機器人數(shù)控滾邊程序的補償方法研究

張瑞海 朱品朝 劉 君 楊建軍

（1.成都航空職業(yè)技術學院，成都 610100；2.四川成焊寶瑪焊接裝備工程有限公司，成都 610052）

機器人滾邊壓合技術是一項新型包邊技術，具有成形美觀、容易實現(xiàn)柔性化生產、投入與維護成本低、作業(yè)面積小、包邊質量穩(wěn)定以及調試周期相對較短等特點[1]。隨著生產技術的不斷發(fā)展，機器人滾邊壓合技術更加成熟，應用也更為廣泛。機器人滾邊壓合技術已被應用于轎車白車身關鍵部件的包邊制造，主要部件有頂蓋天窗、發(fā)動機罩蓋、行李廂蓋、車門、翼子板和輪罩。機器人滾邊系統(tǒng)主要由滾邊模和夾具系統(tǒng)、滾輪系統(tǒng)、機器人及其控制系統(tǒng)組成[2]。

機器人滾邊是一個復雜的薄板成形過程。它不同于簡單的薄板彎曲，經常會出現(xiàn)縮進與脹大、回彈、變彎、起皺和破裂等成形缺陷。由于零件的不確定偏移造成機器人滾輪系統(tǒng)和產品件的相對關系發(fā)生改變后造成的缺陷是無法直接解決的。在白車身主線對后輪罩進行在線滾邊時，由于車身誤差和工裝精度問題，會造成尺寸缺陷和形狀缺陷。

1 汽車白車身輪罩機器人滾邊系統(tǒng)誤差來源及解決方案的研究現(xiàn)狀

在實際生產過程中，機器人滾邊常見的缺陷分為尺寸缺陷（包邊的終止位置在離線位置里面或外面）和形狀缺陷（包邊的終止位置在預定包邊線位置的上方或下方）兩類。機器人滾邊尺寸缺陷主要表現(xiàn)為縮進和脹大，通常與機器人滾邊的壓力和速度相關。產生缺陷的原因多樣，可以通過一些實驗措施在調試方法和機械結構上對這些缺陷進行修正補償。機器人程序的誤差來源分為夾具制造安裝產生的外部誤差和機器人本體制造時的內部誤差兩類，離線程序的誤差主要由外部誤差造成[3]。機器人與專業(yè)設備安裝的相對位置誤差的消除一直是行業(yè)研究的重點。蔡江等研究了工具坐標系擬合校準法，現(xiàn)場采集建立工具坐標系的3 個點，分別測量其在機器人坐標系和車身坐標系的值并使其重合，以此校準機器人與夾具的相對位置[4]。宋月娥等在用于機器人離線編程的工件標定算法研究中采用正交平面工件標定、圓形基準四點工件標定和輔助特征點三點3 種工件標定方法，比較全面地解決機器人離線編程技術應用過程中的工件標定問題[5]。Erick Nieves 等設計了一種工業(yè)機器人自動標定方法，使用一個能夠引導機器人（Transmission Control Protocol，TCP）準確定位的控制系統(tǒng)，自動標定過程大約需要5 min[6]。Roebrock P 等提出除了補償機器人在執(zhí)行路徑中偏離理論路徑的誤差方法，在測量階段采用傳感器采集的數(shù)據計算執(zhí)行路徑上每個位置點的誤差值，將這些誤差值傳遞給應用階段，也可補償機器人的路徑誤差[7]。王振華等在基于距離誤差模型的工業(yè)機器人標定方法中提出一種結合激光跟蹤儀，可有效提高機器人定位精度和距離精度[8]。徐貴力等提出一種基于兩步法的工業(yè)機器人幾何參數(shù)誤差標定方法，通過構建標定坐標系，建立機器人坐標系和標定坐標系之間的轉換矩陣，利用標定結果，根據轉換矩陣模型，修正誤差模型[9]。

這些計算方法采用離線方式對機器人工具坐標系進行修正，因此機器人滾邊程序需要調試的點較多，而且是連續(xù)的在線工作。為了提高效率和質量，現(xiàn)在多使用數(shù)字化工廠仿真軟件進行精細化仿真替代離線程序。將計算后的工具坐標使用機器人離線程序進行校準后，可以提高機器人程序的可使用度。這種測量方法使用專用夾具將工件固定到胎膜上，使用效果良好。

