工業(yè)機(jī)器人工具參考點(diǎn)裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

敖冰峰 楊宏帥 徐 鵬

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了更好地保證工業(yè)機(jī)器人開展特定工作，就需要對(duì)機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，與此同時(shí)，為了更好地提高機(jī)器人的專業(yè)性，往往在機(jī)器人身上加裝各種執(zhí)行器，用于進(jìn)行各種特定的操作。例如搬運(yùn)機(jī)器人的爪夾、焊接機(jī)器人的焊槍、涂裝機(jī)器人的噴槍等，通過在機(jī)器人的末端加裝執(zhí)行器，可以大大提高工業(yè)機(jī)器人的工作效率，同時(shí)還能夠讓機(jī)器人的工作更加專業(yè)化。由于在工作過程中需要進(jìn)行移動(dòng)或者姿態(tài)的調(diào)整，所以就需要機(jī)器人能夠?qū)ψ陨淼奈恢眠M(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而更好地完成相對(duì)應(yīng)的工作，對(duì)此就需要給機(jī)器人加裝工具參考點(diǎn)裝置，從而更好地提升機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與適應(yīng)能力。

一、工具參考點(diǎn)裝置的意義

在進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)過程中，有很多的操作過程需要有十分精準(zhǔn)的定位，只有如此才能夠更好地保證產(chǎn)品的質(zhì)量，例如在進(jìn)行焊接工作時(shí)，往往需要根據(jù)焊接點(diǎn)的位置和特性進(jìn)行焊接方式和焊接姿勢(shì)的調(diào)整，在人力焊接的過程中，為了更好地保證工藝的水平，往往會(huì)請(qǐng)一些經(jīng)驗(yàn)較為豐富的員工進(jìn)行重要設(shè)備的焊接。在一些設(shè)備的焊接過程中如果出現(xiàn)抖動(dòng)或者其他的問題，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的質(zhì)量出現(xiàn)問題，甚至導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備無法正常使用，盡管使用機(jī)器人進(jìn)行焊接能夠有效地防止抖動(dòng)和其他的問題，但是在整個(gè)焊接過程中需要不斷地進(jìn)行焊接姿態(tài)的調(diào)整，所以需要對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行深度的升級(jí)與改進(jìn)，從而大大提高機(jī)器人的精準(zhǔn)度，所以工具參考點(diǎn)裝置的應(yīng)用就顯得尤為重要。由此可見，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)就必須要加裝工具參考點(diǎn)裝置，只有如此才可以更好地保證機(jī)器人進(jìn)行精準(zhǔn)的姿態(tài)和位置的調(diào)整。

在進(jìn)行裝配時(shí)，首先需要對(duì)機(jī)器人的TCF工具坐標(biāo)系進(jìn)行定義，隨后利用控制系統(tǒng)將TCF在坐標(biāo)系中的具體姿態(tài)與位置進(jìn)行記錄，在完成上述操作之后，機(jī)器人設(shè)備就能夠?qū)崿F(xiàn)各種姿態(tài)的轉(zhuǎn)變，同時(shí)更好地將加裝在機(jī)器人上的工具進(jìn)行姿態(tài)與位置的調(diào)整，根據(jù)實(shí)際的作業(yè)需求進(jìn)行變換，提高機(jī)器人的工作效率和適用范圍。在對(duì)工具坐標(biāo)系進(jìn)行了正確的標(biāo)定之后，就能夠全面提升機(jī)器人的工作效率，不僅可以對(duì)作業(yè)方向進(jìn)行改變，從而更好地做出各種多樣化的動(dòng)作，還能夠?qū)CP進(jìn)行引導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)程序指令的改善，幫助機(jī)器人改變運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)送速度，大大提高了機(jī)器人的穩(wěn)定性。為了更好地保證工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行效率，就需要在操作空間設(shè)定參照點(diǎn)，通過設(shè)定參照點(diǎn)可以大大提高測(cè)量的精度，也就是工具參考點(diǎn)裝置進(jìn)行測(cè)定，這一方式在使用的過程中，可以根據(jù)測(cè)定裝置的不同來選擇相對(duì)應(yīng)的測(cè)定點(diǎn)數(shù)。

二、工業(yè)參考點(diǎn)裝置的功能要求

在進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了保證工作的效率，就需要工業(yè)機(jī)器人的操作能夠簡單、方便、高效，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要對(duì)工業(yè)機(jī)器人使用的工具參考點(diǎn)裝置進(jìn)行優(yōu)化，只有保證了參考點(diǎn)裝置的安全準(zhǔn)確性，才能夠更好地保證工具坐標(biāo)系的準(zhǔn)確性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作過程準(zhǔn)確有效地開展。所以在進(jìn)行參考點(diǎn)裝置的設(shè)計(jì)與使用過程中，需要對(duì)其進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)與測(cè)試，只有保證各項(xiàng)功能都能夠正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)之后，才能將其應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)中去。

