基于工廠監(jiān)控的機(jī)器人重復(fù)定位精度測(cè)試系統(tǒng)

文　瀟，高　洪，游　瑋

（1.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖241000；2.安徽埃夫特智能裝備有限公司，安徽　蕪湖241000）

基于工廠監(jiān)控的機(jī)器人重復(fù)定位精度測(cè)試系統(tǒng)

文瀟1，2，高洪1，游瑋2

（1.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖241000；2.安徽埃夫特智能裝備有限公司，安徽蕪湖241000）

設(shè)計(jì)了一種成本低、操作簡(jiǎn)便，能同時(shí)進(jìn)行多工位測(cè)量，且能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定處理的測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)主要由檢測(cè)裝置、數(shù)據(jù)采集裝置以及數(shù)據(jù)處理終端組成。檢測(cè)裝置利用位移激光傳感器測(cè)量機(jī)器人末端的空間位置；數(shù)據(jù)采集裝置以串口方式將控制器與傳感器相連，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理；通過(guò)無(wú)線設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端，基于OPC通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，生成數(shù)據(jù)報(bào)表，顯示測(cè)量的實(shí)時(shí)曲線，得到最終的測(cè)量值，完成整個(gè)監(jiān)控過(guò)程。

重復(fù)定位精度；激光傳感器；串口；無(wú)線通信；OPC

機(jī)器人的重復(fù)定位精度指機(jī)器人自身到達(dá)原先命令或示教位置的能力，其結(jié)果受控制系統(tǒng)、周圍環(huán)境、系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)條件、部件磨損等影響，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量有助于優(yōu)化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制方式，提高機(jī)器人的作業(yè)能力。在工業(yè)機(jī)器人的制造生產(chǎn)中需要對(duì)成品機(jī)器人的重復(fù)定位精度進(jìn)行檢測(cè)，目前大多采用激光跟蹤儀進(jìn)行檢測(cè)。激光跟蹤儀測(cè)量精度較高，測(cè)量功能較多，但在測(cè)量過(guò)程中，需要測(cè)試人員實(shí)時(shí)跟蹤操作，實(shí)時(shí)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，且需要機(jī)器人末端與跟蹤儀準(zhǔn)確對(duì)光，最終測(cè)量數(shù)據(jù)需要測(cè)試人員進(jìn)行后期處理，故每次只能對(duì)單個(gè)工位的機(jī)器人測(cè)試。激光跟蹤儀設(shè)備成本較高，每年還要付一定的軟件服務(wù)費(fèi)，該設(shè)備主要用于工業(yè)機(jī)器人研發(fā)檢測(cè)應(yīng)用，不太適合工業(yè)機(jī)器人批量生產(chǎn)的檢測(cè)應(yīng)用。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種成本低、操作簡(jiǎn)便，能同時(shí)進(jìn)行多工位測(cè)量，且能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定處理的測(cè)試系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)組成

圖1是測(cè)試系統(tǒng)的示意圖。檢測(cè)裝置由固定在安裝支架上的三個(gè)激光傳感器組成，模擬空間三維坐標(biāo)系，確定機(jī)器人的末端位置。采集信號(hào)經(jīng)控制單元通過(guò)RS232的接口傳送給小型控制器。在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)有相關(guān)的觸摸屏裝置和無(wú)線設(shè)備，可遠(yuǎn)程接收和查看數(shù)據(jù)。最終的數(shù)據(jù)終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行顯示和分析，同時(shí)配備相關(guān)輸出設(shè)備用于保存最終結(jié)果。采用傳統(tǒng)的測(cè)量方式，示教機(jī)器人到空間指定位置，并讓機(jī)器人多次反復(fù)運(yùn)行指令位置，測(cè)量每次的位置值，進(jìn)行相關(guān)記錄和處理。最終采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線設(shè)備遠(yuǎn)程傳輸?shù)浇K端服務(wù)器，可以在顯示屏幕上查看數(shù)據(jù)，觀察實(shí)時(shí)圖像，監(jiān)控整個(gè)測(cè)量過(guò)程。

