朱俊豪

（柳州賽克科技發(fā)展有限公司，柳州 545005）

1 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中起到了至關(guān)重要的作用。庫(kù)卡機(jī)器人作為世界領(lǐng)先的機(jī)器人制造商之一，旗下的機(jī)器人采用高精度、高可靠性的機(jī)械系統(tǒng)和先進(jìn)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高效、精準(zhǔn)度自動(dòng)化作業(yè)。控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦、負(fù)責(zé)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制確保機(jī)器人在各種復(fù)雜的環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋導(dǎo)管座圈壓裝設(shè)備采用了庫(kù)卡機(jī)器人作為搬運(yùn)及定位設(shè)備，然而，在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于溫度變化或者齒輪的磨損，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的定位精度下降，出現(xiàn)了導(dǎo)管壓裝時(shí)擠出鋁絲的現(xiàn)象，造成了工件的報(bào)廢。

為解決這一問(wèn)題，需要引入高精度的測(cè)量技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人位置的變化，并通過(guò)位置補(bǔ)償技術(shù)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而保證過(guò)程的精度和穩(wěn)定性。激光傳感器作為一種高精度的測(cè)量設(shè)備，具有出色的性能指標(biāo)，能夠滿足對(duì)機(jī)器人定位進(jìn)行精確測(cè)量的需求，為實(shí)現(xiàn)位置補(bǔ)償功能提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

本研究旨在結(jié)合激光傳感器與庫(kù)卡機(jī)器人，探索一種基于測(cè)量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)位置補(bǔ)償方法，通過(guò)在壓裝過(guò)程中對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而提升壓裝系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，為工業(yè)生產(chǎn)提供更高效、可靠的解決方案。

2 導(dǎo)管座圈壓裝簡(jiǎn)介

2.1 壓裝設(shè)備介紹

缸蓋燃燒室壓縮后點(diǎn)燃，座圈需要承受很高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，因此要求座圈有很高的耐磨性和密封性，如果座圈有間隙氣門(mén)在工作時(shí)就會(huì)發(fā)生中心偏移，導(dǎo)致有害的熱傳導(dǎo)和氣門(mén)及導(dǎo)管孔的快速磨損，還會(huì)造成油量的增加。因此公司配置了PROMESS 全自動(dòng)伺服電缸的壓頭，在壓裝座圈和導(dǎo)管的同時(shí)讀取壓力和行程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裝質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。并采用庫(kù)卡機(jī)器人作為工件的搬運(yùn)和定位設(shè)備（圖1），確保零件精準(zhǔn)的定位壓裝，從而保證壓裝質(zhì)量的穩(wěn)定[1]。

圖1 使用庫(kù)卡機(jī)器人定位工件壓裝位置

2.2 壓裝質(zhì)量問(wèn)題的產(chǎn)生

隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，機(jī)器人齒輪會(huì)不斷發(fā)熱并且磨損，從而導(dǎo)致機(jī)器人定位精度的下降，因此導(dǎo)致導(dǎo)管/座圈底孔和壓桿之間的相對(duì)位置發(fā)生變化，最終導(dǎo)致座圈/導(dǎo)管壓力超過(guò)設(shè)定范圍。嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)管、座圈壓裝時(shí)擠出鋁絲，甚至導(dǎo)管碎裂的情況，工件因此而報(bào)廢。

3 激光傳感器介紹

為避免壓裝時(shí)質(zhì)量問(wèn)題的產(chǎn)生，需解決機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)定位精度下降的問(wèn)題。因此配置了激光傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人的定位精度（圖2），通過(guò)激光傳感器計(jì)算出機(jī)器人定位精度的變化，并將此變化反饋回機(jī)器人用于機(jī)器人的位置補(bǔ)償，從而將底孔和壓桿的相對(duì)位置控制在可接受的范圍之內(nèi)。

圖2 增加傳感器檢測(cè)機(jī)器人位置

3.1 傳感器工作原理

激光傳感器是一種基于光學(xué)原理的高精度位移傳感器，其工作原理基于激光測(cè)距技術(shù)。傳感器通過(guò)發(fā)射一束激光光束并測(cè)量其反射回來(lái)的光信號(hào)，從而計(jì)算出目標(biāo)物體與傳感器之間的距離。

具體來(lái)說(shuō)，傳感器內(nèi)部包含一個(gè)激光發(fā)射器和一個(gè)光電探測(cè)器。激光發(fā)射器發(fā)出一束激光光束，該光束照射到目標(biāo)物體表面上并反射回來(lái)。光電探測(cè)器接收反射回來(lái)的光信號(hào)，并通過(guò)測(cè)量反射光的時(shí)間延遲來(lái)計(jì)算目標(biāo)物體的距離[2]。

