工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用基礎(chǔ) 教案（教學(xué)設(shè)計(jì)） 模塊一-任務(wù)二-子任務(wù)二-坐標(biāo)系基礎(chǔ)

坐標(biāo)系基礎(chǔ)課時(shí)計(jì)劃（首頁(yè)）專業(yè)及班級(jí)：課次授課時(shí)間年月日教學(xué)課題坐標(biāo)系基礎(chǔ)學(xué)時(shí)目的要求1、了解工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系定義與分類2、掌握工件坐標(biāo)系的定義方法3、掌握工具坐標(biāo)系的定義方法4、掌握工具坐標(biāo)數(shù)據(jù)的設(shè)定方法重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)：工件坐標(biāo)系的定義方法、工具坐標(biāo)系的定義方法、工具坐標(biāo)數(shù)據(jù)的設(shè)定方法難點(diǎn)：工件坐標(biāo)系的定義方法、工具坐標(biāo)系的定義方法、工具坐標(biāo)數(shù)據(jù)的設(shè)定方法教學(xué)方法理實(shí)一體化教學(xué)，講授、演示、實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法的運(yùn)用時(shí)間分配模塊一工業(yè)機(jī)器人硬件基礎(chǔ)任務(wù)二典型工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)子任務(wù)二坐標(biāo)系基礎(chǔ)具體教學(xué)設(shè)計(jì)見續(xù)頁(yè)鞏固課堂知識(shí)

內(nèi)容與方法通過仿真與實(shí)操的方法練習(xí)并掌握工件坐標(biāo)系的定義方法、工具坐標(biāo)系的定義方法和工具坐標(biāo)數(shù)據(jù)的設(shè)定方法作業(yè)見后附課堂小結(jié)續(xù)頁(yè)子任務(wù)二坐標(biāo)系基礎(chǔ)坐標(biāo)系是從一個(gè)稱為原點(diǎn)的固定點(diǎn)通過軸定義的平面或空間。機(jī)器人目標(biāo)和位置是通過沿坐標(biāo)系軸的測(cè)量來定位。機(jī)器人系統(tǒng)中可使用若干坐標(biāo)系，每一坐標(biāo)系都適用于特定類型的控制或編程。1、基坐標(biāo)系系位于機(jī)器人基座，最便于機(jī)器人從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置的坐標(biāo)系。2、工件坐標(biāo)系與工件有關(guān)，通常是最適于對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程的坐標(biāo)系。3、工具坐標(biāo)系定義機(jī)器人到達(dá)預(yù)設(shè)目標(biāo)時(shí)所使用工具的位置。4、大地坐標(biāo)系可定義機(jī)器人單元，所有其他的坐標(biāo)系均與大地坐標(biāo)系直接或間接相關(guān)。它適用于手動(dòng)操縱、一般移動(dòng)以及處理具有若干機(jī)器人或外軸移動(dòng)機(jī)器人的工作站和工作單元。5、用戶坐標(biāo)系在表示持有其他坐標(biāo)系的設(shè)備（如工件）時(shí)非常有用。一、坐標(biāo)系的分類1、基坐標(biāo)系基坐標(biāo)系在機(jī)器人基座中有相應(yīng)的零點(diǎn)。操縱桿向前和向后使機(jī)器人沿X軸移動(dòng)。操縱桿向兩側(cè)使機(jī)器人沿Y軸移動(dòng)。旋轉(zhuǎn)操縱桿使機(jī)器人沿Z軸移動(dòng)。2、大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系在工作單元或工作站中的固定位置有相應(yīng)的零點(diǎn)。