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智慧引导下的系统创新——工業機器人用先进伺服系统的关键技术的发展趋势
2015-05-08 14:27:58已阅读1453

工業機器人核心零部件的集成不是一般意义上的搭配或者简单组合,而是从零部件级到系统级、自底向上的层层融合与扩展。集成可分为六个层次——第一层次:零部件内在品质提高,各自具备更高性能和通用性;第二层次:零部件彼此最佳适配,达到最好的配合性能;第三层次:零部件机电一体化耦合,彼此融为一体,性能优化;第四层次:集成优化和再工业设计,达到机械、电气、控制和能效方面的协调;第五层次:系统扩展和创新设计,采用突破性技术、融合更多技术元素、形成更多特色方案;第六层次:大数据和预测性健康管理。目前国内还处在第一层次,唯有实现了这样的多层次集成,才能有效支撑工業機器人的发展并符合未来智慧工厂的需要。【機床柔性生産解決方案 在线看日本免费不卡资源  網址:www.vtrobot.com

 

 

  先進伺服系統的要求

  智慧工廠成爲未來制造業轉型升級的大方向。機器人用伺服系統作爲自動化裝備的核心,要能夠全面滿足智慧工廠建設的需要。除滿足一定的運行性能,穩定可靠、價格合理,還需要進行全面的産品生命周期管理,進行一定程度的功能集成,具備工業以太網通信功能,具備高級別的能效管理,集成物理、功能、信息安全功能,其系統搭建需使用高水平的平台軟件以滿足架構性能和可移植性,其軟硬件設計也須符合國際標准和規範。

  机器人用先进伺服系统首要的是满足当今主流工業機器人的主要性能指标,通常包括负荷范围、运动范围、精度(重复定位精度、重复轨迹精度)、速度(最大单轴速度、位置稳定时间)、稳定性(位置跟随误差、振动抑制)、功能安全等等。

  为保证在未来持续为机器人系统提供有效的支持,机器人用伺服系统还需符合工業機器人的发展趋势,如绿色化、可人机协作、高能效等等。【機床柔性生産解決方案 在线看日本免费不卡资源  網址:www.vtrobot.com

  關鍵技術的表現

  工業機器人的工作表现受伺服系统影响极大,因而交流伺服系统的关键性能指标永远都是先进性比较的首要因素。在下面这些指标中,不同的应用有着不同的考核重点,如位置分辨率,精度(速度、位置),系统稳定性,动态响应(速度,力矩),调速范围,转矩脉动,过载能力,控制环带宽,负载惯量适应性,电机参数适用性等。国外先进伺服系统已经能够很好地适应绝大多数应用的需求,其研发资源集中在个别高端应用及整体性能提升方面,处于精雕细刻阶段。国内厂家的产品很多基本要求尚未达到,还需努力追赶,任重道远。【機床柔性生産解決方案 在线看日本免费不卡资源  網址:www.vtrobot.com

  概括地說,先進伺服系統的關鍵技主要表現在以下幾個方面。

  功能 功能性的變化是産品實現差異化的重要方式。隨著核心處理芯片和軟件能力的提高,現代交流伺服系統普遍在人機工程、安全性、智能性等方面增加特色。和通常需要很多參數設定的傳統多功能、通用化産品相比,最大限度地簡化操作,用智能化軟件提高易用性,追求簡潔的外觀和簡潔的操作界面,成爲一種潮流。在接口功能方面,常規的脈沖串和模擬量接口將逐步消失,代之以數字化串行網絡接口,RS485/Modbus已經淡出,CAN總線成爲中低端標准接口,其他各種現場總線將逐漸爲高性能工業以太網取代。對各種第三方編碼器的支持也是必須的;驅動器內置的保護功能將更加完善,對內部電氣應力和熱應力的測量也不再僅僅用于關鍵時刻的保護,而更多用于預測性維護、診斷和功能安全用途,以最大限度減少停機時間,提高生産率。針對非機器人應用,如包裝機械、機床等,不少歐、美、日系的控制器/驅動器早已集成了各種運動控制功能,如電子凸輪、電子齒輪、多段速度設定、指令平滑、同步跟蹤、插補運動、自測零位、瞬態轉速觀測等,並在其他種類的功能上各具特色,百花齊放。而國內廠商的産品尚未形成各自的特色優勢。

