引言：理解工业机器人的运动性能
工业机器人在现代制造业中扮演着越来越重要的角色，它们执行着从焊接、喷涂到组装、搬运等各种复杂任务。为了确保这些任务能够高质量、高效率地完成，工业机器人的运动性能至关重要。在评估机器人运动性能时，有两个关键但常常容易混淆的指标：定位精度和重复定位精度。理解这两者之间的区别，对于选择合适的机器人、优化生产工艺以及诊断潜在问题至关重要。本文将深入解析这两个概念的区别、各自的影响因素以及在不同应用场景下的侧重。
什么是工业机器人的定位精度 (Positioning Accuracy)?
概念定义
定位精度 (Positioning Accuracy)，有时也称为绝对精度 (Absolute Accuracy)，是指机器人在其工作空间内，将末端执行器移动到目标位置（即控制系统指令的位置）时，与该目标位置的实际偏差程度。简单来说，它衡量的是机器人在执行某个运动指令时，实际到达的位置与理想应到达位置之间的差异。
如何衡量
衡量定位精度通常需要一个独立的、高精度的测量系统（如激光跟踪仪、三坐标测量机等）。通过指令机器人移动到工作空间内的多个预设点，并用测量系统记录机器人末端执行器在这些点的实际位置。定位精度就是由这些实际位置与指令目标位置之间的平均偏差或最大偏差来表示。
比如，控制系统指令机器人去坐标为 (X, Y, Z) 的点，但测量发现机器人实际到达的位置是 (X’, Y’, Z’)。定位精度就是衡量 (X’, Y’, Z’) 与 (X, Y, Z) 之间的距离或偏差。
影响因素
- 机械制造公差：机器人各关节、连杆的几何尺寸误差。
- 装配误差：关节、减速器等部件的装配精度。
- 本体刚度：机器人臂展、负载等造成的结构变形。
- 减速器间隙 (Backlash)：齿轮传动中的间隙。
- 校准状态：出厂校准或后续校准的精确性。
- 负载：不同的负载大小和分布会引起不同的结构变形。
- 温度变化：热胀冷缩可能导致结构尺寸变化。
形象比喻：定位精度就像你用飞镖瞄准靶心，定位精度高意味着你扔出去的飞镖落点能准确地接近靶心。它是衡量你对目标位置的“瞄准”能力。
什么是工业机器人的重复定位精度 (Repeat Positioning Accuracy)?
概念定义
重复定位精度 (Repeat Positioning Accuracy)，简称重复精度 (Repeatability)，是指机器人在多次尝试返回同一个目标位置（这个位置可以是任意指令点，也可以是示教点）时，其末端执行器实际到达位置的分散程度。它衡量的是机器人在执行某个重复运动时，每次到达指定点的一致性或稳定性。
如何衡量
衡量重复定位精度通常也是通过多次（如 30 次以上）指令机器人从不同方向或路径移动到同一个目标点。记录每次到达该点的实际位置。重复定位精度不是衡量这些点与“理想”目标点的偏差，而是衡量这些实际到达点相互之间的密集程度。国际标准 ISO 9283 通常用一个包含所有到达点的最小球体半径来表示，称为 Rp (Repeatability of position)。
比如，你多次指令机器人回到示教过的点 A。第一次回到 A’，第二次回到 A”，第三次回到 A”’… 重复精度就是衡量点 A’、A”、A”’… 之间的距离或分散范围。
影响因素
- 控制系统稳定性：伺服控制算法的精度和稳定性。
- 机械传动稳定性：减速器、轴承等的摩擦和磨损情况。
- 温度变化：虽然也影响结构尺寸，但更主要影响润滑油粘度、传感器稳定性等。
- 负载稳定性：重复任务中负载是否一致。
- 运动速度和加速度：动态性能对重复性的影响。
- 抗干扰能力：系统对外部振动、电信号噪声的抑制能力。
形象比喻：重复定位精度就像你用飞镖扔向靶子，但你不是瞄准靶心，只是尽力去扔到你上次扔到的那个点。重复定位精度高意味着你扔出去的飞镖落点总是非常接近，它们都落在靶上的一个小区域内，即使这个小区域离靶心很远。它是衡量你对“同一个点”的“重复到达”能力。
核心区别与关系：精确与一致
区别对比
核心区别在于它们的参照点和衡量的侧重点：
定位精度： 衡量的是实际位置与理想指令位置的偏差。关注的是绝对坐标系下的准确性。
重复定位精度： 衡量的是多次实际位置相互之间的分散程度。关注的是重复到达同一位置的一致性或稳定性。
思考一个例子：
你希望机器人到达点 (100, 200, 300)。情况 A： 机器人第一次到达 (100.1, 200.05, 300.1)，第二次到达 (100.11, 200.06, 300.12)，第三次到达 (100.1, 200.04, 300.11)。
* 定位精度： 实际到达点与 (100, 200, 300) 有约 0.1mm 的偏差。
* 重复定位精度： 三次到达的点相互之间非常接近，分散范围可能只有 0.02mm。
