1．前言

奇瑞汽車股份有限公司是中國最大的自主品牌汽車生產(chǎn)商之一。目前，奇瑞公司已具備年產(chǎn)整車90萬輛、發(fā)動機65萬臺和變速箱40萬套的生產(chǎn)能力。隨著生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，對自動化生產(chǎn)線需求也越來越高，工業(yè)機器人的應(yīng)用數(shù)量也越來越多。為了降低生產(chǎn)成本，奇瑞汽車從2007年開始自主研發(fā)工業(yè)機器人，目前已完成基于貝加萊工業(yè)自動化系統(tǒng)的第三代機器人的研發(fā)。

工業(yè)機器人主要有機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件三部分組成。

2.  機械系統(tǒng)

2.1機械系統(tǒng)的組成

機器人機械系統(tǒng)主要由機械本體和外圍結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)主要由管線包以及一些管卡組成。

圖1  機器人機械系統(tǒng)組成

2.2機器人的性能參數(shù)

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

表1機器人性能參數(shù)表

3.  控制系統(tǒng)

整體總體架構(gòu)如圖2所示。

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

圖2 基于貝加萊系統(tǒng)的機器人系統(tǒng)架構(gòu)

3.1移動式面板

移動式面板是用于機器人人機交互操作，如點動機器人，示教再現(xiàn)，動態(tài)顯示和參數(shù)調(diào)試等，Mobile Panel的特點在于對于現(xiàn)場使用的機器人而言，多個機器人可共享一個面板，這樣可以降低HMI的成本。

● l Intel PXA 270 處理器

● l 256 MB DRAM

● l 128 MB Flash

● l 以太網(wǎng)接口

● l USB 1.1接口

除此之外，該面板還有31個系統(tǒng)按鈕用于操作，包括急停、操縱桿、鑰匙開關(guān)，非常適合于機器人系統(tǒng)的應(yīng)用特點，并且，采用Windows CE Embedded操作系統(tǒng)，具有較強的實時任務(wù)處理能力。

3.2 APC820工控機

3.2.1突破傳統(tǒng)設(shè)計理念

傳統(tǒng)的機器人均采用專用的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計，然而傳統(tǒng)的硬件系統(tǒng)具有開發(fā)周期長、系統(tǒng)擴展不易，并且軟件編程不方便，這與傳統(tǒng)的PLC無法處理如此復(fù)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(gòu)的PC由于不具有實時性而無法處理實時任務(wù)，然而，隨著硬件技術(shù)的發(fā)展這些問題在今天已經(jīng)由通用的平臺即可完成。

3.2.2運動控制與機器人處理

B&R的APC820是一個通用的PC硬件平臺，它可同時運行Windows XP或Windows CE Embedded操作系統(tǒng)和AR(Automation Runtime)實時操作系統(tǒng)，將復(fù)雜的圖形畫面任務(wù)由Windows處理，而將路徑規(guī)劃、軸控制任務(wù)由AR來處理。

3.2.3高魯棒性設(shè)計

從硬件設(shè)計本身而言，APC820遵循嚴(yán)格工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計，無風(fēng)扇和無旋轉(zhuǎn)部件設(shè)計，并且內(nèi)部無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。

3.2.4緊湊型設(shè)計

同時，APC820是與ACOPOSmulti伺服驅(qū)動器具有相同的安裝尺寸和規(guī)格的，這使得它無需額外的安裝機架，其尺寸設(shè)計與ACOPOSmulti的46mm寬度相同，直接安裝在系統(tǒng)的最左側(cè)，與驅(qū)動系統(tǒng)融為一體，并通過高速實時以太網(wǎng)Ethernet POWERLINK來連接。

3.3伺服驅(qū)動器與伺服電機

伺服驅(qū)動器采用的是貝加萊公司最新開發(fā)的智能型ACOPOSMulti驅(qū)動器，具有尺寸緊湊，模塊化結(jié)構(gòu)，一個驅(qū)動器可以帶兩個伺服電機等特點；伺服電機選擇的是貝加萊公司設(shè)計的高精度，高動態(tài)響應(yīng)，帶有多圈絕對式編碼器的同步伺服電機。

3.4實時以太網(wǎng)Ethernet POWERLINK

機器人系統(tǒng)是一個對于網(wǎng)絡(luò)的實時性要求非常高的應(yīng)用,奇瑞機器人系統(tǒng)需要在生產(chǎn)現(xiàn)場實現(xiàn)高速、高精度的焊接加工，如果機器人的響應(yīng)速度較慢的話則無法滿足快速的汽車生產(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)時間，而基于總線的控制技術(shù)則需要由總線的刷新周期來配合控制系統(tǒng)的刷新周期，Ethernet POWERLINK是該系統(tǒng)采用的總線連接，POWERLINK是一個100Mbps傳輸速率的高性能網(wǎng)絡(luò)，具有高實時性，其系統(tǒng)同步時間為0.1uS,抖動遠(yuǎn)小于1uS，通過直接交叉通信，可以實現(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)先進性