傳感器利用光的速度以及反射光的時(shí)間延遲，通過(guò)簡(jiǎn)單的物理公式即可精確計(jì)算出目標(biāo)物體的距離，這使得激光傳感器具有極高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

3.2 激光傳感器的選型

根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行的需求，傳感器需要具備以下能力。

3.2.1 高精度測(cè)量能力

導(dǎo)管/ 座圈底孔和導(dǎo)管/ 座圈壓桿的相對(duì)位置要求在0.1 mm 以?xún)?nèi)，因此需要選擇分辨率小于0.1 mm 的激光傳感器。

3.2.2 寬測(cè)量范圍

由于一個(gè)工件需要壓裝16 個(gè)導(dǎo)管/座圈，因此傳感器需要具有較寬的測(cè)量范圍，可以適應(yīng)不同范圍內(nèi)的位移測(cè)量需求。

3.2.3 高速測(cè)量與響應(yīng)能力

壓裝設(shè)備的循環(huán)節(jié)拍要求控制在54 s 以?xún)?nèi)，因此激光傳感器還需要具有快速的測(cè)量速度和響應(yīng)時(shí)間，能夠?qū)崟r(shí)獲取并處理測(cè)量數(shù)據(jù)，保證了實(shí)時(shí)性要求較高的自動(dòng)化裝配任務(wù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3.2.4 多種數(shù)據(jù)接口與通訊協(xié)議支持

激光傳感器支持多種數(shù)據(jù)接口，包括RS422、模擬輸出等，同時(shí)還支持常用的通訊協(xié)議，如JSON 格式，為與其他設(shè)備或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互提供了靈活性和便利性。

綜上所述，本文選擇了米依ILD1420-25 型號(hào)傳感器用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位置補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

4 位置補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)

4.1 傳感器安裝與接線

將兩個(gè)傳感器正確安裝在設(shè)備當(dāng)中，分別用于檢測(cè)機(jī)器人的X 和Z 向距離。使用設(shè)定軟件將傳感器設(shè)定為模擬量輸出，輸出為4-20 mA 的模擬量數(shù)據(jù)，設(shè)定完成后保存并下載至傳感器當(dāng)中。把傳感器的7 號(hào)引腳接入24 V 電源，12 號(hào)引腳正確接地，11 號(hào)引腳分別接入西門(mén)子高性能模擬量輸入模塊引腳中[3]。

4.2 傳感器數(shù)據(jù)獲取與處理

使用的傳感器測(cè)量范圍為0 ～25.0 mm，使用的西門(mén)子模擬量模塊輸入范圍為4.0 ～20.0 mA，精度為15 位。因此需要將傳感器輸入的0到27649整形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成0到25的浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)輸出。具體公式為：

式中：y為傳感器浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)位置輸出；a為位置上下限差值與輸入上下限差值之間的比值，即（25-0）/（27649-0）；x為傳感器整形數(shù)據(jù)輸入；b為位置下限。

基于上述公式，再利用STL 語(yǔ)言在編輯軟件里編寫(xiě)傳感器數(shù)值轉(zhuǎn)化程序，將轉(zhuǎn)化公式編寫(xiě)成標(biāo)準(zhǔn)功能塊FC1801 以便于后續(xù)兩個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的獲取。通過(guò)該程序塊，只需要將PLC 分配給傳感器的輸入地址填寫(xiě)至正確的引腳，即可將兩個(gè)傳感器輸入的整形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成需要的浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)（即傳感器反饋的實(shí)際位置）。

4.3 位置補(bǔ)償算法原理

位置補(bǔ)償算法的核心思想是根據(jù)通過(guò)傳感器反饋的位置信息，計(jì)算機(jī)器人當(dāng)前循環(huán)的位置誤差，并根據(jù)設(shè)定的補(bǔ)償上下限判斷是否將數(shù)據(jù)反饋至機(jī)器人，以此來(lái)對(duì)機(jī)器人定位進(jìn)行修正，以實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制。以下是位置補(bǔ)償算法的主要原理。

