搬运机器人系列编程：Fanuc M-20iA_5.坐标系设置与管理

5. 坐标系设置与管理

在汽车制造行业中，Fanuc M-20iA 搬运机器人的高效作业离不开精确的坐标系设置与管理。坐标系是机器人编程中的基础，它决定了机器人在空间中的位置和姿态。本节将详细讲解如何设置和管理机器人的坐标系，包括世界坐标系、基座坐标系、工具坐标系和用户坐标系。

5.1 世界坐标系（World Coordinate System）

世界坐标系是机器人系统中一个固定的参考坐标系，通常位于机器人底座上。它是所有其他坐标系的基础，用于定义机器人的绝对位置和姿态。

原理

世界坐标系（WCS）是一个笛卡尔坐标系，通常以 (X, Y, Z) 三个轴表示。它的原点可以由用户设定，但通常默认设置在机器人底座的中心位置。机器人所有运动指令的绝对位置都是相对于世界坐标系的。

内容

1. 设置世界坐标系

   • 世界坐标系的设置通常在安装机器人时完成。

   • 通过机器人控制面板的“坐标系设置”功能，可以手动设定世界坐标系的原点和轴方向。

   • 也可以通过编程指令来设置和调整世界坐标系。

2. 使用世界坐标系

   • 在编程中，使用世界坐标系可以确保机器人在空间中的绝对位置。

   • 通过 P[1] 等位置寄存器，可以定义机器人的绝对位置。

代码示例

! 设置世界坐标系原点

! 假设原点设置在机器人底座中心

! 通过控制面板手动设置



! 在程序中使用世界坐标系

! 定义一个绝对位置

P[1] = {X 100, Y 200, Z 300, W 0, P 0, R 0};  ! W, P, R 表示 wrist, pitch, roll 角度



! 移动机器人到该位置

MOVJ P[1] V1000 Z30;

5.2 基座坐标系（Base Coordinate System）

基座坐标系是相对于机器人底座的坐标系。它通常用于描述机器人相对于其安装位置的相对位置和姿态。

原理

基座坐标系（BCS）是一个笛卡尔坐标系，其原点通常位于机器人底座的中心。基座坐标系的轴方向可以与世界坐标系一致，也可以根据需要进行调整。

内容

1. 设定基座坐标系

   • 通过控制面板的“坐标系设置”功能，可以手动设定基座坐标系的原点和轴方向。

   • 也可以通过编程指令来设置和调整基座坐标系。

2. 使用基座坐标系

   • 基座坐标系常用于描述机器人在工作区域内的相对位置。

   • 通过 P[2] 等位置寄存器，可以定义机器人的相对位置。

代码示例

! 设置基座坐标系原点

! 假设基座坐标系原点设置在机器人底座中心

! 通过控制面板手动设置



! 在程序中使用基座坐标系

! 定义一个相对位置

P[2] = {X 100, Y 200, Z 300, W 0, P 0, R 0};  ! W, P, R 表示 wrist, pitch, roll 角度



! 移动机器人到该位置

MOVJ P[2] V1000 Z30;

5.3 工具坐标系（Tool Coordinate System）

工具坐标系是描述机器人末端执行器（如夹具、焊枪等）相对于机器人法兰盘的位置和姿态的坐标系。

原理

工具坐标系（TCS）是一个笛卡尔坐标系，其原点通常位于机器人末端执行器的中心。工具坐标系的轴方向可以根据工具的特性进行调整。

内容

1. 设定工具坐标系

   • 通过控制面板的“工具坐标系设置”功能，可以手动设定工具坐标系的原点和轴方向。

   • 也可以通过编程指令来设置和调整工具坐标系。

2. 使用工具坐标系

   • 工具坐标系用于确保机器人末端执行器的精确位置和姿态。

   • 通过 T[1] 等工具寄存器，可以定义机器人的工具坐标系。

代码示例

! 设置工具坐标系

! 假设工具坐标系原点位于夹具中心

! 通过控制面板手动设置



! 在程序中使用工具坐标系

! 定义一个工具坐标系

T[1] = {X 0, Y 0, Z 100, W 0, P 0, R 0};  ! W, P, R 表示 wrist, pitch, roll 角度



! 移动机器人到指定位置并使用工具坐标系

MOVJ P[1] V1000 Z30 T[1];

