CN112238340A - 一种三轴螺丝机的标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机器人技术领域，具体为一种三轴螺丝机的标定方法，通过将锁螺钉装置与三轴SCARA机器人结合演变为可适配四轴机器人控制系统的四轴机器人，以适用于现有的四轴机器人标定方法，从而得出三轴SCARA机器人的零点校正值、减速比校正值、连杆校正值，再将上述校准值导入四轴机器人控制系统中进行校准，完成后将三轴SCARA机器人和锁螺钉装置分别接入三轴机器人控制系统和电批控制器，并导入校准后的零点坐标和参数，再将锁螺钉装置的批头伺服电机更换为原来的三相异步电机，从而完成三轴螺丝机的标定，与现有的三轴螺丝机的标定方式相比，本发明适用于采用三相异步电机等普通电机的三轴螺丝机，其精准度高，人为因素的影响较少，能确保校准的可靠性。

Description

一种三轴螺丝机的标定方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体为一种三轴螺丝机的标定方法。
背景技术
现有的三轴螺丝机一般是通过在三轴SCARA机器人上安装锁螺钉装置，三轴SCARA机器人包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，第二连杆通过一轴与第一连杆铰接，第三连杆通过二轴与第二连杆铰接，锁螺钉装置设于第三连杆上，第三连杆设有与锁螺钉装置连接的三轴，一轴、二轴和三轴分别由伺服电机驱动旋转，由于机器人是通过人工将零部件组装起来，在组装过程中难免出现偏差，而机器人控制系统是根据机器人的零点位置、各轴减速比和各连杆的长度构建运动算法模型，如果运动算法模型和机器人实际本体模型存在误差，则会大大地降低机器人的运行精度，因此需要对三轴螺丝机进行标定，拟合出最佳的参数来弥补装配误差。
现有的三轴螺丝机的标定方法主要包括2点校正法和3点校正法，前者是在机器人的运动范围内固定一个尖点，机器人示教两个不同的姿态让电批中心都对准此尖点，通过机器人的两个位姿计算电批中心的位置，后者是在机器人运动范围里面固定一块画有矩形的标定板，控制机器人分别让批头中心对准三个顶点且记录这三个顶点的机器人位置，输入矩形的长和宽，通过计算得出批头中心的位置，上述方式虽然具有弥补误差的算法，但标定过程的点位都需要肉眼校对，精度难以保证，因此，研发一种精度高的三轴螺丝机标定方法是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过将三轴螺丝机演变为四轴机器人的标定方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种三轴螺丝机的标定方法，所述三轴螺丝机包括三轴SCARA机器人和设于机器人末端的锁螺钉装置，所述锁螺钉装置包括批头和驱动批头旋转的三相异步电机；所述标定方法包括以下步骤：
将锁螺钉装置的三相异步电机更换为批头伺服电机，将更换电机后的三轴螺丝机接入四轴机器人控制系统，并向四轴机器人控制系统导入三轴螺丝的理论零点和理论参数，由四轴机器人控制系统控制更换电机后的三轴螺丝机的运作，从而将三轴螺丝机演变为四轴机器人，并适配四轴机器人控制系统。
将激光跟踪仪的反射靶球固定在批头伺服电机的输出轴上，由反射靶球捕捉三轴螺丝机的运动位置。
在激光跟踪仪所能追踪的区域内控制三轴螺丝机运动采集多个点，获取所述多个点在三轴螺丝机的笛卡尔坐标系上的理论点位，以及在激光跟踪仪上的实际点位，通过对理论点位和实际点位进行最小二乘拟合，从而得出零点的修正值和各参数的修正值，上述多个点是指三轴螺丝机运行时批头端部对应的点位。
控制三轴螺丝机运动至理论零点，在理论零点的位置上根据零点的修正值和各参数的修正值校准三轴螺丝机，并记录校准后的零点位置坐标，断开三轴螺丝机与四轴机器人控制系统的连接，将三轴SCARA机器人接入三轴机器人控制系统，将锁螺钉装置接入电批控制器，并将校准后的零点位置和各参数的修正值导入三轴机器人控制系统，最后将锁螺丝钉装置的批头伺服电机替换为三相异步电机。
