Кіріспе
Роботтарды калибрлеу – роботтардың, әсіресе өнеркәсіптік роботтардың дәлдігін жақсартуға қолданылатын процесс. Өнеркәсіптік роботтар жоғары қайталанатындыққа ие болғанымен, дәлдігі төмен болуы мүмкін. Роботты калибрлеу – өнеркәсіптік роботтың кинематикалық құрылымындағы белгілі бір параметрлерді, мысалы, роботтың буындарының салыстырмалы орналасуын анықтау процесі. Модельденген қателердің түріне қарай, калибрлеуді үш түрлі жолмен жіктеуге болады. 1-деңгейлі калибрлеу тек нақты және есептелген буындардың орын ауысу мәндерінің арасындағы айырмашылықтарды модельдейді (бұл мастерлеу деп те аталады). 2-деңгейлі калибрлеу, сондай-ақ кинематикалық калибрлеу деп белгілі, бұрыштық ауытқулар мен буындардың ұзындығын қамтитын, роботтың толық геометриялық калибрлеуіне қатысты. 3-деңгейлі калибрлеу, сондай-ақ кинематикалық емес калибрлеу деп аталады, геометриялық ақаулар емес, мысалы, беріктік, буындардың икемділігі және үйкеліс сияқты қателерді модельдейді. Көбінесе, көптеген практикалық жағдайларда 1-ші және 2-ші деңгейлі калибрлеу жеткілікті болады. Параметрлік роботты калибрлеу – өнеркәсіптік роботтың кинематикалық және динамикалық параметрлерінің нақты мәндерін анықтау процесі. Кинематикалық параметрлер роботтың буындары мен қосылыстарының салыстырмалы орналасуын және бағытын сипаттайды, ал динамикалық параметрлер – қол мен буындардың массасын және ішкі үйкелісті сипаттайды. Параметрлік емес роботты калибрлеу параметрлерді анықтау қажеттілігін жоққа шығарады. Тізбекті роботтармен қолданылғанда, ол жұмыс кеңістігіндегі карталанған қателерді тікелей өтеуге негізделген. Параллельді роботтармен қолданылғанда, параметрлік емес калибрлеу конфигурация кеңістігін түрлендіру арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Роботты калибрлеу офлайн бағдарламаланған роботтардың дәлдігін едәуір арттыра алады. Калибрленген роботтың абсолюттік және салыстырмалы орналасу дәлдігі калибрленбеген роботқа қарағанда жоғары; яғни, роботтың соңғы атқарушы механизмінің нақты орны роботтың математикалық моделінен есептелген орынмен жақсы сәйкес келеді. Абсолюттік орналасу дәлдігі роботтарды алмастыру және дәлдікті талап ететін қолдануларды желіден тыс бағдарламалау тұрғысынан ерекше маңызды. Роботты калибрлеуден басқа, оның құрал-жабдықтарын және оныңмен жұмыс істейтін детальдарды калибрлеу (клеткалық калибрлеу деп аталады) туындаған қателіктерді азайтуға және процестің қауіпсіздігін арттыруға мүмкіндік береді.
Robot calibration is a process used to improve the accuracy of robots, particularly industrial robots which are highly repeatable but not accurate. Robot calibration is the process of identifying certain parameters in the kinematic structure of an industrial robot, such as the relative position of robot links. Depending on the type of errors modeled, the calibration can be classified in three different ways. Level 1 calibration only models differences between actual and reported joint displacement values, (also known as mastering). Level 2 calibration, also known as kinematic calibration, concerns the entire geometric robot calibration which includes angle offsets and joint lengths. Level 3 calibration, also called a non kinematic calibration, models errors other than geometric defaults such as stiffness, joint compliance, and friction. Often Level 1 and Level 2 calibration are sufficient for most practical needs. Parametric robot calibration is the process of determining the actual values of kinematic and dynamic parameters of an industrial robot (IR). Kinematic parameters describe the relative position and orientation of links and joints in the robot while the dynamic parameters describe arm and joint masses and internal friction. Non parametric robot calibration circumvents the parameter identification. Used with serial robots, it is based on the direct compensation of mapped errors in the workspace. Used with parallel robots, non parametric calibration can be performed by the transformation of the configuration space. Robot calibration can remarkably improve the accuracy of robots programmed offline. A calibrated robot has a higher absolute as well as relative positioning accuracy compared to an uncalibrated one; i. e., the real position of the robot end effector corresponds better to the position calculated from the mathematical model of the robot. Absolute positioning accuracy is particularly relevant in connection with robot exchangeability and off line programming of precision applications. Besides the calibration of the robot, the calibration of its tools and the workpieces it works with (the so called cell calibration) can minimize occurring inaccuracies and improve process security.
