Leica絕對(duì)激光跟蹤儀在工業(yè)機(jī)器人校準(zhǔn)及檢測(cè)中的應(yīng)用

開軍

摘? 要：該文通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹了激光跟蹤儀的校準(zhǔn)和檢測(cè)技術(shù)，對(duì)激光跟蹤儀的誤差來(lái)源和影響進(jìn)行分析，同時(shí)還提出了激光跟蹤儀在工業(yè)機(jī)器人校準(zhǔn)及檢測(cè)中應(yīng)用的具體流程。國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人在高標(biāo)準(zhǔn)、高精度的加工制造領(lǐng)域技術(shù)仍然欠缺，所以，通過(guò)研究工業(yè)機(jī)器人校準(zhǔn)及檢測(cè)技術(shù)，彌補(bǔ)國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的精度低的弊端，推動(dòng)我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人校準(zhǔn)及檢測(cè)方面科技的發(fā)展是目前研究的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：激光跟蹤儀;工業(yè)機(jī)器人;校準(zhǔn);檢測(cè);誤差分析;檢測(cè)流程

中圖分類號(hào)：TP242.2? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)飛速的發(fā)展，我國(guó)發(fā)布了一些政策，目的是促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)的快速發(fā)展，提升我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)水平，從而實(shí)現(xiàn)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的蛻變。隨著我國(guó)近幾年來(lái)技術(shù)的迅猛發(fā)展，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了在工業(yè)生產(chǎn)中的從無(wú)到有，并形成逐漸強(qiáng)大的勢(shì)頭。目前我國(guó)已經(jīng)建成了集研發(fā)、制造、應(yīng)用一條鏈的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，機(jī)器人的應(yīng)用不僅僅在人們的生活服務(wù)方面，還被應(yīng)用在工業(yè)制造、工程建設(shè)、食品加工等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。但隨著國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的大范圍使用，對(duì)機(jī)器人的性能也有了極大的考驗(yàn)，國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人在一些高精度領(lǐng)域的應(yīng)用更是暴露了精度低的問(wèn)題，要想滿足工業(yè)的需要，提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，就必須彌補(bǔ)這一缺陷，所以如何提高國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的精度成了如今研究和討論的重點(diǎn)。

1 國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀

1.1 國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的不足

該文主要從工業(yè)機(jī)器人的性能指標(biāo)方面對(duì)工業(yè)機(jī)器人的問(wèn)題進(jìn)行討論，主要涉及靜態(tài)柔順性、準(zhǔn)確度、重復(fù)性、位置穩(wěn)定時(shí)間、拐角偏差和互換性等方面，從這些觀察分析中可以發(fā)現(xiàn)，工業(yè)機(jī)器人有2個(gè)重要的性能指標(biāo)，分別是準(zhǔn)確性和重復(fù)性。準(zhǔn)確性是指機(jī)器人在接到指令后，到達(dá)準(zhǔn)確位置的能力。重復(fù)性是工業(yè)機(jī)器人根據(jù)記憶重復(fù)到達(dá)某一位置的能力，即絕對(duì)定位精度和重復(fù)定位精度。就目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)水平而言，廠家只能達(dá)到關(guān)于重復(fù)定位精度的指標(biāo)，不能達(dá)到絕對(duì)定位精度的指標(biāo)，所以我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的絕對(duì)定位精度的技術(shù)尚存在很大的不足。

1.2 國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人不足的原因

1.2.1 缺少測(cè)量工業(yè)機(jī)器人精度的工具和方法

缺少測(cè)量工業(yè)機(jī)器人精度的工具和方法，使我國(guó)在評(píng)估工業(yè)機(jī)器人性能的時(shí)候受到阻礙。一直以來(lái)，我國(guó)都采用頂尖對(duì)齊的測(cè)量方式，通過(guò)肉眼的觀察和比較，校準(zhǔn)和檢測(cè)工業(yè)機(jī)器人的精度，因?yàn)椴捎萌庋塾^察的方式，并不能觀察出細(xì)致的差距，會(huì)導(dǎo)致誤差加大，難以保證工業(yè)機(jī)器人的精度。除了這種方式，我國(guó)還使用拉線法的測(cè)量方法，但是這種方法對(duì)空間有一定的要求，而且使用拉線法進(jìn)行測(cè)量還會(huì)影響工業(yè)機(jī)器人其他性能的發(fā)揮，受力的不同導(dǎo)致精度測(cè)量存在問(wèn)題。

