Dokładna praca robota dzięki precyzyjnej kalibracji

© Fraunhofer IPA

Udostępnij:

Przy operacjach skrawania wspomaganych robotami lub przy precyzyjnych optycznych procesach kontrolnych kinematyka robota sprawia, że jego efektor końcowy może uzyskać bardzo dokładne położenie na obrabianych przedmiotach.

Wysoka elastyczność i niskie koszty inwestycji – to najczęstsze powody zastosowania robotów w produkcji. Oprócz typowych procesów obsługowych roboty przemysłowe coraz częściej stosowane są do zadań produkcyjnych i kontrolnych, przy których zaletami są duża przestrzeń robocza i różnorodne możliwości orientacji kinematyki robota.



Dokładność tych procesów zależy jednak w znacznym stopniu od tego, jak kalibrowane są narzędzia i czujniki w odniesieniu do robota. Aby prowadzić narzędzie w ukierunkowany sposób po torze w danej przestrzeni lub aby zinterpretować dane z czujników w przestrzeni roboczej 3D robota, względne położenie narzędzia i czujnika wobec robota muszą być odczytane z wysoką precyzją. Kalibracja narzędzi robota obecnie jest zwykle wykonywana za pomocą ostro zakończonych elementów stożkowych. Jednak manualna regulacja tych zakończeń umożliwia dokładność tylko w zakresie milimetrów. Do skrawania stosuje się z tego względu często bardzo długie, spiczaste elementy, aby przez skalowanie zredukować odstępstwa kątowe. Tym samym nie uzyskuje się dokładności mniejszej niż 0,5 mm, często wymaganej podczas skrawania.

Kalibracja następuje wyłącznie przez dane pomiarowe czujnika
Jeszcze trudniejsze jest określanie pozycji sensorów umieszczonych w robocie lub jego przestrzeni roboczej. Odpowiedni system współrzędnych znajduje się w czujniku i nie jest fizycznie wykrywalny, ponieważ z reguły nie ma powierzchni przy czujniku, które byłyby dokładnie zwymiarowane. Zatem kalibracji można dokonać wyłącznie za pomocą danych uzyskanych z samych sensorów.

Naukowcy z Fraunhofer IPA opracowali sposób, dzięki któremu można z wysoką precyzją kalibrować czujniki optyczne i narzędzia prowadzone przez roboty. Sposób ten umożliwia dokładne określenie położenia 6D czujnika z dokładnością do ± 0,15 mm i ± 0,015°. Mniej niż godzinę zajmuje „wyuczenie” pozycji pomiarowych robota (są one zdefiniowane i zapisywane), rejestracja danych z czujników, a następnie ich zapis w sterowniku robota. Tradycyjne metody wymagają ręcznej regulacji czujnika do kalibracji. W rezultacie już na początku tej operacji powstają błędy, które później się mnożą. Metoda opracowana przez Fraunhofer IPA, dzięki ocenie geometrycznej i numerycznym algorytmom optymalizacyjnym, pozbawiona jest wpływu warunków początkowych i działa w gwarantowany sposób dla każdego położenia czujnika umieszczonego na robocie i dla elementu kalibracyjnego w jego przestrzeni roboczej. Zwłaszcza przy błędach pozycjonowania robotów przemysłowych większych niż ± 0,2 mm uzyskana dokładność położenia sensorów może znacząco polepszyć precyzję zadań wykonywanych przez te maszyny.



Element kalibracyjny na stałe umieszczony w przestrzeni roboczej robota
Opracowany sposób był już testowany w przypadku skanerów liniowych oraz czujników 3D, ale nie można go jednak stosować w niezmienionej postaci do czujników 1D i innych sensorów. Do kalibracji czujnika na kołnierzu robota element kalibrujący na stałe umieszcza się w przestrzeni roboczej robota. Jeśli jednak zamocuje się element kalibracyjny na efektorze końcowym robota, przykładowo w mocowaniu narzędzia skrawającego, można w ten sposób dokonać pomiaru położenia narzędzia na kołnierzu. W tym celu element kalibrujący jest poruszany przez dodatkowy sensor – na stałe umieszczony w ogniwie robota – który zapisuje dane pomiarowe.

