工業(yè)機器人專用交流伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢

□文/錢　巍、戴安剛

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工業(yè)機器人專用交流伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢

□文/錢巍、戴安剛

交流伺服系統(tǒng)作為工業(yè)機器人核心部件之一，研究攻克其中的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)機器人專用交流伺服系統(tǒng)的技術(shù)突破及國產(chǎn)化，對于打破國外品牌的壟斷地位，推進我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，強化基礎(chǔ)制造裝備的競爭力，具有重要的戰(zhàn)略意義和目的。

工業(yè)機器人一般采用交流伺服系統(tǒng)作為執(zhí)行單元來完成機器人特定的軌跡運動，并滿足在運行速度、動態(tài)響應(yīng)，位置精度等方面的技術(shù)要求。因而交流伺服系統(tǒng)是工業(yè)機器人的重要核心部件。

國外廠家占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢

基于電機的伺服系統(tǒng)至今己有五十多年的發(fā)展歷史。隨著電力電子技術(shù)、永磁材料技術(shù)，電機設(shè)計及制造工藝技術(shù)的發(fā)展，由以數(shù)字式伺服驅(qū)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(tǒng)，已經(jīng)在速度，響應(yīng)，精度等方面有了極大的提高。在強調(diào)生產(chǎn)率的今天，它在現(xiàn)代工業(yè)中得到了非常廣泛的應(yīng)用，是實現(xiàn)高精度位置控制的核心部件。對于工業(yè)機器人，交流伺服系統(tǒng)通常作為執(zhí)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(yè)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（R ockwell 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(tǒng)產(chǎn)品，實現(xiàn)全數(shù)字化、系列化與批量生產(chǎn)，占據(jù)了市場主導(dǎo)地位。

目前，歐系品牌工業(yè)機器人專用交流伺服系統(tǒng)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(tǒng)特點是過載能力高，動態(tài)響應(yīng)好，驅(qū)動器開放性強。且具有總線接口，包括現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)甚至無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。但價格昂貴，體積重量大；日系品牌工業(yè)機器人專用交流伺服系統(tǒng)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(tài)響應(yīng)能力相對弱，開放性較差?？傮w來說，國外交流伺服系統(tǒng)在工業(yè)機器人上的應(yīng)用占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢，市場份額約占85％ 以上。

圖1　機器人伺服驅(qū)動器

我國伺服系統(tǒng)已形成自主配套能力

國內(nèi)較大規(guī)模的伺服品牌有20余家，主要有南京埃斯頓、廣州數(shù)控、匯川技術(shù)等。伴隨這幾年數(shù)控化的普及，國內(nèi)伺服產(chǎn)品的銷量保持了快速增長；國產(chǎn)品牌產(chǎn)品功率范圍多在22KW以內(nèi)，技術(shù)路線上與日系產(chǎn)品接近，目前總市場占有率在 10％左右。

我國伺服系統(tǒng)的自主研發(fā)、制造生產(chǎn)及應(yīng)用已基本成熟，形成了一定的產(chǎn)品系列和自主配套能力，但產(chǎn)品在高性能、高可靠性方面，與國外名牌企業(yè)仍存在明顯差距，已成為制約我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)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(chǎn)和銷售交流全數(shù)字化通用交流伺服驅(qū)動器和電機的歷史，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各類數(shù)控機床和自動化設(shè)備。公司于2012年成功完成了863計劃重大專項“工業(yè)機器人交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動器和電機開發(fā)”，擁有了自主品牌的機器人專用交流伺服系統(tǒng)。目前，公司所有機器人使用的交流伺服系統(tǒng)均為自產(chǎn)，實現(xiàn)了國產(chǎn)核心零部件的突破。公司還成功開發(fā)了機器人專用“一拖六”交流伺服系統(tǒng)，為研制更經(jīng)濟高效的國產(chǎn)機器人提供了基礎(chǔ)。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(qū)動器和伺服電機。

發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)

近年來國產(chǎn)工業(yè)機器人發(fā)展迅猛，在其發(fā)展過程中，受到了來自國外品牌機器人的競爭壓力與挑戰(zhàn)，國產(chǎn)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(yè)機器人的重要核心功能部件，交流伺服系統(tǒng)在提升機器人競爭力中，起到了至關(guān)重要的作用。

交流伺服系統(tǒng)的制造商，在考慮將其應(yīng)用于國內(nèi)自主品牌的工業(yè)機器人時，需在以下幾方面作出努力。

圖2　機器人伺服電機

錢巍 南京埃斯頓自動化集團公司 副總經(jīng)理

戴安剛 南京埃斯頓自動化集團技術(shù)研究院副院長

針對性

采用針對性的技術(shù)方案，設(shè)計與制造出工業(yè)機器人專用的交流伺服產(chǎn)品，實現(xiàn)工業(yè)機器人在成本及性能方面的競爭優(yōu)勢。

可靠性

在提高伺服產(chǎn)品自身可靠性的同時，需要從機器人整體可靠性出發(fā)，對伺服系統(tǒng)的可靠性設(shè)計做出調(diào)整。從系統(tǒng)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(yè)機器人對工作節(jié)拍的要求，對伺服系統(tǒng)在運行速度、動態(tài)響應(yīng)、位置伺服精度等方面提出了很高的技術(shù)要求，往往超出了通用伺服的一般技術(shù)條件。

針對上述三方面的要求，應(yīng)用于工業(yè)機器人的交流伺服系統(tǒng)，需要對某些關(guān)鍵技術(shù)作出突破，以滿足工業(yè)機器人對整體技術(shù)的要求，其主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

合理的系統(tǒng)架構(gòu)

