Calibración de robot

La calibración del robot es el proceso de determinar los diversos parámetros de la mecánica del robot para obtener un modelo cinemático completo del robot . La calibración del robot, la herramienta y la pieza de trabajo ( calibración de la celda ) puede reducir o minimizar las inexactitudes existentes. La calibración también puede aumentar la confiabilidad del proceso.

La precisión de posicionamiento de los robots industriales (IR) suele ser insuficiente para determinadas tareas. Pueden surgir problemas al reemplazar robots y al programar aplicaciones de precisión, que pueden llevar mucho tiempo y ser costosos de resolver.

Parámetros e influencias de errores

La norma internacional ISO 9283 define varios criterios de rendimiento para IR y sugiere métodos de prueba para su determinación. Los parámetros más importantes son la precisión absoluta (precisión de pose o trayectoria, AP) y la repetibilidad (repetibilidad de pose y trayectoria, RP) Estos son los criterios comúnmente utilizados.

La precisión de repetición no solo es crucial cuando se programa el robot a través de la enseñanza ("aprendizaje"), sino también en todos los procesos más exigentes. Esto es independiente de si el robot solo está "enseñado" o si los datos se generaron mediante "programación fuera de línea".

Sin embargo, si el programa de movimiento se crea mediante simulación 3D ("programación fuera de línea"), la precisión absoluta de un IR también es importante. En general, está influenciado negativamente por varios factores. Las posiciones cero del eje, así como los errores de longitud y ángulo entre los elementos individuales del robot, son de gran importancia. Estos, en relación con la carga variable en la brida de un IR, representan las mayores fuentes de error. Los cambios de longitud debidos a las fluctuaciones de temperatura también contribuyen al cambio de posición de un robot, que, según el programa del robot o el calentamiento de la máquina, puede contribuir significativamente por encima de la repetibilidad.

Sistemas de medida

Hay varias opciones para medir la posición de los robots industriales, por ejemplo, acercándose a piezas de trabajo de muestra, utilizando sensores ultrasónicos , interferometría láser , teodolitos , sondas de medición o triangulación láser . También hay sistemas de cámaras que se pueden instalar en la celda del robot o en el propio IR y capturar la posición de un objeto de referencia. Los proveedores de sistemas de medición son, por ejemplo, las empresas Automated Inspection (antes HGV Vosseler), Carl Zeiss, Dynalog, EngRoTec Solutions, FARO, Leica, Metris, NDI, Perceptron, Wiest y Teconsult.

Fundamentos matemáticos

Los errores del robot detectados mediante la medición de la posición se pueden minimizar con la optimización numérica como parte de un cálculo de compensación. Para hacer esto, primero debe crearse un modelo cinemático completo de la estructura geométrica, cuyos parámetros luego se determinan mediante optimización matemática. A partir de las variables de entrada y salida en notación vectorial, el comportamiento general del sistema se puede formular utilizando la función del modelo vectorial de la siguiente manera:

${\ Displaystyle {\ begin {alineado} {\ vec {p}} & = (p_ {1}, \ ldots, p_ {n}) ^ {\ text {T}}, \ {\ vec {p}} \ en {\ text {R}} ^ {\ text {n}} \\ {\ vec {x}} & = ({\ vec {x}} _ {1}, \ ldots, {\ vec {x}} _ {m}) ^ {\ text {T}}, \ {\ vec {x}} _ {i} \ in {\ text {R}} ^ {\ text {k}}, \ {\ vec {x }} \ in {\ text {R}} ^ {\ text {mxk}} \\ {\ vec {y}} _ {M} & = ({\ vec {y}} _ {M1}, \ ldots, {\ vec {y}} _ {Mm}) ^ {\ text {T}}, \ {\ vec {y}} _ {Mi} \ in {\ text {R}} ^ {\ text {l}} , \ {\ vec {y}} _ {M} \ in {\ text {R}} ^ {\ text {mxl}} \\ {\ vec {y}} _ {S} & = ({\ vec { y}} _ {S1}, \ ldots, {\ vec {y}} _ {Sm}) ^ {\ text {T}}, \ {\ vec {y}} _ {Si} \ in {\ text { R}} ^ {\ text {l}}, \ {\ vec {y}} _ {S} \ in {\ text {R}} ^ {\ text {mxl}} \\ & \\ {\ vec { y}} _ {M} & = {\ vec {f}} ({\ vec {p}}, {\ vec {x}}), \ {\ vec {f}} \ in {\ text {R} } ^ {\ text {mxl}} \\ & \\ {\ underset {{\ vec {p}} \ in {\ text {R}} ^ {\ text {n}}} {min}} & \ left \ {r \ right \} {\ text {with}} r = \ lVert {\ vec {y}} _ {M} - {\ vec {y}} _ {S} \ rVert ^ {2} = \ lVert {\ vec {f}} ({\ vec {p}}, {\ vec {x}}) - {\ vec {y}} _ {S} \ rVert ^ {2} {\ text {y}} r \ in {\ text {R}} \ end {alineado}}}$

