工業(yè)移動機器人在智能制造中的應(yīng)用

摘要：航天制造業(yè)作為智能制造業(yè)的領(lǐng)先產(chǎn)業(yè)，其移動式銑削機器人作業(yè)精度不高問題已成為阻礙產(chǎn)業(yè)運作效率和質(zhì)量的重要因素。為幫助移動式銑削機器人提高精準控制技術(shù)，基于絕對定位精度的要求，通過D-H模型法完成對機器人模型的構(gòu)建，結(jié)合Siemens840Dsl控制系統(tǒng)對移動銑削機器人的運動學(xué)特征進行全面分析，并以關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換為要點，提出了第二測量系統(tǒng)下的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角誤差補償策略和坐標(biāo)系關(guān)聯(lián)變換方案。結(jié)果顯示，實施優(yōu)化補償策略后，銑削機器人末端絕對定位精度、整體運動軌跡精度均實現(xiàn)了明顯提升。

關(guān)鍵詞：工業(yè)移動機器人 智能制造 精度控制 運動軌跡

The Application of Industrial Mobile Robots in Intelligent Manufacturing

WAN Wen LI Jian ZHANG Xingxing

Intelligent Manufacturing Department of Shanghai Minhang Polytechnic， Shanghai， 201111 China

Abstract： As a leading industry in the intelligent manufacturing industry， the low accuracy of mobile milling robots in the aerospace manufacturing industry has become an important factor hindering the efficiency and quality of industrial operations. To help improve the accuracy control technology of mobile milling robots， based on the requirement of absolute positioning accuracy， the robot model was constructed using the D-H model method. Combined with the Siemens 840Dsl control system， the kinematic characteristics of the mobile milling robot were comprehensively analyzed， and a joint angle error compensation strategy and coordinate system correlation transformation scheme under the second measurement system were proposed with the key point of joint transformation. The results showed that after implementing the optimized compensation strategy， the absolute positioning accuracy of the end effector and the overall motion trajectory accuracy of the milling robot were significantly improved.

Key Words： Industrial mobile robot; Intelligent manufacturing; Accuracy control; Trajectory

面對全新的工業(yè)革命進程，世界各個國家都紛紛參與其中，先后提出了“工業(yè)4.0戰(zhàn)略計劃”“工業(yè)2050”等戰(zhàn)略[1-2]。為了全面帶動制造業(yè)發(fā)展，我國也隨之提出了“中國制造2025”和“智能制造”等計劃，將全新的信息技術(shù)手段與制造產(chǎn)業(yè)各個環(huán)節(jié)相互融合，帶動智能制造得以快速發(fā)展，對工業(yè)基礎(chǔ)能力進行深度強化，推動產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量轉(zhuǎn)型，最終助力中國制造業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)歷史性跨越[3]。本文結(jié)合大型艙體加工期間移動式銑削機器人的作業(yè)精準度要求，基于Siemens840Dsl控制系統(tǒng)下構(gòu)建起全新的精度控制策略，期望能夠最大程度上減小關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角誤差，促使銑削機器人的軌跡精度提升。

1工業(yè)移動機器人精準控制技術(shù)

1.1機器人D-H模型建立

D-H模型是由Denavit與Hartenberg共同提出的一種全新的機器人建模手段，其能夠?qū)C器人的各個部位以抽象的方式得以串聯(lián)，并基于幾何關(guān)系下控制各連桿坐標(biāo)系，達到坐姿關(guān)系的調(diào)控[4]。

基于D-H模型，以關(guān)節(jié)i為中心來完成對連桿之間的相互關(guān)聯(lián)，從而達到二者的相互協(xié)作，具體包括連桿i與連桿i-1。連桿之間又能夠在其所能夠活動的空間范圍內(nèi)，基于關(guān)節(jié)軸線形成對應(yīng)的空間關(guān)系，此時主要采用連桿長度和扭轉(zhuǎn)角來呈現(xiàn)，參數(shù)分別為、。一個關(guān)節(jié)通常是基于所連接桿的偏移和關(guān)節(jié)之間的角度來表示，其中連桿偏移di可以經(jīng)由關(guān)節(jié)i軸，從坐標(biāo)系到坐標(biāo)系之間間隔的距離，最終形成轉(zhuǎn)動角度。固定連接之后，為了保障后續(xù)建模統(tǒng)一性，需要確保z軸與x軸能夠始終處于垂直狀態(tài)。連桿D-H相關(guān)參數(shù)情況如表1所示。

因上述變換過程主要基于自身坐標(biāo)系來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和平移活動，所獲得坐標(biāo)系與相對坐標(biāo)系的姿勢轉(zhuǎn)換齊次矩陣：

