機(jī)器人中心手運(yùn)行精度測量方法的建立與應(yīng)用研究

王欣，王樸

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

通過研究伯賽在線測量系統(tǒng)的原理與在奔馳項(xiàng)目中的應(yīng)用方式，結(jié)合庫卡機(jī)器人中心手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)過重新設(shè)計(jì)與布局調(diào)整完成庫卡機(jī)器人運(yùn)行精度測量平臺(tái)解決返修中心手、平衡缸、電機(jī)等備件的線下測試。

使返修備件在沒有上線使用之前，就能在線下完成各種測試工作。例如機(jī)器人中心手這種關(guān)鍵性部件，沒有經(jīng)過空載和帶載測試以及運(yùn)行精度與穩(wěn)定性測量，直接應(yīng)用到現(xiàn)場，將會(huì)造成機(jī)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡偏差、工具碰撞等嚴(yán)重問題。導(dǎo)致設(shè)備長時(shí)間停機(jī)。

裝焊車間近1400臺(tái)機(jī)器人共涉及5款中心手，其中,3款輕載，2款重載。首先重點(diǎn)解決KR270/300中心手A6密封圈漏油問題，拆解中心手測繪并采購A4-6軸密封圈，自行完成更換后，由于中心手內(nèi)部機(jī)構(gòu)復(fù)雜，重新裝配以后極有可能造成運(yùn)行精度偏差和穩(wěn)定性無法保障問題。

因此，針對返修的中心手進(jìn)行各種測量并根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，不但可以減少中心手返廠維修的費(fèi)用，也可以提高維修人員對機(jī)器人機(jī)械部件的維修能力，節(jié)省備件采購成本。

1 主要研究內(nèi)容及技術(shù)難度

1.1 伯賽測量系統(tǒng)的原理與應(yīng)用

在線檢測技術(shù)是一個(gè)傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制和信息處理的綜合技術(shù)。即通過各種不同的傳感器拾取檢測對象的數(shù)據(jù)，通過電子技術(shù)的控制和處理。在二次儀表上通過不同的的方式反映出產(chǎn)品所處的狀態(tài)，利用此信息可以對零部件進(jìn)行調(diào)整并靠近所設(shè)定最佳尺寸，從而構(gòu)成一個(gè)完善的閉環(huán)系統(tǒng)。

北京奔馳生產(chǎn)線采用伯賽在線測量系統(tǒng)，機(jī)器人法蘭盤安裝測量傳感器對車身尺寸進(jìn)行測量。采用的測量傳感器如圖1所示。

圖1

1.2 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)原理與中心手構(gòu)造

庫卡機(jī)器人主要有機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、示教器、系統(tǒng)軟件及配套電纜等組成。如下圖3所示，其中，機(jī)械系統(tǒng)為機(jī)器人本體部分，是機(jī)器人的支撐基礎(chǔ)和執(zhí)行機(jī)，包括基座、臂部、腕部；控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人功能和性能的主要因素，主要功能是根據(jù)作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號，從而控制機(jī)器人在工作空間中的位置運(yùn)動(dòng)、姿態(tài)和軌跡規(guī)劃、操作順序及動(dòng)作時(shí)間等；示教器是用于機(jī)器人的手動(dòng)操作、程序編寫、參數(shù)配置及監(jiān)控的手持裝置。

圖2

圖3

機(jī)械手是機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的主體，KUKA機(jī)器人一般由6個(gè)活動(dòng)的、相互連接在一起的關(guān)節(jié)（軸）組成。1軸到6軸構(gòu)成完整的運(yùn)動(dòng)鏈，6個(gè)軸對應(yīng)的標(biāo)號分別為A1、A2、A3、A4、A5和A6，如圖4所示，其中A1-A3軸為機(jī)器人的主軸，主要確定機(jī)器人末端在空間的位置，A4-A6軸是機(jī)器人的腕部軸，主要確定機(jī)器人末端在空間的姿態(tài)。各軸的運(yùn)動(dòng)通過伺服電機(jī)有針對性的調(diào)控而實(shí)現(xiàn)。這些伺服電機(jī)通過減速機(jī)與機(jī)械手的各部件相連。

圖4

機(jī)器人足部即基座，為運(yùn)動(dòng)鏈的起點(diǎn)，是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用；法蘭盤即最后一個(gè)軸的機(jī)械接口，也是運(yùn)動(dòng)鏈的開放端，習(xí)慣上稱為末端執(zhí)行器，可以安裝不同的機(jī)械操作裝置，如抓手、吸盤等。機(jī)械零部件大致由底座、轉(zhuǎn)盤、平衡配重、連接臂、臂、腕部軸組成。機(jī)械手零部件的爆炸圖如下所示。