4.3.1 位置補(bǔ)償上下限范圍設(shè)定

首先，定義補(bǔ)償功能開(kāi)關(guān)，只有補(bǔ)償功能激活時(shí)，傳感器位置補(bǔ)償數(shù)據(jù)才能應(yīng)用于機(jī)器人坐標(biāo)當(dāng)中，否則補(bǔ)償數(shù)據(jù)為0。并且定義補(bǔ)償上下限范圍，當(dāng)傳感器位置補(bǔ)償數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)，及時(shí)報(bào)警提示，避免由于傳感器損壞或者傳感器測(cè)量不準(zhǔn)確，導(dǎo)致機(jī)器人過(guò)度補(bǔ)償導(dǎo)致碰撞[4]。

4.3.2 位置誤差計(jì)算

首先定義空間一個(gè)位置作為機(jī)器人補(bǔ)償點(diǎn)位，利用激光傳感器記錄該點(diǎn)位的坐標(biāo)值，并以此定義為位置補(bǔ)償基準(zhǔn)（refpos）。在之后的生產(chǎn)過(guò)程中，在進(jìn)入壓裝位置前，先運(yùn)行至這個(gè)固定的補(bǔ)償點(diǎn)位，并由傳激光感器記錄此次機(jī)器人位置信息（actpos）。由于溫度變化或者齒輪磨損，機(jī)器人運(yùn)行坐標(biāo)雖然相同，但是實(shí)際到達(dá)的位置必然存在細(xì)微的誤差，即actpos ≠refpos，通過(guò)此次位置信息與位置補(bǔ)償基準(zhǔn)進(jìn)行相減（即actpos-refpos），得到機(jī)器人位置偏移量（offset）。若偏移量絕對(duì)值超過(guò)設(shè)定的范圍，則認(rèn)為激光傳感器損壞或者機(jī)器人誤差過(guò)大偏移量不可信，需要進(jìn)行檢查和維修。根據(jù)以上描述得到位置誤差的計(jì)算公式如下。

式中：offset 為位置補(bǔ)償值；actPos 為當(dāng)前位置值；refPos為位置基準(zhǔn)值；limPos 為補(bǔ)償值范圍。

根據(jù)上述公式編寫(xiě)PLC 程序，計(jì)算機(jī)器人實(shí)際位置與基準(zhǔn)點(diǎn)位的偏差，并將此偏差發(fā)送至機(jī)器人實(shí)際的壓裝坐標(biāo)當(dāng)中（圖3）。這樣，機(jī)器人的壓裝位置得到修正，確保工件底孔和壓桿之間的相對(duì)位置在合格范圍之內(nèi)，依此來(lái)提升機(jī)器人的定位精度和壓裝質(zhì)量。

圖3 位置補(bǔ)償頁(yè)面

4.4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

為驗(yàn)證位置補(bǔ)償算法的性能，需要進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。使用庫(kù)卡機(jī)器人抓取工件，開(kāi)啟位置補(bǔ)償功能，機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行至補(bǔ)償點(diǎn)位，然后運(yùn)行至壓裝點(diǎn)位后停止機(jī)器人，使用百分表等工具測(cè)量工件底孔相對(duì)壓桿的實(shí)際偏移量，重復(fù)10 次并記錄數(shù)值。記錄完成后關(guān)閉位置補(bǔ)償功能，機(jī)器人則不會(huì)運(yùn)行至補(bǔ)償點(diǎn)位，直接到達(dá)壓裝點(diǎn)位后停止機(jī)器人，同樣記錄工件底孔相對(duì)壓桿的實(shí)際偏移量，重復(fù)10 次。對(duì)比結(jié)果如圖4 所示。由此可見(jiàn)，開(kāi)啟補(bǔ)償功能后工件底孔相對(duì)壓桿的偏移量明顯減小，補(bǔ)償功能有效。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

盡管本論文在位置補(bǔ)償算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面取得了顯著的成果，但仍存在一些可以進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)的方向。

首先，可以考慮引入機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法優(yōu)化位置補(bǔ)償算法，提高其在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性和泛化能力。其次，可以探索多傳感器融合的方法，將視覺(jué)、激光和其他傳感器的信息融合起來(lái)，進(jìn)一步提升機(jī)器人的感知能力和定位精度。此外，還可以考慮將位置補(bǔ)償算法應(yīng)用于更廣泛的工業(yè)場(chǎng)景中，例如自動(dòng)化裝配、精密加工等領(lǐng)域，以滿足不同工業(yè)應(yīng)用的定位需求。

綜上所述，通過(guò)持續(xù)的研究和改進(jìn)，可以進(jìn)一步提升機(jī)器人在導(dǎo)管座圈壓裝的定位精度和運(yùn)動(dòng)控制性能，為工業(yè)生產(chǎn)提供更高效、穩(wěn)定的解決方案。