圖1　系統(tǒng)示意圖

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的檢測(cè)部分采用無(wú)接觸式測(cè)量方式，故選用激光傳感器測(cè)量機(jī)器人末端位置。該激光傳感器采用三角測(cè)量原理，由激光發(fā)射器將紅色可見(jiàn)激光投射到被測(cè)物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過(guò)接收鏡頭被內(nèi)部的CMOS信號(hào)放大器件處理。當(dāng)目標(biāo)物體的位置發(fā)生變動(dòng)時(shí)，CMOS上的光位置就會(huì)移動(dòng)，通過(guò)檢測(cè)光位置，可測(cè)定目標(biāo)物位置的變化量。同時(shí)，通過(guò)控制單元的數(shù)字電路處理光束在接收元件的位置，并通過(guò)微處理器分析，計(jì)算出相應(yīng)的輸出值，在用戶設(shè)定的模擬量窗口內(nèi)按比例輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號(hào)。本系統(tǒng)傳感器的分辨率為1 μm，重復(fù)度為2 μm，采集頻率為2 kHz。

固定位移傳感器的裝置為可調(diào)節(jié)支架。該支架可調(diào)節(jié)傳感器在空間的高度位置，支架底部裝有萬(wàn)向球和可調(diào)腳杯，便于移動(dòng)整個(gè)支架以及固定支架位置，以此測(cè)量機(jī)器人在空間移動(dòng)到不同點(diǎn)的重復(fù)定位精度。傳感器安裝在支架上，使其投射光線在空間上相互異面垂直，可類比于空間的三維坐標(biāo)系。測(cè)量時(shí)，通過(guò)控制機(jī)器人到達(dá)傳感器測(cè)試中心的范圍，確保三路光線投射到機(jī)器人的末端，由激光漫反射的原理可以測(cè)得機(jī)器人在空間三坐標(biāo)軸的位置。

此外，為確保激光能投射在機(jī)器人末端，在機(jī)器人末端安裝有矩形塊狀負(fù)載。該負(fù)載有互異垂直的三面，可確保激光能垂直照射。但是，由于受不同照射表面的影響，傳感器的精度會(huì)呈現(xiàn)不同變化，故在負(fù)載表面安裝陶瓷測(cè)量片，確保測(cè)量時(shí)傳感器的精度達(dá)到最佳狀態(tài)。

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是B&R的X20系列緊湊型小型控制器。X20的任務(wù)周期可以達(dá)到200 μs，指令周期可以達(dá)到0.01 μs，且X20可以安裝在常用的導(dǎo)軌上，是完全的分布式I/O。同時(shí)還配備相應(yīng)的通信接口，本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)所用通信方式為RS232串行通信。

本系統(tǒng)的通信方式與傳統(tǒng)傳感器檢測(cè)系統(tǒng)不同。傳統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)采集多以0～5 V或4～20 mA的模擬量輸出，在對(duì)模擬信號(hào)的處理過(guò)程中，有計(jì)算誤差以及采集效率的影響，數(shù)據(jù)的精度不高。該系統(tǒng)的傳感器采用基恩士IL系列，采用開(kāi)創(chuàng)性的串聯(lián)組網(wǎng)方式，三坐標(biāo)數(shù)據(jù)可由其所配備的DL-RS1A通信單元進(jìn)行輸出。其通信時(shí)通過(guò)外部裝置發(fā)送指令至該通信單元，通信單元自動(dòng)返回響應(yīng)值。

該傳輸通信規(guī)格為：通信速度為115 200 bit/s，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8 bit，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，停止位長(zhǎng)度為1 bit。指令代碼為基于ASCⅡ碼的傳輸編碼，這些編碼包括讀指令、寫指令以及讀寫指令，目前數(shù)據(jù)的采集頻率為50 Hz。在數(shù)據(jù)采集程序中加入所需要的發(fā)送指令，讀取到相應(yīng)的字符串?dāng)?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得到最終數(shù)據(jù)。

2.2.1濾波處理

本系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)做了中位值平均濾波處理，這是常用的數(shù)字濾波方式。該方式一般適用于對(duì)具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波，能有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾，對(duì)周期干擾有良好的抑制作用，對(duì)于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由其引起的采樣值偏差，平滑度高，適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。中位值平均濾波法相當(dāng)于“中位值濾波法”+“算術(shù)平均濾波法”，在一個(gè)采樣周期內(nèi)取N個(gè)點(diǎn)，去除最小值和最大值，對(duì)剩下的N-2個(gè)數(shù)據(jù)做算數(shù)平均，該結(jié)果作為一次采集的有效數(shù)據(jù)。

