ABB的解決方案

ABB一直都在不斷地研究和開發(fā)機(jī)器人應(yīng)用的新技術(shù)，有一部分研究活動(dòng)是與大學(xué)進(jìn)行合作的，其中一項(xiàng)是ABB的科學(xué)家和工程師同美國俄亥俄州的Case Western Reserve大學(xué)和瑞典的Lund大學(xué)的研究人員合作在ABB目前的S4Cp1us機(jī)器人控制器的基礎(chǔ)上共同開發(fā)一個(gè)新型的力量/位置混合平臺(tái)。與此同時(shí)，這個(gè)研究組還開始同福特汽車公司開展合作研究，以便了解更多的有關(guān)應(yīng)用方面的特殊要求和知識(shí)。目前，這個(gè)項(xiàng)目在以力控制為基礎(chǔ)的裝配應(yīng)用方面已經(jīng)形成了一個(gè)解決方案。

這項(xiàng)工作的最終成果是開發(fā)出一個(gè)總體解決方案，它能使ABB的機(jī)器人既具有“感覺”又堅(jiān)強(qiáng)有力，更為重要的是，獲得這種新的感覺功能不會(huì)使機(jī)器人現(xiàn)有的能力或功能受到影響，比如ABB機(jī)器人的能快速控制加速度的先進(jìn)性、通信能力強(qiáng)和可靠性高等卓越的功能特點(diǎn)全都被保留了下來。

這項(xiàng)技術(shù)最初是在IRB4400 IRB6400機(jī)器人上進(jìn)行試驗(yàn)的，其有效負(fù)載范圍為30～200kg，用于裝配汽車動(dòng)力總成的不同零件。這些工作是比較復(fù)雜的，其中包括向前插入離合器的盤殼和F/N液力變矩器的裝配。所有試驗(yàn)都一致證明了這兩款機(jī)器人在循環(huán)時(shí)間、可接受的插入力、可靠性和便于編程等方面具有優(yōu)異的性能。

位和力的和諧控制

目前，機(jī)器人的快速運(yùn)動(dòng)已達(dá)到了人們可以接受的程度，但要保證接觸的穩(wěn)定性卻依然是一個(gè)問題。雖然人們已經(jīng)對(duì)很多有前途的智能控制方法進(jìn)行過研究，但是，采用慢慢地不斷施加力的方法來對(duì)位置進(jìn)行控制，其效果與性能大多數(shù)還是不太好。

阻抗和導(dǎo)納的概念也有助于理解機(jī)器人的力控制（力和速度的關(guān)系非常重要，阻抗被定義為力除以速度，而導(dǎo)納則是它的倒數(shù)。在力控制中，“導(dǎo)納”是作為在穩(wěn)定性和性能方面了解系統(tǒng)行為的一種方法）。沿著每個(gè)自由度，在兩個(gè)或更多的物理系統(tǒng)之間的瞬時(shí)能流通量（power flow）可以定義為兩個(gè)共軛變量〔作用力/力和流量/速度〕的乘積，但是，這里有一個(gè)明顯的物理制約，那就是一個(gè)系統(tǒng)不能確定兩個(gè)變量。一個(gè)機(jī)械手可以沿著任何一個(gè)自由度對(duì)它的外界物體施加一個(gè)力或一個(gè)位移或速度，但不能兩者都兼顧到，因此，一個(gè)裝配機(jī)器人應(yīng)該有導(dǎo)納的特性，可以接受力（輸入）并產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)（輸出），這可以理解為：在裝配時(shí)一旦感覺到有接觸力，機(jī)器人就應(yīng)該按照控制的規(guī)則來改變其運(yùn)動(dòng)，接觸力不會(huì)繼續(xù)增加。

以可能實(shí)現(xiàn)的最大無源導(dǎo)納的概念為基礎(chǔ)，ABB的工程師已構(gòu)思出智能的控制方法，可以與現(xiàn)有先進(jìn)的位控制方法實(shí)現(xiàn)無縫集成，并保證在大多數(shù)普通生產(chǎn)環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的、輕柔的接觸。這種設(shè)計(jì)還能保證在力控制方式 和位控制方式兩者之間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。

性能優(yōu)越，工作可靠

在汽車工業(yè)中，對(duì)先進(jìn)的力控制器所進(jìn)行的試驗(yàn)已令人信服地證明：它具有提高循環(huán)時(shí)間和在不同裝配作業(yè)中靈活應(yīng)用的能力。在離合器裝配的例子中，安裝了IRB4400機(jī)器人的工作單元把部件插入的時(shí)間平均只需要5.7s（如果用手工裝配，插入時(shí)間一般需要15～20s），最初接觸時(shí)的反作用力小于100N，在裝配時(shí)小于80N。另一個(gè)例子是F/N液力變矩器的裝配，平均需要時(shí)間6.98s，接觸力限制在200N。值得注意的是，該裝配過程允許的定位誤差僅為±2mm。ABB的S4Cplus機(jī)器人控制器受到整個(gè)制造工業(yè)的稱贊，因?yàn)樗目煽啃允箼C(jī)器人能夠表現(xiàn)出很多優(yōu)越的性能。

力量加敏捷

很明顯，被裝配的零件越輕，施加一個(gè)較輕的接觸力就越容易，即使在手工裝配時(shí)也是這樣。當(dāng)裝配重的零件時(shí)，要使允許的接觸力小于零件的重量，并把零件移動(dòng)到設(shè)定的位置上就不那么容易了，因?yàn)檫@需要機(jī)械手抓住零件，克服重力，同時(shí)還要完成若干個(gè)裝配步驟，這種工作是錯(cuò)綜復(fù)雜而且很繁重的。

現(xiàn)在舉一個(gè)福特汽車裝配F/N液力變矩器殼體的例子。該殼體重量約25kg，殼體里面有一個(gè)雙花鍵的齒輪組，還要把一個(gè)齒輪泵插進(jìn)這個(gè)齒輪組里。齒輪泵的密封是很重要的，因此在插入時(shí)要非常小心，無論如何都要確保不能損壞，同時(shí)在內(nèi)部還必須裝上一根花鍵軸，這使裝配工作變得更加復(fù)雜。

為完成這項(xiàng)任務(wù)，ABB的機(jī)器人解決方案最終選擇了IRB6400機(jī)器人，這種機(jī)器人的有效負(fù)載能力為150kg，它能在無需幫助的情況下支撐零件的重量，并且不會(huì)出現(xiàn)任何額外有的接觸力。試驗(yàn)表明，IRB6400機(jī)器人能處理的總重量為75kg（包括零件、抓手和力傳感器的重量），而且仍然能把接觸力限制在200N以下。正如試驗(yàn)所證明的那樣，ABB機(jī)器人具有先進(jìn)的力控制裝置，能夠勝任非常精密的裝配工作，即使裝配一些重的零件也不成問題，因此適合于各種工業(yè)部門進(jìn)行裝配工作。

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