确保发那科机器人零点标定（零点复归）精度的3种方法
确保发那科机器人零点标定（零点复归）精度的3种方法
- 随便聊聊
- 先贴结论
- 一、测试项目
- 二、测试方法
- 三、不同零点复归方法精度测试
- 1、测试过程
- 2、测试数据
- 3、测试结论
- 四、重做用户及工具坐标系测试
- 1、测试过程
- 2、测试数据
- 3、测试结论
- 五、FANUC机器人快速零点复归原理研究
- 1、相关系统变量
- 2、FANUC机器人编码器原理
- 3、SRVO-075报警消除原理
- 4、快速零点复归原理
- 六、零点丢失故障应对方法总结
- 七、注意事项
随便聊聊
最近接触了库卡的机器人，在上电的过程中，本想着需要确认一下机器人各轴零点是否对齐，深入查看后才发现库卡机器人并没有各轴零点标牌对齐一说，而是有一套专门的零点标定工具叫做EMD。
理解下来，大致原理就是如果机器人机械零点丢失，客户需要使用EMD标定工具，工具有一支测头，安装到转轴处。在轴转动的过程中，测头会检测到固定安装在机器人各轴上的V形槽的位置，依次来确认各轴零点位置。
发那科的零点标定方法，则是目视各轴对齐刻度后记录零点数据。当然也有导入零点数据就可以恢复零点的情况，这种情况不在此深究；也有专门的夹具用于零点恢复，但我没用过，也没见别人使用过，也不在此深究。
实际使用过程中，在一些对精度要求较高的应用中，零点数据丢失后，常规的全轴零点复归方法，由于目视对齐刻度始终存在误差的原因，实测零点复归后并不能满足精度要求，在零点复归后还需要微调工艺轨迹，导致停产。
案例：2019年，宁波T公司，客户1台用于车门内板双组份密封胶涂胶的M-710iC/50机器人，由于本体电池电量耗尽导致零点丢失。使用全轴零点复归方法重做零点后，发现涂胶轨迹存在偏差，多次尝试后仍存在偏差，需临时调整轨迹后恢复生产。
由此可见，标准的全轴零点复归方法不能适用于所有场合，发那科全轴零点复归的操作方法，在网上能够找到比较标准的版本，在这儿也不再重复描述；编写此文的目的，倒在于分享一下发那科机器人零点复归背后的原理，以及对应不同故障下的零点复归方法。
先贴结论
1、单纯对刻度的全轴零点复归，可能会导致末端TCP高达10mm以上的位置误差。
2、零点复归精度：快速零点复归 > 单轴零点复归 > 全轴零点复归。
3、全轴零点复归后重做用户坐标系和工具坐标系，也能恢复较高的轨迹精度，但前提是有固定安装的用户坐标系支架和工具坐标系指针。
4、零点丢失后重做零点，要保证精度的话，建议方法如下：
| 故障情况 | 应对方法 |
|---|---|
| 本体/附加轴电池掉电 | 使用快速零点标定方法进行零点复归。在此之前需要先设置快速零点参考位；或者将Master Count和Master Position输入Reference Count和Reference Position作为参考数据（均为系统变量）。 |
| 控制柜电池掉电 | 导入Master文件或手动输入Master Count和Master Position。 |
| 单轴电机、减速机、编码器拆卸更换 | 使用单轴零点标定法，标定后运行轨迹查看偏差情况；然后分别向两侧以某个分度如0.05度进给，进行多次标定，通过实际轨迹或者之前已经做好的标定点位偏差情况，判断零点标定是否OK。 |
一、测试项目
二、测试方法
① 在测试平台上使用胶带固定1根TCP针，设置如下所示的用户坐标系UF1，设置机器人手持笔尖的工具坐标系UT1。
② 激活UF1、UT1，移动手持笔尖与固定TCP针对齐，记录下此时的位置为P[1]。
③ 重做零点标定后，再次激活UF1、UT1，移动手持笔尖与固定TCP针对齐（点位角度相同，即WPR值不变），记录下此时的位置为P[2]，记录下偏差位置Δ=P[1] - P[2]，假定重新标定前为出厂精度，偏差值Δ即可表示再次零点标定后的机器人运动偏差，作为零点复归精度的评判指标。
③ 使用同样的方法测量其他项目，得到各种情况下零点标定精度数据。
④ 分析测量数据，得出结论。
三、不同零点复归方法精度测试
1、测试过程
控制柜断电的情况下，将M-20iA机器人本体电池拆下，等待1min后再装回，模拟本体电池掉电导致零点丢失的故障。
使用全轴零点方法进行零点复归操作后，再次运行程序至P[1]点，如下图所示，机器人到达的位置出现明显偏差；再次尝试后还是存在较大偏差。由此可见，单纯靠各轴对刻度的全轴零点标定方法，标定精度较低。
