具坐标只影响是否把机器人法兰中心点坐标转移到工具前端来，对偏移指令的使用是没有影响的。用户坐标表达的是工件某个面的坐标，偏移指令是在机器人运动的XYZ任何一个方向的基础上进行的偏移，例如码垛中，往往重复同一个偏移方向和偏移值，如果货物平放地面，示教用户坐标时Z方向与地面不垂直將会导致以垂直计算的Z方向偏移量无法让机器人抓取到工件，甚至出现机器人与工件发生“碰撞”。

为了使程序调试中减少意外的发生，应分段运行程序观察执行效果，降低调试时机器人的运动速度，万一出现意外碰撞则要重新修正示教点。在设计运行轨迹时要考虑最优路径，一方面为了提高执行效率，另一方面避免程序中用户坐标经常变换。

3.3 选好逼近点

逼近点是指机器人工具到达真正工作点前的一个接近点，逼近点的设立为了提高机器人对点定位的准确性，逼近点可以不止一个，可以逐级逼近。例如机器人把工件从A点搬运到C点，在C点的上方设立了逼近点B，在运动时机器人从A点到B点可以是关节运动或圆弧运动，但B点到C点要为直线运动，目的是保证B点到真正的工作点C时手爪能垂直对准工件进行包围抓取。

3.4 出现奇异点的处理方法

对于六轴机器人，如果第五轴运动时接近其零点是最容易出现奇异点的报警导致机器人停止工作的;奇异点是机器人运动的姿态达到其运动极限而出现的，示教时该点不出现奇异点的报警不代表运行时在该点不报警，因为机器人从其他点运动到该点的姿态变换是系统运算决定的，有可能跟示教过程的姿态不一样。出现奇异点，首先要切换到关节坐标，消除报警;再用关节坐标让机器人运动离开奇异点;最后才重新示教记录奇异点附近点的机器人姿态，直到运行时没有出现奇异点报警为止。

4 机器人运动轨迹偏离的坐标排查思路

4.1 从指令执行方式和坐标定义的准确性出发分析运动轨迹偏差成因

机器人直线运动指令是以两点一线的原理来使用的，机器人两条运动轨迹之间需要过渡，如图6，哪怕是两条直线的过渡，运动指令执行速度大小和过渡方式会影响转角处的轨迹，所以出现运动轨迹与工艺之间的偏差时不要单纯考虑工具坐标、用户坐标的标定是否准确，还要考虑指令本身的特点。

4.2 检查用户坐标和工具坐标示教的准确性

让机器人远离工件，把示教器分别切换到用户坐标和工具坐标状态，在用户坐标中观察使用X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-键时机器人是否在所定义的用户坐标平面上移动，是否发生偏差，若有偏差则要重新示教用户坐标;在工具坐标状态下，用示教器X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-轴的键移动机器人观察机器人的工具是否在工具坐标平面移动，用示教器键旋转机器人，看是否分别绕工具坐标的X轴、Y轴、Z轴旋转。

4.3 确保程序中记录的示教点与示教过程所用的坐标对应

程序使用了不同的用户坐标和工具坐标时，在程序中要指明哪段程序使用的是哪个用户坐标和工具坐标，也可以采用子程序的方式把不同坐标下运动的模块放入一个功能区。不同牌子的机器人对示教时记录的点的定义是不一样的，有些牌子把每一个点都作为全局变量来处理，但有些牌子作为局部变量来处理，要根据不同机器人牌子的使用要求来检查。

5 小结

机器人工具坐标必须根据安装的工具在现场标定，机器人程序编程中每个点实际对应一个工具坐标和一个用户坐标，一个程序在编程定点时只要选择了固定的坐标，机器人在编程定点时可以在用户坐标、关节坐标、世界坐标下进行，机器人记录点是在用户坐标状态下记录的，所以选择合适的用户坐标可以给编程定点带来快捷。

【参考文献】

[1]张爱红，张秋菊.机器人示教编程方法[J].组合机床与自动化加工技术.2003，4：47-49.

[2]徐海慧，孙首群，魏会芳.喷印机器人工具坐标系标定[J].河北科技大学学报.2014，3：222-228.

[3]刘亮.标记机器人的关键技术研究[D].上海：上海交通大学，2016.

[4]张文增，陈强，孙振国，汤晓华.弧焊机器人工件坐标系快速标定方法[J].焊接学报.2015，7：1-4.

[5]康存锋，王红伟，张鹏飞，李舒进，陈树君.焊接机器人工具坐标系标定的研究与实现[J].北京工业大学学报.2016，1：30-34.

[6]李宏胜，汪允鹤.六关节工业机器人工具坐标系的标定[J].自动化技术与应用.2016，8：101-104.