機器人焊接課件：設置焊接機器人的工具坐標系

機器人焊接

設置焊接機器人的工具坐標系項目任務

設置焊接機器人的工具坐標系學習目標學習導圖燈塔傳承任務提出知識準備任務分析任務實施任務評價任務拓展拓展閱讀知識測評任務4.1機器人工具坐標系設置4.1.1

焊接機器人系統(tǒng)運動軸4.1.2焊接機器人系統(tǒng)坐標系4.1.3焊接機器人的點動方式4.1.4工具坐標系的設置方法任務4.2點動機器人沿板-板T形接頭角焊縫運動4.2.1T形接頭平角焊焊槍姿態(tài)規(guī)劃4.2.2機器人焊槍姿態(tài)顯示知識、能力、素養(yǎng)目標能夠辨識焊接機器人系統(tǒng)本體軸和附加軸。能夠闡明關節(jié)、工件和工具等點動坐標系中的機器人運動規(guī)律。能夠運用六點（接觸）法設置焊接機器人工具坐標系。知識目標拓展閱讀任務實施知識準備任務提出學習導圖學習目標1/39技能目標素養(yǎng)目標能夠適時選擇合適的機器人點動坐標系和運動軸。能夠利用示教盒實時查看和精確調整機器人焊槍姿態(tài)。能夠手動操控機器人沿T形接頭角焊縫運動。根據任務要求，靈活選擇所需坐標系，培養(yǎng)學生勇于創(chuàng)新、開拓進取的工匠精神。針對操作難點，查閱相關技術資料，激發(fā)學生的求知欲，培養(yǎng)學生孜孜不倦的學習精神。學習導圖任務實施任務分析知識準備任務提出學習導圖學習目標2/39燈塔傳承3/3920余年如一日，扎根鄂西北老“三線”廠，專攻航空發(fā)動機焊修技術，破解60余項修理難題，形成10余項核心修理技術，創(chuàng)造經濟效益近2億元。創(chuàng)造“鏡面反光仰焊法”，最終將機匣復的變形誤差控制在0.003mm，與原裝產品基本無差別。孫紅梅在焊修崗位摸爬滾打20年，從一名普通技術員成長為系統(tǒng)內焊接領域首席技術專家。她以一顆“愛崗敬業(yè)、技藝精湛、精益求精”的工匠之心，用手中的焊槍為戰(zhàn)鷹翱翔藍天保駕護航，先后獲得“全國五一勞動獎章”“全國五一巾幗標兵”“荊楚楷?！钡确Q號，榮獲2019年“大國工匠年度人物”。學習目標學習導圖燈塔傳承任務提出知識準備任務分析請動動你的小手掃描書本二維碼吧！李萬君4.1機器人工具坐標系設置任務實施任務分析知識準備任務提出學習導圖學習目標4/39使用工業(yè)機器人執(zhí)行焊接任務，需在其機械接口安裝末端執(zhí)行器（焊槍）。為提高焊槍姿態(tài)調整的便捷性和保證機器人運動軌跡的精度，當更換焊槍或因碰撞而導致槍頸發(fā)生變形時，編程員應重新設置機器人運動學的研究對象——工具坐標系。本任務采用六點（接觸）法設置FANUC焊接機器人的工具坐標系。通過點動機器人認知焊接機器人系統(tǒng)的運動軸，并掌握它們在關節(jié)、工件（用戶）和工具等機器人點動坐標系中的運動特點和規(guī)律，為后續(xù)機器人運動軌跡示教奠定基礎。任務提出4.1.1焊接機器人系統(tǒng)運動軸任務實施任務分析知識準備任務提出學習導圖學習目標5/39按照運動軸的所屬系統(tǒng)關系的不同，將焊接機器人系統(tǒng)的運動軸劃分為兩類：一是本體軸；二是附加軸，除機器人本體軸以外的運動軸，包括移動或轉動機器人本體的基座軸、移動或轉動工件的工裝軸。其中，本體軸和基座軸主要是實現機器人焊槍或TCP的空間定位與定向，而工裝軸主要是支承工件并確定其空間定位。焊接機器人系統(tǒng)運動軸的構成本體軸構成機器人本體的所有關節(jié)運動軸，主要實現TCP的空間定位和定向?；S支承機器人本體及附屬設備整體移動或轉動的軸。工裝軸支承工件并確定其空間定位的軸，配合本體軸獲得良好的TCP位姿。4.1.1焊接機器人系統(tǒng)運動軸1、本體軸6/39任務實施任務分析知識準備任務提出學習導圖學習目標六軸焊接機器人本體軸的命名六軸焊接機器人本體軸的命名4.1.1

