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     活動(dòng)鏈接：2014年控制網(wǎng)技術(shù)專(zhuān)題---機(jī)器人發(fā)展在中國(guó)

   摘要：本文介紹了基于貝加萊控制系統(tǒng)的機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)組成、控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件架構(gòu)，重點(diǎn)論述了該款機(jī)器人由于采用貝加萊工控產(chǎn)品而體現(xiàn)出來(lái)的先進(jìn)性。

    關(guān)鍵詞： 機(jī)器人； 貝加萊控制系統(tǒng)；ACOPOSmu l t i 伺服驅(qū)動(dòng)器；

    1 前言

    奇瑞汽車(chē)股份有限公司是中國(guó)最大的自主品牌汽車(chē)生產(chǎn)商之一。目前，奇瑞公司已具備年產(chǎn)整車(chē)90萬(wàn)輛、發(fā)動(dòng)機(jī)65萬(wàn)臺(tái)和變速箱40萬(wàn)套的生產(chǎn)能力。隨著生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線需求也越來(lái)越高，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用數(shù)量也越來(lái)越多。為了降低生產(chǎn)成本，奇瑞汽車(chē)從2007年開(kāi)始自主研發(fā)工業(yè)機(jī)器人，目前已完成基于貝加萊工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的第三代機(jī)器人的研發(fā)。工業(yè)機(jī)器人主要有機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件三部分組成。

    2 機(jī)械系統(tǒng)

    2.1 機(jī)械系統(tǒng)的組成

    機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)主要由機(jī)械本體和外圍結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。機(jī)械本體主要由底座部分、平衡缸部分、大臂、小臂部分和手腕部分組成。外圍結(jié)構(gòu)主要由管線包以及一些管卡組成。
     
                  
          
                                            圖1  機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)組成    
       
    2.2 機(jī)器人的性能參數(shù)

    基于貝加萊系統(tǒng)的第三代機(jī)器人是奇瑞汽車(chē)股份有限公司自主研發(fā)的大負(fù)載工業(yè)機(jī)器人，型號(hào)為QB-165，最大負(fù)載165公斤，有六個(gè)自由度。該機(jī)器人也是我國(guó)自主研發(fā)的最先進(jìn)的大負(fù)載工業(yè)機(jī)器人之一，各項(xiàng)性能參數(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，具體參數(shù)如表1所示。

    3 控制系統(tǒng)

    整體總體架構(gòu)如圖2所示。

    控制系統(tǒng)選擇了貝加萊移動(dòng)式面板作為示教器，該系統(tǒng)還包括APC820工控機(jī)、ACOPOSmulti伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)，其系統(tǒng)主要部件和性能描述如下：

    3.1 移動(dòng)式面板

    移動(dòng)式面板是用于機(jī)器人人機(jī)交互操作，如點(diǎn)動(dòng)機(jī)器人，示教再現(xiàn)，動(dòng)態(tài)顯示和參數(shù)調(diào)試等，Mobile Panel的特點(diǎn)在于對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)使用的機(jī)器人而言，多個(gè)機(jī)器人可共享一個(gè)面板，這樣可以降低HMI的成本。具體參數(shù)如下：

    Intel PXA 270 處理器；

    256 MB DRAM； 

    128 MB Flash；

    以太網(wǎng)接口；

    USB 1.1接口。

     除此之外，該面板還有31個(gè)系統(tǒng)按鈕用于操作，包括急停、操縱桿、鑰匙開(kāi)關(guān)，非常適合于機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，并且，采用Windows CE Embedded操作系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)任務(wù)處理能力。  

                                     表1  機(jī)器人性能參數(shù)表
        
                             

    3.2 APC820工控機(jī)

    3.2.1 突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念

    傳統(tǒng)的機(jī)器人均采用專(zhuān)用的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，然而傳統(tǒng)的硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、系統(tǒng)擴(kuò)展不易，并且軟件編程不方便，這與傳統(tǒng)的PLC無(wú)法處理如此復(fù)雜的CNC和機(jī)器人齊次方程庫(kù)的算法有關(guān)，并且，另一方面，基于Windows架構(gòu)的PC由于不具有實(shí)時(shí)性而無(wú)法處理實(shí)時(shí)任務(wù)，然而，隨著硬件技術(shù)的發(fā)展這些問(wèn)題在今天已經(jīng)由通用的平臺(tái)即可完成。
    
                      

                                圖2  基于貝加萊系統(tǒng)的機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)  

   3.2.2 運(yùn)動(dòng)控制與機(jī)器人處理

   B&R的APC820是一個(gè)通用的PC硬件平臺(tái)，它可同時(shí)運(yùn)行Windows XP或Windows CE Embedded操作系統(tǒng)和AR(AutomationRuntime)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，將復(fù)雜的圖形畫(huà)面任務(wù)由Windows處理，而將路徑規(guī)劃、軸控制任務(wù)由AR來(lái)處理。