Дұрыс өлшемдер мен қателік көздері
ISO 9283 халықаралық стандарты өнеркәсіптік роботтар үшін әртүрлі өнімділік критерийлерін белгілейді және тиісті параметрлердің мәндерін алу үшін сынақ процедураларын ұсынады. Ең маңызды және ең көп қолданылатын критерийлер – позаның дәлдігі (AP) және позаның қайталануы (RP). Роботты қолмен командалық позицияларға ("оқыту") жылжытқанда қайталану өте маңызды. Егер робот бағдарламасы 3D симуляция (офлайн бағдарламалау) арқылы жасалса, абсолюттік дәлдік те маңызды. Екеуі де кинематикалық факторлардың кері әсеріне ұшырайды. Мұнда әсіресе жеке робот буындары арасындағы буынның өшігуі және ұзындығы мен бұрыштарындағы ауытқулар маңызды рөл атқарады.
Өлшеу жүйелері
Өнеркәсіптік роботтармен қалыпты өлшеудің әртүрлі мүмкіндіктері бар, мысалы, эталондық бөлшектерге тию, үндік қашықтық сенсорларын қолдану, лазерлік интерферометрия, теодолиттер, штангенциркульдер немесе лазерлік триангуляция. Бұдан әрі, роботтың жұмыс кеңістігіне немесе ИЖ орнату платинасына орнатылатын және эталондық нысанның қалып-күйін анықтайтын камера жүйелері де бар. Мұндай өлшеу және калибрлеу жүйелерін Bluewrist, Dynalog, RoboDK, FARO Technologies, Creaform, Leica, Cognibotics, Metris, Metronor, Wiest, Teconsult және Automated Precision компаниялары шығарады.
Математикалық принциптер
Поза өлшеулер арқылы жиналған робот қателерін сандық оңтайландыру арқылы азайтуға болады. Кинематикалық калибрлеу үшін геометриялық құрылымның толық кинематикалық моделі жасалуы керек, оның параметрлері математикалық оңтайландыру арқылы есептелуі мүмкін. Жалпы жүйелік мінез-құлықты векторлық модель функциясымен, сондай-ақ кіріс және шығыс векторларымен сипаттауға болады (суретті қараңыз). k, l, m, n айнымалылары және олардың туындылары жеке векторлық кеңістіктердің өлшемдерін сипаттайды. Оптималды параметр векторы p-ні анықтау үшін қалдық қателік r-ді азайту, екі шығыс векторларының айырмасы Евклид нормасы арқылы есептеледі. Кинематикалық оңтайландыру мәселелерін шешу үшін ең кіші квадраттардың түсіру әдістері тиімді, мысалы, модификацияланған квази-Ньютон әдісі. Бұл процедура өлшенген машинаның түзетілген кинематикалық параметрлерін береді, оларды, мысалы, қолданылатын робот моделін нақты кинематикаға бейімдеу үшін контроллердегі жүйелік айнымалыларды жаңартуға болады.
Нәтижелер
Өнеркәсіптік роботтардың орналасу дәлдігі өндірушіге, жасына және робот түріне қарай өзгереді. Кинематикалық калибрлеу арқылы осы қателерді көп жағдайда бір миллиметрден азайтуға болады. Осының мысалы оң жақтағы суретте көрсетілген. 6 осьті өнеркәсіптік роботтардың дәлдігі 10 есеге дейін жақсартылуы мүмкін. Калибрлеуден кейін параллель роботтардың дәлдігі миллиметрдің оннан бір бөлігіне дейін төмендеуі мүмкін.
Өтініштердің үлгілері
Өндірісте, белгілі бір өндірістік міндеттер үшін станоктар мен арнайы машиналарды калибрленген өнеркәсіптік роботтармен алмастыруға бағытталған жалпы тенденция бар, егер роботтардың дәлдігі талаптарды қанағаттандыра алса. Модельдеу және офлайн бағдарламалау арқылы роботты өңдеу сияқты күрделі бағдарламалау міндеттерін оңай орындау мүмкін. Алайда, үйрету бағдарламалау әдісінен өзгеше, жақсы дәлдік және қайталанатындық қажет. Суретте қолданыстағы мысал көрсетілген: автомобиль өндірісіндегі желілік өлшеулерде, 100% тексеру үшін көптеген қымбат сенсорлармен жабдықталған әдеттегі «өлшеу туннелі» ішінара әрқайсысы бір сенсормен жабдықталған өнеркәсіптік роботтармен алмастырылады. Бұл өлшеу жасушасының жалпы құнын айтарлықтай төмендетуге мүмкіндік береді. Станцияны модель өзгергеннен кейін механикалық өзгерістерсіз, жай ғана қайта бағдарламалау арқылы қайта пайдалануға болады. Нақты қолданудың басқа мысалдары – автомобиль кузовтарын өндіруде роботпен басқарылатын жиектеу, ұялы телефондарды құрастыру, әуе-ғарыш өнеркәсібінде бұрғылау, қадау және фрезерлеу, сондай-ақ медициналық салаларда қолдану.