Powtarzalność robotów: wartości od ±0,01 do ±0,2 mm

Powtarzalność robotów wynosi w zależności od konstrukcji od ±0,01 do ±0,2 milimetra. Jako parametr użytkowy wg ISO 9283 opisuje, jak dokładnie robot ponownie trafia w pozycję, do której już raz dojechał. Należy ją odróżnić od dokładności absolutnej, czyli trafienia w nowo zaprogramowaną pozycję: bez kalibracji wypada ona wielokrotnie gorzej. Ten artykuł wyjaśnia oba parametry i metodę pomiaru opisaną w normie. Omówione są też typowe wartości dla poszczególnych typów robotów oraz czynniki, które w eksploatacji pogarszają dokładność.

Czas czytania: około 10 minut

Co oznacza powtarzalność robotów

Powtarzalność to rozrzut, z jakim robot osiąga tę samą pozycję za każdym razem. Przez pozycję rozumie się tu zarówno położenie punktu, jak i orientację narzędzia. W badaniu normowym robot dojeżdża do nauczonego punktu 30 razy, a powtarzalność określa, w jakim promieniu wokół punktu średniego mieszczą się te dojazdy. Wartość ±0,05 milimetra oznacza więc: robot trafia w ten sam punkt niezawodnie w obrębie okręgu o tym promieniu.

W klasycznym programowaniu przez uczenie (teach-in) powtarzalność jest dlatego najważniejszym parametrem. Ucząc pozycje ręcznie, omijasz wszystkie systematyczne błędy robota. Nauczony punkt jest już punktem rzeczywistym, a robot musi go tylko odnaleźć. Produkcja seryjna ze stałymi pozycjami, paletyzacja, obsługa maszyn i pick-and-place działają według tej zasady.

W karcie katalogowej powtarzalność podawana jest jako wartość ± w milimetrach, zazwyczaj mierzona jako powtarzalność pozycjonowania wg ISO 9283. To parametr dokładności, który znajduje się niemal w każdej karcie katalogowej. Dokładności absolutnej zazwyczaj tam brakuje.

Powtarzalność, dokładność pozycjonowania i dokładność absolutna w porównaniu

Powtarzalność mierzy odnajdywanie znanego punktu. Dokładność pozycjonowania mierzy odchylenie między zaprogramowaną pozycją zadaną a rzeczywiście osiągniętym punktem. Jako regułę praktyczną można przyjąć, że standardowy robot przemysłowy pracuje z powtarzalnością około 0,1 milimetra, ale w ujęciu absolutnym chybia o około 1 milimetr. Pojęcie dokładności pozycjonowania bywa używane synonimicznie z dokładnością absolutną, czyli odchyleniem samego położenia punktu. Parametr z normy ISO 9283 obejmuje dodatkowo orientację narzędzia.

Robot może mieć znakomitą powtarzalność, a mimo to systematycznie chybiać. Roboty nieskalibrowane chybiają w ujęciu absolutnym często o 1 do 3 milimetrów. ABB w karcie produktu dotyczącej kalibracji absolutnej szacuje różnicę między idealnym modelem obliczeniowym a rzeczywistym robotem zazwyczaj nawet na 8 do 15 milimetrów.

Przyczyna leży w różnicy między modelem a maszyną. Sterownik oblicza ruchy na podstawie idealnej kinematyki, rzeczywiste ramię od niej odbiega. Tolerancje wykonania członów, błędy justowania osi, luz przekładni i ugięcie pod obciążeniem sumują się. Przy uczeniu pozostaje to bez konsekwencji, ponieważ zapisywany jest punkt rzeczywisty. Dokładność absolutna staje się istotna, gdy pozycje pochodzą z danych CAD (CAD oznacza Computer-Aided Design, czyli projektowanie wspomagane komputerowo) lub z programowania offline. Te współrzędne odnoszą się do idealnego modelu.

