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工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸知識(shí)詳解

隨著社會(huì)進(jìn)步、科技發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也越來越普遍。由于其種類眾多、運(yùn)動(dòng)軸與坐標(biāo)系也很多，確定起來容易出錯(cuò)，對(duì)于新手尤其如此。本文主要介紹了工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸的命名、坐標(biāo)系的確定原則及其常用種類，以期對(duì)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用起到一定的參考。 1. 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)中，一般需要配備除了自身性能特點(diǎn)的外圍設(shè)備，如轉(zhuǎn)動(dòng)工件的回轉(zhuǎn)臺(tái)，移動(dòng)工件的移動(dòng)臺(tái)等。這些外圍設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和位置控制都需要與工業(yè)機(jī)器人相配合并要求相應(yīng)精度。通常機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸按其功能可劃分為機(jī)器人軸、基座軸和工裝軸，基座軸和工裝軸統(tǒng)稱外部軸。機(jī)器人軸是指操作本體的軸，屬于機(jī)器人本身，目前商用的工業(yè)機(jī)器人大多以8軸為主?；S是使機(jī)器人移動(dòng)軸的總稱，主要指行走軸（移動(dòng)滑臺(tái)或?qū)к墸?。工裝軸是除機(jī)器人軸、基座軸以外軸的總稱，指使工件、工裝夾具翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)的軸，如回轉(zhuǎn)臺(tái)、翻轉(zhuǎn)臺(tái)等。實(shí)際生產(chǎn)中常用的是6關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人，該操作機(jī)有6個(gè)可活動(dòng)的關(guān)節(jié)（軸）。附表與圖1為常見工業(yè)機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)軸的定義，值得注意的是，不同的工業(yè)機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)軸的定義也不同。用于保證末端執(zhí)行器達(dá)到工作空間任意位置的軸稱為基本軸或主軸；用于實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器任意空間姿態(tài)的軸，稱為腕部軸或次軸；圖2是YASKAWA工業(yè)機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)軸的關(guān)系。圖1 典型機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)軸圖2 YASKAWA工業(yè)機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)軸的關(guān)系 2. 機(jī)器人坐標(biāo)系確定機(jī)器人程序中所有點(diǎn)的位置都和坐標(biāo)系關(guān)聯(lián)，同時(shí)這個(gè)坐標(biāo)系也可能和另一個(gè)坐標(biāo)系關(guān)聯(lián)。機(jī)器人的各種坐標(biāo)系都由正交的右手定則來決定，如圖3所示。當(dāng)圍繞平行于X 、Y 、Z 軸線的各軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，分別定義為A 、B 、C 。A 、B 、C 的正方向分別是X 、Y 、Z 正方向上右手螺旋前進(jìn)的方向（見圖4）。圖3 右手坐標(biāo)系圖4 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系常用的坐標(biāo)系是絕對(duì)坐標(biāo)系、機(jī)座坐標(biāo)系、機(jī)械接口坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系。（1）絕對(duì)坐標(biāo)系與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)無關(guān)，以地球?yàn)閰⒄障档墓潭ㄗ鴺?biāo)系（見圖5），符號(hào)為O 0、X 0、Y 0、Z 0。原點(diǎn)O 0、+X 0軸由用戶根據(jù)需要來確定；+Z 0軸與重力加速度的矢量共線，但方向相反。（2）機(jī)座坐標(biāo)系是以機(jī)器人機(jī)座安裝平面為參照系的坐標(biāo)系，符號(hào)為O 1、X 1、Y 1、Z 1。原點(diǎn)O 1由機(jī)器人制造廠規(guī)定；+Z 1軸垂直于機(jī)器人機(jī)座安裝面，指向機(jī)器人機(jī)體；X1軸方向由原點(diǎn)指向機(jī)器人工作空間中心點(diǎn)Cw（見GB／T12644—2001）在機(jī)座安裝面上的投影。當(dāng)由于機(jī)器人的構(gòu)造不能實(shí)現(xiàn)此約定時(shí)，X 1軸的方向可由制造廠規(guī)定。（3）機(jī)械接口坐標(biāo)系是以機(jī)械接口為參照系，符號(hào)為O m、X m、Y m、Z m。原點(diǎn)O m是機(jī)械接口的中心；+Z m軸的方向垂直于機(jī)械接口中心，并由此指向末端執(zhí)行器；+X m軸由機(jī)械接口平面和X 1、Z 1平面（或平行于X 1、Z 1圖2 YASKAWA工業(yè)機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)軸的關(guān)系圖3 右手坐標(biāo)系圖4 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系圖5 坐標(biāo)系示例圖6 工具坐標(biāo)系的平面）的交線來定義，同時(shí)機(jī)器人的主、副關(guān)節(jié)軸處于運(yùn)動(dòng)范圍的中間位置。當(dāng)機(jī)器人構(gòu)造不能實(shí)現(xiàn)此約定時(shí)，應(yīng)由制造廠規(guī)定主關(guān)節(jié)軸位置。+X m軸的指向遠(yuǎn)離Z 1軸。（4）工具坐標(biāo)系以安裝在機(jī)械接口上的末端執(zhí)行器為參照系（見圖6），符號(hào)為O t、X t、Y t、Z t。原點(diǎn)O t是工具中心點(diǎn)（TCP）；+Zt軸與工具有關(guān)，通常是工具指向；在平板式夾爪型夾持器夾持時(shí)，+Y t是手指運(yùn)動(dòng)平面的方向。