工業(yè)機器人基礎(chǔ)知識

1、1.工業(yè)機器人技術(shù)及關(guān)鍵基礎(chǔ)部件(1) 機器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件定義、分類及市場占有率；機器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件是指構(gòu)成機器人傳動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)， 對機器人性能起到關(guān)鍵影響作用，并具有通用性和模塊化的部件單元。機器人關(guān)鍵 基礎(chǔ)部件主要分成以下三部分：高精度機器人減速機，高性能交直流伺服電機和驅(qū) 動器，高性能機器人控制器等。U前在高精度機器人減速機方面，市場份額的7號均兩家日本減速機公司壟 斷，分別為提供RV擺線針輪減速機的日本Nabtesco和提供高性能諧波減速機的日 本Harmonic Drive.包括ABB, FANUC, KUKA, MOTOMAN在內(nèi)國際主流機器人廠商的 減速機均山以

2、上兩家公司提供，與國內(nèi)機器人公司選擇的通用機型有所不同的是， 國際主流機器人廠商均與上述兩家公司簽訂了戰(zhàn)略合作關(guān)系，提供的產(chǎn)品大部分為 在通用機型基礎(chǔ)上根據(jù)各廠商的特殊要求進行改進后的專用型號。國內(nèi)在高精度擺 線針輪減速機方面研究起步較晚，僅在部分院校，研究所有過相關(guān)研究。口前尚無 成熟產(chǎn)品應(yīng)用于工業(yè)機器人。近年來國內(nèi)部分廠商和院校開始致力高精度擺線針輪 減速機的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化研究，如浙江恒豐泰，重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗 室，天津減速機廠，秦川機床廠，大連鐵道學(xué)院等。在諧波減速機方面，國內(nèi)已有 可替代產(chǎn)品，如北京中技克美，北京諧波傳動所，但是相應(yīng)產(chǎn)品在輸入轉(zhuǎn)速，扭轉(zhuǎn) 高度，傳動精度和效率方

3、面與日本產(chǎn)品還存在不小的差距，在工業(yè)機器人上的成熟 應(yīng)用還剛剛起步。在伺服電機和驅(qū)動方面，U前歐系機器人的驅(qū)動部分主要山倫茨，Lust,博 世力士樂等公司提供，這些歐系電機及驅(qū)動部件過載能力，動態(tài)響應(yīng)好，驅(qū)動器開 放性強，且具有總線接口，但是價格昂貴。而日系品牌工業(yè)機器人關(guān)鍵部件主要由 安川，松下，三菱等公司提供，其價格相對降低，但是動態(tài)響應(yīng)能力較差，開放性 較差，且大部分只具備模擬量和脈沖控制方式。國內(nèi)近年來也開展了大功率交流永 磁同步電機及驅(qū)動部分基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京和利時，廣州 數(shù)控等單位，并且具備了一點的生產(chǎn)能力，但是其動態(tài)性能，開放性和可黑性還需 要更多的實際機器

4、人項目應(yīng)用進行驗證。在機器人控制器方面，口前國外主流機器人廠商的控制器均為在通用的多軸 運動控制器平臺基礎(chǔ)上進行自主研發(fā)。LI前通用的多軸控制器平臺主要分為以嵌入 式處理器（DSP, POWER PC）為核心的運動控制卡和以工控機加實時系統(tǒng)為核心的 軟PLC系統(tǒng)，其代表分別是Delta Tau的PMAC卡和Beckhoff的TwinCAT系統(tǒng)。國 內(nèi)的在運動控制卡方面，固高公司已經(jīng)開發(fā)出相應(yīng)成熟產(chǎn)品，但是在機器人上的應(yīng) 用還相對較少。（2）機器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件國內(nèi)外發(fā)展趨勢（技術(shù)、產(chǎn)業(yè)）：在機器人高精度諧波減速機方面，在其齒輪傳動中采用雙圓弧齒廓，可以有 效改善柔輪齒根的應(yīng)力狀況和傳動嚙合質(zhì)量，

5、提高承載能力、扭轉(zhuǎn)剛度和柔輪疲勞 壽命，并可降低最小傳動比。日本的IH齒形是基于余弦凸輪波發(fā)生器開發(fā)的雙圓 弧齒形，山于采用近似方法設(shè)計，應(yīng)用初期出現(xiàn)了齒廓干涉等問題，但是到1990 年代初期已經(jīng)基本完善?？谇?，日本諧波傳動系統(tǒng)有限公司的諧波產(chǎn)品有十兒個類 型，二十多個系列，最小傳動比為30,型號中帶有字母“S”的，其齒形為雙圓弧 齒形，產(chǎn)品壟斷了主要國際市場。其中超短杯型號CSD和SHD,其柔輪長度僅有常 規(guī)諧波傳動柔輪的1/3,既增加傳動剛度，乂大幅度減輕了諧波減速器重量。此 外，在諧波傳動輕量化技術(shù)方面，采用鋁等輕合金材料制造波發(fā)生器與減速器殼體 等方式，減薄剛輪外緣以及改進連接結(jié)構(gòu)等形

