3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重復(fù)定位精度標(biāo)定方法①

王永康, 宋文浩, 劉永旭, 顏兵兵

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯154007)

0 引 言

自2016年國(guó)家提出“十三五計(jì)劃”,進(jìn)一步推進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化和智能化轉(zhuǎn)型,焊接機(jī)器人在各個(gè)制造領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色。傳統(tǒng)的焊接機(jī)器人在設(shè)計(jì)之初是以完成特定焊接作業(yè)任務(wù)為目標(biāo),這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠提高機(jī)器人的工作效率,減少機(jī)器人的部件數(shù)量并降低機(jī)器人生產(chǎn)成本。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,產(chǎn)品更新速度加快,自動(dòng)化生產(chǎn)線對(duì)焊接機(jī)器人的需求不斷增加[1-2],而傳統(tǒng)焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)固定、固定工作任務(wù)的特點(diǎn)顯示出很大的局限性[3]。提高單工位焊接機(jī)器人工作效率就需要使焊接機(jī)器人能夠?qū)附庸ぜ懈鼜?qiáng)的適應(yīng)性,但是人工示教焊接機(jī)器人所需時(shí)間較長(zhǎng),而且不能有效解決焊接過(guò)程中工件受熱發(fā)生形變等問(wèn)題[4]。因此,基于視覺(jué)的焊縫跟蹤技術(shù)對(duì)于提高焊接質(zhì)量,提高焊接效率有很大的推進(jìn)作用。為進(jìn)行基于視覺(jué)的焊縫跟蹤技術(shù)開(kāi)發(fā),需設(shè)計(jì)焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行焊縫跟蹤技術(shù)驗(yàn)證。

針對(duì)焊縫跟蹤系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中缺少功能試驗(yàn)平臺(tái)的問(wèn)題,提出一種3P3R試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案,根據(jù)焊縫跟蹤系統(tǒng)的偏差修正要求,從試驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究,并進(jìn)行重復(fù)定位精度標(biāo)定試驗(yàn),為后續(xù)進(jìn)行焊縫跟蹤系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究提供基礎(chǔ)支持。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

為滿(mǎn)足焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)需求,設(shè)計(jì)焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)平臺(tái)末端執(zhí)行器共需六個(gè)自由度,分別為沿x、y、z方向的直線運(yùn)動(dòng)和繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn),為提高運(yùn)動(dòng)精度和降低成本,直線運(yùn)動(dòng)部分采用直線模組,運(yùn)動(dòng)皆采用帶編碼器的步進(jìn)電機(jī)。3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型如圖1所示。

圖1 3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三維模型

3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用三平移三旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)(3P3R型),其中,3P結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)平臺(tái)末端在x、y、z三個(gè)方向的平移運(yùn)動(dòng)(由2、1、3軸組成),3R結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)平臺(tái)末端繞x、y、z的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(由5、6、4軸組成)。此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作平臺(tái)尺寸為1280mm×1860mm,x方向直線運(yùn)動(dòng)有效行程為1090mm,y方向直線運(yùn)動(dòng)有效行程為1520mm,z方向直線運(yùn)動(dòng)有效行程為540mm。視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別焊縫后,焊縫跟蹤試驗(yàn)平臺(tái)根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)的修正坐標(biāo),由1軸控制焊接速度,具體參數(shù)由焊接參數(shù)確定,2軸、3軸對(duì)焊槍位置進(jìn)行修正。4、5、6軸組成試驗(yàn)平臺(tái)的腕部,共同確定焊槍姿態(tài),在焊接過(guò)程中可根據(jù)焊接工藝要求對(duì)焊槍姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物如圖2所示。

圖2 3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物

2 重復(fù)定位精度標(biāo)定方案

為能夠準(zhǔn)確標(biāo)定3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的重復(fù)定位精度,需要制定出合理的重復(fù)定位精度標(biāo)定方案。在制定重復(fù)定位精度標(biāo)定方案時(shí),要考慮方案的規(guī)范性和可行性,能否得到符合要求的重復(fù)定位精度。制定標(biāo)定方案是標(biāo)定3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重復(fù)定位精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié),標(biāo)定方案中包括重復(fù)定位的測(cè)量工具、測(cè)量過(guò)程以及計(jì)算方法。經(jīng)查閱相關(guān)資料后,根據(jù)現(xiàn)有的標(biāo)定方法提出如下3種標(biāo)定方案:

方案1:當(dāng)前主流工業(yè)機(jī)器人重復(fù)定位精度標(biāo)定主要使用激光干涉儀進(jìn)行測(cè)量,由激光對(duì)機(jī)器人末端點(diǎn)位置進(jìn)行測(cè)量,經(jīng)過(guò)正態(tài)分布分析后得到機(jī)器人重復(fù)定位精度。由于其測(cè)量精度能夠達(dá)到0.001mm,因此被大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)廠家所采用。