5.4 用户坐标系（User Coordinate System）

用户坐标系是用户自定义的坐标系，用于描述工作区域内的特定位置和姿态。它可以简化编程，提高灵活性。

原理

用户坐标系（UCS）是一个笛卡尔坐标系，其原点和轴方向由用户根据实际工作需要设定。用户坐标系可以用于描述工件或其他设备的位置。

内容

1. 设定用户坐标系

   • 通过控制面板的“用户坐标系设置”功能，可以手动设定用户坐标系的原点和轴方向。

   • 也可以通过编程指令来设置和调整用户坐标系。

2. 使用用户坐标系

   • 用户坐标系可以用于简化编程，尤其是在多工位或多工件的情况下。

   • 通过 U[1] 等用户坐标系寄存器，可以定义用户坐标系。

代码示例

! 设置用户坐标系

! 假设用户坐标系原点位于工件中心

! 通过控制面板手动设置



! 在程序中使用用户坐标系

! 定义一个用户坐标系

U[1] = {X 0, Y 0, Z 0, W 0, P 0, R 0};  ! W, P, R 表示 wrist, pitch, roll 角度



! 定义一个相对于用户坐标系的位置

P[3] = {U 100, V 200, W 300, W 0, P 0, R 0};  ! U, V, W 是用户坐标系的轴



! 移动机器人到该位置并使用用户坐标系

MOVJ P[3] V1000 Z30 U[1];

5.5 坐标系的切换与管理

在实际应用中，机器人可能需要在不同的坐标系之间切换，以适应不同的任务需求。坐标系的切换和管理是确保机器人作业精确性和灵活性的关键。

原理

坐标系的切换可以通过编程指令来实现。机器人控制系统的寄存器可以存储多个坐标系，通过编程指令选择不同的坐标系。

内容

1. 切换坐标系

   • 通过 COS 指令可以切换当前使用的坐标系。

   • 也可以通过 UFRAME 指令来选择用户坐标系。

2. 管理坐标系

   • 通过寄存器管理多个坐标系，确保每个任务使用正确的坐标系。

   • 通过编程指令动态调整坐标系，适应不同的工作环境。

代码示例

! 切换到基座坐标系

COS 1;  ! 1 表示基座坐标系



! 移动机器人到基座坐标系中的位置

MOVJ P[2] V1000 Z30;



! 切换到用户坐标系

COS 2;  ! 2 表示用户坐标系



! 移动机器人到用户坐标系中的位置

MOVJ P[3] V1000 Z30 U[1];

5.6 坐标系的校准

坐标系的校准是确保机器人精确作业的重要步骤。通过校准，可以验证和调整坐标系的设置，确保其与实际物理位置一致。

原理

坐标系校准通常通过机器人控制面板或编程指令来完成。校准方法包括手动校准和自动校准。

内容

1. 手动校准

   • 通过控制面板的“坐标系校准”功能，手动调整坐标系的原点和轴方向。

   • 确保校准后的坐标系与实际物理位置一致。

2. 自动校准

   • 通过编程指令和传感器数据，自动校准坐标系。

   • 自动校准可以提高校准的准确性和效率。

代码示例

! 手动校准工具坐标系

! 通过控制面板的“工具坐标系校准”功能，手动调整工具坐标系的原点和轴方向



! 自动校准工具坐标系

! 假设使用视觉传感器进行校准

! 读取视觉传感器数据

SENSOR_DATA = GET_VISION_DATA();



! 计算校准后的工具坐标系

T[1] = {X SENSOR_DATA.X, Y SENSOR_DATA.Y, Z SENSOR_DATA.Z, W 0, P 0, R 0};



! 保存校准后的工具坐标系

SET_TOOL_COORD T[1];

5.7 坐标系的误差分析与修正

在使用坐标系的过程中，可能会出现误差。通过误差分析和修正，可以确保机器人作业的精度和稳定性。

原理

坐标系的误差分析通常包括位置误差和姿态误差。通过校准和调整，可以减小或消除这些误差。

内容

1. 误差分析

   • 通过测量机器人在实际工作中的位置和姿态，与理论值进行对比，分析误差。

   • 误差分析可以使用视觉传感器、激光测距仪等设备。

2. 误差修正

   • 通过编程指令调整坐标系的参数，减小或消除误差。

   • 误差修正可以提高机器人的作业精度。

代码示例

! 读取实际位置数据

ACTUAL_POSITION = GET_ACTUAL_POSITION();



! 读取理论位置数据

THEORETICAL_POSITION = {X 100, Y 200, Z 300, W 0, P 0, R 0};



! 计算误差

ERROR = {X (ACTUAL_POSITION.X - THEORETICAL_POSITION.X),

         Y (ACTUAL_POSITION.Y - THEORETICAL_POSITION.Y),

         Z (ACTUAL_POSITION.Z - THEORETICAL_POSITION.Z),

         W (ACTUAL_POSITION.W - THEORETICAL_POSITION.W),

         P (ACTUAL_POSITION.P - THEORETICAL_POSITION.P),

         R (ACTUAL_POSITION.R - THEORETICAL_POSITION.R)};



