ファナックロボットの原点校正（原点復帰）の精度を確保する3つの方法

因果関係の話

最近、KUKA ロボットに接触しました。電源投入プロセス中に、ロボットの各軸のゼロ点が揃っているかどうかを確認したいと思いました。詳細な検査の結果、KUKA ロボットは整列していないことがわかりました。各軸にはゼロ点ラベルが付いていますが、その代わりにEMDと呼ばれる専用のゼロ点校正ツールが用意されています。
一般原則を理解した上で、ロボットの機械的ゼロ点が失われた場合、お客様は回転軸に取り付けられたプローブ付きのEMD校正ツールを使用する必要があります。ロボットの各軸に固定されているV字溝の位置をプローブが軸の回転中に検出し、各軸のゼロ位置を順番に確認します。
ファナックのゼロ点校正方法は、各軸の目盛りを目視で合わせてゼロ点データを記録する方法です。もちろん、ここでは触れませんがゼロ点データをインポートすることでゼロ点を復元できる場合もありますし、ゼロ点復元用の専用治具もありますが、私は使ったこともありませんし、見たこともありません。使用するので、ここでは詳しく説明しません。
実際の使用において、高精度が要求される一部のアプリケーションでは、原点データが失われた後、従来の全軸原点リセット方法では常に誤差が発生するため、実際の原点リセット後の精度要件を満たすことができません。ゼロ点復帰後は工程軌道を微調整する必要があり、生産停止につながります。

事例：2019年、寧波T社が自動車ドアのインナーパネルの二液性シーラント塗装に使用していた顧客ロボットM-710iC/50が、本体のバッテリー切れによりゼロ点を喪失した。全軸原点復帰方式で原点位置をやり直したところ、接着軌跡にズレがあることが判明し、何度試してもズレが残るため、一時的に軌跡を調整して生産を再開する必要がありました。

標準的な全軸原点復帰方法があらゆる場面に適用できるわけではないことがわかりますが、ファナックの全軸原点復帰運転方法は比較的標準的なものがインターネット上にありますので、説明は省略します。繰り返しになりますが、この記事を書く目的は、ファナックロボットの原点復帰の原理と、さまざまな故障に対応した原点復帰方法を共有することです。

結論を先に貼り付けます

1. スケールのすべての軸のゼロ点をリセットするだけです。これにより、エンド TCP で 10mm 以上の位置誤差が発生する可能性があります。
2. 原点復帰精度：高速原点復帰＞単軸原点復帰＞全軸原点復帰。
3. 全軸原点リセット後にユーザ座標系、ツール座標系をやり直すことでも高い軌道精度を回復できますが、ユーザ座標系ブラケット、ツール座標系ポインタが固定設置されていることが前提となります。
4. ゼロ点を失った後、ゼロ点をやり直す 精度を確保するために、次の方法を推奨します。

障害状態	解決
本体・補助軸のバッテリーの電源が切れている	ゼロリセットには高速ゼロ校正方法を使用してください。その前に、ファストゼロ基準位置を設定するか、マスターカウントとマスターポジションを基準データとして基準カウントと基準位置に入力する必要があります(両方ともシステム変数)。
制御盤のバッテリ電源障害	マスター ファイルをインポートするか、マスター数とマスター位置を手動で入力します。
単軸モーター、減速機、エンコーダーの分解・交換	単軸ゼロ点校正方法を使用し、校正後の走行軌跡の偏差を確認し、0.05度など一定の目盛りで両側に送り、実際の軌跡または校正点の偏差を介して複数の校正を実行します。ゼロ点校正がOKかどうかを判断します。

1. 試験項目

2. 試験方法

① 粘着テープを使用して 1 本の TCP ニードルをテストプラットフォームに固定し、ユーザー座標系 UF1 を下図のように設定し、ロボットの手持ちペン先のツール座標系 UT1 を設定します。
② UF1 と UT1 を起動し、固定された TCP 針に合わせて手持ちのペン先を移動し、そのときの位置を P[1] として記録します。
③ ゼロ点校正をやり直した後、再度 UF1 と UT1 を起動し、固定された TCP 針に合わせて手持ちのペン先を動かし（ペン先の角度は同じ、つまり WPR 値は変化しません）、その位置を記録します。今回は P[2] として、偏差位置 Δ=P[1] - P[2] を記録します。再キャリブレーション前の工場出荷時の精度を仮定すると、偏差値 Δ は、再度ゼロ点キャリブレーション後のロボットの動作偏差を表すことができます。原点復帰精度の評価指標として使用されます。
③ 同様の方法で他の項目も測定し、さまざまな状況におけるゼロ校正精度データを取得します。
④ 測定データを分析し、結論を導き出します。

3. 各種原点復帰方式の精度試験

1. テストプロセス

制御盤の電源が切れた状態で、M-20iA ロボット本体のバッテリを取り外し、1 分間待ってから再度取り付け、本体バッテリの停電によるゼロ点ロストの故障をシミュレートします。
全軸原点方式で原点復帰動作を行った後、再度プログラムをP[1]点まで実行すると、下図のようにロボットの到達位置に大きなズレが生じ、再度実行すると、まだ大きな偏差があります。各軸のスケールのみに依存した全軸ゼロ点校正方法では校正精度が低いことが分かります。

