激光傳感器在機器人壓裝位置補償的應用

朱俊豪

關鍵詞：激光傳感器；庫卡機器人；位置補償

1引言

隨著工業自動化技術的不斷發展，工業機器人在制造業中起到了至關重要的作用。庫卡機器人作為世界領先的機器人制造商之一，旗下的機器人采用高精度、高可靠性的機械系統和先進的控制系統，實現了高效、精準度自動化作業?？刂葡到y是機器人的大腦、負責機器人的運動控制和邏輯控制確保機器人在各種復雜的環境下穩定運行。發動機缸蓋導管座圈壓裝設備采用了庫卡機器人作為搬運及定位設備，然而，在使用過程中發現，由于溫度變化或者齒輪的磨損，會導致機器人的定位精度下降，出現了導管壓裝時擠出鋁絲的現象，造成了工件的報廢。

為解決這一問題，需要引入高精度的測量技術來實時監測機器人位置的變化，并通過位置補償技術對機器人的運動進行實時調整，從而保證過程的精度和穩定性。激光傳感器作為一種高精度的測量設備，具有出色的性能指標，能夠滿足對機器人定位進行精確測量的需求，為實現位置補償功能提供了可靠的數據支持。

本研究旨在結合激光傳感器與庫卡機器人，探索一種基于測量數據的動態位置補償方法，通過在壓裝過程中對機器人的運動進行動態調整，從而提升壓裝系統的精度和穩定性，為工業生產提供更高效、可靠的解決方案。

2導管座圈壓裝簡介

2.1壓裝設備介紹

缸蓋燃燒室壓縮后點燃，座圈需要承受很高的熱負荷和機械負荷，因此要求座圈有很高的耐磨性和密封性，如果座圈有間隙氣門在工作時就會發生中心偏移，導致有害的熱傳導和氣門及導管孔的快速磨損，還會造成油量的增加。因此公司配置了PROMESS全自動伺服電缸的壓頭，在壓裝座圈和導管的同時讀取壓力和行程數據，實現對壓裝質量進行實時的監控。并采用庫卡機器人作為工件的搬運和定位設備（圖1），確保零件精準的定位壓裝，從而保證壓裝質量的穩定[1]。

2.2壓裝質量問題的產生

隨著運行時間的增加，機器人齒輪會不斷發熱并且磨損，從而導致機器人定位精度的下降，因此導致導管/座圈底孔和壓桿之間的相對位置發生變化，最終導致座圈/導管壓力超過設定范圍。嚴重時，會導致導管、座圈壓裝時擠出鋁絲，甚至導管碎裂的情況，工件因此而報廢。

3激光傳感器介紹

為避免壓裝時質量問題的產生，需解決機器人長時間運行時定位精度下降的問題。因此配置了激光傳感器用于檢測機器人的定位精度（圖2），通過激光傳感器計算出機器人定位精度的變化，并將此變化反饋回機器人用于機器人的位置補償，從而將底孔和壓桿的相對位置控制在可接受的范圍之內。

3.1傳感器工作原理

激光傳感器是一種基于光學原理的高精度位移傳感器，其工作原理基于激光測距技術。傳感器通過發射一束激光光束并測量其反射回來的光信號，從而計算出目標物體與傳感器之間的距離。

具體來說，傳感器內部包含一個激光發射器和一個光電探測器。激光發射器發出一束激光光束，該光束照射到目標物體表面上并反射回來。光電探測器接收反射回來的光信號，并通過測量反射光的時間延遲來計算目標物體的距離[2]。

傳感器利用光的速度以及反射光的時間延遲，通過簡單的物理公式即可精確計算出目標物體的距離，這使得激光傳感器具有極高的測量精度和穩定性。

3.2激光傳感器的選型

根據生產運行的需求，傳感器需要具備以下能力。

3.2.1高精度測量能力

導管/座圈底孔和導管/座圈壓桿的相對位置要求在0.1mm以內，因此需要選擇分辨率小于0.1mm的激光傳感器。

3.2.2寬測量范圍

由于一個工件需要壓裝16個導管/座圈，因此傳感器需要具有較寬的測量范圍，可以適應不同范圍內的位移測量需求。

3.2.3高速測量與響應能力

壓裝設備的循環節拍要求控制在54s以內，因此激光傳感器還需要具有快速的測量速度和響應時間，能夠實時獲取并處理測量數據，保證了實時性要求較高的自動化裝配任務的準確性和穩定性。

