JJF 2138-2024 工业机器人校准规范
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资料介绍
中华人民共和国国家计量技术规范
JJF2138—2024
工业机器人校准规范
CalibrationSpecificationforIndustrialRobots
2024-09-18发布2025-03-18实施
国家市场监督管理总局 发布
工业机器人校准规范
CalibrationSpecificationfor
IndustrialRobots
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归口单位:全国振动冲击转速计量技术委员会
主要起草单位:杭州亿恒科技有限公司
中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研
究所
中国计量科学研究院
北京航天计量测试技术研究所
参加起草单位:佛山市南海区质量技术监督检测所
芜湖赛宝机器人产业技术研究院有限公司
本规范委托全国振动冲击转速计量技术委员会负责解释
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本规范主要起草人:
陈章位(杭州亿恒科技有限公司)
李新良(中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研
究所)
蔡晨光(中国计量科学研究院)
杨晓伟(北京航天计量测试技术研究所)
参加起草人:
陈广初(佛山市南海区质量技术监督检测所)
任国营(中国计量科学研究院)
涂志健(芜湖赛宝机器人产业技术研究院有限公司)
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目 录
引言……………………………………………………………………………………… (Ⅲ)
1 范围…………………………………………………………………………………… (1)
2 引用文件……………………………………………………………………………… (1)
3 术语和符号说明……………………………………………………………………… (1)
3.1 术语………………………………………………………………………………… (1)
3.2 符号说明…………………………………………………………………………… (2)
4 概述…………………………………………………………………………………… (3)
5 计量特性……………………………………………………………………………… (4)
5.1 位姿准确度和位姿重复性………………………………………………………… (4)
5.2 多方向位姿准确度变动…………………………………………………………… (4)
5.3 距离准确度和距离重复性………………………………………………………… (5)
5.4 位置稳定时间……………………………………………………………………… (5)
5.5 位置超调量………………………………………………………………………… (5)
5.6 位姿特性漂移……………………………………………………………………… (5)
5.7 路径准确度和路径重复性………………………………………………………… (5)
5.8 重复定向路径准确度……………………………………………………………… (5)
5.9 拐角偏差…………………………………………………………………………… (5)
5.10 路径速度特性…………………………………………………………………… (6)
5.11 最小定位时间…………………………………………………………………… (6)
5.12 静态柔顺性……………………………………………………………………… (6)
5.13 振动加速度……………………………………………………………………… (6)
5.14 末端抖动………………………………………………………………………… (6)
5.15 固有频率………………………………………………………………………… (6)
5.16 动刚度…………………………………………………………………………… (6)
6 校准条件……………………………………………………………………………… (6)
6.1 环境条件…………………………………………………………………………… (6)
6.2 校准用设备………………………………………………………………………… (7)
7 校准项目和校准方法………………………………………………………………… (8)
7.1 校准项目…………………………………………………………………………… (8)
7.2 校准方法…………………………………………………………………………… (8)
8 校准结果……………………………………………………………………………… (31)
9 复校时间间隔………………………………………………………………………… (32)
附录A 校准前准备工作……………………………………………………………… (33)
附录B 振动数据处理示例…………………………………………………………… (42)
附录C 位置距离准确度校准结果不确定度评定示例……………………………… (47)
Ⅰ
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附录D 振动加速度校准结果不确定度评定示例…………………………………… (53)
附录E 校准原始记录模板…………………………………………………………… (57)
附录F 校准证书内页格式…………………………………………………………… (68)
Ⅱ
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引 言
JJF1001—2011 《通用计量术语及定义》、JJF1071—2010 《国家计量校准规范编写
规则》和JJF1059.1—2012 《测量不确定度评定与表示》共同构成制定本校准规范的基
础性系列规范。
本规范参照GB/T 12642—2013 《工业机器人 性能规范及其试验方法》、
GB/T11349.3—2006 《振动与冲击 机械导纳的试验确定 第3部分:冲击激励法》
和GB/T20868—2007 《工业机器人 性能试验实施规范》制定。
本规范为首次发布。
Ⅲ
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工业机器人校准规范
1 范围
本规范适用于具有三个或以上运动轴,并可重复编程、自动控制的工业机器人的
校准。
2 引用文件
本规范引用了下列文件:
JJF1156 振动 冲击 转速计量术语及定义
JJF1242 激光跟踪三维坐标测量系统校准规范
GB/T2298 机械振动、冲击与状态监测 词汇
GB/T11349.1—2018 机械振动与冲击 机械导纳的试验确定 第1部分:基本
术语与定义、传感器特性
GB/T11349.3—2006 振动与冲击 机械导纳的试验确定 第3部分:冲击激
励法
GB/T12642—2013 工业机器人 性能规范及其试验方法
GB/T12643 机器人与机器人装备 词汇
GB/T12644—2001 工业机器人 特性表示
GB/T16977—2019 机器人与机器人装备 坐标系和运动命名原则
GB/T20868—2007 工业机器人 性能试验实施规范
GB/T39266—2020 工业机器人机械环境可靠性要求和测试方法
凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文
件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。
3 术语和符号说明
3.1 术语
3.1.1 集群 cluster
用于计算准确度和重复性特性的一组测量点。
3.1.2 重心 barycentre
对于由坐标(xj,yj,zj)确定的n 个点的集群,由n 个点各轴向坐标的算术平
均值得到的坐标为(x,y,z)的点。
3.1.3 位姿 pose
空间位置和姿态的总称。
3.1.4 指令位姿 commandpose
机器人运动编程时由指令确定的机器人位姿。
3.1.5 实到位姿 attainedpose
1
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机器人响应指令位姿时实际达到的位姿。
注:实到位姿由校准设备测量所得,即实际测量值。
3.1.6 门限带 limitband
机器人实到位姿的控制上、下限。
3.2 符号说明
3.2.1 缩略语
A 准确度(Accuracy)
d 漂移(Drift)
F 波动(Fluctuation)
J 抖动(Jitter)
P 位姿(Pose)
R 重复性(Repeatability)
T 路径(Path)
V 速度(Velocity)
v 变动(Variation)
3.2.2 量的符号
AD 距离准确度(distanceaccuracy)
AP 位姿准确度(poseaccuracy)
AT 路径准确度(pathaccuracy)
AV 路径速度准确度(pathvelocityaccuracy)
a,b,c 对X 、Y、Z 轴的姿态(角分量)
CO 拐角超调(corneringovershoot)
CR 拐角误差(corneringround-offerror)
D 两点之间的距离(distance)
dAP 位姿准确度漂移(driftofposeaccuracy)
dRP 位姿重复性漂移(driftofposerepeatability)
FV 路径速度波动(pathvelocityfluctuation)
l 实到位姿和各个实到位姿集群重心间的距离
m 沿路径测量点数
n 测量循环次数
OV 位置超调量(positionovershoot)
RD 距离重复性(distancerepeatability)
RP 位姿重复性(poserepeatability)
RT 路径重复性(pathrepeatability)
RV 路径速度重复性(pathvelocityrepeatability)
S 标准偏差(standarddeviation)
SC 静态柔顺性(staticcompliance)
t 位置稳定时间(positionstabilizationtime)
2
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vAP 多方向位姿准确度变动(multi-directionalposeaccuracyvariation)
x,y,z 沿X 、Y、Z 轴的直线坐标
3.2.3 下标
a,b,c 表示对X 、Y、Z 轴的姿态特性
c 指令
e 拐角点(边界)
g 机器人性能进入规定的路径特性内的点
h 表示h 次方向
i 表示第i 点
j 表示第j 次循环
k 表示第k 次方向
p 位置
x,y,z 表示沿X 、Y、Z 轴的定位特性
1,2,… 表示位姿编号1,2,…
3.2.4 其他符号
C1~C8 试验立方体的顶点
E1~E8 用于测量路径特性的矩形平面顶点
G 各实到位姿集群的重心
Oc 测量系统坐标原点
4 概述
工业机器人广泛应用于汽车制造、工程机械、机车车辆、电子电器、生物制药等工
业自动化领域,常用于搬运、焊接、刷漆、激光加工、装配、码垛、产品检测和测
试等。
工业机器人的工作原理是给控制系统发出动作指令,控制驱动系统动作,驱动系统
带动执行机构运动,使执行机构的末端操作器到达空间某一位置和实现某一姿态,实施
一定的作业任务。末端操作器在空间的实时位姿由传感系统反馈给控制系统,控制系统
把实时位姿与目标位姿做比较,发出下一个动作指令,如此循环,直到完成作业任务
为止。
典型的工业机器人工作原理框图如图1所示。
图1 典型的工业机器人工作原理框图
3
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工业机器人主要由执行机构、驱动系统、控制系统和传感系统四部分组成。执行机
构也叫操作机,是由一些相互铰接或相对滑动的构件组成的多自由度运动机构。典型的
执行机构———六轴工业机器人操作机如图2所示。驱动系统主要指驱动执行机构的传动
装置,根据动力源的不同,可分为液压驱动方式、气压驱动方式、电气驱动方式和新型
驱动方式等。控制系统是机器人的重要组成部分,用于控制执行机构按照所需的顺序,
沿规定的位置和路径运动。传感系统将执行机构的速度、位置等信息传递给控制系统,
产生控制信号。
图2 典型的执行机构———六轴工业机器人操作机
O0-X0-Y0-Z0—绝对坐标系;O1-X1-Y1-Z1—机座坐标系;Om-X m-Ym-Zm —机械接口坐标系;
1~6—机器人机械关节(轴)
5 计量特性
5.1 位姿准确度和位姿重复性
5.1.1 位姿准确度
位姿准确度(AP)表示任一指令位姿和从相同方向多次接近该指令位姿时的实到
位姿平均值之间的偏差。位姿准确度分为:
a)位置准确度:指令位姿的位置与实到位置集群重心之差。位置集群重心是通过
球拟合获得,拟合球心即为重心(见图5)。
b)姿态准确度:指令位姿的姿态与实到姿态平均值之差(见图6)。
5.1.2 位姿重复性
位姿重复性(RP)表示对同一指令位姿从同一方向重复响应n 次后实到位姿的一
致程度。对某一位姿,重复性表示为:
a)位置重复性:实到位置集群重心为球心的球半径RPl 之值(见图5)。
b)姿态重复性:围绕平均值a、b、c 的角度散布±3Sa、±3Sb、±3Sc,其中
Sa、Sb、Sc 为标准偏差。姿态重复性使用3倍标准偏差表示(见图6)。
5.2 多方向位姿准确度变动
多方向位姿准确度变动(vAP )表示从三个相互垂直的方向对相同指令位姿响应
4
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n 次时,各实到位姿间的偏差(见图7)。多方向位姿准确度变动分为:
a)多方向位置准确度变动(vAPp ):不同路径终点得到的实到位置集群重心间的
最大距离;
b)多方向姿态准确度变动(vAPa、vAPb、vAPc):不同路径终点得到的实到姿
态平均值间的最大偏差。
5.3 距离准确度和距离重复性
5.3.1 距离准确度
距离准确度(AD )表示任一指令距离和多次实到距离平均值之间偏差(见图10)。
距离准确度包括位置距离准确度和姿态距离准确度。
5.3.2 距离重复性
距离重复性(RD )表示同一方向对相同指令距离重复运动n 次后实到距离的一致
程度。距离重复性包括位置距离重复性和姿态距离重复性。
5.4 位置稳定时间
位置稳定时间是从机器人第一次进入门限带的瞬间到不再超出门限带的瞬间所经历
的时间(见图12),门限带可定义为位姿重复性或由制造商制定。
5.5 位置超调量
位置超调量是机器人第一次进入门限带再超出门限带后瞬时位置与实到位置的最大
距离(见图12)。
5.6 位姿特性漂移
a)位姿准确度漂移(dAP ):从冷态(打开主电源)开始,到热机状态下持续数
小时的位姿准确度的最大变化量;
b)位姿重复性漂移(dRP ):从冷态(打开主电源)开始,到热机状态下持续数
小时的位姿重复性的最大变化量。
注:冷态指关闭机器人电源8h之后的状态,热机指机器人所有关节以最大可能的速度在其全程
70%的范围内运动。
5.7 路径准确度和路径重复性
5.7.1 路径准确度
路径准确度(AT)表示在位置和姿态上沿所得路径的最大路径偏差,包括位置路
径准确度(ATp )和姿态路径准确度(ATa、ATb、ATc)。
5.7.2 路径重复性
路径重复性(RT)表示机器人对同一指令路径重复n 次时实到路径的一致程度,
包括位置路径重复性(RTp )和姿态路径重复性(RTa、RTb、RTc)。
5.8 重复定向路径准确度
重复定向路径准确度是在一条直线路径上沿三个方向交替变换姿态时,各实到路径
位置集群的中心线与指令路径的位置之间的最大偏差。
5.9 拐角偏差
a)拐角误差(CR):拐角点与实到路径间的最小距离。
b)拐角超调(CO):机器人不减速地以设定恒定路径速度进入第二条路径后偏离
5
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指令路径的最大值。
5.10 路径速度特性
机器人路径速度的性能特性可分为以下三项指标:
a)路径速度准确度(AV):指令速度与沿路径进行n 次重复测量所获得的实到速
度平均值之差。
b)路径速度重复性(RV):对同一指令速度所得实到速度的一致程度。用相对实
到速度平均值的百分比表示。
c)路径速度波动(FV):再现指令速度的过程中实到速度的最大变化量。
5.11 最小定位时间
定位时间指机器人在点位控制方式下从静态开始移动一预定距离和/或摆动一预定
角度到达稳定状态所经历的时间。5.4中所定义的位置稳定时间包含于定位时间内。
注:若要得到最小定位时间,校准所用的速度为100%额定速度,且校准应在循环每一部分的最
佳速度下进行;并且选用较短的距离,在沿A.5.4中定义的立方体对角线上,由程序或示
教设定一系列位姿(见图19),相邻位姿间的距离分量Dx =Dy =Dz 之值符合表11中所示
的数列。
5.12 静态柔顺性
静态柔顺性是指单位负载作用下最大的位移。应在机械接口处加载并测量位移。在
机座坐标系下以mm/N为单位来表示。