这表示机器人重复定位精度高，但定位精度有一定偏差。情况 B： 机器人第一次到达 (100.01, 200.02, 300.01)，第二次到达 (100.05, 199.98, 300.03)，第三次到达 (99.99, 200.01, 299.98)。
* 定位精度： 平均来看，实际到达点与 (100, 200, 300) 的偏差可能很小，也许只有 0.03mm。
* 重复定位精度： 三次到达的点相互之间比较分散，分散范围可能达到 0.06mm 或更多。
这表示机器人定位精度相对较高，但重复定位精度不如情况 A。
很多时候，一个机器人的重复定位精度指标会远优于其定位精度指标。这是因为影响绝对定位精度的因素（如结构公差、刚度、精确校准）更难以完全消除，而影响重复定位精度的因素（如控制稳定性、关节间隙的重复表现）则相对更容易控制在小范围内。
关系阐述
- 一个高定位精度的机器人通常也具有非常高的重复定位精度。如果机器人能每次都准确地到达目标点，那么它多次尝试到达目标点时，这些点必然相互接近。
- 然而，一个高重复定位精度的机器人并不一定具有高定位精度。它可能每次都能精确地回到同一个位置，但这个“同一个位置”与指令的目标位置之间可能存在固定的较大偏差。
这就引出了一个关键点：机器人制造商通常在规格书中显著标明的是重复定位精度（例如 ±0.05mm）。这是因为重复定位精度更容易通过设计和控制系统保证，且对于很多应用来说，重复性比绝对精度更重要。要获得高定位精度，往往需要额外的校准、外部视觉系统辅助定位，或者使用特殊的高精度机器人。
在不同应用场景中的侧重
根据具体的工业应用需求，对定位精度和重复定位精度的侧重会有所不同：
高定位精度更重要的场景
这类应用要求机器人精确地到达由外部坐标系、CAD 模型或传感器确定的特定空间点。
- 精密装配： 将部件精确地插入、对齐到指定位置，例如电子元件组装、医疗器械装配。
- 精密加工： 如机器人铣削、钻孔等，需要机器人末端工具沿着精确的路径移动，并在准确的位置开始/结束加工。
- 在线测量/检测： 使用机器人携带传感器（如相机、激光扫描仪）对工件进行尺寸或特征检测。机器人需要精确地将传感器定位到测量点。
- 需要与外部设备进行精确坐标交互： 例如，机器人需要根据视觉系统或其他传感器的反馈，精确地抓取或放置位于随机位置的物体。
高重复定位精度更重要的场景
这类应用要求机器人能够稳定、一致地重复执行相同的轨迹或到达相同的点，即使这些点在绝对坐标系下与理想位置存在小偏差。通常，工件会被夹具固定，机器人只需要重复地相对于夹具上的工件进行操作。
- 焊接 (点焊/弧焊)： 机器人需要重复地在工件上的同一位置或沿同一路径进行焊接。一致的焊点位置和路径是质量的关键。
- 喷涂/涂胶： 机器人需要重复地以相同的速度、距离和角度在工件表面喷涂或涂胶。一致性决定了涂层的均匀性。
- 搬运/码垛： 机器人重复地从一个固定位置抓取物体，然后放置到另一个固定位置或按照固定模式堆叠。
- 简单抓取与放置 (Pick and Place)： 从固定的送料位置抓取，放置到固定的接收位置。
- 机床上下料： 重复地在机床卡盘和料盘之间抓取和放置工件。
在许多情况下，虽然应用对精度有要求，但如果工件是通过高精度夹具或定位装置固定的，那么机器人只需要相对于夹具表现出高重复性即可。通过示教或离线编程获取这些相对于夹具的点位，然后利用机器人的高重复性，就能保证生产的一致性和质量。
总结：选择与优化
核心要点回顾
理解工业机器人的定位精度和重复定位精度之间的区别是至关重要的。
- 定位精度： 衡量实际到达点与指令目标点之间的偏差，关注绝对位置的准确性。
- 重复定位精度： 衡量多次到达同一目标点时，实际到达点相互之间的分散程度，关注运动的稳定性与一致性。
选择合适的机器人
在选择工业机器人时，应首先明确应用需求：
- 如果应用对绝对坐标位置有严格要求，需要机器人精确到达CAD模型中的点，或者需要与外部高精度系统（如测量设备、视觉系统）精确对齐，那么需要关注并可能额外投入以提高定位精度。
- 如果应用主要是重复性的示教或编程任务，工件通过夹具等方式固定，那么重复定位精度往往是更关键的指标。许多标准工业机器人都能满足这类应用对重复性的要求。
提升与维护
无论是定位精度还是重复定位精度，都会随着时间和使用而发生变化。定期的校准和维护是保证机器人性能的关键。对于需要高定位精度的应用，可能需要更频繁的校准，或者集成外部传感器（如视觉或力传感器）进行在线补偿和修正。
总而言之，定位精度和重复定位精度是描述工业机器人运动能力的重要维度，它们各自反映了机器人在“去到哪里”和“重复去到同一个地方”上的表现。清晰地认识并区分这两个概念，有助于我们更合理地评估机器人性能，更有效地设计和优化自动化方案，从而最大限度地发挥工业机器人的潜力。