上述公式展開表述：

因連桿長度、偏移等參數(shù)在完成機器人制造后就不會出現(xiàn)變化，故關(guān)節(jié)角成為控制機器人運作精度的關(guān)鍵。為此，本次設(shè)計基于關(guān)節(jié)角作為矩陣函數(shù)變量，只有確定每個關(guān)節(jié)的運動轉(zhuǎn)角，才能夠確保末端位姿。

1.2機器人運動學(xué)分析

本研究基于Siemens840Dsl控制系統(tǒng)來進行移動銑削機器人的驅(qū)動，為了保證機器人本體KR500R2830能夠?qū)崿F(xiàn)六軸聯(lián)動插補運動，必須基于數(shù)控系統(tǒng)要求來實現(xiàn)對相關(guān)數(shù)據(jù)的寫入和變量操作?；贒-H法對已知D-H參數(shù)輸入即可獲得相應(yīng)運動學(xué)分析結(jié)果。KR500R2830機器人D-H參數(shù)，見表2。

1.3關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角誤差補償

本研究采用光柵尺來完成測量，并結(jié)合測量獲取的誤差情況做出對應(yīng)的補償處理，盡可能地降低關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角誤差問題[5]?？紤]到機器人自身的外形特征，不能夠直接運用光柵尺，故在研發(fā)期間結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計了一個相對應(yīng)的閉環(huán)反饋機制，確保能夠動態(tài)掌握傳動比值結(jié)果，通過控制系統(tǒng)啟動第二測量系統(tǒng)，并將光柵尺作為第二測量系統(tǒng)配置到對應(yīng)驅(qū)動閉環(huán)中完成反饋控制。通過方法處理，能夠有效提高機器的運作實時性，避免信號延遲，誤差補償效果不佳的問題。

1.4標(biāo)系關(guān)聯(lián)變換

本研究利用激光跟蹤儀輔助完成工作區(qū)域的建場、定位和加工處理。借助激光跟蹤儀獲得三個鄰近靶點、、，其中主要表示坐標(biāo)系原點，對坐標(biāo)系位置進行明確，經(jīng)由指向設(shè)定為X方向；基于右手定則，處于Y軸上。若靶向的坐標(biāo)值處于，此時即可確定坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣計算公式為：

（3）

式（3）中：

經(jīng)由激光跟蹤儀完成標(biāo)定，即可獲得可逆的轉(zhuǎn)換矩陣，并完成在工具整體坐標(biāo)系、工件局部坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換，矩陣為，從而達到整體性評價。

2工業(yè)移動機器人在智能制造中的應(yīng)用

本研究基于Siemens840Dsl控制系統(tǒng)下研發(fā)設(shè)計的提升控制精準度的銑削機器人，為了解其實踐運用情況，故通過Siemens840Dsl控制系統(tǒng)搭建起應(yīng)用場景。

2.1 Siemens840Dsl控制系統(tǒng)介紹

Siemens840Dsl控制系統(tǒng)是西門子公司的高端系統(tǒng)，其表現(xiàn)出較高的靈活性、模塊化和開發(fā)性特征，能夠為使用者提供友好的操作編程、可視化界面等相關(guān)功能[6]。本次應(yīng)用場景下，基于840Dsl控制系統(tǒng)下采用SINAMICS S120驅(qū)動系統(tǒng)，幫助控制系統(tǒng)提升對電機的整體選擇性。系統(tǒng)將外部通信功能與驅(qū)動閉環(huán)系統(tǒng)等集成為NCU，增加擴展多軸（>6軸）控制系統(tǒng)，并添加多軸插補功能。借助電器控制來幫助機器人降低關(guān)節(jié)運作的振幅，同時增強整體收益，優(yōu)化機器人的運作定位精準度。

2.2銑削機器人系統(tǒng)

本次設(shè)計的銑削機器人以KR500R2830為本體，其具備了6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，有著6個自由活動角度。KR500R2830機器人的負荷為500 kg，最大作用范圍2 826 mm，精準度為<±0.08 mm。銑削機器人的執(zhí)行末端則主要由Y/Z方向進給電機、末端刀架、高速電主軸3個部分組成。末端執(zhí)行器主要負責(zé)進給銑削加工，并基于Y/Z方向來進行精準移動、加工平面定位。

2.3機器人精度評估標(biāo)準

考慮到機器人自身并未配備二次裝置，故對重復(fù)定位精度進行了控制，主要觀察銑削機器人的絕對定位精度。按照標(biāo)準來看，絕對定位精度主要是指銑削機器人在對刀具末端進行加工期間，其末端實際運作到的位置集群與指令預(yù)計位置之間的偏差。具體計算公式為：

