Posições TCP

Resumo

Ponto central da Ferramenta (Tool Center Point) de um robot industrial são posições de elementos críticos de manipulação em aplicações dos programas desses robôs industriais. As suas medições precisas dependem da geometria real e das posições dos componentes de uma célula do robô. Pequenas mudanças de componentes, tais como as posições dos robôs, dos seus terminais, dos seus dispositivos eléctricos, das peças nas células robô que farão variar as posições TCP do robô usada em programas existente do robot.

I. Introdução

Uma célula básica robótica consiste de um robô e seus dois componentes periféricos essenciais: o elemento terminal” e o equipamento. Um elemento terminal é um dispositivo mecânico ou ferramenta ligado ao painel frontal do punho de um robô, que permite que o robô executar uma tarefa específica, tais como soldar, montar e desmontar componentes, empacotar, manuseio de materiais, e outras funções que sejam necessárias. Um dispositivo é uma entidade rígida em que o robô executa a sua tarefa em particular a parte ou partes, que pode ser tão simples como uma mesa de bancada ou um tapete com estruturas especialmente concebidos para fixar ou prender a peças ou as peças. Com estes três componentes numa célula de robótica real e a peça ou as peças a serem manipuladas pelo robô através de um programador de robôs que podem ser definir as posições do TCP (tool-center-point) através do “teach pendant”, essas posições são usados em programas de robôs para executar tarefas especificado com robô, a IMAGEM01 mostra um exemplo de uma célula, onde um robô IRB 140 pode ser programado para fazer as operações do robô simples e ou complexas.

IMAGEM01

Muitas vezes as dimensões geométricas e as posições dos componentes de uma célula robótica podem são representadas por modelos CAD, formando assim um modelo matemático e geométrico da célula de robô real, como mostrado na IMAGEM 02.

IMAGEM 02

As posições do robô, elemento terminal, equipamento, e das partes no modelo geralmente são representados como coordenadas cartesiana e medidos em valores nominais, respectivamente. Através do uso de aplicações de simulação de robôs como seja o RobotStudio, ROBCAD, CIMSTATION, e outros, os programadores robô podem usar directamente os valores nominais de um modelo de simulação CAD, para definir as posições do robô TCP e após isso usar em programas de simulação de robôs. A tecnologia das aplicações de simulação das posições e trajectórias do TCP do robô e outras funções necessárias para as movimentações para o controlador do robô na célula correspondente do robô real para execução de programas do robô é se designada de programação de robôs offline (LPO). Além das aplicações de programação off-line de um robô, há muitas vezes casos em que os técnicos devam de ser capazes de forma rápida e confiável de transferência ou baixar o desenho das trajectórias para os robô que estão na produção sendo isto mais rápido implementar entre duas idênticas células de robôs. Teoricamente, se todos os componentes de uma célula de robô são fabricados perfeitamente por exemplo com tolerâncias de zero, transferir e baixar programas de robô "idêntico" células robô pode ser feito facilmente. Na prática entretanto devido às tolerâncias de fabricação inerente, não existem desvios iguais entre as células componentes do robô, assim a transferência directa dos programas do robô entre duas células idênticas de robôs reais ou entre uma célula do robô real e seu modelo de simulação de células base é fazer com que as posições TCP do robô sejam imprecisas, resultando em trajectórias do robô imprecisas e até mesmo colisões do TCP do robô na célula. Diferentes métodos de calibração foram desenvolvidos para aumentar a precisão dos componentes celulares, entre as aplicações práticas dos métodos, que permitem que o utilizando sensores de força poder calibrar o robô, elemento final e o equipamento de uma célula de um robô com um conjunto de medidas de posição estáticas. Devido à sua facilidade de uso e o desempenho de confiança em sistemas de medição que tem sido utilizado com sucesso na área da robótica industrial para rápido desenho de trajectórias do robô e da sua implementação na célula.