3.2.4多種數據接口與通訊協議支持

激光傳感器支持多種數據接口，包括RS422、模擬輸出等，同時還支持常用的通訊協議，如JSON格式，為與其他設備或系統的數據交互提供了靈活性和便利性。

綜上所述，本文選擇了米依ILD1420-25型號傳感器用于實現機器人位置補償的功能。

4位置補償算法設計

4.1傳感器安裝與接線

將兩個傳感器正確安裝在設備當中，分別用于檢測機器人的X和Z向距離。使用設定軟件將傳感器設定為模擬量輸出，輸出為4-20mA的模擬量數據，設定完成后保存并下載至傳感器當中。把傳感器的7號引腳接入24V電源，12號引腳正確接地，11號引腳分別接入西門子高性能模擬量輸入模塊引腳中[3]。

4.2傳感器數據獲取與處理

使用的傳感器測量范圍為0～25.0mm，使用的西門子模擬量模塊輸入范圍為4.0～20.0mA，精度為15位。因此需要將傳感器輸入的0到27649整形數據轉化成0到25的浮點型數據輸出。具體公式為：

式中：y為傳感器浮點型數據位置輸出；a為位置上下限差值與輸入上下限差值之間的比值，即（25-0）/（27649-0）；x為傳感器整形數據輸入；b為位置下限。

基于上述公式，再利用STL語言在編輯軟件里編寫傳感器數值轉化程序，將轉化公式編寫成標準功能塊FC1801以便于后續兩個傳感器數據的獲取。通過該程序塊，只需要將PLC分配給傳感器的輸入地址填寫至正確的引腳，即可將兩個傳感器輸入的整形數據轉化成需要的浮點型數據（即傳感器反饋的實際位置）。

4.3位置補償算法原理

位置補償算法的核心思想是根據通過傳感器反饋的位置信息，計算機器人當前循環的位置誤差，并根據設定的補償上下限判斷是否將數據反饋至機器人，以此來對機器人定位進行修正，以實現高精度的位置控制。以下是位置補償算法的主要原理。

4.3.1位置補償上下限范圍設定

首先，定義補償功能開關，只有補償功能激活時，傳感器位置補償數據才能應用于機器人坐標當中，否則補償數據為0。并且定義補償上下限范圍，當傳感器位置補償數據超過設定范圍時，及時報警提示，避免由于傳感器損壞或者傳感器測量不準確，導致機器人過度補償導致碰撞[4]。

4.3.2位置誤差計算

首先定義空間一個位置作為機器人補償點位，利用激光傳感器記錄該點位的坐標值，并以此定義為位置補償基準（refpos）。在之后的生產過程中，在進入壓裝位置前，先運行至這個固定的補償點位，并由傳激光感器記錄此次機器人位置信息（actpos）。由于溫度變化或者齒輪磨損，機器人運行坐標雖然相同，但是實際到達的位置必然存在細微的誤差，即actpos≠refpos，通過此次位置信息與位置補償基準進行相減（即actpos-refpos），得到機器人位置偏移量（offset）。若偏移量絕對值超過設定的范圍，則認為激光傳感器損壞或者機器人誤差過大偏移量不可信，需要進行檢查和維修。根據以上描述得到位置誤差的計算公式如下。

式中：offset為位置補償值；actPos為當前位置值；refPos為位置基準值；limPos為補償值范圍。

根據上述公式編寫PLC程序，計算機器人實際位置與基準點位的偏差，并將此偏差發送至機器人實際的壓裝坐標當中（圖3）。這樣，機器人的壓裝位置得到修正，確保工件底孔和壓桿之間的相對位置在合格范圍之內，依此來提升機器人的定位精度和壓裝質量。

4.4實驗與驗證

為驗證位置補償算法的性能，需要進行對比實驗。使用庫卡機器人抓取工件，開啟位置補償功能，機器人自動運行至補償點位，然后運行至壓裝點位后停止機器人，使用百分表等工具測量工件底孔相對壓桿的實際偏移量，重復10次并記錄數值。記錄完成后關閉位置補償功能，機器人則不會運行至補償點位，直接到達壓裝點位后停止機器人，同樣記錄工件底孔相對壓桿的實際偏移量，重復10次。對比結果如圖4所示。由此可見，開啟補償功能后工件底孔相對壓桿的偏移量明顯減小，補償功能有效。

5結束語

盡管本論文在位置補償算法的設計與實現方面取得了顯著的成果，但仍存在一些可以進一步優化和改進的方向。

首先，可以考慮引入機器學習和深度學習等先進技術，通過數據驅動的方法優化位置補償算法，提高其在復雜環境下的適應性和泛化能力。其次，可以探索多傳感器融合的方法，將視覺、激光和其他傳感器的信息融合起來，進一步提升機器人的感知能力和定位精度。此外，還可以考慮將位置補償算法應用于更廣泛的工業場景中，例如自動化裝配、精密加工等領域，以滿足不同工業應用的定位需求。

綜上所述，通過持續的研究和改進，可以進一步提升機器人在導管座圈壓裝的定位精度和運動控制性能，為工業生產提供更高效、穩定的解決方案。