CC BY
196
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 - 4 8211. Государственная регистрация №042 1200025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Исследование точности воспроизведения пространственных контуров промышленными роботами # 05, май 2014
DOI: 10.7463/0514.0709548 Иванова А. В., Пономарев Б. Б.
УДК 621.924.6
Россия, ИрГТУ alena91 gistu.edu puswffistu.edu
Введение
Многие современные технологии обработки изделий, такие как шовная электродуговая и лазерная сварка, микроплазменная и гидроструйная резка, сборка и абразивная обработка пространственно-сложных изделий связаны с исполнением движений инструмента с высокой точностью и максимальной скоростью по траекториям, имеющим сложный пространственный контур. Для выполнения таких операций все шире используют технологические промышленные роботы (ПР). Развитие технологий обработки ведет к необходимости увеличения скорости и точности перемещения исполнительного органа ПР по заданной траектории, что предъявляет новые требования к качеству движения ПР и реализации контурных систем управления [2].
В статье рассматривается методика исследования точности воспроизведения пространственных контуров промышленным роботом Fanuc M-710 iC/50. В качестве диагностирующего устройства использована беспроводная система QC20-W ballbar всемирно известной компании Renishaw. Для получения исходных данных и обработки результатов измерений использовано прилагаемое программное обеспечение. Основная цель исследования состояла в разработке универсальной методики определения фактической погрешности воспроизведения сложных контуров, реализуемых многокоординатными технологическими роботами в различных областях их рабочих зон.
1. Описание системы диагностики
В качестве измерительной системы для получения исходной информации была выбрана система QC20-W ballbar (рис.1), которая, по мнению разработчиков и целого ряда
потребителей, является основой метода эффективной диагностики возникновения геометрических ошибок станков с ЧПУ, порождаемых их системами управления, информационно-измерительными системами и приводами станков [4]. Предварительные исследования показали, что выбранная диагностическая система может быть адаптирована и к промышленным роботам.
Рисунок 1 - Беспроводная система QC20-W ballbar
Измерительный датчик ballbar является основным компонентом измерительной системы, этот датчик используется для измерения изменений значений радиуса при вращении системы вокруг неподвижной оси. Он представляет собой прецизионный линейный преобразователь с пределами измерений перемещений ± 1 мм относительно его номинальной длины (100 мм) с погрешностью измерений ±0,5 мкм. При этом погрешность измерений всей системы, при температуре окружающей среды 20°С, составляет ±1,25 мкм. При измерениях на выходе датчик генерирует электрические сигналы, которые подвергаются обработке и передаются на компьютер с использованием беспроводной технологии. Полученные данные могут быть использованы для расчета общих показателей, характеризующих качество контурной обработки. Поставляемый производителем диагностической системы программный пакет Ballbar 20 позволяет получать протокол с результатами подробного анализа ошибок по самым незначительным изменениям номинальной длины датчика, возникающих при отработке движений шпинделя станка по контуру.
Связь системы QC20-W ballbar с компьютером поддерживается с использованием беспроводной технологии Bluetooth класса 2; питание системы обеспечивает внутренняя батарея типа CR2. Программный пакет обеспечивает считывание данных с интерфейса датчика с максимальной частотой 1000 считываний в секунду. При низких скоростях подачи станка в режиме диагностирования система автоматически выбирает низкую частоту считывания, чтобы избежать создания файлов слишком больших размеров. Температура эксплуатации системы 0° С - 40° С.
В комплект системы QC20-W ballbar входят удлинители 50, 150 и 300 мм. Используя различные комбинации удлинителей, можно тестировать технологические системы по контуру с радиусом от 100 до 1350 мм. [4].
2. Метод исследования
Исследование проводилось на фрезерном робототехническом комплексе, показанном на рисунке 2. В данном комплексе робот Fanuc M-710 iC/50 предназначен для подачи заготовок в рабочую зону фрезерного обрабатывающего центра, снятия со станка и перемещения готовых деталей на двух позиционный тактовый стол. Рабочая зона робота ограничена защитным ограждением. Повышенную точность робот должен обеспечивать при установке заготовок деталей различной конфигурации и размеров на стол станка и готовых деталей после снятия со станка на тактовый стол. Поэтому исследование точности воспроизведения контура проводилось в положении установки готовой детали на тактовый стол, на расстоянии от оси вращения основания робота 1030 мм.
Выбор диагностирующей системы QC20-W ballbar не случаен. Предлагаемый в работе [1] метод исследования точности позиционирования промышленного робота с применением индикаторных головок позволяет определить погрешности позиционирования только в статическом состоянии промышленного робота. Тогда, как система QC20-W ballbar позволяет регистрировать эти характеристики в динамике и отображать поведении диагностируемого объекта во время выполнения программ.