焊接機器人系統(tǒng)運動軸1、本體軸任務實施任務分析知識準備任務提出學習導圖學習目標7/394.1.1

焊接機器人系統(tǒng)運動軸

面對復雜曲面零件、異形件以及（超）大型結構件的焊接需求，僅靠機器人本體的自由度和工作空間，根本無法保證機器人動作的靈活性和焊槍的可達性。針對此類應用場景，宜采取添加基座軸、工裝軸等附加軸來提高系統(tǒng)集成應用的靈活性和費效比。2、附加軸基座軸的集成是通過移動平臺的移動軸（P）和/或轉動軸（R）模仿人體腿部的移動功能，大大拓展焊接機器人的工作空間和動作的靈活性，獲得較高的焊接可達率。工裝軸的集成主要指的是焊接變位機，包括單軸、雙軸、三軸及復合型變位機等。它能將被焊工件移動、轉動至合適的位置，輔助機器人在執(zhí)行焊接任務過程中保持良好的焊接姿態(tài)，確保產品質量的穩(wěn)定性和一致性。任務實施任務分析知識準備任務提出學習導圖學習目標8/394.1.2焊接機器人的系統(tǒng)坐標系拓展閱讀任務實施知識準備任務提出學習導圖學習目標9/39坐標系是為確定焊接機器人的位姿而在機器人本體或空間上進行定義的位置指標系統(tǒng)。除關節(jié)坐標系外，其他坐標系均歸屬于直角坐標系，其主要差別是原點位置和坐標軸方向略有差異。焊接機器人的系統(tǒng)坐標系關節(jié)坐標系關節(jié)坐標系（JointCoordinateSystem，JCS）是固接在機器人系統(tǒng)各關節(jié)軸線上的一維空間坐標系。工件坐標系工件坐標系（ObjectCoordinateSystem，OCS）是編程員根據需要，參照作業(yè)對象自定義的三維空間正交坐標系，又稱用戶坐標系。工具坐標系工具坐標系（ToolCoordinateSystem，TCS）是編程員參照機械接口坐標系（MechanicalInterfaceCoordinateSystem，MICS）而定義的三維空間正交坐標系。機座坐標系機座坐標系（BaseCoordinateSystem，BCS）是固接在焊接機器人機座上的直角坐標系。030104024.1.2

焊接機器人的系統(tǒng)坐標系1、關節(jié)坐標系

在關節(jié)坐標系中，焊接機器人系統(tǒng)各運動軸均可實現單軸正向和反向轉動（或移動）。雖然各品牌機器人本體運動軸的命名有所不同，但它們的關節(jié)運動規(guī)律相同，關節(jié)坐標系適用于點動焊接機器人較大范圍運動或變更系統(tǒng)某一運動軸位置（如奇異點解除調整腕部軸），且運動過程中不需要約束機器人焊槍姿態(tài)的場合。拓展閱讀任務實施知識準備任務提出學習導圖學習目標10/394.1.2

焊接機器人的系統(tǒng)坐標系2、機座坐標系與關節(jié)坐標系中的運動截然不同的是，無論是沿機座坐標系的任一軸移動，還是繞任一軸轉動，焊接機器人本體軸在機座坐標系中的運動基本為多軸聯動。機座坐標系適用于點動焊接機器人在笛卡兒空間移動且機器人焊槍姿態(tài)保持不變，以及繞TCP定點轉動的場合。任務實施任務分析知識準備任務提出學習導圖學習目標11/39六軸焊接機器人本體軸在機座坐標系中的運動特點12/394.1.2

焊接機器人的系統(tǒng)坐標系3、工件坐標系同在機座坐標系中的運動規(guī)律相似，點動焊接機器人本體軸在工件坐標系中的運動基本為多軸聯動，且方便通過繞TCP定點轉動來調整焊槍姿態(tài)。工件坐標系適用于點動焊接機器人沿焊道（平行）移動或繞焊道定點轉動，以及運動軌跡平移和鏡像等高級任務編程場合。任務實施任務分析知識準備任務提出學習導圖學習目標六軸焊接機器人本體軸在工件坐標系中的運動特點4、工具坐標系

