帶行走軸的機(jī)器人離線程序與校準(zhǔn)方法

王亭力 魏國興 吳政勛 劉久月 徐海博 潘彤

（一汽模具制造有限公司，長春 130013）

1 前言

隨著汽車工業(yè)市場競爭的與日俱增，對焊裝線的制造周期、人工成本都提出了更高的要求。帶行走軸的機(jī)器人在焊裝線內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，但是現(xiàn)場調(diào)試帶行走軸的機(jī)器人的調(diào)試時(shí)間卻不短，這是由于2 方面原因?qū)е碌?，一是現(xiàn)場經(jīng)常因行走軸的Home（初始）原點(diǎn)與機(jī)器人的Home原點(diǎn)不同導(dǎo)致機(jī)器人無法移動(dòng)，或行走軸的行走方向與機(jī)器人自身定義的運(yùn)動(dòng)方向相反導(dǎo)致機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)反向等；二是離線程序的運(yùn)動(dòng)軌跡誤差過大導(dǎo)致離線程序無法應(yīng)用，應(yīng)用高精度的離線程序能夠有效的提高調(diào)試周期。

本文應(yīng)用Tecnomatix 軟件的離線編程技術(shù)，搭建行走軸的機(jī)器人涂膠系統(tǒng)的模型，導(dǎo)出離線程序并基于六點(diǎn)法對其進(jìn)行精度校準(zhǔn)。

2 離線編程技術(shù)

2.1 搭建虛擬數(shù)模

Tecnomatix 是1 套數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件，包含Pro?cess Designer(PD)、Process Simulate(PS)模 塊，其 中PD 應(yīng)用于焊裝生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃、分析與優(yōu)化，PS 應(yīng)用于機(jī)器人及其他生產(chǎn)設(shè)備的模擬仿真與離線編程等。

在PS 中搭建帶行走軸的機(jī)器人系統(tǒng)數(shù)模需要根據(jù)工藝布局，將資源數(shù)據(jù)移動(dòng)到相對應(yīng)的位置，其中抓手需要被當(dāng)做機(jī)器人的工具而附在機(jī)器人上，如圖1 所示。

圖1 虛擬數(shù)模

2.2 行走軸的定義

在PS 中定義資源運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工具是Kinemat?ics Editor，定義行走軸首先需要將移動(dòng)部分移至零點(diǎn)標(biāo)尺準(zhǔn)確對應(yīng)的位置，然后建立2 個(gè)重要的坐標(biāo)Toolframe 和Baseframe，Toolfram 位于機(jī)器人安裝面的中心，Z軸正向指向機(jī)器人，X軸正向?yàn)闄C(jī)器人行走的前進(jìn)方向；Baseframe 位于行走軸地腳板的下表面，Z軸與第1 個(gè)坐標(biāo)的Z軸同軸，且X軸、Y軸、Z軸的方向與Toolfram 相同；創(chuàng)建行走軸機(jī)構(gòu)，行走方向?yàn)樨?fù)方向，如圖2 所示。

圖2 定義行走軸

2.3 仿真路徑

在PS 中設(shè)置運(yùn)動(dòng)軌跡需要使用Path Editor，在此工具框中可以設(shè)置路徑點(diǎn)的速度、加速度等參數(shù)，如圖3 所示。

圖3 設(shè)置軌跡點(diǎn)參數(shù)

在固定涂膠機(jī)器人系統(tǒng)中，過渡點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)類型為點(diǎn)到點(diǎn)，涂膠工藝點(diǎn)類型為直線；除了首尾點(diǎn)及特殊的點(diǎn)的加速度，其他點(diǎn)都盡量都設(shè)為100%，這個(gè)可以在現(xiàn)場根據(jù)需要進(jìn)行更改；速度值若為點(diǎn)到點(diǎn)類型，則速度的單位為%；若為直線類型，則速度的單位為mm/s；逼近值是指機(jī)器人運(yùn)行到此點(diǎn)的精確度，0%為最準(zhǔn)確，100%為最大誤差。軌跡首尾點(diǎn)及工藝特征點(diǎn)需準(zhǔn)確到達(dá)的點(diǎn)，逼近值必須設(shè)為0%，其他輔助點(diǎn)盡量設(shè)為100%，能夠提高機(jī)器人運(yùn)行速度，減少軌跡時(shí)間，提高節(jié)拍。

