c - Technologia i Automatyzacja Montażu

Technologia i Automatyzacja Montażu
1/2013
METODYKA I WARUNKI BADAŃ DOKŁADNOŚCI I POWTARZALNOŚCI
POZYCJONOWANIA ROBOTA PRZEMYSŁOWEGO FANUC M-16iB
Jan ŻUREK, Marcin WIŚNIEWSKI
Streszczenie
W artykule zamieszczono szczegółową metodykę pomiaru charakterystyk funkcjonalnych – dokładności i powtarzalności pozycjonowania robota przemysłowego Fanuc M-16iB. Przedstawiono położenie ruchu końcówki interfejsu robota przemysłowego
podczas osiągania zadanej pozycji. Zdefiniowano przestrzeń, w której powinny być dokonywane pomiary, przytoczono zależności matematyczne dokładności i powtarzalności pozycjonowania robota przemysłowego. Wyspecyfikowano także stosowane
metody badań dokładności i powtarzalności pozycjonowania robotów przemysłowych.
Słowa kluczowe
badanie robotów przemysłowych, dokładność i powtarzalność robota przemysłowego, metodyka badań i charakterystyki funkcjonalne robota przemysłowego
1. Wprowadzenie
Większe dokładności obecnie produkowanych robotów przemysłowych pozwalają na ich coraz powszechniejsze stosowanie, nie służą zatem tylko do zastępowania ciężkiej, fizycznej pracy człowieka odbywającej się
niejednokrotnie w szkodliwych warunkach, ale także do
realizacji precyzyjnych operacji procesów technologicznych. Jak wszystkie maszyny, podczas pracy ulegają
jednak zużyciu i po pewnym czasie tracą lub zmieniają swoje parametry. Należy zatem kontrolować ich stan
techniczny, dokonując pomiarów dokładności i powtarzalności pozycjonowania.
Według normy PN-ISO 9283 dokładność pozycjonowania jednokierunkowego (AP) podaje odchyłkę między
położeniem zadanym a wartością średnią położeń rzeczywistych przy dochodzeniu do położenia zadanego
Rys. 1. Dokładność i powtarzalność pozycjonowania jednokierunkowego ruchów liniowych: APx, y, z – dokładność pozycjonowania jednokierunkowego dla osi x, y, z, RP – powtarzalność
pozycjonowania jednokierunkowego
Powtarzalność pozycjonowania jednokierunkowego
(RP) jest miarą rozrzutu położeń lub orientacji rzeczywistych uzyskanych w wyniku n-krotnie powtarzalnego
ruchu o tym samym kierunku do położenia zadanego według orientacji kątowej.
z tego samego kierunku.
Rozpatrując rodzaj ruchu końcówki interfejsu robota
przemysłowego podczas osiągania zadanej pozycji, tzn.
ruch liniowy lub obrotowy, dokładność pozycjonowania
jednokierunkowego można określić jako:
a)
różnicę między położeniem zadanym a punktem
będącym środkiem zbioru punktów przestrzeni roboczej (dokładność pozycjonowania jednokierunkowego ruchów liniowych) ( rys. 1);
b)
różnicę między zadaną orientacją kątową a średnią
wartością zbioru rzeczywistych orientacji kątowych
(dokładność orientowania jednokierunkowego ruchów obrotowych) (rys. 2).
Rys. 2. Dokładność i powtarzalność orientowania jednokierunkowego ruchów obrotowych. Oś układu współrzędnych względem której mierzona jest orientacja kątowa: APc – dokładność
orientowania dla osi Z, c – wartość średnia orientacji kątowych,
3Sc – rozrzut kątów w stosunku do wartości  3Sc, cc – kąt położenia zadanego
31
1/2013
2. Metodyka badań
W celu prawidłowego przeprowadzenia pomiaru charakterystyk funkcjonalnych robota przemysłowego Fanuc
M-16iB należy go ustalić i zamocować zgodnie z instrukcją obsługi. Służy do tego płyta o grubości 30 mm mocowana do podłoża za pomocą czterech kotew mocowanych chemicznie (pręt gwintowany osadzony w podłożu
na zasadzie wklejania masą na bazie żywic) i dokręcona
nakrętkami M20 wykonanymi w klasie wytrzymałości 4.8
momentem 186 Nm. Do płyty mocowana jest podstawa
robota za pomocą czterech śrub M16 o klasie wytrzymałości 12.9, dokręconych momentem 314 Nm [4].
