基于贝加莱控制系统的工业机器人研发

　

0．前言

　　奇瑞汽车股份有限公司是中国最大的自主品牌汽车生产商之一。目前，奇瑞公司已具备年产整车90万辆、发动机65万台和变速箱40万套的生产能力。随着生产规模不断扩大，对自动化生产线需求也越来越高，工业机器人的应用数量也越来越多。为了降低生产成本，奇瑞汽车从2007年开始自主研发工业机器人，目前已完成基于贝加莱工业自动化系统的第三代机器人的研发。
工业机器人主要有机械系统、控制系统、系统软件三部分组成。

1. 机械系统

1.1机械系统的组成

　　机器人机械系统主要由机械本体和外围结构组成，如图1所示。机械本体主要由底座部分、平衡缸部分、大臂、小臂部分和手腕部分组成。外围结构主要由管线包以及一些管卡组成。

图1  机器人机械系统组成

1.2机器人的性能参数

　　基于贝加莱系统的第三代机器人是奇瑞汽车股份有限公司自主研发的大负载工业机器人，型号为QB-165，最大负载165公斤，有六个自由度。该机器人也是我国自主研发的最先进的大负载工业机器人之一，各项性能参数达到国际先进水平，具体参数如表1所示。

表1机器人性能参数表

2. 控制系统

整体总体架构如图2所示。

　　控制系统选择了贝加莱移动式面板作为示教器，该系统还包括APC820工控机、ACOPOSmulti伺服驱动器及电机，其系统主要部件和性能描述如下：

 

图2 基于贝加莱系统的机器人系统架构

2.1移动式面板

　　移动式面板是用于机器人人机交互操作，如点动机器人，示教再现，动态显示和参数调试等，Mobile Panel的特点在于对于现场使用的机器人而言，多个机器人可共享一个面板，这样可以降低HMI的成本。
 Intel PXA 270 处理器
 256 MB DRAM
 128 MB Flash
 以太网接口
 USB 1.1接口

　　除此之外，该面板还有31个系统按钮用于操作，包括急停、操纵杆、钥匙开关，非常适合于机器人系统的应用特点，并且，采用Windows CE Embedded操作系统，具有较强的实时任务处理能力。

2.2 APC820工控机

2.2.1突破传统设计理念

　　传统的机器人均采用专用的控制系统硬件设计，然而传统的硬件系统具有开发周期长、系统扩展不易，并且软件编程不方便，这与传统的PLC无法处理如此复杂的CNC和机器人齐次方程库的算法有关，并且，另一方面，基于Windows架构的PC由于不具有实时性而无法处理实时任务，然而，随着硬件技术的发展这些问题在今天已经由通用的平台即可完成。

2.2.2运动控制与机器人处理

　　B&R的APC820是一个通用的PC硬件平台，它可同时运行Windows XP或Windows CE Embedded操作系统和AR(Automation Runtime)实时操作系统，将复杂的图形画面任务由Windows处理，而将路径规划、轴控制任务由AR来处理。

2.2.3高鲁棒性设计

　　从硬件设计本身而言，APC820遵循严格工业标准而设计，无风扇和无旋转部件设计，并且内部无电缆连接而全部采用接插件连接方式，这样可以保证机器具有高鲁棒性特点。

2.2.4紧凑型设计

　　同时，APC820是与ACOPOSmulti伺服驱动器具有相同的安装尺寸和规格的，这使得它无需额外的安装机架，其尺寸设计与ACOPOSmulti的46mm宽度相同，直接安装在系统的最左侧，与驱动系统融为一体，并通过高速实时以太网Ethernet POWERLINK来连接。

2.3伺服驱动器与伺服电机

　　伺服驱动器采用的是贝加莱公司最新开发的智能型ACOPOSMulti驱动器，具有尺寸紧凑，模块化结构，一个驱动器可以带两个伺服电机等特点；伺服电机选择的是贝加莱公司设计的高精度，高动态响应，带有多圈绝对式编码器的同步伺服电机。

2.4实时以太网Ethernet POWERLINK

　　机器人系统是一个对于网络的实时性要求非常高的应用,奇瑞机器人系统需要在生产现场实现高速、高精度的焊接加工，如果机器人的响应速度较慢的话则无法满足快速的汽车生产需求，而为了加快生产速度和保障加工质量，必须降低控制任务的循环周期。
△S=△V*△t
△S-加工精度
△V-加工速度
△t-循环时间

　　若我们想提高加工速度又想提升加工精度，从控制角度分析而言，我们只有降低△t-即系统的循环时间，而基于总线的控制技术则需要由总线的刷新周期来配合控制系统的刷新周期，Ethernet POWERLINK是该系统采用的总线连接，POWERLINK是一个100Mbps传输速率的高性能网络，具有高实时性，其系统同步时间为0.1uS,抖动远小于1uS，通过直接交叉通信，可以实现轴与轴之间的直接通信，从而提高系统的响应能力。

