一、引言 

        隨著國(guó)家“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃的推進(jìn)，智能制造逐漸深入生產(chǎn)制造企業(yè)，越來(lái)越多的產(chǎn)業(yè)工人被工業(yè)機(jī)器人所替代，生產(chǎn)制造型企業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的依賴(lài)越來(lái)越多。而隨著工業(yè)機(jī)器人在各個(gè)行業(yè)的大量應(yīng)用，尤其是焊接、噴涂和組裝領(lǐng)域使用的用戶(hù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的可靠性、重復(fù)性和準(zhǔn)確性等性能指標(biāo)的要求在不斷提高,以滿(mǎn)足現(xiàn)代制造精準(zhǔn)化的需求。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)由于國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的性能差異，使得國(guó)內(nèi)機(jī)器人在這些行業(yè)中裝機(jī)量極少，國(guó)外機(jī)器人占據(jù)了80%以上的焊接、裝配應(yīng)用領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)的機(jī)器人只能在搬運(yùn)、上下料等性能要求相對(duì)低的領(lǐng)域和國(guó)外品牌競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)份額。由此可見(jiàn)機(jī)器人性能提升校準(zhǔn)工作對(duì)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)和應(yīng)用的重要性和必要性，同時(shí)也體現(xiàn)出了國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人和進(jìn)口工業(yè)機(jī)器人之間的差距。為此本應(yīng)用專(zhuān)用的機(jī)器人性能測(cè)試儀器依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12642（等同國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO9283）要求對(duì)國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的性能進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)分析測(cè)量結(jié)果，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的性能進(jìn)行評(píng)估、分析找出對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響因素，為進(jìn)一步提高機(jī)器人整機(jī)性能提供指導(dǎo)。

        2、機(jī)器人誤差產(chǎn)生

        正如世界上沒(méi)有兩片完全一樣的樹(shù)葉，世界上也沒(méi)有兩個(gè)完全一樣的機(jī)器人，即使全部生產(chǎn)過(guò)程都是一樣的機(jī)器人本身在加工與裝配過(guò)程中也會(huì)存在差異，這就導(dǎo)致了最后生成出來(lái)的機(jī)器人與其設(shè)計(jì)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(jī)器人的誤差來(lái)源。只有確定了誤差的來(lái)源我們才能正確的分析除影響到機(jī)器人整機(jī)性能的主要因素，才能針對(duì)這些主要影響因素對(duì)生產(chǎn)裝配環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，以提高工業(yè)機(jī)器人的整機(jī)性能。

        下面我們對(duì)機(jī)器人誤差的來(lái)源和分類(lèi)進(jìn)行如下分析：

        從誤差的來(lái)源看，主要是指機(jī)械零件、部件的制造誤差、整機(jī)裝配誤差、機(jī)器人安裝誤差，還包括溫度、負(fù)載等的作用使得機(jī)器人桿件產(chǎn)生的變形，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差，控制系統(tǒng)的誤差（如插補(bǔ)誤差、伺服系統(tǒng)誤差、檢測(cè)元件）等。我們將機(jī)器人幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)的機(jī)械零件、部件的制造誤差、整機(jī)裝配誤差、機(jī)器人安裝誤差、關(guān)節(jié)編碼器的電氣零點(diǎn)通常和關(guān)節(jié)的機(jī)械零點(diǎn)不相一致等因素引起的誤差稱(chēng)為幾何誤差。

        根據(jù)誤差特性來(lái)分，又可將誤差分為確定性誤差、時(shí)變誤差和隨機(jī)誤差三種。確定性誤差不隨時(shí)間變化，可以事先進(jìn)行測(cè)量，如之前提到的幾何誤差就屬于這一類(lèi)。時(shí)變誤差有可以分為緩變和瞬變兩類(lèi)，如因溫度產(chǎn)生的熱變形隨時(shí)間變化很慢，屬于緩變誤差；而運(yùn)動(dòng)軸相當(dāng)于數(shù)控指令間存在的跟蹤誤差取決于運(yùn)動(dòng)軸的動(dòng)態(tài)特性，并隨時(shí)間變化，屬于瞬變誤差。隨機(jī)性誤差事先無(wú)法精確測(cè)量，只能利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行估計(jì)，如外部環(huán)境振動(dòng)就是一種十分典型的隨機(jī)性誤差。