Dokładność toru: gdy liczy się droga, a nie punkt

Dokładność toru opisuje precyzję, z jaką robot podąża za zaprogramowaną ścieżką w ruchu. Dokładność punktowa w spoczynku niewiele pomaga, gdy narzędzie pracuje w trakcie przemieszczania. Przy spawaniu, klejeniu, dozowaniu, lakierowaniu i obróbce laserowej wynik powstaje wzdłuż całego toru. ISO 9283 odróżnia dlatego dokładność toru od powtarzalności toru, czyli rozrzutu kilku przebiegów ścieżki.

Wymagania wobec toru są często ostrzejsze niż wobec punktu. Precyzyjne spawanie laserowe wymaga, by odchylenia toru były mniejsze niż 0,1 milimetra, jak wyjaśnia Michael Garstenauer z firmy Keba, producenta sterowników, w czasopiśmie branżowym all-electronics. Dane producentów dotyczące dokładności toru są jednak rzadkie. Większość kart katalogowych podaje tylko powtarzalność pozycjonowania, a wartości toru silnie zależą od prędkości i obciążenia.

Jeśli szukasz robota o wysokiej dokładności toru, samo porównanie kart katalogowych daje z tego powodu tylko orientacyjną wskazówkę. Miarodajne są pomiary toru we własnych warunkach procesowych lub dane producenta przeznaczone specjalnie dla procesów realizowanych wzdłuż toru.

Jak norma ISO 9283 mierzy dokładność

Norma ISO 9283 określa, jak mierzyć parametry dokładności robotów przemysłowych, aby były porównywalne. Badanie przebiega w umownym sześcianie w przestrzeni roboczej, którego położenie określa norma, a wielkość zależy od przestrzeni roboczej. Dla parametrów pozycjonowania robot dojeżdża do pięciu punktów pomiarowych w sześcianie testowym, każdy 30 razy. Dla parametrów toru pokonuje ścieżkę pomiarową 10 razy, przy 100, 50 i 10 % prędkości nominalnej. Oba badania przebiegają przy określonym obciążeniu.

Z serii pomiarowych powstają cztery główne parametry: dokładność pozycjonowania, powtarzalność pozycjonowania, dokładność toru i powtarzalność toru. Dwa roboty są porównywalne tylko przy tej samej wielkości sześcianu, obciążeniu próbnym, prędkości i otoczeniu.

Istotne dla praktyki: wartość z karty katalogowej powstaje w warunkach badania, czyli w stanie rozgrzanym, przy określonym obciążeniu i na ścieżce normowej. W rzeczywistej eksploatacji, z zimnym robotem, zmiennymi obciążeniami i innymi ułożeniami ramienia, wartość ta ma charakter orientacyjny. Wiarygodną tolerancję dostarcza dopiero własny pomiar w procesie.

Typowa powtarzalność według typu robota

Zakres sięga od ±0,01 milimetra przy robotach SCARA i małych robotach sześcioosiowych do ±0,2 milimetra przy robotach paletyzujących. Powtarzalność zależy przy tym silniej od wielkości i typu konstrukcji niż od producenta. Małe, sztywne roboty są dokładniejsze niż duże roboty o wysokim udźwigu, coboty (roboty współpracujące) mieszczą się pośrodku. Tabela pokazuje wartości z kart katalogowych popularnych modeli, od robota SCARA (SCARA oznacza Selective Compliance Assembly Robot Arm) po paletyzator:

