4. 机器人系统建模与导入
在ROBOGUIDE中，虚拟控制器能否正确驱动机器人，取决于仿真工作站里的几何模型是否与真实系统在“结构、尺寸、位置、姿态”四个层面一致。本节讨论的不是简单地把CAD文件拖进软件，而是围绕机器人本体、工具、工件与外围设备四类对象，完成导入、装配、姿态校准和坐标系对齐的完整建模过程。只有这四类对象在虚拟场景中形成正确的相对关系，后续的离线编程、节拍评估和碰撞检测才有意义。
一、四类对象的建模定位
机器人本体模型决定运动学基准。ROBOGUIDE通常优先使用机器人库中的标准模型，因为库模型已内置DH参数、关节限位和连杆几何，导入后可直接与虚拟控制器绑定。只有在库中缺少对应机型时，才考虑从CAD导入本体，此时必须确认CAD模型的关节原点、连杆长度与真实机器人一致，否则运动学计算会整体偏移。
工具模型（Tool）决定TCP位置。工具CAD导入后需要建立工具坐标系，即UTOOL。工具坐标系的原点通常设在焊丝末端、吸盘中心或夹爪夹持点，Z轴方向一般指向工具作业方向。工具模型相对法兰盘的安装姿态必须与现场一致，否则TCP会偏离真实位置。
工件模型（Workpiece）决定加工对象的位置与形状。工件CAD导入后需要建立工件坐标系，即UFRAME。工件坐标系通常设在夹具定位点或工件基准角上，用于描述机器人作业路径相对于工件的位置。
外围设备模型（Peripheral）包括变位机、导轨、安全围栏、料架等。它们不直接参与机器人运动学，但决定碰撞检测范围和工作空间边界。外围设备导入后一般固定为静态模型，必要时可设置为可动机构。
二、CAD导入的关键设置
ROBOGUIDE支持IGES、STEP、STL等格式。导入时最容易出问题的不是文件本身，而是单位与坐标系。CAD文件可能以毫米或米为单位，若导入时单位设置错误，模型会放大或缩小1000倍。建议在导入对话框中明确选择单位，并在导入后立即用测量工具检查一个已知尺寸，例如法兰盘直径或工件边长。
导入坐标系的选择同样关键。CAD模型自带的原点往往不在装配基准上，因此导入时应选择“以模型原点导入”或“以指定点导入”。若模型原点与装配点不一致，可在导入后通过平移和旋转调整，但更稳妥的做法是在CAD软件中预先将模型原点移到装配基准，再导出为STEP文件。
导入检查清单（示例）：
1. 文件格式：STEP AP214
2. 单位：毫米
3. 导入坐标系：模型原点
4. 导入后测量：法兰盘直径 100 mm
5. 若测量值偏差超过 0.5 mm，检查单位设置
三、模型姿态校准
姿态校准的目标是让虚拟模型与真实系统的安装姿态一致。以工具为例，工具安装在法兰盘上时，可能存在绕X、Y、Z轴的旋转。校准方法有两种：一是通过CAD软件预先调整工具模型姿态，使其在法兰坐标系下的姿态与现场一致；二是在ROBOGUIDE中通过工具坐标系设置界面输入旋转角度。
无论采用哪种方式，都需要一个可验证的基准。常用做法是：在虚拟场景中让机器人移动到某个已知姿态，观察工具末端是否与工件上的标记点重合。若重合，说明工具姿态正确；若偏离，则根据偏差方向调整旋转角。例如，工具末端在X方向偏左5 mm，可能是工具绕Y轴旋转了约3°（取决于工具长度），可通过小角度迭代修正。
四、坐标系对齐
坐标系对齐的核心是建立三个坐标系之间的正确关系：世界坐标系（World）、工具坐标系（UTOOL）、工件坐标系（UFRAME）。世界坐标系是虚拟场景的绝对基准，通常与机器人底座坐标系重合。工具坐标系描述工具末端相对于法兰盘的位置和姿态。工件坐标系描述工件相对于世界坐标系的位置和姿态。
对齐操作通常分三步：第一步，将机器人移动到工件上的一个已知基准点，记录当前世界坐标；第二步，在ROBOGUIDE中设置该点为工件坐标系原点；第三步，选择工件上的另一个点确定X轴方向，再选择第三个点确定XY平面。这样建立的工件坐标系与真实工件在空间中的位置一致。
工具坐标系的对齐类似：将机器人移动到工具末端与某个固定参考点重合的位置，记录当前法兰盘坐标，再根据工具几何尺寸反算TCP偏移。ROBOGUIDE提供了“直接输入法”和“示教法”两种方式。直接输入法适合已知工具尺寸的场景；示教法适合工具尺寸未知或需要现场校准的场景。
五、验证与常见问题
建模完成后，必须进行验证。最直接的方法是让机器人沿一条已知路径运动，观察工具末端是否与工件上的标记点重合。若重合，说明工具坐标系和工件坐标系对齐正确。若偏离，需要检查三个环节：工具模型姿态、工件模型位置、机器人本体运动学参数。
常见问题包括：CAD模型单位错误导致尺寸偏差；工具模型原点不在法兰盘中心导致TCP偏移；工件坐标系原点与夹具定位点不一致导致路径整体平移；外围设备模型与机器人工作空间重叠导致误报碰撞。排查时建议先单独验证工具坐标系，再验证工件坐标系，最后验证外围设备。
完成本节建模后，虚拟工作站中的机器人、工具、工件和外围设备应形成与真实系统一致的相对关系。此时可以进入下一步：在虚拟控制器中配置I/O信号和程序逻辑，开始离线编程与仿真验证。