[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】现代工业机器人的精度评估-中文翻译

现代工业机器人的精度评估 Ken Young and Craig G. Pickin 英国华威大学机械工业系 ,考文垂，英国 摘要： 机器人离线编程的主要缺点在于机器人的精度差。机器人主要采用传统的讲授法和重复编程法，只需要很好的重复性。 导致人们只记得用这种方法制造机器人，而忽略了提高准确性甚至连提出准确性报价的都没有 ,这通常被认为是低劣的。已经进行了一项试验，在三个现代的串联机器人进行评估和比较机器人的精度。使用激光干涉测量系统，每个机器人已经测量了类似的工作包络线。从这项试验的结果和结论表明，使用时间长的机器人的精度可以是非常好的，虽然它是依赖于一个校准过程，这是非常重要的过程。 关键词： 机器人 ,准确性、校准 1、 引言 自上世纪 80 年代初首次亮相，在离线编程（ OLP）的兴趣稳步增长的效益日益明显。 OLP 提供机器人程序员的一些关键的好处，最明显的是它的设计和程序的机器人自动化系统的时间减少。根据传统的示教器方法，当产品需要修改或更新时机器人必须被拿出来。克莱斯勒的演示表明，通过利用 OLP 时机器人的生产可以从 12-18 小时减少到 6.5 小时，每个机器人。额外的数据表明编程使用 OLP 可减少编程时间达百分之 85 的小批量项目（维滕贝格， 1995）。然而，由于精确建模的机器人的工作空间和机器人本身相关的问题，在仍然使用的一部分一二部分的编程方法，利用传统的示教方法“在工作”的动作。 考虑到机器人，对 OLP 的主要问题是建立一个精确的运动学模型。如在机器人连杆加工公差因素，在机器人手臂，合规性和弹性编码器的分辨率，和校准过程中缺乏可重复性服务给每个机器人的一个独特的签名（ Van 布鲁塞尔，1990）。在这方面和整个本文的术语校准，除非另有说明，是指另外的方法，调试机器人。典型的机器人是工厂校准使用一个夹具，以确定绝对的联合定位。这些位置，然后标记上的机器人手臂的联系，以帮助在未来重新校准的车间。 重新校准可能是必要的，在维护或校准数据已丢失，由于电源故障。在这样的环境中进行校准时，标记是对准的，可能与一个固定的，和绝对的关节位置集。该机器人被认为是校准。 虽然它被接受，工业机器人表现出良好的重复性，机器人的精度是很少被引用，一般认为是相当差，错误通常是几个数量级差比机器人的重复性（系泊等， 1991）。此外，它通常会发现，机器人的可重复性仍然在它的公差范围内的工作包络线，而机器人的精度可能会恶化边界的尺寸。 虽然这种情况远未理想，它已在过去被接受。利用传统的示教方法，这些精度误差与可重复性的重要因素对机器人的定位没有影响，可重复性成为一个关键因素，相比较 OLP，这种方法不需要一个精确的笛卡尔坐标系统。机器人移动到所需位置使用示教和记录这个位置一般会保证机器人会回到这个“ 示教”位置在几分之一毫米。 通过离线编程这个位置可能是最后的位置，由于签名效果和精确的坐标系统的不足，可能有一些毫米远离所需的位置。基于这些因素，很显然，仅仅依靠 OLP 方法利用标称运动的机器人模型，就可以导致严重的位置误差。 最近的一个解决这个问题的方法已被校准工具的发展（欧文斯， 1994；施罗尔， 1994），这导致在一个更先进的仿真模型的标定方法。这些校准工具通常包括定位精度误差在实际机器人的工作包络面内在和使用测量数据生产中使用 OLP 更精确的运动学模型。虽然这些系统背后的要求是严禁的，可以说，他们绕过的基本问题与真正的机器人精度，即，那些与校准的机器人在调试和维护。 最近在华威制造集团（ WMG）的一项研究在华威大学的已测量并比较多个工业机器人的精度。这是以评估其使用的适宜性进行 OLP。 2、 方法 对 三个六轴串联机器人进行了测量，即 CLOOS Romat310， ABB IRB 6400s，和 KUKA KR125 （图 1）。所有三个机器人在他们的卸载状态测量，并委托使用的制造商校准方法。 参照相关的英国和国际标准化组织（ 4656， 1986， 9283， 1998）的测试框架已经建立。使用 Renishaw 激光干涉测量系统的精度和可重复性测量误差0.001mm 内。每一个测量都是作为双向运行的一部分。这些都是五次，共五次，最低限度的。在每个测量结束时，设定一个超限点，以消除改变方向时的齿隙的影响。然而，由于该测量系统的局限性，只有在一个特定区域的包络线的静态测量。测量的测量内容如下： X 轴和 Y 轴的线性定位精度。 这些代表的原始数据图显示相对位置测量。一个系统的数据是采取在轴零点的机器人坐标系统。 图 1 在 KUKA 机器人运行样本的测量点 直线度测量偏差在 Z 轴 X、 Y 方向移动时的偏差。这些都代表使用最小二乘法拟合的方法。由于在与机器人坐标系统的激光系统的困难，协调系统的一个正确的基准线是不可能的。最小二乘法拟合方法是定义一个数据这样的距离的平方的数据点到线的总和（图形测量平行于 Y 轴）是最小值。以图形方式表示的平均直线度误差为正的和负的运行，除了标准差为两组运行。 测量结果： Cloos Romat 310 对于 Cloos Romat 310 线性位置测量是在图 2 和图 3 所示。测量具有相似特性的 X 和 Y 轴。而可重复性是由制造商指定的公差范围内的定位精度为0.1mm，恶化了一半的工作包络面，很明显两测量测量。