Typ robota	Typowy zakres	Przykłady wg karty katalogowej
SCARA	±0,01 do ±0,02 mm	Epson GX8: ±0,015 mm (oś 3: ±0,01 mm), Epson T3-B: ±0,02 mm
Mały robot sześcioosiowy (do ok. 10 kg)	±0,01 do ±0,03 mm	ABB IRB 1100: 0,01 mm, FANUC LR Mate 200iC: ±0,02 mm (wariant 5L: ±0,03 mm)
Robot delta	±0,02 do ±0,03 mm	FANUC M-1iA: od 0,02 mm
Cobot	±0,02 do ±0,05 mm	AUBO i5: ±0,02 mm, FANUC CRX-10iA: 0,04 mm, UR10e: ±0,05 mm
Średni i duży robot sześcioosiowy	±0,05 do ±0,1 mm	KUKA KR 60 HA (wariant High-Accuracy): ±0,05 mm, ABB IRB 6400R: 0,1 mm
Robot paletyzujący	do ±0,2 mm	ABB IRB 460: 0,2 mm

Wartości cobotów pochodzą częściowo bezpośrednio z platformy Unchained Robotics, gdzie znajdują się na stronach produktów w specyfikacjach, na przykład przy Agile Robots Yu 5 z ±0,05 milimetra. Jeśli chcesz porównać modele, filtruj według specyfikacji w asortymencie cobotów lub w kategorii robotów przemysłowych.

Rzuca się w oczy konstrukcja SCARA: cztery osie i sztywne prowadzenie pionowe dają wartości od ±0,01 do ±0,02 milimetra. Więcej na ten temat w artykule Czym jest robot SCARA: krótkie wprowadzenie do świata robotów SCARA. Paletyzator na drugim końcu tabeli pokazuje jednocześnie, że wysoka dokładność nie jest celem samym w sobie. ABB podaje dla paletyzatora IRB 460 fabrycznie 0,2 milimetra, co pokazuje rzeczywiste wymagania tego zastosowania.

Czy coboty są mniej dokładne niż roboty przemysłowe?

Pod względem samej wartości katalogowej coboty dorównują robotom przemysłowym. UR10e z ±0,05 milimetra wg ISO 9283 jest na poziomie wielu klasycznych robotów sześcioosiowych średniej wielkości. Kompaktowe coboty jak AUBO i5 osiągają ±0,02 milimetra. Rozpowszechnione twierdzenie, że roboty przemysłowe są zasadniczo dokładniejsze, potwierdza się więc w powtarzalności pozycjonowania tylko częściowo.

Rzeczywista różnica leży gdzie indziej. Roboty przemysłowe są zbudowane sztywniej i utrzymują swoją dokładność także przy wysokiej prędkości, pełnym udźwigu i na długich torach. Coboty są projektowane z myślą o podatności i bezpieczeństwie, ich funkcje bezpieczeństwa ograniczają tempo i dynamikę. Pod obciążeniem procesowym i w dokładności toru daje to o sobie znać, nawet gdy wartość katalogowa wygląda tak samo. Porównanie obu typów konstrukcji wraz z kosztami i obszarami zastosowań znajdziesz w artykule Czym jest cobot? Zalety i wady cobotów.

Co wpływa na dokładność w eksploatacji

Temperatura, udźwig i prędkość, luz przekładni, ułożenie ramienia i posadowienie robota obniżają dokładność w eksploatacji poniżej wartości z karty katalogowej, która powstaje w kontrolowanych warunkach badania:

• Temperatura: Zimny robot trafia gorzej. Badanie opublikowane w czasopiśmie naukowym Applied Sciences pokazuje, że zmiany temperatury mogą pogorszyć powtarzalność nawet o rząd wielkości. W stanie rozgrzanym robot może natomiast wypaść wyraźnie lepiej niż jego wartość katalogowa. Aplikacje precyzyjne przewidują dlatego cykle rozgrzewania.
• Udźwig i prędkość: Wraz ze wzrostem obciążenia ramię ulega silniejszemu ugięciu, wraz ze wzrostem tempa rosną odchylenia dynamiczne. Pomiary pokazują pogorszenie już powyżej około 50 % prędkości nominalnej.
• Luz przekładni: Luz w przekładniach osi działa przez długość ramienia jak dźwignia. Już 3 minuty kątowe luzu zwrotnego na osi z ramieniem dźwigni 500 milimetrów dają około 0,44 milimetra odchylenia na narzędziu.
• Ułożenie ramienia: Na skraju przestrzeni roboczej, przy wyciągniętym ramieniu, spada sztywność, a z nią dokładność. To samo zadanie blisko podstawy przebiega precyzyjniej.
• Posadowienie robota: Robot na drgającej ramie lub nierównym fundamencie traci dokładność już przez słabe posadowienie.

