工业机器人产业计量测试需求分析

工业机器人产业计量测试需求分析

一、引言

在近日国务院发布的《中国制造2025》强国战略中，已明确提出将机器人产业列为突破发展的十大重点领域之一。加快工业机器人工业发展离不开计量测试的技术支持。工业机器人制造离不开长度、力学、电磁等多项计量领域的常规量检定、校准、测试计量服务。工业机器人制造难度越大、准确度越高，则相应的围绕产品制造、质量控制的测量准确度也越来越高，测量仪器设备的准确度等级也越来越高。为保证测量准确度而对测量仪器设备的检定/校准要求也越来越复杂。

二、工业机器人本体计量测试需求分析

工业机器人按照其使用功能可以分为焊接机器人、码垛机器人、喷涂机器人、装配机器人、切割机器人，这些工业机器人均可看成是由工业机器人本体加上各自不同末端执行器组成的。工业机器人本体的计量测试是整个工业机器人产业计量测试领域中的核心部分。

机器人本体是机器人的支承基础和执行机构，是所有工业机器人执行各种工业生产操作的基本，它作为各种操作型机器人的工作基础，需要实现大空间转移，且高速度、高精度运行。由于机器人本体部分，尤其是腕部需要承载不同质量，甚至是大质量负载，对机械结构的疲劳强度就提出了相当高的要求，再加上机械手臂在装配过程中对整体装配准确度有很高的要求，因此在机器人本体生产加工过程中对结构准确度控制十分重要。

工业机器人本体的运动性能和振动是重要的计量测试指标，其中运动性能包括位姿特性、轨迹特性、速度特性、负载特性(见1)。

1工业机器人本体计量测试指标

1.位姿特性

机器人运动系统的定位准确度是控制生产线质量水平的关键。要做好实际操作过程中的准确度控制，就要对由机械系统静态运动准确度(几何误差、热和载荷变形误差)和机电系统高频响应的暂态特性(过渡过程)引起的准确度误差进行测试。其中，静态准确度取决于设备的制造准确度和机械运动形式，动态响应取决于外部跟踪信号、系统固有开环动态特性、所采用的减振方法(阻尼)和控制器的调节作用。位姿特性的测试方法有试验探头法、三边测量法、三角测量法、惯性测量法、坐标测量法等。

2.轨迹特性

在选择机器人时需保证机器人的工作轨迹范围必须能够完全覆盖所需施工工件附近区域。任何被操作工件或者对象，从安全的角度出发要求工业机器人即使在偶然失控的状态下也绝不能与被操作对象(人或工件)发生接触或碰撞。从质量控制方面考虑，轨迹定位准确度高低直接影响如喷涂、焊接机器人的生产操作质量，工业机器人取代人力劳动进行各种重复、大量的机械劳动，机器人维修，必然要求机器人具有较高的运动平稳性和重复准确度，以确保不会产生过大的累积误差。因此测试的内容包括轨迹准确度、轨迹重复性、重复定向轨迹准确度及重复定位准确度等。其可采用的方法有轨迹比较法、光学相机法、轨迹描绘法，其中轨迹比较法利用光电传感器测量沿激光束的轨迹准确度/重复性，此方法测量准确度高，但跟踪速度有一定限制。光学相机法则用两个成像装置获取的像确定机器人位置与时间的关系，可跟踪速度较快的末端执行器，但测量准确度相对较低。

3.速度特性

速度和加速度是影响机器人作业效果、工作效率和生产水平的重要参数，机器人的运动速度越高，则其作业效率和生产水平也越高。但是速度加快的同时，其产生的冲击和震动也越大，因此对工业机器人作业过程中的平稳性测试显得尤为重要。对机器人速度性能进行测试有利于保证机器人工作高速、有效地进行。

4.负载特性

测试在不同负载下工业机器人的运动特性，包括位姿特性及轨迹特性，同时研究工业机器人柔性关节的静态柔顺性，测试机器人末端在不同负载作用下最大的位移量，以满足各种机械操作对机器人柔顺性的要求。

5.振动

由于工业机器人的刚度较低，因此，工业机器人在工作时很容易产生震动。当工业机器人应用到某些准确度及平稳性要求较高的领域时，为保证工作质量，必须尽可能提高工业机器人的定位准确度，显然震动对其准确度及平稳性的干扰是不容忽视的。对震动方面的测试，可通过在其末端执行器上安装多维震动及加速度传感器的方法来实现。

三、工业机器人减速器计量测试需求分析

工业机器人产业计量测试离不开工业机器人零部件的计量测试。其中，减速器是工业机器人的核心零部件之一。下面以减速器为例，分析其计量测试需求。

工业机器人关节用减速器一般有谐波减速器和RV减速器。目前在高精度机器人减速机方面，市场份额的75%由两家日本减速机公司Nabtesco和HarmonicDrive垄断。而我国的减速器研究还处于起步阶段，目前，有秦川机床、南通振康、浙江恒丰泰等企业在减速器的研发和制造方面取得了一定突破，但总体而言，减速器仍是我国工业机器人产业发展的主要技术瓶颈之一，其在设计制造和性能测试两方面都存在欠缺，因此对精密减速器进行性能测试十分必要。

为了保证工业机器人减速器的动态特性、延长使用寿命、保证工作的稳定性及可靠性，以及降低运转中的噪声等，需要对减速器的技术指标提出一些相应的计量测试需求。

减速器的主要指标有传动误差和减速比等。其中传动误差可用高精度的圆光栅作为标准器，在减速器的输入和输出端分别安装一个圆光栅，利用电机驱动，通过减速比的换算得到传动误差。此外，减速器传动齿轮的几何准确度是影响减速器传动误差的主要因素，以RV减速器为例，其内部摆线齿轮的尺寸及形状位置误差的要求非常高，ABB机器人维修，一般要求其误差小于3μm。针对尺寸和形位误差，可通过坐标测量的方式来实现。

四、工业机器人外部传感器计量测试需求分析

工业机器人用的传感器可分为内部传感器和外部传感器，如2所示。其中，内部传感器为工业机器人本体的一部分。而外部传感器通常安装于末端执行器上，用来测试机器人所处环境(如是什么物体，离物体的距离有多远等)及状况(如是否有接触和滑落，接触受力是多少)。

2机器人传感器分类

视觉传感器和空间力传感器是两种典型的外部传感器。

视觉传感器主要用于机器人识别、定位及轨迹跟踪，子锐机器人维修，应用领域有机器人抓取、搬运、焊缝跟踪、零配件尺寸检查，自动装配的完整性检查，电子装配线的元件自动定位，IC上的字符识别等，典型的视觉系统一般包括:光学系统、相机、像处理单元(或像采集卡)、像分析处理软件、监视器、通信系统等。其主要计量特性为尺寸探测误差、放大倍率、尺寸分辨力、灰度(颜色分辨率)、失真、灵敏度、响应速度等，主要运用到几何量计量及光学计量技术。

用于机加工和精密装配等领域的工业机器人，其末端执行器上往往安装了空间力传感器来实现精确的力回馈和控制。对于此类力传感器，目前可通过标准力传感器的组合来实现空间多维测量。