1、概述

近兩年，面對(duì)人工勞動(dòng)力成本的不斷提升，工業(yè)機(jī)器人日益被企業(yè)倚重，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。據(jù)國(guó)際機(jī)器人協(xié)會(huì)（IFR）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年全球工業(yè)機(jī)器人銷量為22.5萬(wàn)臺(tái)左右，其中亞洲的銷量幾乎占到2/3.而中國(guó)市場(chǎng)的工業(yè)機(jī)器人銷量更是增長(zhǎng)54%，達(dá)到5.6萬(wàn)臺(tái)左右。但值得注意的是，本土機(jī)器人供應(yīng)商的銷量?jī)H為1.6萬(wàn)臺(tái)。究其原因，很重要的一個(gè)因素就是機(jī)器人核心零部件的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程較慢，國(guó)內(nèi)機(jī)器人整機(jī)廠商只能進(jìn)口國(guó)外產(chǎn)品，導(dǎo)致整機(jī)成本較高，在同國(guó)外廠商的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。

CoolDrive R6一體化伺服驅(qū)動(dòng)器是清能德創(chuàng)電氣技術(shù)（北京）有限公司在進(jìn)行大量工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)及客戶的需求調(diào)研后，為該行業(yè)量身打造的一款專用伺服產(chǎn)品。CoolDrive R6集成了多軸一體化設(shè)計(jì)、功能性安全技術(shù)、多種振動(dòng)抑制算法等創(chuàng)新技術(shù)，并內(nèi)置多種前饋功能，設(shè)計(jì)采用高速工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，大幅提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，為客戶提供更節(jié)能，更靈活，更安全的伺服系統(tǒng)。CoolDrive R6無(wú)論從產(chǎn)品形態(tài)還是集成功能上來(lái)說(shuō)都非常適合用于工業(yè)機(jī)器人行業(yè)，完全可以替代國(guó)外同類產(chǎn)品，為客戶提供更具性價(jià)比的方案。

2、國(guó)產(chǎn)20kG六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人

本次項(xiàng)目所使用的20kG六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人是國(guó)產(chǎn)最新型號(hào)，具有結(jié)構(gòu)緊湊，關(guān)節(jié)速度較高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，精度高，過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。電控系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展應(yīng)用方便。適用于切割、打磨、上下料等場(chǎng)合。其產(chǎn)品性能如下表所示：

表1機(jī)器人性能參數(shù)表

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1客戶需求

客戶這臺(tái)6關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人要求實(shí)現(xiàn)較高的關(guān)節(jié)速度和重復(fù)定位精度，同時(shí)要求在帶載運(yùn)行時(shí)保持機(jī)器人的穩(wěn)定性。此外，客戶要求可通過(guò)控制器對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部功能參數(shù)進(jìn)行人工在線設(shè)定，以便實(shí)現(xiàn)精確控制。

3.2設(shè)計(jì)難點(diǎn)

工業(yè)機(jī)器人是非常典型的多軸控制系統(tǒng)，為使機(jī)器人能達(dá)到較高的重復(fù)定位精度，除了要求控制器有很強(qiáng)的路徑規(guī)劃算法及插補(bǔ)功能以外，伺服驅(qū)動(dòng)器也必須保證在執(zhí)行控制器位置指令時(shí)，保持所有關(guān)節(jié)嚴(yán)格同步。而為了提高機(jī)器人的運(yùn)行速度，就需要伺服系統(tǒng)具有很強(qiáng)的瞬時(shí)過(guò)載能力和極高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

如何減少機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的振動(dòng)，一直是機(jī)器人用伺服系統(tǒng)的一個(gè)難題，這也是很多國(guó)內(nèi)伺服產(chǎn)品無(wú)法應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人上的一個(gè)原因。

振動(dòng)主要出現(xiàn)在兩種工況，一是機(jī)器人在啟動(dòng)和停止時(shí)，機(jī)器人本體和末端會(huì)發(fā)生振動(dòng)；一是機(jī)器人在高速運(yùn)行，并移動(dòng)范圍較大時(shí)，本體會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)和運(yùn)行軌跡偏差較大的現(xiàn)象。引起振動(dòng)的主要原因就是機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的慣量發(fā)生了較大變化，要消除振動(dòng)必須在伺服驅(qū)動(dòng)器中加入各種前饋補(bǔ)償控制功能。