2. テストデータ

テスト時間は限られているため、参考のために各ケースで 1 ～ 2 セットのデータのみがテストされます。

3. テストの結論

原点復帰精度：高速原点復帰＞単軸原点復帰＞全軸原点復帰。ファナックロボットのゼロ点が失われた後、スケール方式のみを使用してすべての軸のゼロ点をリセットしますが、偏差は約10mmであり、一部の高精度アプリケーションのニーズを満たすことができません。

4. ユーザーとツールの座標系テストをやり直す

1. テストプロセス

全軸のゼロ点リセット後、3 点法で UF2 と UT2 を再設定します｡ UF2 と UT2 の値は次のとおりです｡ ① UF1 と UT2 を有効にすると、原点の偏差のみテストが再実行されます
。ツール座標系;
② UF2 と UT1 をアクティブにすると、テストはユーザーの座標系の偏差のみを再実行します;
③ UF2 と UT2 をアクティブにして、ユーザーとツール座標系の偏差を同時にテストします。

2. テストデータ

テスト時間は限られているため、参考のために各ケースで 1 ～ 2 セットのデータのみがテストされます。

3. テストの結論

全軸のゼロ点リセット後、ユーザー座標系とツール座標系を同時にやり直すことで精度要件を満たすことができますが、ユーザー座標系だけをやり直すだけ、またはツール座標系だけをやり直すだけでは精度要件を満たすことはできません。
しかし、この方法は、ユーザー座標系マークとして使用する座標系ブラケットの位置が変化する可能性があることや、アプリケーションによっては直接入力TCP方式が使用されることが多いことなど、実用化には若干の困難があります。ツール座標系を再度ティーチングすることはできません。
したがって、実際の応用においても、軌道精度を確保するために原点復帰精度を確保する必要がある。

5. ファナックロボットの高速原点復帰原理の研究

1. 関連するシステム変数

システム変数を使用すると、M-20iA ロボットの各軸エンコーダの分解能は 2e19 = 524288 になります。
M-20iAロボットとM-710iC/20Lロボットの伝達比をシステム変数から計算すると以下のようになります。

2. ファナックロボットエンコーダの原理

インクリメンタル光電式エンコーダの特徴は、出力パルス信号が発生するたびに変位量に対応しますが、出力パルスではどの位置での増分かを区別できないことです。
一般に、インクリメンタル光電エンコーダは、回転方向を容易に判断できるように、AとBの電気角が90°異なるパルス信号（いわゆる2組の直交出力信号）を出力します。同時にゼロ位置の基準となるZ相のマーク（指示）パルス信号もあり、コードディスクが1回転するごとに1つのマーク信号が送出されます。
ハードウェア接続は次のように示されています。
エンコーダ インターフェイス:

3. SRVO-075 アラーム解除原理

SRVO-075 の現場測定のアラーム解除原理は以下の通りです。
① 本体エンコーダバッテリの電源を OFF にして再起動すると、各軸エンコーダのデータが失われ、パルス値が 0 に戻ります。ただし、再起動後の各軸の若干のジッタにより、各軸のエンコーダのパルス値は小さくなります。
② パルスをリセットし、再開した後、JOINT 座標で各軸を個別にジョグすると、各軸が独立して一定方向に回転し、このときパルス値がゆっくりと増加していることがわかります。このプロセス中にアラームをリセットしようとしましたが、SRVO-075 アラームをリセットできないことがわかりました。
③パルス値が急激に小さくなるまで回転を続け、再度0からカウントを開始します。その後、アラームをリセットしてみると、M-20iA ロボットの 2 軸回転が約 1.7 度であることが測定され、SRVO-075 のアラームがリセットできました。
④全体の動作原理は下図の通りで、エンコーダがZ相マークに到達した場合のみエンコーダは基準位置を確認し、再度カウントを開始します。

4. 高速原点復帰原理

高速原点復帰の原理は下図のとおりで、本体の電池切れなど電気的またはソフトウェア的な原因により原点データが失われた場合、エンコーダが原点データを補正します。マスター 半円以内でカウントします。
M-20iAロボットの1～3軸はモータ1回転で2度以上、半回転で1度となり、スケール精度は1度以内を保証します。実際の測定が可能なため、この方法は実用的価値があります。
現場での高速原点復帰試験データは以下の通りであり、検証は原理と一致しています。
したがって、機械的以外の原因でゼロ点が失われた場合でも、高速ゼロ点復帰方式により初期のゼロ点校正精度を完全に回復し、軌道調整の手間を省くことができます。

6. 零点損失故障対策のまとめ

障害状態	解決
本体・補助軸のバッテリーの電源が切れている	ゼロリセットには高速ゼロ校正方法を使用してください。その前に、ファストゼロ基準位置を設定するか、マスターカウントとマスターポジションを基準データとして基準カウントと基準位置に入力する必要があります(両方ともシステム変数)。
制御盤のバッテリ電源障害	マスター ファイルをインポートするか、マスター数とマスター位置を手動で入力します。
単軸モーター、減速機、エンコーダーの分解・交換	単軸ゼロ点校正方法を使用し、校正後の走行軌跡の偏差を確認し、0.05度など一定の目盛りで両側に送り、実際の軌跡または校正点の偏差を介して複数の校正を実行します。ゼロ点校正がOKかどうかを判断します。

7. 注意すべき事項

① ロボットの機種が異なるとエンコーダの分解能が異なる場合があります。
② ほとんどのロボットは２角と３角の間に連動関係があります。
③ M-20iA ロボットなど一部のロボットでは 5 軸と 6 軸の伝達機構の連動関係があり、5 軸単軸移動時に 6 軸エンコーダの値が変化します。も変わります。