(一)要保證參照點(diǎn)保持位置不變。在進(jìn)行測(cè)定的過程中如果參照點(diǎn)的位置發(fā)生了變化，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)測(cè)定的結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致機(jī)器人做出錯(cuò)誤的判斷，同時(shí)還要保證參照物不會(huì)被隨意改變位置，能夠有效抵抗其他事物的干擾，從而保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(二)保證參照點(diǎn)的可及范圍盡量大。在進(jìn)行工具坐標(biāo)系的測(cè)定時(shí)，需要工具和測(cè)定點(diǎn)進(jìn)行接觸，這就需要參照點(diǎn)能夠盡量放置在較大的可及范圍之內(nèi)，從而更好地保證工具可以進(jìn)行接觸。與此同時(shí)，還要保證周圍的干擾因素盡量少，避免工具在進(jìn)行測(cè)定的過程中受到影響，從而導(dǎo)致測(cè)定的結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。對(duì)于參照點(diǎn)而言，還需要保證其自身的干涉區(qū)域盡量達(dá)到最小。

(三)使用硬度與強(qiáng)度較高的材料制作參照點(diǎn)。由于參照點(diǎn)是能夠多次使用的，所以在進(jìn)行參照點(diǎn)的生產(chǎn)時(shí)，需要選用硬度與耐磨性較好的材料，通過使用這類材料可以保證參照點(diǎn)有更長的使用壽命，不容易出現(xiàn)磨損和變形，保證工具坐標(biāo)系的測(cè)定結(jié)果更加精確。

(四)參照點(diǎn)擺放位置要足夠明顯。在進(jìn)行測(cè)定的過程中，往往需要有操作人員進(jìn)行參照點(diǎn)的更換以及對(duì)設(shè)備的操作，因此就需要參照點(diǎn)能夠被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和捕捉，在測(cè)定完成之后也能夠及時(shí)地將測(cè)定點(diǎn)進(jìn)行回收，提高整個(gè)測(cè)定過程的效率。

(五)參照點(diǎn)抗變形能力要強(qiáng)。在進(jìn)行工具坐標(biāo)系的測(cè)算過程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)操作上的失誤，一旦出現(xiàn)操作上的失誤就可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)定點(diǎn)受到損害，所以在制作測(cè)定點(diǎn)時(shí)要選用抗變形能力強(qiáng)的材料，即使遇到外力也能夠保證測(cè)定點(diǎn)不會(huì)損壞。

(六)測(cè)定點(diǎn)避免面出現(xiàn)銳邊、尖端。在測(cè)定點(diǎn)的使用過程中需要操作人員進(jìn)行重復(fù)的移動(dòng)，如果在測(cè)定點(diǎn)表面存在銳邊或者尖端，就很可能在使用的過程中劃傷操作人員，所以為了保證操作人員的安全，就需要加工測(cè)定點(diǎn)時(shí)避免出現(xiàn)鋒利的棱角和銳利的邊緣。

(七)要保證零件的結(jié)構(gòu)簡單易加工。在加工工具參考點(diǎn)裝置時(shí)，首先需要保證零件的結(jié)構(gòu)簡單易加工，與此同時(shí)，還能夠?yàn)楹笃诘氖褂门c維護(hù)創(chuàng)造極大的便利。通過使用良好的加工工藝，能夠在保證零件性能的同時(shí)，提高零件的安裝與使用的便捷程度，大大提高工作效率。

(八)要注重美觀。在進(jìn)行工具參考點(diǎn)的設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮機(jī)器人工程學(xué)的相關(guān)要求，保證設(shè)備能夠與參考點(diǎn)相互作用，從而精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)工具坐標(biāo)系的確定。保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，保證參考點(diǎn)裝置的外形美觀，與周圍的環(huán)境相呼應(yīng)形成一種和諧、穩(wěn)定的氛圍。