3.2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)客戶需求的深入分析，我們?yōu)榭蛻粼O(shè)計(jì)了“KEBA控制器+CoolDrive A8”伺服驅(qū)動(dòng)器的電控系統(tǒng)解決方案。

圖1  CoolDrive R6現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖

這套系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：

1.機(jī)器人專用控制系統(tǒng)

本次項(xiàng)目選擇的是KEBA專為機(jī)器人行業(yè)開(kāi)發(fā)的KeMotion控制系統(tǒng)，包括控制器、視教盒以及控制軟件。其控制器和視教盒都支持EtherCAT高速工業(yè)以太網(wǎng)通訊，具有很高的計(jì)算性能和通訊速度。

KeMotion還提供了強(qiáng)大的機(jī)器人控制軟件，其中內(nèi)置了多種類型的機(jī)器人路徑規(guī)劃模型，能夠快速完成機(jī)器人的開(kāi)發(fā)；同時(shí)軟件還提供了豐富的補(bǔ)償算法和插補(bǔ)功能，保證了機(jī)器人的控制精度。

2. CoolDrive R6機(jī)器人專用一體化伺服驅(qū)動(dòng)器

CoolDrive R6是清能德創(chuàng)在進(jìn)行大量工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)及客戶的需求調(diào)研后，為其量身打造的一款伺服產(chǎn)品。作為國(guó)內(nèi)首款機(jī)器人專用一體化伺服驅(qū)動(dòng)器，CoolDrive R6無(wú)論從設(shè)計(jì)理念、集成功能還是產(chǎn)品的可定制化，都真正從行業(yè)用戶的角度出發(fā)，著眼于滿足客戶的實(shí)際需求。

CoolDrive R6采用ALL IN ONE設(shè)計(jì)，在緊湊的機(jī)身內(nèi)集成了六個(gè)伺服軸，同時(shí)還預(yù)留了擴(kuò)展空間，可為機(jī)器人提供附加軸。同目前通用伺服方案相比，最多可節(jié)省50%的空間。

同時(shí)，CoolDrive R6加入了速度、加速度前饋補(bǔ)償，力矩補(bǔ)償?shù)妊a(bǔ)償算法，并開(kāi)發(fā)了定位抖動(dòng)消除、慣量前饋等功能，可較好地解決機(jī)器人本體在高速運(yùn)行、快速定位時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，并且提高機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性。

此外，CoolDrive R6還增加了電機(jī)弱磁控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的輕載高速運(yùn)行，增加編碼器信號(hào)修正技術(shù)以提高機(jī)器人的穩(wěn)定性和降低運(yùn)行中的噪音等。

4、機(jī)器人實(shí)際性能測(cè)試

在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，在沒(méi)有加入速度、加速度前饋補(bǔ)償，力矩補(bǔ)償?shù)妊a(bǔ)償算法的情況下，機(jī)器人在滿載運(yùn)行時(shí)，會(huì)發(fā)生明顯振動(dòng)。在機(jī)器人啟動(dòng)的瞬間，如果沒(méi)有提前給定力矩補(bǔ)償，機(jī)器人本體由于重力的作用會(huì)發(fā)生下沉的動(dòng)作，也就是俗稱的“點(diǎn)頭”。而在機(jī)器人由高速運(yùn)行狀態(tài)快速停止時(shí)，如果沒(méi)有“定位抖動(dòng)消除”功能，機(jī)器人本體會(huì)由于慣性的突然變化而發(fā)生抖動(dòng)。

下圖是沒(méi)有開(kāi)啟補(bǔ)償及振動(dòng)抑制功能時(shí)，機(jī)器人的位置誤差，可以看到明顯的振動(dòng)現(xiàn)象。

下圖是開(kāi)啟補(bǔ)償及振動(dòng)抑制功能后，機(jī)器人本體的位置誤差情況，能夠非常明顯的看出，機(jī)器人本體的振動(dòng)得到了有效抑制。

5、結(jié)束語(yǔ)

清能德創(chuàng)致力于為國(guó)內(nèi)機(jī)器人整機(jī)廠商提供國(guó)產(chǎn)高端伺服系統(tǒng)，在性能和功能上能夠滿足機(jī)器人對(duì)伺服系統(tǒng)的要求，同時(shí)也沒(méi)有國(guó)外產(chǎn)品高昂的價(jià)格，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)鍵零部件的國(guó)產(chǎn)化，降低國(guó)內(nèi)機(jī)器人整機(jī)廠商的總體成本，提高國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的競(jìng)爭(zhēng)力。