   3.2.3 高魯棒性設(shè)計(jì)

   從硬件設(shè)計(jì)本身而言，APC820遵循嚴(yán)格工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)，無(wú)風(fēng)扇和無(wú)旋轉(zhuǎn)部件設(shè)計(jì)，并且內(nèi)部無(wú)電纜連接而全部采用接插件連接方式，這樣可以保證機(jī)器具有高魯棒性特點(diǎn)。

   3.2.4 緊湊型設(shè)計(jì)

   同時(shí)，APC820與ACOPOSmulti伺服驅(qū)動(dòng)器具有相同的安裝尺寸和規(guī)格，這使得它無(wú)需額外的安裝機(jī)架，其尺寸設(shè)計(jì)與ACOPOSmulti的46mm寬度相同，直接安裝在系統(tǒng)的最左側(cè)，與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)融為一體，并通過(guò)高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Ethernet POWERLINK來(lái)連接。

    3.3 伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)

    伺服驅(qū)動(dòng)器采用的是貝加萊公司最新開(kāi)發(fā)的智能型ACOPOSMulti驅(qū)動(dòng)器，具有尺寸緊湊，模塊化結(jié)構(gòu)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以帶兩個(gè)伺服電機(jī)等特點(diǎn)；伺服電機(jī)選擇的是貝加萊公司設(shè)計(jì)的高精度，高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，帶有多圈絕對(duì)式編碼器的同步伺服電機(jī)。

    3.4 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Ethernet POWERLINK

    機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求非常高的應(yīng)用，奇瑞機(jī)器人系統(tǒng)需要在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)高速、高精度的焊接加工，如果機(jī)器人的響應(yīng)速度較慢的話則無(wú)法滿足快速的汽車(chē)生產(chǎn)需求，而為了加快生產(chǎn)速度和保障加工質(zhì)量，必須降低控制任務(wù)的循環(huán)周期。

    △S=△V*△t  

    △S-加工精度

    △V-加工速度
 
    △t-循環(huán)時(shí)間

    若我們想提高加工速度又想提升加工精度，從控制角度分析而言，我們只有降低△t-即系統(tǒng)的循環(huán)時(shí)間，而基于總線的控制技術(shù)則需要由總線的刷新周期來(lái)配合控制系統(tǒng)的刷新周期，Ethernet POWERLINK是該系統(tǒng)采用的總線連接，POWERLINK是一個(gè)100Mbps傳輸速率的高性能網(wǎng)絡(luò)，具有高實(shí)時(shí)性，其系統(tǒng)同步時(shí)間為0.1uS，抖動(dòng)遠(yuǎn)小于1uS，通過(guò)直接交叉通信，可以實(shí)現(xiàn)軸與軸之間的直接通信，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力。

    3.5 控制系統(tǒng)先進(jìn)性

    由于工控機(jī)APC820提供強(qiáng)大的運(yùn)算能力以及通過(guò)高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)POWERLINK（100Mbps）連接工控機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器，使得能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制算法對(duì)伺服電機(jī)的集中式控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一臺(tái)工控機(jī)對(duì)多臺(tái)6軸機(jī)器人的控制。

    貝加萊的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)Automation Studio集成有標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能模塊，使得用戶開(kāi)發(fā)和調(diào)試機(jī)器人軟件的時(shí)間大為縮短。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，APC820可以通過(guò)接口卡方便地連接Ethernet、 POWERLINK、 ProfiBus、DeviceNet、CANOpen、 Modbus等主流現(xiàn)場(chǎng)總線模塊。由于系統(tǒng)硬件模塊少，電氣布置簡(jiǎn)單，連線少，一方面減少了電控柜的體積，另一方面使得電氣系統(tǒng)的可靠性得到了提高。

    4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    4.1 機(jī)器人技術(shù)-TRF_Lib庫(kù)支持

    機(jī)器人技術(shù)是由齊次轉(zhuǎn)換庫(kù)作為核心的，是在CNC基礎(chǔ)之上的一個(gè)應(yīng)用，對(duì)于六自由度機(jī)器人系統(tǒng)，通過(guò)將X，Y，Z，Pitch，Yaw，Roll的各機(jī)器人軸轉(zhuǎn)換為CNC的軸控制，此轉(zhuǎn)換過(guò)程為一個(gè)多變量系統(tǒng)的耦合和解耦問(wèn)題，通過(guò)傅立葉變換，將非實(shí)域的軸參數(shù)轉(zhuǎn)換為在實(shí)域中的參數(shù)，因此，這個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)換庫(kù)Transfomer對(duì)于不同的機(jī)器人類(lèi)型是不同的，B&R的系統(tǒng)可支持14種不同的機(jī)器人類(lèi)型，如SCARA，Tripod，也包括奇瑞所使用全關(guān)節(jié)型6自由度機(jī)器人，如圖3所示。
         
                     

                                       圖3  機(jī)器人系統(tǒng)框架圖      

                    