6、式，使整機重量大幅度減 輕。相比于諧波減速機，RV減速機具有更高的高度和回轉(zhuǎn)精度，忖前其發(fā)展方向是如何通過對內(nèi)部軸承的配置，材料和熱處理工藝的改進，增加減速機的扭 轉(zhuǎn)剛度，最大抗彎彎矩，以及提高在頻繁加減速等惡劣工況下的使用壽命。在機器人伺服電機和驅(qū)動器方面，機器人專用化的伺服電機和驅(qū)動器將成為 發(fā)展趨勢，即在普通通用伺服電機和驅(qū)動器的基礎(chǔ)上，根據(jù)機器人的高速，重載， 高精度等應(yīng)用要求，增加驅(qū)動器和電機的瞬時過載能力，增加驅(qū)動器的動態(tài)響應(yīng)能 力，驅(qū)動增加相應(yīng)的自定義算法接口單元，并且采用通用的高速通訊總線作為通訊 接口，摒棄原先的模擬量和脈沖方式，進一步提高控制品質(zhì)(如安川，松下，倫茨 等主流

7、伺服廠商以將EtherCAt總線作為下一代產(chǎn)品的總線標準)。同時，對于通 用型的伺服驅(qū)動器刪除兀余的通訊接口和功能模塊，簡化系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性， 并進一步降低成本。在機器人控制器和控制結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢方面，不僅要具有快速的響應(yīng)特性，較 高的跟蹤精度，而且應(yīng)該有良好的通用性和擴展性。采用傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)固有的缺點 逐漸暴露出來，例如III于配線過多，對系統(tǒng)進行調(diào)試及維修比較困難；采用基于模 擬信號的數(shù)據(jù)傳輸方式，系統(tǒng)的抗噪聲能力很差；由于控制器的模塊繁多，模塊之 間的連接復(fù)雜，而且相互制約，難以實現(xiàn)十兒個軸以上的同步協(xié)調(diào)運動控制；機器 人所采用的專用的封閉式體系結(jié)構(gòu)阻礙了機器人控制器的發(fā)展，滿足不了現(xiàn)

8、代工業(yè) 柔性化發(fā)展的要求。同時LI前的機器人控制智能型，交互性較差，操作安全性還有 待提高。因此機器人控制器的發(fā)展趨勢便現(xiàn)在兩個方面： 開放性的體系結(jié)構(gòu)：最早關(guān)于開放式控制器的研究源于美國。早在1981年，美國國防部為了減 少軍備制造對日本控制系統(tǒng)的依賴性，開始了名為“下一代控制器(NGC, Next Generation Controller) n的訃劃，并成立了美國國家制造科學(xué)中心(NCMS, National Center of Manufacturing Sciences),其主要 LI 的是擬訂并推進開放式 體系結(jié)構(gòu)的標準規(guī)范 SOSAS (Spec辻icdtion for an O

9、pen System Architecture Standard) 其后有許多相關(guān)的研究計劃在世界各國相繼啟動，其中比較重要，影 響較大的三項研究工作分別是美國的OMAC(Open Modular Architecture Controller),歐洲的 OSACA(Open System Architecture for Controls within Automation Systems), 以及 日本的 OSEC (Open System Environment Controller) o這些工程的SJ標是開發(fā)可以控制各種基于標準的自動化硬件平臺和 操作環(huán)境的機器人和工業(yè)自動化系統(tǒng)。開發(fā)

10、適用于機器人控制的通用軟件包，其應(yīng)用范圍從最底層的實時伺服控制、到智能傳感器處理，到高層人機交互，涉及機器 人控制的各個方面。 總線控制方式：在現(xiàn)場總線分布式結(jié)構(gòu)中，各種開關(guān)量、模擬量就近轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，所有 總線設(shè)備間均釆用數(shù)字信號進行通信，減小了傳輸誤差，提高了測量和控制精度。 現(xiàn)場總線的應(yīng)用使導(dǎo)線和連接附件大量減少，安裝、調(diào)試及維護的開銷大幅度下 降，并且使系統(tǒng)具有優(yōu)異的遠程監(jiān)控功能和故障診斷功能，提高了系統(tǒng)的可黑性。 現(xiàn)場總線還使系統(tǒng)硬件擴展更加方便，當控制軸數(shù)和10點數(shù)增加時，對系統(tǒng)的硬 件結(jié)構(gòu)沒有影響，便于系統(tǒng)的擴充和裁減。由于現(xiàn)場總線的協(xié)議是公開的，不同廠 商的設(shè)備只要符合相應(yīng)的

