一、引言 

        隨著國家“中國制造2025”戰略規劃的推進，智能制造逐漸深入生產制造企業，越來越多的產業工人被工業機器人所替代，生產制造型企業對工業機器人的依賴越來越多。而隨著工業機器人在各個行業的大量應用，尤其是焊接、噴涂和組裝領域使用的用戶對工業機器人的可靠性、重復性和準確性等性能指標的要求在不斷提高,以滿足現代制造精準化的需求。據不完全統計由于國內外機器人的性能差異，使得國內機器人在這些行業中裝機量極少，國外機器人占據了80%以上的焊接、裝配應用領域的工業機器人市場，國產的機器人只能在搬運、上下料等性能要求相對低的領域和國外品牌競爭市場份額。由此可見機器人性能提升校準工作對工業機器人市場和應用的重要性和必要性，同時也體現出了國產工業機器人和進口工業機器人之間的差距。為此本應用專用的機器人性能測試儀器依據國家標準GB/T12642（等同國際標準ISO9283）要求對國產工業機器人的性能進行測試，通過分析測量結果，對工業機器人的性能進行評估、分析找出對測量結果的影響因素，為進一步提高機器人整機性能提供指導。

        2、機器人誤差產生

        正如世界上沒有兩片完全一樣的樹葉，世界上也沒有兩個完全一樣的機器人，即使全部生產過程都是一樣的機器人本身在加工與裝配過程中也會存在差異，這就導致了最后生成出來的機器人與其設計不可能完全一樣。那么在此之前我們就很有必要明確一下機器人的誤差來源。只有確定了誤差的來源我們才能正確的分析除影響到機器人整機性能的主要因素，才能針對這些主要影響因素對生產裝配環節進行調整優化，以提高工業機器人的整機性能。

        下面我們對機器人誤差的來源和分類進行如下分析：

        從誤差的來源看，主要是指機械零件、部件的制造誤差、整機裝配誤差、機器人安裝誤差，還包括溫度、負載等的作用使得機器人桿件產生的變形，傳動機構的誤差，控制系統的誤差（如插補誤差、伺服系統誤差、檢測元件）等。我們將機器人幾何結構有關的機械零件、部件的制造誤差、整機裝配誤差、機器人安裝誤差、關節編碼器的電氣零點通常和關節的機械零點不相一致等因素引起的誤差稱為幾何誤差。

        根據誤差特性來分，又可將誤差分為確定性誤差、時變誤差和隨機誤差三種。確定性誤差不隨時間變化，可以事先進行測量，如之前提到的幾何誤差就屬于這一類。時變誤差有可以分為緩變和瞬變兩類，如因溫度產生的熱變形隨時間變化很慢，屬于緩變誤差；而運動軸相當于數控指令間存在的跟蹤誤差取決于運動軸的動態特性，并隨時間變化，屬于瞬變誤差。隨機性誤差事先無法精確測量，只能利用統計學的方法進行估計，如外部環境振動就是一種十分典型的隨機性誤差。

        三、測試項目

        根據國家標準GB/T12642-2013《工業機器人性能規范及其試驗方法》等同采用國際標準ISO9283:1998里對工業機器人性能指標的規定。

        標準中規定的工業機器人性能指標有以下14項：

        ——位姿準確度和位姿重復性；

        ——多方向位姿準確度變動；

        ——距離準確度和距離重復性；

        ——位置穩定時間；

        ——位置超調量；

        ——位姿特性漂移；

        ——互換性；

        ——軌跡準確度和軌跡重復性；

        ——拐角偏差；

        ——軌跡速度特性；

        ——最小定位時間；

        ——靜態柔順性：

        ——擺動偏差；

        然而對于現在的大部分終端用戶而言他們目前普遍關注的性能指標并沒有那么多，通過分析發現他們最關注的性能指標主要還是“位姿準確度、位姿重復性”和“軌跡準確度、軌跡重復性”這兩項。

        因此本文將以位姿準確度、位姿重復性和軌跡準確度、軌跡重復性這兩項性能指標作為主要研究對象來分析影響到機器人性能的誤差的主要因素。

        四、測試設備

        目前市面上針對多關節工業機器人性能測試方面的檢測設備有2種。一種是激光跟蹤儀，另一種是Dynalog的CompuGauge機器人測量和性能分析系統。本文采用CompuGauge機器人測量和性能分析系統對六軸工業機器人的性能進行測試分析。