2 汽車白車身輪罩機器人滾邊系統(tǒng)誤差和數(shù)值采集研究

在汽車白車身焊接生產線的設計和規(guī)劃過程中，部分車型的設計結構規(guī)劃為側圍內總拼結構和側圍外總拼結構[10]，在側圍后輪罩外觀A 級面區(qū)域需要做包邊工藝。由于制造工藝誤差的積累，一般情況下認為白車身在經過前面的焊接工序后會出現(xiàn)實際車身數(shù)據與理論車身數(shù)據不匹配的問題[11]。如果這個偏移量過大，會導致產品在機器人包邊過程中缺損報廢。在滾邊胎膜、包邊工件以及機器人的相對位置固定后，完成機器人離線程序調校，利用機器人的高重復精度和柔性，可以實現(xiàn)對多種車型的包邊規(guī)劃。在汽車白車身生產線利用機器人滾邊技術完成側圍后輪罩外板和內板包邊工藝工序，目前有兩種主要模式：一是利用機器人將胎膜更換到夾具上，夾具上設計胎膜定位裝置將胎膜夾緊，機器人滾邊動作完成后，將白車身輸送到下一個工位；二是采用汽車白車身自定位，滾邊胎膜上帶有驅動機構。這兩種方式都是為了更好地貼合胎膜與車身。

在汽車白車身焊接生產線經過多個工位和多種生產工藝完成相關操作后，每批次的產品總是存在個性差異，每個質量控制點也存在一些偏差。某汽車廠提供的兩批次產品在同一控制點的激光在線檢測數(shù)據如表1所示，可見兩批次的產品控制點有1.6 mm 的偏差。在完全依靠模具沖壓后，不經過控制的輪罩外觀區(qū)域可能有更大偏差，這個偏差會造成滾邊線過壓，或滾邊線距離過大造成無法壓緊內板工件而產生無法修復的次品。

表1 某車型白車身右側圍機器人激光在線檢測兩批次數(shù)據對比 單位：mm

因此，一般情況下認為白車身在經過前面的焊接工序后會出現(xiàn)實際車身數(shù)據與理論車身數(shù)據不匹配的問題。為保證滾邊質量，設計一種可浮動的胎模定位夾具，能夠適應這種變化的機構來消除偏差。當白車身傳輸?shù)轿缓?，氣缸推動胎模與車身完全貼合，此時認為胎膜坐標系與車身坐標系（坐標系1）重合，之后6 個位移傳感器測量胎模的偏移量（圖1）。根據測量的結果計算坐標系1 的偏移量，校準機器人滾邊軌跡。設計一套可以對這些誤差自動提供補償?shù)姆椒?，可以極大地提高機器人輪罩滾邊的整體產品質量。機器人程序的空間點有x、y、z、Rx、Ry、Rz共6 個變量，采用機械機構和位移傳感器可以采集每一次胎膜偏移后的直線位移數(shù)值。這些直線位移值可以通過優(yōu)化算法模擬胎膜移動后在初始坐標系的空間變化，而這個變化最終可以反饋到機器人模板執(zhí)行器上。

圖1 浮動胎膜的位移測量取點圖

3 誤差補償?shù)膬?yōu)化算法

確定偏移后的車身坐標系相對于機器人坐標系的位置和方向，即偏移后的車身坐標系的原點在機器人坐標系中的位置，以及偏移后車身坐標系相對于機器人坐標系的3 個旋轉角。

使用FANUC 機器人滾邊程序的例子：

程序中，UF:1 是用戶指定的坐標系1 的零點，相對于工件不動，因此需要應用機構中采集的數(shù)據進行計算得出校準后的實時坐標系值。理論車身坐標系在機器人坐標系的相對位置已知，確定偏移后的車身坐標系在機器人坐標系中的位置，可先確定偏移后的車身坐標在理論車身坐標系的位置，再轉換為在機器人坐標系的位置。

約定以下術語：坐標系0 即理論車身坐標系，坐標系1 即偏移后的車身坐標系，坐標系2 即機器人坐標系。

理論上，坐標系1 應和坐標系0 重合。但是，由于各種因素，坐標系1 發(fā)生了相對于坐標系0 的偏移。這個偏移過程可以理解為坐標系1 發(fā)生的4 個運動，即坐標系1 依次轉動3 個卡爾丹角w、p和r（依次達到中間位置W、P和R），再平移至最終位置。

