發(fā)那科六軸工業(yè)機器人的零位校正方法

□ 周維綱 □ 盛辰皓

上汽大眾汽車有限公司 上海 201805

1 零位校正概述

自1954年美國戴沃爾最早提出工業(yè)機器人的概念以來,工業(yè)機器人不斷發(fā)展,在工業(yè)生產(chǎn)線上已隨處可見。發(fā)那科六軸工業(yè)機器人廣泛應(yīng)用于搬運、焊接、清洗等自動化制造領(lǐng)域。

校正是使工業(yè)機器人的各軸角度和安裝在各軸電機上的絕對值脈沖編碼器的脈沖計數(shù)值對應(yīng)起來的操作。具體來說,零位校正就是求取工業(yè)機器人零位時各軸脈沖計數(shù)值的操作。通過零位校正,使工業(yè)機器人的機械位置與電氣控制同步,定義工業(yè)機器人的物理位置,建立起工業(yè)機器人的空間坐標(biāo)系統(tǒng)。

零位數(shù)據(jù)與其它用戶數(shù)據(jù)一起保存在工業(yè)機器人控制器的存儲器中,斷電后,這些數(shù)據(jù)由主板電池維持保存。工業(yè)機器人各軸串行脈沖編碼器的當(dāng)前數(shù)據(jù)保留在脈沖編碼器中,由工業(yè)機器人機構(gòu)部的后備電池供電維持保存。

工業(yè)機器人出廠時,已經(jīng)進行了零位校正,所以在日常操作中不需要進行零位校正。但是發(fā)生下列情況時,就必須重新進行零位校正: ① 機器人執(zhí)行初始化啟動引起暫存器被擦除等原因?qū)е滦Ｕ龜?shù)據(jù)丟失;② 控制器互補金屬氧化物半導(dǎo)體備用電池電壓下降,導(dǎo)致校正數(shù)據(jù)丟失;③ 脈沖編碼器備用電池耗盡,導(dǎo)致脈沖記數(shù)丟失;④ 機器人拆解維修,更換電機、斷開編碼器電源線等導(dǎo)致脈沖記數(shù)丟失;⑤ 機器人機構(gòu)部因為撞擊導(dǎo)致角度偏移。

2 零位校正現(xiàn)狀分析

工業(yè)機器人在制造生產(chǎn)中已經(jīng)大量被運用,但是在實際作業(yè)過程中也存在一些問題,如工業(yè)機器人長時間使用后精度下降,末端無法到達指定位置,零位丟失等。

發(fā)那科工業(yè)機器人控制系統(tǒng)內(nèi)置多種零位校正方法供用戶使用,見表1。

上汽大眾發(fā)動機廠采用發(fā)那科 M-710iC/70工業(yè)機器人,大量應(yīng)用于工件的搬運和清洗。工業(yè)機器人長期運行疲勞磨損后,不能滿足原有的定位精度要求,需要更換相應(yīng)的關(guān)節(jié)RV減速器。RV減速器是工業(yè)機器人關(guān)節(jié)的核心部件,也是目前在工業(yè)機器人關(guān)節(jié)中應(yīng)用最為廣泛的減速裝置之一,由第一級漸開線行星傳動輪系和第一級擺線輪行星傳動輪系串聯(lián)而組成,具有體積小、傳動比范圍大、使用壽命長、效率高等特點,廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人、機床、航空航天等領(lǐng)域。

對工業(yè)機器人進行零位校正,以使工業(yè)機器人機械零點的位置、姿態(tài)與電氣控制系統(tǒng)的六軸關(guān)節(jié)零點角度相對應(yīng),是十分必要的。以往,零位校正主要采用發(fā)那科公司推薦和培訓(xùn)用戶的對合標(biāo)志校正,通過目視觀察,使工業(yè)機器人各軸運行至各關(guān)節(jié)零位刻度線并對齊,在此狀態(tài)下確定電氣零點。在現(xiàn)實應(yīng)用中,這一方法存在一些弊端。第一,惡劣工況,如清洗室潮濕高溫的腐蝕影響,導(dǎo)致原有各關(guān)節(jié)刻度線模糊不清,無法辨識。第二, 目視觀察存在誤差,精度低,不能滿足箱體類零件一面兩銷的定位精度要求,往往會造成零件定位時出現(xiàn)干涉和卡滯。第三, 新更換的關(guān)節(jié)RV減速器備件無零位刻度標(biāo)記,只能在大致位置校正,誤差很大。

