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

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

    關(guān)鍵詞： 機器人； 貝加萊控制系統；ACOPOSmu l t i 伺服驅動(dòng)器；

    1 前言

    奇瑞汽車(chē)股份有限公司是中國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65萬(wàn)臺和變速箱40萬(wàn)套的生產(chǎn)能力。隨著(zhù)生產(chǎn)規模不斷擴大，對自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)需求也越來(lái)越高，工業(yè)機器人的應用數量也越來(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)機器人，目前已完成基于貝加萊工業(yè)自動(dòng)化系統的第三代機器人的研發(fā)。工業(yè)機器人主要有機械系統、控制系統、系統軟件三部分組成。

    2 機械系統

    2.1 機械系統的組成

    機器人機械系統主要由機械本體和外圍結構組成，如圖1所示。機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。外圍結構主要由管線(xiàn)包以及一些管卡組成。
     
                  
          
                                            圖1  機器人機械系統組成    
       
    2.2 機器人的性能參數

    基于貝加萊系統的第三代機器人是奇瑞汽車(chē)股份有限公司自主研發(fā)的大負載工業(yè)機器人，型號為QB-165，最大負載165公斤，有六個(gè)自由度。該機器人也是我國自主研發(fā)的最先進(jìn)的大負載工業(yè)機器人之一，各項性能參數達到國際先進(jìn)水平，具體參數如表1所示。

    3 控制系統

    整體總體架構如圖2所示。

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

    3.1 移動(dòng)式面板

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

    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)，非常適合于機器人系統的應用特點(diǎn)，并且，采用Windows CE Embedded操作系統，具有較強的實(shí)時(shí)任務(wù)處理能力。  

                                     表1  機器人性能參數表
        
                             

    3.2 APC820工控機

    3.2.1 突破傳統設計理念

    傳統的機器人均采用專(zhuān)用的控制系統硬件設計，然而傳統的硬件系統開(kāi)發(fā)周期長(cháng)、系統擴展不易，并且軟件編程不方便，這與傳統的PLC無(wú)法處理如此復雜的CNC和機器人齊次方程庫的算法有關(guān)，并且，另一方面，基于Windows架構的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(zhù)硬件技術(shù)的發(fā)展這些問(wèn)題在今天已經(jīng)由通用的平臺即可完成。
    
                      

                                圖2  基于貝加萊系統的機器人系統架構  

   3.2.2 運動(dòng)控制與機器人處理

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

   3.2.3 高魯棒性設計

   從硬件設計本身而言，APC820遵循嚴格工業(yè)標準而設計，無(wú)風(fēng)扇和無(wú)旋轉部件設計，并且內部無(wú)電纜連接而全部采用接插件連接方式，這樣可以保證機器具有高魯棒性特點(diǎn)。

   3.2.4 緊湊型設計

   同時(shí)，APC820與ACOPOSmulti伺服驅動(dòng)器具有相同的安裝尺寸和規格，這使得它無(wú)需額外的安裝機架，其尺寸設計與ACOPOSmulti的46mm寬度相同，直接安裝在系統的最左側，與驅動(dòng)系統融為一體，并通過(guò)高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Ethernet POWERLINK來(lái)連接。

    3.3 伺服驅動(dòng)器與伺服電機

    伺服驅動(dòng)器采用的是貝加萊公司最新開(kāi)發(fā)的智能型ACOPOSMulti驅動(dòng)器，具有尺寸緊湊，模塊化結構，一個(gè)驅動(dòng)器可以帶兩個(gè)伺服電機等特點(diǎn)；伺服電機選擇的是貝加萊公司設計的高精度，高動(dòng)態(tài)響應，帶有多圈絕對式編碼器的同步伺服電機。

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

    機器人系統是一個(gè)對于網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性要求非常高的應用，奇瑞機器人系統需要在生產(chǎn)現場(chǎng)實(shí)現高速、高精度的焊接加工，如果機器人的響應速度較慢的話(huà)則無(wú)法滿(mǎn)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-即系統的循環(huán)時(shí)間，而基于總線(xiàn)的控制技術(shù)則需要由總線(xiàn)的刷新周期來(lái)配合控制系統的刷新周期，Ethernet POWERLINK是該系統采用的總線(xiàn)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，其系統同步時(shí)間為0.1uS，抖動(dòng)遠小于1uS，通過(guò)直接交叉通信，可以實(shí)現軸與軸之間的直接通信，從而提高系統的響應能力。