  安全 安全集成驅動已經成爲國外先進伺服系統的標准配置,區別只是集成了多少個安全功能,以及是否可選。關于安全驅動的例子可以在西門子、倍福、Lenze、包米樂等許多歐洲公司産品上見到,最近日本公司的個別産品也開始提供基本的安全功能比如安全轉矩截止(STO)。對大多數國內廠商來說,安全似乎還沒有提上日程。就安全技術領域而言,驅動的安全性已經從機械安全和電氣安全的階段,走向功能安全和網絡安全。在安全上率先發力的公司將贏得理念和市場的領先。

  能效 對機器人用伺服系統來說,能效已經是必須不斷得到提高的關鍵指標。其中電機本體的高效化早已被大家所熟識,但一系列研究表明,采用高效部件(電機、新型器件等)及提高控制性能固然重要,但系統級能效優化更加重要。

  相对于在驱动器内置或外部加装制动电阻进行制动能量消耗,采用有源前端技术对制动能量进行回收是节能的重要途径。工業機器人一般拥有4个到8个驱动轴,而且他们有着不同的加减速运动规律,共直流母线是一种很好的节能方案。我们可以把处于减速制动状态的电机的再生能量通过母线传递给其他处于加速状态的电机,从而减少了对电网功率的吸收。并联型驱动在欧洲厂家产品上经常见到,而日本厂家多为单轴型驱动,只有安川和发那科等公司为机床和机器人应用开发了并联型驱动。对国内厂商,迄今为止,只在极少的产品上看到了清晰的并联结构和系统能效管理的理念,如北京清能德创的A8系列伺服驱动器拥有系统能效管理技术,可进行網絡能效管理,实现不同的节能模式。

  網絡 工业以太网技术、无线網絡技术在提升机器人用交流伺服系统的高性能方面起到了举足轻重的作用。低速串行網絡如RS485和Modbus适用于离线参数配置和软件编程。中速现场总线(1~16Mbit/s)如CAN、Profibus-DP可以用于多轴实时控制的指令给定。只有高速实时工业以太网(100/1000Mbit/s)能够完成高速高精度的多轴、同步、实时控制,比如日趋流行的Ether CAT/SercosIII/Power Link等。德国公司Beckhoff推出的EtherCAT近年来发展势头迅猛,成为大多数高性能驱动系统首选的網絡标准。国际品牌驱动器普遍采用了高速工业以太网,同时支持多种现场总线,典型公司如Emerson CT、Lenze等。国内厂商在该领域的研究普遍不足,仅仅个别厂家推出商品化的产品,通过了Ether CAT一致性测试国际认证。【機床柔性生産解決方案 在线看日本免费不卡资源  網址:www.vtrobot.com

  智能 軟件工程和控制理論最新的發展成果,尤其是智能控制技術,越來越多地應用于機器人中,而機器人用現代高性能交流伺服系統,也同時吸收這些技術,使伺服系統越來越多的具備如自學習、自適應、自協調、自診斷、自校正等人工智能特性。其中對電流環采取的各種優化控制策略對保障穩態精度和動態響應的平衡至關重要;自動增益調整、在線慣量辨識、在線電機參數辨識功能有助于減小現場調試難度、增強伺服系統對環境和電機參數時變的適應性;自動振動抑制和軟件陷波濾波器的設置可減弱甚至消除整個機械傳動鏈的諧振和抖動,提供靜音、平滑、高精度的運行效果;故障自診斷和可預測性維護特性可有效減少維護成本,提高系統可用性。對運動控制功能的集成將伺服驅動器提升到所謂的智能伺服控制器的層次,可簡化運動控制系統設計,提升控制性能。

  集成 機器人用伺服系統的集成表現在以下兩個方面。

  硬件橫向集成:驅控硬件一體化、電機驅動一體化;一體化要求廠商具備整合電機本體和驅動控制的資源和能力,對大多數單純的電機廠或驅動器廠來說是一種挑戰。

  信息縱向集成:利用傳感器和大數據分析技術,將減速機、電機、編碼器數據和驅動器的數據向上傳遞到控制器,甚至是雲端。【機床柔性生産解決方案 在线看日本免费不卡资源  網址:www.vtrobot.com

 

 

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