1.2.2 工業(yè)機(jī)器人的精度存在問(wèn)題

我國(guó)目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可以全面改善工業(yè)機(jī)器人精度的措施。重復(fù)定位精度由機(jī)器人關(guān)節(jié)、齒輪之間的相互作用和編碼器決定。工業(yè)機(jī)器人的絕對(duì)定位精度也會(huì)受到連桿的作用、零部件的彈性和變形、齒輪之間的誤差的影響。重復(fù)性的完善可以通過(guò)改變齒輪的相互作用和編碼器的精度等硬件設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是準(zhǔn)確度卻受到多方面原因的影響，其中零件的誤差和變形都會(huì)導(dǎo)致幾何參數(shù)出現(xiàn)誤差，所以在提高工業(yè)機(jī)器人準(zhǔn)確度的精度方面還存在很大的問(wèn)題。

2 激光跟蹤儀的校準(zhǔn)和檢測(cè)技術(shù)

2.1 激光跟蹤儀的誤差種類

在激光跟蹤儀的使用過(guò)程中，系統(tǒng)的準(zhǔn)確度會(huì)受多方面影響而產(chǎn)生誤差，主要的誤差為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。

2.1.1 系統(tǒng)誤差

在理想狀態(tài)下的激光跟蹤儀為方位軸和俯仰軸正交。處于2條軸上的編碼器與軸正交且處于同心狀態(tài)。激光的光軸與出射孔垂直。這是在理想環(huán)境下激光跟蹤儀的要求，但是在實(shí)際使用中，會(huì)受多方面的影響，其中零件加工和安裝過(guò)程的誤差，不同地區(qū)溫度、濕度的不同，運(yùn)輸途中等各種不可控因素的影響都會(huì)導(dǎo)致激光跟蹤儀無(wú)法滿足理想狀態(tài)下的要求，從而造成誤差。

2.1.2 隨機(jī)誤差

隨機(jī)誤差是由一些外部條件改變?cè)斐傻恼`差，例如空氣折射誤差、溫度誤差、濕度誤差、跟蹤誤差等。

2.2 激光跟蹤儀的校準(zhǔn)

激光跟蹤儀的校準(zhǔn)方法主要包括雙面測(cè)量法和兩點(diǎn)校準(zhǔn)法等。先使用高精度的專業(yè)儀器進(jìn)行測(cè)量，再用激光追蹤儀進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)二者測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析得出誤差，還可以通過(guò)光軸方向和角向2種角度測(cè)量長(zhǎng)度誤差，并進(jìn)行精度的校準(zhǔn)。

3 Leica在工業(yè)機(jī)器人校準(zhǔn)及檢測(cè)中應(yīng)用的方法

因?yàn)楣I(yè)機(jī)器人被大量使用，所以工業(yè)機(jī)器人的校準(zhǔn)及檢測(cè)技術(shù)也擁有了很大的市場(chǎng)，面對(duì)巨大的市場(chǎng)需求，研究人員開始針對(duì)國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的校準(zhǔn)檢測(cè)技術(shù)提出了一套完善的方案。

這套校準(zhǔn)檢測(cè)方案由Leica絕對(duì)激光跟蹤儀、精度校準(zhǔn)系統(tǒng)、信號(hào)控制器等組成，其主要功能是測(cè)量工業(yè)機(jī)器人的位置，并將工作中機(jī)器人的時(shí)間位置和姿態(tài)等信息搜集起來(lái)，然后對(duì)搜集的激光跟蹤儀的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算，生成校準(zhǔn)檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)由信息控制器進(jìn)行總控制，保證校準(zhǔn)檢測(cè)工作順利有序的完成。