2.2.2通信過(guò)程

控制器的采集程序是一種狀態(tài)機(jī)的形式，采集過(guò)程如2圖所示?？刂破餍枰騻鞲衅骺刂茊卧l(fā)出通信指令，即請(qǐng)求讀取數(shù)據(jù)。在發(fā)送過(guò)程中，需要打開(kāi)串口并對(duì)串口參數(shù)進(jìn)行初始化，控制器會(huì)提供足夠的內(nèi)存空間，保存要發(fā)送的指令數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢后，向串口寫入數(shù)據(jù)，然后釋放發(fā)送緩存，直至關(guān)閉串口。發(fā)送過(guò)程中的某個(gè)狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，控制器都會(huì)從當(dāng)前狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至錯(cuò)誤處理狀態(tài)，此時(shí)將重新打開(kāi)串口進(jìn)行初始化，以保證通信的正常進(jìn)行。接收數(shù)據(jù)的過(guò)程與發(fā)送過(guò)程類似。

圖2　通信流程

2.2.3數(shù)據(jù)傳輸

在圖1中，控制器和數(shù)據(jù)處理終端的數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線的方式，這便是在終端接入了無(wú)線AP裝置，每個(gè)數(shù)據(jù)采集端配備了相應(yīng)的無(wú)線客戶端。終端接入網(wǎng)絡(luò)通過(guò)AP裝置及客戶端進(jìn)行組網(wǎng)，對(duì)相應(yīng)設(shè)備配備相應(yīng)的IP，從而通過(guò)IP定位指定的設(shè)備以及通信，如圖3所示。在現(xiàn)代化的工廠當(dāng)中，無(wú)線設(shè)備的廣泛運(yùn)用替代了傳統(tǒng)的布線方式，不僅節(jié)省了生產(chǎn)成本，也提高了生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)引入該設(shè)備可提高其傳輸效率，簡(jiǎn)化布線的復(fù)雜性，增強(qiáng)系統(tǒng)的操作便捷性。

圖3　傳輸方式的示意圖

2.2.4上位機(jī)通信

在終端設(shè)備上需要進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、圖像顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。這里我們采用相應(yīng)的監(jiān)控軟件，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和查詢。為了提高實(shí)時(shí)通信能力和簡(jiǎn)化硬件連接，終端與控制器的通信方式采用OPC的方式。X20控制器支持OPC通信標(biāo)準(zhǔn)，可作為OPC服務(wù)器，而監(jiān)控軟件則作為OPC客戶端軟件。配置完成后，在監(jiān)控軟件中做相關(guān)的變量映射，即可測(cè)試通信情況。

本系統(tǒng)采用組態(tài)軟件制作上位機(jī)的監(jiān)控畫(huà)面以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。該軟件是基于C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以添加滿足需求的各種控件，并定義相關(guān)操作功能。這里主要是對(duì)三個(gè)方向的采集數(shù)據(jù)做實(shí)時(shí)曲線呈現(xiàn)，結(jié)合SQL技術(shù)保存數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出最終的測(cè)試結(jié)果，顯示在數(shù)據(jù)終端，方便現(xiàn)場(chǎng)人員操作與監(jiān)控。

3　數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1數(shù)據(jù)處理和計(jì)算

根據(jù)國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)空間位置進(jìn)行多次測(cè)量，一般選取30、50、100等組數(shù)，這里選用30組數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)定位精度的計(jì)算。在測(cè)量時(shí)首先確定參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)，即三個(gè)傳感器的測(cè)量中心，此為最佳測(cè)量點(diǎn)。機(jī)器人的末端安裝有方形金屬測(cè)量塊，確保激光能照射到物體表面，采集到有效數(shù)據(jù)。示教時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人到空間5個(gè)不同位置，以單一方向接近每個(gè)位置，測(cè)試時(shí)所用的接近方向應(yīng)與編程時(shí)的接近方向類同，并最終回到起始測(cè)量點(diǎn)。計(jì)算每個(gè)位姿的位置準(zhǔn)確度AP。

