Roboty przemysłowe. Wojciech Lisowski. 8 Przestrzenna Kalibracja Robotów

Transkrypt

1 Katedra Robotyki i Mechatroniki Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Roboty przemysłowe Wojciech Lisowski 8 Przestrzenna Kalibracja Robotów Roboty Przemysłowe KRIM, WIMIR AGH w Krakowie 1

2 Zagadnienia: Klasyfikacja mechanicznych przyczyn powstawania błędów precyzji manipulatorów Bezpośrednie przyczyny konieczności przestrzennej kalibracji robotów. Cel i osiągalna skuteczność kalibracji robotów. Korzyści z przeprowadzenia kalibracji robotów. Na czym polega kalibracja funkcjonalna (geometryczna) robotów? Roboty Przemysłowe KRIM, WIMIR AGH w Krakowie 2

3 BŁĘDY PRECYZJI MANIPULATORÓW ROBOTÓW BŁĘDY UCZENIA - dotyczą robotów programowanych przez uczenie realizujących śledzenie toru ruchu sterowanie CP Operator ma trudność w utrzymaniu równomiernego ruchu w czasie uczenia (oscylacje < 10 mm). Przebiegi wartości zadanych przed podaniem ich do sterowników napędów są wygładzane. BŁĘDY STEROWANIA dotyczą fazy ruchu swobodnego jest to błąd sterowania zamkniętego, nadążnego, w którym w czasie ruchu zawsze wartość zadana jest różna od wartości faktycznej (niezerowy uchyb) (<1 mm). Dodatkowe przyczyny: ograniczona rozdzielczość przetworników pomiarowych, błędy zaokrągleń numerycznych, uchyb statyczny związany z tarciem suchym. Roboty Przemysłowe KRIM, WIMIR AGH w Krakowie 3

4 BŁĘDY MECHANICZNE to skutek: błędów wykonania, współpracy (przekładnie: mimośrodowość niestałe przełożenie) i montażu elementów oraz podzespołów manipulatorów (np. enkodery są zwykle mocowane na wale silnika, ruchy kiści są sprzężone) zmian powstałych na skutek demontażu i ponownego montażu zmian powstałych na skutek kolizji zmian powstałych na skutek zmiany temperatury i postępu procesów zużycia luzów w układach napędowych i transmisji ruchu podatności elementów strukturalnych i napędów (Albright) Roboty Przemysłowe KRIM, WIMIR AGH w Krakowie 4

5 Błędy powtarzalności pozycjonowania Położenia dojście z 5 różnych kierunków do tego samego zadanego położenia Odtwarzanie toru ruchu (Lowback) Roboty Przemysłowe KRIM, WIMIR AGH w Krakowie 5

6 Zadana trajektoria trapez - uszczelnianie (montaż samochodu) (Lowback) Realizacja ruchu: sterowanie punktowe PTP, 4 punkty toru osiągane dokładnie, ruch między narożnikami po prostej Osiągnięta dokładność 6 mm Roboty Przemysłowe KRIM, WIMIR AGH w Krakowie 6

7 1. Dokładność pozycjonowania robotów jest niewystarczająca. 2. Egzemplarze robotów tego samego typu różnią się między sobą. Różnice wynikłe ze stosowanych tolerancji wykonania oraz sposobu montażu mogą być na tyle duże, że dany robot może być efektywnie programowany tylko przez uczenie w trybie on-line. Błąd dokładności: Krypton 2 10 mm ABB 5 15 mm (Lowback) Zastosowanie robotów w Elastycznych Systemach Produkcyjnych - gdzie planowanie pracy jest wykonywane w przestrzeni kartezjańskiej bezpośrednio (true off-line programming) i konieczna jest odpowiednia dokładność pozycjonowania) - wymaga zastosowania efektywnego algorytmu przestrzennej kalibracji robota. Roboty Przemysłowe KRIM, WIMIR AGH w Krakowie 7

8 Cel przestrzennej (zewnętrznej, absolutnej) kalibracji robotów: zmniejszenie błędów dokładności pozycjonowania i śledzenia toru ruchu (trajektorii). Praktyka pokazuje, że rząd wielkości błędów dokładności można sprowadzić do rzędu wielkości błędu powtarzalności danego robota. Potencjalne korzyści z przeprowadzenia przestrzennej kalibracji robota: możliwość efektywnego wykorzystania w ESP (planowanie pracy bez uczenia true off-line programming) optymalizacja kosztów wytwarzania zastosowanie w systemie kontroli jakości wytwarzania zastosowanie w monitorowaniu stanu zużycia robota Roboty Przemysłowe KRIM, WIMIR AGH w Krakowie 8

9 KALIBRACJA FUNKCJONALNA nie rozważa przyczyn powstałych błędów pozycjonowania i śledzenia toru ruchu, celem procedury kalibracji jest taka korekta programu pracy by osiągnąć minimalne wartości błędów dokładności Proces kalibracji składa się z 4 etapów: - budowy modelu geometrycznego - pomiaru zbioru pozycji chwytaka/narzędzia - estymacji parametrów modelu geometrycznego - korekty zadanego programu pracy (Nof) Roboty Przemysłowe KRIM, WIMIR AGH w Krakowie 9