為了使坐標系1 在坐標系2 中的位置能夠實時反饋到機器人程序UF 中，先要取得一個固定的UF 值，然后使用這個固定的值將機器人的滾邊程序固化，最后通過一套檢測裝置取得每一輛車在這個位置的變化量，將這個直線位移量通過3 個坐標系的空間變化關系得到坐標系1 在坐標系2 中的實時值。

坐標系1 繞著自身x軸旋轉w，達到中間位置W。

坐標系YWOZW表示此時的坐標系1。設點M在坐標系YWOZW中的坐標為(xW,yW,zW)，在坐標系0 中的坐標為(x0,y0,z0)。在中間位置W的坐標系1 繼續(xù)繞自身y軸旋轉p達到中間位置P。

坐標系ZPOXP表示此時的坐標系1。設點M在坐標系ZPOXP中的坐標為(xP,yP,zP)，在坐標系ZWOXW中的坐標為(xW,yW,zW)。在中間位置P的坐標系繼續(xù)繞自身z軸旋轉r達到中間位置R。

坐標系XROYR表示此時的坐標系1。設點M在坐標系XROYR中的坐標為(xR,yR,zR)，在坐標系XPOYP中的坐標為(xP,yP,zP)，于是有從中間位置R的坐標系1到坐標系0 之間的旋轉變換矩陣Q，滿足[x0y0z0]T=Q[xRyRzR]T。

設坐標系0 的原點O0在坐標系2 的坐標為O0_2=(xO0_2,yO0_2,zO0_2)，坐標系0 相對于坐標系2 的卡爾丹角為、和，則坐標系1 到坐標系2 的旋轉變換矩陣U=TQ，U為

4 工程驗證及應用

針對使用優(yōu)化算法得到的計算結果，需要通過進一步驗證才能在實際項目中進行運用。使用西門子的PDPS 軟件搭建工作環(huán)境，創(chuàng)建一個能夠模擬這種變化的應用實例，取一部分工作范圍內的離散數(shù)據進行對應驗算對比。選取部分離散的偏移值，分別使用模擬軟件優(yōu)化算法取得結果，將兩者進行對比，發(fā)現(xiàn)X、Y、Z誤差值小于0.1 mm，3 個角度值誤差小于0.003°，如表2 所示。

表2 理論偏移和算法計算值誤差對比表

通過驗證得出，理論算法可以滿足實際工程需求。該機構和優(yōu)化算法已經應用在某汽車廠的生產線現(xiàn)場，見圖2。

圖2 工作案例

通過跟蹤現(xiàn)場生產數(shù)據，在實際項目中汽車白車身后輪罩機器人在線滾邊工位，汽車白車身后輪罩的活動滾邊胎膜及位置矯正數(shù)據測量輸出裝置，通過數(shù)字傳感器輸出基準值的數(shù)字變化量，利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統(tǒng)讀取6 個直線位移數(shù)值，并將收集的位移數(shù)值（表3）通過網絡傳輸?shù)焦た貦C進行優(yōu)化計算，分別得出當前到位后的汽車白車身在機器人坐標系里的空間變化位置（表4），其中OBJ 為機器人用戶坐標系。

表3 6 個傳感器采集后的兩組直線位移偏移數(shù)據

表4 通過修正算法計算后OBJ 情況對比

工控機將計算結果通過PLC 傳輸給滾邊機器人，滾邊機器人利用這個數(shù)值替換程序中的用戶坐標系，使得機器人滾邊程序可以正常進行滾邊。這個采集、傳輸、計算和替換程序UF 的時間非常短，完全滿足51 s 的生產節(jié)拍需求。

5 結語

通過采用側位在線滾邊誤差補償?shù)乃惴ㄑ芯?，找到一種可以通過機械機構6 個傳感器采集到目標直線偏移量并通過總線數(shù)據系統(tǒng)傳輸?shù)綄Ｓ霉た貦C調用誤差補償計算軟件的方法，將直線位移量通過算法轉換為具有空間屬性的機器人程序里用戶坐標系的真實數(shù)值，將這個數(shù)值通過總線系統(tǒng)傳輸?shù)綑C器人控制柜內替換上一個程序調用的用戶坐標系，計算得到的補償量可通過PLC 程序實現(xiàn)補償，解決了機器人滾邊程序因為工作目標的坐標系隨時改變產生偏移而導致機器人程序故障率較高產生滾邊出現(xiàn)廢品的問題。本算法可以推廣到其他類似的機器人和工作物體隨時變換的工作場景。數(shù)據采集方式可以變更為激光或者攝像頭，只要能夠準確取得工作對象的變化即可。