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国产机器人交流伺服系统如何逆袭

来源: 作者: 2019-04-10 21:59:45

工业机器人一般采用交流伺服系统作为执行单元来完成机器人特定的轨迹运动,并满足在运行速度、动态响应,位置精度等方面的技术要求。因而交流伺服系统是工业机器人的重要核心部件。

国外厂家占据主导优势

基于电机的伺服系统至今己有五十多年的发展历史。随着电力电子技术、永磁材料技术网络捕鱼
,电机设计及制造工艺技术的发展,由以数字式伺服驱动器,高精度位置编码器,及交流永磁同步电动机组成的典型的交流伺服系统,已经在速度,响应,精度等方面有了极大的提高。在强调生产率的今天,它在现代工业中得到了非常广泛的应用,是实现高精度位置控制的核心部件。对于工业机器人,交流伺服系统通常作为执行单元来完成机器人特定的轨迹运动控制香港星力游戏
,它是影响机器人性能的主要因素之一,是工业机器人的重要核心部件。

国外一些公司,如日本的FANUC、安川、富士通、松下和三菱公司,美国的罗克韦尔自动化(Rockwell Automation)、丹纳赫(Danaher)和帕克(Parker)公司,德国的西门子、伦茨、Lust、博世力士乐公司,法国BBC公司,韩国三星公司,英国Control Technology、SEW公司,奥地利贝加莱公司,瑞士ABB公司等不断推出伺服系统产品,实现全数字化、系列化与批量生产,占据了市场主导地位。

目前,欧系品牌工业机器人专用交流伺服系统主要由西门子、博世力士乐、Beckhoff、贝加莱等公司提供,欧系交流伺服系统特点是过载能力高,动态响应好,驱动器开放性强。且具有总线接口,包括现场总线、工业以太甚至无线络技术。但价格昂贵,体积重量大;日系品牌工业机器人专用交流伺服系统主要由FUNUC、安川、松下、富士、三菱等公司提供,其价格相对低,体积小,重量轻。但动态响应能力相对弱,开放性较差。总体来说,国外交流伺服系统在工业机器人上的应用占据主导优势,市场份额约占85%以上。

我国伺服系统已形成自主配套能力

国内较大规模的伺服品牌有20余家,主要有南京埃斯顿、广州数控、汇川技术等。伴随这几年数控化的普及,国内伺服产品的销量保持了快速增长;国产品牌产品功率范围多在22KW以内,技术路线上与日系产品接近,目前总市场占有率在10%左右。

我国伺服系统的自主研发、制造生产及应用已基本成熟,形成了一定的产品系列和自主配套能力,但产品在高性能、高可靠性方面,与国外名牌企业仍存在明显差距,已成为制约我国工业机器人产业的“瓶颈”。

南京埃斯顿自动化股份有限公司(下称:南京埃斯顿)有十几年生产和销售交流全数字化通用交流伺服驱动器和电机的历史,产品广泛应用于各类数控机床和自动化设备。公司于2012年成功完成了863计划重大专项“工业机器人交流伺服系统驱动器和电机开发”,拥有了自主品牌的机器人专用交流伺服系统。目前,公司所有机器人使用的交流伺服系统均为自产,实现了国产核心零部件的突破。公司还成功开发了机器人专用“一拖六”交流伺服系统,为研制更经济高效的国产机器人提供了基础。如下图1及图2所示,分别为埃斯顿机器人专用交流伺服驱动器和伺服电机。

发展趋势及关键技术

近年来国产工业机器人发展迅猛,在其发展过程中,受到了来自国外品牌机器人的竞争压力与挑战,国产品牌必须在可靠性、成本和性能等方面增强自身的竞争力。作为工业机器人的重要核心功能部件,交流伺服系统在提升机器人竞争力中,起到了至关重要的作用。

交流伺服系统的制造商,在考虑将其应用于国内自主品牌的工业机器人时,需在以下几方面作出努力。

针对性

采用针对性的技术方案,设计与制造出工业机器人专用的交流伺服产品,实现工业机器人在成本及性能方面的竞争优势。

可靠性

在提高伺服产品自身可靠性的同时,需要从机器人整体可靠性出发,对伺服系统的可靠性设计做出调整。从系统的角度来提高机器人的MTBF(平均故障间隔时间),缩短与国外高端品牌机器人的差距喷雾抑尘车