5.13 振动加速度
工业机器人从静态开始执行指定路径时,机器人末端达到的最大加速度,取加速度
的最大绝对值表示。
5.14 末端抖动
工业机器人从静态开始执行指定路径到停止在目标位姿时,机器人末端抖动的最大
位移,取峰值表示。
5.15 固有频率
工业机器人整机系统的固有频率,记录前4阶(如有)固有频率值。
5.16 动刚度
动刚度是指工业机器人受到动载荷作用时,抵抗动载荷下的变形能力,用力与位移
的复数比曲线表示。
6 校准条件
6.1 环境条件
6.1.1 环境温度:校准的环境温度(θ)应为20 ℃。采用其他的环境温度应在校准报
告中说明并加以解释。校准时温度应保持在θ±2℃范围内。
6.1.2 相对湿度:不大于90%。
6.1.3 周围无强电磁场、无腐蚀性液体,无强振源。
6.1.4 其他:校准设备不应放在靠近热源、空调出风口、窗口、门口、地板接缝处及
阳光能够直射到的地方。工作地周围不应有大型机械及车辆工作,不应有明显振动。
6
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6.2 校准用设备
校准用设备见表1。
表1 校准项目和校准用设备
序号校准项目校准用设备
1 位姿准确度和位姿重复性
2 多方向位姿准确度变动
3 距离准确度和距离重复性
4 位置稳定时间
5 位置超调量
6 位姿特性漂移
7 路径准确度和路径重复性
8 重复定向路径准确度
9 拐角偏差
10 路径速度特性
11 最小定位时间
激光跟踪仪
(或光学相机或直线位移
法测量系统)
12 静态柔顺性
激光跟踪仪(或光学相机或
直线位移法测量系统)
力加载装置
13 振动加速度
14 末端抖动
动态信号分析仪
加速度计
15 固有频率
16 动刚度
动态信号分析仪
加速度计
力锤
注:
1 本规范针对单一机器人设备,不包含GB/T12642中互换性的校准。
2 本规范面向常规应用的机器人设备,不包含GB/T12642中摆动偏差的校准。
3 直线位移法测量系统对测量性能有一些局限性,不适用姿态相关项目。
6.2.1 激光跟踪仪
其校准参数、校准范围应能满足被校工业机器人校准的要求,校准结果的扩展不确
定度应不大于被校工业机器人特性数值的最大允许误差绝对值的1/4。
6.2.2 光学相机
其校准参数、校准范围应能满足被校工业机器人校准的要求,校准结果的扩展不确
定度应不大于被校工业机器人特性数值的最大允许误差绝对值的1/4。
6.2.3 直线位移法测量系统
其校准参数、校准范围应能满足被校工业机器人校准的要求,校准结果的扩展不确
7
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定度应不大于被校工业机器人特性数值的最大允许误差绝对值的1/4。
6.2.4 力加载装置
力值范围:被校工业机器人额定负载的10%~100%内可调,力值误差不超过±1%。
力施加方向:可分别加在平行于机座坐标轴的三个方向上,既有正也有负。
6.2.5 动态信号分析仪
A级,频率范围为DC~5kHz。
6.2.6 加速度计
频率范围为(0.5~200)Hz,加速度灵敏度测量不确定度Urel=2% (k=2)。
6.2.7 力锤
力值范围(10~1000)N,幅值测量不确定度Urel=3% (k=2)。
7 校准项目和校准方法
7.1 校准项目
工业机器人的校准项目见表1。
7.2 校准方法
参照附录A进行机器人校准前的准备工作,完成后开始校准。
7.2.1 位姿准确度和位姿重复性
被校机器人与校准设备按图3位置摆放,被校机器人和校准设备之间应没有障碍
物。在机器人末端朝向校准设备方向的工作空间中选择一个测试立方体。参照附录A.5
选择立方体内的一个测试平面,并确定位姿校准点P1~P5。被校机器人按表2的试验
条件进行校准。
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)机器人从位姿点P1 点开始,依次将机械接口以额定速度(或其50%、10%)
移至P5、P4、P3、P2、P1,再回到P1,为一个运动循环。运动时采用点到点控制或连
续路径控制均可。可采用如图4所示的循环之一,以单一方向接近每个位姿。试验时所
用的接近方向与编程时的接近方向类同。
图3 被校机器人与校准设备安装位置示意图
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2)在每一个位姿点应停顿一段时间,停顿时间应大于测出的位姿稳定时间。如有
运动同步功能,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信号置1,使校准设备采集数
据。将开关量输出信号置0,移动机械接口至下一位姿点。
3)每次到达位姿稳定后,校准设备对实到位姿进行测量。
4)可无限制进行循环,待校准设备采集完30次循环的数据后,停止机器人的
运动。
5)按公式(1)~公式(13)计算每个位姿的位置准确度和姿态准确度。
6)按公式(14)~公式(20)计算每个位姿的位置重复性和姿态重复性。
表2 位姿准确度和重复性试验条件
负载速度位姿循环次数
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
额定负载降至10%
(选用)
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
P1—P2—P3—P4—P5 30
图4 位姿准确度和重复性循环图示
9
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位置准确度和重复性定义如图5所示。
图5 位置准确度和重复性
姿态准确度和重复性定义如图6所示。
图6 姿态准确度和重复性
注:a 和b 可用同一图。
7.2.1.1 位姿准确度(AP)
位置准确度(APp )计算如下:
APp = AP2x
+AP2y
+AP2z
(1)
APx =xc -x (2)
APy =yc -y (3)
APz =zc -z (4)
x =1 nΣn
j=1xj (5)
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y =1 nΣn
j=1yj (6)
z =1 nΣn
j=1zj (7)
式中:
x,y,z ———对同一位姿重复响应n 次后所得各点集群重心的坐标;
xc,yc,zc———指令位姿坐标;
xj,yj,zj———第j 次实到位姿的坐标。
姿态准确度(APa,APb,APc)计算如下:
APa =ac -a (8)
APb =bc -b (9)
APc =cc -c (10)
a =1 nΣn
j=1aj (11)
b=1 nΣn
j=1bj (12)
c=1 nΣn
j=1cj (13)
式中:
a,b,c ———对同一位姿重复响应n 次后所得的姿态角的平均值;
ac,bc,cc———指令位姿的姿态角;
aj,bj,cj———第j 次实到位姿的姿态角。
7.2.1.2 位姿重复性(RP)
位置重复性(RPl)计算如下:
RPl =l+3Sl (14)
l=1 nΣn
j=1lj (15)
lj= xj-x 2+(yj-y)2+ zj-z 2 (16)
Sl =
Σn
j=1 (lj -l)2
n -1 (17)
式中:
x,y,z ———对同一位姿重复响应n 次后所得各点集群重心的坐标;
xj,yj,zj———第j 次实到位姿的坐标。
姿态重复性(RPa,RPb,RPc)计算如下:
RPa =±3Sa =±3
Σn
j=1 (aj -a)2
n -1 (18)
RPb =±3Sb =±3
Σn
j=1 (bj -b)2
n -1 (19)
11
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RPc =±3Sc =±3
Σn
j=1 (cj -c)2
n -1 (20)
式中:
a,b,c ———对同一位姿重复响应n 次后所得的姿态角的平均值;
aj,bj,cj———第j 次实到位姿的姿态角。
7.2.2 多方向位姿准确度变动
按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体和测试平面,并选择
P1、P2、P4 为多方向位姿准确度变动的校准点。被校机器人按表3的试验条件进行
校准。
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)在机座坐标系-X 、-Y、-Z 方向上分别选定与P1 点距离不小于200mm 的
三点a、b、c。运动范围较小的机器人,无法运动200mm 时,根据机器人实际情况酌
情减小距离。
2)从a点开始,将机械接口以额定速度(或其50%、10%)移至P1,然后移至
b,再移至P1,移至c点,再移至P1,最后回到a点为一个循环。
3)每次到达P1 后,应停顿一段时间,停顿时间应大于测出的位姿稳定时间。如有
运动同步功能,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信号置1,使校准设备采集数
据,然后将开关量输出信号置0,移动机械接口至下一位姿点。
4)每次到达位姿稳定后,校准设备对实到位姿进行测量。
5)采用如图8所示的循环,可无限制进行循环,待校准设备采集完30次循环的数
据后,停止机器人的运动。
6)对于位姿点P1,以坐标的负方向接近;对于位姿点P2 和P4,则从立方体内部
接近(见图7)。位姿点P2 和P4 的试验程序与上述类似,但P2 的a、b、c点应分别在
-X 、-Y、-Z 方向上,P4 的a、b、c点应分别在X 、Y、Z 方向上。
7)按公式(21)~公式(24)计算每个位姿的多方向位姿准确度变动。
如果不可能,应使用制造商指定的接近方向并在证书中说明。
表3 多方向位姿准确度变动试验条件
负载速度位姿循环次数
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
额定负载降至10%
(选用)
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
P1—P2—P4 30
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图7 多方向位姿准确度变动
图8 多方向位姿准确度变动循环图解
多方向位置准确度变动(vAPp )计算如下:
vAPp =max (xh -xk)2 + (yh -yk)2 + (zh -zk)2 h,k =1,2,3 (21)
多方向姿态准确度变动(vAPa,vAPb,vAPc )计算如下:
vAPa =max|(ah -ak)| h,k=1,2,3 (22)
vAPb =max|(bh -bk)| h,k=1,2,3 (23)
vAPc =max|(ch -ck)| h,k=1,2,3 (24)
式中:
1,2,3———接近路径的编号;
xh ,yh ,zh ———按路径h 接近同一位姿重复响应n 次后所得各点集群重心的坐标;
xk,yk,zk ———按路径k 接近同一位姿重复响应n 次后所得各点集群重心的坐标;
ah ,bh ,ch ———按路径h 接近同一位姿重复响应n 次后所得的姿态角的平均值;
ak,bk,ck ———按路径k 接近同一位姿重复响应n 次后所得的姿态角的平均值。
7.2.3 距离准确度和距离重复性
本项目仅用于离线编程和人工数据输入的机器人。
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按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体和测试平面,并选取指
令位姿P2 和P4 进行距离准确度校准。被校机器人按表4的试验条件进行校准。
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)从位姿点P4 开始,将机械接口以额定速度(或其50%、10%)移至P2,再回
到P4,为一个运动循环(见图9)。运动时采用点到点控制或连续路径控制均可。
2)到达P2 和P4 时,应停顿一段时间,停顿时间应大于测出的位姿稳定时间。如
有运动同步功能,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信号置1,使校准设备采集
数据。将开关量输出信号置0,移动机械接口至下一位姿点。
3)每次到达位姿稳定后,校准设备对实到位姿进行测量。
4)可无限制进行循环,待校准设备采集完30次循环的数据后,停止机器人的
运动。
5)按公式(25)~公式(46)计算距离准确度。在报告中至少要有ADp 的值。按
公式(47)~公式(53)计算距离重复性。在报告中至少要有RD 的值。
表4 距离准确度和重复性试验条件
负载速度位姿循环次数
100%额定负载
100%额定负载
50%额定负载
10%额定负载
P2—P4 30
图9 距离准确度和重复性循环图示
14
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图10 距离准确度
7.2.3.1 距离准确度
位置距离准确度(ADp )计算如下:
ADp =Dc -D (25)
D =1 nΣn
j=1
Dj (26)
Dj= P4j-P2j = x4j-x2j 2+ y4j-y2j 2+ z4j-z2j 2 (27)
Dc= P4-P2 = xc4-xc2 2+ yc4-yc2 2+ zc4-zc2 2 (28)
式中:
xc4、yc4、zc4 ———P4 的指令位姿坐标;
xc2、yc2、zc2 ———P2 的指令位姿坐标;
x4j、y4j、z4j ———P4 第j 次实到位姿的坐标;
x2j、y2j、z2j ———P2 第j 次实到位姿的坐标;
n———重复次数。
位置距离准确度也可用机座坐标系各轴分量来表示,计算如下:
ADx =Dcx -Dx (29)
ADy =Dcy -Dy (30)
ADz =Dcz -Dz (31)
Dx =1 nΣn
j=1Dxj =1 nΣn
j=1|x4j -x2j| (32)
Dy =1 nΣn
j=1Dyj =1 nΣn
j=1|y4j -y2j| (33)
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Dz =1 nΣn
j=1Dzj =1 nΣn
j=1|z4j -z2j| (34)
Dcx =|xc4 -xc2| (35)
Dcy =|yc4 -yc2| (36)
Dcz =|zc4 -zc2| (37)
姿态距离准确度(ADa ,ADb ,ADc )计算方法相当于单轴距离准确度,计算
如下:
ADa =Dca -Da (38)
ADb =Dcb -Db (39)
ADc =Dcc -Dc (40)
Da =1 nΣn
j=1Daj =1 nΣn
j=1 a4j -a2j (41)
Db =1 nΣn
j=1Dbj =1 nΣn
j=1 b4j -b2j (42)
Dc =1 nΣn
j=1Dcj =1 nΣn
j=1 c4j -c2j (43)
Dca = ac4 -ac2 (44)
Dcb = bc4 -bc2 (45)
Dcc = cc4 -cc2 (46)
式中:
ac4、bc4、cc4 ———P4的指令位姿姿态;
ac2、bc2、cc2 ———P2 的指令位姿姿态;
a4j、b4j、c4j ———P4 第j 次实到位姿的姿态;
a2j、b2j、c2j ———P2 第j 次实到位姿的姿态;
n———重复次数。
7.2.3.2 距离重复性
对于给定的指令距离,位置距离重复性计算如下:
RD =±3
Σn
j=1 (Dj -D )2
n -1 (47)
RDx =±3
Σn
j=1 (Dxj -Dx)2
n -1 (48)
RDy =±3
Σn
j=1 (Dyj -Dy)2
n -1 (49)
RDz =±3
Σn
j=1 (Dzj -Dz)2
n -1 (50)
姿态距离重复性(RDa,RDb,RDc )计算如下:
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RDa =±3
Σn
j=1 (Daj -Da)2
n -1 (51)
RDb =±3
Σn
j=1 (Dbj -Db)2
n -1 (52)
RDc =±3
Σn
j=1 (Dcj -Dc)2
n -1 (53)
7.2.4 位置稳定时间
按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体和测试平面,并选择
P1 点进行位置稳定时间的校准,位置稳定时间的三维图示见图11。被校机器人按表5
的试验条件进行校准。
表5 位置稳定时间试验条件
负载速度位姿循环次数
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
额定负载降至10%
(选用)
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
P1 3
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)从位姿点P2 开始,将机械接口以额定速度(或其50%、10%)移至P1,再回
