4. 工件与外围设备建模
在完成机器人本体与工具（TCP）建模之后，工作站能否真实反映生产节拍与可达性，取决于“工件—夹具—变位机—外围设备”这条物理链是否被准确还原。本节围绕三类对象展开：工件几何体的导入与定位、夹具与变位机的创建、外围设备的初步布局。它们共同决定了后续可达性分析中“机器人要到哪里、以什么姿态、在什么约束下作业”。
一、工件几何体的导入与坐标对齐
RobotStudio 支持导入 STEP、IGES、SAT、STL 等格式的几何体。导入前应先明确工件的“设计基准”与“工作站基准”之间的关系。常见做法是：在 CAD 中把工件坐标系（Wobj）原点定义在便于示教的特征上，例如法兰面中心、定位销孔中心或工件重心投影点，并让某一主平面与工件坐标系的 XY 平面重合。
导入时通过“导入几何体”对话框选择文件，在“位置”栏中可直接输入相对于工作站原点的偏移量，或勾选“使用文件中的原点”。若 CAD 模型原点与期望的工件坐标系不一致，可在“建模”选项卡中用“设定位置”把工件移动到目标坐标，再用“框架”工具创建一个用户坐标系。示例：某焊接工件长 800 mm、宽 400 mm、高 250 mm，导入后其原点位于一角，需平移 (400, 200, 0) mm 使原点落到工件底面中心，此时工件坐标系 Z 轴朝上，与工作站 Z 轴一致。
导入后应检查三件事：几何体是否完整（有无破面、丢失面）、单位是否为毫米、坐标系方向是否符合右手定则。若单位错误，可在导入设置中指定缩放因子，例如从英寸模型导入时缩放 25.4。工件几何体本身不参与碰撞检测的“可碰撞”属性设置，需要在“碰撞”设置中将其加入碰撞对。
二、夹具与变位机的创建
夹具建模有两种粒度：一是用简化几何体（长方体、圆柱、定位块）近似表达夹紧点与支撑面，用于可达性与干涉的快速判断；二是导入夹具的完整 CAD 模型，用于精细验证。工程实践中，初步布局阶段推荐第一种，因为夹具细节对机器人可达性的影响主要体现在“夹紧点位置”和“外形包络”上。
创建夹具时，建议把每个夹紧单元建成一个独立“机构”或“组件”，并为其定义本地坐标系。例如某夹具由 3 个压紧气缸组成，可分别命名为 Clamp_1、Clamp_2、Clamp_3，每个气缸的坐标系原点设在压紧面中心，Z 轴指向压紧方向。这样在示教时可以直接以夹具坐标系为参考，减少姿态换算。
变位机（Positioner）是带旋转或翻转自由度的外围设备，常见形式有单轴翻转（H 型）、双轴（H 型 + 回转）以及三轴。在 RobotStudio 中创建变位机有两种方式：一是从“设备库”中调用标准变位机模型；二是用“机械装置”手动搭建，把底座、翻转臂、回转盘分别设为连杆，并定义旋转关节。手动搭建时需注意关节类型（旋转/移动）、关节轴方向、限位范围（如翻转轴 −90°～+90°，回转轴 0°～360°）以及减速比。
变位机与工件的装配关系必须明确：工件通常固定在变位机的回转盘上，因此工件坐标系应作为变位机末端法兰的子坐标系。这样当变位机旋转时，工件随动，机器人 TCP 只需跟踪工件上的焊缝或加工点。示例：某双轴变位机翻转轴绕 X 轴旋转，回转轴绕 Z 轴旋转，工件坐标系原点位于回转盘中心上方 150 mm 处，则工件坐标系相对于回转盘法兰的变换为 (0, 0, 150) mm，姿态为单位矩阵。
三、外围设备布局初步
外围设备包括安全围栏、焊机/电源、清枪站、物料台、输送线等。初步布局的目标不是“好看”，而是让机器人工作空间不被无效占用，同时保证维护通道和线缆走向合理。布局时建议先确定三个基准：机器人安装位置、变位机安装位置、工件最大回转包络。
以弧焊工作站为例，机器人底座中心到变位机回转中心的水平距离通常取 1200～1800 mm，具体取决于机器人臂展和工件尺寸。若机器人臂展为 1650 mm，工件最大回转半径为 600 mm，则机器人底座到回转中心距离应满足：机器人可达半径 ≥ 距离 + 工件回转半径 + 安全余量（约 150 mm）。代入得距离 ≤ 1650 − 600 − 150 = 900 mm。但距离过近会导致机器人在变位机翻转时与工件干涉，因此实际取 1000～1200 mm 较为稳妥。
安全围栏的布置应保证机器人最大运动包络外扩 200～300 mm，并预留至少 600 mm 的维护门。焊机、清枪站等设备应放在机器人可达范围之外，或通过外部轴/滑台使其进入工作区。若使用滑台，需在 RobotStudio 中把滑台建成直线运动机构，并定义其行程与速度。
四、建模顺序与常见问题
推荐顺序为：导入工件 → 创建工件坐标系 → 创建夹具 → 创建变位机 → 装配工件到变位机 → 布局外围设备 → 碰撞检查。若顺序颠倒，例如先建变位机再导入工件，容易出现工件坐标系与变位机法兰不匹配，需要反复调整。
常见问题包括：导入几何体后单位错误导致尺寸放大 25.4 倍；夹具坐标系方向与工件坐标系不一致，导致示教点姿态异常；变位机关节限位设置过小，翻转时工件与机器人碰撞；外围设备未加入碰撞对，仿真时“穿模”却无报警。解决方法是：导入后立即用“测量”工具核对关键尺寸；夹具坐标系统一以压紧方向为 Z 轴；变位机限位按实际机械限位设置；所有可能干涉的对象都加入碰撞检测组。
完成本节建模后，工作站中应具备：一个带工件坐标系的工件、一组带独立坐标系的夹具、一台带关节限位的变位机、以及初步布置的外围设备。这些对象将作为后续可达性分析与布局优化的输入，其坐标精度和装配关系直接决定分析结果的可信度。