方案2:根據(jù)當(dāng)前數(shù)控機(jī)床采用的方法,將千分表安裝到機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軸上,按照機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)的距離設(shè)置一定數(shù)量的測(cè)量點(diǎn),在指定的位置進(jìn)行測(cè)量,得到測(cè)量數(shù)據(jù),根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得出重復(fù)定位精度。

方案3:按照GB-T 17421.2-2016中給出的計(jì)算方法和千分表等測(cè)量工具,將千分表兩兩正交放置,對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)末端位置進(jìn)行測(cè)量,根據(jù)測(cè)量得到的末端位置數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算,得出3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重復(fù)定位精度。

針對(duì)3種方案進(jìn)行分析,方案1雖然對(duì)重復(fù)定位精度的標(biāo)定更加準(zhǔn)確,但是針對(duì)設(shè)備及使用者的要求較高,不符合實(shí)際條件。方案2不符合實(shí)際測(cè)量的需求,且標(biāo)定3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重復(fù)定位精度需要各個(gè)軸聯(lián)動(dòng),因此不采用方案2。方案3能夠得到較為精確的測(cè)量數(shù)據(jù),且測(cè)量精度符合需求,對(duì)設(shè)備及操作人員要求較低,符合實(shí)際情況。

綜上所述,針對(duì)3P3R型機(jī)械臂重復(fù)定位精度的標(biāo)定采用方案3,控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)末端移動(dòng)到千分表正交中心點(diǎn)處,使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)末端與千分表接觸,進(jìn)而得到數(shù)據(jù)。根據(jù)GB-T 17421.2-2016給出的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算,確定3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)末端重復(fù)定位精度。

3 重復(fù)定位精度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

將千分表按兩兩正交安裝,放置在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作平面上,使千分表交叉中心點(diǎn)位于3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作范圍內(nèi)。安裝完成后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)平臺(tái)末端重復(fù)定位精度標(biāo)定。第一次將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)末端移動(dòng)到千分表測(cè)頭,使千分表讀數(shù)為非零值,待千分表指針?lè)€(wěn)定后讀取當(dāng)前指針讀數(shù)。讀取數(shù)據(jù)完成后,記錄當(dāng)前實(shí)驗(yàn)平臺(tái)坐標(biāo)后,將各運(yùn)動(dòng)軸移動(dòng)到最大行程處,再次返回第一次實(shí)驗(yàn)平臺(tái)到達(dá)的位置,如圖3所示,記錄千分表數(shù)據(jù)。重復(fù)上述步驟,得到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)坐標(biāo)系下的20組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如表1所示。

圖3 重復(fù)定位標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

表1 3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重復(fù)定位精度標(biāo)定數(shù)據(jù)

?

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)GB/T 17421.2-2016某一位置重復(fù)定位精度的估算值公式[5]:

式中,S i表示某一位置的重復(fù)定位精度估算值,x ij表示位置偏差表示位置偏差平均值。

根據(jù)GB/T 17421.2-2016某一位置重復(fù)定位精度:

式中,R i↑表示某一位置的重復(fù)定位精度估算上限值,R i↓表示某一位置的重復(fù)定位精度估算下限值,S i↑表示某一位置的重復(fù)定位精度估算上限值,S i↓表示某一位置的重復(fù)定位精度估算下限值。

由公式(1)和(2)得到當(dāng)前測(cè)量位置的重復(fù)定位精度:

式中,R表示當(dāng)前測(cè)量位置的重復(fù)定位精度估算值,S表示當(dāng)前測(cè)量位置的重復(fù)定位精度估算值。

將表1中3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重復(fù)定位精度標(biāo)定數(shù)據(jù)代入公式(3)及(6)計(jì)算,得到當(dāng)前3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重復(fù)定位精度,計(jì)算得到重復(fù)定位精度標(biāo)定結(jié)果如表2所示。

表2 3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重復(fù)定位精度標(biāo)定結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)得出3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重復(fù)定位精度約為±0.05mm。

5 結(jié) 語(yǔ)

為滿(mǎn)足基于視覺(jué)的焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)需求,設(shè)計(jì)了3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并在現(xiàn)有各種標(biāo)定方法的基礎(chǔ)上,考慮現(xiàn)有的條件及定位精度的需求,選擇最能夠符合當(dāng)前條件與標(biāo)定需求的方案。采用的標(biāo)定方案基于數(shù)控機(jī)床重復(fù)定位精度測(cè)量方法,重復(fù)定位精度的計(jì)算方法參考GB/T 17421.2-2016機(jī)床檢驗(yàn)總則,同時(shí)考慮到3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重復(fù)定位精度與機(jī)床重復(fù)定位精度的相似性與差異性,通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重復(fù)定位精度標(biāo)定數(shù)據(jù),得到3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重復(fù)定位精度約為±0.05mm。為后續(xù)使用此3P3R型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。