到P2,为一个运动循环。运动时采用点到点控制或连续路径控制均可。
2)到达P1 时,如有运动同步功能,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信号
置1,使校准设备采集数据,0.1s后,再将该输出信号置0。校准设备数据采集的停止
必须采用定时方式。需要预计估计位置稳定时间,在校准设备上设置略大的采集终止时
间。如果预设的时间不能使校准设备采集到完整的稳定过程,需要加长设置的时间重新
进行校准。校准设备应连续测量校准点的位置,直到稳定,并记录稳定时间。
3)超过预先估计的位置稳定时间后,返回P2。
4)可无限制进行循环,待校准设备采集完3次循环的数据后,停止机器人的运动。
计算3次测量的平均值(见图12)。
门限带可定义为7.2.1中的重复性或由制造商制定。
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图11 三维表示的稳定时间和位置超调量
图12 稳定时间和位置超调量
注:
(1)———过阻尼接近示例曲线,超调量为0;
(2)———振荡接近示例曲线,OVj 存在。
7.2.5 位置超调量
按7.2.4方法,位置稳定时间和位置超调量可同时进行校准。按公式(54)~
公式(55)计算位置超调量,位置超调量的三维图示见图11。
位置超调量等于超出测量点P1 的移动距离,超调量应测量3次,计算3次中的最
大值(见图12)。
OV =maxOVj (54)
若maxDij > 门限带,OVj =maxDij
若maxDij ≤ 门限带,OVj =0
maxDij =max (xij -xj)2 + (yij -yj)2 + (zij -zj)2 i=1,2,…,m (55)
式中:
i———表示机器人进入门限带后测量的采样点号。
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对于某些特殊应用,OV 也可用其分量OVx 、OVy 、OVz 来表示。
7.2.6 位姿特性漂移
按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体和测试平面,并选择
P1 为位姿特性漂移的校准点。被校机器人按表6的试验条件进行校准。
表6 位姿特性漂移试验条件
负 载速 度位 姿循 环 次 数循环时间
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
P1 10次
最多8h;
若连续五次校准
漂移变化率小于
第1 小时内的最
大漂移变化率的
10%,则可以提
前结束校准
位姿特性漂移校准应从冷态(打开主电源)开始,并在热机状态下持续数小时。遵
循下述操作顺序:
1)上电进行试验循环编程;指令位姿应在冷态下示教。
2)关闭机器人电源不少于8h。
3)重新启动机器人并开始程序的自动循环。
a)校准循环:
ⅰ. 被编程的机器人其机械接口从位姿点P2 开始,使机械接口以额定速度(或
其50%、10%)移至P1,再回到P2,为一个运动循环。运动时采用点到点控制或
连续路径控制均可。
ⅱ. 在P1 应停顿一段时间,停顿时间应大于测出的位姿稳定时间。如有运动同
步功能,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信号置1。将开关量输出信号置
0,移动机械接口至P2。从P1 返回到P2 过程中设一中间位姿点,使机械接口的姿
态有较大变化,以保证返回时所有关节均运动。
ⅲ. 每次到达P1 位姿稳定后,校准设备对实到位姿进行测量。循环10次,按
公式(1)~公式(13)计算位置准确度和姿态准确度,按公式(14)~公式(21)
计算位置重复性和姿态重复性。
ⅳ. 可无限制进行循环,待漂移试验结束后,停止机器人的运动。
b)热机循环:当从P1 返回P2(10min)时,所有关节应以最大可能的速度
在其全程70%的范围内运动(见表6),见图13的流程图。对于特殊的应用可选择
不同的值。
c)校准中,若连续五次校准漂移的变化率小于第1小时内的最大漂移变化
率的10%,则可以提前结束校准,不用等到8h。用测量值计算位姿准确度和重复
性(见7.2.1),所得的结果作为时间的函数制作图表。两个测量循环之间的时间
应是10min (热机流程见图13和图14)。按公式(56)~公式(63)计算位姿特
性漂移,并在报告中记录最大值。
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图13 漂移测量流程图
位姿准确度漂移和位姿重复性漂移的计算公式如下:
位置准确度漂移(dAPp ):
dAPp =|APt=1 -APt=N | (56)
姿态准确度漂移(dAPa ,dAPb ,dAPc ):
dAPa =|APat=1 -APat=N | (57)
dAPb =|APbt=1 -APbt=N | (58)
dAPc =|APct=1 -APct=N | (59)
位置重复性漂移(dRPp ):
dRPp =|RPt=1 -RPt=N | (60)
姿态重复性漂移(dRPa ,dRPb ,dRPc ):
dRPa =|RPat=1 -RPat=N | (61)
dRPb =|RPbt=1 -RPbt=N | (62)
dRPc =|RPct=1 -RPct=N | (63)
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图14 位姿特性漂移
7.2.7 路径准确度和路径重复性
按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体,参照A.5.6选择校
准路径,路径准确度与路径重复性如图15所示。被校机器人按表7的试验条件进行
校准。
表7 路径准确度和重复性试验条件
负载速度路径形状循环次数
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
额定负载降至10%
(选用)
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
直线路径:E1-E2
圆形路径:大圆和小圆10
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图15 对某一指令路径的路径准确度与路径重复性
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)从试验路径起点开始,使机械接口以额定速度(或其50%、10%)沿路径(直
线、或大圆、或小圆)运行至路径终点,再回到起点,待被校机器人达到静止状态时,
为一个测试循环。
2)如有运动同步功能,开始运动前,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信
号置1,停顿0.1s后置0。
3)到达终点时,待被校机器人达到静止状态时,再向起点运动。
4)校准设备数据采集的停止可以有定时和同步两种方式。定时停止需要预先估计
全路径运动时间,在校准设备上设置略大的采集终止时间。同步停止需要在机器人控制
器上选定另一个开关量输出,到达路径终点后,停顿0.1s,使该信号置1,0.1s后置
0,仪器收到信号后停止采集。这两种方式均可使校准设备采集到完整的路径数据。
5)可无限制进行循环,待校准设备采集完10次循环的数据后,停止机器人的
运动。
6)按公式(64)~公式(67)计算路径准确度,按公式(68)~公式(71)计算
路径重复性。
7.2.7.1 路径准确度(AT)
位置路径准确度(ATp )计算如下:
ATp =max (xci -xi)2 + (yci -yi)2 + (zci -zi)2 i=1,2,…,m (64)
其中:
xi =1 nΣn
j=1xij ,yi =1 nΣn
j=1yij ,zi =1 nΣn
j=1zij
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式中:
xci 、yci 、zci ———指令路径上第i 点的坐标;
xij 、yij 、zij ———第j 条实到路径与第i 个正交平面交点的坐标。
姿态路径准确度(ATa 、ATb 和ATc )计算如下:
ATa =max|aci -ai| i=1,2,…,m (65)
ATb =max|bci -bi| i=1,2,…,m (66)
ATc =max|cci -ci| i=1,2,…,m (67)
其中:
ai =1 nΣn
j=1aij,bi =1 nΣn
j=1bij,ci =1 nΣn
j=1cij
式中:
aci 、bci 、cci ———点(xci 、yci 、zci )处的指令姿态;
aij 、bij 、cij ———点(xij 、yij 、zij )处的指令姿态。
7.2.7.2 路径重复性(RT)
位置路径重复性(RTp )和姿态路径重复性(RTa、RTb、RTc)计算如下:
RTp =maxRTpi =max|li +3Sli| i=1,2,…,m (68)
其中:
li =1 nΣn
j=1lij
Sli =
Σn
j=1(lij -li)2
n -1
lij = (xij -xi)2 + (yij -yi)2 + (zij -zi)2
式中:
xij 、yij 、zij ———第j 条实到路径第i 个正交平面交点的坐标。
RTa =max3
Σn
j=1 (aij -ai)2
n -1 i=1,2,…,m (69)
RTb =max3
Σn
j=1 (bij -bi)2
n -1 i=1,2,…,m (70)
RTc =max3
Σn
j=1 (cij -ci)2
n -1 i=1,2,…,m (71)
其中:
ai =1 nΣn
j=1aij,bi =1 nΣn
j=1bij,ci =1 nΣn
j=1cij
式中:
aij 、bij 、cij ———点(xij 、yij 、zij )处的指令姿态。
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7.2.8 重复定向路径准确度
按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体,参照A.5.6选择校
准路径。被校机器人按表8的试验条件进行校准。
表8 重复定向路径准确度试验条件
负载速度路径形状循环次数
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
额定负载降至10%
(选用)
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
直线路径
P6-P9 10
重复定向路径准确度仅测量位置路径准确度(ATp ),采用下述试验,如图16
所示。
绕Yn 轴改变姿态的说明:
P6 (起点)处,Bn 角+15°或+30°
P6 至P1,Bn 角-15°或-30°
P1 至P9,Bn 角+15°或+30°
绕Xn 、Zn 轴改变姿态的说明:
P6 (起点)处,An 角+15°或+30°
P6 至P7,An 角0°
P7 至P1,Cn 角-15°或-30°
P1 至P8,Cn 角0°
P8 至P9,An 角-15°或-30°
图16 改变姿态的说明
注:姿态改变推荐值为15°或30°,根据实际(客户)情况调整。
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)在试验平面E1,…,E4 内,应像图A.6一样等距标记好另一些点P6,…,P9。
为了确定姿态,应建立一个坐标系,其Xn、Yn 面平行于所选择的E1,…,E4 平面,
直线路径P6,…,P9 平行于Yn 轴。
2)从位姿点P6 开始,使机械接口以额定速度(或其50%、10%)连续变姿态地
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经过P7、P1、P8 到达P9,再回到起点,待被校机器人达到静止状态时,为一个校准循
环。运动时采用连续路径控制。
3)如有运动同步功能,开始运动前,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信
号置1,停顿0.1s后置0。
4)到达终点时,待被校机器人达到静止状态时,再向起点运动。
5)校准设备数据采集的停止可以有定时和同步两种方式。定时停止需要预先估计
全路径运动时间,在校准设备上设置略大的采集终止时间。同步停止需要在机器人控制
器上选定另一个开关量输出,到达路径终点后,停顿0.1s,使该信号置1,0.1s后置
0,仪器收到信号后停止采集。这两种方式均可使校准设备采集到完整的路径数据。
6)可无限制进行循环,待校准设备采集完10次循环的数据后,停止机器人的
运动。
7)重复定向路径准确度的计算类似位置路径准确度的计算,按公式(68)计算。
7.2.9 拐角偏差
按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体,参照A.5.6选择矩
形路径(拐角记为E1、E2、E3、E4),拐角点如图17中的(xe,ye,ze)。被校机器人
按表9的试验条件进行校准。
表9 拐角偏差试验条件
负载速度拐角循环次数
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
E1-E2-E3-E4 3
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)通过连续路径编程,使机器人运行一条矩形指令路径,以E1(P2)和E4(P5)
的中点作为起点,将机械接口以额定速度(或其50%、10%)直线地移向E1,再移至
E1、E2(P3)、E4(P5),然后回到E1(P2)和E4(P5)的中点,完成一个循环。若不另外
说明,姿态是垂直于矩形路径平面的。
2)四个拐角E1、E2、E3、E4 是两段直线路径的交点,机器人在这里不停顿,但
可按制造商规定的方式完成两条路径的平滑过渡,且在校准证书中说明。当实现路径
时,任何自动的速度下降均应按照制造商的规定,且应在校准证书中说明。
3)如有运动同步功能,开始运动前,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信
号置1,停顿0.1s后置0。
4)到达终点时,待被校机器人达到静止状态时,再向起点运动。
5)校准设备数据采集的停止可以有定时和同步两种方式。定时停止需要预先估计
全路径运动时间,在校准设备上设置略大的采集终止时间。同步停止需要在机器人控制
器上选定另一个开关量输出,到达路径终点后,停顿0.1s,使该信号置1,0.1s后置
0,仪器收到信号后停止采集。这两种方式均可使校准设备采集到完整的路径数据。
6)可无限制进行循环,待校准设备采集完3次循环的数据后,停止机器人的运动。
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7)四个拐角均应测量,按公式(72)~公式(75)计算拐角偏差。
图17 拐角处的超调和拐角误差
拐角误差(CR)计算如下:
CR =maxCRj j=1,2,3 (72)
CRj =min (xe -xi)2 + (ye -yi)2 + (ze -zi)2 i=1,2,…,m (73)
式中:
xe ,ye,ze ———指令拐角点的坐标;
xi,yi,zi ———实到路径上的指令拐角附近第i 个点的坐标。
拐角超调(CO)计算如下:
CO =maxCOj j=1,2,3 (74)
COj =max (xci -xi)2 + (yci -yi)2 i=1,2,…,m (75)
式中:
xci 、yci ———指令路径上对应于zci 的点的坐标;
xi 、yi ———实到路径上对应于zi 的点的坐标。
上述公式仅当(yci -yi)为负时才是正确的,若(yci -yi)为正,则不存在拐角
超调。
7.2.10 路径速度特性
路径速度特性应与路径准确度在相同的直线路径上进行校准,图18表示了路径速
度特性的理想化图形。采用7.2.7方法,按表10的试验条件进行校准,循环次数为
10次。
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图18 路径速度特性
表10 路径速度特性试验条件
负载速度路径形状循环次数
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
额定负载降至10%
(选用)
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
直线路径:E1-E2 10
当路径有较大的速度波动出现时,作为时间函数进行的重复测量,应参照指令路径
上同一空间点来进行。
测量应在位于试验路径长度中部稳定速度段且在50%长度上进行。
路径速度准确度(AV)计算如下:
AV =
vc -v
v
×100% (76)
其中:
v =1 nΣn
j=1
vj
vj =1 mΣn
j=1
vij
式中:
vc ———指令速度;
vij ———第j 次测量第i 点的实到速度;
m ———沿路径测量的次数。
路径速度重复性(RV)计算如下:
RV =±(3Sv
v
×100%) (77)
