CoolDrive A8伺服驅(qū)動器在工業(yè)機器人上的應(yīng)用
近年來，中國的工業(yè)機器人新裝量和保有量都呈現(xiàn)快速的增長，目前總體保有量已經(jīng)接近10萬臺，而且據(jù)調(diào)研機構(gòu)預(yù)計，未來中國工業(yè)機器人市場每年還將以20%的增速增長。雖然機器人應(yīng)用已經(jīng)在國內(nèi)得到快速的發(fā)展，但是我國機器人市場仍然以國外企業(yè)為主，本土企業(yè)的市場占有率僅占4%。這其中一個很主要的原因就是機器人核心零部件的國產(chǎn)化進程較慢，國內(nèi)機器人整機廠商只能進口國外產(chǎn)品，導致整機成本較高，在同國外廠商的競爭中處于劣勢。
CoolDrive A8伺服驅(qū)動器是清能德創(chuàng)電氣技術(shù)（北京）有限公司最新推出的國內(nèi)首款網(wǎng)絡(luò)化模塊化伺服驅(qū)動產(chǎn)品，融合了共直流母線、能效管理、功能安全，多軸同步等多項創(chuàng)新技術(shù)，為客戶提供更節(jié)能，更靈活，更安全的伺服系統(tǒng)。CoolDrive A8從產(chǎn)品形態(tài)、功能上來說非常適合用于工業(yè)機器人行業(yè)，完全可以替代國外同類產(chǎn)品，為客戶提供更具性價比的方案。
2、國產(chǎn)50kG六關(guān)節(jié)工業(yè)機器人
本次項目所使用的50kG六關(guān)節(jié)工業(yè)機器人是國產(chǎn)最新型號，具有結(jié)構(gòu)緊湊，關(guān)節(jié)速度較高，動態(tài)響應(yīng)快，精度高，過載能力強等特點。電控系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，擴展應(yīng)用方便。適用于搬運，激光切割，打磨拋光等場合。其產(chǎn)品性能如下表所示：
表1 機器人性能參數(shù)表
| 型號 | ER50-C20 | |
| 動作類型 | 關(guān)節(jié)型 | |
| 控制軸 | 6軸 | |
| 放置方式 | 地裝 | |
| 最大動作速度 | J1軸 | 130°/sec |
| J2軸 | 130°/sec | |
| J3軸 | 130°/sec | |
| J4軸 | 250°/sec | |
| J5軸 | 250°/sec | |
| J6軸 | 355°/sec | |
| 最大動作范圍 | J1軸 | ±180° |
| J2軸 | +80°/-135° | |
| J3軸 | +225°/-80° | |
| J4軸 | ±360° | |
| J5軸 | ±120° | |
| J6軸 | ±450° | |
| 最大活動半徑 | 2146mmm | |
| 手腕部最大負載 | 最大50kg | |
| 重復(fù)定位精度 | ±0.15mm | |
| 本體重量 | 550kg | |
圖1機器人機械系統(tǒng)組成圖
3、系統(tǒng)設(shè)計
3.1客戶需求
客戶這臺6關(guān)節(jié)工業(yè)機器人要求實現(xiàn)較高的關(guān)節(jié)速度和重復(fù)定位精度，同時要求在帶載運行時保持機器人的穩(wěn)定性。此外，客戶要求可通過控制器對伺服驅(qū)動器的內(nèi)部功能參數(shù)進行人工在線設(shè)定，以便實現(xiàn)精確控制。
3.2設(shè)計難點
工業(yè)機器人是非常典型的多軸控制系統(tǒng)，為使機器人能達到較高的重復(fù)定位精度，除了要求控制器有很強的路徑規(guī)劃算法及插補功能以外，伺服驅(qū)動器也必須保證在執(zhí)行控制器位置指令時，保持所有關(guān)節(jié)嚴格同步。而為了提高機器人的運行速度，就需要伺服系統(tǒng)具有很強的瞬時過載能力和極高的動態(tài)響應(yīng)特性。
如何減少機器人在運行過程中發(fā)生的振動，一直是機器人用伺服系統(tǒng)的一個難題，這也是很多國內(nèi)伺服產(chǎn)品無法應(yīng)用到工業(yè)機器人上的一個原因。