Minimalna montażowa powierzchnia serwisowa wynosi 1,55 m2, a realizacja finalnego etapu instalacji robota
przemysłowego dotycząca kontroli wszystkich osi za pomocą instalowanych czujników (powierzchnia kontrolna)
wynosi 0,54 m2. Wymiary określające powierzchnię serwisową i kontrolną przedstawia rys. 3 [4].
Technologia i Automatyzacja Montażu
Następnie należy skontrolować temperaturę pracy
robota przemysłowego (określona jest przez producenta – nie dotyczy badania pełzania charakterystyk pozycjonowania); producent określa dopuszczalną podczas
pracy robota przemysłowego temperaturę otoczenia
0° – 45°C oraz podczas transportu i magazynowania
-20° – 60°C przy współczynniku temperaturowym równym 1,1°C/min [4].
Użytkownik ma możliwość zmiany nastaw parametrów
robota, które mogą mieć wpływ na badane charakterystyki. Podczas każdego pomiaru powinny być zachowane
stałe warunki, a wartości parametrów należy zamieścić
w protokole badań [2].
Badania robota przemysłowego Fanuc M-16iB przeprowadza się w warunkach pracy (warunkach środowiska) zalecanych przez producenta:
–
dopuszczalna wilgotność względna otoczenia: 30%
– 96%, bez kondensacji (nie większa niż 75HR),
–
w przypadku instalacji w środowisku o dużym zanieczyszczeniu (kurz, płyny słabo przewodzące,
rozpuszczalniki organiczne, kwasy, gaz i/lub sól powodujące przyspieszenie korozji) należy stosować
środki dodatkowej ochrony,
–
wartość drgań powinna być mniejsza od 0,5 G,
–
nie zaleca się instalacji powyżej 1000 m nad poziomem morza,
–
w przypadku promieniowania jonizującego i niejonizującego (mikrofalowe, promienie ultrafioletowe,
wiązki promieni lasera i/lub promieniowanie rentgenowskie) należy stosować dodatkowe ekranowanie.
Dodatkowe warunki badań robota przemysłowego są
następujące:
Rys. 3. Schemat robota: a) – wymagana przestrzeń serwisowa
i ustawienia finalnego robota przemysłowego Fanuc M-16iB,
b) – pozycja i parametry ustawienia finalnego [4]
32
–
osie układu współrzędnych powinny być równoległe
do podstawowego układu współrzędnych,
–
badany punkt powinien być usytuowany względem
interfejsu mechanicznego w odległości wynikającej
z zaleceń producenta i zaznaczone w protokole badań,
–
stosować, jeśli to możliwe, bezdotykowe metody pomiaru i wzorcowane przyrządy pomiarowe zapewniające reprezentatywność mierzonych wartości; całkowita niepewność pomiaru nie powinna przekraczać
25% wartości bezwzględnej mierzonego parametru,
–
obciążenie interfejsu mechanicznego powinno wynosić 100% udźwigu nominalnego (masa, położenie
przyrządów pomiarowych, położenie środka ciężkości, moment bezwładności) określonego przez producenta; w tym przypadku wynosi ono 10 kg [4],
–
przejścia między poszczególnymi badanymi położeniami powinny mieć maksymalną wartość,
–
płaszczyzny pomiaru powinny być umieszczone
w najczęściej stosowanej przestrzeni roboczej – sześcianie; zawierać jak największą objętość; krawędzie
sześcianu powinny być równoległe do głównego
układu współrzędnych, kolejne położenie punktu ba-
Technologia i Automatyzacja Montażu
1/2013
danego powinno być zaznaczone w protokole badań,
–
pomiarów należy dokonywać w jednej z czterech
płaszczyzn wewnętrznych (C1 – C2 – C7 – C8, C2
– C3 – C8 – C5, C3 – C4 – C5 – C6, C4 – C1 – C6 –
C7) zawierających dwie przekątne sześcianu (należy
ją podać w protokole badań); następnie na wybranej
płaszczyźnie należy rozmieścić pięć punktów P1 –
P5 położonych na przekątnych sześcianu; zaleca się
stosowanie podstawowego układu współrzędnych
robota przemysłowego, opisanego względem jego
podstawy (rys. 4).