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其中:
Sv =
Σn
j=1 (vj -v)2
n -1
路径速度波动(FV)计算如下:
FV =max maxm
i=1(vij)- minm
i=1(vij) j=1,…,n (78)
7.2.11 最小定位时间
按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体和测试平面,按表11
和表12给出的试验条件进行校准。
表11 最小定位时间的试验位姿和距离
位姿P1 P1+1 P1+2 P1+3 P1+4 P1+5 P1+6 P1+7
与前一位姿的距离比例/mm
(Dx =Dy =Dz) 0 -10 +20 -50 +100 -200 +500 -1000
路径形状P1→P1+1→P1+2→P1+3→P1+4→P1+5→P1+6→P1+7
表12 最小定位时间试验条件
负 载速 度循环次数
100%额定负载
100%额定速度
最佳速度
(厂家说明书推荐值)
3
额定负载降至10%
(选用)
100%额定速度
最佳速度
(厂家说明书推荐值)
3
图19 最小定位时间循环图示
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)为了在定位时间测量中有较短的距离,在沿A.5.4中定义的立方体对角线上,
由程序或示教设定一系列位姿(见图19),相邻位姿间的距离分量Dx =Dy =Dz 之值
符合表11中所示的数列。
2)从位姿点P1 开始,使机械接口以额定速度直线移向P1+1,…,P1+7一系列位姿
点(见表11),最后回到P1,为一个运动循环。位姿的个数与距离取决于所选的立方体
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大小。
3)如有运动同步功能,开始运动前,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信
号置1,停顿0.1s后置0。
4)到达终点时,待被校机器人达到静止状态时,再向起点运动。
5)校准设备数据采集的停止可以有定时和同步两种方式。定时停止需要预先估计
从起点到终点的全程运动时间,在校准设备上设置略大的采集终止时间。同步停止需要
在机器人控制器上选定另一个开关量输出,到达终点后,停顿0.1s,使该信号置1,
0.1s后置0,仪器收到信号后停止采集。这两种方式均可使校准设备采集到全程的
数据。
6)可无限制进行循环,待校准设备采集完3次循环的数据后,停止机器人的
运动。
7)校准设备跟踪被校机器人的运动,记录从起始位姿到到达位姿的总距离,以
及从静止状态开始,运行预定距离,到达静止状态所经历的时间(包括稳定时间)。
对于每一个循环过程,计算3次循环的平均值,列表给出定位时间和位姿间的距离。
若想得到较短的定位时间,试验所用的速度为100%额定速度,且试验应在循环每
一部分的最佳速度下进行。所用的速度应在校准证书中说明。
7.2.12 静态柔顺性
按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体和测试平面,由程序或
示教到P1,使校准在A.5.4中所定义的位于P1 的机械接口的中心进行。按如下步骤
校准:
1)机器人接电,由程序或示教到P1。
2)被校机器人的伺服系统通电、制动器脱开。
3)试验中所用的力应加在机械接口处平行于机座坐标轴的三个方向上,既有正也
有负,以10%额定负载逐步增加到100%额定负载。对于每个力和方向,逐次测量相应
的位移。
4)每个方向上重复三次校准,按公式(79)计算柔顺性。
SC =1 nΣn
i=1
SCi (79)
其中:
SCi =
di
Fi
式中:
di ———一个方向上第i 次力加载时对应的位移,mm;
Fi ———一个方向上第i 次加载的力,N。
7.2.13 振动加速度
在机器人零位状态下,将加速度计刚性连接在机器人的末端中心(见图20),使加
速度计的X 、Y、Z 方向与机座坐标系重合,加速度计连接至动态信号分析仪。按表13
的试验条件进行校准。
29
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表13 加速度试验条件
负载速度路径形状循环次数
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
额定负载降至10%
(选用)
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
直线路径:E1-E2
(保持姿态不变) 3
图20 零位状态下的加速度计安装与连接图
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)从试验路径起点开始,使机械接口保持姿态不变,以额定速度(或其50%、
10%)沿路径运行至路径终点,再回到起点,待被校机器人达到静止状态时,为一个测
试循环。
2)到达终点时,待被校机器人达到静止状态时,再向起点运动。
3)可无限制进行循环,待动态信号分析仪采集记录完整的3次循环的数据后,停
止机器人的运动。
4)对记录的运行数据进行去抖动处理,数据处理见B.1。
5)分别读取每一个循环末端加速度的最大绝对值,重复3次计算其平均值。
7.2.14 末端抖动
在机器人零位状态下,将加速度计刚性连接在机器人的末端中心(见图20),使加
速度计的X 、Y、Z 方向与机座坐标系重合,加速度计连接至动态信号分析仪。按表13
的试验条件进行校准。
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)从试验路径起点开始,使机械接口保持姿态不变,以额定速度(或其50%、
10%)沿路径(直线,或大圆,或小圆)运行至路径终点,再回到起点,待被校机器人
30
JJF2138—2024
达到静止状态时,为一个测试循环。
2)到达终点时,待被校机器人达到静止状态时,再向起点运动。
3)可无限制进行循环,待动态信号分析仪采集记录完整的3次循环的数据后,停
止机器人的运动。
4)对记录的运行数据进行去运动分析获得抖动数据,数据处理见B.2。
5)分别读取每一个循环末端的最大抖动幅值,重复3次计算其平均值。
7.2.15 固有频率
在机器人零位状态下,将加速度计刚性连接在机器人的末端中心(见图20),使加
速度计的X 、Y、Z 方向与机座坐标系重合,加速度计连接至动态信号分析仪,将力锤
连接至动态信号分析仪。被校机器人的伺服系统通电、制动器脱开。按表14的试验条
件进行校准。
表14 固有频率试验条件
负载机器人状态
100%额定负载
额定负载降至10%
(选用)
零位状态
(如有必要,可选用机器臂展开与水平成
45°的一条线的状态)
本规范采用冲击激励法进行固有频率测试。用力锤沿Y 方向定点敲击工业机器人
的末端,向工业机器人提供一个瞬态的冲击力,动态信号分析仪拾取加速度响应。进行
(3~5)次频域平均,得到频率响应函数,按频率值从小到大依次读取前面4阶(如有)
极大值点为固有频率值。
7.2.16 动刚度
在机器人零位状态下,将加速度计刚性连接在机器人的末端中心(见图20),使加
速度计的X 、Y、Z 方向与机座坐标系重合,加速度计连接至动态信号分析仪,将力锤
连接至动态信号分析仪。被校机器人的伺服系统通电、制动器脱开。按表14的试验条
件分别进行校准。
本规范采用冲击激励法进行动刚度测试。用力锤沿Y 方向定点敲击工业机器人的
末端,向工业机器人提供一个瞬态的冲击力,动态信号分析仪拾取加速度响应。进行
(3~5)次频域平均,得到动刚度曲线,即力与位移的复数比。
8 校准结果
校准结果应在校准证书上反映。校准证书应至少包括以下信息:
a)标题:“校准证书”;
b)实验室名称和地址;
c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);
d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;
e)客户的名称和地址;
f)被校对象的描述和明确标识;
31
JJF2138—2024
g)进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校对象的
接收日期;
h)如果与校准结果的有效性或应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;
i)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;
j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;
k)校准环境的描述;
l)校准结果及测量不确定度的说明;
m)对校准规范的偏离的说明;
n)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识;
o)校准结果仅对被校对象有效的声明;
p)未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。
9 复校时间间隔
建议复校间隔时间为1年。
由于复校间隔时间的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所
决定,因此送校单位可根据实际情况自主决定复校时间间隔。
32
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附录A
校准前准备工作
A.1 校准前提条件
根据制造商的建议安装机器人。
机器人装配完毕,并可全面操作。所有必要的校平操作、调整步骤及功能试验均应
圆满完成。
除位姿特性漂移特性校准应由冷态开始外,不管制造商是否有规定,其余校准在校
准前机器人应进行适当的预热。
若机器人具有由用户使用的、会影响被测特性的设备,或如果只能用特殊函数来记
录特性(如离线编程给出的位姿校准设施)的设备,则校准中的状态必须在校准证书中
说明,并且(与某种特性有关时)每次校准中均应保持不变。
A.2 位移测量原则
被测位置和姿态数据(xj、yj、zj、aj、bj、cj )应以机座坐标系(GB/T16977—
2019)来表示,或以校准设备所确定的坐标系来表示。
若机器人指令位姿和路径由另一坐标系(如离线编程中使用)确定,而不是校准系
统来确定,则必须把数据转换到一个公共坐标系中。用测量方法建立坐标系间的相互关
系。在此情况下,7.2.1给出的测量位姿不能用作转换数据的参照位置。参照点和测量
点需在试验立方体内,且彼此距离应尽可能大(例如,若P1 到P5 为测量点,则C1、
C2、C3、C4、C5 可用作参照点)。
机座坐标系和所选坐标系的关系应在校准结果中说明。
测量点应离制造商指明的机械接口一段距离,该点在机械接口坐标系(GB/T16977—
2019)的位置应予记录(见图A.7指令位姿与实到位姿的关系)。
计算姿态偏差时所用的转动顺序,必须使姿态在数值上是连续的。绕动轴[导航角
或欧拉角、矩阵(有顺序)]旋转,或绕静止轴旋转是没有关系的。
除非另有规定,应在实到位姿稳定后进行测量。
A.3 机械接口的负载
所有校准项目都应在100%额定负载条件下进行,即制造商规定的质量、重心位置
和惯性力矩。额定负载条件应在校准证书中注明。
为表征机器人与负载有关的性能,可采用如表A.1中指出的将额定负载降至10%
或由制造商制定的其他数值进行附加试验。
如部分校准设备附加于机器人上,应把其质量和位置当作试验负载的一部分。
图A.1是校准用末端执行器的实例,其CG (重心)和TCP (工具中心点)有偏
移。校准时,TCP是测量点(MP)。测量点的位置应在校准证书中说明。
33
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表A.1 校准负载
校准项目
使用负载
100%额定负载额定负载减至10%
位姿准确度和位姿重复性● ○
多方向位姿准确度变动● ○
距离准确度和距离重复性● —
位置稳定时间● ○
位置超调量● ○
位姿特性漂移● —
路径准确度和路径重复性● ○
重复定向路径准确度● ○
拐角偏差● ○
路径速度特性● ○
最小定位时间● ○
末端抖动● ○
振动加速度● ○
注:
1 ●表示推荐,○表示选用,—表示不选。
2 可采用如表A.1中指出的将额定负载降至10%或由制造商制定的其他数值进行附加试验。
图A.1 校准用末端执行器实例
34
JJF2138—2024
A.4 试验速度
所有位姿特性校准在指定位姿间可达到的最大速度下进行,即在每种情况下速度补
偿均置于100%,并可在此速度的50%和/或10%下进行附加试验。
对于每一种路径特性,在制造商规定的额定路径速度的100%、50%和10%下进行
试验(见表A.2)。在校准证书中应注明额定路径速度。每次试验所规定的速度取决于
路径的形状和尺寸。机器人至少能在试验路径50%的长度内达到此速度。此时,相关
的性能指标才是有效的。
如果可选择,应在校准证书中说明速度是以点位方式还是以连续路径方式来规
定的。
表 A.2给出推荐试验速度的汇总。
表A.2 试验速度
校准项目
试验速度
100%额定速度50%额定速度10%额定速度
位姿准确度和位姿重复性● ○
多方向位姿准确度变动● ○
距离准确度和距离重复性● ○
位置稳定时间● ○
位置超调量● ○
位姿特性漂移● —
路径准确度和路径重复性● ● ●
重复定向路径准确度● ● ●
拐角偏差● ● ●
路径速度特性● ● ●
最小定位时间见7.2.11最小定位时间
末端抖动● ○
振动加速度● ○
A.5 试验位姿和跟踪路径定义
A.5.1 目的
本章说明如何确定定位于工作空间中立方体内一平面上的五个合适位置,还说明了
跟踪的试验路径。当机器人某轴运动范围较其他轴小时,可用长方体代替立方体。
A.5.2 立方体在工作空间中的位置
位于工作空间中的单个立方体,其顶点用C1~C8 表示(见图A.2),应满足以下
要求:
———立方体应位于工作空间中预期应用最多的那一部分;
———立方体应具有最大的体积,且其棱边平行于机座坐标系。
35
JJF2138—2024
在校准证书中应以图形说明工作空间中所用的立方体的位置。
图A.2 工作空间中的立方体
A.5.3 立方体内所用平面的位置
位姿试验应选用下列平面之一:
平面(a)C1—C2—C7—C8;
平面(b)C2—C3—C8—C5;
平面(c)C3—C4—C5—C6;
平面(d)C4—C1—C6—C7;
校准证书中应指出选用了哪一个平面。表A.3给出了位姿特性所使用的位姿。
表A.3 位姿特性中选用的位姿
校准项目
位姿
P1 P2 P3 P4 P5
位姿准确度和位姿重复性● ● ● ● ●
多方向位姿准确度变动● ● — ● —
距离准确度和距离重复性— ● — ● —
位置稳定时间● ● ● ● ●
位置超调量● ● ● ● ●
位姿特性漂移● — — — —
A.5.4 试验位姿
五个要测量的点位于测量平面的对角线上,并对应于选用平面的P1~P5 加上轴向
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(X MP)和径向(ZMP)测量点偏移。点P1~P5 是机器人手腕参考点的位置。
测量平面平行于选用平面,见图A.3和图A.7。
制造商可规定试验位姿应以机座坐标系(最佳)和/或关节坐标系来确定。
P1 是对角线的交点,也是立方体的中心。P2 到P5 离对角线端点的距离等于对角线
长度的(10±2)% (见图A.4)。若不可能,则在证书中说明在对角线上所选择的点。
图A.3 选用平面和测量平面
图A.4 使用的位姿
说明:
L 为对角线长度。
示例平面(a)C1—C2—C7—C8 和位姿P1—P2—P3—P4—P5
A.5.5 运动要求
当机器人在各位姿间运动时,所有关节均应运动。校准时,应注意不超出制造商操
作规范。
A.5.6 跟踪的路径
试验路径应位于图A.5所示的四个平面之一。对于6轴机器人,除制造商特殊规
定外,应选用平面1。对于少于6轴的机器人,应由制造商指定选用哪个平面。
在路径特性校准时,机械接口的中心位置应位于选用平面上(见图A.3),且姿态
相对于该平面应保持不变。
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图A.6给出了在四个可用试验平面之一上的一条直线路径、一条矩形路径和两条
圆形路径的位置示例。
除测量拐角偏差外,试验路径的形状应是直线或圆。若采用其他形状的路径,制造
商应说明并附于校准证书中。
在立方体对角线上的直线路径,路径长度应是所选平面相对于顶点间距离的80%,
如图A.6中P2 到P4 的距离是一实例。
另一直线路径P6 到P9,可用于7.5.3中所述的重复定向试验。
对于圆形路径试验,需测试两个不同的圆,见图A.6。
大圆的直径应为立方体边长的80%,圆心为P1。
小圆的直径应为同一平面中大圆直径的10%,圆心为P1,见图A.6。
应使用最少的数目的指令位姿。在校准证书中应说明指令位姿的数目、位置和编程
方法(示教编程、人工输入数字数据或离线编程)。
对于矩形路径,拐角记为E1、E2、E3、E4,每个拐角离平面各顶点的距离为该平