3.1 Leica絕對(duì)激光跟蹤儀的檢測(cè)系統(tǒng)

Leica絕對(duì)激光跟蹤儀在實(shí)際中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了自由的動(dòng)態(tài)測(cè)量，有效地提高了工業(yè)機(jī)器人的速度和精度，Leica絕對(duì)激光跟蹤儀的效率高、輸出數(shù)據(jù)速度快、測(cè)量精度高，其應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的校準(zhǔn)與檢測(cè)中可以滿足我國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的高精度的要求。

除此之外，研究人員在激光跟蹤儀中加入了T-Mac測(cè)頭，T-Mac測(cè)頭可以對(duì)工業(yè)機(jī)器人的位置和姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和追蹤，并實(shí)時(shí)匯報(bào)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人精度的測(cè)量分析，可以完全滿足市場(chǎng)中對(duì)機(jī)器人性能校準(zhǔn)檢測(cè)的要求，在一定程度上促進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人在市場(chǎng)中的廣泛應(yīng)用。

3.2 精度校準(zhǔn)系統(tǒng)

精度校準(zhǔn)系統(tǒng)主要是針對(duì)工業(yè)機(jī)器人開發(fā)的一套軟件系統(tǒng)，其中包括校準(zhǔn)和檢測(cè)2個(gè)功能。

校準(zhǔn)模塊是通過(guò)工業(yè)機(jī)器人的幾何參數(shù)信息創(chuàng)建一個(gè)機(jī)器人理論模型，然后通過(guò)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，生成測(cè)量位姿，然后再通過(guò)坐標(biāo)系的建立找到誤差，導(dǎo)入到機(jī)器人控制器，從而得到校準(zhǔn)后的結(jié)果。通過(guò)校準(zhǔn)模塊可以找到減速比和耦合比的偏差，并進(jìn)行修正，達(dá)到國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的絕對(duì)定位精度。檢測(cè)模塊是對(duì)工業(yè)機(jī)器人各方面性能的檢測(cè)，建立工具測(cè)量坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系，再定義工作空間，選擇需要測(cè)試的項(xiàng)目和次數(shù)，將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入機(jī)器人程序，然后運(yùn)行該程序生成檢測(cè)結(jié)果。該精度校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)工作的空間、設(shè)備情況、測(cè)試的項(xiàng)目等進(jìn)行全面分析，生成機(jī)器人識(shí)別指令，在測(cè)量時(shí)還可以將校準(zhǔn)檢測(cè)結(jié)果、性能指標(biāo)的測(cè)試和分析結(jié)果一鍵式完成。

4 結(jié)語(yǔ)

該校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)在具體的工業(yè)機(jī)器人的校準(zhǔn)與檢測(cè)工作中取得了很好的效果，Leica絕對(duì)激光跟蹤儀在工業(yè)機(jī)器人的校準(zhǔn)與檢測(cè)工作中，可以精確采集數(shù)據(jù)，尋找工業(yè)機(jī)器人工作時(shí)的誤差，并對(duì)誤差信息進(jìn)行分析，尋找誤差原因，然后通過(guò)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析工業(yè)機(jī)器人的各項(xiàng)性能指標(biāo)。利用激光跟蹤儀能夠更加準(zhǔn)確、高效地對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行校準(zhǔn)和檢測(cè)，大大提高了工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)定位精度和絕對(duì)定位精度，減少誤差對(duì)工業(yè)機(jī)器人性能的影響程度，促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展，提升我國(guó)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)

[1]張艷菊，符遠(yuǎn)翔，車丹.激光跟蹤儀在工業(yè)機(jī)器人位姿特性檢測(cè)中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2018，46（21）：29-33，14.

[2]陳剛，吳雪珂，歐永，等.激光跟蹤儀在機(jī)器人性能測(cè)試中的應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2018，36（3）：61-69.

[3]劉凱.Leica絕對(duì)激光跟蹤儀在工業(yè)機(jī)器人校準(zhǔn)及檢測(cè)中的應(yīng)用[J].智能制造，2018（5）：43-46.

[4]閆勇剛，歐陽(yáng)健飛，楊紅果，等.激光跟蹤儀校準(zhǔn)技術(shù)及在機(jī)床檢測(cè)中的應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2008，37（S1）：158-161.