三、工業(yè)參考點(diǎn)裝置的設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段使用的尖觸頭的參考點(diǎn)裝置在使用過程中有著一定的弊端，一是利用水彩筆作為尖觸頭工具中的畫筆，往往會(huì)由于筆尖較粗，導(dǎo)致在使用過程中很難確定精確位置，在利用四點(diǎn)法測(cè)定工具坐標(biāo)系時(shí)，往往會(huì)由于精確度不夠而產(chǎn)生較大的故障值。二是在初學(xué)者的使用過程中，由于操作不夠熟練很容易將尖端與工作臺(tái)相撞，導(dǎo)致水彩筆的筆尖損壞，由于更換過程十分復(fù)雜也就需要較長的時(shí)間，使得操作者無法正常使用工具參考點(diǎn)裝置。為了更好地避免上述問題的出現(xiàn)，對(duì)整個(gè)測(cè)定方法和測(cè)定工具進(jìn)行改進(jìn)，就需要設(shè)計(jì)出一款更加簡單高效的參考點(diǎn)裝置。本文針對(duì)參考點(diǎn)裝置的功能要求進(jìn)行了設(shè)計(jì)，改善現(xiàn)階段存在的問題，并提出兩種可行方案。

方案一：在選材方面選擇金屬材料進(jìn)行制造，以此來保證參照點(diǎn)的硬度和強(qiáng)度達(dá)到相對(duì)應(yīng)的要求，從而更好地避免在使用過程中出現(xiàn)磨損和變形的問題。此外，為了保證參照點(diǎn)的可見性高，所以可以使用顏色較為明顯的金屬材料。例如銀白色的鋁合金材料，既能夠滿足硬度、強(qiáng)度、可見性的要求，還能夠保證設(shè)備整體材料的一致性。具體的外形包含底座、圓柱體過渡和圓錐的頂部。這三部分的組合能夠很好地保證結(jié)構(gòu)簡單同時(shí)加工工藝性良好的要求，總體的高度為40mm，底座直徑為40mm，能夠充分滿足參考點(diǎn)裝置的功能要求。

方案二：相比較與方案一而言，方案二在材料上不做出改變，以此來保證強(qiáng)度、硬度、可見性的要求。通過對(duì)方案一的分析可以發(fā)現(xiàn)，方案一設(shè)計(jì)出來的參考點(diǎn)裝置大小相對(duì)較小，因此在方案二的設(shè)計(jì)中針對(duì)這一問題進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)參考點(diǎn)裝置的底座進(jìn)行了加高，與此同時(shí)在結(jié)構(gòu)上將整體結(jié)構(gòu)改為了裝配式結(jié)構(gòu)，大大提高了參考點(diǎn)裝置的可更換性，各項(xiàng)材料的利用率大大提升，總體的長度也加長到了190mm，底座的直徑擴(kuò)大為50mm，有著更高的穩(wěn)定性，即使在與TCP進(jìn)行了接觸也很難發(fā)生位置的改變。

總體來說，方案一在設(shè)計(jì)上結(jié)構(gòu)更為簡單，但是在使用過程中高度不容易調(diào)節(jié)，更適合有操作經(jīng)驗(yàn)的人員進(jìn)行使用。方案二在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于加工工藝的要求較高需要有著豐富的加工和裝配經(jīng)驗(yàn)，制作的周期相對(duì)較長，但是無需進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，適合初學(xué)者進(jìn)行測(cè)定工具坐標(biāo)系的學(xué)習(xí)。兩個(gè)方案各有優(yōu)略，操作者可以根據(jù)自身的喜好和需求進(jìn)行選擇。

四、工業(yè)參考點(diǎn)裝置的應(yīng)用

對(duì)于工業(yè)參考點(diǎn)裝置而言，其主要使用用于工具坐標(biāo)系的測(cè)定中，在完成了工具坐標(biāo)系的測(cè)定之后，工業(yè)機(jī)器人才能夠正常地進(jìn)行工作，利用測(cè)定完成的工具坐標(biāo)系來實(shí)現(xiàn)各種姿態(tài)和位置的轉(zhuǎn)換。在坐標(biāo)系的幫助下，可以大大擴(kuò)大工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍，利用機(jī)器人完成一些難度較高的操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的提升。

五、結(jié)語

在進(jìn)行機(jī)器人工具坐標(biāo)系的測(cè)定時(shí)，必須要使用工具參考點(diǎn)裝置來完成，通過對(duì)參考點(diǎn)裝置的相關(guān)分析，確定了參考點(diǎn)裝置的功能要求，進(jìn)而提出了兩種設(shè)計(jì)方案，為工具參考點(diǎn)裝置的進(jìn)行了優(yōu)化，不僅在教學(xué)與培訓(xùn)過程中有一定的使用價(jià)值，對(duì)工業(yè)機(jī)器人參考點(diǎn)裝置的改進(jìn)也有一定的促進(jìn)作用。