                                    圖4  機(jī)器人系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

    4.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

   控制系統(tǒng)軟件主要分為人機(jī)界面與下位機(jī)兩部分。機(jī)器人系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4 所示

    4.2.1人機(jī)界面設(shè)計(jì)功能

    （1）主頁(yè)面

    主界面主要是機(jī)器人處于工作狀態(tài)時(shí)的界面，該頁(yè)面的主要功能是執(zhí)行程序，機(jī)器人進(jìn)入工作狀態(tài)。可以進(jìn)行中英文界面切換。主界面如圖5所示。

                     

                                          圖5   主畫(huà)面  

    （2）設(shè)置頁(yè)面功能設(shè)計(jì)

    編碼器清零；

    管理示教點(diǎn)位置；

    工具參數(shù)設(shè)置；

    密碼修改；

    I/O界面監(jiān)控，可對(duì)I/O進(jìn)行強(qiáng)制操作。

   （3）文件管理功能

    創(chuàng)建新的程序； 

    程序復(fù)制；    

    文件刪除；

    程序加載。
  
                      

                                       圖6  文件管理畫(huà)面  

    （4）程序界面

     程序的編輯；

    點(diǎn)的示教操作；

    程序的試運(yùn)行。

    （5）Move界面

    在該界面，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)操作，其可實(shí)現(xiàn)包括：

    機(jī)器人坐標(biāo)系的選擇；

    設(shè)置機(jī)器人點(diǎn)動(dòng)速度；

    實(shí)時(shí)顯示六個(gè)軸的位置狀態(tài)。
   
                      

                                            圖7  奇瑞機(jī)器人的Move畫(huà)面   

    （6）報(bào)警畫(huà)面

    當(dāng)前報(bào)警的清除；歷史報(bào)警查詢。

    （7）可視化的I/O維護(hù)界面

    對(duì)于奇瑞的機(jī)器人系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)維護(hù)方面的簡(jiǎn)便性，結(jié)合B&R X20系列本身所具有的可視功能，對(duì)每個(gè)I/O點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)顯示故障點(diǎn)所在，給予現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員直接的技術(shù)支持，及時(shí)的進(jìn)行處理。
         

                   

                                    圖8   可視化的I/O維護(hù)界面  

     4.3 力矩前饋控制技術(shù)  

    在機(jī)器人系統(tǒng)中普遍存在的問(wèn)題就是當(dāng)機(jī)器處于高速運(yùn)行，并運(yùn)行范圍較大時(shí)，則出現(xiàn)振動(dòng)和運(yùn)行軌跡偏差較大的現(xiàn)象，借助于B&R系統(tǒng)所具有的強(qiáng)大功能，工程師們對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，對(duì)影響抖動(dòng)和軌跡偏差的因素進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，調(diào)整控制參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的抖動(dòng)降低和偏差問(wèn)題。

    通過(guò)MATLAB/Simulink對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)機(jī)器人的各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸過(guò)程中的耦合過(guò)程進(jìn)行分析，尋找影響系統(tǒng)抖動(dòng)的因素，并通過(guò)力矩的前饋算法設(shè)計(jì)，對(duì)這些軸耦合過(guò)程中的偏差和抖動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)，基于建模的MATLAB/Simulink建模后，其可通過(guò)Stateflow Workshop 等工具自動(dòng)生成代碼，這些代碼可以直接導(dǎo)入到B&R Automation Studio上可以直接運(yùn)行，這樣可以實(shí)現(xiàn)從仿真到硬件在環(huán)測(cè)試(Hardware In the Loop)的直接運(yùn)行。

    力矩前饋控制技術(shù)是目前最先進(jìn)的解決機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的抖動(dòng)和偏差的方案，借助控制系統(tǒng)的強(qiáng)大能力，得以在奇瑞的機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)，取得了非常明顯的效果。

    5 結(jié)論

    工業(yè)機(jī)器人作為現(xiàn)代制造業(yè)主要的自動(dòng)化裝備之一，使焊接自動(dòng)化取得了革命性進(jìn)步，在提升企業(yè)技術(shù)水平，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)文明生產(chǎn)等方面具有重大作用。 這些年，隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)制造業(yè)的迅猛發(fā)展， 機(jī)器人技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的主要手段得以廣泛應(yīng)用。借助于POWERLINK通信技術(shù)、智能型的ACOPOSMulti驅(qū)動(dòng)器、高性能的APC820工控機(jī)以及多平臺(tái)性能的Automation Studio軟件開(kāi)發(fā)工具，使得基于貝加萊系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的這款機(jī)器人整體性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，這是一個(gè)非常具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

    參考文獻(xiàn)：

     [1] B&R Product Catalog.2010 Edition [Z].貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司， 2010.

    楊橋(1982-)

   男，工程師，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于奇瑞汽車(chē)股份有限公司機(jī)器人項(xiàng)目組，主要研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人電氣控制設(shè)計(jì)與研究。  

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第十一期