工業機器人定位精度提升研究

仇岳猛 徐秋紅

（江西航空職業技術學院，江西 南昌 330024）

工業機器人已廣泛應用于搬運和焊接方面，根據國際機器人聯合會（IFR）統計數據，應用占比已超過70%。另外，標準工業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。對于此類應用，與標準機床相比，工業機器人具有更多優勢，比如更大的工作區域、更靈活的工作空間路徑和更低的應用成本。但工業機器人加工仍然只有少數工業應用，大約2%的工業機器人用于各種加工操作。與工業機床相關機器相比，工業機器人的主要缺點是位置精度低，這源于其串行運動學和較低的剛性。如果執行適當的校準程序（例如工具校準）和機器人位置控制程序，標準工業機器人可以達到約 0.3~0.5mm范圍內的精度，這對于工業去毛刺等方面的應用來說已經足夠，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機器人設計用于精密加工，但工業機器人最初還是被主要用作搬運和焊接等通用的工具。隨著工業機器人在加工方面的廣泛應用，其應用場景得到擴大。然而，對工件的精度和表面質量產生負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應用需求量逐漸增加，本文根據相關工業機器人應用誤差數據進行分析，對提高其精度提出建議方法。

與機器人加工有關的誤差來源可分為3大類：①環境相關誤差；②機器本身帶來的相關誤差；③加工過程引入的誤差。與環境相關的誤差或多或少與機器人安裝在地板上的方式有關，建筑物的結構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。另外，環境溫度也會影響結果的準確性，在某些情況下，驅動器的預熱會受到溫度的影響，當目標精度在0.1~0.01mm范圍內，溫度影響可以忽略不計。機器人本身帶來的相關誤差可分為3類：幾何誤差、非幾何誤差和系統誤差。幾何誤差由機器人連桿幾何形狀引起的各種偏差。 此外，當機器人驅動器處于反轉階段時，會出現齒輪齒隙效應。非幾何誤差與受結構變形、非線性剛度、驅動與順應性影響的機器人動力學行為有關。系統誤差是由工具校準或傳感器測量引起的。與工藝相關的誤差主要與加工條件有關，例如主軸轉速、軸向/徑向切削深度、切屑負載和使用的潤滑系統等。

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的識別，以校正運動機器人模型和根據實際機器人屬性調整路徑規劃處理器。在線方法依賴于一些傳感器信息。例如，控制系統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，使用某工業機器人和銑削主軸執行了各種測試銑削程序，以分析誤差來源。某工業機器人仿真模型如圖1所示。

圖1 某工業機器人模型示例

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。雖然對產品精度等級的要求是這種情況，但不一定能滿足相關的高精度要求，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，該零件必須進行大量的打磨修正。

1.2 實驗結果分析

為了準確確定誤差值，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，完成的部分如圖2所示。在零件的表面上，周期性地出現明顯的臺階（水平差）。差異約為0.2~0.4 mm，由此產生的邊緣在表面上很明顯（1個邊緣在圓柱區域，4個邊緣在零件的圓錐區域）。

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。實驗結果顯示，該誤差是由機器人驅動器的反向運動引起的，并且發生的周期性相同。

2 補償校正

2.1 實驗設置

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包的工業機器人。機器人傳感器用于感測機器人的實際位置。

圖3 某工業機器人實驗臺

2.2 實驗方法和結果

為了補償間隙誤差，設計了一個在線控制器（基于標準PID結構）。該控制器根據反轉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，然后調整機器人速度超馳。整個控制器由傳感器模塊實現，因此無需任何附加硬件即可輕松應用于工業機器人控制器。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）以及在軸反轉時對位置精度影響最大的機器人實際定位。實驗結果表明，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，但結果并未達到人們的預期。

3 結語

本文對與機器人在加工相關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，并開發了一種在線控制器，通過根據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，實驗結果主要集中在齒隙誤差調查和補償上，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。