由于现有技术中的四轴机器人可直接采用激光跟踪仪进行标定，但前提需要标定的对象为四轴机器人，而三轴螺丝机为了控制设备成本，锁螺钉装置的电机一般只需采用三相异步电机即可满足其功能的需求，因此不符合四轴机器人标定方法的条件，本发明通过先将锁螺钉装置的三相异步电机替换为批头伺服电机，使得更换电机后的锁螺钉装置与三轴SCARA机器人结合演变为可适配四轴机器人控制系统的四轴机器人，从而可应用现有的四轴机器人标定方法，以得出三轴SCARA机器人的零点校正值、减速比校正值、连杆校正值，再将上述校准值导入四轴机器人控制系统中进行校准，完成后断开与四轴机器人控制系统之间的连接，将三轴SCARA机器人和锁螺钉装置分别接入三轴机器人控制系统和电批控制器，并导入校准后的零点坐标和参数，最后将锁螺钉装置的批头伺服电机更换为原来的三相异步电机，从而完成三轴螺丝机的标定，与现有的三轴螺丝机的标定方式相比，本发明提供的标定方式适用于采用三相异步电机等普通电机的三轴螺丝机，其精准度高，人为因素的影响较少，能确保校准的可靠性。
进一步的，所述零点的修正值包括各连杆的零点修正值，校准三轴螺丝机时，四轴机器人控制系统根据各连杆的零点修正值控制对应连杆转动相应的角度。
进一步的，所述理论参数包括三轴SCARA机器人各轴的减速比、各连杆的长度和锁螺钉装置的批头伺服电机的减速比。
进一步的，向三轴机器人控制系统导入各参数的修正值时只需导入三轴SCARA机器人参数的修正值，即三轴SCARA机器人各轴的减速比、各连杆的长度，无需导入锁螺钉装置的批头伺服电机的减速比。
进一步的，上述获取理论点位和实际点位的步骤包括：通过示教的方式手动驱使三轴螺丝机运行，以在激光跟踪仪所能追踪的范围内记录随机的50个点，将上述50个点在三轴螺丝机的笛卡尔坐标系上的理论点位导入激光跟踪仪，再启动三轴螺丝机运行上述50个点，通过反射靶球捕捉上述50个点在激光跟踪仪上的实际点位。
进一步的，四轴机器人控制系统设有分别与锁螺钉装置的批头伺服电机、三轴SCARA
机器人各轴的伺服电机电连接的控制模块，三轴机器人控制系统与电批控制器电连接，其设有分别与三轴SCARA机器人各轴的伺服电机电连接的控制模块。
进一步的，锁螺钉装置上用于安装所述批头伺服电机或所述三相异步电机的输出轴的轴孔公差小于±0.02mm，从而确保更换电机后批头与对应电机输出轴的轴心一致，以保证校准的精准度。
进一步的，在将锁螺钉装置的批头伺服电机替换为三相异步电机时，需确保三轴SCARA机器人的各连杆相对静止，防止改变校准后的零点位置。
进一步的，在校准完三轴螺丝机后将反射靶球拆除。
附图说明
图1为三轴螺丝机的结构示意图，其中L1为第一连杆的长度，L2为第二连杆的长度，L3为第三连杆的长度；
图2为三轴螺丝机更换批头伺服电机前的结构示意图；
图3为三轴螺丝机更换批头伺服电机后的结构示意图；
图4为四轴机器人控制系统的电路图；
图5为三轴机器人控制系统和电批控制器的电路图；
图6为导入理论参数的示例图；
图7为对理论点位和实际点位进行最小二乘拟合的示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
参见图1至图5，本实施例提供一种三轴螺丝机的标定方法，涉及四轴机器人控制系统4、三轴机器人控制系统5、电批控制器6和激光跟踪仪，所述三轴螺丝机包括三轴SCARA机器人1和锁螺钉装置2，三轴SCARA机器人1包括第一连杆11、第二连杆12和第三连杆13，第二连杆12通过一轴101与第一连杆11铰接，第三连杆13通过二轴102与第二连杆12铰接，锁螺钉装置2设于第三连杆13的末端，第三连杆13设有与锁螺钉装置2连接的三轴103，一轴101、二轴102和三轴103分别由对应的伺服电机驱动旋转，其中一轴101、二轴102用于驱动对应的连杆转动，三轴103用于驱动锁螺钉装置2升降，锁螺钉装置2包括批头23和驱动批头23旋转的三相异步电机21。
