怎麼研究工業機器人？

交流伺服系統作為工業機器人核心部件之一，研究攻克其中的關鍵技術，實現工業機器人專用交流伺服系統的技術突破及國產化，對於打破國外品牌的壟斷地位，推進我國工業機器人產業的發展，強化基礎製造裝備的競爭力，具有重要的戰略意義和目的。錢巍 南京埃斯頓自動化集團公司 副總經理戴安剛 南京埃斯頓自動化集團技術研究院副院長工業機器人一般採用交流伺服系統作為執行單元來完成機器人特定的軌跡運動，並滿足在運行速度、動態響應，位置精度等方面的技術要求。因而交流伺服系統是工業機器人的重要核心部件。1 國外廠家佔據主導優勢基於電機的伺服系統至今己有五十多年的發展歷史。隨著電力電子技術、永磁材料技術，電機設計及製造工藝技術的發展，由以數字式伺服驅動器，高精度位置編碼器，及交流永磁同步電動機組成的典型的交流伺服系統，已經在速度，響應，精度等方面有了極大的提高。在強調生產率的今天，它在現代工業中得到了非常廣泛的應用，是實現高精度位置控制的核心部件。對於工業機器人，交流伺服系統通常作為執行單元來完成機器人特定的軌跡運動控制，它是影響機器人性能的主要因素之一，是工業機器人的重要核心部件。國外一些著名公司，如日本的FANUC、安川、富士通、松下和三菱公司，美國的羅克韋爾自動化（Rockwell Automation）、丹納赫（Danaher）和帕克（Parker）公司，德國的西門子、倫茨、Lust、博世力士樂公司，法國BBC公司，韓國三星公司，英國Control Technology、SEW公司，奧地利貝加萊公司，瑞士ABB公司等不斷推出伺服系統產品，實現全數字化、系列化與批量生產，佔據了市場主導地位。目前，歐系品牌工業機器人專用交流伺服系統主要由西門子、博世力士樂、Beckhoff、貝加萊等公司提供，歐系交流伺服系統特點是過載能力高，動態響應好，驅動器開放性強。且具有匯流排介面，包括現場匯流排、工業乙太網甚至無線網路技術。但價格昂貴，體積重量大；日系品牌工業機器人專用交流伺服系統主要由FUNUC、安川、松下、富士、三菱等公司提供，其價格相對低，體積小，重量輕。但動態響應能力相對弱，開放性較差。總體來說，國外交流伺服系統在工業機器人上的應用佔據主導優勢，市場份額約佔85% 以上。2 我國伺服系統已形成自主配套能力國內較大規模的伺服品牌有20餘家，主要有南京埃斯頓、廣州數控、匯川技術等。伴隨這幾年數控化的普及，國內伺服產品的銷量保持了快速增長；國產品牌產品功率範圍多在22KW以內，技術路線上與日系產品接近，目前總市場佔有率在 10％左右。我國伺服系統的自主研發、製造生產及應用已基本成熟，形成了一定的產品系列和自主配套能力，但產品在高性能、高可靠性方面，與國外名牌企業仍存在明顯差距，已成為制約我國工業機器人產業的「瓶頸」。南京埃斯頓自動化股份有限公司（下稱：南京埃斯頓）有十幾年生產和銷售交流全數字化通用交流伺服驅動器和電機的歷史，產品廣泛應用於各類數控機床和自動化設備。公司於2012年成功完成了863計劃重大專項「工業機器人交流伺服系統驅動器和電機開發」，擁有了自主品牌的機器人專用交流伺服系統。目前，公司所有機器人使用的交流伺服系統均為自產，實現了國產核心零部件的突破。公司還成功開發了機器人專用「一拖六」交流伺服系統，為研製更經濟高效的國產機器人提供了基礎。如下圖1及圖2所示，分別為埃斯頓機器人專用交流伺服驅動器和伺服電機。3 發展趨勢及關鍵技術近年來國產工業機器人發展迅猛，在其發展過程中，受到了來自國外品牌機器人的競爭壓力與挑戰，國產品牌必須在可靠性、成本和性能等方面增強自身的競爭力。作為工業機器人的重要核心功能部件，交流伺服系統在提升機器人競爭力中，起到了至關重要的作用。交流伺服系統的製造商，在考慮將其應用於國內自主品牌的工業機器人時，需在以下幾方面作出努力。針對性採用針對性的技術方案，設計與製造出工業機器人專用的交流伺服產品，實現工業機器人在成本及性能方面的競爭優勢。可靠性在提高伺服產品自身可靠性的同時，需要從機器人整體可靠性出發，對伺服系統的可靠性設計做出調整。從系統的角度來提高機器人的MTBF（平均故障間隔時間），縮短與國外高端品牌機器人的差距。高性能工業機器人對工作節拍的要求，對伺服系統在運行速度、動態響應、位置伺服精度等方面提出了很高的技術要求，往往超出了通用伺服的一般技術條件。針對上述三方面的要求，應用於工業機器人的交流伺服系統，需要對某些關鍵技術作出突破，以滿足工業機器人對整體技術的要求，其主要表現在以下幾個方面。合理的系統架構機器人是一種典型的多軸同步伺服系統，從伺服系統的組成看，它由機器人控制器、伺服驅動器、伺服電機、位置感測器，減速機等部分組成。