搞懂FANUC ROBOT的座標系：UFRAME與UTOOL解釋!

在工業自動化領域，精準控制 FANUC 機器人的第一步，就是徹底搞懂座標系 (Coordinate System)。許多剛踏入自動化產業的工程師，在面對 UFRAME (使用者座標) 與 UTOOL (工具座標) 時常感到一頭霧水，導致在現場教導點位時耗費大量時間。這篇文章將濃縮我多年的現場實戰與手臂調適經驗，用最白話的方式，帶你解析這兩個 FANUC 系統中最核心的設定觀念。

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在本篇文章中，我將用淺顯易懂的方式一次搞懂ROBOT座標系的意義、差異與實務應用。

為什麼座標系很重要?

但是，ROBOT本身並不像人類具有「直覺」，認為自己待會該向上或向右，它需要明確被告知「哪裡是原點、方向在哪裡」這就是座標系的協助。

我們在一般治具上的取放料件時，治具的座標系與ROBOT的座標系可能並未經過校正吻合，舊友機率會發生前面幾個料件可以正確且精準地被取放，然而在接近末段的位置的時候，會因其「累積誤差」而無法正確取放。(如下圖)

ROBOT座標系與治具檯面並未吻合

當然你可能會認為說：ROBOT不是用「教導」的嗎？為什麼會有累積誤差的情況發生呢？

其中一個原因是，如果治具盤面上的料件只有10個左右，當然可以使用一個一個教導的方式來取放。那如果是有100個料件呢？難道也要一個一個教導嗎？

都已經決定要導入自動化了，我們當然可以用更聰明的方式來完成這個所謂「陣列取放」的問題。

這個問題之後會再寫一篇文來做說明。

FANUC ROBOT的四大座標系

FANUC ROBOT主要會接觸到以下4大座標系：

1. World Frame (世界座標系)：ROBOT一開機就預設好的，無法被更改。存在於ROBOT本體。
2. User Frame (使用者座標系)：自定義於要操作的空間。可以根據使用情況多加設定的座標系，在程式中可以切換組別使用。
3. Tool Frame (工具座標系)：以工具(夾爪或吸盤…等)安裝後的末端做為中心，又稱為Tool Center Point (TCP)。用於定義工具的長度和方向。
4. Joint Frame (關節座標系)：顧名思義就是以各軸關節分開來移動的，操作時可以控制各軸關節正反轉。

World Frame與Tool Frame的預設示意圖

其中除了Joint Frame之外，其餘座標系都是Cartesian coordinate system (笛卡爾座標系統)

User Frame是什麼？它代表什麼空間？

想像一下你有一張工作桌，桌子上的每一個角落你都需要讓ROBOT去取放料件。正如前面所說明，如果直接用 WORLD 座標操作，位置很多的話就會變得非常麻煩。

這時候可以定義一個 User Frame，以桌角為原點，桌邊為 X、Y 方向，這樣我們就可以很直覺地在「桌面」上規劃ROBOT動作。

如上圖：當設定好User Frame以後，因為ROBOT已經執行參考了該座標系，只要操作1個方向就可以從A點去到B點。

Tool Frame是什麼？為什麼需要它？

當你在機械手臂上裝上不同工具（Tool）時，這些工具的形狀與長度可能不同。UTOOL 就是為了告訴機器人：我的手長這樣、手指這樣伸。

定義好UTOOL (或稱TCP)之後，那麼後續的移動都會是以該UTOOL進行的。在設定TCP的方向的時候，會有一個習慣是TCP與User Frame方向會大致一樣，總不太能User frame Z方向向上；TCP Z方向向下，這樣在移動或寫程式進行位置補償時容易被搞混。

實際範例：Uframe與UTool是如何被應用的？

在記錄點位的時候，實際上會同時紀錄當下使用Uframe和UTool分別是什麼組別，如下圖

例如所記錄的P[1]：

• UF：0 代表參考User Frame第0組，也就是World Frame
• UT：1 代表參考Tool Frame第1組

這樣做的好處是，今天不小心切換錯組別，就不會參考到錯誤的座標系去執行。(但是PR[…]可以執行)

因此我們在一個動作程式的開頭會進行座標系組別的宣告：

UFRAME_NUM=0
UTOOL_NUM=1

J P[1] 100% FINE

如此一來程式在自動執行的時候就會切換至當時正確的教導組別

再來一個場景是：我們要是更換夾爪，比如說變長，但是基本上其他動作都一樣，程式也都一樣的時候。我們只要重新設定UTOOL，最後確認一下動作是否干涉即可。

總結一下實際應用：

1. 多個夾爪的場合：相同程式邏輯下，依據對應夾爪切換對應UTOOL
2. 多個工作站的場合：切換不同UFRAME，例如放置台、輸送帶、加工機…等

掌握了UTOOL 和 UFRAME 就可以掌握部分程式共用的靈活性！也可以有效幫助你操作時的方便性！

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• FANUC ROBOT UTOOL設定教學(一)

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