由于工控機APC820提供強大的運算能力以及通過高速實時以太網(wǎng)POWERLINK（100Mbps）連接工控機與伺服驅(qū)動器，使得能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運動控制算法對伺服電機的集中式控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一臺工控機對多臺6軸機器人的控制。

貝加萊的軟件開發(fā)平臺Automation Studio集成有標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)節(jié)型機器人運動功能模塊，使得用戶開發(fā)和調(diào)試機器人軟件的時間大為縮短。系統(tǒng)具有很強的可擴展性，APC820可以通過接口卡方便地連接Ethernet、 POWERLINK、 ProfiBus、DeviceNet、CANOpen、 Modbus等主流現(xiàn)場總線模塊。由于系統(tǒng)硬件模塊少，電氣布置簡單，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

4.1機器人技術(shù)-TRF_Lib庫支持

機器人技術(shù)是由齊次轉(zhuǎn)換庫作為核心的，是在CNC基礎(chǔ)之上的一個應(yīng)用，對于六自由度機器人系統(tǒng)，通過將X,Y,Z,Pitch,Yaw,Roll的各機器人軸轉(zhuǎn)換為CNC的軸控制，此轉(zhuǎn)換過程為一個多變量系統(tǒng)的耦合和解耦問題，通過傅立葉變換，將非實域的軸參數(shù)轉(zhuǎn)換為在實域中的參數(shù)，因此，這個運動學(xué)轉(zhuǎn)換庫Transfomer對于不同的機器人類型是不同的，B&R的系統(tǒng)可支持14種不同的機器人類型，如SCARA,Tripod,也包括奇瑞所使用全關(guān)節(jié)型6自由度機器人。

圖3 機器人系統(tǒng)框架圖

4.2系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

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

圖4  機器人系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

4.2.1人機界面設(shè)計功能

（1）主頁面

圖5 主畫面

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

（2）設(shè)置頁面功能設(shè)計

● l 編碼器清零

● l 管理示教點位置

● l 工具參數(shù)設(shè)置

● l 密碼修改

● l I/O界面監(jiān)控，可對I/O進行強制操作。

?（3）文件管理功能

圖6 文件管理畫面

● l 創(chuàng)建新的程序

● l 程序復(fù)制

● l 文件刪除

● l 程序加載

（4）程序界面

● l 程序的編輯

● l 點的示教操作

● l 程序的試運行

?（5）Move界面

在該界面，對機器人進行點動操作，其可實現(xiàn)包括：

● l 機器人坐標(biāo)系的選擇

● l 設(shè)置機器人點動速度

● l 實時顯示六個軸的位置狀態(tài)

?
圖7 奇瑞機器人的Move畫面?

（6）報警畫面

● l 當(dāng)前報警的清除

● l 歷史報警查詢

?（7）可視化的I/O維護界面

對于奇瑞的機器人系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)維護方面的簡便性，結(jié)合B&R X20系列本身所具有的可視功能，對每個I/O點進行監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)可自動顯示故障點所在，給予現(xiàn)場維護人員直接的技術(shù)支持，及時的進行處理。

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(tǒng)中普遍存在的問題就是當(dāng)機器處于高速運行，并運行范圍較大時，則出現(xiàn)振動和運行軌跡偏差較大的現(xiàn)象，借助于B&R系統(tǒng)所具有的強大功能，工程師們對機器人系統(tǒng)進行了仿真分析，對影響抖動和軌跡偏差的因素進行仿真實現(xiàn)，調(diào)整控制參數(shù)來實現(xiàn)機器人系統(tǒng)的抖動降低和偏差問題。

通過MATLAB/Simulink對機器人系統(tǒng)進行建模，對機器人的各個運動軸過程中的耦合過程進行分析，尋找影響系統(tǒng)抖動的因素，并通過力矩的前饋算法設(shè)計，對這些軸耦合過程中的偏差和抖動進行補償設(shè)計，基于建模的MATLAB/Simulink建模后，其可通過Stateflow Workshop 等工具自動生成代碼，這些代碼可以直接導(dǎo)入到B&R Automation Studio上可以直接運行，這樣可以實現(xiàn)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)是目前最先進的解決機器人運動過程中的抖動和偏差的方案，借助控制系統(tǒng)的強大能力，得以在奇瑞的機器人上實現(xiàn)，取得了非常明顯的效果。

5.  結(jié)論

工業(yè)機器人作為現(xiàn)代制造業(yè)主要的自動化裝備之一，使焊接自動化取得了革命性進步，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，實現(xiàn)文明生產(chǎn)等方面具有重大作用。 這些年，隨著國內(nèi)汽車制造業(yè)的迅猛發(fā)展， 機器人技術(shù)作為先進制造技術(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)動器、高性能的APC820工控機以及多平臺性能的Automation Studio軟件開發(fā)工具，使得基于貝加萊系統(tǒng)開發(fā)的這款機器人整體性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平，這是一個非常具有競爭力的產(chǎn)品設(shè)計。