採用分散式架構與集成架構會有不同的成本結構與性能。分散式架構，可有效地應用通用伺服產品，以量來取得成本優勢。集成架構可以採用更為針對性的方案，如驅控一體，或更為緊湊的架構，可有效降低系統成本，同時提高對應用環境的適應性。南京埃斯頓開發的「一拖六」就是針對六關節機器人的一種新架構嘗試。驅控一體的方案還可改變現有的三環控制結構，實現更為合理的控制方案，以達到更快的響應。電機小型化、輕量化受機器人各關節安裝空間、重量的限制，對伺服電機在體積、重量方面的要求變得苛刻。提高電機的功率密度變得十分重要。機器人的要求已成為伺服電機發展的新的驅動力，需要研究針對性的機器人專用電機規格；研究新型電機結構（如：IPM電機）以實現更高的功率密度；探索新材料的應用（如高性能永磁材料）；導入新的電機加工工藝等。重視系統能效管理隨著工業機器人市場佔有率的提升，尤其是大功率機器人的應用，高能效對工業機器人來說變得越來越重要，且是必須不斷持續提高的關鍵技術指標。在工業機器人專用交流伺服系統方面，伺服單元（即伺服驅動器及伺服電機）的能效需要不斷提高，但更重要的是系統級能效。工業機器人一般擁有3~8個驅動軸，它們之間有不同的加減速運動規律，共直流母線就是一種很好的節能技術方案，可以把處於減速制動狀態的電機的再生能量，通過母線傳遞給其他處於加速狀態的電機，從而減少對電網功率的吸收。國內廠商已開始認識到系統能效管理的重要性，南京埃斯頓已在2012年將共直流母線技術和能量回饋技術產品化。打造高速伺服匯流排工業機器人作為典型的多軸同步伺服系統，對伺服匯流排的實時性要求很高。最新的交流伺服系統都配置了高速數據通信介面，以實現多軸同步。目前的高速伺服匯流排雖大多為開放標準，但技術都被國際化大公司所掌控。尤其是基於工業乙太網技術（如EtherCAT、 Profinet、 EtherNet/IP、SERCOS III等）在提升工業機器人專用交流伺服系統的高性能方面起到了舉足輕重的作用。德國公司Beckhoff推出的EtherCAT近年來發展勢頭迅猛，成為大多數高性能驅動系統首選的網路標準，安川、倫茨等國外伺服廠商已將EtherCAT 匯流排，作為下一代產品的匯流排標準。國內的伺服產品廠商更多著眼於應用技術開發。國內廠商，如南京埃斯頓等少數廠家推出的基於Ether CAT的產品也已通過了一致性測試國際認證。向智能化發展智能化是目前自動控制的一個發展方向，智能控制技術通過自學習、自適應、自協調、自診斷和自校正等方法，使控制系統具備人工智慧特性。交流伺服系統應用於工業機器人，常常由於各關節機械參數的變化或不確定性帶來性能的下降。智能控制技術的應用，包括控制參數的自整定、在線慣量辨識、在線電機參數辨識、自動振動抑制、故障自診斷和預診等，不但使工業機器人整體性能、可靠性有較大改善，也簡化了機器人的工程調試、降低了對終端用戶技術水平的要求。實現信息集成交流伺服系統的匯流排架構使控制器能夠獲取非常多的應用數據，直至每一個伺服單元。在兼顧伺服系統實時性要求的同時，通過向控制器傳輸必要的實時數據，可為機器人應用提供更多的增值功能。將伺服電機、位置編碼器及伺服驅動器的數據傳遞到機器人控制器，甚至是雲平台，可對機器人進行狀態監控、故障診斷等，從而減少非計劃停機。形成功能安全標準體系近年來，隨著安全標準和法規的不斷完善，功能安全（Functional Safety)的標準體系已基本形成。交流伺服系統的功能安全將成為在很多行業內的強制性要求。西門子、倍福、Lenze、包米勒等許多歐洲公司，在功能安全及標準的執行方面走在前列，日本公司的產品也開始提供基本的功能安全。交流伺服系統的功能安全在國內起步較晚，但南京埃斯頓在歐系產品上也已提供基本的功能安全，例如安全轉矩截止（STO）等。對伺服系統而言，由於它是控制系統的執行單元，其功能安全的種類還有很多，還需要不斷完善交流伺服系統的功能安全。從國內自主工業機器人參與市場競爭的角度來看，其可靠性、成本及性能，是目前確立其市場競爭力的三個主要方面。從這三個方面出發，交流伺服系統作為機器人的關鍵核心部件，需要通過上述相應的關鍵技術研究與開發幫助自主工業機器人確立市場競爭力。但工業機器人的競爭力還與其它很多因素息息相關，例如零部件供應商的技術水平、產品質量、價格等。如何培育優質的供應商，也是不可或缺的。同時從行業及政府政策層面來看，還需要在標準制定，鼓勵研發，培育創新等方面作出努力。
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