藉助於POWERLINK通信技術、ACOPOSMulti驅動器、APC820工控機以及Automation Studio軟體開發工具，奇瑞汽車股份有限公司自主研發了基於貝加萊控制系統的大負載工業機器人。本文講解了該機器人的機械系統組成、控制系統的硬體結構和軟體架構，並對系統技術特點與優勢進行了論述。
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商之一。目前，奇瑞公司已具備年產整車90萬輛、發動機65萬台和變速箱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，目前已完成基於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、系統軟體三部分組成。
1. 機械系統
1.1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
1.2機器人的性能參數
基於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。
表1機器人性能參數表
2. 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：
2.5控制系統先進性
由於工控機APC820提供強大的運算能力以及通過高速實時乙太網POWERLINK（100Mbps）連接工控機與伺服驅動器，使得能夠實現複雜的運動控制演算法對伺服電機的集中式控制，並且能夠實現一台工控機對多台6軸機器人的控制。
貝加萊的軟體開發平台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體的時間大為縮短。系統具有很強的可擴展性，APC820可以通過介面卡方便地連接Ethernet、 POWERLINK、 Profibus、DeviceNet、CANOpen、 Modbus等主流現場匯流排模塊。由於系統硬體模塊少，電氣布置簡單，連線少，一方面減少了電控櫃的體積，另一方面使得電氣系統的可靠性得到了提高。
3. 系統軟體設計
3.1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，對於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數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對於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。
圖3 機器人系統框架圖
3.2系統軟體架構設計
控制系統軟體主要分為人機界面與下位機兩部分。機器人系統軟體架構如圖4 所示
圖4 機器人系統軟體架構圖
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於工作狀態時的界面，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。
（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
圖6 文件管理畫面
創建新的程序?
程序複製?
文件刪除?
程序載入?
（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
對於奇瑞的機器人系統，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
3.3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於高速運行，並運行範圍較大時，則出現振動和運行軌跡偏差較大的現象，藉助於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模擬分析，對影響抖動和軌跡偏差的因素進行模擬實現，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，並通過力矩的前饋演算法設計，對這些軸耦合過程中的偏差和抖動進行補償設計，基於建模的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，這樣可以實現從模擬到硬體在環測試(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，藉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。
4. 結論
工業機器人作為現代製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，隨著國內汽車製造業的迅猛發展， 機器人技術作為先進位造技術的主要手段得以廣泛應用。藉助於POWERLINK通信技術、智能型的ACOPOSMulti驅動器、高性能的APC820工控機以及多平台性能的Automation Studio軟體開發工具，