A calibração de uma célula robótica é um processo inicial de determinação das dimensões reais dos componentes de uma dada célula do robô versus o seu valor das dimensões nominal ou previamente calibrado e em seguida usando a diferença entre o real e o nominal ou do valor previamente calibrados para corrigir as dimensões previamente definidas nas posições do robô TCP em conformidade para que possam ser utilizadas por programas existentes de produção de robôs na célula robô real. As aplicações desta tecnologia efectivamente visam a atender às demandas e necessidades de transferência directa ou transferir os programas de produção dos robôs entre uma célula robotizada idêntica, sem problemas de imprecisão das posições do robô TCP.

IMAGEM03

O sistema RoboStudio é um sistema completo que é capaz de identificar e compensar troços de posições de um robô, “efetuador terminal” e o equipamento em duas células de robôs iguais. A IMAGEM03 pode se ver o hardware padrão do sistema e componentes de software. O dispositivo de medição usa hardware periféricos necessários, tais como cabos e adaptadores para medir a posição do robô TCP especificada numa célula de um robô em relação a distância das peças, como se vê na IMAGEM04. Excelente desempenho da medição é conseguido através da utilização de componentes altamente sofisticado, um adaptador de base preciso é usado para montar o dispositivo de medição num ponto de alinhamento.

A aplicação como mostrado na IMAGEM05 permite uma criação rápida e fácil para a criação de qualquer célula do robô real ou baseados em simulações, os ficheiros que são enviados para o robô com o conteúdo dessas calibrações apresentam se num formato ASCII que são criadas no controlador do robô real ou no software de simulação de robôs. Eles são usados para definir e medir os pontos de calibração de robôs na célula do robô, o ficheiro com as coordenadas geradas pelo controlado da ABB com todos os pontos de calibração de robôs na célula.

III. Medições e calibrações

O processo de calibração invoca os métodos de medição posições estáticas numa célula do robô, isto é feito através do estabelecimento de pontos do robô necessário para calibração dos pontos de alinhamento de fixação e os pontos “efetor terminal” de medição TCP na célula.

A. Pontos de calibração e Calibração Robô

Um robô pode ser avaliado através da sua absoluta precisão geométrica. O processo envolve identificar com precisão ou medir os parâmetros da geometria robô real representada pela norma dos parâmetros de DH –“Denavit Hartenberg”, e utilizando os parâmetros identificados para compensar as posições TCP do robô para que o impacto das tolerâncias de manufactura possa ser totalmente eliminado.

Nos sistemas usuais os pontos de calibração dos robôs são uma série de posições estáticas percorrida pelo robô TCP durante a execução de um ou vários programas de calibração do robô, é importante seleccionar um conjunto ideal de pontos de calibração que irá resultar numa calibração do robô na célula. Para esse efeito, algumas orientações devem ser seguidas, como regra geral é recomendável ter pelo menos o dobro de pontos de calibrações do que de parâmetros de calibração do robô a ser calibrado, de forma a eliminar tanto quanto possível, qualquer "ruído" inevitável devido à medição, repetibilidade robô, a selecção inadequada de calibração parâmetros, etc. Dependendo da precisão necessária, um mínimo do total de 30 pontos de calibração são necessárias, e para aplicações de alta precisão, até um total de 50 pontos de calibração pode ser necessário, praticamente um total de 40 pontos de calibração são sugeridas para aplicações tais como solda a ponto. Também é importante seleccionar os pontos de calibração de robôs que são capazes de mover cada junta do robô, tanto quanto possível, a fim de "estimular" seus parâmetros de calibração conforme mostrado na IMAGEM04 e a IMAGEM05.

IMAGEM04

IMAGEM05

Isto é conseguido não só pelo movimento do robô no espaço Z, X, Y, mas também pela mudança de orientação do robô em torno do TCP, bem como suas configurações como por exemplo flip-flop.

