工业机器人技术及关键基础部件分析

支持 Syqnet 线接口
线接口，驱动 动器信号实时获取
总线接口。 4 附属功能强 器信号实时获
缺点
大
取
4与 TwinCAT 系 统兼容性好， 开发较为灵活
1 驱动器动态性能 1 高性能产 1 由于是委托 1 相对于日系 1 进行动力学补偿算 1 支持的总线协议不公
较差
品价格较高， Danaher 代 产品价格较高 法和电流前馈时信号 开
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、SERCOS 和 EtherCAT 等。这点同时也是进行多机器人网络 化控制的基础。
低速恒扭矩
电流环 未明确给出 带宽
未明确给出 3KHz
3KHz
3KHz
3~4KHz
速度环 小惯量标称 带宽 1KHz(空载)
1.6KHz(空 1KHz 载，∑V 型驱 动器)
1KHz
1KHz
1.5~2KHz
总线接 A4，A5 系列暂不 暂不支持总 EtherCAT（支 EtherCAT（支 CANopen/
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。
2 缺乏总线接口， 且不在中国 驱动器信号无法 大陆出售
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
工，价格成本 2 存在一定的 更新频率较低
2 可选择的控制器单一，
较高，且冗余 冗余功能
（1kHz）
国内售后和
（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。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。
在机器人控制器方面，目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。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。
较低，只有两 福
倍 TwinCAT 系统）的控
制器存在一定接口和
兼容性问题
表 2-1 主流高精度谐波减速机性能比较
谐波减速器品牌 允许最高输入转速(r/min) 额定扭矩(Nm，输入 2000r/min)
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，在工业机器人上的成熟应用还刚刚起步。
功能较多
3 位置模式， 2 无法进行力矩控制 服务支持较弱
2 进行动力学 速度模式滤波 模式 补偿算法和电 器配置方式和 3 驱动器功能较复
3 驱动器价格较高
流前馈时信号 滤波性能有待 杂，冗余功能较多
更新频率较低 提高
成本较高
（1kHz
4 驱动器峰值 4 与现有的具有
电流过载能力 EtherCAT 接口（贝
产品中最强， 2 低速保持力 2 低速保持力 程，脱离控制器完成 线方式，驱动器信号实时
2 价格成本在进口 可与欧美系 矩较高
矩较高
控制（适合单轴或多 获取可以进行纯力矩模
电机中最低
产品媲美 3 支持
3 支持
轴非耦合控制场合） 式控制
2 高端产品 EtherCAT 总 EtherCAT 总 3 支持总线接口，驱
其他功 位置回路的低频振
能
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 1`动态响应 1 动态响应能 1 动态响应能 1 动态响应能力领先 1 动态响应能力领先
位置回路振动主动 能力在日系 力较强， 力强，
2 功能强大，可以编 2 支持专用运动控制总
抑制效果较好
品牌
松下 （日系）
ຫໍສະໝຸດ Baidu安川 （日系）
倍福
倍福
伦茨(9400)
(AX2000， (AX5000 贝 （欧美系） Danaher 代 福自主研发)
Danaher、Kollmorgan （欧美系）
工) （欧美系）（欧美系）
功率范 0.05~7.5 KW 围
0.05~15 KW
0.08~10KW 0.08~20KW 0.25~20KW
0.25~15KW
力矩特 低速(<100rpm) 低速
低速
低速
低速(<100rpm)保 低速(<100rpm)保持转
性曲线 保持转矩等于额定 (<100rpm) (<100rpm) (<100rpm) 持转矩大等于额定转 矩大等于额定转矩
转矩，低速恒扭矩 保持转矩等 保持转矩大于 保持转矩大等 矩
于额定转矩， 额定转矩 于额定转矩
Synqnet 总线
口
支持总线接口（仅 线接口（仅为 持电流等驱动 持电流等驱动 EtherCAT/
为脉冲+方向，模 脉冲+方向， 器信号实时采 器信号实时采
Poweerink
拟量）
模拟量） 集）
集）
/DeviceNet 等多种
部分产品支持 部分产品(∑V
总线形式（支持电流
DeltaTau 的内部 型驱动器)支
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)”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，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。
工业机器人技术及关键基础部件
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。
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（2~3 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
等驱动器信号实时采
总线
持 Synqnet
集）
总线
振动抑 速度回路含有陷波 含有各种常 含有各种常规 含有各种常规 含有各种常规滤波器 含有各种常规滤波器
制
滤波器，低通滤波 规滤波器，速 滤波器
滤波器及速度
器，指令平滑滤波，度波动较小。
观测器
编码器信号噪声滤 动态响应能
波
力强
位置回路含有半主 动抑振滤波器（输 入整形滤波器）