簡單分析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)器人的基礎(chǔ)要素。工業(yè)機(jī)器人一般應(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，但在部分任務(wù)執(zhí)行中，工業(yè)機(jī)器人的位置精度仍不理想。目前，這一狀況已被海德漢和AMO的高精度輸出端編碼器改變。

海德漢研發(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。可是，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。偏差的導(dǎo)致因素有多個：

● 為達(dá)到所需的機(jī)動性，需要使用串聯(lián)運(yùn)動的機(jī)器人，例如六軸鉸接式機(jī)器人。

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

● 機(jī)械加工中，作用力和動態(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)性的定點(diǎn)運(yùn)動精度控制在僅幾個百分點(diǎn)毫米以內(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)絕對式位置精度相比仍低10倍。根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、最大范圍和最大承重，鉸接式機(jī)器人現(xiàn)在的絕對位置精度為±1 mm。這種精度無法滿足航空航天等行業(yè)對精度的要求。因此，機(jī)器人制造商必須正視該問題。

第一步：高動態(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)動軸的伺服電機(jī)持續(xù)提供反饋信號。由于伺服電機(jī)需要較高的控制動態(tài)范圍，海德漢堅固耐用的感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器，例如ECI 1100和1300系列或多圈的EQI 110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。由于這些編碼器提供純串行的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。



圖1：提供電機(jī)反饋信號的海德漢經(jīng)典旋轉(zhuǎn)編碼器

這些感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器支持SIL 2級、3 PL d級安全性。如果對控制系統(tǒng)增加措施，還支持SIL 3級或4PL e級安全性。這些編碼器還提供另外一個安全性優(yōu)點(diǎn)，即機(jī)械故障防護(hù)，避免軸與定子連接脫落時而失效。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)。

第二步：高精度位置測量的輔助編碼器

如果機(jī)器人的每個軸增設(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)器人的絕對位置精度。增設(shè)的編碼器是輔助編碼器，安裝在每個齒輪傳動的后方，測量機(jī)器人每個關(guān)節(jié)的實(shí)際位置。在該設(shè)計方案中，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)的絕對位置精度達(dá)70至80 %。



圖2：各軸的輔助編碼器提高絕對位置精度

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，包括柵鼓或尺帶及獨(dú)立式讀數(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，甚至在高動態(tài)運(yùn)動期間。

第三步：移動式機(jī)器人的高精度位置測量

為達(dá)到大型工件或長件的所有加工位置，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度方向進(jìn)行運(yùn)動。為確保高精度地定位機(jī)器人，海德漢提供直線電機(jī)驅(qū)動和長度達(dá)30m的封閉式直線光柵尺。直線光柵尺的位置測量能補(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)位置檢測方式檢測到。



表1 典型輔助編碼器最重要技術(shù)參數(shù)的比較

總結(jié)：

高精度位置測量提高刀具中心點(diǎn)的位置精度

為機(jī)器人每個軸配輔助編碼器和在相對工件定位機(jī)器人中采用直線光柵尺測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)安裝編碼器對靈活性的要求。這些編碼器適用于安全性應(yīng)用，所以適用于人機(jī)協(xié)作的系統(tǒng)。