有助于處理若干個(gè)機(jī)器人或由外軸移動(dòng)的機(jī)器人。在默認(rèn)情況下，大地坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系是一致的。3、工件坐標(biāo)系工件坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)工件，其定義位置是相對(duì)于大地坐標(biāo)系（或其他坐標(biāo)系）的位置，如下圖所示。機(jī)器人可以擁有若干工件坐標(biāo)系，或者表示不同工件，或者表示同一工件在不同位置的若干副本。4、工具坐標(biāo)系工具坐標(biāo)系將工具中心點(diǎn)設(shè)為零點(diǎn)，由此定義工具的位置和方向。工具坐標(biāo)系縮寫為TCPF（ToolCenterPointFrame），工具坐標(biāo)系中心點(diǎn)縮寫為TCP（ToolCenterPoint）。所有機(jī)器人在六軸法蘭盤原點(diǎn)處都有一個(gè)預(yù)定義工具坐標(biāo)系，即tool0。新工具坐標(biāo)系的位置是預(yù)定義工具坐標(biāo)系tool0的偏移值二、工件坐標(biāo)系定義以三點(diǎn)法創(chuàng)建工件坐標(biāo)系的方法與步驟是：第一步：在ABB菜單中選中“工件坐標(biāo)”。第二步：點(diǎn)擊“新建”。第三步：對(duì)工件數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行設(shè)定后，單擊“確定”，名稱可以按需修改，如改為“wobj2”。出現(xiàn)一個(gè)名稱為“wobj2”坐標(biāo)。第四步：打開“編輯菜單”，選擇“定義”。出現(xiàn)坐標(biāo)系“定義”界面。第五步：將用戶方法設(shè)定為“3點(diǎn)”。第六步：手動(dòng)操作機(jī)器人的工具參考點(diǎn)靠近定義工件坐標(biāo)的X1點(diǎn)。此點(diǎn)將被定義為新坐標(biāo)系的原點(diǎn)。第七步：?jiǎn)螕簟坝脩酎c(diǎn)X1”-“修改位置”，將X1點(diǎn)記錄下來。第八步：手動(dòng)操作機(jī)器人的工具參考點(diǎn)靠近定義工件坐標(biāo)的X2點(diǎn)。從新原點(diǎn)指向此點(diǎn)，將被定義為新坐標(biāo)系的X軸正向。第九步：?jiǎn)螕簟坝脩酎c(diǎn)X2”-“修改位置”，將X2點(diǎn)記錄下來。第十步：手動(dòng)操作機(jī)器人的工具參考點(diǎn)靠近定義工件坐標(biāo)的Y1點(diǎn)。從新原點(diǎn)指向此點(diǎn)，將被定義為新坐標(biāo)系的Y軸正向。第十一步：?jiǎn)螕簟坝脩酎c(diǎn)Y1”-“修改位置”，將Y1點(diǎn)記錄下來。第十二步：點(diǎn)擊“確定”，出現(xiàn)坐標(biāo)系定義確認(rèn)對(duì)話框，確認(rèn)點(diǎn)擊“確定”。第十三步：點(diǎn)擊“wobj2”后，單擊“確定”，新坐標(biāo)系定義完成。第十四步：選擇新創(chuàng)建的工件坐標(biāo)系，使用線性動(dòng)作模式，觀察移動(dòng)的方式是否合乎要求。到此一個(gè)新的工件坐標(biāo)系就定義完成了。實(shí)訓(xùn)驗(yàn)證1：1、進(jìn)入ABB主菜單，在手動(dòng)操縱界面選擇工件坐標(biāo)；2、新建一個(gè)名稱為wobj1的工件坐標(biāo)系；3、用戶方法選擇3點(diǎn)法來定義wobj1；4、用戶點(diǎn)X1位置確定工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置，用戶點(diǎn)X2和Y1分別確定該坐標(biāo)系的X軸方向和Y軸方向；5、對(duì)記錄完成的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，完成工件坐標(biāo)wobj1的測(cè)量。