2.5控制系统先进性

　　由于工控机APC820提供强大的运算能力以及通过高速实时以太网POWERLINK（100Mbps）连接工控机与伺服驱动器，使得能够实现复杂的运动控制算法对伺服电机的集中式控制，并且能够实现一台工控机对多台6轴机器人的控制。
贝加莱的软件开发平台Automation Studio集成有标准的关节型机器人运动功能模块，使得用户开发和调试机器人软件的时间大为缩短。系统具有很强的可扩展性，APC820可以通过接口卡方便地连接Ethernet、 POWERLINK、 ProfiBus、DeviceNet、CANOpen、 Modbus等主流现场总线模块。由于系统硬件模块少，电气布置简单，连线少，一方面减少了电控柜的体积，另一方面使得电气系统的可靠性得到了提高。

3. 系统软件设计

3.1机器人技术-TRF_Lib库支持

　　机器人技术是由齐次转换库作为核心的，是在CNC基础之上的一个应用，对于六自由度机器人系统，通过将X,Y,Z,Pitch,Yaw,Roll的各机器人轴转换为CNC的轴控制，此转换过程为一个多变量系统的耦合和解耦问题，通过傅立叶变换，将非实域的轴参数转换为在实域中的参数，因此，这个运动学转换库Transfomer对于不同的机器人类型是不同的，B&R的系统可支持14种不同的机器人类型，如SCARA,Tripod,也包括奇瑞所使用全关节型6自由度机器人。

图3 机器人系统框架图

3.2系统软件架构设计

　　控制系统软件主要分为人机界面与下位机两部分。机器人系统软件架构如图4 所示

 

图4  机器人系统软件架构图

3.2.1人机界面设计功能

（1）主页面

图5 主画面

　　主界面主要是机器人处于工作状态时的界面，该页面的主要功能是执行程序，机器人进入工作状态。可以进行中英文界面切换。主界面如图5所示。

（2）设置页面功能设计
 编码器清零
 管理示教点位置
 工具参数设置
 密码修改
 I/O界面监控，可对I/O进行强制操作。
（3）文件管理功能

图6 文件管理画面

 创建新的程序
 程序复制
 文件删除
 程序加载
（4）程序界面
 程序的编辑
 点的示教操作
 程序的试运行
（5）Move界面
在该界面，对机器人进行点动操作，其可实现包括：
 机器人坐标系的选择
 设置机器人点动速度
 实时显示六个轴的位置状态

图7 奇瑞机器人的Move画面

（6）报警画面
 当前报警的清除
 历史报警查询
（7）可视化的I/O维护界面
　　对于奇瑞的机器人系统，为了提高系统维护方面的简便性，结合B&R X20系列本身所具有的可视功能，对每个I/O点进行监控，当出现问题时，系统可自动显示故障点所在，给予现场维护人员直接的技术支持，及时的进行处理。

图8  可视化的I/O维护界面

3.3力矩前馈控制技术

　　在机器人系统中普遍存在的问题就是当机器处于高速运行，并运行范围较大时，则出现振动和运行轨迹偏差较大的现象，借助于B&R系统所具有的强大功能，工程师们对机器人系统进行了仿真分析，对影响抖动和轨迹偏差的因素进行仿真实现，调整控制参数来实现机器人系统的抖动降低和偏差问题。

　　通过MATLAB/Simulink对机器人系统进行建模，对机器人的各个运动轴过程中的耦合过程进行分析，寻找影响系统抖动的因素，并通过力矩的前馈算法设计，对这些轴耦合过程中的偏差和抖动进行补偿设计，基于建模的MATLAB/Simulink建模后，其可通过Stateflow Workshop 等工具自动生成代码，这些代码可以直接导入到B&R Automation Studio上可以直接运行，这样可以实现从仿真到硬件在环测试(Hardware In the Loop)的直接运行。

　　力矩前馈控制技术是目前最先进的解决机器人运动过程中的抖动和偏差的方案，借助控制系统的强大能力，得以在奇瑞的机器人上实现，取得了非常明显的效果。

4. 结论

　　工业机器人作为现代制造业主要的自动化装备之一，使焊接自动化取得了革命性进步，在提升企业技术水平，稳定产品质量，提高生产效率，实现文明生产等方面具有重大作用。 这些年，随着国内汽车制造业的迅猛发展， 机器人技术作为先进制造技术的主要手段得以广泛应用。借助于POWERLINK通信技术、智能型的ACOPOSMulti驱动器、高性能的APC820工控机以及多平台性能的Automation Studio软件开发工具，使得基于贝加莱系统开发的这款机器人整体性能达到国际领先水平，这是一个非常具有竞争力的产品设计。