本課題主要研究機(jī)器人的中心手（腕部軸）、平衡缸（平衡配重）和伺服電機(jī)等部件的返修測試項(xiàng)目開發(fā)與應(yīng)用。尤其針對中心手這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜運(yùn)行精度要求高返修件的精度測量。目前，MRA焊裝車間存在機(jī)器人中心手A6軸漏油現(xiàn)場，備件返修后沒有可靠的測量平臺(tái)，而且廠家維修單價(jià)過高。由于更換密封部件涉及到中心手解體重新裝配問題，易造成運(yùn)行精度與穩(wěn)定性偏差。BBAC沒有相應(yīng)的機(jī)器人運(yùn)行精度測量平臺(tái)，直接制約了維修部門自行修理漏油這項(xiàng)工作。搭建庫卡機(jī)器人運(yùn)行精度測量平臺(tái)，解決中心手部件無法進(jìn)行精度測量的問題。

圖5

圖6 機(jī)器人A1-A6軸扭矩參數(shù)監(jiān)控

1.3 機(jī)器人各軸電機(jī)扭矩?cái)?shù)據(jù)的采集與分析

利用KUKA WorkVisual Trace數(shù)據(jù)跟蹤分析機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)。通過機(jī)器人側(cè)配置Trace文件，將機(jī)器人運(yùn)行過程中的A1-A6軸電機(jī)電流、扭矩、TCP位置、速度等參數(shù)進(jìn)行采集。擬合生成波形，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人真實(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析。

數(shù)據(jù)采集的最短周期為4ms，完成能夠滿足實(shí)際分析要求，不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟幀和不準(zhǔn)確現(xiàn)象。

使用WorkVisual 測量記錄分析（示波器）平臺(tái)測試返修平衡缸、返修中心手。機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，記錄各軸電機(jī)扭矩、電流、位置和加速度等運(yùn)行參數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行比對，判斷返修備件質(zhì)量。

2 實(shí)施過程

2.1 機(jī)器人專用測量抓手制作與安裝

機(jī)器人中心手精度測量校準(zhǔn)抓手主要由2部分構(gòu)成，黑色校準(zhǔn)塊在伯賽系統(tǒng)中負(fù)責(zé)邊緣識(shí)別檢測，綠色校準(zhǔn)塊負(fù)責(zé)圓孔識(shí)別檢測。

圖7

圖8

2.2 伯賽測頭安裝與調(diào)試

測量系統(tǒng)包括伯賽測頭、E-Bridge控制器和伯賽主機(jī)的安裝與調(diào)試。

2.3 機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行模式配置

要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人外部自動(dòng)運(yùn)行模式，主要在機(jī)器人和PLC兩端分別進(jìn)行設(shè)置。機(jī)器人側(cè)配置相應(yīng)的IO點(diǎn)號，如外部自動(dòng)信號、機(jī)器人使能信號等。PLC側(cè)添加新的硬件組態(tài)與安全復(fù)位程序，為機(jī)器人提供外部自動(dòng)信號與安全確認(rèn)信號等。

庫卡機(jī)器人能使信號與自動(dòng)信號配置。

圖9

2.4 機(jī)器人與伯賽系統(tǒng)通信控制配置

機(jī)器人Ethernet KRL安裝及相關(guān)端口設(shè)定。

圖10

2.5 機(jī)器人測量軌跡調(diào)整及測量特征點(diǎn)標(biāo)定

圖11

2.6 返修中心手測試與數(shù)據(jù)分析報(bào)告

針對返修中心手測試，內(nèi)容主要分為2部分：

（1）機(jī)器人運(yùn)行精度測試，執(zhí)行機(jī)器人重復(fù)精度測量程序，機(jī)器人抓手

上的測量塊，以2個(gè)不同的姿態(tài)，在伯賽測頭上進(jìn)行測量。伯賽主機(jī)上查看這2個(gè)點(diǎn)位置分布趨勢。通常機(jī)器人的重復(fù)定位精度為0.02mm。生成測量報(bào)告并填寫返修測試單。

圖12

圖13

（2）機(jī)器人中心手A4-A6軸電機(jī)扭矩、電流，TCP位置等參數(shù)采集與分析。機(jī)器人運(yùn)行測試程序過程中，采集生成Trace數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)文件在WorkVisual的示波器中分析比對，確認(rèn)返修中心手各種運(yùn)行參數(shù)是否正常。主要參數(shù)如圖15所示。

圖14 機(jī)器人A4-A6軸電機(jī)電流參數(shù)

圖15 機(jī)器人工具TCP位置參數(shù)（X/Y/Z）

公司內(nèi)部現(xiàn)在沒有針對機(jī)器人自身精度測量的工作站，現(xiàn)階段返修備件在沒有上線使用之前，沒有線下測試工作。例如機(jī)器人中心手這種關(guān)鍵性部件，沒有經(jīng)過空載和帶載測試以及運(yùn)行精度與穩(wěn)定性測量，直接應(yīng)用到現(xiàn)場，將會(huì)造成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡偏差、工具碰撞等嚴(yán)重問題。導(dǎo)致設(shè)備長時(shí)間停機(jī)。

機(jī)器人運(yùn)行精度測量平臺(tái)，能夠提高維修人員的業(yè)務(wù)水平、減少停機(jī)時(shí)間。其他車間返修機(jī)械備件也可以到該平臺(tái)進(jìn)行測試。如果維修人員能夠自行修理中心手并保證質(zhì)量，也能為與廠家洽談維保費(fèi)用提供重要籌碼。