Рисунок 2-Фрезерный робототехнический комплекс, где 1 - фрезерный обрабатывающий центр DMU 80P, 2 - промышленный робот Fanuc М-710 Ю/50, 3 - тактовые столы, 4 - защитное ограждение
Система диагностики позволяет исследовать различные области рабочей зоны, как станка, так и промышленного робота с радиусом измерения до 1350 мм., но необходимости в этом нет. Достаточно фрагментарно исследовать интересующую нас область, выявить отклонения и внести коррективы в программу работы робота [5]. Исходя из условий работы робота (основные оси и оси запястья робота Fanuc указаны на рисунке 3) исследование точности воспроизведения контура проводилось на расстоянии от оси вращения основания робота 1030 мм.
Рисунок 3- Основные оси и оси запястья робота, где Л-направление вращения оси 1, J2-направление вращения оси 2, J3-направление вращения оси 3, J4-направление вращения оси 4, J5-направление вращения
оси 5, J6-направление вращения оси 6
На подготовительном этапе проведения исследования, центральный держатель беспроводной системы QC20-W ballbar устанавливается в схвате робота Fanuc; текущее положение точки робота сохраняется в качестве начала координатной системы (X, Y, Z); подготавливается управляющая программа, обеспечивающая управление перемещением датчика ballbar вокруг центрального держателя; настраиваются параметры теста; настраивается связь между датчиком измерительной системы и компьютером. После выполнения подготовительных работ система диагностирования переводится в режим тестирования (рис. 4). До включения управляющей программы движения робота запускается программа сбора данных системы QC20-W ballbar [3].
Рисунок 4 - Установленная система QC20-W ballbar
Выполнение теста происходит по заданным траекториям. Например, для определения точности исполнения движений в плоскости XOY траектория движения осуществляется по схеме, представленной на рисунке 5. Диагностическая система позволяет выполнять тесты по «неполной дуге» 180° и 220°. Система позволяет производить оценку точности диагностируемого объекта при движениях, осуществляемых в различных плоскостях. При определенном наборе запрограммированных перед тестированием движений вокруг единого центра возможно получение картины отклонений от номинальной сферической поверхности.
Подача от центра ф ^
Начало ф ► Подача к центру-'
Описать две овружмости-'
Рисунок 5 - Траектория перемещения робота для сбора данных на дуге 360° против часовой стрелки
3. Результаты исследования
После завершения прогонов результаты измерений отображаются в графическом виде на экране монитора компьютера. Отчеты по диагностике робота Fanuc M-710iC по данным системы QC20-W ballbar представлены на рисунках 6, 7, 8.
Рисунок 6 - Отчет о погрешности движения по окружности в плоскости XOY
Рисунок 7 - Отчет о погрешности движения по окружности в плоскости ZOX
Рисунок 8 - Отчет о погрешности движения по окружности в плоскости ZOY
Из графиков, сформированных диагностирующей системой, следует, что среднее отклонение от круглости при движении схвата робота в плоскости XOY составляет 1099 мкм, в плоскости ZOX- 430 мкм, вZOY- 430мкм. На графике соответствующем движению схвата робота в плоскости XOY имеется две области со значительными отклонениями от номинальной траектории, возникновение которых можно объяснить тем, что в этот момент одновременно все 6 приводов робота отрабатывают запрограммированные движения. При этом ось 4 (рис. 3) вращения запястья руки поворачивается вокруг её продольной оси, на значительный угол, величина которого на много превышает углы поворота звеньев робота относительно других осей, что приводит к росту накопленной ошибки. В отчете о погрешности движения в плоскости XOY (рис. 6) указан допуск на точность позиционирования, и он составляет 2593,3 мкм, что является достаточно большой величиной, но допустимой для данного промышленного робота. К тому же робот имеет достаточно хорошую повторяемость 0,07 мм. Зная величины отклонений от заданных траекторий в определенных местах рабочей зоны робота, возможно, заранее корректировать траектории его движений программным путем на величину ошибки и тем самым свести ее к минимуму, примерно до 0,1 мм.
Различие погрешностей по результатам измерений при движении системы диагностики в плоскостях XOY, ZOX и ZOY объясняется рядом факторов:
1. Движение в плоскости XOY осуществляется по «полной» дуге 360°, движение в плоскостях ZOY, ZOX осуществляется по дуге 180°;
2. При движении в плоскости XOY звенья робота осуществляют одновременное вращение относительно 1, 2, 4 и 5 осей (ось 4 проворачивается более, чем на 180°), при движении в плоскостях ZOY, ZOX задействованы 1, 3 и 5 оси.