機器人是一種典型的多軸同步伺服系統(tǒng)，從伺服系統(tǒng)的組成看，它由機器人控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電機、位置傳感器，減速機等部分組成。采用分布式架構(gòu)與集成架構(gòu)會有不同的成本結(jié)構(gòu)與性能。分布式架構(gòu)，可有效地應(yīng)用通用伺服產(chǎn)品，以量來取得成本優(yōu)勢。集成架構(gòu)可以采用更為針對性的方案，如驅(qū)控一體，或更為緊湊的架構(gòu)，可有效降低系統(tǒng)成本，同時提高對應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)性。南京埃斯頓開發(fā)的“一拖六”就是針對六關(guān)節(jié)機器人的一種新架構(gòu)嘗試。驅(qū)控一體的方案還可改變現(xiàn)有的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更為合理的控制方案，以達到更快的響應(yīng)。電機小型化、輕量化

受機器人各關(guān)節(jié)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(fā)展的新的驅(qū)動力，需要研究針對性的機器人專用電機規(guī)格；研究新型電機結(jié)構(gòu)（如：IPM電機）以實現(xiàn)更高的功率密度；探索新材料的應(yīng)用（如高性能永磁材料）；導(dǎo)入新的電機加工工藝等。

重視系統(tǒng)能效管理

隨著工業(yè)機器人市場占有率的提升，尤其是大功率機器人的應(yīng)用，高能效對工業(yè)機器人來說變得越來越重要，且是必須不斷持續(xù)提高的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。在工業(yè)機器人專用交流伺服系統(tǒng)方面，伺服單元（即伺服驅(qū)動器及伺服電機）的能效需要不斷提高，但更重要的是系統(tǒng)級能效。工業(yè)機器人一般擁有3～8個驅(qū)動軸，它們之間有不同的加減速運動規(guī)律，共直流母線就是一種很好的節(jié)能技術(shù)方案，可以把處于減速制動狀態(tài)的電機的再生能量，通過母線傳遞給其他處于加速狀態(tài)的電機，從而減少對電網(wǎng)功率的吸收。國內(nèi)廠商已開始認(rèn)識到系統(tǒng)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(shù)和能量回饋技術(shù)產(chǎn)品化。

打造高速伺服總線

工業(yè)機器人作為典型的多軸同步伺服系統(tǒng)，對伺服總線的實時性要求很高。最新的交流伺服系統(tǒng)都配置了高速數(shù)據(jù)通信接口，以實現(xiàn)多軸同步。目前的高速伺服總線雖大多為開放標(biāo)準(zhǔn)，但技術(shù)都被國際化大公司所掌控。尤其是基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)（如EtherCAT、Profinet、 EtherNet/IP、SER COS III等）在提升工業(yè)機器人專用交流伺服系統(tǒng)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(fā)展勢頭迅猛，成為大多數(shù)高性能驅(qū)動系統(tǒng)首選的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，安川、倫茨等國外伺服廠商已將EtherCAT 總線，作為下一代產(chǎn)品的總線標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)的伺服產(chǎn)品廠商更多著眼于應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。國內(nèi)廠商，如南京埃斯頓等少數(shù)廠家推出的基于Ether CAT的產(chǎn)品也已通過了一致性測試國際認(rèn)證。

向智能化發(fā)展

智能化是目前自動控制的一個發(fā)展方向，智能控制技術(shù)通過自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自協(xié)調(diào)、自診斷和自校正等方法，使控制系統(tǒng)具備人工智能特性。交流伺服系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)機器人，常常由于各關(guān)節(jié)機械參數(shù)的變化或不確定性帶來性能的下降。智能控制技術(shù)的應(yīng)用，包括控制參數(shù)的自整定、在線慣量辨識、在線電機參數(shù)辨識、自動振動抑制、故障自診斷和預(yù)診等，不但使工業(yè)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(diào)試、降低了對終端用戶技術(shù)水平的要求。

實現(xiàn)信息集成

交流伺服系統(tǒng)的總線架構(gòu)使控制器能夠獲取非常多的應(yīng)用數(shù)據(jù)，直至每一個伺服單元。在兼顧伺服系統(tǒng)實時性要求的同時，通過向控制器傳輸必要的實時數(shù)據(jù)，可為機器人應(yīng)用提供更多的增值功能。將伺服電機、位置編碼器及伺服驅(qū)動器的數(shù)據(jù)傳遞到機器人控制器，甚至是云平臺，可對機器人進行狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷等，從而減少非計劃停機。

形成功能安全標(biāo)準(zhǔn)體系

近年來，隨著安全標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的不斷完善，功能安全（Functional Safety)的標(biāo)準(zhǔn)體系已基本形成。交流伺服系統(tǒng)的功能安全將成為在很多行業(yè)內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行方面走在前列，日本公司的產(chǎn)品也開始提供基本的功能安全。交流伺服系統(tǒng)的功能安全在國內(nèi)起步較晚，但南京埃斯頓在歐系產(chǎn)品上也已提供基本的功能安全，例如安全轉(zhuǎn)矩截止（STO）等。對伺服系統(tǒng)而言，由于它是控制系統(tǒng)的執(zhí)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(tǒng)的功能安全。

從國內(nèi)自主工業(yè)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(fā)，交流伺服系統(tǒng)作為機器人的關(guān)鍵核心部件，需要通過上述相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)幫助自主工業(yè)機器人確立市場競爭力。但工業(yè)機器人的競爭力還與其它很多因素息息相關(guān)，例如零部件供應(yīng)商的技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量、價格等。如何培育優(yōu)質(zhì)的供應(yīng)商，也是不可或缺的。同時從行業(yè)及政府政策層面來看，還需要在標(biāo)準(zhǔn)制定，鼓勵研發(fā)，培育創(chuàng)新等方面作出努力。