基于B&R控制系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人開發(fā)

摘 要：本文介紹了基于B&R（貝加萊）系統(tǒng)的機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)組成、控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件架構(gòu)，重點(diǎn)介紹了基于B&R（貝加萊）控制器而體現(xiàn)出的先進(jìn)性。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人 貝加萊 力矩前饋 TRF Automation Studio

中圖分類號：TN2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（b）-0009-02

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，隨著生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用數(shù)量也越來越多，為了降低生產(chǎn)成本，奇瑞公司從2007年開始自主研發(fā)工業(yè)機(jī)器人，目前已完成基于貝加萊控制器的第三代機(jī)器人的研發(fā)，下面就已開發(fā)的機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件三部分進(jìn)行分析。

1 機(jī)械系統(tǒng)

1.1 機(jī)械本體組成

機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)主要由機(jī)械本體和外圍結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。機(jī)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)主要由管線包和工具組成。

1.2 機(jī)械本體性能參數(shù)

機(jī)器人具有六個自由度，最大負(fù)載可達(dá)370公斤，該機(jī)器人也是我國自主研發(fā)的最先進(jìn)的大負(fù)載工業(yè)機(jī)器人，各項(xiàng)性能參數(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，具體參數(shù)如表1所示。

2 控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由四個部分組成：移動式面板（示教器），工控機(jī)，伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)。

2.1 移動式面板

移動式面板是用于機(jī)器人人機(jī)交互操作，如示教再現(xiàn)，動態(tài)顯示和參數(shù)調(diào)試等，本系統(tǒng)采用貝加萊Mobile Panel MP50移動式面板，該面板具有6.5英寸TFT真彩觸摸屏、Intel PXA 270處理器、256 MB DRAM、128 MB Flash等，操作系統(tǒng)為Windows CE實(shí)時操作系統(tǒng)。

2.2 工控機(jī)

工控機(jī)采用的是基于英特爾雙核處理器的高性能高可靠性的貝加萊工業(yè)計(jì)算機(jī)APC820，集分析運(yùn)算和運(yùn)動控制于一體。APC820是針對各種惡劣環(huán)境而設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)中不帶內(nèi)部電纜，為實(shí)現(xiàn)最高等級的抗振性和操作安全性提供了保障。

2.3 伺服驅(qū)動器與伺服電機(jī)

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(jī)等特點(diǎn)。伺服電機(jī)選擇的是貝加萊公司設(shè)計(jì)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(jī)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器人系統(tǒng)軟件架構(gòu)

機(jī)器人系統(tǒng)軟件主要基于貝加萊Automation Studio（AS）軟件工具開發(fā)，AS軟件提供可擴(kuò)展性、多平臺性能以及強(qiáng)大的靈活性，支持貝加萊全系列產(chǎn)品的控制、顯示、運(yùn)動控制及通信的開發(fā)。

控制系統(tǒng)軟件主要分為人機(jī)界面與下位機(jī)兩部分。機(jī)器人系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2 所示。

3.2 人機(jī)界面軟件功能

機(jī)器人的人機(jī)界面由主頁面、設(shè)置頁面、I/O、文件管理、程序編輯、Move、報警七個頁面組成。其中主界面主要是機(jī)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(jī)器人進(jìn)入工作狀態(tài)。設(shè)置界面主要功能是對軸的編碼器進(jìn)行清零、管理示教點(diǎn)的位置、工具參數(shù)設(shè)置、修改密碼等。Move頁面主要的功能是進(jìn)行點(diǎn)動機(jī)器人，設(shè)置點(diǎn)動機(jī)器人的速度，顯示六個軸的位置狀態(tài)。

3.3 下位機(jī)軟件功能

下位機(jī)軟件主要分為運(yùn)動控制、I/O處理、故障處理、基于模型的力距前饋控制四部分。

運(yùn)動控制主要處理機(jī)器人運(yùn)動學(xué)算法、邏輯控制程序以及運(yùn)動中需要的直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)等，已開發(fā)了CNC庫和TRF_Lib庫。CNC庫功能負(fù)責(zé)運(yùn)動規(guī)劃及插補(bǔ)，TRF_Lib庫功能負(fù)責(zé)正逆運(yùn)動學(xué)算法。

I/O處理和故障處理主要通過調(diào)用系統(tǒng)功能塊來完成I/O信號處理和故障處理。

力矩前饋控制對各軸之間的動態(tài)耦合進(jìn)行補(bǔ)償，解決了單純的位置控制造成的當(dāng)機(jī)器人以高速大范圍運(yùn)動時，控制效果不理想，如出現(xiàn)振動和軌跡偏差大等現(xiàn)象，工作機(jī)理如圖3所示。

4 系統(tǒng)先進(jìn)性

由于工控機(jī)APC820具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，并通過高速實(shí)時以太網(wǎng)PowerLink（100Mbps）連接工控機(jī)與伺服驅(qū)動器，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動控制算法對伺服電機(jī)的集中式控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一臺工控機(jī)對多臺6軸機(jī)器人的控制。

貝加萊的軟件開發(fā)平臺AS集成有標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動功能模塊，使得用戶開發(fā)和調(diào)試機(jī)器人軟件的時間大為縮短。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，APC820通過X2X總線接口可以方便地連接Ethernet、Powerlink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，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。系統(tǒng)支持VNC，webserver和moderm等遠(yuǎn)程維護(hù)和診斷功能，ACOPOSMulti驅(qū)動器還具有能實(shí)現(xiàn)能源再生功能，這些為機(jī)器人控制系統(tǒng)向智能化，安全，節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展提供了空間。

5 結(jié)論

工業(yè)機(jī)器人作為現(xiàn)代制造業(yè)主要的自動化裝備之一已以廣泛應(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(jī)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(jī)器人整體性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

參考文獻(xiàn)

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

[2]蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].清華大學(xué)出版社，2009.