4. 机器人工具与工件坐标系标定
在多机器人协同系统中，单台机器人的定位精度再高，如果各机器人对“工具末端在哪里”“工件在哪里”没有统一认识，协同轨迹仍会出现错位、碰撞或焊缝偏移。工具坐标系（Tool Frame）与工件坐标系（Work Object Frame）正是把机器人关节空间与真实作业空间联系起来的两个基准。本节围绕在 RobotStudio 中如何定义这两类坐标系、TCP 标定方法、多机器人之间的坐标系同步策略，以及它们对协同精度的影响展开。
一、两类坐标系的分工
工具坐标系以工具中心点 TCP（Tool Center Point）为原点，其姿态由工具相对机器人法兰盘的安装方向决定。机器人运动指令中的位置，实际描述的是 TCP 在参考坐标系中的位姿，因此 TCP 定义错误会直接放大到轨迹上。工件坐标系则建立在工件或工装夹具上，用于把编程点从“机器人基坐标”转换到“工件局部坐标”。当工件被移动或重新装夹时，只需更新工件坐标系，程序中的点位无需逐个修改。
在 RobotStudio 的 Offline 与 Online 两种工作模式下，坐标系既可以在虚拟控制器中创建，也可以从真实控制器同步。多机器人系统通常采用“各机器人独立工具坐标系 + 共享工件坐标系”的结构：每台机器人有自己的 TCP，但所有机器人引用同一个工件坐标系，从而在同一工件上协同作业。
二、TCP 标定方法
TCP 标定要解决两个量：TCP 相对法兰盘的位置（x、y、z）和工具姿态（通常用四元数或欧拉角表示）。RobotStudio 中常用以下方法。
1. 四点法（3+1 法）：让工具尖端以四种不同姿态触碰同一个固定参考点，控制器根据法兰盘位姿反算出 TCP 位置。四点法只标位置，不标姿态，适合焊枪、吸盘等对姿态不敏感或姿态已知的工具。操作时四个姿态应尽量分散，避免共面，否则解算矩阵病态、结果发散。
2. 六点法（3+2+1 法）：在四点法基础上增加两个姿态点确定工具 Z 轴方向，再用一个点确定 X 轴方向，可同时得到 TCP 位置与姿态。对需要控制工具朝向的工艺（如涂胶、打磨）应优先使用六点法。
3. 直接输入法：若工具模型在 RobotStudio 中已按实际尺寸建模，可直接读取工具几何原点相对法兰盘的偏移量填入工具数据。该方法依赖模型准确性，适合标准工具或已有图纸的场合。
标定完成后，工具数据以 tooldata 形式保存在控制器中，典型结构如下：
tooldata tWeldGun := [TRUE,
[[152.3, 0, 218.6], [1, 0, 0, 0]],
[2.5, [0, 0, 80], [1, 0, 0, 0], 0, 0, 0]];
! 位置单位 mm，姿态四元数 q1..q4
! 质量 2.5 kg，重心 [0,0,80]验证 TCP 是否标定正确，可让机器人以不同姿态把 TCP 移到同一示教点，观察实际偏差；也可在 RobotStudio 中开启 TCP 轨迹显示，手动移动机器人时若 TCP 点保持不动，说明标定有效。
三、工件坐标系标定
工件坐标系通常用三点法定义：在工件上选取原点、X 轴方向上一点、XY 平面上一点，控制器据此建立坐标系。三点不能共线，且两点间距应足够大（建议大于 100 mm），以减小角度误差。对于夹具固定的批量生产，工件坐标系一旦标定即可长期复用；对于可移动工位，每次装夹后需重新校验或使用快换定位销保证重复定位。
在 RobotStudio 中，工件坐标系可通过 wobjdata 定义，也可用 RelTool 或 DefFrame 在程序中动态建立。多机器人共享工件坐标系时，应确保所有机器人引用的是同一个 wobjdata 名称，而不是各自复制一份数值——复制数值会在工件变动时产生同步遗漏。
四、坐标系同步策略
多机器人协同的坐标系同步有三种常见策略，选择取决于系统规模与精度要求。
| 策略 | 做法 | 适用场景 | 精度影响 |
|---|---|---|---|
| 统一基准法 | 所有机器人共用同一工件坐标系，TCP 各自标定 | 工件固定、机器人共基座 | 误差主要来自 TCP，易控制 |
| 主从同步法 | 以一台机器人坐标系为基准，其余机器人通过标定转换到该基准 | 机器人分散安装、无共同基座 | 转换误差会累积，需定期复标 |
| 外部基准法 | 用激光跟踪仪或视觉系统建立全局基准，各机器人向全局基准对齐 | 高精度协同、大跨度工位 | 精度最高，成本与标定复杂度也最高 |
同步策略的核心是“基准唯一”。若两台机器人各自维护一份工件坐标数值，即使初始标定一致，随着工件移动、温度变化或碰撞，两份数值会逐渐分离，协同点偏差随之增大。工程上建议把共享工件坐标系放在控制器全局数据中，并在每次换工件后执行一次校验程序。
五、对协同精度的影响与验证
TCP 误差与工件坐标误差对协同精度的影响方式不同。TCP 位置误差 Δ 会使该机器人所有轨迹整体平移 Δ，若两台机器人 TCP 误差方向相反，协同点相对偏差可达 2Δ。工件坐标误差则表现为两机器人共同参考系的旋转或平移，误差随作业点离工件原点距离增大而放大：距离 500 mm 处 0.1° 的角度误差即可产生约 0.87 mm 的位置偏差。
验证时可在协同作业区选取 3～5 个特征点，让两台机器人分别用各自 TCP 触碰同一点，记录偏差。若偏差超过工艺公差，应优先复查 TCP 标定，再检查工件坐标系是否被正确共享。RobotStudio 的虚拟示教器可回放这些点位，用测量工具读取实际坐标，与理论值对比后判断是否需要重新标定。