Para iniciar as medições, o utilizador inicia as medições através da dada aplicação e então começa-se a executar a aplicação de calibração do robô que se move o adaptador no elemento terminal em cada ponto de calibração definido pelo robô. Como o robô TCP atinge cada ponto de calibração, o operador pode manualmente no medir e enviar as medições correspondentes obtidas a partir do dispositivo de medição para a aplicação se o modo de medição manual é usado, caso contrário com o modo de medição de automático do programa do TCP do robô, para em cada ponto de calibração de um robô alguns segundos durante o qual o ponto de calibração do robô é automaticamente medido e enviados para a aplicação pelo dispositivo de medição. Depois que a aplicação do robô conclui inspecciona todos os pontos de calibração de robô, um ficheiro de medição do TCP é gerado.

B. pontos de medição e calibração elemento terminal

A calibração elemento terminal do TCP pode ser obtido simultaneamente com a calibração do robô ao usar os programas de offline do robô que contem a mesma calibragem, para calibrar plenamente a posição da estrutura do TCP ou seja, a localização e orientação, pelo menos três pontos do TCP de medição não-colineares devem de ser definidos no elemento terminal e os valores de localização x, y, z desses três pontos de medição precisam para ser conhecidos e expressos nas variáveis do TCP desejada do elemento terminal ser calibrado. Isso pode ser feito através do uso de três tipos diferentes do adaptador anexado ao elemento terminal, neste caso os adaptadores devem ser transferidos para os três pontos de medição diferente do TCP no elemento terminal entre as medições dos pontos de calibração do robô, por exemplo com um total de 40 pontos de calibração de robôs, os primeiros 10 pontos de calibração são medidos com o primeiro ponto de medição TCP, nos próximos 10 pontos de calibração são medidos com o segundo ponto de medição TCP, etc., no entanto, um ponto de medição da TCP no elemento terminal é suficiente que apenas a localização do quadro TCP precisa ser calibrada.

C. Pontos de alinhamento Fixação e Calibração

A calibração de um dispositivo é para determinar a posição do dispositivo real em relação ao espaço real da base do robô na célula. Para isso, o dispositivo de medição deve ser montado com o máximo de pontos de alinhados ao dispositivo durante o processo de medição, pode ser uma regra comum que os pontos de alinhamento com o acessório não deve ser colinear, e não muito próximos uns dos outros em relação das posições transferidas pelo TCP do robô, normalmente os quatro cantos de uma mesa de equipamento pode ser usado como quatro pontos de alinhamento que formam um rectângulo, o cubo virtual formado pela menor margem desse rectângulo inclui o espaço onde as posições do TCP do robô são transferidos e pode ser recuperado pelo sistema. Se todos os pontos de alinhamento forem todos conhecidos em relação ao quadro de um dispositivo definido pelo utilizador, então o utilizador pode digitar directamente os valores conhecidos para definir os pontos de calibração, durante a calibração do dispositivo determina a diferença da posição do quadro de fixação em relação à estrutura do robô e em ambos os casos a célula robotizada e dos pontos reais obtidos através da calibração.

APLICAÇÕES

Com as medição dos parâmetros reais e o alinhamento obtido através de calibração de uma célula do robô de um dado projecto o sistema offline é capaz de compensar as posições do robô previamente definidos do TCP na célula em relação à outra célula do robô idêntico, assim pode ser pode ser possível usar o método de transferência directa ou clonagem de programas de robôs de produção de uma célula para outra idêntica sem imprecisões das posições do TCP do robô.

A. Criar “módulo” do Projeto

Numa célula robótica, como mostrado na IMAGEM07, um programa simples de uma trajectória foi criado para o robô IRB140 da ABB, nesse programa as posições do robô TCP foram realizadas através do ponto final da garra ligada à junta frontal do robô que é capaz de ser precisamente posicionada na ponta sobre o objecto fixado na bancada.

