Калибровка манипуляторов роботов Опции Поделиться

[KVZ]

Калибровка шестизвенных манипуляторов
универсальных промышленных роботов

Калибровка робота – совокупность операций, минимизирующих отличия между параметрами реального робота и его математической модели. Калибровка – необходимая совокупность операций технологического процесса доводки УПР, предшествующая сдаче его в эксплуатацию. Она позволяет определить функциональную зависимость между считываемыми показаниями датчиков положения степеней подвижности и текущим положением характеристической точки конца инструмента (ТСР) РО в декартовом пространстве и произвести соответствующие изменения параметров, используемых в программном обеспечении, для управления позиционированием и контурными движениями ТСР робота.
Технологически процедура калибровки УПР заключается в совмещении присоединенных систем координат сочленений реального робота и его математической модели. Для этого градуируется датчик положения сочленения таким образом, чтобы его нулевое показание соответствовало нулевому повороту системы координат сочленения робота.
Другие виды калибровки могут включать изменения в кинематических и динамических моделях. Например, кинематическая калибровка заключается в калибровке параметров кинематической модели робота.
Также возможна калибровка, которая, включает настройку параметров в алгоритмах учета погрешностей позиционирования, связанных с эффектами некинематического характера, такими, как податливость в шарнирах и звеньях робота, трение, люфты. Сюда же относится настройка параметров динамической модели робота. Однако, все последующие виды калибровки, вслед за первым, предполагают применение в управлении промышленным роботом так называемой расширенной кинематической модели (включая, например, перекосы звеньев). Но программное обеспечение УПР не поддерживает обработку таких расширенных моделей, так как это присуще не универсальным промышленным роботам, одно из требований к которым является их взаимозаменяемость, а к роботам специального назначения (например, измерительные роботы).

[KVZ]

Контактные методы измерительного контроля
параметров калибровки манипуляторов универсальных
промышленных роботов

