淺談機器人激光切割機精度

·江蘇揚力數(shù)控機床有限公司

采用串聯(lián)式六軸機器人+光纖激光器組合的激光切割技術，可對沖壓鈑金件修邊、割孔，相比較傳統(tǒng)開模沖壓技術，縮短了工藝流程，大大降低了人工成本和模具費用的投入，提高了產(chǎn)品檔次和產(chǎn)品附加值，在汽車制造、航天航空等多個行業(yè)領域廣泛應用。本文主要淺析機器人激光切割機采用離線編程后，影響切割精度的主要因素，并提供相應的解決方法。

機器人切割機編程方式

近幾年，工業(yè)4.0的理念深入人心，機器人激光切割機向著智能化發(fā)展成了一大趨勢。而想要發(fā)展轉型，首先需要了解目前機器人激光切割機是如何完成既定工作的，這就要談到它的編程方式了。通常串聯(lián)式機器人激光切割機編程方式主要分為示教編程和離線編程這兩種。

示教編程即通過操作人員的“眼（觀察）+腦（判斷）+手（記錄）”將末端執(zhí)行機構沿著需要的軌跡先手動走一遍，并存儲在機器人的控制器當中，機器人讀取學習后，會重復這些軌跡運動。其優(yōu)點在于門檻低、簡單易學以及可以修正機械結構帶來的誤差等；然而缺點也顯而易見，需要實際的操作環(huán)境，切割質(zhì)量取決于操作人員的經(jīng)驗，也不適用復雜的運動軌跡，并且需要停產(chǎn)，影響生產(chǎn)力。

離線編程即通過離線仿真軟件，在電腦里重建整個工作場景的三維虛擬環(huán)境，然后軟件可以根據(jù)要加工零件的大小、形狀、材料，同時配合軟件操作者的一些操作，自動生成機器人的運動軌跡，即控制指令，然后在軟件中進行仿真和調(diào)整軌跡，最后生成機器人程序傳輸給機器人。其優(yōu)點在于擁有軌跡仿真、路徑優(yōu)化和碰撞檢測功能，不太依賴于操作人員的經(jīng)驗，可遠離實際的操作環(huán)境，適合復雜的軌跡，無需停產(chǎn)，提升了生產(chǎn)效益等，克服了示教編程的諸多缺點。

相比較而言，離線編程更加適合機器人激光切割機的智能化發(fā)展方向，然而很多用戶采用離線編程后，普遍反映切割精度變差了。下面我們就分析下，機器人激光切割機采用離線編程后，究竟哪些因素影響了切割精度。

串聯(lián)式六軸機器人絕對定位精度誤差

離線編程，需要在電腦軟件中導入仿真模型，模型代表的是完美的設計，在模擬中不存在幾何尺寸和運動誤差，但機器人零部件在實際加工、裝配中存在公差，關節(jié)軸在運動過程中編碼器反饋值和實際運動值也有偏差，這就導致機器人在執(zhí)行離線編程給出的指令時，末端執(zhí)行機構實際到達位置與理論目標位置有誤差，如圖1所示，切割A到B一條直線，離線編程軟件測出AB之間的理論長度L，并將指令傳給機器人控制器，但機器人自身的幾何尺寸和運動誤差，實際執(zhí)行時只行走了L1，與理論長度有個差值△L，這個差值就是機器人的絕對定位精度誤差。

圖1 絕對定位差值△L

串聯(lián)式六軸機器人普遍存在重定位精度高（0.05mm左右），絕對定位精度極低的特點（每米相差3mm左右），這就造成了機器人采用離線編程后，切割的零件越大，其幾何尺寸精度越差。

解決方法

⑴修改零件模型。

對于一些輪廓簡單且精度要求不高的零件，如圖2所示切割一個長方體，先將工件坐標系與機器人坐標系建立平行后，按照正常零件模型生成的指令，切割或打標一個實體樣件，沿工件坐標系測量樣件切割尺寸與目標尺寸差值，再通過三維建模軟件或離線仿真軟件根據(jù)差值沿工件坐標系放大或縮小零件模型，重新生成切割程序，達到提高尺寸精度的目的。

圖2 切割長方體時構建的模型

⑵激光跟蹤儀對機器人局部區(qū)域絕對定位精度進行補償。

對于輪廓復雜且精度要求較高的零件，可以利用激光跟蹤儀對機器人末端執(zhí)行機構在切割零件區(qū)域內(nèi)進行精度補償，如圖3所示，用離線編程根據(jù)已知球面模型生成若干個球面點位的程序，機器人讀取并執(zhí)行，激光跟蹤儀捕捉并測繪這些點位，通過計算機軟件最終繪制出實際球面模型，和離線編程已知球面模型比較后，對機器人在該區(qū)域絕對定位精度進行校準補償。

圖3 激光跟蹤儀對機器人局部區(qū)域絕對定位精度進行補償

工具中心點TCP的誤差

機器人的末端執(zhí)行機構又稱為工具，安裝在機器人末端法蘭上。當我們以手動或者編程的方式讓機器人去接近空間的某一點時，其本質(zhì)是讓工具中心點去接近該點。因此可以說機器人的軌跡運動，就是工具中心點（TCP）的運動。而機器人出廠時只知道末端法蘭中心點坐標，工具中心點（TCP）的坐標是需要示教后輸入機器人控制器的。目前機器人工具中心點一般采用四點繪球法計算出來，如圖4所示，即以工具中心點為球心，通過采集四個不同位置的機器人法蘭中心點位置，繪制球面，然后計算球心坐標值，這個值就是工具中心點TCP。

圖4 計算工具中心點TCP

由于球心位置是通過眼睛觀察TCP與示教工裝的相對位置，手動校準的，因此通過這個方法計算出來的工具中心點與實際工具中心點存在誤差，如圖5所示，一般在0.5mm左右，而在離線編程軟件里面工具中心點是沒有誤差的，在實際切割零件時，只要激光切割頭繞工具中心點TCP發(fā)生大幅度轉動，就會產(chǎn)生較大的尺寸位置偏差。

圖5 計算出來的工具中心點與實際工具中心點存在誤差

采用紅外線工具校準儀進行工具中心點TCP校正

如圖6所示，工具校準儀圓圈內(nèi)有兩個正交的紅外線發(fā)射器和與之相對應的感應開關，機器人通過執(zhí)行特定的校準程序，使工具在校準儀圓圈內(nèi)運動，當機器人工具擋住紅外線后對應的感應開關發(fā)出信號給機器人控制器，最后由控制器計算判斷出工具中心點的位置，校準后的工具中心點TCP精度可以達到0.1mm。

圖6 采用紅外線工具校準儀進行工具中心點TCP校正

結束語

除了上述兩個主要因素外，基于離線編程的機器人激光切割機精度還和工件坐標系的建立、機器人的姿態(tài)、負載以及零件實物模型吻合度等因素有關，不過這些因素導致的切割精度誤差大多數(shù)用戶是能夠接受的，也能夠通過人員的操作經(jīng)驗去彌補而減小這些誤差。總之，在不遠的將來，隨著視覺技術、傳感技術、智能控制、網(wǎng)絡和信息技術以及大數(shù)據(jù)等技術的發(fā)展和深度融合，機器人激光切割機離線編程技術將會向智能化進一步發(fā)展，如能夠自動感知、辨識和重構工件和加工路徑等，實現(xiàn)路徑的自主規(guī)劃，自動糾偏和自適應環(huán)境，人的干預越來越少，用戶操作會越來越簡單，切割精度也會越來越高。