IMPRECISION ET CALIBRATION DES ROBOTS INDUSTRIELS

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1 B U L L E T I N T E C H N I Q U E N 3 IMPRECISION ET CALIBRATION DES ROBOTS INDUSTRIELS Introduction Les robots sériels sont de plus en plus utilisés pour des applications telles que l usinage ou l assemblage grâce à leur grand volume de travail par rapport à leur faible investissement. Cependant, des imprécisions de positionnement peuvent apparaître en raison des erreurs géométriques de fabrication, comme la longueur des bras, un parallélisme imparfait entre les axes ou des possibles offsets dans l encodeur des moteurs. Pour compenser ces erreurs de positionnement, il est possible de modifier les offsets des encodeurs des moteurs et à partir du modèle du robot, de réaliser un étalonnage élastique qui détermine l influence de chaque défaut géométrique sur la commande du robot. Cette étude présente une méthode générale pour l identification des paramètres d étalonnage géométrique afin de compenser les défauts géométriques et ainsi améliorer la précision des robots. Moyens Les essais ont été réalisés sur deux robots Fanuc (M-71iC RJ3iB et S42iF RJ2) ainsi que sur un robot Kuka IR663. Pour effectuer les mesures nous disposons d un système à caméra Krypton K6 (Fig. 3) Nous remercions le Laboratoire LGCM de l INSA de Rennes pour leur aide dans les expérimentations et pour nous avoir permis d utiliser leurs installations et leurs équipements de mesure. AVRIL 212 Sommaire : INTRODUCTION 1 MOYENS 1 CARACTÉRISATION 1 PROBLÉMATIQUE 2 PERFORMANCES DU ROBOT PROCÉDURE DE CALIBRATION 2 3 M71IC 3 S42IF 4 KUKA IR663 4 CONCLUSIONS 5 Fig. 1 - Fanuc M-71iC Caractérisation La norme ISO 9283 (Robots manipulateurs industriels: Critères de performance et méthodes d essai correspondantes) a été utilisée pour définir la performance en positionnement des robots. Cette norme est applicable à tous les robots manipulateurs industriels et permet de caractériser la performance telle que l exactitude de distance, la répétabilité de distance, la répétabilité de pose, etc. Fig. 2 - Fanuc S42iF RJ2 Fig. 3 - Krypton K6 Page 1

2 z Institut MAUPERTUIS - Pôle Assemblage Problématique La programmation hors ligne (PHL) permet de générer des trajectoires au plus proche de la réalité en mode offline. Cependant, il existe toujours un écart par rapport aux poses théoriques. Cet écart de pose peut être dû à: Erreurs géométriques de fabrication Défauts mécaniques tels que des jeux, hystérésis et frottement Déformation élastique due à la charge Méconnaissance de l emplacement exact du positionneur par rapport au robot Non concordance des axes du positionneur Imprécision de la CAO de la pièce et/ou de l outillage Un robot ne sera pas précis au centième de millimètre, par contre sa précision peut être notamment améliorée après un réglage ou reprogrammation des offsets des encodeurs ou par la modification de la table de paramètres du modèle du robot. Performances du robot Pour déterminer ces performance, des mesures sont faites dans un cube placé dans l espace de travail susceptible d être le plus utilisé. Ce cube doit avoir le plus grande volume possible avec ses arêtes parallèles au repère de base du robot (Fig. 6) On estime généralement que la précision d un robot ne peut pas être inférieure à dix fois sa répétabilité. Ainsi, en mesurant la répétabilité du manipulateur, on pourra estimer la potentiel d amélioration de l étalonnage. ESSAI POINTS P1-P2-P3-P4-P5 18 P2 17 P3 J J P P5 Fig. 4 - Fanuc M71iC avec positionneur La figure 5 montre les erreurs cumulées pour le positionnement d une pièce par rapport à l extrémité d un robot. Une des principales sources d erreur est souvent l emplacement du positionneur par rapport au robot ainsi que la précision du robot lui même, d où l intérêt de faire une calibration du robot. y -5 P x Fig. 6 - Trajectoire d essai 18 2 Le point de départ pour améliorer la précision d un robot est de connaître sa performance en terme de répétabilité et précision. Pour ce fait on utilise la norme ISO 9283 (Fig. 6). 22 PIECE 1 PIECE 2 OUTILLAGE ROBOT PERIPHERIQUE Répétabilité de pose (RP) Exprime l écart entre les positions et orientations des poses atteintes pour la même pose commandée (Pc) répétée n fois. Exactitude de pose (AP) Exprime l écart entre une pose commandée et la moyenne des poses atteintes. Z Pc Y AP G RP Fig. 7 - Exactitude et répétabilité de positionnement X Fig. 5 - Schéma de positionnement Erreurs géométriques de fabrication du robot Erreurs encodeurs du robot Erreurs de positionnement des éléments Erreurs géométriques de fabrication des éléments Erreur relative résultante Les mesures doivent être réalisées à 1% de la charge utile. Pour caractériser les robots dont les performances dépendent de la masse embarquée, des essais complémentaires peuvent être effectués en réduisant la charge. De la même manière, la vitesse doit être à 1% de la vitesse. Des essais complémentaires peuvent être faits en réduisant la vitesse à 5% et/ ou 1%. Page 2