面对角线长度的(10±2)%。在图A.6的实例中,P2、P3、P4、P5 和E1、E2、E3、E4
重合。
图A.5 试验路径定位平
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工业机器人校准规范
CalibrationSpecificationforIndustrialRobots
2024-09-18发布2025-03-18实施
国家市场监督管理总局 发布
工业机器人校准规范
CalibrationSpecificationfor
IndustrialRobots
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归口单位:全国振动冲击转速计量技术委员会
主要起草单位:杭州亿恒科技有限公司
中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研
究所
中国计量科学研究院
北京航天计量测试技术研究所
参加起草单位:佛山市南海区质量技术监督检测所
芜湖赛宝机器人产业技术研究院有限公司
本规范委托全国振动冲击转速计量技术委员会负责解释
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本规范主要起草人:
陈章位(杭州亿恒科技有限公司)
李新良(中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研
究所)
蔡晨光(中国计量科学研究院)
杨晓伟(北京航天计量测试技术研究所)
参加起草人:
陈广初(佛山市南海区质量技术监督检测所)
任国营(中国计量科学研究院)
涂志健(芜湖赛宝机器人产业技术研究院有限公司)
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目 录
引言……………………………………………………………………………………… (Ⅲ)
1 范围…………………………………………………………………………………… (1)
2 引用文件……………………………………………………………………………… (1)
3 术语和符号说明……………………………………………………………………… (1)
3.1 术语………………………………………………………………………………… (1)
3.2 符号说明…………………………………………………………………………… (2)
4 概述…………………………………………………………………………………… (3)
5 计量特性……………………………………………………………………………… (4)
5.1 位姿准确度和位姿重复性………………………………………………………… (4)
5.2 多方向位姿准确度变动…………………………………………………………… (4)
5.3 距离准确度和距离重复性………………………………………………………… (5)
5.4 位置稳定时间……………………………………………………………………… (5)
5.5 位置超调量………………………………………………………………………… (5)
5.6 位姿特性漂移……………………………………………………………………… (5)
5.7 路径准确度和路径重复性………………………………………………………… (5)
5.8 重复定向路径准确度……………………………………………………………… (5)
5.9 拐角偏差…………………………………………………………………………… (5)
5.10 路径速度特性…………………………………………………………………… (6)
5.11 最小定位时间…………………………………………………………………… (6)
5.12 静态柔顺性……………………………………………………………………… (6)
5.13 振动加速度……………………………………………………………………… (6)
5.14 末端抖动………………………………………………………………………… (6)
5.15 固有频率………………………………………………………………………… (6)
5.16 动刚度…………………………………………………………………………… (6)
6 校准条件……………………………………………………………………………… (6)
6.1 环境条件…………………………………………………………………………… (6)
6.2 校准用设备………………………………………………………………………… (7)
7 校准项目和校准方法………………………………………………………………… (8)
7.1 校准项目…………………………………………………………………………… (8)
7.2 校准方法…………………………………………………………………………… (8)
8 校准结果……………………………………………………………………………… (31)
9 复校时间间隔………………………………………………………………………… (32)
附录A 校准前准备工作……………………………………………………………… (33)
附录B 振动数据处理示例…………………………………………………………… (42)
附录C 位置距离准确度校准结果不确定度评定示例……………………………… (47)
Ⅰ
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附录D 振动加速度校准结果不确定度评定示例…………………………………… (53)
附录E 校准原始记录模板…………………………………………………………… (57)
附录F 校准证书内页格式…………………………………………………………… (68)
Ⅱ
JJF2138—2024
引 言
JJF1001—2011 《通用计量术语及定义》、JJF1071—2010 《国家计量校准规范编写
规则》和JJF1059.1—2012 《测量不确定度评定与表示》共同构成制定本校准规范的基
础性系列规范。
本规范参照GB/T 12642—2013 《工业机器人 性能规范及其试验方法》、
GB/T11349.3—2006 《振动与冲击 机械导纳的试验确定 第3部分:冲击激励法》
和GB/T20868—2007 《工业机器人 性能试验实施规范》制定。
本规范为首次发布。
Ⅲ
JJF2138—2024
工业机器人校准规范
1 范围
本规范适用于具有三个或以上运动轴,并可重复编程、自动控制的工业机器人的
校准。
2 引用文件
本规范引用了下列文件:
JJF1156 振动 冲击 转速计量术语及定义
JJF1242 激光跟踪三维坐标测量系统校准规范
GB/T2298 机械振动、冲击与状态监测 词汇
GB/T11349.1—2018 机械振动与冲击 机械导纳的试验确定 第1部分:基本
术语与定义、传感器特性
GB/T11349.3—2006 振动与冲击 机械导纳的试验确定 第3部分:冲击激
励法
GB/T12642—2013 工业机器人 性能规范及其试验方法
GB/T12643 机器人与机器人装备 词汇
GB/T12644—2001 工业机器人 特性表示
GB/T16977—2019 机器人与机器人装备 坐标系和运动命名原则
GB/T20868—2007 工业机器人 性能试验实施规范
GB/T39266—2020 工业机器人机械环境可靠性要求和测试方法
凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文
件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。
3 术语和符号说明
3.1 术语
3.1.1 集群 cluster
用于计算准确度和重复性特性的一组测量点。
3.1.2 重心 barycentre
对于由坐标(xj,yj,zj)确定的n 个点的集群,由n 个点各轴向坐标的算术平
均值得到的坐标为(x,y,z)的点。
3.1.3 位姿 pose
空间位置和姿态的总称。
3.1.4 指令位姿 commandpose
机器人运动编程时由指令确定的机器人位姿。
3.1.5 实到位姿 attainedpose
1
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机器人响应指令位姿时实际达到的位姿。
注:实到位姿由校准设备测量所得,即实际测量值。
3.1.6 门限带 limitband
机器人实到位姿的控制上、下限。
3.2 符号说明
3.2.1 缩略语
A 准确度(Accuracy)
d 漂移(Drift)
F 波动(Fluctuation)
J 抖动(Jitter)
P 位姿(Pose)
R 重复性(Repeatability)
T 路径(Path)
V 速度(Velocity)
v 变动(Variation)
3.2.2 量的符号
AD 距离准确度(distanceaccuracy)
AP 位姿准确度(poseaccuracy)
AT 路径准确度(pathaccuracy)
AV 路径速度准确度(pathvelocityaccuracy)
a,b,c 对X 、Y、Z 轴的姿态(角分量)
CO 拐角超调(corneringovershoot)
CR 拐角误差(corneringround-offerror)
D 两点之间的距离(distance)
dAP 位姿准确度漂移(driftofposeaccuracy)
dRP 位姿重复性漂移(driftofposerepeatability)
FV 路径速度波动(pathvelocityfluctuation)
l 实到位姿和各个实到位姿集群重心间的距离
m 沿路径测量点数
n 测量循环次数
OV 位置超调量(positionovershoot)
RD 距离重复性(distancerepeatability)
RP 位姿重复性(poserepeatability)
RT 路径重复性(pathrepeatability)
RV 路径速度重复性(pathvelocityrepeatability)
S 标准偏差(standarddeviation)
SC 静态柔顺性(staticcompliance)
t 位置稳定时间(positionstabilizationtime)
2
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vAP 多方向位姿准确度变动(multi-directionalposeaccuracyvariation)
x,y,z 沿X 、Y、Z 轴的直线坐标
3.2.3 下标
a,b,c 表示对X 、Y、Z 轴的姿态特性
c 指令
e 拐角点(边界)
g 机器人性能进入规定的路径特性内的点
h 表示h 次方向
i 表示第i 点
j 表示第j 次循环
k 表示第k 次方向
p 位置
x,y,z 表示沿X 、Y、Z 轴的定位特性
1,2,… 表示位姿编号1,2,…
3.2.4 其他符号
C1~C8 试验立方体的顶点
E1~E8 用于测量路径特性的矩形平面顶点
G 各实到位姿集群的重心
Oc 测量系统坐标原点
4 概述
工业机器人广泛应用于汽车制造、工程机械、机车车辆、电子电器、生物制药等工
业自动化领域,常用于搬运、焊接、刷漆、激光加工、装配、码垛、产品检测和测
试等。
工业机器人的工作原理是给控制系统发出动作指令,控制驱动系统动作,驱动系统
带动执行机构运动,使执行机构的末端操作器到达空间某一位置和实现某一姿态,实施
一定的作业任务。末端操作器在空间的实时位姿由传感系统反馈给控制系统,控制系统
把实时位姿与目标位姿做比较,发出下一个动作指令,如此循环,直到完成作业任务
为止。
典型的工业机器人工作原理框图如图1所示。
图1 典型的工业机器人工作原理框图
3
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工业机器人主要由执行机构、驱动系统、控制系统和传感系统四部分组成。执行机
构也叫操作机,是由一些相互铰接或相对滑动的构件组成的多自由度运动机构。典型的
执行机构———六轴工业机器人操作机如图2所示。驱动系统主要指驱动执行机构的传动
装置,根据动力源的不同,可分为液压驱动方式、气压驱动方式、电气驱动方式和新型
驱动方式等。控制系统是机器人的重要组成部分,用于控制执行机构按照所需的顺序,
沿规定的位置和路径运动。传感系统将执行机构的速度、位置等信息传递给控制系统,
产生控制信号。
图2 典型的执行机构———六轴工业机器人操作机
O0-X0-Y0-Z0—绝对坐标系;O1-X1-Y1-Z1—机座坐标系;Om-X m-Ym-Zm —机械接口坐标系;
1~6—机器人机械关节(轴)
5 计量特性
5.1 位姿准确度和位姿重复性
5.1.1 位姿准确度
位姿准确度(AP)表示任一指令位姿和从相同方向多次接近该指令位姿时的实到
位姿平均值之间的偏差。位姿准确度分为:
a)位置准确度:指令位姿的位置与实到位置集群重心之差。位置集群重心是通过
球拟合获得,拟合球心即为重心(见图5)。
b)姿态准确度:指令位姿的姿态与实到姿态平均值之差(见图6)。
5.1.2 位姿重复性
位姿重复性(RP)表示对同一指令位姿从同一方向重复响应n 次后实到位姿的一
致程度。对某一位姿,重复性表示为:
a)位置重复性:实到位置集群重心为球心的球半径RPl 之值(见图5)。
b)姿态重复性:围绕平均值a、b、c 的角度散布±3Sa、±3Sb、±3Sc,其中
Sa、Sb、Sc 为标准偏差。姿态重复性使用3倍标准偏差表示(见图6)。
5.2 多方向位姿准确度变动
多方向位姿准确度变动(vAP )表示从三个相互垂直的方向对相同指令位姿响应
4
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n 次时,各实到位姿间的偏差(见图7)。多方向位姿准确度变动分为:
a)多方向位置准确度变动(vAPp ):不同路径终点得到的实到位置集群重心间的
最大距离;
b)多方向姿态准确度变动(vAPa、vAPb、vAPc):不同路径终点得到的实到姿
态平均值间的最大偏差。
5.3 距离准确度和距离重复性
5.3.1 距离准确度
距离准确度(AD )表示任一指令距离和多次实到距离平均值之间偏差(见图10)。
距离准确度包括位置距离准确度和姿态距离准确度。
5.3.2 距离重复性
距离重复性(RD )表示同一方向对相同指令距离重复运动n 次后实到距离的一致
程度。距离重复性包括位置距离重复性和姿态距离重复性。
5.4 位置稳定时间
位置稳定时间是从机器人第一次进入门限带的瞬间到不再超出门限带的瞬间所经历
的时间(见图12),门限带可定义为位姿重复性或由制造商制定。
5.5 位置超调量
位置超调量是机器人第一次进入门限带再超出门限带后瞬时位置与实到位置的最大
距离(见图12)。
5.6 位姿特性漂移
a)位姿准确度漂移(dAP ):从冷态(打开主电源)开始,到热机状态下持续数
小时的位姿准确度的最大变化量;
b)位姿重复性漂移(dRP ):从冷态(打开主电源)开始,到热机状态下持续数
小时的位姿重复性的最大变化量。
注:冷态指关闭机器人电源8h之后的状态,热机指机器人所有关节以最大可能的速度在其全程
70%的范围内运动。
5.7 路径准确度和路径重复性
5.7.1 路径准确度
路径准确度(AT)表示在位置和姿态上沿所得路径的最大路径偏差,包括位置路
径准确度(ATp )和姿态路径准确度(ATa、ATb、ATc)。
5.7.2 路径重复性
路径重复性(RT)表示机器人对同一指令路径重复n 次时实到路径的一致程度,
包括位置路径重复性(RTp )和姿态路径重复性(RTa、RTb、RTc)。
5.8 重复定向路径准确度
重复定向路径准确度是在一条直线路径上沿三个方向交替变换姿态时,各实到路径
位置集群的中心线与指令路径的位置之间的最大偏差。
5.9 拐角偏差
a)拐角误差(CR):拐角点与实到路径间的最小距离。
b)拐角超调(CO):机器人不减速地以设定恒定路径速度进入第二条路径后偏离
5
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指令路径的最大值。
5.10 路径速度特性
机器人路径速度的性能特性可分为以下三项指标:
a)路径速度准确度(AV):指令速度与沿路径进行n 次重复测量所获得的实到速
度平均值之差。
b)路径速度重复性(RV):对同一指令速度所得实到速度的一致程度。用相对实
到速度平均值的百分比表示。
c)路径速度波动(FV):再现指令速度的过程中实到速度的最大变化量。
5.11 最小定位时间
定位时间指机器人在点位控制方式下从静态开始移动一预定距离和/或摆动一预定
角度到达稳定状态所经历的时间。5.4中所定义的位置稳定时间包含于定位时间内。
注:若要得到最小定位时间,校准所用的速度为100%额定速度,且校准应在循环每一部分的最
佳速度下进行;并且选用较短的距离,在沿A.5.4中定义的立方体对角线上,由程序或示
教设定一系列位姿(见图19),相邻位姿间的距离分量Dx =Dy =Dz 之值符合表11中所示
的数列。
5.12 静态柔顺性
静态柔顺性是指单位负载作用下最大的位移。应在机械接口处加载并测量位移。在
机座坐标系下以mm/N为单位来表示。
5.13 振动加速度
工业机器人从静态开始执行指定路径时,机器人末端达到的最大加速度,取加速度
的最大绝对值表示。
5.14 末端抖动