        4.1CompuGauge機器人測量系統組成

        CompuGauge系統有標準測量硬件,是基于測量點技術，通過最新的USB接口技術，直接連接到筆記本電腦,幾種數字的輸入和輸出通過數據收集裝置，讓已獲得的測量數據與任意的外部信號和輸入員保持同步。還有四組高分辨率、低慣量的光編碼器安裝到機器人法蘭上的，測量四根電纜的延伸情況；然后將編碼器測量值通過數據接收盒輸送到電腦，再通過專用軟件進行測量、觀察和計算。CompuGauge系統接線原理簡圖如圖1所示。

        圖1CompuGauge系統接線原理簡圖

        4.2CompuGauge機器人測量系統工作原理

        4.2.1在線測量

        這一模塊具有以多種方式形象化地檢查出記錄的機器人位置和路徑的能力。

        靜態和動態位置（x,y,z和任何有效的定位）。

        4.2.2分析

        這一模塊包含一系列的測試，用在記錄的數據上可以核實精確度、重復性轉彎和加熱漂移等等。這些測試包含兩個國際認可標準：ISO9283和ANSI/RIAR15.05-1/2CompuGauge軟件還提供多種工具和功能：CompuGauge系統的坐標框架可以輕松地與機器人基礎構架對準。已測量的機器人路徑和點數可以縮小和放大，也可以充分的旋轉和轉換成3D空間。通過任何角度提供可視化圖；提供曲線圖表和數據擬合工具；鼠標指針可以沿著不同的路徑放置，這樣在時間和空間上能快速判斷出差異。

        4.2.3主要用途

        按照ISO9283歐洲機器人標準（機器人業界最權威的標準）ANSI/RIA15.05美國機器人標準等同于GB/T12642(中國機器人標準)來測試機器人的性能，使得工程師對自己生產出來的機器人各項性能指標有一個準確、全面、客觀地認識，針對測出的結果做初步分析。

        五、實例分析

        根據國家標準GB/T12642工業機器人性能規范及其試驗方法，采用Dynalog的CompuGauge機器人測量和性能分析系統對企業研制的工業機器人進行性能檢測，檢測實物圖如圖2所示。工業機器人位置精度、軌跡精度，測試結果[7-8]如圖3～圖6所示。

        圖3和圖4為被測工業機器人在初次裝配完成后的測試性能。此時機器人采用的個性參數均為理論設計參數，沒有做任何認為的修正和調整。

        圖5和圖6為被測工業機器人在初次裝配完成后經過參數修正的測試性能。

里邊主要對機器人的DH參數、關節減速比進行了修正。

        圖2機器人性能檢測實物圖

        圖3位置重復性、準確性測試結果（校準前）

        圖4機器人軌跡重復性、準確性測試結果（校準前）

        圖5機器人位置重復性、準確性測試結果（校準后）

        圖6機器人軌跡重復性、準確性測試結果（校準后）

        通過圖3-圖6的檢測結果可以看出，被測六軸機器人在校準前后的測試結果對比如附表所示。

         通過對以上述測量數據進行分析可以得出以下幾個結論：

        （1）工業機器人的位置準確性和軌跡準確性指標主要受機器人結構部分的幾何參數影響，即結構部分的加工、裝配精度對機器人的位置、軌跡準確性起到決定性作用，對重復性影響較小。

        （2）工業機器人的位置重復性和軌跡重復性指標在DH參數和減速比調整后并沒有太大的變動，因此主要影響到機器人系統重復性指標的應該還是減速機和傳動系統中的誤差和機器人位置編碼器帶來的誤差。

        （3）以下一些因素對工業機器人的性能指標有一定影響但不是主要因素：

        a.測量裝置或儀器的分辨力、抗干擾能力、控制部分穩定性等影響。

        b.測量環境對測量過程的影響（包括溫度、濕度和壓強等）.

        c.在相同條件下，由隨機因素所引起的被測量本身的不穩定性等。

        d.在計算過程中，處理數據方法造成的不確定度。

        e.測量人員技術水平影響。

        六、結束語

        通過對同一套工業機器人在不同的參數狀態下的測試性能分析，發現在無法提高控制器性能的情況下諸多影響機器人精度的因素中，幾何誤差要占據80%左右的比例，由于在參數識別和補償中通常使用最小二乘的方法，且所使用的數據同時受到來自各方面誤差的影響，所以沒有必要單獨考慮其他因素的影響。因此機器人的性能提高主要還是要從制造誤差、安裝誤差、編碼器零位誤差等造成的幾何誤差幾方面入手。

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