2、测试数据
由于测试时间有限，每种情况仅测试1~2组数据，供参考。
3、测试结论
零点复归精度：快速零点复归 > 单轴零点复归 > 全轴零点复归。发那科机器人零点丢失后，单纯地仅使用对刻度方式进行全轴零点复归，偏差较大为10mm左右，无法满足某些高精度应用的需求。
四、重做用户及工具坐标系测试
1、测试过程
全轴零点复归后，重新使用3点法设置UF2及UT2，UF2及UT2的数值如下：
① 激活UF1与UT2，测试仅重做工具坐标系的偏差；
② 激活UF2与UT1，测试仅重做用户坐标系的偏差；
③ 激活UF2与UT2，测试同时重做用户及工具坐标系的偏差；
2、测试数据
由于测试时间有限，每种情况仅测试1~2组数据，供参考。
3、测试结论
全轴零点复归后，同时重做用户及工具坐标系，能够满足精度要求；仅重做用户坐标系或者仅重做工具坐标系，都无法满足精度要求。
但该方法在实际应用时有一定难度，一方面作为用户坐标系标记的坐标系支架位置可能会发生变动；另一方面某些应用多采用直接输入TCP方法，无法再次示教工具坐标系。
因此实际应用中，还是要靠保证零点复归精度来保证轨迹精度。
五、FANUC机器人快速零点复归原理研究
1、相关系统变量
使用系统变量得出，M-20iA机器人各轴编码器分辨了为2e19 = 524288。
使用系统变量计算得出，M-20iA机器人及M-710iC/20L机器人的传动比如下。
2、FANUC机器人编码器原理
增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。
一般来说，增量式光电编码器输出A、B 两相互差90°电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z 相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。
硬件连接示意如下：
编码器接口：
3、SRVO-075报警消除原理
现场实测SRVO-075报警消除原理如下：
① 本体编码器电池掉电重启后，各轴编码器数据丢失，脉冲值恢复为0。但由于各轴重启后轻微抖动，各轴编码器都有一个较小的脉冲值。
② 脉冲复位重启后，JOINT坐标下单独点动各个轴，轴单独沿某个方向转动，此时可以看到，脉冲值缓慢增加。这个过程中尝试复位报警发现无法复位掉SRVO-075报警。
③ 继续转动，直到脉冲值突然变小，从0开始重新计数。此后尝试复位报警，可以复位掉SRVO-075报警了，实测M-20iA机器人2轴转动1.7度左右，就能复位掉SRVO-075报警。
④ 整个过程原理如下图所示，只有转动到Z相标识位，编码器才能确认其参考位置，开始重新计数。
4、快速零点复归原理
快速零点复归原理如下图所示，在电气或软件原因导致零点数据丢失时，如本体电池掉电导致零点数据丢失，编码器能在半圈范围内纠正Master Count。
对于M-20iA机器人的1~3轴，电机转1圈对应轴转动2度以上，半圈即为1度，实测目视对刻度精度能保证在1度以内，因此该方法具有实用价值。
现场快速零点复归测试数据如下，验证与原理一致。
因此在非机械原因导致零点丢失时，快速零点复归方法，能够完全恢复初始零点标定精度，避免轨迹调整工作量。
六、零点丢失故障应对方法总结
| 故障情况 | 应对方法 |
|---|---|
| 本体/附加轴电池掉电 | 使用快速零点标定方法进行零点复归。在此之前需要先设置快速零点参考位；或者将Master Count和Master Position输入Reference Count和Reference Position作为参考数据（均为系统变量）。 |
| 控制柜电池掉电 | 导入Master文件或手动输入Master Count和Master Position。 |
| 单轴电机、减速机、编码器拆卸更换 | 使用单轴零点标定法，标定后运行轨迹查看偏差情况；然后分别向两侧以某个分度如0.05度进给，进行多次标定，通过实际轨迹或者之前已经做好的标定点位偏差情况，判断零点标定是否OK。 |
七、注意事项
① 不同的机器人型号，编码器分辨率不一定相同。
② 大部分机器人2、3角度存在联动关系。
③ 某些型号机器人，5、6轴传动机构存在联动关系，如M-20iA机器人，5轴单轴运动时，6轴编码器数值也会发生变化。
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