振動主要出現(xiàn)在兩種工況，一是機器人在啟動和停止時，機器人本體和末端會發(fā)生振動；一是機器人在高速運行，并移動范圍較大時，本體會出現(xiàn)振動和運行軌跡偏差較大的現(xiàn)象。引起振動的主要原因就是機器人各個關(guān)節(jié)的慣量發(fā)生了較大變化，要消除振動必須在伺服驅(qū)動器中加入各種前饋補償控制功能。
3.3系統(tǒng)方案設(shè)計
通過對客戶需求的深入分析，我們?yōu)榭蛻粼O(shè)計了“KEBA控制器+CoolDrive A8”伺服驅(qū)動器的電控系統(tǒng)解決方案。
這套系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：
1. 機器人專用控制系統(tǒng)
本次項目選擇的是KEBA專為機器人行業(yè)開發(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，具有很高的計算性能和通訊速度。
KeMotion還提供了強大的機器人控制軟件，其中內(nèi)置了多種類型的機器人路徑規(guī)劃模型，能夠快速完成機器人的開發(fā)；同時軟件還提供了豐富的補償算法和插補功能，保證了機器人的控制精度。
2. CoolDrive A8高性能伺服驅(qū)動器
CoolDrive A8是國內(nèi)首家通過ETG一致性測試的產(chǎn)品，因此能夠很好同KEBA控制器進行配合；同時，CoolDrive A8內(nèi)置的電流環(huán)、 速度環(huán)以及位置環(huán)的循環(huán)時間分別達到了62.5us、 125us和250us, 頻率響應(yīng)更是高達3KHz，充分滿足工業(yè)機器人對動態(tài)響應(yīng)和同步性的要求。
針對機器人的振動問題，CoolDrive A8加入了速度、加速度前饋補償，力矩補償?shù)妊a償算法，并開發(fā)了定位抖動消除、慣量前饋等功能，較好的解決了機器人本體在高速運行、快速定位時產(chǎn)生的振動。除此之外， CoolDrive A8還增加了電機弱磁控制技術(shù)以實現(xiàn)機器人的輕載高速運行，增加編碼器信號修正技術(shù)以提高機器人的穩(wěn)定性和降低運行中的噪音等。
CoolDrive A8還在國內(nèi)伺服廠商中創(chuàng)新性的采用模塊化設(shè)計。整個系統(tǒng)由整流模塊和電機驅(qū)動模塊構(gòu)成，通過直流母線連接。這樣的結(jié)構(gòu)便于用戶進行系統(tǒng)擴展，而且連線非常簡單，直流母線還能提高系統(tǒng)的能源效率，使設(shè)備更加節(jié)能。CoolDrive A8還內(nèi)置了STO、SS1、SS2等安全功能，在緊急情況下能夠按照事先預(yù)定的規(guī)則進行安全停車，保護設(shè)備及人員的安全。
4、機器人實際性能測試
在實際測試過程中，在沒有加入速度、加速度前饋補償，力矩補償?shù)妊a償算法的情況下，機器人在滿載運行時，會發(fā)生明顯振動。在機器人啟動的瞬間，如果沒有提前給定力矩補償，機器人本體由于重力的作用會發(fā)生下沉的動作，也就是俗稱的“點頭”。而在機器人由高速運行狀態(tài)快速停止時，如果沒有“定位抖動消除”功能，機器人本體會由于慣性的突然變化而發(fā)生抖動。
下圖是沒有開啟補償及振動抑制功能時，機器人的位置誤差，可以看到明顯的振動現(xiàn)象。
下圖是開啟補償及振動抑制功能后，機器人本體的位置誤差情況，能夠非常明顯的看出，機器人本體的振動得到了有效抑制。
5、結(jié)束語
清能德創(chuàng)致力于為國內(nèi)機器人整機廠商提供國產(chǎn)高端伺服系統(tǒng)，在性能和功能上能夠滿足機器人對伺服系統(tǒng)的要求，同時也沒有國外產(chǎn)品高昂的價格，從而實現(xiàn)機器人關(guān)鍵零部件的國產(chǎn)化，降低國內(nèi)機器人整機廠商的總體成本，提高國產(chǎn)機器人的競爭力。
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