同為直角坐標系，焊接機器人本體軸在工具坐標系中的運動基本仍為多軸聯動，且能夠實現繞TCP定點轉動。不過，與機座坐標系不同的是，工具坐標系的原點及坐標軸方向在機器人執(zhí)行任務過程中通常是變化的。4.1.2

焊接機器人的系統(tǒng)坐標系任務實施任務分析知識準備任務提出學習導圖學習目標13/39六軸焊接機器人本體軸在工具坐標系中的運動特點在手動模式（T1模式和T2模式）下，編程員需要經常手動控制機器人以時斷時續(xù)的方式運動，即“點動”焊接機器人。一般來講，點動焊接機器人有增量點動和連續(xù)點動兩種操控方式。無論是增量點動機器人還是連續(xù)點動機器人，均應遵循手動操控機器人的基本流程。4.1.3焊接機器人的點動方式點動焊接機器人的基本流程任務實施任務分析知識準備任務提出學習導圖學習目標14/391、增量點動機器人

每點按【運動鍵】一次，機器人系統(tǒng)被選中的運動軸（或TCP）將以設定好的速度轉動固定的角度（步進角）或步進一小段距離（步進位移量）。到達位置后，機器人系統(tǒng)運動軸停止運動。當松開并再次點按【運動鍵】時，機器人將以同樣的方式重復運動。增量點動機器人適用于手動操作和任務編程時離目標（指令）位姿接近的場合，主要是對機器人焊槍（或工件）的空間位姿進行精細調整。4.1.3焊接機器人的點動方式增量電動機器人任務實施任務分析知識準備任務提出學習導圖學習目標15/392、連續(xù)點動機器人持續(xù)按住【運動鍵】，機器人系統(tǒng)被選中的運動軸（或TCP）將以設定好的速度連續(xù)轉動或移動。一旦松開按鍵，機器人立即停止運動。連續(xù)點動機器人適用于手動操作和任務編程時離目標（指令）位姿較遠的場合，主要是對機器人焊槍（或工件）的空間位姿進行快速粗調整。連續(xù)點動焊接機器人4.1.3焊接機器人的點動方式任務實施任務分析知識準備任務提出學習導圖學習目標16/394.1.4工具坐標系的設置方法拓展閱讀任務實施知識準備任務

提出學習導圖學習目標1、設置緣由在不正確設置TCP或工具坐標系的情況下，焊接機器人的示教與再現將會遇到哪些棘手問題？下面通過描述的三個場景，闡明焊接機器人工具坐標系的標定理由。場景場景描述設置前設置后任務示教當工具坐標系尚未設置或因參數丟失而尚未正確設置時，機器人焊槍作業(yè)姿態(tài)的調整無法通過繞TCP定點轉動快捷實現。程序測試若遇到工具坐標系參數未正確設置等情況，此時極易發(fā)生機器人末端執(zhí)行器與工件碰撞、動作不可達等現象而導致停機。焊接機器人工具坐標系的設置緣由17/39場景場景描述設置前設置后視覺導引當利用機器視覺進行焊前尋位、焊縫跟蹤等自適應焊接時，倘若機器人工具坐標系（TCP）參數未正確設置，機器人視覺導引糾偏容易導致末端執(zhí)行器與工件發(fā)生碰撞，以及動作不可達等現象。4.1.4工具坐標系的設置方法1、設置緣由焊接機器人工具坐標系的設置緣由（續(xù)）任務實施任務分析知識準備任務提出學習導圖學習目標18/392、設置方法

目前，常用的焊接機器人工具坐標系的設置方法包括六點（接觸）法和直接輸入法兩種。采用六點（接觸）法設置工具坐標系時，基本原則是點動機器人以若干不同的手臂（腕）姿態(tài)指向并接觸同一外部（尖端）參照點。4.1.4

工具坐標系的設置方法任務實施任務分析知識準備任務提出學習導圖學習目標19/39六點（接觸）法設置焊接機器人工具坐標系任務提出知識準備任務分析任務實施任務評價任務拓展任務分析采用六點（接觸）法設置FANUC焊接機器人的工具坐標系。除六點（接觸）法外，針對相同機型、相同配置的焊接機器人系統(tǒng)批量調試，以及使用者已準確掌握機器人末端執(zhí)行器（焊槍）的幾何尺寸等場合，可以采用直接輸入法設置工具坐標系的相關參數。六點（接觸）法設置焊接機器人工具坐標系流程請動動你的小手掃描書本二維碼吧！20/39任務實施1、設置前的準備