–
x j , y j i z j – współrzędne położenia rzeczywistego
uzyskanego przy j-tym ruchu do położenia zadanego;
a dokładność pozycjonowania jednokierunkowego ruchów obrotowych zależności [2]:
(
)
1 n
¦aj
n j =1
(
)
1 n
¦bj
n j =1
(
)
1 n
¦c j
n j =1
APa = a − ac ; a =
APb = b − bc ; b =
APc = c − c c ; c =
Rys. 4. Wytypowana płaszczyzna C1 – C2 – C7 – C8 i punkty
pomiarowe P1 – P5 robota przemysłowego Fanuc M-16iB [2]
W przemieszczeniach końcówki robota przemysłowego między wytypowanymi do badań punktami pozycjonowania P1 – P5 powinny brać udział wszystkie zespoły
układu jego ruchu [2], a minimalna liczba cykli pomiaru
powinna wynosić 30 (przedział ufności jest większy przy
większej liczbie cykli pomiarowych). Badanie dokładności i powtarzalności pozycjonowania robota przemysłowego można przeprowadzić równocześnie przy sterowaniu pozycyjnym [2].
(4)
(5)
(6)
gdzie:
ac, bc i cc – kąty położenia zadanego,
aj, bj i cj – kąty położenia rzeczywistego uzyskane przy
j-tym powtórzeniu.
Interfejs mechaniczny robota przemysłowego przemieszcza się z położenia P1 do położeń P5, P4, P3, P2,
P1, przy czym ich osiągnięcie powinno odbywać się
z jednego kierunku (rys. 5), czyli tory ruchów podczas
pomiarów powinny być zbliżone do zaprogramowanych.
Dokładność pozycjonowania jednokierunkowego ruchów
liniowych AP oraz dokładność pozycjonowania jednokierunkowego ruchów obrotowych APa, APb, APc są obliczane dla każdego położenia punktu pomiarowego.
3. Definiowanie dokładności i powtarzalności pozycjonowania jednokierunkowego
Dokładność pozycjonowania jednokierunkowego ruchów liniowych robota przemysłowego Fanuc M-16iB
określają zależności (rys. 1):
APx2 + APy2 + APz2
AP =
(1)
gdzie:
(
)
(
)
(
APx = x - xc , APy = y - y c , APz = z - zc
x=
)
1 n
1 n
1 n
xj ; y = ¦ y j ; z = ¦ zj
¦
n j =1
n j =1
n j =1
(2)
(3)
Rys. 5. Możliwe cykle pozycjonowania interfejsu mechanicznego robota przemysłowego Fanuc M-16iB
Powtarzalność pozycjonowania jednokierunkowego
ruchów liniowych lub ruchów obrotowych końcówki interfejsu mechanicznego robota przemysłowego jest wyrażona przez:
a) wartość RP, będącą promieniem kuli, której środek
jest jednocześnie środkiem zbioru punktów jego
przestrzeni roboczej [2]:
RP = l + 3SI
w których :
–
–
x , y i z – współrzędne środka punktów przestrzeni roboczej otrzymane przez n-krotne uzyskanie położenia zadanego;
x c , y c i zc – współrzędne położenia zadanego;
l=
(7)
n
1
¦l j ;
n j =1
lj =
(x j − x )2 + (y j − y )2 + (z j − z )2
(8)
33
1/2013
Technologia i Automatyzacja Montażu
¦ j =1(l j − l )
2
n
SI =
(9)
n −1
gdzie:
x , y i z – współrzędne środka punktów przestrzeni roboczej uzyskanej przez n-krotne powtórzenie położenia
zadanego,
x j , y j i z j – współrzędne położenia rzeczywistego uzyskanego przy j-tym powtórzeniu położenia zadanego.