以上弊端最終導(dǎo)致工業(yè)機器人修理且零位校正之后,新的坐標(biāo)系統(tǒng)與原有坐標(biāo)系統(tǒng)不能精確重合,存在較大誤差,使原有程序中的點位坐標(biāo)數(shù)值不再適用,需要對原程序中所有軌跡點逐一進行復(fù)核和調(diào)整,確保精確定位和避免干涉。由此,整個調(diào)整時間非常長,無異于重新示教編程。以缸蓋清洗機器人為例,一共涉及四種型號零件,每次工業(yè)機器人修理后的程序調(diào)整要花費超過40 h,嚴重影響維修速度與生產(chǎn)效率。

通過對發(fā)那科工業(yè)機器人零位校正原理的研究和深刻理解,結(jié)合實踐經(jīng)驗,在傳統(tǒng)標(biāo)志對合校正的基礎(chǔ)上,總結(jié)單軸校正、快速校正的應(yīng)用技巧和適用場合,從而能夠?qū)崿F(xiàn)更快速高效對工業(yè)機器人修理和調(diào)整,并在ROBOGUIDE軟件中進行仿真驗證。

3 單軸校正

單軸校正對工業(yè)機器人每個軸進行校正,操作界面如圖1所示?，F(xiàn)在位置顯示工業(yè)機器人各軸以角度為單位的當(dāng)前數(shù)值。零度點位置指定校正位置,通常以指定0°位置為方便。對于需要校正的軸,將選擇條目設(shè)定為1,然后開始執(zhí)行校正。狀態(tài)條目顯示各軸的校正完成狀態(tài),2代表校正已經(jīng)完成。

圖1 單軸校正操作界面

單軸校正從字面上很容易理解為對單個軸進行校正,在操作界面上也往往會理解為在零度點處進行校正。發(fā)那科公司在培訓(xùn)單軸校正模塊設(shè)置時,也是針對單軸在零位刻度線處進行對合標(biāo)志校正。其實,這里存在一個誤區(qū),單軸校正模塊功能并不簡單,它的真正意義和作用在于可以在用戶設(shè)定的任意位置進行校正,也可以多軸同時進行校正。筆者認為,可以改變單軸校正的應(yīng)用思路,選擇在精確的機械參考點,如工件的定位抓取位置處進行校正,從而避免在零度位置進行目視對齊,提高校正精度和程序調(diào)整效率。

以下介紹兩個應(yīng)用案例。

(1) 應(yīng)用案例1。發(fā)那科工業(yè)機器人J5、J6關(guān)節(jié)RV減速器總成磨損失效,在修理更換后進行零位校正時,手動操作工業(yè)機器人運行至原程序工件定位抓取位置點,如圖2所示。以缸體定位抓取為例,缸體在暫存架上進行一面兩銷精定位,工業(yè)機器人末端帶著夾具在夾取軌跡點與缸體也是一面兩銷精定位。在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下,手動精確微調(diào)J5、J6關(guān)節(jié)角度,調(diào)整工業(yè)機器人的末端位姿,使與定位抓取位置點完全匹配。進入單軸校正模塊設(shè)置,在操作界面零度點位置填入原程序在此定位抓取位置點的J5、J6關(guān)節(jié)角度,在選擇條目填寫1,執(zhí)行零位校正。系統(tǒng)將重新偏置計算J5、J6關(guān)節(jié)新零點,并且此零點與原程序完全適配。