2.4 KUKA機(jī)器人虛擬控制器

Tecnomatix 輸出離線程序需要2 個(gè)主要模塊，一個(gè)是PS 仿真軟件中的OLP_TOOL 程序文件，另一個(gè)是KUKA 機(jī)器人廠家提供的RCS 虛擬控制器文件。在KUKA_VKRC 和OLP_TOOL 安裝完成后，在PS 中設(shè)置機(jī)器人屬性，圖4 為控制器中每項(xiàng)參數(shù)的含義。

圖4 機(jī)器人參數(shù)設(shè)置

2.4.1 控制器版本

基于KUKA_C4 機(jī)器人選擇對應(yīng)的控制器Con?troller 為Kuka-Vkrc，Rcs version 選 擇krc8.2_r01，Vkrc4 的機(jī)器人在Vw Vsoft 中選擇Major version_8.2。

2.4.2 KUKA 機(jī)器的MADA 文件

加載機(jī)器人的Machine Date 需要根據(jù)機(jī)器人型號(hào)選擇對應(yīng)的MADA 文件，行走軸機(jī)器人與固定機(jī)器人設(shè)置離線參數(shù)最大的區(qū)別在于機(jī)器人需要設(shè)置1 個(gè)外部軸，并且需要定義外部軸的行走方向以及機(jī)器人和行走軸的相對位置關(guān)系，所以需要處理KUKA 自帶的MADA 文件中的machine.dat文件。

首先修改其中的電機(jī)參數(shù)RAT_MOT_AX，核對$RAT_MOT_AX[7]參數(shù)是否等于{N-35526926,D 1000000}；然后修改機(jī)器人相對于7 軸（即行走軸）的安裝位置及方向：在仿真中將機(jī)器人和行走軸都?xì)w到0 位，然后俯視視圖，根據(jù)機(jī)器人朝向、7軸拖鏈方向、7 軸移動(dòng)的正負(fù)方向選擇相對應(yīng)的安裝位置及方向參數(shù)參照表，例如機(jī)器人與7 軸的安裝方式如圖5 所示。

圖5 7軸設(shè)置

選擇相對應(yīng)的安裝位置及方向參數(shù)參照表，如圖6 所示，更改machine.dat 文件中的ET1_TA1KR 和ET1_TFLA3 參數(shù)。

圖6 安裝位置及方向參數(shù)參照表

其中ABC指的是機(jī)器人相對于7 軸的朝向。Z指的是機(jī)器人底座相對于7 軸地腳的下表面的高度，根據(jù)7 軸品牌的不同和7 軸與機(jī)器人之間是否額外有機(jī)器人底座會(huì)發(fā)生變化。最后需要修改行走軸的行程參數(shù)，其中$SOFTP_END 的值即為行走軸的有效行程。

2.4.3 設(shè)置Tool 值與Base 值

根據(jù)機(jī)器人攜帶的工具不同，定義的Tool 值和Base 值也不同。針對機(jī)器人抓持工具，Tool 值與Base 值的種類需保持一致，均為Kopf；針對固定工具，Tool 值與Base 值的種類需保持一致，均為Basis；機(jī)器人抓持工具的Tool 值應(yīng)為工具中心點(diǎn)（Tool Centre Point，TCP）坐標(biāo)，Base 值應(yīng)為車系坐標(biāo)；固定工具的Tool 值為車系坐標(biāo)，Base 值為外部工具的TCP 坐標(biāo)。

針對帶行走軸的搬運(yùn)機(jī)器人所應(yīng)用的是抓手的TCP 為Tool 值，固定涂膠槍和固定焊槍的TCP 為Base 值，種類都選為Basis。

2.4.4 離線程序下載

在PS 中下載離線程序需要將路徑添加到Path Editor 中，然后通過Download to Robot 下載程序，如圖7 所示。

圖7 機(jī)器人離線輸出

KUKA 機(jī)器人1 條路徑會(huì)輸出5 個(gè)文件，如圖8所示，其中.dat 文件記錄的是路徑中點(diǎn)的位置和方向以及機(jī)器人6 軸的姿態(tài)；.log 文件是記錄狀態(tài)的文本；.olp 文件記錄的是Tool Data 和Base Data；.us?er 文件里是路徑中每個(gè)點(diǎn)的離線程序；.src 文件是路徑點(diǎn)的所有信息。

