活動鏈接：2014年控制網技術專題---機器人發展在中國

   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，重點論述了該款機器人由于采用貝加萊工控產品而體現出來的先進性。

    關鍵詞： 機器人； 貝加萊控制系統；ACOPOSmu l t i 伺服驅動器；

    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商之一。目前，奇瑞公司已具備年產整車90萬輛、發動機65萬臺和變速箱40萬套的生產能力。隨著生產規模不斷擴大，對自動化生產線需求也越來越高，工業機器人的應用數量也越來越多。為了降低生產成本，奇瑞汽車從2007年開始自主研發工業機器人，目前已完成基于貝加萊工業自動化系統的第三代機器人的研發。工業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股份有限公司自主研發的大負載工業機器人，型號為QB-165，最大負載165公斤，有六個自由度。該機器人也是我國自主研發的最先進的大負載工業機器人之一，各項性能參數達到國際先進水平，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式面板作為示教器，該系統還包括APC820工控機、ACOPOSmulti伺服驅動器及電機，其系統主要部件和性能描述如下：

    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，動態顯示和參數調試等，Mobile Panel的特點在于對于現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。具體參數如下：

    Intel PXA 270 處理器；

    256 MB DRAM； 

    128 MB Flash；

    以太網接口；

    USB 1.1接口。

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

                                     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用的控制系統硬件設計，然而傳統的硬件系統開發周期長、系統擴展不易，并且軟件編程不方便，這與傳統的PLC無法處理如此復雜的CNC和機器人齊次方程庫的算法有關，并且，另一方面，基于Windows架構的PC由于不具有實時性而無法處理實時任務，然而，隨著硬件技術的發展這些問題在今天已經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操作系統和AR(AutomationRuntime)實時操作系統，將復雜的圖形畫面任務由Windows處理，而將路徑規劃、軸控制任務由AR來處理。

   3.2.3 高魯棒性設計

   從硬件設計本身而言，APC820遵循嚴格工業標準而設計，無風扇和無旋轉部件設計，并且內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 緊湊型設計

   同時，APC820與ACOPOSmulti伺服驅動器具有相同的安裝尺寸和規格，這使得它無需額外的安裝機架，其尺寸設計與ACOPOSmulti的46mm寬度相同，直接安裝在系統的最左側，與驅動系統融為一體，并通過高速實時以太網Ethernet POWERLINK來連接。

    3.3 伺服驅動器與伺服電機

    伺服驅動器采用的是貝加萊公司最新開發的智能型ACOPOSMulti驅動器，具有尺寸緊湊，模塊化結構，一個驅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計的高精度，高動態響應，帶有多圈絕對式編碼器的同步伺服電機。

    3.4 實時以太網Ethernet POWERLINK

    機器人系統是一個對于網絡的實時性要求非常高的應用，奇瑞機器人系統需要在生產現場實現高速、高精度的焊接加工，如果機器人的響應速度較慢的話則無法滿足快速的汽車生產需求，而為了加快生產速度和保障加工質量，必須降低控制任務的循環周期。

    △S=△V*△t  

    △S-加工精度

    △V-加工速度
 
    △t-循環時間

    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-即系統的循環時間，而基于總線的控制技術則需要由總線的刷新周期來配合控制系統的刷新周期，Ethernet POWERLINK是該系統采用的總線連接，POWERLINK是一個100Mbps傳輸速率的高性能網絡，具有高實時性，其系統同步時間為0.1uS，抖動遠小于1uS，通過直接交叉通信，可以實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POWERLINK（100Mbps）連接工控機與伺服驅動器，使得能夠實現復雜的運動控制算法對伺服電機的集中式控制，并且能夠實現一臺工控機對多臺6軸機器人的控制。

    貝加萊的軟件開發平臺Automation Studio集成有標準的關節型機器人運動功能模塊，使得用戶開發和調試機器人軟件的時間大為縮短。系統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等主流現場總線模塊。由于系統硬件模塊少，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的可靠性得到了提高。

    4 系統軟件設計

    4.1 機器人技術-TRF_Lib庫支持

    機器人技術是由齊次轉換庫作為核心的，是在CNC基礎之上的一個應用，對于六自由度機器人系統，通過將X，Y，Z，Pitch，Yaw，Roll的各機器人軸轉換為CNC的軸控制，此轉換過程為一個多變量系統的耦合和解耦問題，通過傅立葉變換，將非實域的軸參數轉換為在實域中的參數，因此，這個運動學轉換庫Transfomer對于不同的機器人類型是不同的，B&R的系統可支持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）主頁面

    主界面主要是機器人處于工作狀態時的界面，該頁面的主要功能是執行程序，機器人進入工作狀態。可以進行中英文界面切換。主界面如圖5所示。

                     

                                          圖5   主畫面  

    （2）設置頁面功能設計

    編碼器清零；

    管理示教點位置；

    工具參數設置；

    密碼修改；

    I/O界面監控，可對I/O進行強制操作。

   （3）文件管理功能

    創建新的程序； 

    程序復制；    

    文件刪除；

    程序加載。
  
                      

                                       圖6  文件管理畫面  

    （4）程序界面

     程序的編輯；

    點的示教操作；

    程序的試運行。

    （5）Move界面

    在該界面，對機器人進行點動操作，其可實現包括：

    機器人坐標系的選擇；

    設置機器人點動速度；

    實時顯示六個軸的位置狀態。
   
                      

                                            圖7  奇瑞機器人的Move畫面   

    （6）報警畫面

    當前報警的清除；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，為了提高系統維護方面的簡便性，結合B&R X20系列本身所具有的可視功能，對每個I/O點進行監控，當出現問題時，系統可自動顯示故障點所在，給予現場維護人員直接的技術支持，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  

    在機器人系統中普遍存在的問題就是當機器處于高速運行，并運行范圍較大時，則出現振動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，調整控制參數來實現機器人系統的抖動降低和偏差問題。

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

    力矩前饋控制技術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，借助控制系統的強大能力，得以在奇瑞的機器人上實現，取得了非常明顯的效果。

    5 結論

    工業機器人作為現代制造業主要的自動化裝備之一，使焊接自動化取得了革命性進步，在提升企業技術水平，穩定產品質量，提高生產效率，實現文明生產等方面具有重大作用。 這些年，隨著國內汽車制造業的迅猛發展， 機器人技術作為先進制造技術的主要手段得以廣泛應用。借助于POWERLINK通信技術、智能型的ACOPOSMulti驅動器、高性能的APC820工控機以及多平臺性能的Automation Studio軟件開發工具，使得基于貝加萊系統開發的這款機器人整體性能達到國際領先水平，這是一個非常具有競爭力的產品設計。

    參考文獻：

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

    楊橋(1982-)

   男，工程師，學士學位，現就職于奇瑞汽車股份有限公司機器人項目組，主要研究方向為工業機器人電氣控制設計與研究。  

    摘自《自動化博覽》2011年第十一期