10 Kalibracja geometryczna korekta programu Program oryginalny: move x,y,z Program zmodyfikowany: move x c,y c,z c Pozycja zadana Model zidentyfikowany q 1, q 2,,q n Model nominalny Pozycja zmodyfikowana (Krypton) Roboty Przemysłowe KRIM, WIMIR AGH w Krakowie 10

11 Podejście FUNKCJONALNE jest stosowane w praktyce Najczęściej stosuje się algorytm tzw. D-H kalibracji, która polega na: znalezieniu najlepszego według przyjętego w etapie estymacji kryterium zestawu wartości parametrów modelu geometrycznego utworzonego według standardowej notacji Denavita-Hartenberga. Osiągnięte estymaty wartości parametrów są zwykle stosowalne jedynie w pewnym obszarze przestrzeni roboczej. Mimo wymienionych niedogodności, dzięki prostocie algorytmu, kalibracja D-H jest najczęściej stosowana. Jest to postępowanie na tyle uzasadnione, na ile polepsza dokładność śledzenia trajektorii w konkretnym przypadku. Roboty Przemysłowe KRIM, WIMIR AGH w Krakowie 11

12 Innym rozwiązaniem jest zastosowanie tzw. lokalnej D-H kalibracji, opartej na spostrzeżeniu, że charakterystyki dokładnościowe manipulatorów są tym gorsze, im dłuższa jest droga ruchu chwytaka/narzędzia. W metodzie tej estymuje się parametry modeli geometrycznych D-H w wybranych obszarach przestrzeni roboczej (np. w otoczeniu obsługiwanych przez manipulator urządzeń). W czasie swobodnego ruchu chwytaka/ narzędzia między 'kalibrowanymi' obszarami przestrzeni roboczej wykorzystuje się niekalibrowany model geometryczny. Roboty Przemysłowe KRIM, WIMIR AGH w Krakowie 12

13 W kalibracji lokalnej mogą być zastosowane układy pomiarowe używane w lokalnych metodach wyznaczania pozycji chwytaka/narzędzia (możliwa integracja ze stanowiskiem na stałe). (Tang) Kalibracja lokalna D-H daje lokalnie lepsze wyniki (nawet 4 razy) od kalibracji D-H Roboty Przemysłowe KRIM, WIMIR AGH w Krakowie 13

14 Przykład zastosowania procedury przestrzennej kalibracji Przemysł samochodowy zgrzewanie nadwozia Roboty są zamontowane na wysokości 3-4 m. (Meyer) Roboty Przemysłowe KRIM, WIMIR AGH w Krakowie 14

15 Cykl produkcyjny: AGV wwozi nadwozie pod gniazdo, elementy nadwozia są związane (zaczepy, linki) i podparte przez stelaż Nadwozie jest unoszone Roboty mocujące (22 roboty kartezjańskie PPP o udźwigu 50 kg) ustalają położenie i orientacją części względem siebie Roboty zgrzewające (6) łączą elementy nadwozia Nadwozie jest zwalniane i opuszczane na AGV (Meyer) Różne typy nadwozia mogą być zgrzewane na tym samym stanowisku. Dokładność zależy od ustawienia robotów mocujących (wymagane 0.1 mm), a procedura kalibracji nie może trwać dłużej niż 1 h. Roboty Przemysłowe KRIM, WIMIR AGH w Krakowie 15

16 Do pomiaru pozycji w czasie kalibracji zastosowano teodolity z silnikami krokowymi i kamerami CCD i oprogramowaniem analizującym obraz. 4 teodolity są mocowane na stelażu zamiast nadwozia na każdej z podpórek (nadmiarowość pozwala polepszyć dokładność estymacji, przede wszystkim zapewnia jednak widoczność wszystkich robotów). (Meyer) Roboty Przemysłowe KRIM, WIMIR AGH w Krakowie 16

17 Wzajemne ustawienie teodolitów jest kalibrowane w układzie współrzędnych związanych ze stelażem (na stelażu są zlokalizowane punkty odniesienia). Kalibracja robotów mocujących: Robot chwyta sześcienny wzorzec z elementami odbijającymi światło o znanych współrzędnych w układzie stelaża. Położenie wzorca jest zmieniane aż do uzyskania współrzędnych zadanych w projekcie CAD/CAM. Każdy ze stelaży nadwozi jest sprawdzany oddzielnie. Kalibracja robotów zgrzewających: Ruch manipulatora z zamocowanym wzorcem po trajektorii kołowej w polu widzenia przynajmniej 2 teodolitów Wyniki pomiarów służą do korekty programu pracy robotów. Roboty Przemysłowe KRIM, WIMIR AGH w Krakowie 17