Параметрами процесса калибровки называются отклонения координат характеристической точки рабочего органа универсального промышленного робота (УПР), возникающие вследствие выполнения совокупности операций, содержащих управляющие воздействия на робот с целью определения соответствия между параметрами реального робота и его математической модели.
Определение параметров калибровки манипуляторов роботов с контурным управлением осложняется тем, что измерение должно осуществляться в процессе реальной имитации роботом рабочих перемещений манипулятора. Кроме того, сами измерения, методы и средства их осуществления, применяемые разными производителями, существенно отличаются и по исполнению, и по достигаемому результату.
Параметры калибровки являются многокомпонентной величиной, учитывающей совокупность влияний всех звеньев и шарниров манипулятора на перемещение характеристической точки рабочего органа.
До 1997 года в Германии (фирма KUKA Roboter) и до 1999 года в ОАО АВТОВАЗ технология измерительного контроля параметров калибровки промышленных роботов базировалась на способе измерительного контроля калибровки с применением измерительных машин. При таком способе изме-рительного контроля, УПР устанавливался на платформу измерительной машины, и производилось измерение калибровочного инструмента в нулевом положении УПР, когда координаты необходимого положения инструмен-тального фланца и шарика калибровочного инструмента известны из чертежей. Такой способ измерительного контроля не позволял проконтролировать отклонение координат точки при изменении ориентации инструмента. Это связано с тем, что изменение ориентации в нулевом положении невозможно, во-первых, в динамике, т.к. в таком режиме измерительная машина работать не может, во-вторых, по причине «вырожденного» положения пятой оси манипулятора УПР, которое в технической документации на УПР называется «проблема пятой оси». В «вырожденном» положении УПР, для поддержания расчетной ориентации в соответствии с рабочей программой измерения, должен с бесконечной скоростью вращать в противоположных направлениях четвертую и шестую оси, что физически невозможно. Такая проблема обусловлена конструкцией кисти манипулятора, в которой оси вращения четвертой и шестой осей совпадают. Конструкция кисти манипулятора, спроектированная подобным образом, называется «центральная кисть». Кроме того, при таком способе сказывалось большое влияние «человеческого фактора».
Из отечественных разработок известны ряд методов для решения данной задачи. Один из них реализован в устройстве вибродиагностики по а. с. СССР № 1099219 МПК G01M 7/00 [49], содержащее размещенные по трем ортогональным осям на объекте диагностирования пьезопреобразователи, подключенные к ним согласующие усилители, электронный коммутатор, аналого-цифровой преобразователь и дисплей.
Недостатком метода является невозможность его применения для измерительного контроля калибровки УПР, так как размещаемые на объекте измерительного контроля пьезопреобразователи не позволяют определять начальное положение объекта в декартовой системе координат. Соответст-венно невозможно дальнейшее определение отклонений запрограммированной траектории (в данном случае – с изменением только ориентации) робота от реальной траектории.
Известен метод измерительного контроля точности контурных перемещений робота по а. с. СССР № 1481060 МПК B25j 19/00, 11/00 [52]. Он основан на том, что основание и измерительную головку, устанавливают с возможностью перемещения с помощью проверяемого робота. Используется ка-либровочный инструмент с системой фиксации, три датчика линейных перемещений, два, из которых устанавливают на измерительной головке, а третий на калибровочный инструменте и регистрирующая аппаратура, связанная с датчиками.
Метод не позволяет контролировать отклонения запрограммированной траектории робота по всем трем координатам. Это связано с тем, что в изме-рительной головке располагаются только два датчика линейных перемещений. Датчик установленный на калибровочном инструменте способен изме-рять только отклонение при приходе робота в конечную точку траектории. Кроме того, здесь достаточно низкая производительность труда, так как дос-таточно полное исследование робота на погрешность контурных перемещений с помощью известного устройства, потребует многократных измерений при различных положениях калибровочного инструмента.
В институте машиноведения РАН им. А.А. Благонравова (ИМАШ) разработан метод определения положения твердого тела в пространстве, который носит название метода l – координат. Его суть состоит в определении положения твердого тела в пространстве с помощью шести отрезков l1 , l2 ,… l6 ,соединяющих тело с неподвижной базой таким образом, что при заданных значениях этих отрезков образуется геометрически неизменяемая структура. Значения длин отрезков измеряются с использованием контактных методов. При этом на базе и на характеристической точке рабочего органа образуют опорные точки, между которыми осуществляют измерения.
Сотрудниками ИМАШ предложен метод определения действительного положения УПР, когда в рабочую зону УПР устанавливают эталонный объект и доводят рабочий орган до контакта с ним. При этом используется плоская поверхность со штифтами, на которую устанавливаются эталонные объекты.
Описаны методы определения положения УПР. К последнему звену УПР закрепляют концы трех тросов, другие концы которых закрепляются и наматываются на подпружиненные барабаны. Углы поворотов барабанов и расстояния до барабана до рабочего органа определяются с помощью датчиков.
В устройствах, предложенных в некоторых работах, к рабочему органу УПР крепятся одни концы трех тросов, а другие связаны с подпружиненными барабанами. Для повышения точности на наружной поверхности барабана, с которым с помощью ходового винта соединены датчики угла, выполнены винтовые канавки для тросов с шагом, равным шагу ходового винта. Тросы установлены в направляющих. Во время движения барабаны, соединенные тросами, будут вращаться соответствующим образом либо наматывая тросы на барабаны, либо разматывая их. Так как шаги винтовой канавки наружной и внутренней цилиндрической поверхностей барабанов равны, при разматывании или сматывании троса они будут перемещаться вдоль оси винта и расстояние между точкой касания тросом барабанов и направляющей троса будет постоянным. Связанные с барабанами датчики угла поворота подают сигналы в аналоговой форме на соответствующие индикаторы и уже в цифровом виде индицируются на табло. Далее сигналы в цифровом коде поступают на вычисли-тельный блок, в котором угловые перемещения барабанов преобразуются в координаты осей X, Y и Z. Обработка результатов измерений осуществляется в реальном масштабе времени.
Основными достоинствами измерительных устройств с гибкими тросами являются простота, низкая стоимость, отсутствие прецизионных механизмов, возможность использовать на производстве при соответствующем математическом обеспечении.
Однако применение измерительных устройств с использованием гибких тросов сопряжено с наличием погрешностей из-за растяжимости тросов и пружин, большой инерционности, трудоемкости регулировки, настройки и калибровки механизма.
Во всех рассмотренных случаях реализация методов требовала специального оборудования и квалифицированного персонала.