3. UR焊接工件坐标系标定与多工件偏移

为什么焊接程序需要工件坐标系

焊枪TCP标定解决的是“焊丝尖端在哪里”，而工件坐标系解决的是“焊缝在哪里”。如果所有示教点都直接记录在UR基坐标系下，一旦工件被重新装夹、更换夹具或放到另一台变位机上，原程序就会整体偏移，必须重新示教。工件坐标系的作用是把焊接轨迹表达在“工件自己的坐标”里，装夹位置变化时只需更新工件坐标系，程序即可复用。

UR本身没有独立的“工件坐标系”寄存器，工程上通常用特征坐标系（Feature）+ 偏移量来实现：先在一个基准装夹位置标定一个工件坐标系，把焊缝示教点全部记录在该坐标系下；再为每个装夹位置测量一个偏移量，运行时把偏移量叠加到基准坐标系上，得到当前工件的实际坐标系。

三点法标定工件坐标系

三点法是最常用的工件坐标系标定方式，需要工件上三个可稳定触碰的特征点：

• 原点 O：工件坐标系的原点，通常选在工件角点或定位销中心。
• X方向点 Px：沿工件一条主边（如焊缝方向）取一点，O→Px 定义 X 轴。
• Y方向点 Py：在工件平面内、与X轴大致垂直的方向取一点，用于确定 XY 平面和 Y 轴。

标定时用已标定好的焊枪TCP（或专用尖针）依次触碰这三点，记录各点在UR基坐标系下的位置，然后按以下关系计算工件坐标系：

X轴单位向量:  ex = normalize(Px - O)
临时向量:     t  = Py - O
Z轴单位向量:  ez = normalize(cross(ex, t))
Y轴单位向量:  ey = cross(ez, ex)

工件坐标系姿态 R = [ex, ey, ez]   (3x3)
工件坐标系原点 = O

注意：三点不能共线，且 O、Px、Py 应尽量分散，距离越远、夹角越接近90°，标定出的坐标系越稳定。若工件特征点无法直接触碰，可用尖针替代焊枪，但必须保证尖针TCP已标定。

多工件偏移量的建立

多工件偏移的核心思想是：只标定一次基准工件坐标系，其余装夹位置只测量偏移量。偏移量是当前工件坐标系相对基准工件坐标系的位姿差，通常用4个参数描述平面装夹场景：

偏移量的获取方式有两种：一是用焊枪TCP触碰当前工件的三个特征点，与基准坐标系的理论特征点比较，反算出偏移量；二是对于重复定位精度高的夹具，直接使用夹具设计的名义偏移量，再用验证点确认。

偏移量叠加与程序复用

设基准工件坐标系为 F_base，当前工件的偏移量为 D = (Δx, Δy, Δz, Δθz)，则当前工件坐标系为：

F_current = F_base * Trans(Δx, Δy, Δz) * RotZ(Δθz)

焊接程序中所有示教点都记录在 F_base 下。运行时，UR控制器把每个点先转换到基坐标系，再叠加偏移量，实际执行位置为：

P_base = F_base * P_teach
P_exec = F_current * P_teach = F_base * D * P_teach

这样同一套焊接程序只需切换偏移量 D，就能适配不同装夹位置。下面这张图展示了基准坐标系、偏移量、当前坐标系与程序点之间的数据流关系。

实操：标定与偏移量建立流程

1. 准备：确认焊枪TCP已标定并验证；在工件上标记 O、Px、Py 三个特征点，并记录它们在工件图纸上的理论坐标。
2. 标定基准坐标系：手动移动UR，用焊枪尖端依次触碰 O、Px、Py，记录三个基坐标系位置。按前述公式计算 F_base。
3. 记录示教点：在基准装夹位置示教焊缝关键点，全部记录在 F_base 下。
4. 测量偏移量：把工件装到第二个装夹位置，再次触碰 O、Px、Py，得到 O'、Px'、Py'。计算 D = F_base⁻¹ × F_current，提取 Δx、Δy、Δz、Δθz。
5. 验证：在第二个装夹位置取一个未参与标定的验证点，用 F_current 反算其理论位置，与实际触碰位置比较，偏差应≤0.5 mm。
6. 批量建立：对每个装夹位置重复第4~5步，形成偏移量表。

偏移量表（可直接填写）

表中数值为示例，实际应以现场触碰测量结果为准。若某位验证点偏差超过工艺允许值，应检查夹具重复定位精度、工件来料一致性或标定触碰点是否准确。

程序中的偏移量切换

在UR Polyscope中，可用一个整数变量 fixture_id 选择当前装夹位，再用 Switch 或赋值语句把对应的偏移量写入位姿变量。例如：

# 伪代码示意：根据装夹位号选择偏移量
if fixture_id == 1:
    offset = p[0, 0, 0, 0, 0, 0]        # 基准位
elif fixture_id == 2:
    offset = p[0.120, 0, 0, 0, 0, 0]    # 位B，单位m
elif fixture_id == 3:
    offset = p[0.240, 0, 0, 0, 0, 0]    # 位C
# 实际执行点 = 基准坐标系下的示教点 叠加 offset
target = pose_trans(F_base, pose_trans(offset, P_teach))

注意UR中位姿平移单位是米，表中mm需除以1000。旋转分量若不为零，应使用 pose_trans 或旋转向量正确合成，不要简单相加欧拉角。

常见问题与判断

• 验证点偏差大：优先检查三点是否共线、触碰点是否在同一工件表面、TCP是否松动。
• 换位后焊缝整体偏移：检查偏移量符号方向是否与基准坐标系一致，Δx/Δy 是否用错轴。
• 焊缝角度不对：检查 Δθz 是否遗漏或旋转中心是否选在工件原点。
• 不同工件之间差异大：说明来料一致性差，应增加来料定位或改用视觉/激光寻位。