圖2 工件定位抓取位置點

(2) 應(yīng)用案例2。工業(yè)機器人發(fā)生碰撞,末端夾具受損,即使經(jīng)過整形或更換,也無法達到與原先一致的狀態(tài)。此時,雖然工業(yè)機器人零位數(shù)據(jù)都未丟失,但是原程序已經(jīng)無法與新夾具匹配。按照以往做法,會對原程序進行修改,對所有軌跡點重新逐一進行復(fù)核,調(diào)整時間很長。采用單軸校正的思路,以精確機械參考點為參照,將工業(yè)機器人運行至原程序工件定位抓取位置點,調(diào)整工業(yè)機器人位姿,匹配定位抓取位置,然后在操作界面零度點位置填入所有六根軸在原程序此點位處的角度,執(zhí)行校正。系統(tǒng)經(jīng)過計算,對原零點系統(tǒng)進行偏置,產(chǎn)生新的零點系統(tǒng),新的零點系統(tǒng)加上原程序就能與新夾具狀態(tài)適配。這種方法可以基本保留原程序,只需要對一些關(guān)鍵點位進行復(fù)核,從而大幅減小原程序軌跡點位參數(shù)的修改量,顯著提升工業(yè)機器人的調(diào)整效率。

4 快速校正

快速校正是基于參考點的一種校正方法,工作原理本質(zhì)上和單軸校正一致,都是基于某一機械參考位置,對工業(yè)機器人各軸的脈沖計數(shù)值進行偏置計算,從而確定新的零點系統(tǒng)。區(qū)別在于快速校正是整體六根軸一起偏置計算,而單軸校正可以具體到某一根軸?？焖傩Ｕ梢栽谌我馕恢眠M行,參考點在出廠時已被設(shè)定在零位。使用快速校正,需要用戶提前設(shè)定一個快速校正參考點,一般應(yīng)當(dāng)選擇可靠、精確、可重復(fù)的機械位置進行設(shè)定。在校正時,操作、調(diào)整工業(yè)機器人位姿到達參考點,進入快速校正界面執(zhí)行校正。此時,系統(tǒng)根據(jù)參考點記錄的各軸角度、編碼器脈沖計數(shù)值、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定的每度脈沖計數(shù)值、當(dāng)前各軸的脈沖計數(shù)值,計算各軸新的零位脈沖數(shù)?？焖傩Ｕ僮鹘缑嫒鐖D3所示。

圖3 快速校正操作界面

以往工業(yè)機器人進行整體更換時,需要對各軸進行對合標(biāo)志零位校正,目視對齊精度差,造成原程序軌跡點誤差較大,而且操作費時費力,效率較低。在某些安裝空間局促的場合下,工業(yè)機器人無法完全伸展,需要對適應(yīng)空間進行調(diào)整,更是增大調(diào)整難度。此時可以采用快速校正方法,拆除工業(yè)機器人夾具、管路等附件,然后手動操作運行工業(yè)機器人至吊運位置和姿態(tài),如圖4所示。進入快速校正操作界面,選擇第5行設(shè)定快速校正參考點,參考點數(shù)據(jù)即被存儲起來。記錄各軸的當(dāng)前角度,然后斷電拆除。與此同時,將在后場等待安裝的新工業(yè)機器人的各軸手動操作運行至記錄的各角度,可以精確到小數(shù)點后三位,這樣新舊工業(yè)機器人就擁有了同一個機械姿態(tài)。新工業(yè)機器人以同樣的姿態(tài)進行吊運安裝,安裝時注意工業(yè)機器人底座正確定位。開機以后,進入快速校正操作界面,選擇第3行,執(zhí)行快速校正就可以了。此時,六根軸的零位同時計算確定,不再需要刻度線對合,這樣大幅提高了安裝效率,同時也提高了精度,可以為后續(xù)的程序調(diào)整節(jié)省時間。

圖4 吊運位置和姿態(tài)

5 結(jié)束語

筆者通過對發(fā)那科六軸工業(yè)機器人零位校正方法進行研究,利用零點偏置原理,快速恢復(fù)工業(yè)機器人的零點,將原來長時間的零位校正過程大幅縮短,并且每次零位校正的精度保持在0.03 mm以內(nèi)。所介紹的零位校正方法既保證了維修調(diào)試的精度,又大幅縮短了調(diào)試時間,具有推廣價值。