開始設置焊接機器人工具坐標系前，請做如下準備：任務提出知識準備任務分析任務實施任務評價任務拓展請動動你的小手掃描書本二維碼吧！01020304焊絲干伸長度調整根據任務（工藝）需求，合理調整焊絲干伸長度，如調整至焊絲直徑的10～15倍。檢查機器人各關節(jié)運動軸的零點是否正確。若發(fā)現零點不準，請參照FANUC焊接機器人電池更換及零點校準方法予以調整。準備一個外部尖端點將尖端點（如銷針）放置在機器人工作空間的可達位置。機器人原點確認執(zhí)行機器人控制器內存儲的原點程序，讓機器人原點（如J5=90°，J1=J2=J3=J4=J6=0°）。21/39任務實施

2、工具坐標參數計算

任務提出知識準備任務分析任務實施任務評價任務拓展請動動你的小手掃描書本二維碼吧！01020304（3）記憶工具坐標軸方向點（2）記憶參考點的三種不同姿態(tài)（1）進入工具坐標系設置界面。（4）自動計算生成工具坐標系參數22/39任務實施

3、工具坐標編號選擇工具坐標精度檢驗

任務提出知識準備任務分析任務實施任務評價任務拓展請動動你的小手掃描書本二維碼吧！01020304（3）切換機器人點動坐標系（2）彈出菜單（1）主菜單（4）檢驗工具坐標系的原點（TCP）和軸指向精度23/39任務拓展當遇到管-管相貫線角焊縫時，如何規(guī)劃機器人運動軌跡和焊槍姿態(tài)？任務提出知識準備任務分析任務實施任務評價任務拓展任務拓展？24/394.2點動機器人沿板-板T形接頭角焊縫運動拓展閱讀任務實施知識準備任務提出學習導圖學習目標一焊件之端面與另一焊件表面構成直角或近似直角的接頭，稱為T形接頭。T形接頭是建筑、橋梁、船舶等鋼結構焊接制造最為常見的接頭形式之一。根據焊縫所處位置或承受載荷大小，T形接頭包括I形坡口角焊縫（非承載焊縫）和單邊V形、J形、K形、雙J形對接焊縫（承載焊縫）兩種。

本任務模仿T形接頭角焊縫線狀焊道運動軌跡示教時的機器人TCP位姿調整，深化對焊接機器人系統(tǒng)運動軸及其在關節(jié)、工件、工具等常見機器人點動坐標系中的運動特點的理解。T形接頭角焊縫平焊示意任務提出25/394.2.1T形接頭平角焊焊槍姿態(tài)規(guī)劃與對接接頭相比，構成T形接頭的兩工件成90°左右的夾角，降低熔敷金屬和熔渣的流動性，焊后容易產生咬邊和氣孔等缺陷。因此，為獲得理想的焊接接頭質量，合理規(guī)劃機器人焊槍的空間指向顯得尤為重要。鋼結構制作中常見的T形接頭坡口形式和焊縫形式。序號坡口形式焊縫形式接頭示例1I形角焊縫2單邊v形對接焊縫3單邊V形對接焊縫4J形（帶鈍邊）對接焊縫常見的T形接頭坡口形式和焊縫形式任務提出知識準備任務分析任務實施任務評價任務拓展26/394.2.1T形接頭平角焊焊槍姿態(tài)規(guī)劃序號坡口形式焊縫形式接頭示例5K形對接焊縫6K形（帶鈍邊）對接焊縫7K形對接和角接的組合焊縫8