! 根据误差调整坐标系

P[1] = {X (P[1].X + ERROR.X),

         Y (P[1].Y + ERROR.Y),

         Z (P[1].Z + ERROR.Z),

         W (P[1].W + ERROR.W),

         P (P[1].P + ERROR.P),

         R (P[1].R + ERROR.R)};



! 保存调整后的坐标系

SET_POSITION P[1];

5.8 坐标系的应用案例

在汽车制造行业中，坐标系的设置和管理对于机器人完成各种任务至关重要。以下是一些实际应用案例，说明如何在不同场景中使用坐标系。

原理

通过合理的坐标系设置，可以简化编程，提高机器人的作业效率和精度。

内容

1. 工件搬运

   • 使用用户坐标系来描述工件的位置，简化搬运任务的编程。

   • 通过工具坐标系调整夹具的位置和姿态，确保工件的精确搬运。

2. 焊接任务

   • 使用工具坐标系来描述焊枪的位置和姿态，确保焊接点的精确性。

   • 通过用户坐标系描述工件的位置，确保机器人在不同工件上的焊接路径一致。

3. 装配任务

   • 使用基座坐标系来描述机器人在工作区域内的相对位置。

   • 通过工具坐标系调整装配工具的位置和姿态，确保装配精度。

代码示例

! 工件搬运示例

! 设置用户坐标系

U[1] = {X 0, Y 0, Z 0, W 0, P 0, R 0};



! 定义工件位置

P[4] = {U 100, V 200, W 300, W 0, P 0, R 0};



! 定义夹具工具坐标系

T[1] = {X 0, Y 0, Z 100, W 0, P 0, R 0};



! 移动机器人到工件位置

MOVJ P[4] V1000 Z30 U[1];



! 使用夹具抓取工件

GRIP();



! 移动机器人到目标位置

P[5] = {X 500, Y 600, Z 700, W 0, P 0, R 0};

MOVJ P[5] V1000 Z30 T[1];



! 释放工件

RELEASE();



! 焊接任务示例

! 设置工具坐标系

T[2] = {X 0, Y 0, Z 100, W 0, P 0, R 0};



! 定义焊接路径

P[6] = {X 100, Y 200, Z 300, W 0, P 0, R 0};

P[7] = {X 150, Y 250, Z 350, W 0, P 0, R 0};

P[8] = {X 200, Y 300, Z 400, W 0, P 0, R 0};



! 开始焊接任务

MOVJ P[6] V1000 Z30 T[2];

WELD();

MOVJ P[7] V1000 Z30 T[2];

WELD();

MOVJ P[8] V1000 Z30 T[2];

WELD();



! 装配任务示例

! 设置基座坐标系

COS 1;



! 定义装配路径

P[9] = {X 100, Y 200, Z 300, W 0, P 0, R 0};

P[10] = {X 150, Y 250, Z 350, W 0, P 0, R 0};



! 设置装配工具坐标系

T[3] = {X 0, Y 0, Z 100, W 0, P 0, R 0};



! 开始装配任务

MOVJ P[9] V1000 Z30 T[3];

ASSEMBLE();

MOVJ P[10] V1000 Z30 T[3];

ASSEMBLE();

5.9 坐标系的优化与调试

在实际应用中，优化和调试坐标系的设置可以进一步提高机器人的作业效率和精度。

原理

通过分析机器人在实际工作中的表现，调整坐标系的参数，优化机器人的运动路径和作业精度。优化和调试不仅涉及路径的调整，还包括坐标系的校准和误差分析。

内容

1. 优化路径

   • 通过调整路径中的位置和姿态，优化机器人的运动路径。

   • 优化路径可以减少机器人运动的复杂性和时间，提高作业效率。

2. 调试坐标系

   • 通过反复测试和调整，确保坐标系的设置与实际工作需求一致。

   • 调试坐标系可以提高机器人的作业精度和稳定性。

代码示例

! 优化路径示例

! 假设需要优化的路径

P[11] = {X 100, Y 200, Z 300, W 0, P 0, R 0};

P[12] = {X 150, Y 250, Z 350, W 0, P 0, R 0};

P[13] = {X 200, Y 300, Z 400, W 0, P 0, R 0};



! 通过调整路径中的位置和姿态，优化路径

P[11] = {X 105, Y 205, Z 305, W 0, P 0, R 0};

P[12] = {X 155, Y 255, Z 355, W 0, P 0, R 0};

P[13] = {X 205, Y 305, Z 405, W 0, P 0, R 0};



