0．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。
1. 機械系統(tǒng)
1.1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
1.2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)的大負載工業(yè)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(fā)的最先進的大負載工業(yè)機器人之一，各項性能參數(shù)達到國際先進水平，具體參數(shù)如表1所示。
表1機器人性能參數(shù)表
2. 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)
2.1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。
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個系統(tǒng)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(tǒng)的應用特點，并且，采用Windows CE Embedded操作系統(tǒng)，具有較強的實時任務處理能力。
2.2 APC820工控機
2.2.1突破傳統(tǒng)設計理念
傳統(tǒng)的機器人均采用專用的控制系統(tǒng)硬件設計，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(gòu)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(fā)展這些問題在今天已經(jīng)由通用的平臺即可完成。
2.2.2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)，將復雜的圖形畫面任務由Windows處理，而將路徑規(guī)劃、軸控制任務由AR來處理。
2.2.3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，無風扇和無旋轉(zhuǎn)部件設計，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。
2.2.4緊湊型設計
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。
2.3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計的高精度，高動態(tài)響應，帶有多圈絕對式編碼器的同步伺服電機。
2.4實時以太網(wǎng)Ethernet POWERLINK
機器人系統(tǒng)是一個對于網(wǎng)絡的實時性要求非常高的應用,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，具有高實時性，其系統(tǒng)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(xiàn)軸與軸之間的直接通信，從而提高系統(tǒng)的響應能力。
2.5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集成有標準的關節(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。
3. 系統(tǒng)軟件設計
3.1機器人技術-TRF_Lib庫支持
機器人技術是由齊次轉(zhuǎn)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(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節(jié)型6自由度機器人。
圖3 機器人系統(tǒng)框架圖
3.2系統(tǒng)軟件架構(gòu)設計
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
3.2.1人機界面設計功能
（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)。可以進行中英文界面切換。主界面如圖5所示。
（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(shù)設置
密碼修改
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
創(chuàng)建新的程序
程序復制
文件刪除
程序加載
（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(xiàn)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(tài)
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(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支持，及時的進行處理。
圖8 可視化的I/O維護界面
3.3力矩前饋控制技術
在機器人系統(tǒng)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(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(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。
4. 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(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到國際領先水平，這是一個非常具有競爭力的產(chǎn)品設計。
