1、工业机器人基础知识1.工业机器人技术及关键基础部件(1)机器人关键基础部件定义、分类及市场占有率；机器人关键基础部件是指构成机器人传动系统，控制系统和人机交互系统， 对机器人性能起到关键影响作用，并具有通用性和模块化的部件单元。机器人关键 基础部件主要分成以下三部分：高精度机器人减速机，高性能交直流伺服电机和驱 动器，高性能机器人控制器等。U前在高精度机器人减速机方面，市场份额的7號均两家日本减速机公司垄 断，分别为提供RV摆线针轮减速机的日本Nabtesco和提供高性能谐波减速机的日 本Harmonic Drive.包括ABB, FANUC, KUKA, MOTOMAN在内国际主流机器人厂商
2、的 减速机均山以上两家公司提供，与国内机器人公司选择的通用机型有所不同的是， 国际主流机器人厂商均与上述两家公司签订了战略合作关系，提供的产品大部分为 在通用机型基础上根据各厂商的特殊要求进行改进后的专用型号。国内在高精度摆 线针轮减速机方面研究起步较晚，仅在部分院校，研究所有过相关研究。口前尚无 成熟产品应用于工业机器人。近年来国内部分厂商和院校开始致力高精度摆线针轮 减速机的国产化和产业化研究，如浙江恒丰泰，重庆大学机械传动国家重点实验 室，天津减速机厂，秦川机床厂，大连铁道学院等。在谐波减速机方面，国内已有 可替代产品，如北京中技克美，北京谐波传动所，但是相应产品在输入转速，扭转 高度，
3、传动精度和效率方面与日本产品还存在不小的差距，在工业机器人上的成熟 应用还刚刚起步。在伺服电机和驱动方面，U前欧系机器人的驱动部分主要山伦茨，Lust,博 世力士乐等公司提供，这些欧系电机及驱动部件过载能力，动态响应好，驱动器开 放性强，且具有总线接口，但是价格昂贵。而日系品牌工业机器人关键部件主要由 安川，松下，三菱等公司提供，其价格相对降低，但是动态响应能力较差，开放性 较差，且大部分只具备模拟量和脉冲控制方式。国内近年来也开展了大功率交流永 磁同步电机及驱动部分基础研究和产业化，如哈尔滨工业大学，北京和利时，广州 数控等单位，并且具备了一点的生产能力，但是其动态性能，开放性和可黑性还需
4、要更多的实际机器人项目应用进行验证。在机器人控制器方面，口前国外主流机器人厂商的控制器均为在通用的多轴 运动控制器平台基础上进行自主研发。LI前通用的多轴控制器平台主要分为以嵌入 式处理器（DSP, POWER PC）为核心的运动控制卡和以工控机加实时系统为核心的 软PLC系统，其代表分别是Delta Tau的PMAC卡和Beckhoff的TwinCAT系统。国 内的在运动控制卡方面，固高公司已经开发出相应成熟产品，但是在机器人上的应 用还相对较少。（2）机器人关键基础部件国内外发展趋势（技术、产业）：在机器人高精度谐波减速机方面，在其齿轮传动中采用双圆弧齿廓，可以有 效改善柔轮齿根的应力状况
5、和传动啮合质量，提高承载能力、扭转刚度和柔轮疲劳 寿命，并可降低最小传动比。日本的IH齿形是基于余弦凸轮波发生器开发的双圆 弧齿形，山于采用近似方法设计，应用初期出现了齿廓干涉等问题，但是到1990 年代初期已经基本完善。口前，日本谐波传动系统有限公司的谐波产品有十儿个类 型，二十多个系列，最小传动比为30,型号中带有字母“S”的，其齿形为双圆弧 齿形，产品垄断了主要国际市场。其中超短杯型号CSD和SHD,其柔轮长度仅有常 规谐波传动柔轮的1/3,既增加传动刚度，乂大幅度减轻了谐波减速器重量。此 外，在谐波传动轻量化技术方面，采用铝等轻合金材料制造波发生器与减速器壳体 等方式，减薄刚轮外缘以及
6、改进连接结构等形式，使整机重量大幅度减 轻。 相比于谐波减速机，RV减速机具有更高的高度和回转精度，忖前其发展方向是如何通过对内部轴承的配置，材料和热处理工艺的改进，增加减速机的扭 转刚度，最大抗弯弯矩，以及提高在频繁加减速等恶劣工况下的使用寿命。在机器人伺服电机和驱动器方面，机器人专用化的伺服电机和驱动器将成为 发展趋势，即在普通通用伺服电机和驱动器的基础上，根据机器人的高速，重载， 高精度等应用要求，增加驱动器和电机的瞬时过载能力，增加驱动器的动态响应能 力，驱动增加相应的自定义算法接口单元，并且采用通用的高速通讯总线作为通讯 接口，摒弃原先的模拟量和脉冲方式，进一步提高控制品质(如安川，