По полученным данным в каждой плоскости можно сделать выводы о пространственной точности робота. Итогом такого анализа являются значения, характеризующие отклонения от окружности в каждой плоскости, и значения отклонений от номинальной сферической поверхности, что может быть представлено в виде 3D модели и учтено при программировании работы робота. Появляется возможность ранжирования ошибок в соответствии с долей их влияния на общую погрешность воспроизведения контура. В программе Ballbar 20 формируется «история» о диагностируемом объекте, в данном случае роботе, что позволяет отслеживать изменения его рабочих характеристик и дает возможность принимать обоснованные решения по техническому обслуживанию. История отображается в виде графиков зависимости любого из параметров от времени. В системе Ballbar имеется возможность создавать отчеты о результатах диагностики в различных стандартах, например ISO 230-4:2005. В таком отчете содержится информация об отклонениях от воспроизводимой по управляющей программе окружности, при движениях измерительной системы в двух направлениях.
Выводы
Проведенные исследования фактической погрешности промышленного робота Fanuc M-710iC/50 при воспроизведении пространственного контура на границе его рабочей зоны составили максимально 3000 мкм. Используя отчеты о величинах отклонений программным путем, удалось свести ошибку воспроизведения роботом Fanuc M-710iC/50 заданного контура к минимуму в ±0,1 мм, что является допустимым и удовлетворяет требованиям выполнения промышленным роботом особо точных операций.
Представленная в рамках данной статьи работа проводится при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) по комплексному проекту 2012-218-03-120 «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского государственного технического университета» согласно постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.
Список литературы
1. Бурдаков С.Ф. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов. М.: Высшая школа, 1986. 264 с.
2. Иванова А.В., Пономарев Б.Б., Савилов А.В., Чапышев А.П. Робототехнический комплекс удаления заусенцев после фрезерования деталей // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2013. № 11. С. 49-53.
3. Контроллер R-30iA: Руководство оператора. FANUC Robotics, 2008. 1284 с.
4. Описание и технические характеристики беспроводной системы QC20-W ballbar: каталог. Renishaw, Англия, 2010. 8 с.
5. Ihara Yukitoshi. Ball Bar Measurement on Machine Tools with Rotary Axes // Int. J. of Automation Technology. 2012. Vol.6, no. 2. P. 180-187.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THH BAUMAN MSTU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. N»0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Study fidelity spatial contours of industrial robots # 05, May 2014
DOI: 10.7463/0514.0709548 A. V. Ivanova, B.B. Ponomarev
National Research Irkutsk State Technical University, 664074, Irkutsk, Russian Federation
alena91 ffistu.edu puswffistu.edu
The purpose of this paper to identify deviations fidelity spatial contours of industrial robots, determine the error pattern detected, and define the ways to solve the problem.
The paper presents the research results of fidelity spatial contours done by Fanuc M-710iC/50 industrial robot when moving along a predetermined path. The proposed method uses a QC20-W ballbar wireless system of Renishaw company, designed to diagnose the state of the measurement and playback linear and angular displacements of the CNC.
The solutions to adapt the QC20-W ballbar system to the constructive peculiarities of industrial robots with five or more independently controlled axes are given. The stages of the preparation of diagnostic systems and software robot movements are described.
According to study results of errors that arise while playing back the programmed motions of a fixed point of robot capture in three mutually perpendicular planes its practical accuracy has been defined when performing movements in a given region of the working area, thereby allowing us, eventually, to draw a conclusion on the possibility to use a robot in one technological process or another.
The study has resulted in emerging the guidelines for the operation of industrial robots with five or more independently controlled axes. Using these guidelines enables us to increase the playback accuracy of the industrial robot to 0.01 mm.
Publications with keywords: exactness, industrial robot, diagnostic system, deviation from roundness, tolerance on positioning accuracy
Publications with words: exactness, industrial robot, diagnostic system, deviation from roundness, tolerance on positioning accuracy
HflflBWUI:■■■■ KBMUgM:.- :.--:.--:.-..: /^EMJKflffltWU:^:■■-:.•■ .■■-: .«if ..-:jMMJKBKKffll' :jjJMfc..■ ■■-JjgaMKBaBM.'-:■■-MBMKBjBSa■■:■■ MBUfc■■-: .-MBMJBfcMBg:.
References
1. Burdakov S.F. Proektirovanie manipulyatorov promyshlennykh robotov i robotizirovannykh kompleksov [Designing manipulators of industrial robots and robotic complexes]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1986. 264 p. (in Russian).
2. Ivanova A.V., Ponomarev B.B., Savilov A.V., Chapyshev A.P. [Robotic System Performing Deburring after Part Milling]. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta- Vestnik of Irkutsk State Technical University, 2013, no. 11, pp. 49-53. (in Russian).
3. FANUC R-30iA Controller Manual. FANUC Robotics, 2008. 1284 p.
4. QC20-W wireless ballbar system description and specifications. Renishaw, UK, 2010. 8 p.
5. Ihara Yukitoshi. Ball Bar Measurement on Machine Tools with Rotary Axes. Int. J. of Automation Technology, 2012, vol.6, no. 2, pp. 180-187.