为轴线，误差在 1.7mm错误，虽然一侧的测量误差在 0.5mm 工作包络面。 对于 Cloos Romat 310 直线度测量是在图 4 和图 5 所示。偏差在 X 轴在 Y 方向行驶时，在约 0.7mm 的工作包络面在测量误差带。然而，在一个类似的方式的线性位置测量的精度劣化的工作包络线的一个一半。这个错误带是约两倍，对于相对的工作包络面。相比之下，偏差在 Z 轴方向行驶时，在 y 方向是类似工作包络面的两边，这个误差带在 0.4mm 的区域。 图 2 为 Cloos Romat 310 机器人在 Y 轴方向上的定位精度 图 3 为 Cloos Romat 310 机器人在 X 轴方向上的定位精度 图 4 为 Cloos Romat 310 在 Y 轴上运行时 X 轴上出现的定位精度偏差 图 5 为 Cloos Romat 310 在 X 轴上运行时 Y 轴上出现的定位精度偏差 ABB IRB 6400S 对 ABB IRB 6400 机器人的线性位置测量可以在图 6 和图 7。在 Y 方向的准确性在于约 0.5mm 的误差带，这是不变的在工作包络面的两侧。该 误差 带几乎完全是由于强烈的迹象表明，这可能是提高对边界的强烈反应。由于限制了这个机器人的工作空间，导致它非常接近边缘，减少工作包络面已经在 X 方向测量。虽然不能直接比较的测量，因为这一点，类似的特点是显而易见的。在这个方向上测量显示误差带内 0.5mm，虽然大部分的工作包络面具有恒定误差在对工作包络面的一个边带恶化 0.3mm。 在 Y 方向的直线度测量为 ABB IRB 6400 机器人的在图 8 和图 9 所示。都表现出相似的特点，但在 X 轴的偏差在 Z 轴偏差较大误差带。这是大约四倍， Z轴，分别为 0.4mm，是带内最大误差 0.1mm。 图 6 为 ABB IRB 6400 在 Y 方向上的定位精度 图 7 为 ABB IRB 6400 在 X 方向上的定位精度 图 8 为 ABB IRB 6400 在 Y 轴运行时 X 轴的定位精度偏差 图 9 为 ABB IRB 6400 在 X 轴运行时 Y 轴的定位精度误差KUKA KR125： 在 KUKA KR125 线性定位精度是在图 10 和图 11 所示。在 Y 方向的精度在误差带为 1.8 与大的误差在工作包络面的一个边是显而易见的。 X 方向的误差略少，在带 0.8mm 虽然 Y 方向的测量，在一个一半的包络的误差带大。重复性是制造商的规定公差 0.2mm 以内。 直线度测量时坐在 Y 方向为 KUKA KR125 在图 12 和图 13 所示。在 X 轴的偏差小于 0.7mm 错误带是关于测量工作包络面几乎对称中心。以类似的方式，在Z 轴偏差是工作包络面的中心对称，具有较小的误差带，为 0.2mm。 图 10 为 KUKA KR125 在 Y 轴上的定位精度 图 11 为 KUKA KR125 在 X 轴上的定位精度 图 12 为 KUKA KR125 在 Y 轴运行时 X 轴的定位精度误差 图 13 为 KUKA KR125 在 Y 轴运行时 Z 轴的定位精度误差 讨论结果： 结果从这个试验表明，三个机器人测量，没有任何三个维度测量超过1.8mm 误差带，具有可重复性是在规定范围内。虽然 Cloos Romat 310 和 KUKA KR 125 具有相似的误差带， ABB IRB 6400 似乎是最准确的，不超过 0.5mm 的误差带任何三个维度来衡量。值得注意的是，对于 Cloos Romat 310 和 KUKA KR 125 线性位置测量精度显著恶化，机器人在一个半测得的工作包络面，而 ABB IRB 6400 相同的测量的一个几乎恒定的误差带在工作包络面。这些错误的可能原因是一个或多个关节校准错误。 当考虑到在这项试验中的精度误差负责的校准误差，重要的是要分析每个接头的影响。在任何一个小的关节角误差的影响分析表明，接头 1-3 错误使位置误差的主要区别，节理方向主要影响 4-6。任何错误引入联合 1 旋转机器人合作而不影响机器人的整体精度，以这种方式测量坐标系统的影响。因此，很明显，在这些结果中发现的错误是由于误差被引入由联合 2 和联合 3 差校准。在这 2 个关节的错误往往也引入错误，显示直线度误差中心的中心轴系统。这些错误是明显的图 6， 12 和 13。 结论与建议： 本试验建立了现代工业机器人的定位精度和重复性误差。虽然这项试验是有局限性的，在一个特定区域的工作包络面用静态的测量采取，它不提供这些错误的指示。误差不大，与记录老式机器人相比（系泊 et al.， 1991），明显低于预期的时候开始的测量结果表明 OLP 实际上是一种特定的任务，这一级别的精度是可以接受的规划可行的方法。任何改善机器人的精度，但会受到欢迎，当利用 OLP。而某些数据的错误，如齿隙可以真实地通过增加制造成本的纠正，大部分的精度误差，它被认为，可以减少一个更准确的方法，当调试机器人。 在这项试验中使用的串行链路机器人使用的校准方法之一。这是通过定义轴的绝对位置基准使用的校准夹具，或通过排队的每一个轴上的划线线，以达到相同的目标。 KUKA KR125 测量作为这项研究的一部分，例如利用校准夹具。尽管这是一个可比的双机器人校准使用的划线方法的准确性。这将表明，在夹具中固有的公差和固定的机器人的方法是引入一个错误的每个关节轴。以类似