基于工业机器人TCP 技术应用与校准的探索与实践

孟繁秋

（一汽-大众汽车有限公司，吉林长春 130011）

0 引言

工作坐标系的原点TCP（Tool Center Point，工具中心点）是机器人轨迹示教、轨迹编程的重要参考点。通过该技术可以灵活的在不同生产线场景中灵活的设定工具坐标，根据机器人所装载的不同工具设定不同的TCP 便于在轨迹编程和调整中提高效率。另一方面，在机器人发生碰撞或其他意外情况导致工具发生形变，可以通过TCP 坐标校准平移补偿的方式快速的完成校准，从而确保机器人的运动轨迹符合生产线的质量要求。

1 TCP 技术是工业机器系统重要应用

1.1 TCP 的应用

生产制造的生产线现场的工业机器人形态大部分是由多个轴构成的机械手臂形式。目前在汽车制造领域应用比较广泛的机器人系统有KUKA，Fanuc 和ABB 等。机器人应用主要是代替人工自动重复的工作任务，如搬运、焊接和拧紧等，以及人工无法进行作业的特定生产环境，如高温环境、低温环境、辐射环境和无尘环境等。机器人运动就需要有相应的坐标系统作为运动方向参考基准坐标系，在工业机器人的操作、编程和投入运行时，坐标系具有重要的意义。

在不同的机器人控制系统中大致都定义了下列坐标系（根据制造体系标准的不同，机器人厂家会有对应不同厂家的标准）：WORLD 世界坐标系、ROBROOT 机器人局部坐标系、BASE基坐标系、FLANGE 法兰坐标、TOOL 工具坐标系等，虽然各自系统界面有所不同，但是其TCP 技术的应用和设定大体一致。

在机器人工作时通常需要在机器人的末端固定完成响应工作任务的工具，比如焊接机器人的焊枪、涂胶机器人的胶枪、搬运机器人的夹具、压合机器人的压头等。由于各工具的大小、形状各不相同，这样就需要在工具坐标系中选择一个点来代表整个工具，这种技术就是TCP 技术工作坐标系的原点应用。

不同的机器人系统，可以设定的工具坐标数量也有所不同，以KUKA 机器人系统为例，最多可以设定多达32 个工具坐标，极大的方便了生产现场的工艺布局规划和现场机器人轨迹示教编程，同时为后期的工具更换和升级提供了足够的预留。

1.2 TCP 的设定

初始状态的工具中心点是工具坐标系的原点。当以手动或编程的方式让机器人去接近空间的某一点时，其本质是工具中心点去接近该点。因此可以说机器人的轨迹运动，就是工具中心点的运动。因为同一个机器人可以挂载不同的工具，对不同的工具设定合适的中心点非常重要，因为同一时刻，机器人只能处理一个工具中心点，比如，使用不同尺寸的焊枪，其枪口的位置肯定是不同的；但一次只能用一把焊枪，不能同时用两个，所以要根据工作场景的不同来设定符合现场实际应用的工具中心点。

通常设定TCP 有两种基本类型：移动式工具中心点和静态工具中心点。移动式工具中心点的特点是设定点会随着工业机器人的手臂的运动而同时运动。例如焊接机器人的焊枪、搬运机器人的夹具等。静态工具中心点是以工业机器人本体外的某个点作为中心点，机器人携带对应的工作物围绕该点做轨迹运动。例如在部分涂胶工艺中，涂胶枪的喷嘴是固定的，机器人抓取工件绕涂胶枪的喷嘴做轨迹运动，该涂胶枪的喷嘴就是静态工具中心点。

机器人调试时首先要设置工具数据，其内容包括设置工具中心点、工具的重量和重心。部分品牌机器人系统在出厂时有一个默认的工具数据，以有6 个工作轴的工业机器人型号为例，其定义的TCP 在机器人第6 轴法兰盘的中心处。在实际生产时调试时，要根据安装工具的不同、安装位置的不同，产品换型不同来定义不同工具数据。

设定工具意味着生成一个以工具参照点为原点的坐标系，该参照点被称为TCP，该坐标系即为工具坐标系。设定通常以工具测量包括的方式完成，可分为TCP 的测量和坐标系姿态或朝向的测量，测量时，工具坐标系到法兰坐标系的距离（用X、Y 和Z）以及之间的转角（用角度A、B 和C）被对应的设定工具保存，从而形成新的TCP 从而被应用。在设定时，可以通过X、Y、Z4 点法或直接在对应的机器人系统设定中输入计算好的至法兰中心点的距离值（X，Y，Z）和转角（A，B，C）的姿态来完成设定。

