王永康, 宋文浩, 劉永旭, 顏兵兵

(佳木斯大學(xué)機械工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯154007)

0 引 言

自2016年國家提出“十三五計劃”,進一步推進企業(yè)生產(chǎn)自動化和智能化轉(zhuǎn)型,焊接機器人在各個制造領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。傳統(tǒng)的焊接機器人在設(shè)計之初是以完成特定焊接作業(yè)任務(wù)為目標,這種設(shè)計方法的優(yōu)點是能夠提高機器人的工作效率,減少機器人的部件數(shù)量并降低機器人生產(chǎn)成本。隨著科學(xué)技術(shù)的進步,產(chǎn)品更新速度加快,自動化生產(chǎn)線對焊接機器人的需求不斷增加[1-2],而傳統(tǒng)焊接機器人結(jié)構(gòu)固定、固定工作任務(wù)的特點顯示出很大的局限性[3]。提高單工位焊接機器人工作效率就需要使焊接機器人能夠?qū)附庸ぜ懈鼜姷倪m應(yīng)性,但是人工示教焊接機器人所需時間較長,而且不能有效解決焊接過程中工件受熱發(fā)生形變等問題[4]。因此,基于視覺的焊縫跟蹤技術(shù)對于提高焊接質(zhì)量,提高焊接效率有很大的推進作用。為進行基于視覺的焊縫跟蹤技術(shù)開發(fā),需設(shè)計焊縫跟蹤實驗平臺,在開發(fā)過程中進行焊縫跟蹤技術(shù)驗證。

針對焊縫跟蹤系統(tǒng)開發(fā)過程中缺少功能試驗平臺的問題,提出一種3P3R試驗平臺的設(shè)計方案,根據(jù)焊縫跟蹤系統(tǒng)的偏差修正要求,從試驗平臺運動結(jié)構(gòu)展開研究,并進行重復(fù)定位精度標定試驗,為后續(xù)進行焊縫跟蹤系統(tǒng)開發(fā)研究提供基礎(chǔ)支持。

1 實驗平臺結(jié)構(gòu)

為滿足焊縫跟蹤實驗需求,設(shè)計焊縫跟蹤實驗平臺。焊縫跟蹤實驗平臺末端執(zhí)行器共需六個自由度,分別為沿x、y、z方向的直線運動和繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn),為提高運動精度和降低成本,直線運動部分采用直線模組,運動皆采用帶編碼器的步進電機。3P3R型實驗平臺模型如圖1所示。

圖1 3P3R型實驗平臺三維模型

3P3R型實驗平臺采用三平移三旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)(3P3R型),其中,3P結(jié)構(gòu)實現(xiàn)試驗平臺末端在x、y、z三個方向的平移運動(由2、1、3軸組成),3R結(jié)構(gòu)實現(xiàn)試驗平臺末端繞x、y、z的旋轉(zhuǎn)運動(由5、6、4軸組成)。此實驗平臺工作平臺尺寸為1280mm×1860mm,x方向直線運動有效行程為1090mm,y方向直線運動有效行程為1520mm,z方向直線運動有效行程為540mm。視覺系統(tǒng)識別焊縫后,焊縫跟蹤試驗平臺根據(jù)視覺系統(tǒng)的修正坐標,由1軸控制焊接速度,具體參數(shù)由焊接參數(shù)確定,2軸、3軸對焊槍位置進行修正。4、5、6軸組成試驗平臺的腕部,共同確定焊槍姿態(tài),在焊接過程中可根據(jù)焊接工藝要求對焊槍姿態(tài)進行調(diào)整。3P3R型實驗平臺實物如圖2所示。

圖2 3P3R型實驗平臺實物

2 重復(fù)定位精度標定方案

為能夠準確標定3P3R型實驗平臺的重復(fù)定位精度,需要制定出合理的重復(fù)定位精度標定方案。在制定重復(fù)定位精度標定方案時,要考慮方案的規(guī)范性和可行性,能否得到符合要求的重復(fù)定位精度。制定標定方案是標定3P3R型實驗平臺重復(fù)定位精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié),標定方案中包括重復(fù)定位的測量工具、測量過程以及計算方法。經(jīng)查閱相關(guān)資料后,根據(jù)現(xiàn)有的標定方法提出如下3種標定方案:

方案1:當前主流工業(yè)機器人重復(fù)定位精度標定主要使用激光干涉儀進行測量,由激光對機器人末端點位置進行測量,經(jīng)過正態(tài)分布分析后得到機器人重復(fù)定位精度。由于其測量精度能夠達到0.001mm,因此被大多數(shù)工業(yè)機器人生產(chǎn)廠家所采用。