圖5 坐標(biāo)系示例圖6 工具坐標(biāo)系 3. 工業(yè)機(jī)器人常用坐標(biāo)系（1）基坐標(biāo)系（ B a s eCoordinate System），又稱為機(jī)座坐標(biāo)系，位于機(jī)器人基座。如圖5所示，它是最便于機(jī)器人從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置的坐標(biāo)系?；鴺?biāo)系在機(jī)器人基座中有相應(yīng)的零點(diǎn)，這使固定安裝機(jī)器人的移動(dòng)具有可預(yù)測性。在正常配置的機(jī)器人系統(tǒng)中，工人可通過控制桿進(jìn)行該坐標(biāo)系的移動(dòng)。（2）世界坐標(biāo)系（Wo r l dCoordinate System），又稱為大地坐標(biāo)系或絕對(duì)坐標(biāo)系。如果機(jī)器人安裝在地面，在基坐標(biāo)系下示教編程很容易，但當(dāng)機(jī)器人吊裝時(shí)，機(jī)器人末端移動(dòng)直觀性差，因而示教編程較為困難。另外，如果兩臺(tái)或多臺(tái)機(jī)器人共同協(xié)作時(shí)，例如，一臺(tái)安裝于地面，另一臺(tái)倒置，倒置機(jī)器人的基坐標(biāo)系也將上下顛倒（見圖7）。當(dāng)分別在兩臺(tái)機(jī)器人的基坐標(biāo)系A(chǔ) 、B 中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，很難預(yù)測相互協(xié)作運(yùn)動(dòng)的情況。圖7 世界坐標(biāo)系此時(shí)，可以定義一個(gè)共同的世界坐標(biāo)系C 取而代之。若無特殊說明，單臺(tái)機(jī)器人世界坐標(biāo)系和基坐標(biāo)系是重合的。（3）用戶坐標(biāo)系（U s e rCoordinate System），機(jī)器人可以和不同的工作臺(tái)或夾具配合工作，在每個(gè)工作臺(tái)上建立一個(gè)用戶坐標(biāo)系。機(jī)器人大部分采用示教編程的方式，步驟繁瑣，對(duì)于相同工件，若放置在不同工作臺(tái)進(jìn)行操作，不必重新編程，只需相應(yīng)地變換到當(dāng)前用戶坐標(biāo)系下。用戶坐標(biāo)系在基坐標(biāo)系或者世界坐標(biāo)系下建立。（4）工件坐標(biāo)系（Obje c tCoordinate System）與工件相關(guān)，通常最適于對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編圖7 世界坐標(biāo)系程。工件坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)工件，它定義工件相對(duì)于大地坐標(biāo)系（或其他坐標(biāo)系）的位置。工件坐標(biāo)系擁有特定附加屬性，主要用于簡化編程。他擁有兩個(gè)框架：用戶框架（與大地基座相關(guān)）和工件框架（與用戶框架相關(guān)）。機(jī)器人可以擁有若干工件坐標(biāo)系，表示不同工件，或者表示同一工件在不同位置的若干狀態(tài)。對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程就是在工件坐標(biāo)系中創(chuàng)建目標(biāo)和路徑，重新定位工作站中的工件時(shí)，只需更改工件坐標(biāo)系的位置，所有路徑將隨之更新。允許操作以外軸或傳送導(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)。（5）置換坐標(biāo)系（Displacement CoordinateSystem）又稱為位移坐標(biāo)系，有時(shí)需要對(duì)同一工件、同一段軌跡在不同工位上加工，為了避免每次重新編程，可以定義一個(gè)置換坐標(biāo)系。置換坐標(biāo)系基于工件坐標(biāo)系定義。如圖8所示，當(dāng)置換坐標(biāo)系被激活后，程序中的所有點(diǎn)都將被置換。圖8 置換坐標(biāo)系（6）腕坐標(biāo)系（WristCoordinate System）和工具坐標(biāo)系都是用來定義工具方向的。在簡單應(yīng)用中，腕坐標(biāo)系可以定義為工具坐標(biāo)系，兩者重合。腕坐標(biāo)系的Z 軸和機(jī)器人的第6根軸重合，如圖9所示，坐標(biāo)系原點(diǎn)位于末端法蘭盤中心，X 軸方向與圖8 置換坐標(biāo)系圖9 腕坐標(biāo)系法蘭盤上標(biāo)識(shí)孔的方向相同或相反，Z 軸垂直向外，Y 軸符合右手法則。圖9 腕坐標(biāo)系（7）工具坐標(biāo)系（ToolCoordinate System）安裝在末端法蘭盤上的工具需要在其中心點(diǎn)（TCP）定義一個(gè)工具坐標(biāo)系，通過坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，可以操作機(jī)器人在工具坐標(biāo)系下運(yùn)動(dòng)，以方便操作。如果工具磨損或更換，只需重新定義工具坐標(biāo)系，而不用更改程序。工具坐標(biāo)系建立在腕坐標(biāo)系下，即兩者之間的相對(duì)位置和姿態(tài)是確定的。（8）關(guān)節(jié)坐標(biāo)系（Join tCoordinate System）用來描述機(jī)器人每個(gè)獨(dú)立關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)類型可能不同（如移動(dòng)關(guān)節(jié)、轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)等）。若將機(jī)器人末端移動(dòng)到期望位置，在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下操作，可以依次驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，從而引導(dǎo)機(jī)器人末端到達(dá)指定的位置。 4. 結(jié)語由于工業(yè)機(jī)器人品種眾多，每種工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)系也很多，其命名、確定方式雖然有標(biāo)準(zhǔn)，但是有的生產(chǎn)廠家又不按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，各有各的叫法。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)就顯得非?；靵y麻煩。本文詳細(xì)介紹了工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)軸命名與常用坐標(biāo)系的確定，以期對(duì)使用者有所幫助。

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