11、標準，就可以實現(xiàn)互聯(lián)、互換。H前國際上有60多種現(xiàn) 場總線形式，常用的有 Profibuss DeviceNet. CAN、CANOpen、SyqNet. SERCOS 和EtherCAT等。這點同時也是進行多機器人網(wǎng)絡(luò)化控制的基礎(chǔ)。 智能化和網(wǎng)絡(luò)化控制器的智能化和網(wǎng)絡(luò)化同樣是發(fā)展趨勢，未來的工業(yè)機器人應(yīng)該具有視 覺，觸覺，具有很強的人機交互能力和學(xué)習能力，因此需要控制器具有多傳感器信 息融合能力。同時，機器人之間可以任意組成網(wǎng)絡(luò)，完成多機器人協(xié)調(diào)控制，進一 步提高自動化和智能化程度。（3）機器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件（23個）技術(shù)指標的國內(nèi)外對比（表格）；表1主流交流伺服驅(qū)動驅(qū)動器技術(shù)指標與性能比較品

12、 牌松下（日系）安川（日系）倍福（AX2000,Danaher 代 工）（歐美倍福 （AX5000 貝 福自主研 發(fā)）（歐美倫茨（9400）（歐美系）DanaherKollmorgan（歐美系）系）系）功率 范 圉0. 057. 5 KW0.0515 KW0. 08IOKW0. 0820KW0. 2520KW0. 2515KW力 矩 特 性 曲 線低速（100rpm）保 持轉(zhuǎn)矩等于 額定轉(zhuǎn)矩， 低速恒扭矩低速 （100rpm） 保持轉(zhuǎn)矩等 于額定轉(zhuǎn) 矩，低速恒 扭矩低速 （100rpm） 保持轉(zhuǎn)矩大 于額定轉(zhuǎn)矩低速100rpm） 保持轉(zhuǎn)矩大 等于額定轉(zhuǎn) 矩低速 （100rpm）保 持轉(zhuǎn)矩大等于

13、 額定轉(zhuǎn)矩低速 （100rpm）保 持轉(zhuǎn)矩大等于 額定轉(zhuǎn)矩電 流 環(huán) 帶 寬未明確給出未明確給出3KHz3KHz3KHz34KHz速環(huán)帶寬小慣量標稱lKHz （空載）1.6KHz（空 載，EV型 驅(qū)動器）lKHzlKHzlKHz1. 52KHz總 線 接 口A4, A5系列 暫不支持總 線接口（僅 為脈沖+方 向,模擬 量） 部分產(chǎn)品支暫不支持總 線接口（僅 為脈沖+方 向，模擬 量） 部分產(chǎn)品 （IV型驅(qū)動EtherCAT（支持電流 等驅(qū)動器信 號實時采 集）EtherCAT（支持電流 等驅(qū)動器信 號實時采 集）CANopen/EtherCAT/Poweerink .DeviceNet 等

14、多種總線形式（支持電流等 驅(qū)動器信號實Synqnet 總線持 DeltaTau 的內(nèi)部總線器）支持Synqnet 總線時采集）振動 抑 制速度回路含 有陷波濾波 器，低通濾 波器，指令 平滑濾波， 編碼器信號 噪聲濾波 位置回路含 有半主動抑 振濾波器（輸入整形 濾波器）含有各種常規(guī)濾波器，速度波動較 小。動態(tài)響 應(yīng)能力強含有各種常 規(guī)濾波器含有各種常 規(guī)濾波器及 速度觀測器含有各種常規(guī)濾波器含有各種常規(guī)濾波器其他功 能位置回路的低頻振動主動抑制功能可以進行簡單 的位置回路PLC編程,脫離控制器工作優(yōu)點1在低剛度 情況下位置 回路振動主 動抑制效果 較好2價格成本 在進口電機 中最低動態(tài)響應(yīng)

15、能力在日系 產(chǎn)品中最 強，可與歐 美系產(chǎn)品媲 美2咼端產(chǎn)品 支持Syqnet 總線接口。1動態(tài)響應(yīng) 能力較強，2低速保持 力矩較高3支持EtherCAT 總 線接口4附屬功能 強大1動態(tài)響應(yīng) 能力強，2低速保持 力矩較高3支持EtherCAT 總 線接口，驅(qū) 動器信號實 時獲取1動態(tài)響應(yīng)能 力領(lǐng)先2功能強大，可以編程，脫 離控制器完成 控制（適合單 軸或多軸非耦 合控制場合）3支持總線接1動態(tài)響應(yīng)能 力領(lǐng)先2支持專用運 動控制總線方 式，驅(qū)動器信 號實時獲取可 以進行純力矩 模式控制4與TwinCAT 系 統(tǒng)兼容性 好，開發(fā)較 為靈活口，驅(qū)動器信 號實時獲取缺 點1驅(qū)動器動 態(tài)性能較差 2缺乏