Las variables k, l, m, ny sus vínculos describen las dimensiones de los espacios vectoriales individuales. La minimización del error residual r para identificar un vector de parámetro óptimo p resulta de la diferencia entre los dos vectores de salida usando la norma euclidiana.

Los siguientes son adecuados para resolver los problemas de optimización cinemática. Método de descenso por mínimos cuadrados , por ejemplo, un método cuasi-Newton modificado . Este método proporciona parámetros cinemáticos corregidos para la máquina medida, que luego se pueden ingresar en el controlador del robot, por ejemplo, para adaptar el modelo de computadora utilizado allí a la cinemática real.

Resultados

La precisión absoluta de posicionamiento de los robots industriales fluctúa entre unas pocas décimas y varios milímetros, según el fabricante, la edad y el uso. Por lo general, se puede lograr una precisión de posicionamiento de aproximadamente 0,5 mm mediante la calibración, que, si el volumen de trabajo es limitado, también puede acercarse a la repetibilidad habitual de un robot de aproximadamente 0,1 mm.

Ejemplos de aplicación

Celda de medición en línea para mediciones corporales

En la industria hay p. Ej. Actualmente existe una tendencia generalizada a la sustitución de máquinas herramienta o máquinas especiales por robots industriales para determinadas tareas de producción cuyos requisitos de precisión pueden ser cumplidos por robots calibrados. En la figura se muestra un ejemplo actual: tecnología de medición en línea en el taller de carrocería, donde los "túneles de medición" con muchos sensores costosos, p. Ej. T. ser reemplazado por IR, que cada uno conduce solo un sensor. Esto puede reducir significativamente los costos totales de una celda de medición. Además, si hay un cambio de modelo, el sistema se puede reutilizar sin ningún cambio estructural gracias a una simple reprogramación.

Otros ejemplos de aplicaciones de precisión son el dobladillo con rodillo asistido por robot en el taller de carrocería de p. Ej. B. EngRoTec Solutions, el montaje de teléfonos móviles, taladrado, remachado y fresado en la construcción de aviones, así como aplicaciones cada vez más médicas.

Resumen

Mediante el uso de métodos de calibración eficientes, es posible lograr una precisión de posicionamiento absoluta de 0,1 mm con los robots industriales disponibles en el mercado hoy en día, especialmente los robots cinemáticos paralelos, para mejorar la intercambiabilidad, simplificar la programación fuera de línea y nuevas aplicaciones de alta precisión. para permitir.

literatura

• Lukas Beyer: Mayor precisión de los robots industriales, especialmente con cinemática paralela. Disertación, Universidad Helmut Schmidt de Hamburgo. Shaker Verlag , Aquisgrán 2005, ISBN 3-8322-3681-3
• Klaus Schröer: Identificación de parámetros de calibración de cadenas cinemáticas. Disertación, Universidad Técnica de Berlín. Hanser Fachbuchverlag, Múnich 1993, ISBN 3446176500
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• Jörg Wollnack: Robótica (análisis, modelado e identificación) . Script , Universidad Tecnológica de Hamburgo
• NN: ISO 9283 - Manipulación de robots industriales. Criterios de rendimiento y métodos de prueba relacionados. ISO, Ginebra 1998
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