        三、測(cè)試項(xiàng)目

        根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12642-2013《工業(yè)機(jī)器人性能規(guī)范及其試驗(yàn)方法》等同采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO9283:1998里對(duì)工業(yè)機(jī)器人性能指標(biāo)的規(guī)定。

        標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的工業(yè)機(jī)器人性能指標(biāo)有以下14項(xiàng)：

        ——位姿準(zhǔn)確度和位姿重復(fù)性；

        ——多方向位姿準(zhǔn)確度變動(dòng)；

        ——距離準(zhǔn)確度和距離重復(fù)性；

        ——位置穩(wěn)定時(shí)間；

        ——位置超調(diào)量；

        ——位姿特性漂移；

        ——互換性；

        ——軌跡準(zhǔn)確度和軌跡重復(fù)性；

        ——拐角偏差；

        ——軌跡速度特性；

        ——最小定位時(shí)間；

        ——靜態(tài)柔順性：

        ——擺動(dòng)偏差；

        然而對(duì)于現(xiàn)在的大部分終端用戶(hù)而言他們目前普遍關(guān)注的性能指標(biāo)并沒(méi)有那么多，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)他們最關(guān)注的性能指標(biāo)主要還是“位姿準(zhǔn)確度、位姿重復(fù)性”和“軌跡準(zhǔn)確度、軌跡重復(fù)性”這兩項(xiàng)。

        因此本文將以位姿準(zhǔn)確度、位姿重復(fù)性和軌跡準(zhǔn)確度、軌跡重復(fù)性這兩項(xiàng)性能指標(biāo)作為主要研究對(duì)象來(lái)分析影響到機(jī)器人性能的誤差的主要因素。

        四、測(cè)試設(shè)備

        目前市面上針對(duì)多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人性能測(cè)試方面的檢測(cè)設(shè)備有2種。一種是激光跟蹤儀，另一種是Dynalog的CompuGauge機(jī)器人測(cè)量和性能分析系統(tǒng)。本文采用CompuGauge機(jī)器人測(cè)量和性能分析系統(tǒng)對(duì)六軸工業(yè)機(jī)器人的性能進(jìn)行測(cè)試分析。

        4.1CompuGauge機(jī)器人測(cè)量系統(tǒng)組成

        CompuGauge系統(tǒng)有標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量硬件,是基于測(cè)量點(diǎn)技術(shù)，通過(guò)最新的USB接口技術(shù)，直接連接到筆記本電腦,幾種數(shù)字的輸入和輸出通過(guò)數(shù)據(jù)收集裝置，讓已獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)與任意的外部信號(hào)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(jī)器人法蘭上的，測(cè)量四根電纜的延伸情況；然后將編碼器測(cè)量值通過(guò)數(shù)據(jù)接收盒輸送到電腦，再通過(guò)專(zhuān)用軟件進(jìn)行測(cè)量、觀(guān)察和計(jì)算。CompuGauge系統(tǒng)接線(xiàn)原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。

        圖1CompuGauge系統(tǒng)接線(xiàn)原理簡(jiǎn)圖

        4.2CompuGauge機(jī)器人測(cè)量系統(tǒng)工作原理

        4.2.1在線(xiàn)測(cè)量

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

        靜態(tài)和動(dòng)態(tài)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(cè)試，用在記錄的數(shù)據(jù)上可以核實(shí)精確度、重復(fù)性轉(zhuǎn)彎和加熱漂移等等。這些測(cè)試包含兩個(gè)國(guó)際認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)：ISO9283和ANSI/RIAR15.05-1/2CompuGauge軟件還提供多種工具和功能：CompuGauge系統(tǒng)的坐標(biāo)框架可以輕松地與機(jī)器人基礎(chǔ)構(gòu)架對(duì)準(zhǔn)。已測(cè)量的機(jī)器人路徑和點(diǎn)數(shù)可以縮小和放大，也可以充分的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換成3D空間。通過(guò)任何角度提供可視化圖；提供曲線(xiàn)圖表和數(shù)據(jù)擬合工具；鼠標(biāo)指針可以沿著不同的路徑放置，這樣在時(shí)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(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)（機(jī)器人業(yè)界最權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)）ANSI/RIA15.05美國(guó)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)等同于GB/T12642(中國(guó)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn))來(lái)測(cè)試機(jī)器人的性能，使得工程師對(duì)自己生產(chǎn)出來(lái)的機(jī)器人各項(xiàng)性能指標(biāo)有一個(gè)準(zhǔn)確、全面、客觀(guān)地認(rèn)識(shí)，針對(duì)測(cè)出的結(jié)果做初步分析。

