CoolDrive A8伺服驅(qū)動(dòng)器在工業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用
近年來(lái)，中國(guó)的工業(yè)機(jī)器人新裝量和保有量都呈現(xiàn)快速的增長(zhǎng)，目前總體保有量已經(jīng)接近10萬(wàn)臺(tái)，而且據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，未來(lái)中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)每年還將以20%的增速增長(zhǎng)。雖然機(jī)器人應(yīng)用已經(jīng)在國(guó)內(nèi)得到快速的發(fā)展，但是我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)仍然以國(guó)外企業(yè)為主，本土企業(yè)的市場(chǎng)占有率僅占4%。這其中一個(gè)很主要的原因就是機(jī)器人核心零部件的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程較慢，國(guó)內(nèi)機(jī)器人整機(jī)廠商只能進(jìn)口國(guó)外產(chǎn)品，導(dǎo)致整機(jī)成本較高，在同國(guó)外廠商的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。
CoolDrive A8伺服驅(qū)動(dòng)器是清能德創(chuàng)電氣技術(shù)（北京）有限公司最新推出的國(guó)內(nèi)首款網(wǎng)絡(luò)化模塊化伺服驅(qū)動(dòng)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(xiàng)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(lái)說(shuō)非常適合用于工業(yè)機(jī)器人行業(yè)，完全可以替代國(guó)外同類產(chǎn)品，為客戶提供更具性價(jià)比的方案。
2、國(guó)產(chǎn)50kG六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人
本次項(xiàng)目所使用的50kG六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人是國(guó)產(chǎn)最新型號(hào)，具有結(jié)構(gòu)緊湊，關(guān)節(jié)速度較高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，精度高，過(guò)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。適用于搬運(yùn)，激光切割，打磨拋光等場(chǎng)合。其產(chǎn)品性能如下表所示：
表1 機(jī)器人性能參數(shù)表
| 型號(hào) | ER50-C20 | |
| 動(dòng)作類型 | 關(guān)節(jié)型 | |
| 控制軸 | 6軸 | |
| 放置方式 | 地裝 | |
| 最大動(dòng)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(dòng)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(dòng)半徑 | 2146mmm | |
| 手腕部最大負(fù)載 | 最大50kg | |
| 重復(fù)定位精度 | ±0.15mm | |
| 本體重量 | 550kg | |
圖1機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)組成圖
3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1客戶需求
客戶這臺(tái)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(shí)要求在帶載運(yùn)行時(shí)保持機(jī)器人的穩(wěn)定性。此外，客戶要求可通過(guò)控制器對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)器也必須保證在執(zhí)行控制器位置指令時(shí)，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(shí)過(guò)載能力和極高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。
如何減少機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的振動(dòng)，一直是機(jī)器人用伺服系統(tǒng)的一個(gè)難題，這也是很多國(guó)內(nèi)伺服產(chǎn)品無(wú)法應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人上的一個(gè)原因。
振動(dòng)主要出現(xiàn)在兩種工況，一是機(jī)器人在啟動(dòng)和停止時(shí)，機(jī)器人本體和末端會(huì)發(fā)生振動(dòng)；一是機(jī)器人在高速運(yùn)行，并移動(dòng)范圍較大時(shí)，本體會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)和運(yùn)行軌跡偏差較大的現(xiàn)象。引起振動(dòng)的主要原因就是機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的慣量發(fā)生了較大變化，要消除振動(dòng)必須在伺服驅(qū)動(dòng)器中加入各種前饋補(bǔ)償控制功能。
3.3系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
通過(guò)對(duì)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(dòng)器的電控系統(tǒng)解決方案。
這套系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)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(kāi)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(kāi)發(fā)；同時(shí)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 A8高性能伺服驅(qū)動(dòng)器
CoolDrive A8是國(guó)內(nèi)首家通過(guò)ETG一致性測(cè)試的產(chǎn)品，因此能夠很好同KEBA控制器進(jìn)行配合；同時(shí)，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(shí)間分別達(dá)到了62.5us、 125us和250us, 頻率響應(yīng)更是高達(dá)3KHz，充分滿足工業(yè)機(jī)器人對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和同步性的要求。
針對(duì)機(jī)器人的振動(dòng)問(wèn)題，CoolDrive A8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(kāi)發(fā)了定位抖動(dòng)消除、慣量前饋等功能，較好的解決了機(jī)器人本體在高速運(yùn)行、快速定位時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。除此之外， CoolDrive A8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(hào)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。
CoolDrive A8還在國(guó)內(nèi)伺服廠商中創(chuàng)新性的采用模塊化設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)由整流模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成，通過(guò)直流母線連接。這樣的結(jié)構(gòu)便于用戶進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，而且連線非常簡(jiǎn)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(jìn)行安全停車，保護(hù)設(shè)備及人員的安全。
4、機(jī)器人實(shí)際性能測(cè)試
在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，在沒(méi)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(shí)，會(huì)發(fā)生明顯振動(dòng)。在機(jī)器人啟動(dòng)的瞬間，如果沒(méi)有提前給定力矩補(bǔ)償，機(jī)器人本體由于重力的作用會(huì)發(fā)生下沉的動(dòng)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(shí)，如果沒(méi)有“定位抖動(dòng)消除”功能，機(jī)器人本體會(huì)由于慣性的突然變化而發(fā)生抖動(dòng)。
下圖是沒(méi)有開(kāi)啟補(bǔ)償及振動(dòng)抑制功能時(shí)，機(jī)器人的位置誤差，可以看到明顯的振動(dòng)現(xiàn)象。
下圖是開(kāi)啟補(bǔ)償及振動(dòng)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(dòng)得到了有效抑制。
5、結(jié)束語(yǔ)
清能德創(chuàng)致力于為國(guó)內(nèi)機(jī)器人整機(jī)廠商提供國(guó)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(duì)伺服系統(tǒng)的要求，同時(shí)也沒(méi)有國(guó)外產(chǎn)品高昂的價(jià)格，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)鍵零部件的國(guó)產(chǎn)化，降低國(guó)內(nèi)機(jī)器人整機(jī)廠商的總體成本，提高國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的競(jìng)爭(zhēng)力。
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