Przy szukaniu błędów w eksploatacji sprawdzasz dlatego najpierw przebieg temperatury, zmiany obciążenia, posadowienie robota i pomiar punktu centralnego narzędzia, zanim podejrzenie padnie na mechanikę.

Kalibracja: od punktu centralnego narzędzia do kalibracji absolutnej

Kalibracja to dopasowanie między modelem obliczeniowym sterownika a rzeczywistą maszyną i zaczyna się przy narzędziu. Punkt centralny narzędzia (Tool Center Point, w skrócie TCP) jest punktem roboczym, do którego odnosi się każda wartość dokładności. Jeśli TCP jest błędnie zmierzony, błąd ten wpływa na każdą osiąganą pozycję. Jak pomiar TCP działa krok po kroku, pokazuje artykuł Zrozumienie punktu centralnego narzędzia (TCP).

Kalibracja absolutna zaczyna się o poziom wyżej. Tracker laserowy mierzy rzeczywistego robota w wielu pozycjach, a z odchyleń powstaje skorygowany model w sterowniku. ABB kompensuje przy swojej kalibracji absolutnej około 40 parametrów na robota, od geometrii po ugięcie. Według własnych danych ABB osiąga w ten sposób około 0,5 milimetra dokładności absolutnej w całym obszarze roboczym. Niezależne badanie potwierdza rząd wielkości na ABB IRB 1600. Kalibracja trackerem laserowym obniżyła tam średni błąd pozycji z 0,97 do 0,36 milimetra, a błąd maksymalny z 2,16 do 0,70 milimetra.

Jest to potrzebne tylko wtedy, gdy zaprogramowane współrzędne muszą się zgadzać: przy programowaniu offline z danych CAD, przy wymianie robota z przejętymi programami lub przy procesach sterowanych pomiarem. Technika pomiarowa do tego pozostaje domeną specjalistów. Sam tracker laserowy kosztuje ponad 100 000 euro, dlatego kalibrację absolutną zwykle kupuje się jako usługę lub opcję fabryczną. KUKA produkuje dodatkowo w seriach HA roboty, które są justowane fabrycznie pod kątem wysokiej dokładności.

Ile dokładności naprawdę potrzebuje twoja aplikacja

W paletyzacji wystarcza ±0,2 milimetra, montaż wtykowy pracuje z tolerancjami części około 0,5 milimetra, spawanie laserowe wymaga odchylenia toru poniżej 0,1 milimetra. Dokładność kosztuje, dlatego przed wyborem warto spojrzeć na rzeczywiste wymagania twojego procesu:

Zastosowanie	Wymagana dokładność	Uwagi
Paletyzacja i pakowanie	wystarcza ±0,2 mm	ABB podaje dla paletyzatora IRB 460 fabrycznie 0,2 mm
Obsługa maszyn, pick-and-place	niekrytyczne przy nauczonych pozycjach	przyrządy mocujące kompensują odchylenia
Łączenie i montaż	od ±0,03 mm z zapasem	montaż wtykowy pracuje z tolerancjami około 0,5 mm
Spawanie, klejenie, laser	liczy się dokładność toru, spawanie laserowe poniżej 0,1 mm	wynik powstaje wzdłuż toru, wartość powtarzalności pozycjonowania ma tu tylko znaczenie orientacyjne
Pomiary, kontrola, obróbka	setne części milimetra, a nawet poniżej dziesięciu mikrometrów	wymaga kalibracji, zewnętrznej techniki pomiarowej lub innej klasy maszyny

Przy łączeniu i montażu współdecyduje odpowiednie narzędzie. Przegląd daje artykuł Jakie rodzaje efektorów końcowych są dostępne dla robotów.