所述标定方法包括以下步骤：
步骤1，参见图2至图4，将锁螺钉装置2的三相异步电机21更换为批头伺服电机22，将更换电机后的三轴螺丝机接入四轴机器人控制系统4，并向四轴机器人控制系统4导入三轴螺丝的理论零点和理论参数，由四轴机器人控制系统4控制更换电机后的三轴螺丝机的运作，从而将三轴螺丝机演变为四轴机器人，并适配四轴机器人控制系统4。
其中，上述理论参数包括三轴SCARA机器人1各轴的减速比、各连杆的长度和锁螺钉装置2的批头伺服电机22的减速比，所述四轴机器人控制系统4设有分别与锁螺钉装置2的批头伺服电机22、三轴SCARA机器人1各轴的伺服电机电连接的控制模块，如图4所示，图中模块J1、J2、J3分别为控制一轴101、二轴102、三轴103对应伺服电机的控制模块，J4为控制批头伺服电机22的控制模块。
步骤2，参见图3，固定激光跟踪仪，并将激光跟踪仪的反射靶球3固定在批头伺服电机22的输出轴上，由反射靶球3捕捉三轴螺丝机的运动位置。
步骤3，通过示教的方式手动驱使三轴螺丝机运行，以在激光跟踪仪所能追踪的范围内记录随机的50个点，上述50个点是指三轴螺丝机运行时批头23端部对应的点位。
步骤4，将上述50个点在三轴螺丝机的笛卡尔坐标系上的理论点位导入激光跟踪仪。
步骤5，参见图6，将理论参数导入激光跟踪仪。
步骤6，先启动激光跟踪仪，再启动三轴螺丝机运行上述50个点位，通过反射靶球3捕捉上述50个点在激光跟踪仪上的实际点位。
步骤7，参见图7，对理论点位和实际点位进行最小二乘拟合，根据最小二乘拟合曲线算出零点的修正值和各参数的修正值。
步骤8，控制三轴螺丝机运动至理论零点，在理论零点的位置上根据零点的修正值和各参数的修正值校准三轴螺丝机，具体的，上述零点的修正值包括各连杆的零点修正值，校准三轴螺丝机时，四轴机器人控制系统4根据各连杆的零点修正值控制对应连杆转动相应的角度，从而实现对三轴螺丝机零点的校准。
步骤9，记录校准后的零点位置坐标，关闭电源并确保在电源关闭期间三轴螺丝机不能移动，以免改变校准后的零点位置。断开三轴螺丝机与四轴机器人控制系统4的连接，将三轴SCARA机器人1接入三轴机器人控制系统5，将锁螺钉装置2接入电批控制器6，三轴机器人控制系统5与电批控制器6电连接、如图5所示，三轴机器人控制系统5设有分别与三轴SCARA机器人1各轴的伺服电机电连接的控制模块。
步骤10，开启电源并将校准后的零点位置和各参数的修正值导入三轴机器人控制系统5，具体的，只需导入三轴SCARA机器人1参数的修正值，即导入三轴SCARA机器人1各轴的减速比、各连杆的长度，而无需导入锁螺钉装置2的批头伺服电机22的减速比。
步骤11，拆除反射靶球3并将锁螺钉装置2的批头伺服电机22替换为三相异步电机21。
参见图3，对于上述涉及到更换电机的步骤，为了保证校准的精确度，要确保更换电机后对应电机输出轴与批头23的轴心一致，，因此将锁螺钉装置2上用于安装所述批头伺服电机22或所述三相异步电机21的输出轴的轴孔20公差设置为小于±0.02mm。
由于现有技术中的四轴机器人可直接采用激光跟踪仪进行标定，但前提需要标定的对象为四轴机器人，而三轴螺丝机为了控制设备成本，锁螺钉装置2的电机一般只需采用三相异步电机21即可满足其功能的需求，因此不符合四轴机器人标定方法的条件，本发明通过先将锁螺钉装置2的三相异步电机21替换为批头伺服电机22，使得更换电机后的锁螺钉装置2与三轴SCARA机器人1结合演变为可适配四轴机器人控制系统4的四轴机器人，从而可应用现有的四轴机器人标定方法，以得出三轴SCARA机器人1的零点校正值、减速比校正值、连杆校正值，再将上述校准值导入四轴机器人控制系统4中进行校准，完成后断开与四轴机器人控制系统4之间的连接，将三轴SCARA机器人1和锁螺钉装置2分别接入三轴机器人控制系统5和电批控制器6，并导入校准后的零点坐标和参数，最后将锁螺钉装置2的批头伺服电机22更换为原来的三相异步电机21，从而完成三轴螺丝机的标定，与现有的三轴螺丝机的标定方式相比，本发明提供的标定方式适用于采用三相异步电机21等普通电机的三轴螺丝机，其精准度高，人为因素的影响较少，能确保校准的可靠性。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种三轴螺丝机的标定方法，所述三轴螺丝机包括三轴SCARA机器人和设于机器人末端的锁螺钉装置，所述锁螺钉装置包括批头和驱动批头旋转的三相异步电机；所述标定方法包括以下步骤：