! 开始优化后的任务

MOVJ P[11] V1000 Z30;

MOVJ P[12] V1000 Z30;

MOVJ P[13] V1000 Z30;



! 调试坐标系示例

! 假设需要调试的用户坐标系

U[2] = {X 0, Y 0, Z 0, W 0, P 0, R 0};



! 定义调试位置

P[14] = {U 100, V 200, W 300, W 0, P 0, R 0};



! 移动机器人到调试位置

MOVJ P[14] V1000 Z30 U[2];



! 读取实际位置数据

ACTUAL_POSITION = GET_ACTUAL_POSITION();



! 读取理论位置数据

THEORETICAL_POSITION = {U 100, V 200, W 300, W 0, P 0, R 0};



! 计算误差

ERROR = {U (ACTUAL_POSITION.U - THEORETICAL_POSITION.U),

         V (ACTUAL_POSITION.V - THEORETICAL_POSITION.V),

         W (ACTUAL_POSITION.W - THEORETICAL_POSITION.W),

         W (ACTUAL_POSITION.W - THEORETICAL_POSITION.W),

         P (ACTUAL_POSITION.P - THEORETICAL_POSITION.P),

         R (ACTUAL_POSITION.R - THEORETICAL_POSITION.R)};



! 根据误差调整用户坐标系

U[2] = {X (U[2].X + ERROR.U),

         Y (U[2].Y + ERROR.V),

         Z (U[2].Z + ERROR.W),

         W (U[2].W + ERROR.W),

         P (U[2].P + ERROR.P),

         R (U[2].R + ERROR.R)};



! 保存调整后的用户坐标系

SET_USER_COORD U[2];

5.10 坐标系的维护与更新

在机器人长期运行过程中，坐标系可能会因为各种原因（如机械磨损、环境变化等）出现偏差。定期维护和更新坐标系是确保机器人持续高效作业的重要措施。

原理

坐标系的维护包括定期校准、检查和调整。通过这些措施，可以确保坐标系的精度和可靠性。

内容

1. 定期校准

   • 定期使用校准工具或设备对坐标系进行校准。

   • 校准可以手动进行，也可以通过编程指令自动完成。

2. 检查坐标系

   • 定期检查坐标系的设置和参数，确保其与实际物理位置一致。

   • 检查可以使用传感器数据进行验证。

3. 调整坐标系

   • 根据检查结果，调整坐标系的参数。

   • 调整可以手动进行，也可以通过编程指令自动完成。

代码示例

! 定期校准示例

! 假设每月进行一次校准

IF MONTH(TIME) MOD 1 = 0 THEN

  ! 手动校准世界坐标系

  ! 通过控制面板的“坐标系校准”功能，手动调整世界坐标系的原点和轴方向



  ! 自动校准工具坐标系

  ! 假设使用视觉传感器进行校准

  SENSOR_DATA = GET_VISION_DATA();

  T[1] = {X SENSOR_DATA.X, Y SENSOR_DATA.Y, Z SENSOR_DATA.Z, W 0, P 0, R 0};

  SET_TOOL_COORD T[1];

END_IF



! 检查坐标系示例

! 读取实际位置数据

ACTUAL_POSITION = GET_ACTUAL_POSITION();



! 读取理论位置数据

THEORETICAL_POSITION = {X 100, Y 200, Z 300, W 0, P 0, R 0};



! 计算误差

ERROR = {X (ACTUAL_POSITION.X - THEORETICAL_POSITION.X),

         Y (ACTUAL_POSITION.Y - THEORETICAL_POSITION.Y),

         Z (ACTUAL_POSITION.Z - THEORETICAL_POSITION.Z),

         W (ACTUAL_POSITION.W - THEORETICAL_POSITION.W),

         P (ACTUAL_POSITION.P - THEORETICAL_POSITION.P),

         R (ACTUAL_POSITION.R - THEORETICAL_POSITION.R)};



! 如果误差超过阈值，进行调整

IF ABS(ERROR.X) > 5 OR ABS(ERROR.Y) > 5 OR ABS(ERROR.Z) > 5 THEN

  P[1] = {X (P[1].X + ERROR.X),

          Y (P[1].Y + ERROR.Y),

          Z (P[1].Z + ERROR.Z),

          W (P[1].W + ERROR.W),

          P (P[1].P + ERROR.P),

          R (P[1].R + ERROR.R)};

  SET_POSITION P[1];