Kolejność przy wyborze jest więc jasna. Najpierw określić liczbowo proces i jego tolerancję, potem wybrać odpowiedni typ konstrukcji, na końcu porównać model według karty katalogowej. Jeśli kupisz odwrotnie, najpierw najdokładniejszy model, często zapłacisz za precyzję, której twój proces nie wykorzysta.

Częste pytania

Co oznacza powtarzalność w robocie?

Powtarzalność określa, jak dokładnie robot ponownie osiąga pozycję, do której już raz dojechał. Jest mierzona wg ISO 9283 i podawana jako wartość ± w milimetrach w karcie katalogowej. Typowe wartości mieszczą się między ±0,01 milimetra przy małych robotach a ±0,2 milimetra przy robotach paletyzujących.

Jaka jest różnica między powtarzalnością a dokładnością absolutną?

Powtarzalność mierzy odnajdywanie nauczonego punktu, dokładność absolutna trafianie w nowo zaprogramowaną współrzędną. Standardowy robot pracuje z powtarzalnością około 0,1 milimetra, ale bez kalibracji chybia w ujęciu absolutnym o 1 do 3 milimetrów. Powód: model obliczeniowy sterownika odbiega od rzeczywistego ramienia.

Jak dokładny jest robot przemysłowy?

Małe roboty sześcioosiowe i roboty SCARA powtarzają pozycje z dokładnością od ±0,01 do ±0,03 milimetra. Średnie i duże roboty sześcioosiowe osiągają ±0,05 do ±0,1 milimetra, roboty paletyzujące około ±0,2 milimetra. Odchylenie absolutne jest bez kalibracji wyraźnie większe, często rzędu 1 do 3 milimetrów.

Czy coboty są mniej dokładne niż klasyczne roboty przemysłowe?

Pod względem wartości katalogowej coboty dorównują robotom przemysłowym: osiągają powtarzalność od ±0,02 do ±0,05 milimetra i są na poziomie wielu robotów sześcioosiowych. Roboty przemysłowe zachowują jednak swoją dokładność także przy wysokiej prędkości, pełnym obciążeniu i na długich torach, ponieważ są zbudowane sztywniej.

Czym jest ISO 9283?

ISO 9283 to norma kryteriów charakterystyk użytkowych robotów przemysłowych. Definiuje między innymi dokładność pozycjonowania, powtarzalność pozycjonowania i dokładność toru. Określa także metodę pomiaru: pięć punktów w sześcianie testowym, 30 cykli pomiarowych, określone obciążenie i prędkość. Tylko przy takich samych warunkach badania wartości dwóch robotów są porównywalne.

Co daje kalibracja absolutna?

Kalibracja absolutna mierzy rzeczywistego robota za pomocą trackera laserowego i koryguje model w sterowniku. ABB podaje po kalibracji około 0,5 milimetra dokładności absolutnej w całym obszarze roboczym. W niezależnym badaniu robota IRB 1600 kalibracja trackerem laserowym zmniejszyła średni błąd z 0,97 do 0,36 milimetra. Sensowna jest przy programowaniu offline i współrzędnych opartych na CAD.

Dlaczego mój robot nie osiąga dokładności z karty katalogowej?

Wartość katalogowa obowiązuje w warunkach badania wg ISO 9283. W eksploatacji zimny stan, zmiany temperatury, wysoka prędkość, pełny udźwig, wyciągnięte ułożenie ramienia, luz przekładni i podatne posadowienie pogarszają wynik. Przy odchyleniach sprawdź najpierw przebieg temperatury, zmiany obciążenia, posadowienie robota i pomiar punktu centralnego narzędzia.