1、概述
近兩年，面對人工勞動力成本的不斷提升，工業(yè)機(jī)器人日益被企業(yè)倚重，中國工業(yè)機(jī)器人市場呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。據(jù)國際機(jī)器人協(xié)會（IFR）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年全球工業(yè)機(jī)器人銷量為22.5萬臺左右，其中亞洲的銷量幾乎占到2/3.而中國市場的工業(yè)機(jī)器人銷量更是增長54%，達(dá)到5.6萬臺左右。但值得注意的是，本土機(jī)器人供應(yīng)商的銷量僅為1.6萬臺。究其原因，很重要的一個因素就是機(jī)器人核心零部件的國產(chǎn)化進(jìn)程較慢，國內(nèi)機(jī)器人整機(jī)廠商只能進(jìn)口國外產(chǎn)品，導(dǎo)致整機(jī)成本較高，在同國外廠商的競爭中處于劣勢。
CoolDrive R6一體化伺服驅(qū)動器是清能德創(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無論從產(chǎn)品形態(tài)還是集成功能上來說都非常適合用于工業(yè)機(jī)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)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(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，同時要求在帶載運(yùn)行時保持機(jī)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(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(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)的瞬時過載能力和極高的動態(tài)響應(yīng)特性。
如何減少機(jī)器人在運(yùn)行過程中發(fā)生的振動，一直是機(jī)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(jī)器人上的一個原因。
振動主要出現(xiàn)在兩種工況，一是機(jī)器人在啟動和停止時，機(jī)器人本體和末端會發(fā)生振動；一是機(jī)器人在高速運(yùn)行，并移動范圍較大時，本體會出現(xiàn)振動和運(yùn)行軌跡偏差較大的現(xiàn)象。引起振動的主要原因就是機(jī)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(bǔ)償控制功能。
3.2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
通過對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)動器的電控系統(tǒng)解決方案。
圖1 CoolDrive R6現(xiàn)場應(yīng)用圖
這套系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：
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)器人的開發(fā)；同時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)動器
CoolDrive R6是清能德創(chuàng)在進(jìn)行大量工業(yè)機(jī)器人市場及客戶的需求調(diào)研后，為其量身打造的一款伺服產(chǎn)品。作為國內(nèi)首款機(jī)器人專用一體化伺服驅(qū)動器，CoolDrive R6無論從設(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)集成了六個伺服軸，同時還預(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，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，并開發(fā)了定位抖動消除、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、快速定位時產(chǎn)生的振動，并且提高機(jī)器人的動態(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)際性能測試
在實(shí)際測試過程中，在沒有加入速度、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，會發(fā)生明顯振動。在機(jī)器人啟動的瞬間，如果沒有提前給定力矩補(bǔ)償，機(jī)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(diǎn)頭”。而在機(jī)器人由高速運(yùn)行狀態(tài)快速停止時，如果沒有“定位抖動消除”功能，機(jī)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(bǔ)償及振動抑制功能時，機(jī)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(bǔ)償及振動抑制功能后，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(jī)器人整機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)鍵零部件的國產(chǎn)化，降低國內(nèi)機(jī)器人整機(jī)廠商的總體成本，提高國產(chǎn)機(jī)器人的競爭力。