7、松下，伦茨 等主流伺服厂商以将EtherCAt总线作为下一代产品的总线标准)。同时，对于通 用型的伺服驱动器删除兀余的通讯接口和功能模块，简化系统，提高系统可靠性， 并进一步降低成本。在机器人控制器和控制结构发展趋势方面，不仅要具有快速的响应特性，较 高的跟踪精度，而且应该有良好的通用性和扩展性。采用传统控制结构固有的缺点 逐渐暴露出来，例如III于配线过多，对系统进行调试及维修比较困难；采用基于模 拟信号的数据传输方式，系统的抗噪声能力很差；由于控制器的模块繁多，模块之 间的连接复杂，而且相互制约，难以实现十儿个轴以上的同步协调运动控制；机器 人所采用的专用的封闭式体系结构阻碍了机器人控制器
8、的发展，满足不了现代工业 柔性化发展的要求。同时LI前的机器人控制智能型，交互性较差，操作安全性还有 待提高。因此机器人控制器的发展趋势便现在两个方面：1开放性的体系结构：最早关于开放式控制器的研究源于美国。早在1981年，美国国防部为了减 少军备制造对日本控制系统的依赖性，开始了名为“下一代控制器(NGC, Next Generation Controller) n的讣划，并成立了美国国家制造科学中心(NCMS, National Center of Manufacturing Sciences),其主要 LI 的是拟订并推进开放式 体系结构的标准规范 SOSAS (Spec辻icdtion
9、 for an Open System Architecture Standard) 其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中比较重要，影 响较大的三项研究工作分别是美国的OMAC(Open Modular Architecture Controller),欧洲的 OSACA(Open System Architecture for Controls within Automation Systems), 以及 日本的 OSEC (Open System Environment Controller) o这些工程的SJ标是开发可以控制各种基于标准的自动化硬件平台和 操作环境的机器人和工
10、业自动化系统。开发适用于机器人控制的通用软件包，其应用范围从最底层的实时伺服控制、到智能传感器处理，到高层人机交互，涉及机器 人控制的各个方面。2总线控制方式：在现场总线分布式结构中，各种开关量、模拟量就近转变成数字信号，所有 总线设备间均釆用数字信号进行通信，减小了传输误差，提高了测量和控制精度。 现场总线的应用使导线和连接附件大量减少，安装、调试及维护的开销大幅度下 降，并且使系统具有优异的远程监控功能和故障诊断功能，提高了系统的可黑性。 现场总线还使系统硬件扩展更加方便，当控制轴数和10点数增加时，对系统的硬 件结构没有影响，便于系统的扩充和裁减。由于现场总线的协议是公开的，不同厂 商的
11、设备只要符合相应的标准，就可以实现互联、互换。H前国际上有60多种现 场总线形式，常用的有 Profibuss DeviceNet. CAN、CANOpen、SyqNet. SERCOS 和EtherCAT等。这点同时也是进行多机器人网络化控制的基础。3智能化和网络化控制器的智能化和网络化同样是发展趋势，未来的工业机器人应该具有视 觉，触觉，具有很强的人机交互能力和学习能力，因此需要控制器具有多传感器信 息融合能力。同时，机器人之间可以任意组成网络，完成多机器人协调控制，进一 步提高自动化和智能化程度。（3）机器人关键基础部件（23个）技术指标的国内外对比（表格）；表1主流交流伺服驱动驱动器技