式（4）中：xc、yc、zc分別用于對不同空間坐標(biāo)指令位置進行表示；則分別用于對不同方向上末端運作位置坐標(biāo)進行表示。

式（5）中：n主要表示相同指令下相同位置重復(fù)次數(shù)；xj、yj、zj分別用于第j次末端的實際位置坐標(biāo)值進行表示。

2.4系統(tǒng)中主要坐標(biāo)系的構(gòu)建

為確保機器人各個部位能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一運作，本次場景構(gòu)建中，基于機器人實際情況，構(gòu)建起世界坐標(biāo)系、末端刀具坐標(biāo)系與工件局部坐標(biāo)系，具體情況如下。

2.4.1世界坐標(biāo)系

因世界坐標(biāo)系需要至少4個采樣點，故本次場景搭建，將靶標(biāo)球依次放入到相應(yīng)靶標(biāo)座位上，以激光跟蹤儀對靶標(biāo)球空間位置進行如實記錄，配合自帶軟件完成擬合；將上述設(shè)計的測定點投影到世界坐標(biāo)平面；借助“三點法”完成世界坐標(biāo)系搭設(shè)。

2.4.2末端刀具坐標(biāo)系與工件局部坐標(biāo)系

基于笛卡爾坐標(biāo)系，運用固定在末端主軸上方的活動靶標(biāo)，以所構(gòu)建的基礎(chǔ)坐標(biāo)為依據(jù)，經(jīng)由機器人的正解取得銑削機器人末端在基礎(chǔ)坐標(biāo)系下的位姿，并結(jié)合右手法完成末端坐標(biāo)系構(gòu)建。

3工業(yè)移動機器人應(yīng)用效果

3.1機器人運動學(xué)誤差模型補償策略驗證

基于數(shù)控程序編寫下對機器人100個點位運動執(zhí)行指令情況進行了解，基于激光跟蹤儀獲取點位坐標(biāo)，掌握實際位置與理論誤差情況，對比未補償前的誤差情況。本次應(yīng)用場景中，不同方向定位誤差情況，如表3所示。

根據(jù)表3來看，末端安裝在本次構(gòu)建的場景中，在未實施誤差補償之前，其在X方向上的最大誤差為0.96 mm，在Y方向上的最大誤差為1.85 mm，在Z方向上的最大誤差為0.74 mm。但在實施優(yōu)化補償策略之后，機器人在X方向的最大誤差為0.55 mm，在Y方向上的最大誤差為0.15 mm，在Z方向上的最大誤差為0.25 mm。不難發(fā)現(xiàn)，在實施優(yōu)化補償策略后，銑削機器人末端絕對定位精度有了顯著提升，證實本次所研發(fā)設(shè)計的誤差模型補償策略具有較高可操作性和準確性。

3.2軌跡精度測試

在測試期間，測試軌跡搭設(shè)為圓弧形，采用激光跟蹤儀跟隨采樣。操作移動銑削機器人完成直徑為1 000 mm的圓弧運動，完成365個采樣點數(shù)據(jù)采集，每次采樣間隔時間設(shè)定為0.2 ms。基于激光跟蹤儀獲取點位坐標(biāo)，掌握實際位置與理論誤差情況，對比未補償前的誤差情況。本次應(yīng)用場景中，不同方向定位誤差情況，如表4所示。

根據(jù)對比結(jié)果來看，采取補償策略后，銑削機器人整體運動軌跡精度有了明顯提升。

4結(jié)論

本研究得出以下幾點結(jié)論。

（1）借助于經(jīng)典D-H模型進行移動式銑削機器人運動學(xué)模型構(gòu)建，可快速推導(dǎo)KR500機器人的定位誤差模型，并通過二階反饋測量系統(tǒng)的安裝促使關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角誤差得到控制，保證銑削機器人的絕對定位精準度。

（2）借助激光跟蹤儀Siemens840Dsl控制系統(tǒng)聯(lián)動 SINAMICS S120 驅(qū)動系統(tǒng)完成移動式銑削機器人運作測試場景的構(gòu)建，并基于國家標(biāo)準明確具體評估標(biāo)準和測試坐標(biāo)系，確保測試結(jié)果準確有效。

（3）通過采集100個點位運動執(zhí)行指令和365個軌跡采樣點數(shù)據(jù)采集，對比未補償前和補償后機器人的運作誤差情況。表明在實施優(yōu)化補償策略后，銑削機器人末端絕對定位精度、運動軌跡精度有了顯著提升。

參考文獻

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