16、總線 接口，驅(qū)動 器信號無法 實時釆集和 處理3進行動力 學(xué)補償算法 和電流前饋 時需要模擬 量輸出，信 號干擾較大 4無法進行 力矩控制模 式5低速保持 力矩較小1高性能產(chǎn) 品價格較 高，且不在 中國大陸出售1由于是委 扌 L Danaher 代工，價格 成本較高， 且冗余功能 較多2進行動力 學(xué)補償算法 和電流前饋 時信號更新 頻率較低(1kHz1相對于日 系產(chǎn)品價格 較高2存在一定 的冗余功能3位置模 式，速度模 式濾波器配 置方式和濾 波性能有待 提高4驅(qū)動器峰 值電流過載 能力較低， 只有兩倍1進行動力學(xué) 補償算法和電 流前饋時信號 更新頻率較低(1kHz)2無法進行力 矩控制模式3

17、驅(qū)動器功能 較復(fù)雜，冗余 功能較多 成本較高4與現(xiàn)有的具 仃 EtherCAT 接口(貝福 TwinCAT 系 統(tǒng))的控制器 存在一定接口 和兼容性問題1支持的總線 協(xié)議不公開2可選擇的控 制器單一，國 內(nèi)售后和 服務(wù)支持較弱3驅(qū)動器價格較高表2-1主流高精度諧波減速機性能比較諧波減速器品牌Harmon i eDr ive (日本)中技克美（中國）允許最高輸入轉(zhuǎn)速（r/ min）65003000額定扭矩（Nm,輸入2000r/min）2416傳動效率85%80%回差扭轉(zhuǎn)剛度(Nm/arc min)2. 940. 5872注：上表比較數(shù)據(jù)來自相近型號：HDCSF-17-100中技克美XB1-40

18、-100傳動效率測試工況：輸入轉(zhuǎn)速1000r/min,溫度40扭轉(zhuǎn)剛度測試條件：20%額定扭矩內(nèi)表2-2主流高精度擺線針輪減速機性能比較擺線針輪減速器品牌Nabtesco RV住友CYCLO國內(nèi)額定扭矩（Nm,輸出15r/min）980966尚無成熟的產(chǎn)品傳動效率85%70%回差扭轉(zhuǎn)剛度(Nm/arc min)510294重量19. 521注：上表比較數(shù)據(jù)來自相近型號:RV100CCYCLOF2CF-C35傳動效率測試工況：輸出轉(zhuǎn)速15r/min,額定扭矩表3主流多軸運動控制器性能比較設(shè) 備 項 目美國Delta Tau 公司美國Gail公司英國TRIO公司中國香港固高公司中國成都步進公司KE

19、BA公司PMAC2DMC-21X2/3MC206GH-800MPC07KeControl CP251/Z插補功 能三次樣條直線圓弧直線圓弧直線 圓弧 螺旋線直線圓弧直線圓弧全局坐標系和 工具坐標系下 的直線圓弧插 補伺服控制 功 能PID帶阻濾波 速度、加速 度前饋PID速度、加速度前饋PID帶阻濾波速度、加速度前饋PID帶阻濾波 速度、加速 度前饋PID帶阻濾波 速度、加速 度前饋力矩前饋CPU 個單CPU單CPU單CPU單CPU單CPUIntel Celeron700數(shù)最大制 軸 數(shù)888886聯(lián)動軸 數(shù)888886釆 樣 周 期1ms （含插補 與伺服軸刷 新，三軸聯(lián) 動）1ms （含插補 與伺服軸刷 新，三軸聯(lián) 動）1ms （含插補 與伺服軸刷 新，三軸聯(lián) 動）最快1ms結(jié)構(gòu)PCI總線，開 放式結(jié)構(gòu)， 允許PMAC2 解釋語言編 程PCI總線， 開放式結(jié) 構(gòu)，ASCH 編程獨立式結(jié)構(gòu) 類BASIC語 言編程PCI總線， 開放式結(jié) 構(gòu)，C語言 編程PCI總線， 開放式結(jié) 構(gòu)，C語言 編程獨立式結(jié)構(gòu)， sercos、EtherCAT 總線,IEC6U31-2編程安 全 性 能越程極限 速度極限 加速度極限 跟蹤誤差極 限伺服輸出極 限計時器極限越程