位置重復(fù)性表示對(duì)同一指令位姿從同一方向重復(fù)響應(yīng)n次后實(shí)到位置的一致程度。對(duì)某一位置，重復(fù)性可表示為以位置集群中心為球心的球半徑RP值，。式中，

3.2顯示和輸出

在數(shù)據(jù)終端，系統(tǒng)將PLC采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在屏幕上（如圖4所示），并記錄每次采集的數(shù)據(jù)，建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)保存采集樣本，最終將重復(fù)定位計(jì)算的結(jié)果輸出。

圖4　實(shí)時(shí)曲線圖

對(duì)某機(jī)型機(jī)器人進(jìn)行30組的測(cè)量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　重復(fù)定位精度的計(jì)算結(jié)果

機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)要求重復(fù)精度為±0.15 mm，該系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果為0.035 mm，可以滿足要求，而且各個(gè)軸的數(shù)據(jù)變化范圍較小。

此外，將該系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)和激光跟蹤儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。某機(jī)型機(jī)器人采用該系統(tǒng)對(duì)30點(diǎn)、50點(diǎn)、100點(diǎn)、150點(diǎn)的情況進(jìn)行測(cè)量，其重復(fù)精度分別為0.035、0.043、0.048和0.056 mm，其平均值為0.045 5 mm。用激光跟蹤儀做了相同的重復(fù)精度測(cè)量，重復(fù)精度均值為0.031 4 mm。兩者的測(cè)量結(jié)果平均相差14.1 μm。由于激光跟蹤儀的精度可以達(dá)到0.1 μm，測(cè)量結(jié)果相對(duì)精確，而本系統(tǒng)的測(cè)量精度能達(dá)到2 μm，已能滿足工程需要。

4結(jié)束語(yǔ)

本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)各測(cè)試部件進(jìn)行了優(yōu)化，簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，其多次測(cè)量及數(shù)據(jù)分析的結(jié)果能滿足測(cè)試精度要求，符合工程需求。其成本低，操作方便，對(duì)測(cè)試人員專業(yè)技術(shù)要求不高，適用于機(jī)器人工廠的多工位測(cè)量，且無(wú)線設(shè)備的運(yùn)用也方便技術(shù)人員遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)現(xiàn)代化工廠的自動(dòng)化發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用。

［1］GB/T 12642—2013，工業(yè)機(jī)器人性能規(guī)范及其試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

［2］趙偉.基于激光跟蹤測(cè)量的機(jī)器人定位精度提高技術(shù)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2013.

［3］王世峰，趙馨，佟首峰，等.激光位移傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)［J］.傳感器與儀器儀表，2008，24（2）：68-70.

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［5］鄧永剛.工業(yè)機(jī)器人重復(fù)定位精度與不確定度研究［D］.天津：天津大學(xué)，2013.

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［7］周煒，廖文，田威.基于空間插值的工業(yè)機(jī)器人精度補(bǔ)償方法理論與試驗(yàn)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013（3）：42-48.

［8］TAO P Y，YANG G L，TOMIZUK M.A Sensor-based Approach for Error Compensation of Industrial Robotic Workcells［C］//IEEEInternationalConferenceon RoboticsandAutomation，RiverCantra，SaintPaul，Minnesota，USA，May 14-18，2012:5240-5245.

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【責(zé)任編輯黃艷芹】

Testing System of Robot Repositioning Accuracy Based on Factory Monitoring

WEN Xiao1，2，GAO Hong1，YOU Wei2
（1.College of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China；2.Anhui Efort Intelligent Equipment Co.Ltd，Wuhu 241000，China）

A cheaper and more easily operated testing system was designed to do multi-work position test and the definite data processing.It was mainly composed of detection device，data acquisition device and the data processing terminal.The position of the robot end effecter was measured by detection devices with laser displacement sensor；the controller，device of data acquisition，was connected to sensors through the serial port，conducting a preliminary data processing；Based on OPC communication standard protocols，the collected data was transmitted to the terminal through wireless devices；then data report was generated，real-time curve was displayed，and the final measured value was got.Finally，the whole monitoring process was complete.

repositioning accuracy；laser sensor；serial；wireless communication；OPC

TP242.2

A

2095-7726（2016）03-0042-04

2015-11-12

文瀟（1991-），男，江蘇淮安人，碩士研究生，研究方向：機(jī)器人性能檢測(cè)。