高性能

工业机器人对工作节拍的要求,对伺服系统在运行速度、动态响应、位置伺服精度等方面提出了很高的技术要求,往往超出了通用伺服的一般技术条件。

针对上述三方面的要求,应用于工业机器人的交流伺服系统,需要对某些关键技术作出突破,以满足工业机器人对整体技术的要求,其主要表现在以下几个方面。

合理的系统架构

机器人是一种典型的多轴同步伺服系统,从伺服系统的组成看,它由机器人控制器、伺服驱动器、伺服电机、位置传感器,减速机等部分组成。采用分布式架构与集成架构会有不同的成本结构与性能。分布式架构,可有效地应用通用伺服产品,以量来取得成本优势。集成架构可以采用更为针对性的方案,如驱控一体,或更为紧凑的架构,可有效降低系统成本,同时提高对应用环境的适应性。南京埃斯顿开发的“一拖六”就是针对六关节机器人的一种新架构尝试。驱控一体的方案还可改变现有的三环控制结构,实现更为合理的控制方案,以达到更快的响应。

电机小型化、轻量化

受机器人各关节安装空间、重量的限制,对伺服电机在体积、重量方面的要求变得苛刻。提高电机的功率密度变得十分重要。机器人的要求已成为伺服电机发展的新的驱动力,需要研究针对性的机器人专用电机规格;研究新型电机结构(如:IPM电机)以实现更高的功率密度;探索新材料的应用(如高性能永磁材料);导入新的电机加工工艺等。

重视系统能效管理

随着工业机器人市场占有率的提升,尤其是大功率机器人的应用,高能效对工业机器人来说变得越来越重要,且是必须不断持续提高的关键技术指标。在工业机器人专用交流伺服系统方面,伺服单元(即伺服驱动器及伺服电机)的能效需要不断提高,但更重要的是系统级能效。工业机器人一般拥有3~8个驱动轴,它们之间有不同的加减速运动规律,共直流母线就是一种很好的节能技术方案,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,从而减少对电功率的吸收。国内厂商已开始认识到系统能效管理的重要性,南京埃斯顿已在2012年将共直流母线技术和能量回馈技术产品化。

打造高速伺服总线

工业机器人作为典型的多轴同步伺服系统,对伺服总线的实时性要求很高。的交流伺服系统都配置了高速数据通信接口,以实现多轴同步。目前的高速伺服总线虽大多为开放标准,但技术都被国际化大公司所掌控。尤其是基于工业以太技术(如EtherCAT、Profinet、EtherNet/IP、SERCOSIII等)在提升工业机器人专用交流伺服系统的高性能方面起到了举足轻重的作用。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的络标准,安川、伦茨等国外伺服厂商已将EtherCAT总线,作为下一代产品的总线标准。国内的伺服产品厂商更多着眼于应用技术开发。国内厂商,如南京埃斯顿等少数厂家推出的基于EtherCAT的产品也已通过了一致性测试国际认证。

向智能化发展

智能化是目前自动控制的一个发展方向,智能控制技术通过自学习、自适应、自协调、自诊断和自校正等方法,使控制系统具备人工智能特性。交流伺服系统应用于工业机器人,常常由于各关节机械参数的变化或不确定性带来性能的下降。智能控制技术的应用,包括控制参数的自整定、惯量辨识、电机参数辨识、自动振动抑制、故障自诊断和预诊等,不但使工业机器人整体性能、可靠性有较大改善,也简化了机器人的工程调试、降低了对终端用户技术水平的要求。

实现信息集成

交流伺服系统的总线架构使控制器能够获取非常多的应用数据,直至每一个伺服单元。在兼顾伺服系统实时性要求的同时,通过向控制器传输必要的实时数据,可为机器人应用提供更多的增值功能。将伺服电机、位置编码器及伺服驱动器的数据传递到机器人控制器,甚至是云平台,可对机器人进行状态监控、故障诊断等,从而减少非计划停机。

形成功能安全标准体系

近年来,随着安全标准和法规的不断完善,功能安全(Functional Safety)的标准体系已基本形成。交流伺服系统的功能安全将成为在很多行业内的强制性要求。西门子、倍福、Lenze、包米勒等许多欧洲公司,在功能安全及标准的执行方面走在前列,日本公司的产品也开始提供基本的功能安全。交流伺服系统的功能安全在国内起步较晚,但南京埃斯顿在欧系产品上也已提供基本的功能安全,例如安全转矩截止(STO)等。对伺服系统而言,由于它是控制系统的执行单元,其功能安全的种类还有很多,还需要不断完善交流伺服系统的功能安全。

从国内自主工业机器人参与市场竞争的角度来看,其可靠性、成本及性能,是目前确立其市场竞争力的三个主要方面。从这三个方面出发,交流伺服系统作为机器人的关键核心部件,需要通过上述相应的关键技术研究与开发帮助自主工业机器人确立市场竞争力。但工业机器人的竞争力还与其它很多因素息息相关,例如零部件供应商的技术水平、产品质量、价格等。如何培育优质的供应商,也是不可或缺的。同时从行业及政府政策层面来看,还需要在标准制定,鼓励研发,培育创新等方面作出努力。

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