ABB用于汽车动力总成的装配工业机器人方案
发布时间：2022年01月14日
ABB的解决方案
ABB一直都在不断地研究和开发机器人应用的新技术，有一部分研究活动是与大学进行合作的，其中一项是ABB的科学家和工程师同美国俄亥俄州的Case Western Reserve大学和瑞典的Lund大学的研究人员合作在ABB目前的S4Cp1us机器人控制器的基础上共同开发一个新型的力量/位置混合平台。与此同时，这个研究组还开始同福特汽车公司开展合作研究，以便了解更多的有关应用方面的特殊要求和知识。目前，这个项目在以力控制为基础的装配应用方面已经形成了一个解决方案。
这项工作的最终成果是开发出一个总体解决方案，它能使ABB的机器人既具有“感觉”又坚强有力，更为重要的是，获得这种新的感觉功能不会使机器人现有的能力或功能受到影响，比如ABB机器人的能快速控制加速度的先进性、通信能力强和可靠性高等卓越的功能特点全都被保留了下来。
这项技术最初是在IRB4400 IRB6400机器人上进行试验的，其有效负载范围为30～200kg，用于装配汽车动力总成的不同零件。这些工作是比较复杂的，其中包括向前插入离合器的盘壳和F/N液力变矩器的装配。所有试验都一致证明了这两款机器人在循环时间、可接受的插入力、可靠性和便于编程等方面具有优异的性能。
位和力的和谐控制
目前，机器人的快速运动已达到了人们可以接受的程度，但要保证接触的稳定性却依然是一个问题。虽然人们已经对很多有前途的智能控制方法进行过研究，但是，采用慢慢地不断施加力的方法来对位置进行控制，其效果与性能大多数还是不太好。
阻抗和导纳的概念也有助于理解机器人的力控制（力和速度的关系非常重要，阻抗被定义为力除以速度，而导纳则是它的倒数。在力控制中，“导纳”是作为在稳定性和性能方面了解系统行为的一种方法）。沿着每个自由度，在两个或更多的物理系统之间的瞬时能流通量（power flow）可以定义为两个共轭变量〔作用力/力和流量/速度〕的乘积，但是，这里有一个明显的物理制约，那就是一个系统不能确定两个变量。一个机械手可以沿着任何一个自由度对它的外界物体施加一个力或一个位移或速度，但不能两者都兼顾到，因此，一个装配机器人应该有导纳的特性，可以接受力（输入）并产生运动（输出），这可以理解为：在装配时一旦感觉到有接触力，机器人就应该按照控制的规则来改变其运动，接触力不会继续增加。
以可能实现的最大无源导纳的概念为基础，ABB的工程师已构思出智能的控制方法，可以与现有先进的位控制方法实现无缝集成，并保证在大多数普通生产环境下能够实现稳定的、轻柔的接触。这种设计还能保证在力控制方式 和位控制方式两者之间的平稳转换。
性能优越，工作可靠
在汽车工业中，对先进的力控制器所进行的试验已令人信服地证明：它具有提高循环时间和在不同装配作业中灵活应用的能力。在离合器装配的例子中，安装了IRB4400机器人的工作单元把部件插入的时间平均只需要5.7s（如果用手工装配，插入时间一般需要15～20s），最初接触时的反作用力小于100N，在装配时小于80N。另一个例子是F/N液力变矩器的装配，平均需要时间6.98s，接触力限制在200N。值得注意的是，该装配过程允许的定位误差仅为±2mm。ABB的S4Cplus机器人控制器受到整个制造工业的称赞，因为它的可靠性使机器人能够表现出很多优越的性能。
力量加敏捷
很明显，被装配的零件越轻，施加一个较轻的接触力就越容易，即使在手工装配时也是这样。当装配重的零件时，要使允许的接触力小于零件的重量，并把零件移动到设定的位置上就不那么容易了，因为这需要机械手抓住零件，克服重力，同时还要完成若干个装配步骤，这种工作是错综复杂而且很繁重的。
现在举一个福特汽车装配F/N液力变矩器壳体的例子。该壳体重量约25kg，壳体里面有一个双花键的齿轮组，还要把一个齿轮泵插进这个齿轮组里。齿轮泵的密封是很重要的，因此在插入时要非常小心，无论如何都要确保不能损坏，同时在内部还必须装上一根花键轴，这使装配工作变得更加复杂。
为完成这项任务，ABB的机器人解决方案最终选择了IRB6400机器人，这种机器人的有效负载能力为150kg，它能在无需帮助的情况下支撑零件的重量，并且不会出现任何额外有的接触力。试验表明，IRB6400机器人能处理的总重量为75kg（包括零件、抓手和力传感器的重量），而且仍然能把接触力限制在200N以下。正如试验所证明的那样，ABB机器人具有先进的力控制装置，能够胜任非常精密的装配工作，即使装配一些重的零件也不成问题，因此适合于各种工业部门进行装配工作。
