蘇敦育
(福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院,福州, 350008)
隨著工業(yè)機(jī)器人在產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用,其產(chǎn)品質(zhì)量日益被人們關(guān)注。工業(yè)機(jī)器人的性能是衡量其質(zhì)量水平的重要指標(biāo),其中位置重復(fù)性及精度是一個(gè)重要性能參數(shù)。對第三方的檢測實(shí)驗(yàn)室而言,對一個(gè)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的位置重復(fù)性及精度結(jié)果進(jìn)行測量審定,其檢測結(jié)果的準(zhǔn)確和可靠與否,是實(shí)驗(yàn)室是否具備該項(xiàng)檢測能力的具體體現(xiàn)。于是,通過實(shí)驗(yàn)室間的比對是驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室檢測水平、檢測過程、檢測質(zhì)量的一個(gè)有效手段。
實(shí)驗(yàn)室間的比對是按照預(yù)先規(guī)定的條件,由兩個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)室對相同或類似的物品進(jìn)行測量或檢測的組織、實(shí)施和評價(jià)[1]。作為國家特種機(jī)器人產(chǎn)品質(zhì)檢中心(福建)機(jī)器人性能測試實(shí)驗(yàn)室,為驗(yàn)證在工業(yè)機(jī)器人位置重復(fù)性測試項(xiàng)目中測試過程的合理性、測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,該實(shí)驗(yàn)室參與了由國家工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品質(zhì)檢中心(廣東)為主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室間的比對。主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室是已獲CMA(中國計(jì)量認(rèn)證)計(jì)量認(rèn)證的工業(yè)機(jī)器人性能測試實(shí)驗(yàn)室,其檢測能力及檢測數(shù)據(jù)的可靠性已獲國家認(rèn)可,因此對比對結(jié)果的評價(jià)可以作為參比實(shí)驗(yàn)室從事該項(xiàng)目檢測能力的評定。本文以此次實(shí)驗(yàn)室間比對為例,闡述了工業(yè)機(jī)器人位置重復(fù)性測試具體實(shí)施方法,分析影響測量精度的因數(shù),引入不同的測量不確定度評定,計(jì)算測量的不確定度,最后采用歸一法對比對結(jié)果進(jìn)行量化分析。
工業(yè)機(jī)器人位置重復(fù)性測試采用激光跟蹤儀跟蹤固定在機(jī)器人末端的靶球處,通過接收靶球反射回來的激光,測量激光跟蹤儀坐標(biāo)原點(diǎn)與靶球間距離、方位角和俯仰角,計(jì)算各個(gè)測量點(diǎn)實(shí)到位置的空間坐標(biāo)值,按照標(biāo)準(zhǔn)[2]提供的計(jì)算方法,分別計(jì)算各個(gè)測量點(diǎn)的位置重復(fù)性測量值。
圖2 激光跟蹤儀測量空間坐標(biāo)
激光跟蹤儀測量被測點(diǎn)P(見圖2)的空間坐標(biāo)值x、y、z的計(jì)算如下:
參與比對的實(shí)驗(yàn)室為國家特種機(jī)器人產(chǎn)品質(zhì)檢中心(福建)機(jī)器人性能測試實(shí)驗(yàn)室,測試由已獲CMA認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室主導(dǎo),按標(biāo)準(zhǔn)[2]要求,確定試驗(yàn)立方體尺寸、試驗(yàn)負(fù)載、試驗(yàn)速度、試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)和環(huán)境條件,雙方實(shí)驗(yàn)室對主導(dǎo)方提供的ABB IRB1200和廣數(shù) RB08工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)分別進(jìn)行測量,并依照標(biāo)準(zhǔn)[2]分別計(jì)算2臺被測樣機(jī)的位置重復(fù)性測值。
工業(yè)機(jī)器人位置重復(fù)性定義為:對同一指令位置、從同一方向重復(fù)響應(yīng)n次后實(shí)到位置的一致程度[2]。其計(jì)算公式如下:
2臺樣機(jī)型號不一,工作空間也不一樣,所以選擇不同尺寸的測試立方體。其中,型號IRB1200選擇400mm邊長的立方體,RB08選擇600mm邊長的立方體。立方體邊平行于機(jī)器人基座坐標(biāo),且位于機(jī)器人工作空間中預(yù)期應(yīng)用最多的那一部分空間位置。
本次測試所用機(jī)器人樣機(jī)均為6軸工業(yè)機(jī)器人。測試所采用的平面為:C1-C2-C7-C8, P1、P2、P3、P4、P5測量點(diǎn)位于測量平面對角線上,如圖3所示。
圖3 測量面和測量點(diǎn)位置
其中,P1是立方體的中心點(diǎn),P2~P5距對角線端點(diǎn)長為(0.1±0.02)×L。各測量點(diǎn)坐標(biāo)值見表1。
表1 2臺工業(yè)機(jī)器人測量點(diǎn)坐標(biāo)值 單位/mm
在100%額定負(fù)載、100%額定速度條件下,機(jī)器人機(jī)械接口位置從P1點(diǎn)開始,沿同一方向依次運(yùn)行到P5、P4、P3、P2、P1各點(diǎn),連續(xù)循環(huán)30次。