    3.5 控制系統先進(jìn)性

    由于工控機APC820提供強大的運算能力以及通過(guò)高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)POWERLINK（100Mbps）連接工控機與伺服驅動(dòng)器，使得能夠實(shí)現復雜的運動(dòng)控制算法對伺服電機的集中式控制，并且能夠實(shí)現一臺工控機對多臺6軸機器人的控制。

    貝加萊的軟件開(kāi)發(fā)平臺Automation Studio集成有標準的關(guān)節型機器人運動(dòng)功能模塊，使得用戶(hù)開(kāi)發(fā)和調試機器人軟件的時(shí)間大為縮短。系統具有很強的可擴展性，APC820可以通過(guò)接口卡方便地連接Ethernet、 POWERLINK、 ProfiBus、DeviceNet、CANOpen、 Modbus等主流現場(chǎng)總線(xiàn)模塊。由于系統硬件模塊少，電氣布置簡(jiǎn)單，連線(xiàn)少，一方面減少了電控柜的體積，另一方面使得電氣系統的可靠性得到了提高。

    4 系統軟件設計

    4.1 機器人技術(shù)-TRF_Lib庫支持

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

                                       圖3  機器人系統框架圖      

                    

                                    圖4  機器人系統軟件架構圖

    4.2 系統軟件架構設計

   控制系統軟件主要分為人機界面與下位機兩部分。機器人系統軟件架構如圖4 所示

    4.2.1人機界面設計功能

    （1）主頁(yè)面

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

                     

                                          圖5   主畫(huà)面  

    （2）設置頁(yè)面功能設計

    編碼器清零；

    管理示教點(diǎn)位置；

    工具參數設置；

    密碼修改；

    I/O界面監控，可對I/O進(jìn)行強制操作。

   （3）文件管理功能

    創(chuàng )建新的程序； 

    程序復制；    

    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；

    程序的試運行。

    （5）Move界面

    在該界面，對機器人進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)操作，其可實(shí)現包括：

    機器人坐標系的選擇；

    設置機器人點(diǎn)動(dòng)速度；

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

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

    （6）報警畫(huà)面

    當前報警的清除；歷史報警查詢(xún)。

    （7）可視化的I/O維護界面

    對于奇瑞的機器人系統，為了提高系統維護方面的簡(jiǎn)便性，結合B&R X20系列本身所具有的可視功能，對每個(gè)I/O點(diǎn)進(jìn)行監控，當出現問(wèn)題時(shí)，系統可自動(dòng)顯示故障點(diǎn)所在，給予現場(chǎng)維護人員直接的技術(shù)支持，及時(shí)的進(jìn)行處理。
         

                   

                                    圖8   可視化的I/O維護界面  

     4.3 力矩前饋控制技術(shù)  

    在機器人系統中普遍存在的問(wèn)題就是當機器處于高速運行，并運行范圍較大時(shí)，則出現振動(dòng)和運行軌跡偏差較大的現象，借助于B&R系統所具有的強大功能，工程師們對機器人系統進(jìn)行了仿真分析，對影響抖動(dòng)和軌跡偏差的因素進(jìn)行仿真實(shí)現，調整控制參數來(lái)實(shí)現機器人系統的抖動(dòng)降低和偏差問(wèn)題。

    通過(guò)MATLAB/Simulink對機器人系統進(jìn)行建模，對機器人的各個(gè)運動(dòng)軸過(guò)程中的耦合過(guò)程進(jìn)行分析，尋找影響系統抖動(dòng)的因素，并通過(guò)力矩的前饋算法設計，對這些軸耦合過(guò)程中的偏差和抖動(dòng)進(jìn)行補償設計，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入到B&R Automation Studio上可以直接運行，這樣可以實(shí)現從仿真到硬件在環(huán)測試(Hardware In the Loop)的直接運行。

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

    5 結論

    工業(yè)機器人作為現代制造業(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，穩定產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現文明生產(chǎn)等方面具有重大作用。 這些年，隨著(zhù)國內汽車(chē)制造業(yè)的迅猛發(fā)展， 機器人技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的主要手段得以廣泛應用。借助于POWERLINK通信技術(shù)、智能型的ACOPOSMulti驅動(dòng)器、高性能的APC820工控機以及多平臺性能的Automation Studio軟件開(kāi)發(fā)工具，使得基于貝加萊系統開(kāi)發(fā)的這款機器人整體性能達到國際領(lǐng)先水平，這是一個(gè)非常具有競爭力的產(chǎn)品設計。

    參考文獻：

     [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，現就職于奇瑞汽車(chē)股份有限公司機器人項目組，主要研究方向為工業(yè)機器人電氣控制設計與研究。  

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第十一期