雙J形對接焊縫常見的T形接頭坡口形式和焊縫形式（續(xù)）任務提出知識準備任務分析任務實施任務評價任務拓展27/394.2.2機器人焊槍姿態(tài)顯示在示教、保養(yǎng)和維修機器人過程中，經常需要了解機器人各關節(jié)運動軸及末端工具（或TCP）的位置及姿態(tài)，此時可以通過系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視功能實時查看機器人的運動狀態(tài)。以關節(jié)和直角形式顯示FANUC機器人各關節(jié)運動軸、末端工具（或TCP）的位置及姿態(tài)的界面。點按【位置鍵】，選擇功能菜單（圖標）欄的“關節(jié)”“用戶”或“世界”，即可彈出機器人（焊槍）姿態(tài)實時顯示界面。機器人（焊槍）姿態(tài)實時顯示界面任務提出知識準備任務分析任務實施任務評價任務拓展28/39任務分析為實現工件坐標系中點動FANUC焊接機器人，模仿T形接頭角焊縫線狀焊道運動軌跡示教時的機器人TCP位姿調整，深化對焊接機器人系統(tǒng)運動軸及其在關節(jié)、工件、工具等常見機器人點動坐標系中的運動特點的理解，熟悉點動機器人的必要條件。任務提出知識準備任務分析任務實施任務評價任務拓展29/39T形接頭角焊縫平焊示意任務實施1、示教前準備選擇合適的夾具，將試板固定在焊接工作臺上。切換機器人控制器操作面板【模式旋鈕】至“T1”或“T2”位置，選擇手動模式，并置示教盒為有效狀態(tài)（【使能鍵】對準“ON”位置）。核對試板尺寸，將鋼板表面的鐵銹、油污等雜質清理干凈。使用手工電弧焊（如氬弧焊）從T形接頭兩端面定位焊，焊點不宜過大。執(zhí)行機器人控制器內已有的原點程序，讓機器人原點（如J5=-90°),J1=J2=J3=J4=J6=0°）。工件表面清理工件組對點固工件裝夾與固定示教模式確認機器人原點確認任務提出知識準備任務分析任務實施任務評價任務拓展30/39任務實施2、運動軌跡示教機器人原點P[1]1）查看機器人本體軸位置。2）確認焊絲干伸長度。焊接起始點P[3]1）切換機器人點動坐標系。2）移至調姿參考點。3）查看機器人TCP位姿。4）調整機器人焊槍工作角。5）移至焊接起始點。6）調整機器人焊槍行進角。焊接臨近點P[2]1）切換機器人點動坐標系。2）移至焊接臨近點。焊接結束點P[4]1）移至焊接起始點。2）切換機器人點動坐標系。3）移至焊接結束點。任務提出知識準備任務分析任務實施任務評價任務拓展31/39任務實施2、運動軌跡示教焊接回退點P[5]1）切換機器人點動坐標系。2）移至焊接回退點。焊接起始點P[71）切換機器人點動坐標系。2）移至調姿參考點。3）調整機器人焊槍姿態(tài)。4）移至焊接起始點。焊接臨近點P[6]1）1）切換機器人點動坐標系。2）移至焊接臨近點。焊接結束點P[8]1）移至焊接起始點。2）切換機器人點動坐標系。3）移至焊接結束點。任務提出知識準備任務分析任務實施任務評價任務拓展32/39任務實施2、運動軌跡示教焊接回退點P[9]1）切換機器人點動坐標系。2）移至焊接回退點。機器人原點P[1]1）查看機器人本體軸位置。2）切換機器人點動坐標系。3）點動機器人本體軸。任務提出知識準備任務分析任務實施任務評價任務拓展33/39任務評價任務提出知識準備任務分析任務實施任務評價任務拓展綜上可以看出，快速、便捷地完成焊接機器人點動操作，需要適時選擇恰當的點動坐標系和坐標（運動）軸。焊接機器人的運動軌跡示教主要是在工件和工具等直角坐標系中完成的。點動FANUC焊接機器人沿板-板T形接頭角焊縫運動，將各示教點的機器人焊槍姿態(tài)數據填入下表。34/39板-板T形接頭平角焊的機器人焊槍姿態(tài)任務擴展請動動你的小手掃描書本二維碼吧！任務提出知識準備任務分析任務實施任務評價任務拓展當點動機器人沿板-板對接接頭平焊運動時，機器人焊槍姿態(tài)如何規(guī)劃？？35/39擴展閱讀焊接機器人工件（用戶）坐標系的設置工件（用戶）坐標系是編程員參照作業(yè)對象和相對機座坐標系而定義的三維空間正交坐標系。FANUC焊接機器人系統(tǒng)默認可以設置10套用戶坐標系，編號0～9（編號0表示工件坐標系與機座坐標系重合）。同工具坐標系設置近似，編程員可以采用三點（接觸）法設置機器人工件坐標系，分別用于記憶工件坐標系的原點、X軸方向點和Y軸方向點。待工件坐標系設置完成，選擇激活新設置的工件坐標系，并點動機器人沿參考對象（如焊道）定向移動。任務分析任務實施任務評價任務拓展拓展閱讀知識測評請動動你的小手掃描書本二維碼吧！36/391.FANUC機器人示教時常使用的坐標系

坐標系、

坐標系、

坐標系和