圖8 KUKA機(jī)器人離線文件

3 離線校準(zhǔn)

PS 中導(dǎo)出的離線程序應(yīng)用到現(xiàn)場機(jī)器人中常常存在很大的偏移，精準(zhǔn)度很差，需要大量時(shí)間反復(fù)校正。影響誤差的因素主要有2 個(gè)方面，一是加工誤差，主要包括夾具、焊鉗、抓手等工具的制造誤差；二是安裝誤差，主要來源是機(jī)器人與夾具相對位置造成的誤差。一般來說加工制造誤差對離線程序的精準(zhǔn)度影響較小，可以忽略不計(jì)，因此在實(shí)際工作中主要針對安裝誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.1 校準(zhǔn)工具TCP

TCP 的計(jì)算與法蘭坐標(biāo)系相關(guān)，TCP 標(biāo)定有XYZ-4 點(diǎn)法和XYZ參考法。

XYZ-4 點(diǎn)法即將待測量工具的TCP 從4 個(gè)不同方向移向一個(gè)參照點(diǎn)，參照點(diǎn)可以任意選擇。機(jī)器人控制系統(tǒng)從不同的法蘭位置值中計(jì)算出TCP。XYZ參考法即對1 件新工具與1 件已測量過的工具進(jìn)行比較測量，機(jī)器人控制系統(tǒng)比較法蘭位置，并對新工具的TCP 進(jìn)行計(jì)算。

3.2 基坐標(biāo)的設(shè)定

基座標(biāo)一般為工裝的車身坐標(biāo)系，測量基坐標(biāo)的方法一般為3 點(diǎn)法，首先定義原點(diǎn)，工具的TCP 點(diǎn)需要移到基座標(biāo)系的原點(diǎn)位置。

然后定義X軸正方向，參考工具的TCP 點(diǎn)需移到基座坐標(biāo)系X軸正方向上的某個(gè)位置。

定義Y軸的正方向（XY平面），工具的TCP 點(diǎn)需移到基座坐標(biāo)系上XOY 平面中Y軸值＞0 的某個(gè)位置。

使用三點(diǎn)方法可以明確的定義所需基座坐標(biāo)系，如圖9 所示。

圖9 定義基座標(biāo)

3.3 校準(zhǔn)離線

由于誤差的存在，離線程序需要經(jīng)過校正后才能使用。誤差的來源主要有2 類，一是外部誤差，包括機(jī)器人和夾具的安裝誤差、夾具的加工誤差等；二是機(jī)器人的內(nèi)部誤差，即機(jī)器人本體在加工制造時(shí)的產(chǎn)生的誤差[1]，機(jī)器人內(nèi)部誤差屬亞毫米級，可以忽略不計(jì)。因此需要校正的主要是外部誤差[2]。

帶行走軸的機(jī)器人現(xiàn)場調(diào)試階段經(jīng)常發(fā)生離線報(bào)錯(cuò)的情況，耗費(fèi)時(shí)間和人力調(diào)試程序，Tec?nomatix 軟件采用多點(diǎn)擬合校準(zhǔn)法，在PS 虛擬環(huán)境中標(biāo)記至少3 個(gè)以上特征點(diǎn)，然后在生產(chǎn)現(xiàn)場示教這些特征點(diǎn)，最后導(dǎo)入PS 中，利用Calibration 命令（圖10）校準(zhǔn)機(jī)器人的位置誤差，校準(zhǔn)完成之后，導(dǎo)出校準(zhǔn)之后的離線程序可直接應(yīng)用到現(xiàn)場調(diào)試中。

圖10 虛擬多點(diǎn)擬合校準(zhǔn)

4 結(jié)論

在汽車焊裝生產(chǎn)中，應(yīng)用Tecnomatix 軟件對帶行走軸的機(jī)器人進(jìn)行虛擬建模與仿真，然后輸出離線程序，并對離線程序進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后的離線程序可直接應(yīng)用到生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)試中。結(jié)果表明，應(yīng)用Tecnomatix 軟件進(jìn)行機(jī)器人的離線編程和校準(zhǔn)可以縮短現(xiàn)場機(jī)器人調(diào)試時(shí)間，提升現(xiàn)場工作效率，可以直觀的觀察機(jī)器人的干涉區(qū)，提前規(guī)劃好復(fù)雜軌跡，方便機(jī)器人路徑的優(yōu)化與修改。