工业机器人从静态开始执行指定路径到停止在目标位姿时,机器人末端抖动的最大
位移,取峰值表示。
5.15 固有频率
工业机器人整机系统的固有频率,记录前4阶(如有)固有频率值。
5.16 动刚度
动刚度是指工业机器人受到动载荷作用时,抵抗动载荷下的变形能力,用力与位移
的复数比曲线表示。
6 校准条件
6.1 环境条件
6.1.1 环境温度:校准的环境温度(θ)应为20 ℃。采用其他的环境温度应在校准报
告中说明并加以解释。校准时温度应保持在θ±2℃范围内。
6.1.2 相对湿度:不大于90%。
6.1.3 周围无强电磁场、无腐蚀性液体,无强振源。
6.1.4 其他:校准设备不应放在靠近热源、空调出风口、窗口、门口、地板接缝处及
阳光能够直射到的地方。工作地周围不应有大型机械及车辆工作,不应有明显振动。
6
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6.2 校准用设备
校准用设备见表1。
表1 校准项目和校准用设备
序号校准项目校准用设备
1 位姿准确度和位姿重复性
2 多方向位姿准确度变动
3 距离准确度和距离重复性
4 位置稳定时间
5 位置超调量
6 位姿特性漂移
7 路径准确度和路径重复性
8 重复定向路径准确度
9 拐角偏差
10 路径速度特性
11 最小定位时间
激光跟踪仪
(或光学相机或直线位移
法测量系统)
12 静态柔顺性
激光跟踪仪(或光学相机或
直线位移法测量系统)
力加载装置
13 振动加速度
14 末端抖动
动态信号分析仪
加速度计
15 固有频率
16 动刚度
动态信号分析仪
加速度计
力锤
注:
1 本规范针对单一机器人设备,不包含GB/T12642中互换性的校准。
2 本规范面向常规应用的机器人设备,不包含GB/T12642中摆动偏差的校准。
3 直线位移法测量系统对测量性能有一些局限性,不适用姿态相关项目。
6.2.1 激光跟踪仪
其校准参数、校准范围应能满足被校工业机器人校准的要求,校准结果的扩展不确
定度应不大于被校工业机器人特性数值的最大允许误差绝对值的1/4。
6.2.2 光学相机
其校准参数、校准范围应能满足被校工业机器人校准的要求,校准结果的扩展不确
定度应不大于被校工业机器人特性数值的最大允许误差绝对值的1/4。
6.2.3 直线位移法测量系统
其校准参数、校准范围应能满足被校工业机器人校准的要求,校准结果的扩展不确
7
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定度应不大于被校工业机器人特性数值的最大允许误差绝对值的1/4。
6.2.4 力加载装置
力值范围:被校工业机器人额定负载的10%~100%内可调,力值误差不超过±1%。
力施加方向:可分别加在平行于机座坐标轴的三个方向上,既有正也有负。
6.2.5 动态信号分析仪
A级,频率范围为DC~5kHz。
6.2.6 加速度计
频率范围为(0.5~200)Hz,加速度灵敏度测量不确定度Urel=2% (k=2)。
6.2.7 力锤
力值范围(10~1000)N,幅值测量不确定度Urel=3% (k=2)。
7 校准项目和校准方法
7.1 校准项目
工业机器人的校准项目见表1。
7.2 校准方法
参照附录A进行机器人校准前的准备工作,完成后开始校准。
7.2.1 位姿准确度和位姿重复性
被校机器人与校准设备按图3位置摆放,被校机器人和校准设备之间应没有障碍
物。在机器人末端朝向校准设备方向的工作空间中选择一个测试立方体。参照附录A.5
选择立方体内的一个测试平面,并确定位姿校准点P1~P5。被校机器人按表2的试验
条件进行校准。
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)机器人从位姿点P1 点开始,依次将机械接口以额定速度(或其50%、10%)
移至P5、P4、P3、P2、P1,再回到P1,为一个运动循环。运动时采用点到点控制或连
续路径控制均可。可采用如图4所示的循环之一,以单一方向接近每个位姿。试验时所
用的接近方向与编程时的接近方向类同。
图3 被校机器人与校准设备安装位置示意图
8
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2)在每一个位姿点应停顿一段时间,停顿时间应大于测出的位姿稳定时间。如有
运动同步功能,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信号置1,使校准设备采集数
据。将开关量输出信号置0,移动机械接口至下一位姿点。
3)每次到达位姿稳定后,校准设备对实到位姿进行测量。
4)可无限制进行循环,待校准设备采集完30次循环的数据后,停止机器人的
运动。
5)按公式(1)~公式(13)计算每个位姿的位置准确度和姿态准确度。
6)按公式(14)~公式(20)计算每个位姿的位置重复性和姿态重复性。
表2 位姿准确度和重复性试验条件
负载速度位姿循环次数
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
额定负载降至10%
(选用)
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
P1—P2—P3—P4—P5 30
图4 位姿准确度和重复性循环图示
9
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位置准确度和重复性定义如图5所示。
图5 位置准确度和重复性
姿态准确度和重复性定义如图6所示。
图6 姿态准确度和重复性
注:a 和b 可用同一图。
7.2.1.1 位姿准确度(AP)
位置准确度(APp )计算如下:
APp = AP2x
+AP2y
+AP2z
(1)
APx =xc -x (2)
APy =yc -y (3)
APz =zc -z (4)
x =1 nΣn
j=1xj (5)
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y =1 nΣn
j=1yj (6)
z =1 nΣn
j=1zj (7)
式中:
x,y,z ———对同一位姿重复响应n 次后所得各点集群重心的坐标;
xc,yc,zc———指令位姿坐标;
xj,yj,zj———第j 次实到位姿的坐标。
姿态准确度(APa,APb,APc)计算如下:
APa =ac -a (8)
APb =bc -b (9)
APc =cc -c (10)
a =1 nΣn
j=1aj (11)
b=1 nΣn
j=1bj (12)
c=1 nΣn
j=1cj (13)
式中:
a,b,c ———对同一位姿重复响应n 次后所得的姿态角的平均值;
ac,bc,cc———指令位姿的姿态角;
aj,bj,cj———第j 次实到位姿的姿态角。
7.2.1.2 位姿重复性(RP)
位置重复性(RPl)计算如下:
RPl =l+3Sl (14)
l=1 nΣn
j=1lj (15)
lj= xj-x 2+(yj-y)2+ zj-z 2 (16)
Sl =
Σn
j=1 (lj -l)2
n -1 (17)
式中:
x,y,z ———对同一位姿重复响应n 次后所得各点集群重心的坐标;
xj,yj,zj———第j 次实到位姿的坐标。
姿态重复性(RPa,RPb,RPc)计算如下:
RPa =±3Sa =±3
Σn
j=1 (aj -a)2
n -1 (18)
RPb =±3Sb =±3
Σn
j=1 (bj -b)2
n -1 (19)
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RPc =±3Sc =±3
Σn
j=1 (cj -c)2
n -1 (20)
式中:
a,b,c ———对同一位姿重复响应n 次后所得的姿态角的平均值;
aj,bj,cj———第j 次实到位姿的姿态角。
7.2.2 多方向位姿准确度变动
按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体和测试平面,并选择
P1、P2、P4 为多方向位姿准确度变动的校准点。被校机器人按表3的试验条件进行
校准。
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)在机座坐标系-X 、-Y、-Z 方向上分别选定与P1 点距离不小于200mm 的
三点a、b、c。运动范围较小的机器人,无法运动200mm 时,根据机器人实际情况酌
情减小距离。
2)从a点开始,将机械接口以额定速度(或其50%、10%)移至P1,然后移至
b,再移至P1,移至c点,再移至P1,最后回到a点为一个循环。
3)每次到达P1 后,应停顿一段时间,停顿时间应大于测出的位姿稳定时间。如有
运动同步功能,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信号置1,使校准设备采集数
据,然后将开关量输出信号置0,移动机械接口至下一位姿点。
4)每次到达位姿稳定后,校准设备对实到位姿进行测量。
5)采用如图8所示的循环,可无限制进行循环,待校准设备采集完30次循环的数
据后,停止机器人的运动。
6)对于位姿点P1,以坐标的负方向接近;对于位姿点P2 和P4,则从立方体内部
接近(见图7)。位姿点P2 和P4 的试验程序与上述类似,但P2 的a、b、c点应分别在
-X 、-Y、-Z 方向上,P4 的a、b、c点应分别在X 、Y、Z 方向上。
7)按公式(21)~公式(24)计算每个位姿的多方向位姿准确度变动。
如果不可能,应使用制造商指定的接近方向并在证书中说明。
表3 多方向位姿准确度变动试验条件
负载速度位姿循环次数
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
额定负载降至10%
(选用)
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
P1—P2—P4 30
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图7 多方向位姿准确度变动
图8 多方向位姿准确度变动循环图解
多方向位置准确度变动(vAPp )计算如下:
vAPp =max (xh -xk)2 + (yh -yk)2 + (zh -zk)2 h,k =1,2,3 (21)
多方向姿态准确度变动(vAPa,vAPb,vAPc )计算如下:
vAPa =max|(ah -ak)| h,k=1,2,3 (22)
vAPb =max|(bh -bk)| h,k=1,2,3 (23)
vAPc =max|(ch -ck)| h,k=1,2,3 (24)
式中:
1,2,3———接近路径的编号;
xh ,yh ,zh ———按路径h 接近同一位姿重复响应n 次后所得各点集群重心的坐标;
xk,yk,zk ———按路径k 接近同一位姿重复响应n 次后所得各点集群重心的坐标;
ah ,bh ,ch ———按路径h 接近同一位姿重复响应n 次后所得的姿态角的平均值;
ak,bk,ck ———按路径k 接近同一位姿重复响应n 次后所得的姿态角的平均值。
7.2.3 距离准确度和距离重复性
本项目仅用于离线编程和人工数据输入的机器人。
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按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体和测试平面,并选取指
令位姿P2 和P4 进行距离准确度校准。被校机器人按表4的试验条件进行校准。
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)从位姿点P4 开始,将机械接口以额定速度(或其50%、10%)移至P2,再回
到P4,为一个运动循环(见图9)。运动时采用点到点控制或连续路径控制均可。
2)到达P2 和P4 时,应停顿一段时间,停顿时间应大于测出的位姿稳定时间。如
有运动同步功能,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信号置1,使校准设备采集
数据。将开关量输出信号置0,移动机械接口至下一位姿点。
3)每次到达位姿稳定后,校准设备对实到位姿进行测量。
4)可无限制进行循环,待校准设备采集完30次循环的数据后,停止机器人的
运动。
5)按公式(25)~公式(46)计算距离准确度。在报告中至少要有ADp 的值。按
公式(47)~公式(53)计算距离重复性。在报告中至少要有RD 的值。
表4 距离准确度和重复性试验条件
负载速度位姿循环次数
100%额定负载
100%额定负载
50%额定负载
10%额定负载
P2—P4 30
图9 距离准确度和重复性循环图示
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图10 距离准确度
7.2.3.1 距离准确度
位置距离准确度(ADp )计算如下:
ADp =Dc -D (25)
D =1 nΣn
j=1
Dj (26)
Dj= P4j-P2j = x4j-x2j 2+ y4j-y2j 2+ z4j-z2j 2 (27)
Dc= P4-P2 = xc4-xc2 2+ yc4-yc2 2+ zc4-zc2 2 (28)
式中:
xc4、yc4、zc4 ———P4 的指令位姿坐标;
xc2、yc2、zc2 ———P2 的指令位姿坐标;
x4j、y4j、z4j ———P4 第j 次实到位姿的坐标;
x2j、y2j、z2j ———P2 第j 次实到位姿的坐标;
n———重复次数。
位置距离准确度也可用机座坐标系各轴分量来表示,计算如下:
ADx =Dcx -Dx (29)
ADy =Dcy -Dy (30)
ADz =Dcz -Dz (31)
Dx =1 nΣn
j=1Dxj =1 nΣn
j=1|x4j -x2j| (32)
Dy =1 nΣn
j=1Dyj =1 nΣn
j=1|y4j -y2j| (33)
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Dz =1 nΣn
j=1Dzj =1 nΣn
j=1|z4j -z2j| (34)
Dcx =|xc4 -xc2| (35)
Dcy =|yc4 -yc2| (36)
Dcz =|zc4 -zc2| (37)
姿态距离准确度(ADa ,ADb ,ADc )计算方法相当于单轴距离准确度,计算
如下:
ADa =Dca -Da (38)
ADb =Dcb -Db (39)
ADc =Dcc -Dc (40)
Da =1 nΣn
j=1Daj =1 nΣn
j=1 a4j -a2j (41)
Db =1 nΣn
j=1Dbj =1 nΣn
j=1 b4j -b2j (42)
Dc =1 nΣn
j=1Dcj =1 nΣn
j=1 c4j -c2j (43)
Dca = ac4 -ac2 (44)
Dcb = bc4 -bc2 (45)
Dcc = cc4 -cc2 (46)
式中:
ac4、bc4、cc4 ———P4的指令位姿姿态;
ac2、bc2、cc2 ———P2 的指令位姿姿态;
a4j、b4j、c4j ———P4 第j 次实到位姿的姿态;
a2j、b2j、c2j ———P2 第j 次实到位姿的姿态;
n———重复次数。
7.2.3.2 距离重复性
对于给定的指令距离,位置距离重复性计算如下:
RD =±3
Σn
j=1 (Dj -D )2
n -1 (47)
RDx =±3
Σn
j=1 (Dxj -Dx)2
n -1 (48)
RDy =±3
Σn
j=1 (Dyj -Dy)2
n -1 (49)
RDz =±3
Σn
j=1 (Dzj -Dz)2
n -1 (50)
姿态距离重复性(RDa,RDb,RDc )计算如下:
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RDa =±3
Σn
j=1 (Daj -Da)2
n -1 (51)
RDb =±3
Σn
j=1 (Dbj -Db)2
n -1 (52)
RDc =±3
Σn
j=1 (Dcj -Dc)2
n -1 (53)
7.2.4 位置稳定时间
按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体和测试平面,并选择
P1 点进行位置稳定时间的校准,位置稳定时间的三维图示见图11。被校机器人按表5
的试验条件进行校准。
表5 位置稳定时间试验条件
负载速度位姿循环次数
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
额定负载降至10%
(选用)
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
P1 3
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)从位姿点P2 开始,将机械接口以额定速度(或其50%、10%)移至P1,再回
到P2,为一个运动循环。运动时采用点到点控制或连续路径控制均可。
2)到达P1 时,如有运动同步功能,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信号