12、术指标与性能比较品 牌松下（日系）安川（日系）倍福（AX2000,Danaher 代 工）（欧美倍福 （AX5000 贝 福自主研 发）（欧美伦茨（9400）（欧美系）DanaherKollmorgan（欧美系）系）系）功率 范 圉0. 057. 5 KW0.0515 KW0. 08IOKW0. 0820KW0. 2520KW0. 2515KW力 矩 特 性 曲 线低速（100rpm）保 持转矩等于 额定转矩， 低速恒扭矩低速 （100rpm） 保持转矩等 于额定转 矩，低速恒 扭矩低速 （100rpm） 保持转矩大 于额定转矩低速100rpm） 保持转矩大 等于额定转 矩低速 （100rpm
13、）保 持转矩大等于 额定转矩低速 （100rpm）保 持转矩大等于 额定转矩电 流 环 带 宽未明确给出未明确给出3KHz3KHz3KHz34KHz速环带宽小惯量标称lKHz （空载）1.6KHz（空 载，EV型 驱动器）lKHzlKHzlKHz1. 52KHz总 线 接 口A4, A5系列 暂不支持总 线接口（仅 为脉冲+方 向,模拟 量） 部分产品支暂不支持总 线接口（仅 为脉冲+方 向，模拟 量） 部分产品 （IV型驱动EtherCAT（支持电流 等驱动器信 号实时采 集）EtherCAT（支持电流 等驱动器信 号实时采 集）CANopen/EtherCAT/Poweerink .Dev
14、iceNet 等 多种总线形式（支持电流等 驱动器信号实Synqnet 总线持 DeltaTau 的内部总线器）支持Synqnet 总线时采集）振动 抑 制速度回路含 有陷波滤波 器，低通滤 波器，指令 平滑滤波， 编码器信号 噪声滤波 位置回路含 有半主动抑 振滤波器（输入整形 滤波器）含有各种常规滤波器，速度波动较 小。动态响 应能力强含有各种常 规滤波器含有各种常 规滤波器及 速度观测器含有各种常规滤波器含有各种常规滤波器其他功 能位置回路的低频振动主动抑制功能可以进行简单 的位置回路PLC编程,脱离控制器工作优点1在低刚度 情况下位置 回路振动主 动抑制效果 较好2价格成本 在进口电机
15、 中最低动态响应 能力在日系 产品中最 强，可与欧 美系产品媲 美2咼端产品 支持Syqnet 总线接口。1动态响应 能力较强，2低速保持 力矩较高3支持EtherCAT 总 线接口4附属功能 强大1动态响应 能力强，2低速保持 力矩较高3支持EtherCAT 总 线接口，驱 动器信号实 时获取1动态响应能 力领先2功能强大，可以编程，脱 离控制器完成 控制（适合单 轴或多轴非耦 合控制场合）3支持总线接1动态响应能 力领先2支持专用运 动控制总线方 式，驱动器信 号实时获取可 以进行纯力矩 模式控制4与TwinCAT 系 统兼容性 好，开发较 为灵活口，驱动器信 号实时获取缺 点1驱动器动
16、态性能较差 2缺乏总线 接口，驱动 器信号无法 实时釆集和 处理3进行动力 学补偿算法 和电流前馈 时需要模拟 量输出，信 号干扰较大 4无法进行 力矩控制模 式5低速保持 力矩较小1高性能产 品价格较 高，且不在 中国大陆出售1由于是委 扌 L Danaher 代工，价格 成本较高， 且冗余功能 较多2进行动力 学补偿算法 和电流前馈 时信号更新 频率较低(1kHz1相对于日 系产品价格 较高2存在一定 的冗余功能3位置模 式，速度模 式滤波器配 置方式和滤 波性能有待 提高4驱动器峰 值电流过载 能力较低， 只有两倍1进行动力学 补偿算法和电 流前馈时信号 更新频率较低(1kHz)2无法进
