国产机器人交流伺服系统如何逆袭
2016/6/20 8:37:05
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，从而减少对电网功率的吸收。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。
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。最新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网技术(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首选的网络标准，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。
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。
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。
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。
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。
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、在线惯量辨识、在线电机参数辨识、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。
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。
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。