方案2:根據(jù)當前數(shù)控機床采用的方法,將千分表安裝到機床的運動軸上,按照機床運動軸運動的距離設(shè)置一定數(shù)量的測量點,在指定的位置進行測量,得到測量數(shù)據(jù),根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算得出重復(fù)定位精度。

方案3:按照GB-T 17421.2-2016中給出的計算方法和千分表等測量工具,將千分表兩兩正交放置,對實驗平臺末端位置進行測量,根據(jù)測量得到的末端位置數(shù)據(jù)進行分析計算,得出3P3R型實驗平臺重復(fù)定位精度。

針對3種方案進行分析,方案1雖然對重復(fù)定位精度的標定更加準確,但是針對設(shè)備及使用者的要求較高,不符合實際條件。方案2不符合實際測量的需求,且標定3P3R型實驗平臺重復(fù)定位精度需要各個軸聯(lián)動,因此不采用方案2。方案3能夠得到較為精確的測量數(shù)據(jù),且測量精度符合需求,對設(shè)備及操作人員要求較低,符合實際情況。

綜上所述,針對3P3R型機械臂重復(fù)定位精度的標定采用方案3,控制實驗平臺末端移動到千分表正交中心點處,使實驗平臺末端與千分表接觸,進而得到數(shù)據(jù)。根據(jù)GB-T 17421.2-2016給出的方法對數(shù)據(jù)進行分析計算,確定3P3R型實驗平臺末端重復(fù)定位精度。

3 重復(fù)定位精度標定實驗

將千分表按兩兩正交安裝,放置在實驗平臺工作平面上,使千分表交叉中心點位于3P3R型實驗平臺工作范圍內(nèi)。安裝完成后開始實驗平臺末端重復(fù)定位精度標定。第一次將實驗平臺末端移動到千分表測頭,使千分表讀數(shù)為非零值,待千分表指針穩(wěn)定后讀取當前指針讀數(shù)。讀取數(shù)據(jù)完成后,記錄當前實驗平臺坐標后,將各運動軸移動到最大行程處,再次返回第一次實驗平臺到達的位置,如圖3所示,記錄千分表數(shù)據(jù)。重復(fù)上述步驟,得到實驗平臺坐標系下的20組實驗數(shù)據(jù),如表1所示。

圖3 重復(fù)定位標定實驗

表1 3P3R型實驗平臺重復(fù)定位精度標定數(shù)據(jù)

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4 實驗數(shù)據(jù)處理

根據(jù)GB/T 17421.2-2016某一位置重復(fù)定位精度的估算值公式[5]:

式中,S i表示某一位置的重復(fù)定位精度估算值,x ij表示位置偏差表示位置偏差平均值。

根據(jù)GB/T 17421.2-2016某一位置重復(fù)定位精度:

式中,R i↑表示某一位置的重復(fù)定位精度估算上限值,R i↓表示某一位置的重復(fù)定位精度估算下限值,S i↑表示某一位置的重復(fù)定位精度估算上限值,S i↓表示某一位置的重復(fù)定位精度估算下限值。

由公式(1)和(2)得到當前測量位置的重復(fù)定位精度:

式中,R表示當前測量位置的重復(fù)定位精度估算值,S表示當前測量位置的重復(fù)定位精度估算值。

將表1中3P3R型實驗平臺重復(fù)定位精度標定數(shù)據(jù)代入公式(3)及(6)計算,得到當前3P3R型實驗平臺重復(fù)定位精度,計算得到重復(fù)定位精度標定結(jié)果如表2所示。

表2 3P3R型實驗平臺重復(fù)定位精度標定結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)得出3P3R型實驗平臺重復(fù)定位精度約為±0.05mm。

5 結(jié) 語

為滿足基于視覺的焊縫跟蹤實驗需求,設(shè)計了3P3R型實驗平臺,并在現(xiàn)有各種標定方法的基礎(chǔ)上,考慮現(xiàn)有的條件及定位精度的需求,選擇最能夠符合當前條件與標定需求的方案。采用的標定方案基于數(shù)控機床重復(fù)定位精度測量方法,重復(fù)定位精度的計算方法參考GB/T 17421.2-2016機床檢驗總則,同時考慮到3P3R型實驗平臺重復(fù)定位精度與機床重復(fù)定位精度的相似性與差異性,通過實驗獲得實驗平臺重復(fù)定位精度標定數(shù)據(jù),得到3P3R型實驗平臺重復(fù)定位精度約為±0.05mm。為后續(xù)使用此3P3R型實驗平臺進行焊縫跟蹤實驗研究打下了堅實的基礎(chǔ)。