你確定自己的工業(yè)機(jī)器人真的準(zhǔn)確嗎？
許多研究人員認(rèn)為，機(jī)器人 校準(zhǔn)是一個(gè)幾十年前已經(jīng)成功地解決的問題，但他們錯(cuò)了。盡管底層理論已經(jīng)非常成熟，但其實(shí)際應(yīng)用仍然處于起步階段。這是系列文章的第一篇，將提供證據(jù)證明，用戶仍然很難獲得一個(gè)精確的工業(yè)機(jī)器人。因此，一家新西蘭的公司毫不猶豫地要我的一個(gè)博士后飛過去幫忙。
過去十年，機(jī)器人仿真和離線變成軟件包已經(jīng)非常流行。但是，很明顯，許多用戶仍然忽視了這樣一個(gè)事實(shí)，工業(yè)機(jī)器人具備可重復(fù)性，但并不準(zhǔn)確，至少不是“默認(rèn)”。當(dāng)這些用戶使用機(jī)器人開始工作時(shí)，他們突然意識(shí)到，實(shí)際結(jié)果跟仿真的完全不同。
工業(yè)機(jī)器人的（單向）位置可重復(fù)精度優(yōu)于0.1毫米（有時(shí)候可達(dá)到0.01毫米）。這是由于使用了零間隙減速器和高精度編碼器。但是，因?yàn)樗鼘τ跈C(jī)器而言太貴，組裝機(jī)器人的零部件足夠精確，并且因?yàn)闇p速機(jī)并不完全剛性，由控制器實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人數(shù)學(xué)模型和實(shí)際機(jī)器人之間存在重要差異。由于這些差異，如果你給一個(gè)機(jī)器人離線編程讓它到某個(gè)特定的位置，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)在實(shí)際的機(jī)器人上有多達(dá)幾毫米的誤差。
尋找一個(gè)更接近實(shí)際機(jī)器人的新數(shù)學(xué)模型，以實(shí)現(xiàn)更小位置誤差的過程，就稱之為機(jī)器人校準(zhǔn)。為了確定新模型的參數(shù)，需要精密坐標(biāo)測量設(shè)備，例如激光跟蹤儀，它相當(dāng)昂貴（超過10萬美元）。所需測量設(shè)備的成本是機(jī)器人校準(zhǔn)在實(shí)踐中仍然處于起步階段的主要原因之一。
機(jī)器人制造商（至少有ABB、發(fā)那科、庫卡和安川）提供的工廠機(jī)器人校準(zhǔn)時(shí)一個(gè)相對便宜的選擇。我將在不同的文章里分析這些機(jī)器人制造商提供的校準(zhǔn)服務(wù)的性能，因此，現(xiàn)在讓我們把重點(diǎn)放在那些沒有購買類似校準(zhǔn)服務(wù)的用戶們。
這發(fā)生在位于新西蘭的奧克蘭的一家企業(yè)，離哈比頓（Hibbiton）兩個(gè)小時(shí)車程（電影指環(huán)王里面的一個(gè)著名小鎮(zhèn)）。該公司通過機(jī)器人銑削生產(chǎn)碼頭產(chǎn)品，但是發(fā)現(xiàn)他們機(jī)器零部件的表面質(zhì)量存在重要誤差。它采用ABB IRB6640-130/3.2機(jī)器人，它的有效載荷為130公斤，工作范圍是3.2米，可重復(fù)精度為0.05毫米，但沒有購買工廠校準(zhǔn)。最重要的是，這個(gè)機(jī)器人被放置在一條線性軌道上，這是引起誤差的另一個(gè)來源。權(quán)衡所有的選擇（例如將機(jī)器人運(yùn)回瑞典）之后，該公司向我們尋求幫助。不僅當(dāng)?shù)氐膶I(yè)知識(shí)在機(jī)器人校準(zhǔn)中不可用，甚至附近也沒找到一個(gè)激光跟蹤儀。因此，去年一月，我的一個(gè)博士畢業(yè)生Albert Nubiola拿著一對觸發(fā)器和一個(gè)C-Track前往新西蘭。
C-Track是Creaform開發(fā)的3D光學(xué)影像測量儀。它的精度比激光跟蹤儀的略差（總體精度是0.065毫米），測量范圍更小，但它更加緊湊，價(jià)格不到激光跟蹤儀的一半。此外，它可以測量機(jī)器人的末端執(zhí)行器（不僅僅是位置）的姿態(tài)，（如果使用適當(dāng)）不被振動(dòng)或氣流的影響。
機(jī)器人校準(zhǔn)解決方案使用RoboDK。后者是一個(gè)用于機(jī)器人仿真和離線編程（OLP）的軟件公司，它是由我們實(shí)驗(yàn)室分拆出去的公司最近推出的。這個(gè)仿真和離線編程平臺(tái)非常靈活，可以部署在我們實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的校準(zhǔn)方法。目前，它指出來自10個(gè)不同廠商的200多個(gè)機(jī)器人。
機(jī)器人校準(zhǔn)有4個(gè)步驟：
1、參考幀校準(zhǔn)（6個(gè)測量）
2、工具校準(zhǔn)（7個(gè)測量）
3、機(jī)器人校準(zhǔn)(50-80個(gè)測量)
4、驗(yàn)證（可選項(xiàng)，可根據(jù)需要選擇多個(gè)測量）
測量采集有RoboDK完全自動(dòng)完成，使用C-Track或FARO激光跟蹤儀可以在一個(gè)小時(shí)內(nèi)完成校準(zhǔn)。
ABB機(jī)器人的平均位置誤差從3.443毫米提升到了0.765毫米，已經(jīng)在315臺(tái)任意機(jī)器人配置上得到驗(yàn)證。機(jī)器人定位精度也通過銑削一系列等間距槽和加工不同方向的工具得到驗(yàn)證。校準(zhǔn)后，機(jī)器加工誤差減少一半或更多。
一旦機(jī)器人被校準(zhǔn)后，新數(shù)學(xué)模型的參數(shù)可以加入到RoboDK中，離線方針平臺(tái)直接產(chǎn)生準(zhǔn)確的機(jī)器人銑削程序。盡管RoboDK也支持過濾程序，機(jī)器人銑削程序可以自動(dòng)產(chǎn)生，準(zhǔn)確來說，來自一個(gè)CAM文件（如G-代碼或APT文件）。RoboDK的路徑求解器自動(dòng)管理6軸機(jī)器人，以使他們的行為更像一個(gè)5軸銑削數(shù)控機(jī)床。這種方法也可用于焊接和噴涂應(yīng)用。此外，也可以通過Python仿真和生成機(jī)器人程序。RoboDK自動(dòng)處理品牌特有的語法。
當(dāng)然，我們實(shí)驗(yàn)室不是提供機(jī)器人校準(zhǔn)服務(wù)的唯一機(jī)構(gòu)。例如，Dynalog在這一領(lǐng)域已經(jīng)運(yùn)營了25年。然而，我們的專長是開發(fā)機(jī)器人校準(zhǔn)方法基于新型低成本高精度設(shè)備。或許，我們的創(chuàng)新設(shè)備和方法是基于使用Renishaw的一個(gè)伸縮式球桿儀。這種方法已經(jīng)實(shí)施在AV&R航空公司的發(fā)那科機(jī)器人上。
你還覺得你的機(jī)器人是準(zhǔn)確的嗎？
