CN111906817A - 一种六自由度工业机器误差检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六自由度工业机器误差检测系统，包括有误差检测设备和误差检测方法，误差检测设备包括有作为承载结构的空间自由旋转台面，在该空间自由旋转台面的上端固定设置有呈水平的活动面，活动面用于放置标准球；在空间自由旋转台面的一侧固定设置有基座，该基座上固定设置有驱动件，驱动件具有一主轴，且该主轴在驱动件的驱动下进行位移；主轴朝向活动面的一端固定安装有一维位移传感器，一维位移传感器朝向活动面并与活动面相垂直，一维位移传感器具有与标准球的球面相切的接触头端。本发明具有以下优点和效果：可同时满足直线轴和旋转轴几何误差辨识的需求，在成本上和效率上更具竞争力。

Description

一种六自由度工业机器误差检测系统

技术领域

本发明涉及工业检测领域，特别涉及一种六自由度工业机器误差检测系统。

背景技术

当前工业机器人已由单一重复性的工作转向优化和替代高端数控设备的应用领域，并成为航空航天和军工等诸多装备行业的重要工作母机，它不仅可以辅助数控机器人切削高难度的流线造型曲面，还能通过改变刀轴矢量，使刀具更接近切削表面，提高加工精度，其倾角切削方式也能大幅提高加工效率，降低加工时间。目前，它已成为复杂空间曲面高效精密加工核心装备，并在船用叶片、螺旋桨、飞机结构件、汽轮机转子等加工领域有着广泛应用。目前工业机器人加工精度是衡量一个国家精密制造能力、制造业及科技发展水平的重要标志之一。

工业机器人的工作精度除受到系统结构复杂、制造装配误差制约之外，加工过程中的力变形、热变形以及部件的磨损更是难以避免的因素，机器人的工作精度在使用过程中逐渐降低直到失效。几何误差是衡量机器人工作精度的关键指标，定期对机器人的末端执行器几何误差进行测量和校准，特别是当发生碰撞、干涉等异常工况时，及时掌握机器人几何误差的分布情况和变化规律，是制定工业机器人维护方案的重要步骤，也是保障机器人正常使用的关键环节。

其中，获取工业机器人几何误差的空间分布，可直观给出误差的数值大小及其随坐标变化规律，是机器人工作精度评估的基础；机器人几何误差项众多，数值差异大，掌握几何误差项对机器人空间误差作用机制，发现关键性几何误差项，是机器人工作精度维护和校准的关键；机器人精度具有时变性、动态性的特点，运用周期性几何误差测量数据，预测误差的变化趋势，建立精度超差预警机制，是机器人工作精度监测的重点。

然而，对于工业机器人几何误差的测量和识别，现有的商业化精密测量系统价格、使用和维护的成本高昂，直线轴与旋转轴需要不同的测量系统及工装，操作难度大，测量效率较低。对于机器人制造商可通过批量应用摊薄成本，但是对于机器人的终端用户则难以承担。同时，现有研究侧重机器人空间误差分布的测量和识别，对于几何误差重要性的评估，及其演变规律的预测方面尚缺乏系统性的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种六自由度工业机器误差检测系统，以解决背景技术中所提出的不足。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种六自由度工业机器误差检测系统，包括有误差检测设备和误差检测方法，所述的误差检测设备包括有作为承载结构的空间自由旋转台面，在该空间自由旋转台面的上端固定设置有呈水平的活动面，所述的活动面用于放置标准球；

在所述的空间自由旋转台面的一侧固定设置有基座，该基座上固定设置有驱动件，所述的驱动件具有一主轴，且该主轴在驱动件的驱动下进行位移；所述的主轴朝向活动面的一端固定安装有一维位移传感器，所述的一维位移传感器朝向活动面并与活动面相垂直，所述的一维位移传感器具有与标准球的球面相切的接触头端。

进一步设置是：所述的主轴固定连接有一法兰，所述的一维位移传感器由法兰固定，所述的主轴上设置有加速度传感器。

进一步设置是：所述的空间自由旋转台面上端纵向设置有四个行程臂，各所述的行程臂上均纵向设置有螺杆，且在各所述的螺杆上均固定设置有与之螺纹配合的固定座，各所述的固定座均延伸设置有一与活动面相固定的支杆，在各所述的行程臂的下端均固定设置有用于驱动螺杆周向转动的电机。