s01.将所述三相异步电机更换为批头伺服电机；
s02.将三轴螺丝机接入四轴机器人控制系统，并向四轴机器人控制系统导入三轴螺丝机的理论零点和理论参数；
s03.将激光跟踪仪的反射靶球固定在批头伺服电机的输出轴上，由反射靶球捕捉三轴螺丝机的运动位置；
s04.在激光跟踪仪所能追踪的区域内控制三轴螺丝机运动采集多个点，以获取所述多个点在三轴螺丝机的笛卡尔坐标系上的理论点位，以及在激光跟踪仪上的实际点位；
s05.对理论点位和实际点位进行最小二乘拟合，得出零点的修正值和各参数的修正值；
s06.在理论零点的位置上根据零点的修正值和各参数的修正值校准三轴螺丝机，并记录校准后的零点位置坐标；
s07.断开三轴螺丝机与四轴机器人控制系统的连接，将三轴SCARA机器人接入三轴机器人控制系统，将锁螺钉装置接入电批控制器，并将校准后的零点位置坐标和各参数的修正值导入三轴机器人控制系统；
s08.将锁螺钉装置的批头伺服电机替换为三相异步电机。
2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述零点的修正值包括各连杆的零点修正值，校准三轴螺丝机时，所述四轴机器人控制系统根据各连杆的零点修正值控制对应连杆转动相应的角度。
3.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述理论参数包括三轴SCARA机器人各轴的减速比、各连杆的长度和锁螺钉装置的批头伺服电机的减速比。
4.根据权利要求3所述的标定方法，其特征在于，向三轴机器人控制系统导入各参数的修正值时只需导入三轴SCARA机器人参数的修正值。
5.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，对于步骤s04，先通过示教的方式手动驱使三轴螺丝机运行，以在激光跟踪仪所能追踪的范围内记录随机的50个点，将上述50个点在三轴螺丝机的笛卡尔坐标系上的理论点位导入激光跟踪仪，再启动三轴螺丝机运行上述50个点，通过反射靶球捕捉上述50个点在激光跟踪仪上的实际点位。
6.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述四轴机器人控制系统设有分别与锁螺钉装置的批头伺服电机、三轴SCARA机器人各轴的伺服电机电连接的控制模块。
7.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述三轴机器人控制系统与电批控制器电连接，其设有分别与三轴SCARA机器人各轴的伺服电机电连接的控制模块。
8.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述锁螺钉装置上用于安装所述批头伺服电机或所述三相异步电机的输出轴的轴孔公差小于±0.02mm。
9.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，在将锁螺钉装置的批头伺服电机替换为三相异步电机时，需确保三轴SCARA机器人的各连杆相对静止。
10.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，在校准完三轴螺丝机后将反射靶球拆除。
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