定位機(jī)器人編碼器在航空航天大工件的測(cè)量應(yīng)用

海德漢編碼器在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用

速度、功率和耐用性是工業(yè)機(jī)器人的重要特點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人通常應(yīng)用在汽車組裝線上進(jìn)行焊接、笨重工件的搬運(yùn)操作。盡管使用先進(jìn)的校準(zhǔn)方法，但在執(zhí)行部分任務(wù)中，工業(yè)機(jī)器人的位置精度仍不理想。現(xiàn)在，這一狀況已被海德漢和其子品牌AMO的高精度輸出端編碼器改變。 

研發(fā)這款編碼器的目的主要是為了滿足航空航天應(yīng)用的要求，航空航天業(yè)的大型工件必須高精度地進(jìn)行加工。機(jī)床達(dá)到高精度不困難，但靈活性不足或?qū)Ｓ脵C(jī)床和特殊加工車間的成本過高?？墒?，機(jī)器人可以輕松達(dá)到超大型工件的任何位置，例如飛機(jī)的機(jī)身，在機(jī)身上進(jìn)行鉆孔或銑削。

精度的影響因素對(duì)于這類應(yīng)用，刀具中心點(diǎn)（也就是機(jī)器人機(jī)械臂端頭處的刀具）必須以足夠高的精度進(jìn)行定位和定向。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人在這方面已接近其極限。導(dǎo)致偏差的因素有多個(gè)： 

1）為達(dá)到所需的機(jī)動(dòng)性，需要使用串聯(lián)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，例如六軸鉸接式機(jī)器人。

2）其中每個(gè)軸由齒輪傳動(dòng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其誤差主要來自零位誤差、反向間隙和連接彈性。 

3）在機(jī)械加工中，作用力和動(dòng)態(tài)作用力影響機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的剛性，因此影響絕對(duì)位置精度。

借助先進(jìn)的校準(zhǔn)方法，現(xiàn)在可將刀具中心點(diǎn)的重復(fù)性定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)精度控制在毫米的幾個(gè)百分點(diǎn)以內(nèi)。部分制造商的鉸接式機(jī)器人的重復(fù)精度已達(dá)到ISO 9283標(biāo)準(zhǔn)的±0.1 mm要求，或更高的精度。 

但是，與機(jī)器人坐標(biāo)系內(nèi)可達(dá)到的重復(fù)絕對(duì)位置精度相比仍低10倍。根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、最大范圍和最大承重，鉸接式機(jī)器人現(xiàn)在的絕對(duì)位置精度為±1 mm。這種精度無法滿足航空航天等行業(yè)對(duì)精度的要求。因此，機(jī)器人制造商必須正視該問題。

方法一

高動(dòng)態(tài)性能的電機(jī)控制

傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)編碼器為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸的伺服電機(jī)持續(xù)提供反饋信號(hào)。由于伺服電機(jī)需要較高的控制動(dòng)態(tài)范圍，海德漢堅(jiān)固耐用的感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器，例如ECI 1100和1300系列或多圈的EQI 1100和1300系列編碼器是這類應(yīng)用的理想選擇。這些編碼器控制質(zhì)量高和精度高，而且能承受強(qiáng)烈振動(dòng)。由于這些編碼器配純串行的EnDat接口，即使應(yīng)用在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，也不影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量或安全性。

這些感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器支持SIL 2級(jí)、3 PLd級(jí)安全性。如果對(duì)控制系統(tǒng)增加措施，還支持SIL 3級(jí)或4 PLe級(jí)安全性。這些編碼器還提供另外一個(gè)安全性優(yōu)點(diǎn)，機(jī)械故障防護(hù)，避免軸與定子間的連接松動(dòng)。這些安全措施使這些感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器特別適用于人機(jī)協(xié)作的系統(tǒng)。

方法二

高精度位置測(cè)量的輔助編碼器

如果機(jī)器人的每個(gè)軸增設(shè)一套高精度的角度編碼器或旋轉(zhuǎn)編碼器，機(jī)器人制造商將能顯著提高機(jī)器人的絕對(duì)位置精度。增設(shè)的編碼器是輔助編碼器，安裝在每個(gè)齒輪傳動(dòng)的后方，測(cè)量機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的實(shí)際位置。在該設(shè)計(jì)方案中，這些編碼器將解決零位誤差和反向間隙問題。也能測(cè)量加工中各軸所承受的反作用力。所有這些因素將提高刀具中心點(diǎn)的絕對(duì)位置精度達(dá)70至80%。

模塊型角度編碼器，例如海德漢光學(xué)掃描的ECA 4000，海德漢感應(yīng)掃描的ECI 4000旋轉(zhuǎn)編碼器以及AMO WMR角度編碼器均適用于這些應(yīng)用。由于這些編碼器采用模塊型設(shè)計(jì)，包括柵鼓或尺帶及獨(dú)立的讀數(shù)頭模塊，特別適用于大型空心軸和安裝空間極其有限的應(yīng)用，例如機(jī)器人的空間限制。這些輔助編碼器的信號(hào)質(zhì)量明顯優(yōu)于伺服電機(jī)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)編碼器，也就是說提供更高精度的位置反饋值，甚至在高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)期間。

方法三

移動(dòng)式機(jī)器人的高精度位置測(cè)量

為達(dá)到大型工件或長(zhǎng)件的所有加工位置，例如飛機(jī)機(jī)身或大型復(fù)合纖維工件的生產(chǎn)，機(jī)器人需沿直線軸在工件長(zhǎng)度方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。為確保機(jī)器人的高精度地定位，海德漢提供直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)和長(zhǎng)度達(dá)30 m的封閉式直線光柵尺。直線光柵尺的位置測(cè)量能補(bǔ)償熱位移和其它影響進(jìn)給機(jī)構(gòu)誤差的因素。這些影響因素?zé)o法被滾珠絲杠螺距和電機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器角度位置的傳統(tǒng)位置檢測(cè)方式檢測(cè)到。

結(jié)論：高精度位置測(cè)量提高刀具中心點(diǎn)的位置精度

為機(jī)器人每個(gè)軸配輔助編碼器和在相對(duì)工件定位機(jī)器人中采用直線光柵尺測(cè)量位置值將顯著提高刀具中心點(diǎn)的位置精度，確保恰當(dāng)配置的工業(yè)機(jī)器人能高精度地定位并進(jìn)行加工以及在工件上執(zhí)行操作任務(wù)。

海德漢和AMO的角度編碼器和直線光柵尺不僅能滿足系統(tǒng)對(duì)高精度的要求，而且也能滿足在復(fù)雜和緊湊型機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)安裝編碼器對(duì)靈活性的要求。這些編碼器適用于安全性應(yīng)用，因此適用于人機(jī)協(xié)作的系統(tǒng)。