进一步设置是：所述的误差检测方法包括有以下步骤：

步骤S1、一维位移传感器与标准球的球面相切，并始终与标准球的球面相触；

步骤S2、一维位移传感器的测量值Δl与标准球球心的三维偏移量(Δx，Δy，Δz)相关联，映射关系为：

Δl＝f(Δx，Δy，Δz) (1)

通过移动一维位移传感器，在标准球的球面的不同位置进行测量，从而获得一系列的直线偏差值Δl_i，以此可构建起测量值与标准球球心偏差的映射模型，

通过选择标准球直径R、一维位移传感器位置参数L,以及球面上测点位置及个数，以保证式(2)辨识结果的准确性。

本发明的有益效果在于：

1、在一维位移传感器与标准球所构成的测量系统中，与传统机器人测头最大的不同，在于一维位移传感器可直接获取运动链相对理想位置的偏差值，无需依赖于机器人自身的位移传感器值，从而不受机器人精度变化的影响，可以更为可靠地、准确地反映机器人的空间精度情况。

2、基于工业机器人几何误差测量和评估的基础理论，提出一种低成本、快速的直线轴和旋转轴几何误差综合测量与辨识的误差检测方法，建立几何误差对空间精度影响程度的评价机制，预测几何误差的演变规律，能够为提高工业机器人的加工精度提供理论依据，降低其使用成本，延长其生命周期，具有重要的科学研究和工程应用价值。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为图1中A部的放大图；

图3为图1中B部的放大图；

图4为实施例中基于一维位移传感器测量标准球心三维偏差的原理示意图；

图5为实施例中标准球的球心偏差测量原理示意图。

图中：1、空间自由旋转台面；11、基座；2、活动面；3、驱动件；31、主轴；32、法兰；33、加速度传感器；4、一维位移传感器；41、接触头端；51、行程臂；52、螺杆；53、固定座；54、支杆；55、电机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参考附图1至3，一种六自由度工业机器误差检测系统，包括有误差检测设备和误差检测方法，误差检测设备包括有作为承载结构的空间自由旋转台面1，在该空间自由旋转台面1的上端固定设置有呈水平的活动面2，活动面2用于放置标准球；

在空间自由旋转台面1的一侧固定设置有基座11，该基座11上固定设置有驱动件3，驱动件3具有一主轴31，且该主轴31在驱动件3的驱动下进行位移；主轴31朝向活动面2的一端固定安装有一维位移传感器4，一维位移传感器4朝向活动面2并与活动面2相垂直，一维位移传感器4具有与标准球的球面相切的接触头端41。

主轴31固定连接有一法兰32，一维位移传感器4由法兰32固定，主轴31上固定设置有加速度传感器33。

空间自由旋转台面1上端纵向设置有四个行程臂51，各行程臂51上均纵向设置有螺杆52，且在各螺杆52上均固定设置有与之螺纹配合的固定座53，各固定座53均延伸设置有一与活动面2相固定的支杆54，在各行程臂51的下端均固定设置有用于驱动螺杆52周向转动的电机55。

参考附图4和附图5，误差检测方法包括有以下步骤：

步骤S1、一维位移传感器4与标准球的球面相切，并始终与标准球的球面相触；

步骤S2、一维位移传感器4的测量值Δl与标准球球心的三维偏移量(Δx，Δy，Δz)相关联，映射关系为：

Δl＝f(Δx，Δy，Δz) (1)

通过移动一维位移传感器4，在标准球的球面的不同位置进行测量，从而获得一系列的直线偏差值Δl_i，以此可构建起测量值与标准球球心偏差的映射模型，

通过选择标准球直径R、一维位移传感器4位置参数L,以及球面上测点位置及个数，以保证式(2)辨识结果的准确性。

具体的，在步骤S1中，利用一维位移传感器4取代测头的精密触发开关，实现标准球球心偏差的测量。如附图4所示，一维位移传感器4以电感测头为例，接触头端41为电感测头末端的测头，其与标准球球面相切，并且在内部弹簧力的作用下，始终保持与球面接触。假设当标准球处于理想位置时电感测头的读数为零，若保持电感测头的位置不变，球心的位置产生偏移，于是电感测头的测头在内部弹簧力的作用下也随之移动，其偏移量可以直接从电感测头的数据采集装置读出。

具体的，在步骤S2中，如附图5所示，标准球安装在机器人的活动面上，一维位移传感器4安装在主轴上。同样以高精度的电感测头为例，在理想状况下，若标准球球心坐标和主轴坐标已知，可直接计算出测头的位移。显然计算值应与电感测头读数一致，然而由于工业机器人几何误差的存在，球心和测头将会偏离理想位置，电感测头的读数相比理想值也将产生偏差。因此，该偏差可视为机器人所有运动轴几何误差的综合。