3 z(m) Imprécision et calibration des robots industriels Procédure de calibration Cette procédure est réalisée en 5 étapes: 1. Définition du robot L étude s appuie sur la convention de modélisation des robots développée par Denavit et Hartenberg (représentation au mieux du robot dans son environnement afin de lui programmer des trajectoires). Ainsi, on utilisera le terme DH pour la table des paramètres du robot. Calibration sur Fanuc M71iC En utilisant cette procédure de calibration, la répétabilité et la précision du robot ont été mesurées en termes de position et orientation. 2. Vérification du modèle géométrique direct Cette étape consiste à demander des poses articulaires au robot et à mesurer si les poses cartésiennes (x, y, z, w, p, r) atteintes correspondent à celles données par le modèle géométrique direct (MGD, modèle théorique du robot). 3. Transformation de repères Cette procédure permet de connaitre les distances et orientations de la caméra par rapport au robot. Elle est déterminée par la transformation entre le repère caméra et le repère de base du robot (TCO) pour, en passant par le MGD, connaître la position de l outil par rapport à la caméra (TCE). Fig. 1. Fanuc M71iC R3jA Base TE Outil TCE TCO* TOE Répétabilité,42,12 TC Précision,161, Caméra Fig. 8. Transformation de repères Grille des mesures Table 1 - Performances Fanuc M71iC Ces valeurs montrent la bonne précision de ce robot tant en position (,16mm) qu en orientation (,46 ). Avec cette procédure de calibration, il est possible d optimiser les offsets des encodeurs. Cependant, au regard de la bonne précision du robot, le changement de ces valeurs viendrait dégrader sa précision y(m) x(m) 2.5 Fig. 9. Grille des mesures Les droites vertes représentent l orientation de l outil qui doit être variable dans toutes les poses. 5. Obtention des offsets encodeurs Il faut rentrer ces valeurs sur le contrôleur du robot via le teach (procédure Master/Cal) Fig. 11. Fanuc M71iC R3jA Ces mesures ont été réalisées sans charge. On estime donc que la précision de ce robot à 1% de charge (7Kg) sera autour de,4mm (1 fois la répétabilité, estimation couramment utilisée). Page 3

4 Institut MAUPERTUIS - Pôle Assemblage Calibration sur Fanuc S42iF La même méthode a été appliquée sur Fanuc S42iF (sans charge, voir résultats dans tableau 2). Précision Avant calibration 1,475 Après calibration,917 Table 4 - Précision Fanuc S42iF Répétabilité,83,12 Précision 1,475,165 Table 2 - Performances Fanuc S42iF Par rapport au cas précédent, la précision de ce robot est moins bonne (1,48mm), un changement des offsets encodeur peut donc être envisagé. Etalonnage sur Kuka IR663 La même méthode a été appliquée sur Kuka IR 663 (sans charge, voir résultats dans tableau 5). Répétabilité,144,117 Précision 1,295,413 Table 5 - Performances Fanuc S42iF La faible précision de ce robot permet d envisager la modification des paramètres géométriques et des offsets encodeur. Compte tenu de la valeur de répétabilité, ce robot ne pourra pas avoir une précision inférieure à 1,4mm après étalonnage (1 fois la répétabilité, estimation couramment utilisée). Fig. 12. Fanuc S42iF La table 3 représente les offsets encodeurs obtenus avec la méthode de calibration. Joint J1 J2 J3,12 -,58 -,168 Joint J4 J5 J6,5,167,25 Table 3 - Offsets encodeur Fanuc S42iF La modification de ces offsets encodeur permet un gain de 38% en précision (voir table 4). Pour vérifier cette calibration, une nouvelle grille est créée sur des poses différentes et la précision est remesurée (tableau 4). Fig Kuka IR663 A partir des mesures réalisées avec le système Krypton, les défauts géométriques du robot sont calculés afin d obtenir une nouvelle table des paramètres géométriques. Cette méthode mathématique ne sera pas explicitée dans ce bulletin technique (disponible sur demande). Page 4

