动力总成车间里的压装机器人

路边

在上海通用动力总厂里，两台COMAU机器人位于发动机缸盖线上的OP80工位处，用于压装导管和座圈。缸盖线布局为H型，左右两边均为复线，中间三台设备为单线。COMAU机器人正好是其中之一，是重中之重，处于瓶颈位置。

结构特点

COMAU机器人与传统意义上的串联机器人有所不同，属于串并联混合型机器人，或者称为球面3自由度并联机器人。它一共有6个自由度，上面3个自由度是简化的STEWART平台，这是一个3-TPR并联结构，用3根可以自由伸缩的支杆将上下两个平台联结而成。下面3个自由度由3个旋转轴串联而成，分别是小臂、腕部和手部，可以构成一个球面工作空间。这样，上下两个平面各三个自由度加在一起，整个机械手就可以在三维空间内作任意方向的移动，绕任何方向转动。

图：Comau 机器人控制系统的结构

COMAU机器人的这种特殊结构令人惊奇地综合了串并联机器人的所有优点。具体表现在以下四个方面：

首先，由于同时由3根杆支撑，与串联的悬臂梁相比刚度大了很多，而且结构稳定，承载能力高。

第二，单纯的串联式末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大，误差大且精度低；而并联式不存在这样的积累和放大，误差小且精度高。

第三，在位置的求解上，串联机构正解容易，反解十分困难；而并联机构正解困难反解非常容易。由于机器人的在线实时计算要计算反解，并联机构的引入使之实现变得容易。

第四，单纯的并联机构活动空间不大，也没有串联机构灵活，但由于下平面三个串联轴的引入，使之工作空间得以扩大。因此，COMAU机器人特别适合完成高强度、高精度和复杂空间位置的任务，而导管和座圈的压装恰恰如此。

导管、座圈与缸盖孔是过盈配合，且压深行程长，为了达到规定深度，机器人终点瞬间压力需达到上千公斤。这几乎相当于直接冲撞，若没有并联机构的强刚度支撑，其后果是难以想象的。其次，位置误差大小也直接影响压力大小和压装质量，而精度高正是并联机构的优点之一。另外，V6发动机缸盖孔复杂的空间角在COMAU机器人球面三自由度构成的欧拉坐标系中变得异常简单。

由于COMAU机器人的引入使得多种类型工件的共线加工成为了可能，从而实现了生产柔性化。

控制系统

Comau 机器人控制系统的结构是现代工业控制结构的典型体现。如图所示，Comau 机器人控制系统由人机界面HMI、机器人控制器C3G901、可编程控制器PLC、远程输入输出模块FIELD CONTROL和压力位移监控系统SCIEMETRIC组成。

1、人机界面HMI

HMI用来监控工位操作、实现手动操作、实现压装工序旁路和故障诊断。它是由具有状态信息模板的6幅屏幕以及控制工位操作的操作按钮组成。其硬件是来自GE的基于PC平台的工控机，带有10.4in的液晶触摸屏，操作人员可以通过直接用手点击屏幕上的功能按钮进行操作，由此取代了传统的按钮密集型操作面板。

人机界面的编程采用了功能强大的GE CIMPLICITY，编程风格类似于VISUAL BASIC。图形对象、事件驱动、完整的图形库、成熟的报警系统、新颖的动画特效，使其界面编制变得简单而丰富。同时提供了各种接口协议，如ETHENET、RS232、GENIUS等，非常方便地实现了与PLC内部数据的映射。

本系统采用RS232协议实现了HMI与PLC之间的控制指令、动作执行状态、报警信息的传递。

2、可编程逻辑控制器PLC和远程I/O

PLC采用GE FANUC 9030系列CPU351，适用于高性能、大容量的复杂应用，采用梯形图和C语言进行编程。该控制器有两个故障表，用于监控和记录CPU及I/O的系统操作。它的主要功能是控制机器人的外围设备，如转台、润滑系统、液压系统、气动系统等。由于两台机器人布局比较大、控制距离较远，所以采用了远程I/O和本地I/O模块结合的方式。

远程I/O为FIELD CONTROL，也称为总线接口模块BIU，它与PLC机架上的一块PROFIBUS主模块构成了一个PROFIBUS主从通信链路。PROFIBUS协议是SIEMENS提出的用于工业现场实时通讯的接口规范，只要在主从模块定义好各自的映射区间，PLC可以通过PROFIBUS实时地获取各个执行动作的状态（输入）和及时发出控制指令（输出）。另一个PROFIBUS回路是建立在PLC和ROBOT之间，用于传送机器人的位置指令、实时状态和位置反馈，这些信息又通过RS232传送到HMI用于当前状态显示。

由于ROBOT的位置指令和位置状态对工件加工和机床安全十分重要，在程序中还采用了传统的握手通讯的确认方法以保证数据传输的有效性。

3、机器人控制器C3G901

机器人控制器C3G901是COMAU针对TRICEPT三轴并联结构的机器人开发出的一套控制平台，其硬件部分也是采取的中央控制器加伺服放大器这种传统的控制结构，最多可以控制8根轴。本系统只使用了6根轴，3根为直线轴，3根为旋转轴。

为了实时插补计算，本系统专门增加了一个SCC模块用于实时位置采样、位置误差计算。位置环采样半闭环，由伺服马达自带的旋变器提供位置信息。控制程序由基于PASCAL 语言的PDL编制，主要由4个程序组成，分别是PROG_1、PLC_I、ECHO、EZ_ULIB。PROG_1是主程序用来控制ROBOT的动作次序；PLC_I和ECHO用来实现与PLC和SCIEMETRIC的数据传输；EZ_ULIB类似于功能函数库，存储了大量的公用子程序，机器人运动轨迹关键点位置和用户坐标系的定义。

4、压力位移在线监控系统SCIEMETRIC

SCIEMETRIC是来自加拿大著名的实时数据采样与处理系统，这里用来实时高速采集ROBOT压装导管和座圈时的压力和位移。根据预先设定的组合条件（压力或位移的停止值）发出停止指令，通过一个高速响应接口传送到机器人控制器，使ROBOT立即停止动作，并且对采集数据进行合成，通过积分、微分等方式，从压力大小、位移大小、所作的功、压力突变的拐点和拐点到停止值之间的距离等五个方面综合评估此次压装质量的好坏。评估结果通过数字I/O直接发给ROBOT，再由ROBOT通过PROFIBUS传递给PLC，PLC由RS232传给HMI作压装结果的显示。

结束语

COMAU正是依靠上述先进的控制系统实现了对其独特的串并混合型机械本体的精确控制，从而诞生出世界上第一台高柔性导管座圈压装机器人。相比传统的液氮冷压工艺和液压专用压机，此机器人不仅给导管座圈装配工艺带来了质的飞跃，也使得柔性化生产成为可能。 同时，也为机器人在装配领域中的应用开辟了一片新天地。