17、行力 矩控制模式3驱动器功能 较复杂，冗余 功能较多 成本较高4与现有的具 仃 EtherCAT 接口(贝福 TwinCAT 系 统)的控制器 存在一定接口 和兼容性问题1支持的总线 协议不公开2可选择的控 制器单一，国 内售后和 服务支持较弱3驱动器价格较高表2-1主流高精度谐波减速机性能比较谐波减速器品牌Harmon i eDr ive (日本)中技克美（中国）允许最高输入转速（r/ min）65003000额定扭矩（Nm,输入2000r/min）2416传动效率85%80%回差扭转刚度(Nm/arc min)2. 940. 5872注：上表比较数据来自相近型号：HD CSF-17-100
18、中技克美 XB1-40-100传动效率测试工况：输入转速1000r/min,温度40扭转刚度测试条件：20%额定扭矩内表2-2主流高精度摆线针轮减速机性能比较摆线针轮减速器品牌Nabtesco RV住友CYCLO国内额定扭矩（Nm,输出15r/min）980966尚无成熟的产品传动效率85%70%回差扭转刚度(Nm/arc min)510294重量19. 521注：上表比较数据来自相近型号:RV100CCYCLOF2CF-C35传动效率测试工况：输出转速15r/min,额定扭矩表3主流多轴运动控制器性能比较设 备 项 目美国Delta Tau 公司美国Gail公司英国TRIO公司中国香港固高公
19、司中国成都步进公司KEBA公司PMAC2DMC-21X2/3MC206GH-800MPC07KeControl CP251/Z插补功 能三次样条直线圆弧直线圆弧直线 圆弧 螺旋线直线圆弧直线圆弧全局坐标系和 工具坐标系下 的直线圆弧插 补伺服控制 功 能PID带阻滤波 速度、加速 度前馈PID速度、加速度前馈PID带阻滤波速度、加速度前馈PID带阻滤波 速度、加速 度前馈PID带阻滤波 速度、加速 度前馈力矩前馈CPU 个单CPU单CPU单CPU单CPU单CPUIntel Celeron700数最大制 轴 数888886联动轴 数888886釆 样 周 期1ms （含插补 与伺服轴刷 新，三轴
20、联 动）1ms （含插补 与伺服轴刷 新，三轴联 动）1ms （含插补 与伺服轴刷 新，三轴联 动）最快1ms结构PCI总线，开 放式结构， 允许PMAC2 解释语言编 程PCI总线， 开放式结 构，ASCH 编程独立式结构 类BASIC语 言编程PCI总线， 开放式结 构，C语言 编程PCI总线， 开放式结 构，C语言 编程独立式结构， sercos、EtherCAT 总线,IEC6U31-2编程安 全 性 能越程极限 速度极限 加速度极限 跟踪误差极 限伺服输出极 限计时器极限越程极限 速度极限 加速度极限 伺服输出极限讣时器极限 异常终止越程极限 速度极限 加速度极限 伺服输出极 限讣时
21、器极限 异常终止越程极限 速度极限 加速度极限 伺服输出极 限讣时器极限 异常终止计时器极限 异常终止越程极限 速度极限 加速度极限 伺服输出极限 路径点监控， 轴跟踪、笛卡 尔跟踪，异常终止优 点提供用户可 编程接口， 开发性强；11作稳定； 多种通信接 口；丰富的 外围附件； 适应多种电 机及编码器稳定可靠； 使用编程极 其简单方 便；种类齐 全，支持 ISA、 PCI、 PC/104 等 总线提供用户可 编程接口， 开发性强； 工作稳定； 多种通信接 口；丰富的 外围附件；使用简单； 价格较低； 在点位运动 时控制粧度 较好使用简单； 价格较低； 在点位运动 时控制精度 较好高性能运算能
22、 力；硬件结构 可灵活扩展； 支持主流现场 总线；基于流 行标准的用户 可编程接口缺 点对流行的现 场总线支持 较少；上手 困难；对于 需要很多I/O 信号的场合， 性价比没有 优势多轴运动规 划库函数， 误差补偿不 如PMAC丰 富；对于工 业现场总线 支持比较欠 缺缺乏自定义 伺服算法模 块；对于机 器人的特殊 应用要求支 持不足多轴运动规 划库函数， 误差补偿功 能较弱；缺 乏自定义伺 服算法模 块；对于机 器人的特殊 应用要求支 持不足多轴运动规 划库函数， 误差补偿功 能较弱；缺 乏自定义伺 服算法模 块；对于机 器人的特殊 应用要求支 持不足机器人相关的 控制部分过于 封闭，用户无 法更改
