工业机器人基础知识

1、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。目前在高精度机器人减速机方面，市场份额的75%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的减速机均由以上两家公司提

2、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。目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，传动精度和效率方面与日本产品还存在不小的差距

3、，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，目前欧系机器人的驱动部分主要由伦茨，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，开放性和可靠性还需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，目前

4、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。目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。

5、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，由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。目前，日本谐波传动系统有限公司的谐波产品有十几个类型，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，又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

6、精度，目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，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

7、删除冗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，例如由于配线过多，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，难以实现十几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的发展，满足不了现代工业柔性化发展的要求。同时目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

8、发展趋势便现在两个方面： 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)”的计划，并成立了美国国家制造科学中心(NCMS，National Center of Manufacturing Sciences)，其主要目的是拟订并推进开放式体系结构的标准规范SOSAS(Specification 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

9、，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)。这些工程的目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。 总线控制方式

10、：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，所有总线设备间均采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，提高了系统的可靠性。现场总线还使系统硬件扩展更加方便，当控制轴数和IO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，不同厂商的设备只要符合相应的标准，就可以实现互联、互换。目前国际上有60多种现场总线形式，常用的有Profibus、DeviceNet、CAN、CANOpen、 SyqNet、SE

11、RCOS和EtherCAT等。这点同时也是进行多机器人网络化控制的基础。 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) （欧美系）倍福(AX5000贝福自主研发)（欧美系）伦茨(9400)（欧美系）Danaher、K

12、ollmorgan（欧美系）功率范围0.057.5 KW0.0515 KW0.0810KW0.0820KW0.2520KW0.2515KW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)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速度环带宽小惯量标称1KHz(空载)1.6KHz(空载，V型驱动器)1KHz1KHz1KHz1.52KHz总线接口A

13、4，A5系列暂不支持总线接口（仅为脉冲+方向，模拟量）部分产品支持DeltaTau的内部总线暂不支持总线接口（仅为脉冲+方向，模拟量）部分产品(V型驱动器)支持Synqnet总线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 /DeviceNet等多种总线形式（支持电流等驱动器信号实时采集）Synqnet总线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

14、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中最低1动态响应能力在日系产品中最强，可与欧美系产品媲美2 高端产品支持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4 与TwinCAT系统兼容性好，开发较为灵活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

15、控制（适合单轴或多轴非耦合控制场合）3 支持总线接口，驱动器信号实时获取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缺点1 驱动器动态性能较差2 缺乏总线接口，驱动器信号无法实时采集和处理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 由于是委托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

16、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 与现有的具有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HarmonicDrive （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/a

17、rc min)2.940.5872注：上表比较数据来自相近型号：HD CSF-17-100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：RV 100CCYCLO F2CF-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

18、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司中国成都步进公司KEBA公司PMAC2DMC-21X2/3MC206GH-800MPC07KeControl CP 251/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个数单CPU单CPU单CPU单CPU单CPUIntel Celeron 700最大控制轴数888886联动轴数8

19、88886采样周期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)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，ASC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，IEC61131-2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异常终止越程极限速度极限加速度极限伺服输出极限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计时器极限异常终止越程极限速度

20、极限加速度极限伺服输出极限计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，优点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；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；在点位运动时控制精度较好使用简单；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