實(shí)訓(xùn)驗(yàn)證2：1、利用3點(diǎn)法測(cè)量工件坐標(biāo)系wobj1和wobj2；2、以工件坐標(biāo)系wobj1為參照坐標(biāo)系，示教編輯三角形軌跡程序；3、將軌跡程序中每行指令的工件坐標(biāo)系wobj1修改為wobj2；4、執(zhí)行更改后的程序，機(jī)器人運(yùn)行軌跡不變，但位置改變至wobj2坐標(biāo)系下。三、工件坐標(biāo)數(shù)據(jù)wobjdata工件坐標(biāo)對(duì)應(yīng)工件，它定義工件相對(duì)于大地坐標(biāo)的位置。機(jī)器人可以有若干工件坐標(biāo)系，或者表示不同工件，或者表示同一工件在不同位置的若干副本。1、創(chuàng)建工件坐標(biāo)wobjdata的優(yōu)勢(shì)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程時(shí)就是在工件坐標(biāo)中創(chuàng)建目標(biāo)和路徑，這帶來很多優(yōu)勢(shì)：（1）重新定位工作站中的工件時(shí)，只需更改工件坐標(biāo)的位置，所有路徑將即刻隨之更新;（2）允許操作以外部軸或傳送導(dǎo)軌移動(dòng)的工件，因?yàn)檎麄€(gè)工件可連同其路徑一起移動(dòng)。2、實(shí)例一如下圖所示，A是機(jī)器人的大地坐標(biāo)系，為了方便編程，給第一個(gè)工件建立了一個(gè)工件坐標(biāo)B，并在這個(gè)工件坐標(biāo)B中進(jìn)行軌跡編程。如果臺(tái)子上還有一個(gè)一樣的工件需要走一樣的軌跡，那只需建立一個(gè)工件坐標(biāo)C，將工件坐標(biāo)B中的軌跡復(fù)制一份，然后將工件坐標(biāo)從B更新為C，則無(wú)需對(duì)一樣的工件進(jìn)行重復(fù)軌跡編程了。3、實(shí)例二如下圖所示，如果在工件坐標(biāo)B中對(duì)A對(duì)象進(jìn)行了軌跡編程，當(dāng)工件坐標(biāo)位置變化成工件坐標(biāo)D后，只需在機(jī)器人系統(tǒng)重新定義工件坐標(biāo)D，則機(jī)器人的軌跡就自動(dòng)更新到C，不需要再次軌跡編程。因A相對(duì)于B，C相對(duì)于D的關(guān)系是一樣的，并沒有因?yàn)檎w偏移而發(fā)生變化。四、工具坐標(biāo)系的定義工具數(shù)據(jù)tooldata用于描述安裝在機(jī)器人第六軸上的工具坐標(biāo)TCP（也就是工具坐標(biāo)系的原點(diǎn)即工具中心點(diǎn)）、質(zhì)量、重心等參數(shù)數(shù)據(jù)。工具數(shù)據(jù)tooldata會(huì)影響機(jī)器人的控制算法（例如計(jì)算加速度）、速度和加速度監(jiān)控、力矩監(jiān)控、碰撞監(jiān)控、能量監(jiān)控等，因此機(jī)器人的工具數(shù)據(jù)需要正確設(shè)置。所有機(jī)器人在手腕處都有一個(gè)預(yù)定義的工具坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系被稱為tool0。這樣就能將一個(gè)或者多個(gè)新工具坐標(biāo)系定義為tool0的偏移值。默認(rèn)工具（tool0）的工具中心點(diǎn)位于機(jī)器人安裝法蘭的中心，右圖中標(biāo)注的點(diǎn)就是原始的TCP點(diǎn)。執(zhí)行程序時(shí)，機(jī)器人將TCP移至編程位置，這意味著，如果要更改工具及工具坐標(biāo)系，機(jī)器人的移動(dòng)將隨之更改，以便新的TCP到達(dá)目標(biāo)，如下圖所示。一般不同的機(jī)器人應(yīng)用配置不同的工具，比如說弧焊的機(jī)器人就使用弧焊槍作為工具，而用于搬運(yùn)板材的機(jī)器人就會(huì)使用吸盤式的夾具作為工具，如下圖所示。