5 [mm] mm [deg] Imprécision et calibration des robots industriels L identification donne des valeurs assez élevées pour certains paramètres comme dr1 (distance entre la base et le centre de l axe 1) ou dr4 (longueur du bras de l axe 4). L étape suivante est d injecter ces paramètres modifiés dans le robot et de vérifier le nouveau modèle en testant sur une nouvelle trajectoire (voir Fig.14 et 15). 2 Fig. ** 14 Pos - Erreur v:reelle c:jac en position ** 2 ** Pos v:reelle c:jac **.8 ** Or v:reelle c:jac **.8 Le premier graphique montre une amélioration de 8% en position (2mm d écart en moyenne pour 12 points testés). De même, l orientation présente une erreur presque nulle (Fig.15) Ces deux résultats montrent l efficacité de cette méthode, surtout dans le cas où le robot présente une très faible précision de départ. Fig. 15 ** Or - Erreur v:reelle c:jac en orientation ** Avant.4 étalonnage Après étalonnage Avant étalonnage Après étalonnage Nombre Point de points Point Point Nombre Point de points Conclusions Nous avons pu voir l intérêt de déterminer les performances d un robot en terme de répétabilité avant de faire son étalonnage. En effet, les résultats obtenus permettent de déterminer les limites atteignables par l étalonnage avec une précision optimale proche de dix fois la répétabilité. Bien que ce rapport traite uniquement des robots sériels à 6 degrés de liberté, cette méthode peut être adaptée à n importe quelle machine qui ne dispose pas d un système de positionnement en boucle fermée. Pour certains procédés utilisant des charges importantes, tels que le soudage par frictionmalaxage ou le dévracage de fortes charges, des imprécisions supplémentaires proviennent de la déformation élastique des composants du robot. De ce fait, un étalonnage élastique peut être mis en œuvre pour déterminer l influence de la charge et ainsi pouvoir la compenser. B U L L E T I N T E C H N I Q U E N 3 Centre d études techniques en productique et mécatronique Contour A. De St. Exupéry Campus de Ker Lann 3517 Bruz Guillermo Montoya, Laurent Dubourg contact@institutmaupertuis.fr L Institut Maupertuis réalise des études techniques par la mise en œuvre des compétences propres à l Institut et des compétences de ses partenaires scientifiques. Nos activités s organisent en deux pôles : Le Pôle Projets : Ce pôle assure la gestion de projets de la définition du projet, jusqu'à sa réalisation. Cette prestation réalisée par un chef de projet mis à disposition, inclut la rédaction de cahiers des charges fonctionnels, la recherche de centres de compétence, l assistance dans la démarche de propriété intellectuelle et de recherche d'outil de financement. Le Pôle Assemblage : centre de compétence en assemblages innovants et en particulier en soudage de tôles minces par laser : études de faisabilité industrielle, études collectives en soudage, études concernant l automatisation des postes et la robotisation, transfert de technologie vers les PME- PMI. L association s inscrit dans la politique régionale de soutien à la recherche appliquée et à l innovation. Son pilotage est assuré par des personnalités industrielles locales en partenariat avec l UIMM Bretagne, Autéo, le Pôle Productique Bretagne et le CETIM. L association est soutenue et subventionnée par l Union Européenne (Fonds FEDER), la Région Bretagne, le Conseil Général d Ille et Vilaine et Rennes Métropole. L Europe s engage en Bretagne avec le Fonds Européen de Développement Régional Page 5