Zastosowanie opracowanego sposobu kalibracji w przemyśle pokazuje swoje zalety na konkretnych przykładach. Naukowcy z Fraunhofer IPA razem z przedsiębiorstwem z branży energetycznej opracowali system do zrobotyzowanego usuwania zadziorów z części turbin. Wykazuje on liczne zalety: obniża koszty, polepsza ergonomię pracy i jakość produkcji oraz zwiększa bezpieczeństwo procesu. Oprócz tego musi jednak spełniać wysokie wymogi jakościowe dotyczące powstającej geometrii krawędzi po usunięciu zadziorów. Do tego konieczna jest precyzyjna kalibracja narzędzia do usuwania zadziorów i współpracujących z nim czujników. W rezultacie przy użyciu sensorów można oznaczać położenie wału z dokładnością do 0,1 mm i odpowiednio dopasowywać program robota służący do obróbki. Dzięki dokładnej kalibracji narzędzia prowadzonego przez robota proces usuwania zadziorów jest zoptymalizowany i zapewniona zostaje jego wysoka jakość. Wyniki prób pokazują, że także duże roboty, jak stosowana w tym przypadku maszyna z zasięgiem powyżej 3 m, mogą pracować bardzo dokładnie, przy założeniu, że czujnik i narzędzie robota są precyzyjnie skalibrowane.

Robot jako poważna alternatywa dla obrabiarek
Opracowany w Fraunhofer IPA sposób precyzyjnej kalibracji narzędzi prowadzonych przez robota i czujników optycznych może dokładnie określać położenie tych komponentów w odniesieniu do robota. Umożliwia to zastosowanie tych urządzeń także do procesów z wysokimi wymogami dokładności, jak skrawanie lub optyczne procesy kontrolne. Ponieważ stosowany w opisanym rozwiązaniu specjalny element kalibracyjny może być dowolnie pozycjonowany w przestrzeni roboczej robota, można go instalować także w istniejących instalacjach, przez co zwiększa się ich dokładność. Przy tym niepotrzebne są dodatkowe urządzenia pomiarowe, co pozwala na ekonomiczną i oszczędną czasowo kalibrację, a zadania wykonywane przez roboty można przeprowadzać z większą dokładnością. W konsekwencji roboty, na przykład w operacjach skrawania, stają się w coraz większym stopniu poważną alternatywą dla tradycyjnie stosowanych obrabiarek.

 

MM Komentarz

Marcin Siennicki, dyrektor techniczny w firmie Cloos Polska

Sensory odgrywają w rozwiązaniach zrobotyzowanych bardzo istotną rolę. Przykładowo, w aplikacjach spawalniczych stosowane są czujniki o bardzo zróżnicowanej zasadzie działania: od prostych sensorów dotykowych po skomplikowane systemy wizyjne. Najlepiej sprawdzają się i najszersze zastosowanie mają jednak rozwiązania najprostsze – czujniki dotykowe i łukowe. Sensor dotykowy, który wykrywa kontakt narzędzia z masą, pozwala na efektywny pomiar przesunięcia spawanego elementu względem pozycji bazowej, a również daje możliwość pomiaru rowka spawalniczego przez spawaniem i adaptacji parametrów spawania do uzyskanych wyników. Sensor łukowy, który mierzy parametry prądu spawania, umożliwia utrzymanie stałej odległości od detalu oraz prawidłowej trajektorii pomimo odkształceń detalu od zaprogramowanych pozycji. Dla zapewnienia poprawnej współpracy sensora z robotem należy przeprowadzić kalibrację czujnika zainstalowanego na ramieniu robota, co ma na celu powiązanie współrzędnych czujnika ze współrzędnymi robota.

 

Udostępnij:

Drukuj



MM Magazyn Przemysłowy Online

MM Magazyn Przemysłowy jest tytułem branżowym typu business to business, w którym poruszana jest tematyka z różnych najważniejszych sektorów przemysłowych. Redakcja online MM Magazynu Przemysłowego  przygotowuje i publikuje na stronie artykuły techniczne, nowości produktowe oraz inne ciekawe informacje ze świata przemysłu i nie tylko.




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również