置1,使校准设备采集数据,0.1s后,再将该输出信号置0。校准设备数据采集的停止
必须采用定时方式。需要预计估计位置稳定时间,在校准设备上设置略大的采集终止时
间。如果预设的时间不能使校准设备采集到完整的稳定过程,需要加长设置的时间重新
进行校准。校准设备应连续测量校准点的位置,直到稳定,并记录稳定时间。
3)超过预先估计的位置稳定时间后,返回P2。
4)可无限制进行循环,待校准设备采集完3次循环的数据后,停止机器人的运动。
计算3次测量的平均值(见图12)。
门限带可定义为7.2.1中的重复性或由制造商制定。
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图11 三维表示的稳定时间和位置超调量
图12 稳定时间和位置超调量
注:
(1)———过阻尼接近示例曲线,超调量为0;
(2)———振荡接近示例曲线,OVj 存在。
7.2.5 位置超调量
按7.2.4方法,位置稳定时间和位置超调量可同时进行校准。按公式(54)~
公式(55)计算位置超调量,位置超调量的三维图示见图11。
位置超调量等于超出测量点P1 的移动距离,超调量应测量3次,计算3次中的最
大值(见图12)。
OV =maxOVj (54)
若maxDij > 门限带,OVj =maxDij
若maxDij ≤ 门限带,OVj =0
maxDij =max (xij -xj)2 + (yij -yj)2 + (zij -zj)2 i=1,2,…,m (55)
式中:
i———表示机器人进入门限带后测量的采样点号。
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对于某些特殊应用,OV 也可用其分量OVx 、OVy 、OVz 来表示。
7.2.6 位姿特性漂移
按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体和测试平面,并选择
P1 为位姿特性漂移的校准点。被校机器人按表6的试验条件进行校准。
表6 位姿特性漂移试验条件
负 载速 度位 姿循 环 次 数循环时间
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
P1 10次
最多8h;
若连续五次校准
漂移变化率小于
第1 小时内的最
大漂移变化率的
10%,则可以提
前结束校准
位姿特性漂移校准应从冷态(打开主电源)开始,并在热机状态下持续数小时。遵
循下述操作顺序:
1)上电进行试验循环编程;指令位姿应在冷态下示教。
2)关闭机器人电源不少于8h。
3)重新启动机器人并开始程序的自动循环。
a)校准循环:
ⅰ. 被编程的机器人其机械接口从位姿点P2 开始,使机械接口以额定速度(或
其50%、10%)移至P1,再回到P2,为一个运动循环。运动时采用点到点控制或
连续路径控制均可。
ⅱ. 在P1 应停顿一段时间,停顿时间应大于测出的位姿稳定时间。如有运动同
步功能,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信号置1。将开关量输出信号置
0,移动机械接口至P2。从P1 返回到P2 过程中设一中间位姿点,使机械接口的姿
态有较大变化,以保证返回时所有关节均运动。
ⅲ. 每次到达P1 位姿稳定后,校准设备对实到位姿进行测量。循环10次,按
公式(1)~公式(13)计算位置准确度和姿态准确度,按公式(14)~公式(21)
计算位置重复性和姿态重复性。
ⅳ. 可无限制进行循环,待漂移试验结束后,停止机器人的运动。
b)热机循环:当从P1 返回P2(10min)时,所有关节应以最大可能的速度
在其全程70%的范围内运动(见表6),见图13的流程图。对于特殊的应用可选择
不同的值。
c)校准中,若连续五次校准漂移的变化率小于第1小时内的最大漂移变化
率的10%,则可以提前结束校准,不用等到8h。用测量值计算位姿准确度和重复
性(见7.2.1),所得的结果作为时间的函数制作图表。两个测量循环之间的时间
应是10min (热机流程见图13和图14)。按公式(56)~公式(63)计算位姿特
性漂移,并在报告中记录最大值。
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图13 漂移测量流程图
位姿准确度漂移和位姿重复性漂移的计算公式如下:
位置准确度漂移(dAPp ):
dAPp =|APt=1 -APt=N | (56)
姿态准确度漂移(dAPa ,dAPb ,dAPc ):
dAPa =|APat=1 -APat=N | (57)
dAPb =|APbt=1 -APbt=N | (58)
dAPc =|APct=1 -APct=N | (59)
位置重复性漂移(dRPp ):
dRPp =|RPt=1 -RPt=N | (60)
姿态重复性漂移(dRPa ,dRPb ,dRPc ):
dRPa =|RPat=1 -RPat=N | (61)
dRPb =|RPbt=1 -RPbt=N | (62)
dRPc =|RPct=1 -RPct=N | (63)
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图14 位姿特性漂移
7.2.7 路径准确度和路径重复性
按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体,参照A.5.6选择校
准路径,路径准确度与路径重复性如图15所示。被校机器人按表7的试验条件进行
校准。
表7 路径准确度和重复性试验条件
负载速度路径形状循环次数
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
额定负载降至10%
(选用)
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
直线路径:E1-E2
圆形路径:大圆和小圆10
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图15 对某一指令路径的路径准确度与路径重复性
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)从试验路径起点开始,使机械接口以额定速度(或其50%、10%)沿路径(直
线、或大圆、或小圆)运行至路径终点,再回到起点,待被校机器人达到静止状态时,
为一个测试循环。
2)如有运动同步功能,开始运动前,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信
号置1,停顿0.1s后置0。
3)到达终点时,待被校机器人达到静止状态时,再向起点运动。
4)校准设备数据采集的停止可以有定时和同步两种方式。定时停止需要预先估计
全路径运动时间,在校准设备上设置略大的采集终止时间。同步停止需要在机器人控制
器上选定另一个开关量输出,到达路径终点后,停顿0.1s,使该信号置1,0.1s后置
0,仪器收到信号后停止采集。这两种方式均可使校准设备采集到完整的路径数据。
5)可无限制进行循环,待校准设备采集完10次循环的数据后,停止机器人的
运动。
6)按公式(64)~公式(67)计算路径准确度,按公式(68)~公式(71)计算
路径重复性。
7.2.7.1 路径准确度(AT)
位置路径准确度(ATp )计算如下:
ATp =max (xci -xi)2 + (yci -yi)2 + (zci -zi)2 i=1,2,…,m (64)
其中:
xi =1 nΣn
j=1xij ,yi =1 nΣn
j=1yij ,zi =1 nΣn
j=1zij
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式中:
xci 、yci 、zci ———指令路径上第i 点的坐标;
xij 、yij 、zij ———第j 条实到路径与第i 个正交平面交点的坐标。
姿态路径准确度(ATa 、ATb 和ATc )计算如下:
ATa =max|aci -ai| i=1,2,…,m (65)
ATb =max|bci -bi| i=1,2,…,m (66)
ATc =max|cci -ci| i=1,2,…,m (67)
其中:
ai =1 nΣn
j=1aij,bi =1 nΣn
j=1bij,ci =1 nΣn
j=1cij
式中:
aci 、bci 、cci ———点(xci 、yci 、zci )处的指令姿态;
aij 、bij 、cij ———点(xij 、yij 、zij )处的指令姿态。
7.2.7.2 路径重复性(RT)
位置路径重复性(RTp )和姿态路径重复性(RTa、RTb、RTc)计算如下:
RTp =maxRTpi =max|li +3Sli| i=1,2,…,m (68)
其中:
li =1 nΣn
j=1lij
Sli =
Σn
j=1(lij -li)2
n -1
lij = (xij -xi)2 + (yij -yi)2 + (zij -zi)2
式中:
xij 、yij 、zij ———第j 条实到路径第i 个正交平面交点的坐标。
RTa =max3
Σn
j=1 (aij -ai)2
n -1 i=1,2,…,m (69)
RTb =max3
Σn
j=1 (bij -bi)2
n -1 i=1,2,…,m (70)
RTc =max3
Σn
j=1 (cij -ci)2
n -1 i=1,2,…,m (71)
其中:
ai =1 nΣn
j=1aij,bi =1 nΣn
j=1bij,ci =1 nΣn
j=1cij
式中:
aij 、bij 、cij ———点(xij 、yij 、zij )处的指令姿态。
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7.2.8 重复定向路径准确度
按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体,参照A.5.6选择校
准路径。被校机器人按表8的试验条件进行校准。
表8 重复定向路径准确度试验条件
负载速度路径形状循环次数
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
额定负载降至10%
(选用)
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
直线路径
P6-P9 10
重复定向路径准确度仅测量位置路径准确度(ATp ),采用下述试验,如图16
所示。
绕Yn 轴改变姿态的说明:
P6 (起点)处,Bn 角+15°或+30°
P6 至P1,Bn 角-15°或-30°
P1 至P9,Bn 角+15°或+30°
绕Xn 、Zn 轴改变姿态的说明:
P6 (起点)处,An 角+15°或+30°
P6 至P7,An 角0°
P7 至P1,Cn 角-15°或-30°
P1 至P8,Cn 角0°
P8 至P9,An 角-15°或-30°
图16 改变姿态的说明
注:姿态改变推荐值为15°或30°,根据实际(客户)情况调整。
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)在试验平面E1,…,E4 内,应像图A.6一样等距标记好另一些点P6,…,P9。
为了确定姿态,应建立一个坐标系,其Xn、Yn 面平行于所选择的E1,…,E4 平面,
直线路径P6,…,P9 平行于Yn 轴。
2)从位姿点P6 开始,使机械接口以额定速度(或其50%、10%)连续变姿态地
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经过P7、P1、P8 到达P9,再回到起点,待被校机器人达到静止状态时,为一个校准循
环。运动时采用连续路径控制。
3)如有运动同步功能,开始运动前,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信
号置1,停顿0.1s后置0。
4)到达终点时,待被校机器人达到静止状态时,再向起点运动。
5)校准设备数据采集的停止可以有定时和同步两种方式。定时停止需要预先估计
全路径运动时间,在校准设备上设置略大的采集终止时间。同步停止需要在机器人控制
器上选定另一个开关量输出,到达路径终点后,停顿0.1s,使该信号置1,0.1s后置
0,仪器收到信号后停止采集。这两种方式均可使校准设备采集到完整的路径数据。
6)可无限制进行循环,待校准设备采集完10次循环的数据后,停止机器人的
运动。
7)重复定向路径准确度的计算类似位置路径准确度的计算,按公式(68)计算。
7.2.9 拐角偏差
按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体,参照A.5.6选择矩
形路径(拐角记为E1、E2、E3、E4),拐角点如图17中的(xe,ye,ze)。被校机器人
按表9的试验条件进行校准。
表9 拐角偏差试验条件
负载速度拐角循环次数
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
E1-E2-E3-E4 3
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)通过连续路径编程,使机器人运行一条矩形指令路径,以E1(P2)和E4(P5)
的中点作为起点,将机械接口以额定速度(或其50%、10%)直线地移向E1,再移至
E1、E2(P3)、E4(P5),然后回到E1(P2)和E4(P5)的中点,完成一个循环。若不另外
说明,姿态是垂直于矩形路径平面的。
2)四个拐角E1、E2、E3、E4 是两段直线路径的交点,机器人在这里不停顿,但
可按制造商规定的方式完成两条路径的平滑过渡,且在校准证书中说明。当实现路径
时,任何自动的速度下降均应按照制造商的规定,且应在校准证书中说明。
3)如有运动同步功能,开始运动前,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信
号置1,停顿0.1s后置0。
4)到达终点时,待被校机器人达到静止状态时,再向起点运动。
5)校准设备数据采集的停止可以有定时和同步两种方式。定时停止需要预先估计
全路径运动时间,在校准设备上设置略大的采集终止时间。同步停止需要在机器人控制
器上选定另一个开关量输出,到达路径终点后,停顿0.1s,使该信号置1,0.1s后置
0,仪器收到信号后停止采集。这两种方式均可使校准设备采集到完整的路径数据。
6)可无限制进行循环,待校准设备采集完3次循环的数据后,停止机器人的运动。
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7)四个拐角均应测量,按公式(72)~公式(75)计算拐角偏差。
图17 拐角处的超调和拐角误差
拐角误差(CR)计算如下:
CR =maxCRj j=1,2,3 (72)
CRj =min (xe -xi)2 + (ye -yi)2 + (ze -zi)2 i=1,2,…,m (73)
式中:
xe ,ye,ze ———指令拐角点的坐标;
xi,yi,zi ———实到路径上的指令拐角附近第i 个点的坐标。
拐角超调(CO)计算如下:
CO =maxCOj j=1,2,3 (74)
COj =max (xci -xi)2 + (yci -yi)2 i=1,2,…,m (75)
式中:
xci 、yci ———指令路径上对应于zci 的点的坐标;
xi 、yi ———实到路径上对应于zi 的点的坐标。
上述公式仅当(yci -yi)为负时才是正确的,若(yci -yi)为正,则不存在拐角
超调。
7.2.10 路径速度特性
路径速度特性应与路径准确度在相同的直线路径上进行校准,图18表示了路径速
度特性的理想化图形。采用7.2.7方法,按表10的试验条件进行校准,循环次数为
10次。
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图18 路径速度特性
表10 路径速度特性试验条件
负载速度路径形状循环次数
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
额定负载降至10%
(选用)
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
直线路径:E1-E2 10
当路径有较大的速度波动出现时,作为时间函数进行的重复测量,应参照指令路径
上同一空间点来进行。
测量应在位于试验路径长度中部稳定速度段且在50%长度上进行。
路径速度准确度(AV)计算如下:
AV =
vc -v
v
×100% (76)
其中:
v =1 nΣn
j=1
vj
vj =1 mΣn
j=1
vij
式中:
vc ———指令速度;
vij ———第j 次测量第i 点的实到速度;
m ———沿路径测量的次数。
路径速度重复性(RV)计算如下:
RV =±(3Sv
v
×100%) (77)
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其中:
Sv =
Σn
j=1 (vj -v)2
n -1