IMAGEM 07

Um ficheiro módulo “.pnf” é criado para calibrar o robot numa célula existente, um padrão de arquivo de parâmetro nominal para robot IRB140 foi seleccionada e adicionada ao arquivado, para gerar os arquivos de medida necessária, um adaptador padrão pode ser localizado fisicamente no ponto final da ponteira do elemento terminal que define TCP final desejado, e na sequencia da execução da aplicação de calibração do robô permite que o sistema gerar automaticamente os correspondentes arquivos de medição, finalmente a aplicação do robô converte em seus arquivos em ASCII e insere no arquivo do robot. O utilizador usou determinados passos para realizar o processo de calibração do robô. Como apenas um ponto de medição do TCP que foi definido por um adaptador na ponta da ponteira durante o processo de medição dos pontos pré-definidos e apenas os valores de localização TCP no eixo cartesiano x, y, z, em que foram calibrados, não havendo assim a necessidade de realizar a calibração de fixação no ficheiro “modulo”, como ele foi criado como um novo projecto e um arquivo de alinhamento padrão é usado automaticamente para ele. Depois de realizar a calibração no salvando os resultados de calibração gerados automaticamente num arquivo novo de parâmetro com os parâmetros reais calibrados.

B. Criar projecto clone

A clonagem física de células robóticas devem de estar disponível para a realização de calibração na aplicação. Sendo assim para um determinado estudo ser se necessário criar uma célula de robô existente (1) alterando ligeiramente a posição do dispositivo de calibração (2), e a re-calibração de braço robótico com pequenas alterações nos valores zero para um robô diferente. Após essas mudanças a aplicação do programa de produção desenvolvido originalmente para o robô é executado na célula do robô clone para demonstrar a inexactidão das posições do robô TCP antes da colocação do clone do calibrador, como resultado o programa do robô movido ponto a ponto de extremidade da ponteira são geradas imprecisões. Isto ocorre porque o "módulo" do "clone" das células de robóticas são supostamente "fechadas" em termos do robô e do elemento terminal e do equipamento. No entanto, o arquivo de parâmetro real deve ser gerado para a célula de robô "clone" por voltar a conduzir a e processos de calibração da célula de robô “clone”, para fazê-lo no “clone" de células, o dispositivo de medição e calibração costuma de ser montado em cada canto da mesa de fixação na mesma ordem e no momento mesmo alinhamento que estavam no “módulo” com os procedimentos de calibração mesmo utilizado no “módulo”, o robô e o elemento terminal na célula do robô “clone” são calibrados e os resultados de calibração são salvos num arquivo de um novo parâmetro. Além disso a fixação na célula do robô “clone” teve de ser calibrado, seleccionando a calibração anterior e isto iria determinar a diferença das posições de fixação dos quadros relativos aos quadros robô base nas células de robótica. Após a calibração do dispositivo, um arquivo novo de alinhamento pode ser gerado no “módulo” do robô “clone".

C. Compensação Pontos

Com a calibração do “módulo” e “clone” das células de robóticas, a aplicação é capaz de compensar as posições do robô TCP nos programas do robô original de produção com respeito aos componentes reais na célula de robô “clone”, para isso os arquivos apropriados devem ser escolhidos tanto o “módulo” e “clone” respectivamente. Normalmente, dois arquivos seleccionados do “módulo” que são transferidos para o programa do robô, o arquivo de parâmetro real, e o arquivo alinhamento nominal, esse dois arquivos seleccionados no “módulo” do “clone” são os arquivos de parâmetro real e o do arquivo alinhamento real, após verificado o nome do arquivo e os valores do TCP do programa a ser “clonado” a análise das compensações que são registadas.

V. CONCLUSÃO

Transferir ou correr programas de robôs de uma linha de produção para células robóticas “idênticas” é uma tarefa importante no projecto do robô, pelo que permite uma rápida implementação de células robóticas e a manutenção. A tecnologia da calibração das células robóticas apresenta determinados sistemas capazes de recuperar com êxito e com precisão das posições TCP do robô, para ser transferido ou baixado de uma célula “idêntica” para outras células., isso permite o sucesso das aplicações off-line.