在球心偏差的测量过程中，部分运动轴驱动标准球运动，而另外的运动轴改变电感测头的位置，因此由电感测头与标准球所组成的测量系统中，测头和标准球球心位置都会产生偏移。因此，测头的测量值即为由几何误差引起的机器人运动链的偏差。在这种情况下，运用相对运动的原理，仍可以将测量值等效为电感测头静止，标准球偏移的模式，从而参照式(2)求解标准球球心偏差(Δx，Δy，Δz)。考虑到标准球直径较小，电感测头在多次测量球心偏差时位移较小，因此测量系统的运动链可进一步简化为以标准球球心为基准的封闭式运动链，球心偏差即为机器人所有运动轴几何误差的综合。

基于此，以X轴任一位置几何误差[δ_xx，δ_yx，δ_zx，ε_xx，ε_yx，ε_zx]为例，依据机器人的运动链关系，可建立起几何误差与球心偏差(Δx，Δy，Δz)的映射模型。同样，为了求解6个误差值，至少需要相等数量的线性方程。为此，可以在相同X轴位置上，将标准球安装于不同Y轴或Z轴位置，若球心的理想位置已知，可测出球心相对理想位置的偏差，最终获得如式(3)所示误差辨识方程。

同理，需合理安排标准球的位置以保证方程组解的正确性。对于旋转轴的几何误差辨识，在直线轴的误差校准之后，可将球心偏差全部归结于旋转轴，同样可以建立起如式(3)所示的误差辨识方程。最后，通过求解式(3)即可辨识运动轴几何误差空间分布情况，实现基于球心偏差的工业机器人几何误差的辨识。

在实际应用中，可通过构造标准球阵列并定期校准的方法建立测量基准。相比激光测量仪等精密测量仪器，基于一维位移传感器和标准球的测量系统，可同时满足直线轴和旋转轴几何误差辨识的需求，在成本上和效率上更具竞争力。另外，在测量过程中，相比其它间接测量方法，基于一维位移传感器和标准球的方案采用了与机器人测头一致的测量方法，更为灵活高效。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (4)

1.一种六自由度工业机器误差检测系统，其特征在于：包括有误差检测设备和误差检测方法，所述的误差检测设备包括有作为承载结构的空间自由旋转台面(1)，在该空间自由旋转台面(1)的上端固定设置有呈水平的活动面(2)，所述的活动面(2)用于放置标准球；

在所述的空间自由旋转台面(1)的一侧固定设置有基座(11)，该基座(11)上固定设置有驱动件(3)，所述的驱动件(3)具有一主轴(31)，且该主轴(31)在驱动件(3)的驱动下进行位移；所述的主轴(31)朝向活动面(2)的一端固定安装有一维位移传感器(4)，所述的一维位移传感器(4)朝向活动面(2)并与活动面(2)相垂直，所述的一维位移传感器(4)具有与标准球的球面相切的接触头端(41)。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度工业机器误差检测系统，其特征在于：所述的主轴(31)固定连接有一法兰(32)，所述的一维位移传感器由法兰(32)固定，所述的主轴(31)上设置有加速度传感器(33)。

3.根据权利要求1所述的一种六自由度工业机器误差检测系统，其特征在于：所述的空间自由旋转台面(1)上端纵向设置有四个行程臂(51)，各所述的行程臂(51)上均纵向设置有螺杆(52)，且在各所述的螺杆(52)上均固定设置有与之螺纹配合的固定座(53)，各所述的固定座(53)均延伸设置有一与活动面(2)相固定的支杆(54)，在各所述的行程臂(51)的下端均固定设置有用于驱动螺杆(52)周向转动的电机(55)。

4.根据权利要求1所述的一种六自由度工业机器误差检测系统，其特征在于：所述的误差检测方法包括有以下步骤：

步骤S1、一维位移传感器(4)与标准球的球面相切，并始终与标准球的球面相触；

步骤S2、一维位移传感器(4)的测量值Δl与标准球球心的三维偏移量(Δx，Δy，Δz)相关联，映射关系为：

Δl＝f(Δx，Δy，Δz) (1)

通过移动一维位移传感器(4)，在标准球的球面的不同位置进行测量，从而获得一系列的直线偏差值Δl_i，以此可构建起测量值与标准球球心偏差的映射模型，

通过选择标准球直径R、一维位移传感器(4)位置参数L,以及球面上测点位置及个数，以保证式(2)辨识结果的准确性。

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