路径速度波动(FV)计算如下:
FV =max maxm
i=1(vij)- minm
i=1(vij) j=1,…,n (78)
7.2.11 最小定位时间
按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体和测试平面,按表11
和表12给出的试验条件进行校准。
表11 最小定位时间的试验位姿和距离
位姿P1 P1+1 P1+2 P1+3 P1+4 P1+5 P1+6 P1+7
与前一位姿的距离比例/mm
(Dx =Dy =Dz) 0 -10 +20 -50 +100 -200 +500 -1000
路径形状P1→P1+1→P1+2→P1+3→P1+4→P1+5→P1+6→P1+7
表12 最小定位时间试验条件
负 载速 度循环次数
100%额定负载
100%额定速度
最佳速度
(厂家说明书推荐值)
3
额定负载降至10%
(选用)
100%额定速度
最佳速度
(厂家说明书推荐值)
3
图19 最小定位时间循环图示
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)为了在定位时间测量中有较短的距离,在沿A.5.4中定义的立方体对角线上,
由程序或示教设定一系列位姿(见图19),相邻位姿间的距离分量Dx =Dy =Dz 之值
符合表11中所示的数列。
2)从位姿点P1 开始,使机械接口以额定速度直线移向P1+1,…,P1+7一系列位姿
点(见表11),最后回到P1,为一个运动循环。位姿的个数与距离取决于所选的立方体
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大小。
3)如有运动同步功能,开始运动前,将选定的用于校准设备同步的开关量输出信
号置1,停顿0.1s后置0。
4)到达终点时,待被校机器人达到静止状态时,再向起点运动。
5)校准设备数据采集的停止可以有定时和同步两种方式。定时停止需要预先估计
从起点到终点的全程运动时间,在校准设备上设置略大的采集终止时间。同步停止需要
在机器人控制器上选定另一个开关量输出,到达终点后,停顿0.1s,使该信号置1,
0.1s后置0,仪器收到信号后停止采集。这两种方式均可使校准设备采集到全程的
数据。
6)可无限制进行循环,待校准设备采集完3次循环的数据后,停止机器人的
运动。
7)校准设备跟踪被校机器人的运动,记录从起始位姿到到达位姿的总距离,以
及从静止状态开始,运行预定距离,到达静止状态所经历的时间(包括稳定时间)。
对于每一个循环过程,计算3次循环的平均值,列表给出定位时间和位姿间的距离。
若想得到较短的定位时间,试验所用的速度为100%额定速度,且试验应在循环每
一部分的最佳速度下进行。所用的速度应在校准证书中说明。
7.2.12 静态柔顺性
按7.2.1方法摆放被校机器人和校准设备、选择测试立方体和测试平面,由程序或
示教到P1,使校准在A.5.4中所定义的位于P1 的机械接口的中心进行。按如下步骤
校准:
1)机器人接电,由程序或示教到P1。
2)被校机器人的伺服系统通电、制动器脱开。
3)试验中所用的力应加在机械接口处平行于机座坐标轴的三个方向上,既有正也
有负,以10%额定负载逐步增加到100%额定负载。对于每个力和方向,逐次测量相应
的位移。
4)每个方向上重复三次校准,按公式(79)计算柔顺性。
SC =1 nΣn
i=1
SCi (79)
其中:
SCi =
di
Fi
式中:
di ———一个方向上第i 次力加载时对应的位移,mm;
Fi ———一个方向上第i 次加载的力,N。
7.2.13 振动加速度
在机器人零位状态下,将加速度计刚性连接在机器人的末端中心(见图20),使加
速度计的X 、Y、Z 方向与机座坐标系重合,加速度计连接至动态信号分析仪。按表13
的试验条件进行校准。
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表13 加速度试验条件
负载速度路径形状循环次数
100%额定负载
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
额定负载降至10%
(选用)
100%额定速度
50%额定速度
10%额定速度
直线路径:E1-E2
(保持姿态不变) 3
图20 零位状态下的加速度计安装与连接图
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)从试验路径起点开始,使机械接口保持姿态不变,以额定速度(或其50%、
10%)沿路径运行至路径终点,再回到起点,待被校机器人达到静止状态时,为一个测
试循环。
2)到达终点时,待被校机器人达到静止状态时,再向起点运动。
3)可无限制进行循环,待动态信号分析仪采集记录完整的3次循环的数据后,停
止机器人的运动。
4)对记录的运行数据进行去抖动处理,数据处理见B.1。
5)分别读取每一个循环末端加速度的最大绝对值,重复3次计算其平均值。
7.2.14 末端抖动
在机器人零位状态下,将加速度计刚性连接在机器人的末端中心(见图20),使加
速度计的X 、Y、Z 方向与机座坐标系重合,加速度计连接至动态信号分析仪。按表13
的试验条件进行校准。
对被校机器人按如下所述进行编程:
1)从试验路径起点开始,使机械接口保持姿态不变,以额定速度(或其50%、
10%)沿路径(直线,或大圆,或小圆)运行至路径终点,再回到起点,待被校机器人
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达到静止状态时,为一个测试循环。
2)到达终点时,待被校机器人达到静止状态时,再向起点运动。
3)可无限制进行循环,待动态信号分析仪采集记录完整的3次循环的数据后,停
止机器人的运动。
4)对记录的运行数据进行去运动分析获得抖动数据,数据处理见B.2。
5)分别读取每一个循环末端的最大抖动幅值,重复3次计算其平均值。
7.2.15 固有频率
在机器人零位状态下,将加速度计刚性连接在机器人的末端中心(见图20),使加
速度计的X 、Y、Z 方向与机座坐标系重合,加速度计连接至动态信号分析仪,将力锤
连接至动态信号分析仪。被校机器人的伺服系统通电、制动器脱开。按表14的试验条
件进行校准。
表14 固有频率试验条件
负载机器人状态
100%额定负载
额定负载降至10%
(选用)
零位状态
(如有必要,可选用机器臂展开与水平成
45°的一条线的状态)
本规范采用冲击激励法进行固有频率测试。用力锤沿Y 方向定点敲击工业机器人
的末端,向工业机器人提供一个瞬态的冲击力,动态信号分析仪拾取加速度响应。进行
(3~5)次频域平均,得到频率响应函数,按频率值从小到大依次读取前面4阶(如有)
极大值点为固有频率值。
7.2.16 动刚度
在机器人零位状态下,将加速度计刚性连接在机器人的末端中心(见图20),使加
速度计的X 、Y、Z 方向与机座坐标系重合,加速度计连接至动态信号分析仪,将力锤
连接至动态信号分析仪。被校机器人的伺服系统通电、制动器脱开。按表14的试验条
件分别进行校准。
本规范采用冲击激励法进行动刚度测试。用力锤沿Y 方向定点敲击工业机器人的
末端,向工业机器人提供一个瞬态的冲击力,动态信号分析仪拾取加速度响应。进行
(3~5)次频域平均,得到动刚度曲线,即力与位移的复数比。
8 校准结果
校准结果应在校准证书上反映。校准证书应至少包括以下信息:
a)标题:“校准证书”;
b)实验室名称和地址;
c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);
d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;
e)客户的名称和地址;
f)被校对象的描述和明确标识;
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g)进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校对象的
接收日期;
h)如果与校准结果的有效性或应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;
i)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;
j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;
k)校准环境的描述;
l)校准结果及测量不确定度的说明;
m)对校准规范的偏离的说明;
n)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识;
o)校准结果仅对被校对象有效的声明;
p)未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。
9 复校时间间隔
建议复校间隔时间为1年。
由于复校间隔时间的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所
决定,因此送校单位可根据实际情况自主决定复校时间间隔。
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附录A
校准前准备工作
A.1 校准前提条件
根据制造商的建议安装机器人。
机器人装配完毕,并可全面操作。所有必要的校平操作、调整步骤及功能试验均应
圆满完成。
除位姿特性漂移特性校准应由冷态开始外,不管制造商是否有规定,其余校准在校
准前机器人应进行适当的预热。
若机器人具有由用户使用的、会影响被测特性的设备,或如果只能用特殊函数来记
录特性(如离线编程给出的位姿校准设施)的设备,则校准中的状态必须在校准证书中
说明,并且(与某种特性有关时)每次校准中均应保持不变。
A.2 位移测量原则
被测位置和姿态数据(xj、yj、zj、aj、bj、cj )应以机座坐标系(GB/T16977—
2019)来表示,或以校准设备所确定的坐标系来表示。
若机器人指令位姿和路径由另一坐标系(如离线编程中使用)确定,而不是校准系
统来确定,则必须把数据转换到一个公共坐标系中。用测量方法建立坐标系间的相互关
系。在此情况下,7.2.1给出的测量位姿不能用作转换数据的参照位置。参照点和测量
点需在试验立方体内,且彼此距离应尽可能大(例如,若P1 到P5 为测量点,则C1、
C2、C3、C4、C5 可用作参照点)。
机座坐标系和所选坐标系的关系应在校准结果中说明。
测量点应离制造商指明的机械接口一段距离,该点在机械接口坐标系(GB/T16977—
2019)的位置应予记录(见图A.7指令位姿与实到位姿的关系)。
计算姿态偏差时所用的转动顺序,必须使姿态在数值上是连续的。绕动轴[导航角
或欧拉角、矩阵(有顺序)]旋转,或绕静止轴旋转是没有关系的。
除非另有规定,应在实到位姿稳定后进行测量。
A.3 机械接口的负载
所有校准项目都应在100%额定负载条件下进行,即制造商规定的质量、重心位置
和惯性力矩。额定负载条件应在校准证书中注明。
为表征机器人与负载有关的性能,可采用如表A.1中指出的将额定负载降至10%
或由制造商制定的其他数值进行附加试验。
如部分校准设备附加于机器人上,应把其质量和位置当作试验负载的一部分。
图A.1是校准用末端执行器的实例,其CG (重心)和TCP (工具中心点)有偏
移。校准时,TCP是测量点(MP)。测量点的位置应在校准证书中说明。
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表A.1 校准负载
校准项目
使用负载
100%额定负载额定负载减至10%
位姿准确度和位姿重复性● ○
多方向位姿准确度变动● ○
距离准确度和距离重复性● —
位置稳定时间● ○
位置超调量● ○
位姿特性漂移● —
路径准确度和路径重复性● ○
重复定向路径准确度● ○
拐角偏差● ○
路径速度特性● ○
最小定位时间● ○
末端抖动● ○
振动加速度● ○
注:
1 ●表示推荐,○表示选用,—表示不选。
2 可采用如表A.1中指出的将额定负载降至10%或由制造商制定的其他数值进行附加试验。
图A.1 校准用末端执行器实例
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A.4 试验速度
所有位姿特性校准在指定位姿间可达到的最大速度下进行,即在每种情况下速度补
偿均置于100%,并可在此速度的50%和/或10%下进行附加试验。
对于每一种路径特性,在制造商规定的额定路径速度的100%、50%和10%下进行
试验(见表A.2)。在校准证书中应注明额定路径速度。每次试验所规定的速度取决于
路径的形状和尺寸。机器人至少能在试验路径50%的长度内达到此速度。此时,相关
的性能指标才是有效的。
如果可选择,应在校准证书中说明速度是以点位方式还是以连续路径方式来规
定的。
表 A.2给出推荐试验速度的汇总。
表A.2 试验速度
校准项目
试验速度
100%额定速度50%额定速度10%额定速度
位姿准确度和位姿重复性● ○
多方向位姿准确度变动● ○
距离准确度和距离重复性● ○
位置稳定时间● ○
位置超调量● ○
位姿特性漂移● —
路径准确度和路径重复性● ● ●
重复定向路径准确度● ● ●
拐角偏差● ● ●
路径速度特性● ● ●
最小定位时间见7.2.11最小定位时间
末端抖动● ○
振动加速度● ○
A.5 试验位姿和跟踪路径定义
A.5.1 目的
本章说明如何确定定位于工作空间中立方体内一平面上的五个合适位置,还说明了
跟踪的试验路径。当机器人某轴运动范围较其他轴小时,可用长方体代替立方体。
A.5.2 立方体在工作空间中的位置
位于工作空间中的单个立方体,其顶点用C1~C8 表示(见图A.2),应满足以下
要求:
———立方体应位于工作空间中预期应用最多的那一部分;
———立方体应具有最大的体积,且其棱边平行于机座坐标系。
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在校准证书中应以图形说明工作空间中所用的立方体的位置。
图A.2 工作空间中的立方体
A.5.3 立方体内所用平面的位置
位姿试验应选用下列平面之一:
平面(a)C1—C2—C7—C8;
平面(b)C2—C3—C8—C5;
平面(c)C3—C4—C5—C6;
平面(d)C4—C1—C6—C7;
校准证书中应指出选用了哪一个平面。表A.3给出了位姿特性所使用的位姿。
表A.3 位姿特性中选用的位姿
校准项目
位姿
P1 P2 P3 P4 P5
位姿准确度和位姿重复性● ● ● ● ●
多方向位姿准确度变动● ● — ● —
距离准确度和距离重复性— ● — ● —
位置稳定时间● ● ● ● ●
位置超调量● ● ● ● ●
位姿特性漂移● — — — —
A.5.4 试验位姿
五个要测量的点位于测量平面的对角线上,并对应于选用平面的P1~P5 加上轴向
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(X MP)和径向(ZMP)测量点偏移。点P1~P5 是机器人手腕参考点的位置。
测量平面平行于选用平面,见图A.3和图A.7。
制造商可规定试验位姿应以机座坐标系(最佳)和/或关节坐标系来确定。
P1 是对角线的交点,也是立方体的中心。P2 到P5 离对角线端点的距离等于对角线
长度的(10±2)% (见图A.4)。若不可能,则在证书中说明在对角线上所选择的点。
图A.3 选用平面和测量平面
图A.4 使用的位姿
说明:
L 为对角线长度。
示例平面(a)C1—C2—C7—C8 和位姿P1—P2—P3—P4—P5
A.5.5 运动要求
当机器人在各位姿间运动时,所有关节均应运动。校准时,应注意不超出制造商操
作规范。
A.5.6 跟踪的路径
试验路径应位于图A.5所示的四个平面之一。对于6轴机器人,除制造商特殊规
定外,应选用平面1。对于少于6轴的机器人,应由制造商指定选用哪个平面。
在路径特性校准时,机械接口的中心位置应位于选用平面上(见图A.3),且姿态
相对于该平面应保持不变。
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JJF2138—2024
图A.6给出了在四个可用试验平面之一上的一条直线路径、一条矩形路径和两条
圆形路径的位置示例。
除测量拐角偏差外,试验路径的形状应是直线或圆。若采用其他形状的路径,制造
商应说明并附于校准证书中。
在立方体对角线上的直线路径,路径长度应是所选平面相对于顶点间距离的80%,
如图A.6中P2 到P4 的距离是一实例。
另一直线路径P6 到P9,可用于7.5.3中所述的重复定向试验。
对于圆形路径试验,需测试两个不同的圆,见图A.6。
大圆的直径应为立方体边长的80%,圆心为P1。
小圆的直径应为同一平面中大圆直径的10%,圆心为P1,见图A.6。
应使用最少的数目的指令位姿。在校准证书中应说明指令位姿的数目、位置和编程
方法(示教编程、人工输入数字数据或离线编程)。
对于矩形路径,拐角记为E1、E2、E3、E4,每个拐角离平面各顶点的距离为该平
面对角线长度的(10±2)%。在图A.6的实例中,P2、P3、P4、P5 和E1、E2、E3、E4
重合。
图A.5 试验路径定位平