END_IF

5.11 坐标系的常见问题与解决方法

在使用坐标系的过程中，可能会遇到一些常见的问题。了解这些问题及其解决方法可以帮助用户更好地管理和维护坐标系。

原理

常见的问题包括坐标系偏差、校准不准确、传感器数据误差等。通过合理的调整和维护，可以解决这些问题，确保机器人作业的精度和稳定性。

内容

1. 坐标系偏差

   • 问题：机器人在实际作业中出现位置偏差。

   • 解决方法：定期进行坐标系校准，使用高精度传感器进行验证和调整。

2. 校准不准确

   • 问题：手动或自动校准后的坐标系与实际位置不一致。

   • 解决方法：仔细检查校准工具和方法，确保校准过程的准确性。必要时，重新进行校准。

3. 传感器数据误差

   • 问题：传感器数据存在误差，导致坐标系校准不准确。

   • 解决方法：使用多个传感器进行数据冗余，通过算法过滤和校正传感器数据。

代码示例

! 解决坐标系偏差问题

! 读取实际位置数据

ACTUAL_POSITION = GET_ACTUAL_POSITION();



! 读取理论位置数据

THEORETICAL_POSITION = {X 100, Y 200, Z 300, W 0, P 0, R 0};



! 计算误差

ERROR = {X (ACTUAL_POSITION.X - THEORETICAL_POSITION.X),

         Y (ACTUAL_POSITION.Y - THEORETICAL_POSITION.Y),

         Z (ACTUAL_POSITION.Z - THEORETICAL_POSITION.Z),

         W (ACTUAL_POSITION.W - THEORETICAL_POSITION.W),

         P (ACTUAL_POSITION.P - THEORETICAL_POSITION.P),

         R (ACTUAL_POSITION.R - THEORETICAL_POSITION.R)};



! 如果误差超过阈值，进行校准

IF ABS(ERROR.X) > 5 OR ABS(ERROR.Y) > 5 OR ABS(ERROR.Z) > 5 THEN

  ! 手动校准

  ! 通过控制面板的“坐标系校准”功能，手动调整世界坐标系的原点和轴方向



  ! 自动校准

  SENSOR_DATA = GET_VISION_DATA();

  T[1] = {X SENSOR_DATA.X, Y SENSOR_DATA.Y, Z SENSOR_DATA.Z, W 0, P 0, R 0};

  SET_TOOL_COORD T[1];

END_IF



! 解决传感器数据误差问题

! 读取多个传感器数据

SENSOR_DATA_1 = GET_VISION_DATA(1);

SENSOR_DATA_2 = GET_VISION_DATA(2);



! 计算平均值

AVERAGE_POSITION = {X (SENSOR_DATA_1.X + SENSOR_DATA_2.X) / 2,

                    Y (SENSOR_DATA_1.Y + SENSOR_DATA_2.Y) / 2,

                    Z (SENSOR_DATA_1.Z + SENSOR_DATA_2.Z) / 2,

                    W (SENSOR_DATA_1.W + SENSOR_DATA_2.W) / 2,

                    P (SENSOR_DATA_1.P + SENSOR_DATA_2.P) / 2,

                    R (SENSOR_DATA_1.R + SENSOR_DATA_2.R) / 2};



! 使用平均值进行校准

T[1] = AVERAGE_POSITION;

SET_TOOL_COORD T[1];

5.12 总结

坐标系的设置与管理是Fanuc M-20iA 搬运机器人在汽车制造行业中高效作业的基石。通过精确设置和管理世界坐标系、基座坐标系、工具坐标系和用户坐标系，可以确保机器人在复杂工作环境中的精确位置和姿态。此外，定期的校准、优化和调试也是提高机器人作业效率和精度的关键步骤。希望本节内容能够帮助用户更好地理解和应用坐标系，提升机器人的作业效果。

原理

• 世界坐标系：固定参考坐标系，用于定义机器人的绝对位置和姿态。

• 基座坐标系：描述机器人相对于其安装位置的相对位置和姿态。

• 工具坐标系：描述机器人末端执行器相对于法兰盘的位置和姿态。

• 用户坐标系：用户自定义的坐标系，用于描述工作区域内的特定位置和姿态。

内容

• 设置坐标系：通过控制面板或编程指令完成。

• 使用坐标系：在编程中定义和使用位置寄存器和工具寄存器。

• 切换坐标系：通过 COS 和 UFRAME 指令实现。

• 校准坐标系：通过手动或自动方法完成。

• 误差分析与修正：通过测量和编程指令进行。

• 优化与调试：通过调整路径和反复测试进行。

• 维护与更新：定期校准、检查和调整坐标系。

通过上述内容的学习和应用，用户可以更好地管理和维护Fanuc M-20iA 搬运机器人的坐标系，确保其在汽车制造行业的高效和精确作业。