圖4 測量循環(huán)
將工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)和激光跟蹤儀置于同一環(huán)境中,啟動機(jī)器人程序,打開激光跟蹤儀,并使兩者在測試環(huán)境溫度為20℃±2 ℃下預(yù)熱2h。
將兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室各自的激光跟蹤儀對應(yīng)的目標(biāo)靶球固定在機(jī)器人機(jī)械接口處,2臺激光跟蹤儀分別放置在距靶球1.8m的位置,高度與坐標(biāo)P1點(diǎn)同,激光跟蹤儀激光束分別跟蹤到各自的靶球,機(jī)器人按程序指令路徑開始循環(huán)運(yùn)動,每個(gè)測量點(diǎn)停頓3s;待靶球穩(wěn)定后,開始測量。測試現(xiàn)場如圖5、圖6所示。
圖5 IRB1200試驗(yàn)現(xiàn)場
圖6 RB08試驗(yàn)現(xiàn)場
根據(jù)公式(1)分別計(jì)算出2臺工業(yè)機(jī)器人5個(gè)測量點(diǎn)的位置重復(fù)性共10組測量值的平均值,測量結(jié)果見表2、表3。
表2 IRB1200機(jī)器人位置重復(fù)性測試結(jié)果 單位/mm
表3 RB08機(jī)器人位置重復(fù)性測試結(jié)果 單位/mm
采用激光跟蹤儀進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人位置重復(fù)性測試,是一種無接觸式測量,測量值直接以激光跟蹤儀所確定的坐標(biāo)系來表示,無需進(jìn)行激光跟蹤儀坐標(biāo)系與機(jī)器人基座坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,計(jì)算過程未引入第三方測量軟件。因此,影響測量不確定度的主要因數(shù),一是示值重復(fù)性測量引入的不確定度,二是儀器測量最大允許誤差引入的不確定度。按JJF1059.1《測量不確定評定與表示》,前者采用A類評定方法,后者采用B類評定方法。為此,建立測量不確定度計(jì)算的數(shù)學(xué)模型:
重復(fù)測量的不確定度表述為對一個(gè)被測值重復(fù)多次測量后,以其算術(shù)平均值作為被測值的估計(jì)值,這個(gè)估計(jì)值的不確定度按下面公式計(jì)算。
根據(jù)公式(3)計(jì)算得出5個(gè)測量點(diǎn)的不確定度見表4、表5。
表4 IRB1200機(jī)器人5個(gè)測量點(diǎn)不確定度 單位/mm
表5 RB08機(jī)器人5個(gè)測量點(diǎn)不確定度 單位/mm
根據(jù)儀器校準(zhǔn)證書標(biāo)示,參比方儀器的最大允許誤差為(2.2μm+2.2μm/m)。此次實(shí)驗(yàn)儀器到測量點(diǎn)的距離為1.8m,因此,激光跟蹤儀的最大允許誤差為:0.00616mm。假定被測量值的概率分布為均勻分布,則由儀器最大允許誤差引入的不確定度
主導(dǎo)方儀器最大允許誤差引入的不確定度為0.0080mm。
根據(jù)公式(2)建立的不確定度數(shù)學(xué)模型,計(jì)算得出2臺工業(yè)機(jī)器人5個(gè)測量點(diǎn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度見表6、表7。
表6 IRB1200合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度 單位/mm
表7 RB08合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度 單位/mm
根據(jù)公式(4)計(jì)算得出2臺工業(yè)機(jī)器人5個(gè)測量點(diǎn)的擴(kuò)展不確認(rèn)度見表8、表9。
表8 IRB1200擴(kuò)展不確定度 單位/mm
表9 RB08擴(kuò)展不確定度 單位/mm
本次實(shí)驗(yàn)室比對目的在于檢驗(yàn)參比實(shí)驗(yàn)室檢測人員、檢測設(shè)備以及檢測方法、檢測環(huán)境及過程、計(jì)算方法等與主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室之間的差異程度。根據(jù)JJF1117《計(jì)量比對》,在通常情況下,參比實(shí)驗(yàn)室的測量結(jié)果與其不確定度的一致性用歸一化偏差值進(jìn)行評價(jià)[3]。當(dāng),參比實(shí)驗(yàn)室的測量結(jié)果與主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室之差可以接受,比對結(jié)果滿意,比對結(jié)果不能接受。
根據(jù)公式(5)計(jì)算得出2臺工業(yè)機(jī)器人5個(gè)測量點(diǎn)最終評價(jià)結(jié)果見表10、表11。
表10 IRB1200評價(jià)結(jié)果 單位/mm
表11 RB08評價(jià)結(jié)果 單位/mm
本文通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室間的比對,介紹了工業(yè)機(jī)器人位置重復(fù)性測試的方法,闡述了實(shí)驗(yàn)室間比對的方法及結(jié)果評價(jià)。從以上評價(jià)結(jié)果看,IRB1200樣機(jī)的5個(gè)測量點(diǎn)、RB08樣機(jī)的5個(gè)測量點(diǎn)的評價(jià)結(jié)果均為滿意,說明作為參與比對的實(shí)驗(yàn)室在相關(guān)測量值的準(zhǔn)確性和可靠性方面已能滿足認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室的要求。