b) rozrzut kątów ±3Sa, ±3Sb, ±3Sc od wartości średnich
a, b i c ; gdzie Sa, Sb, Sc są odchyłkami znormalizowanymi rozkładu orientacji rzeczywistych:
¦ j =1(a j − a)
2
n
RPa = ±3Sa = ±3
(10)
n −1
¦ j =1(b j − b )
2
n
RPb = ±3Sb = ±3
n −1
¦ j =1(c j − c )
2
n
RPc = ±3Sc = ±3
(11)
n −1
(12)
Powtarzalność pozycjonowania RP i odchyłki kątowe
RPa, RPb, i RPc są obliczane dla każdego badanego położenia końcówki interfejsu mechanicznego robota przemysłowego.
4. Podsumowanie
Badania dokładności robota przemysłowego Fanuc
M-16iB nie są łatwe, wymagają bowiem wiedzy dotyczącej m.in. jego budowy, mechaniki, dynamiki, elektroniki
oraz systemów pomiarowych. Trzeba także uwzględnić
wytyczne zawarte w normie PN-ISO 9283, w tym prawidłowo przygotować i wykonać pomiary dokładności oraz
powtarzalności pozycjonowania jego interfejsu mechanicznego.
Jest oczywiste, że przebadany i skalibrowany robot
przemysłowy charakteryzuje się większą dokładnością
pozycjonowania. Na dokładność robota przemysłowego mają także wpływ: środowisko pracy, charakter wykonywanej pracy, materiał, z którego wykonane są jego
zespoły, dokładność obróbki i montażu poszczególnych
jego elementów konstrukcyjnych, błędy obliczeniowe
wartości dokładności i powtarzalności pozycjonowania,
elastyczność poszczególnych członów, sztywność konstrukcji (np. luzy przekładni) oraz wiele innych parametrów statycznych i dynamicznych.
Dokładność i powtarzalność pozycjonowania interfejsu mechanicznego robota przemysłowego Fanuc
M-16iB można badać m.in. ultradźwiękowymi czujnikami
odległości, metodami interferometrii laserowej, za pomocą teodolitów i triangulacji laserowej, systemem kamer
(punkt referencyjny mocowany jest do końcówki interfejsu mechanicznego robota przemysłowego i kamery rejestrują jego położenie) oraz poprzez „dotykanie” części
referencyjnych przyrządami mikrometrycznymi.
Najczęściej stosowaną metodą ustalania pozycji
narzędzia zamocowanego w końcówce interfejsu mechanicznego robota przemysłowego jest odczytanie
przemieszczeń poszczególnych jego złączy, jednak aby
otrzymane położenie było dokładne, należy założyć geometrię manipulatora i jego sztywność [3].
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
ISO ITR 8373.
PN-ISO 9283.
http://www.asimo.pl/teoria/kalibracja-robota.php
–
30.07.2012.
Dokumentacja robota przemysłowego Fanuc M-16iB.
AM-120iB20&10L_Maintenance_Manual_[B-81765EN_02].pdf.
_______________________
Prof. dr hab. inż. Jan Żurek i mgr inż. Marcin Wiśniewski
są pracownikami Zakładu Projektowania Technologii Instytutu Technologii Mechanicznej, Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, 61-138 Poznań; e-mail: Jan.Zurek@
put.poznan.pl oraz e-mail: [email protected].
THE METHODOLOGY AND RESEARCH CONDITIONS OF FANUC M-16iB
INDUSTRIAL ROBOT POSITIONING ACCURACY AND REPEATABILITY
Abstract
The article includes a detailed methodology of the Fanuc M-16iB industrial robot functional characteristic measurement - its
positioning accuracy and repeatability. There is described and defined position of an interface motion during reaching the target
by a robot. The space where measurements should be taken is defined, and this article defines the mathematical relationship
of accuracy and repeatability of industrial robot positioning. Moreover, the methods of industrial robot positioning accuracy and
repeatability of testing are specified.
Keywords
industrial robot testing, industrial robot accuracy and repeatability, methodology of testing and functional characteristics of
industrial robot.
34