        五、實(shí)例分析

        根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12642工業(yè)機(jī)器人性能規(guī)范及其試驗(yàn)方法，采用Dynalog的CompuGauge機(jī)器人測(cè)量和性能分析系統(tǒng)對(duì)企業(yè)研制的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行性能檢測(cè)，檢測(cè)實(shí)物圖如圖2所示。工業(yè)機(jī)器人位置精度、軌跡精度，測(cè)試結(jié)果[7-8]如圖3～圖6所示。

        圖3和圖4為被測(cè)工業(yè)機(jī)器人在初次裝配完成后的測(cè)試性能。此時(shí)機(jī)器人采用的個(gè)性參數(shù)均為理論設(shè)計(jì)參數(shù)，沒(méi)有做任何認(rèn)為的修正和調(diào)整。

        圖5和圖6為被測(cè)工業(yè)機(jī)器人在初次裝配完成后經(jīng)過(guò)參數(shù)修正的測(cè)試性能。

里邊主要對(duì)機(jī)器人的DH參數(shù)、關(guān)節(jié)減速比進(jìn)行了修正。

        圖2機(jī)器人性能檢測(cè)實(shí)物圖

        圖3位置重復(fù)性、準(zhǔn)確性測(cè)試結(jié)果（校準(zhǔn)前）

        圖4機(jī)器人軌跡重復(fù)性、準(zhǔn)確性測(cè)試結(jié)果（校準(zhǔn)前）

        圖5機(jī)器人位置重復(fù)性、準(zhǔn)確性測(cè)試結(jié)果（校準(zhǔn)后）

        圖6機(jī)器人軌跡重復(fù)性、準(zhǔn)確性測(cè)試結(jié)果（校準(zhǔn)后）

        通過(guò)圖3-圖6的檢測(cè)結(jié)果可以看出，被測(cè)六軸機(jī)器人在校準(zhǔn)前后的測(cè)試結(jié)果對(duì)比如附表所示。

         通過(guò)對(duì)以上述測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：

        （1）工業(yè)機(jī)器人的位置準(zhǔn)確性和軌跡準(zhǔn)確性指標(biāo)主要受機(jī)器人結(jié)構(gòu)部分的幾何參數(shù)影響，即結(jié)構(gòu)部分的加工、裝配精度對(duì)機(jī)器人的位置、軌跡準(zhǔn)確性起到?jīng)Q定性作用，對(duì)重復(fù)性影響較小。

        （2）工業(yè)機(jī)器人的位置重復(fù)性和軌跡重復(fù)性指標(biāo)在DH參數(shù)和減速比調(diào)整后并沒(méi)有太大的變動(dòng)，因此主要影響到機(jī)器人系統(tǒng)重復(fù)性指標(biāo)的應(yīng)該還是減速機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)中的誤差和機(jī)器人位置編碼器帶來(lái)的誤差。

        （3）以下一些因素對(duì)工業(yè)機(jī)器人的性能指標(biāo)有一定影響但不是主要因素：

        a.測(cè)量裝置或儀器的分辨力、抗干擾能力、控制部分穩(wěn)定性等影響。

        b.測(cè)量環(huán)境對(duì)測(cè)量過(guò)程的影響（包括溫度、濕度和壓強(qiáng)等）.

        c.在相同條件下，由隨機(jī)因素所引起的被測(cè)量本身的不穩(wěn)定性等。

        d.在計(jì)算過(guò)程中，處理數(shù)據(jù)方法造成的不確定度。

        e.測(cè)量人員技術(shù)水平影響。

        六、結(jié)束語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)同一套工業(yè)機(jī)器人在不同的參數(shù)狀態(tài)下的測(cè)試性能分析，發(fā)現(xiàn)在無(wú)法提高控制器性能的情況下諸多影響機(jī)器人精度的因素中，幾何誤差要占據(jù)80%左右的比例，由于在參數(shù)識(shí)別和補(bǔ)償中通常使用最小二乘的方法，且所使用的數(shù)據(jù)同時(shí)受到來(lái)自各方面誤差的影響，所以沒(méi)有必要單獨(dú)考慮其他因素的影響。因此機(jī)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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