1.3 TCP 技术的优势

应用TCP 技术，在实际的工程实践中有着巨大便利和优势。在不同的工艺设计中，柔性化的生产线设计可以极大的提高生产线利用率，提高生产线投资的精益性，在满足生产效率的同时可以兼容多个产品型号的生产。所以会出现一个机器人同时携带3 个或以上的工具或者存在同一个工位同时生产不同产品的情况，在对机器人的每一个工具以TCP 的方式设定其独有的工具坐标并进行精确测定后，在实践中对操作和编程人员会极大的提高生产效率，在完成设定后，可以改善操作人员在手动移动机器人操作时的参考便利性，减少由于不直观的运动轨迹参考导致在工位中操作造成的位置移动失误产生的非必要碰撞，间接的可以提升自动化设备的设备开动率和降低维修、维护成本；在工位编程调试阶段，完成工作坐标的设定后，可围绕设定好的工具TCP 来随意的改变姿态，在产品实物示教编程调整的过程中，沿着设定好的工具TCP 作业方向移动运动编程时，以TCP 定义的姿态可沿着轨迹保持已编程的运行速度精准的将机器人工具安全的移动到作业的可达处，同时可以参照运动空间位置来计算轨迹移动的最优路线，提升自动化生产线的单站生产节拍。

2 TCP 校准和偏差补偿

2.1 TCP 偏差产生

在实际的生产过程中，工业机器人的TCP 点在工作过程中会产生偏差。产生偏差的原因有很多，如意外导致的机器人碰撞变形、工具调整造成的位置变化、紧固件松脱造成的位置变动、外部工具点变化，例如：外部设定的工具发生位移或沉降等都会导致TCP 位置的偏差。

在偏差产生后，如果不及时的对偏差进行补偿修正，会对工位所生产的产品质量产生影响，尤其是对轨迹精度要求较高的工艺，例如激光钎焊、拧紧、密封涂胶等，严重的情况下，还会在机器人运动过程与同工位中的其他生产设备或者产品发生刮擦或者碰撞导致设备损坏和生产停台损失，增加生产成本和设备维修成本，所以TCP 发生偏差的危害性是及其严重的。

2.2 确认是否产生偏差的方法

对于安装在机器人法兰上的工具，其工作轨迹是工具中心点TCP 相对于基坐标系的运动轨迹，而TCP 是相对于机器人法兰坐标系原点通过工具测量计算得出的。在生产现场，更换了工具、发生了碰撞或者更换了影响工具TCP 点的机械零部件，及其所携带的工具的TCP 相对于法兰坐标系原点位置会发生偏差，而控制器仍依照原来的TCP 引导机器人运动，从而表现出机器人轨迹偏移。

在自动化生产线规划和工程实践中，通常在机器人所在工位中选取一个稳固位置，设定一个TCP 校准测量点。针对不同的工具，其校准测量点的材料和形式可以根据工具在工作中的定位特性来单独设计，例如焊钳类工具就可以采取“刀库”形式，以机器人所带的焊枪工具端的焊接电极帽准确入库作为TCP校准测量的基准点。根据生产线产品质量要求，编制机器人校准UP 子程序，可以将此程序通过PLC 关联到工位控制面板的功能按钮，操作者就可以定期对TCP 的精准度进行校准，一旦发现偏差就可以及时的进行校准。

2.3 偏差补偿校准

不同厂家品牌的机器人系统都可以通过偏差补偿的方法来纠正偏差，不同的汽车厂商也会根据多年的生产线规划设计经验来设定相关的标准来进行TCP 偏差补偿的校准。以KUKA 机器人系统大众标准为例，当在校准时发现TCP 发现偏差时，可通过运行机器人TCP 参考程序UP206，测量出机器人TCP 的偏差量和偏差方向，之后根据该偏差量和偏差方向计算出新的TCP 点。让新的TCP 引导机器人运动，这样机器人轨迹就不会发生变化。TCP 点的位置可通过系统变量“$tool_data”进行修改。

机器人的编程轨迹如图1 所示（省略Z 向），假设机器人的编程轨迹为P1（0，0）→P2（1，1），更换工具后TCP 的实际位置从（0，0）变为（1，1）。更换工具后，机器人运行实际轨迹从P1（0，0）→P2（1，1），变为P1（1，1）→P2（2，2），运行轨迹的X 和Y方向各偏＋1。此时只需要把工具TCP 测量值从（0，0）改为（-1，-1），即可保证机器人轨迹不发生改变。在进行具体操作时要对原始值进行记录，进行TCP 偏差补偿时，操作失误或者中途放弃修改，可以根据记录保留的数据进行TCP 数值还原，具体操作与偏差补偿操作相同。在实际的生产实践中，这种对TCP 进行偏差补偿的方法可以快速的纠正偏差，使得工具坐标针对新的空间位置进行坐标平移，可以快速的完成设定，减少停台时间，提升自动化设备的开动率。

图1 机器人的编程轨迹

3 结束语

通过TCP 技术可以使机器人在工程实践应用中更加灵活，在投产后机器人轨迹日常精度管理更加地完善，保障机器人应用的自动工位能够更加便利的进行轨迹精度校验，使工艺质量管理和机器人设备管理工作更加地准确、高效。TCP 技术可以应用在自动化生产线设计、规划、投产、升级和改造优化的各个阶段，保障机器人可以更加便利、多元化的应用到各行业的自动生产线集成中，提高实际使用过程的质量管理和生产效率。