工業(yè)機器人定位精度提升研究

仇岳猛 徐秋紅

（江西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330024）

工業(yè)機器人已廣泛應(yīng)用于搬運和焊接方面，根據(jù)國際機器人聯(lián)合會（IFR）統(tǒng)計數(shù)據(jù)，應(yīng)用占比已超過70%。另外，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機器人還可用于機械加工方面的操作，例如磨削、去毛刺、拋光、切割、鉆孔或銑削。對于此類應(yīng)用，與標(biāo)準(zhǔn)機床相比，工業(yè)機器人具有更多優(yōu)勢，比如更大的工作區(qū)域、更靈活的工作空間路徑和更低的應(yīng)用成本。但工業(yè)機器人加工仍然只有少數(shù)工業(yè)應(yīng)用，大約2%的工業(yè)機器人用于各種加工操作。與工業(yè)機床相關(guān)機器相比，工業(yè)機器人的主要缺點是位置精度低，這源于其串行運動學(xué)和較低的剛性。如果執(zhí)行適當(dāng)?shù)男?zhǔn)程序（例如工具校準(zhǔn)）和機器人位置控制程序，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機器人可以達到約 0.3~0.5mm范圍內(nèi)的精度，這對于工業(yè)去毛刺等方面的應(yīng)用來說已經(jīng)足夠，但無法滿足對精度要求更高的銑削等工藝過程。

雖然有部分精度較高的工業(yè)機器人設(shè)計用于精密加工，但工業(yè)機器人最初還是被主要用作搬運和焊接等通用的工具。隨著工業(yè)機器人在加工方面的廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用場景得到擴大。然而，對工件的精度和表面質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響的各種誤差源，是將實際機器人加工限制在以低精度（精度不那么重要）或加工非硬材料（塑料、木材、泡沫、鋁等）為特征應(yīng)用的主要因素。但是，人們對精密機器人加工精度的興趣與日俱增以及對工業(yè)應(yīng)用需求量逐漸增加，本文根據(jù)相關(guān)工業(yè)機器人應(yīng)用誤差數(shù)據(jù)進行分析，對提高其精度提出建議方法。

與機器人加工有關(guān)的誤差來源可分為3大類：①環(huán)境相關(guān)誤差；②機器本身帶來的相關(guān)誤差；③加工過程引入的誤差。與環(huán)境相關(guān)的誤差或多或少與機器人安裝在地板上的方式有關(guān)，建筑物的結(jié)構(gòu)和地板的特性會影響機器人的行為，此類誤差在微米量級范圍內(nèi)。另外，環(huán)境溫度也會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，在某些情況下，驅(qū)動器的預(yù)熱會受到溫度的影響，當(dāng)目標(biāo)精度在0.1~0.01mm范圍內(nèi)，溫度影響可以忽略不計。機器人本身帶來的相關(guān)誤差可分為3類：幾何誤差、非幾何誤差和系統(tǒng)誤差。幾何誤差由機器人連桿幾何形狀引起的各種偏差。 此外，當(dāng)機器人驅(qū)動器處于反轉(zhuǎn)階段時，會出現(xiàn)齒輪齒隙效應(yīng)。非幾何誤差與受結(jié)構(gòu)變形、非線性剛度、驅(qū)動與順應(yīng)性影響的機器人動力學(xué)行為有關(guān)。系統(tǒng)誤差是由工具校準(zhǔn)或傳感器測量引起的。與工藝相關(guān)的誤差主要與加工條件有關(guān)，例如主軸轉(zhuǎn)速、軸向/徑向切削深度、切屑負(fù)載和使用的潤滑系統(tǒng)等。

為了補償誤差，可以使用離線方法（基于模型）和在線方法（基于傳感器）2種方法。離線方法主要處理機器人參數(shù)的識別，以校正運動機器人模型和根據(jù)實際機器人屬性調(diào)整路徑規(guī)劃處理器。在線方法依賴于一些傳感器信息。例如，控制系統(tǒng)用于實時補償機器人軌跡的實際位置。在線方法被提出并用于補償間隙誤差。

1 實驗誤差分析

1.1 誤差來源

基于客戶的需求，由于機器人加工后成品精度不佳，使用某工業(yè)機器人和銑削主軸執(zhí)行了各種測試銑削程序，以分析誤差來源。某工業(yè)機器人仿真模型如圖1所示。

圖1 某工業(yè)機器人模型示例

例如，在這種情況下，用機器人單元加工零件表面上0.3~0.5mm的鑄件木紋。雖然對產(chǎn)品精度等級的要求是這種情況，但不一定能滿足相關(guān)的高精度要求，例如：對于金屬零件，該精度無法滿足要求。主要原因與零件后處理工序有關(guān)，該零件必須進行大量的打磨修正。

1.2 實驗結(jié)果分析

為了準(zhǔn)確確定誤差值，進行了以下實驗，對加工對象與模型進行比較。機器人編程通過 CAD/CAM 軟件實現(xiàn)，完成的部分如圖2所示。在零件的表面上，周期性地出現(xiàn)明顯的臺階（水平差）。差異約為0.2~0.4 mm，由此產(chǎn)生的邊緣在表面上很明顯（1個邊緣在圓柱區(qū)域，4個邊緣在零件的圓錐區(qū)域）。

圖2 測試對象3D模型圖

由于此類誤差主要是由沿路徑的反向運動引起的，因此，進行了其他測試路徑的實驗以驗證這一前提。實驗結(jié)果顯示，該誤差是由機器人驅(qū)動器的反向運動引起的，并且發(fā)生的周期性相同。

2 補償校正

2.1 實驗設(shè)置

對于誤差補償實驗，使用了如圖3所示的機器人單元。它是基于安裝了機器人傳感器接口軟件技術(shù)包的工業(yè)機器人。機器人傳感器用于感測機器人的實際位置。

圖3 某工業(yè)機器人實驗臺

2.2 實驗方法和結(jié)果

為了補償間隙誤差，設(shè)計了一個在線控制器（基于標(biāo)準(zhǔn)PID結(jié)構(gòu)）。該控制器根據(jù)反轉(zhuǎn)軸運動期間的誤差顯著降低整體機器人速度超馳。主機器人控制器用于提供路徑坐標(biāo)的期望值和實際值。然后計算控制偏差并取決于誤差顯著性?；赑ID算法的超馳控制器被輸入計算出的偏差，然后調(diào)整機器人速度超馳。整個控制器由傳感器模塊實現(xiàn)，因此無需任何附加硬件即可輕松應(yīng)用于工業(yè)機器人控制器。某真實機器人軌跡與理想機器人軌跡相比圖如圖4所示。

圖4 理想機器人與實際機器人軌跡圖比較

與圓周運動相關(guān)的 Y 軸中最顯著的軌跡偏差很明顯，總位置誤差（絕對評估）以及在軸反轉(zhuǎn)時對位置精度影響最大的機器人實際定位。實驗結(jié)果表明，主要誤差是由反向運動引起的。盡管控制器以積極的方式影響了絕對誤差，但結(jié)果并未達到人們的預(yù)期。

3 結(jié)語

本文對與機器人在加工相關(guān)的各種誤差源進行了分析。在實驗部分，進一步研究了齒隙誤差，并開發(fā)了一種在線控制器，通過根據(jù)實際情況控制機器人速度倍率來補償這種類型的誤差?？刂破骺梢詫崟r感知機器人的位置，實驗結(jié)果主要集中在齒隙誤差調(diào)查和補償上，消除齒隙誤差對于提高精度來說必不可少，但對精度的提高影響有限。