1、TCP的幾種設(shè)定方法（1）N（3≤N≤9）點(diǎn)法機(jī)器人的TCP通過N種不同的姿態(tài)同參考點(diǎn)接觸，得出多組解，通過計(jì)算得出當(dāng)前TCP與機(jī)器人安裝法蘭中心點(diǎn)（Tool0）相應(yīng)位置，其坐標(biāo)系方向與Tool0一致。（2）TCP和Z法在N點(diǎn)法基礎(chǔ)上，增加Z點(diǎn)與參考點(diǎn)的連線為坐標(biāo)系Z軸的方向，改變了tool0的Z方向。（3）TCP和Z，X法在N點(diǎn)法基礎(chǔ)上，增加X點(diǎn)與參考點(diǎn)的連線為坐標(biāo)系X軸的方向，Z點(diǎn)與參考點(diǎn)的連線為坐標(biāo)系Z軸的方向，改變了tool0的X和Z方向。2、TCP和Z，X法（N=4）設(shè)定原理（1）首先在機(jī)器人工作范圍內(nèi)找一個(gè)非常精確的固定點(diǎn)作為參考點(diǎn)；（2）然后在工具上確定一個(gè)參考點(diǎn)（最好是工具的中心點(diǎn)）；（3）用手動(dòng)操縱機(jī)器人的方法，去移動(dòng)工具上的參考點(diǎn)，以四種以上不同的機(jī)器人姿態(tài)盡可能與固定點(diǎn)剛好碰上。前三個(gè)點(diǎn)的姿態(tài)相差盡量大些，這樣有利于TCP精度的提高。第四點(diǎn)是用工具的參考點(diǎn)垂直于固定點(diǎn)，第五點(diǎn)是工具參考點(diǎn)從固定點(diǎn)向?qū)⒁O(shè)定為TCP的X方向移動(dòng)，第六點(diǎn)是工具參考點(diǎn)從固定點(diǎn)向?qū)⒁O(shè)定為TCP的Z方向移動(dòng)；（4）機(jī)器人通過這四個(gè)位置點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)計(jì)算求得TCP的數(shù)據(jù)，然后TCP的數(shù)據(jù)就保存在tooldata這個(gè)程序數(shù)據(jù)中被程序進(jìn)行調(diào)用。3、工具坐標(biāo)tooldata的設(shè)定方法與步驟第一步：?jiǎn)螕簟癆BB”按鈕，并選擇“手動(dòng)操縱”第二步：選擇“工具坐標(biāo)”第三步：?jiǎn)螕簟靶陆ā钡谒牟剑簩?duì)新定義工具坐標(biāo)修改參數(shù)，如“名稱”，點(diǎn)擊“確定”第五步：選中tool5，單擊“編輯”菜單中的“定義…”選項(xiàng)第六步：選擇“TCP和Z，X”，點(diǎn)數(shù)N=4來設(shè)定TCP第七步：操作手柄靠近固定點(diǎn)，如下圖所示，此機(jī)器人姿勢(shì)作為第一個(gè)點(diǎn)第八步：?jiǎn)螕簟靶薷奈恢谩蓖瓿傻谝稽c(diǎn)的修改第九步：按照上面的操作依次完成對(duì)點(diǎn)2、3、4的修改，第一次的機(jī)器人姿勢(shì)都要不同，差距越大，最后的定義精度越高。第十步：操控機(jī)器人使工具參考點(diǎn)以點(diǎn)4的姿態(tài)從固定點(diǎn)移動(dòng)到工具TCP的+X方向和+Z方向，并保存，點(diǎn)擊“確認(rèn)”第十一步：查看誤差，越小越好，但也要以實(shí)際驗(yàn)證效果為準(zhǔn)，點(diǎn)擊“確認(rèn)”第十二步：選中“tool5”，然后打開編輯菜單選擇“更改值”第十三步：tool5的更改值菜單，對(duì)工具坐標(biāo)的重心、重量等參數(shù)設(shè)定。第十四步：?jiǎn)螕艏^向下翻頁(yè)，將mass的值改為工具的實(shí)際重量（單位kg）第十五步：編輯工具重心坐標(biāo)，以實(shí)際為準(zhǔn)最佳第十六步：?jiǎn)螕簟按_定”完成tool5數(shù)據(jù)更改第十七步：按照工具重定位動(dòng)作模式，把坐標(biāo)系選為“工具”；工具坐標(biāo)選為“tool5”。通過示教器操作可驗(yàn)證對(duì)tool坐標(biāo)系的操作效果。實(shí)訓(xùn)驗(yàn)證：1、采用TCP和Z、X法（N=4）測(cè)定工具坐標(biāo)系tool6；2、