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工业机器人用先进伺服系统关键技术的发展趋势

日期: 2015-11-19 编辑:admin 浏览: 151次

  工业机器人用先进伺服系统关键技术的发展趋势

  工业机器人核心零部件的集成不是一般意义上的搭配或者简单组合,而是从零部件级到系统级、自底向上的层层融合与扩展。集成可分为六个层次。

  第一层次:零部件内在品质提高,各自具备更高性能和通用性;

  第二层次:零部件彼此最佳适配,达到最好的配合性能;

  第三层次:零部件机电一体化耦合,彼此融为一体,性能优化;

  第四层次:集成优化和再工业设计,达到机械、电气、控制和能效方面的协调;

  第五层次:系统扩展和创新设计,采用突破性技术、融合更多技术元素、形成更多特色方案;

  第六层次:大数据和预测性健康管理。目前国内还处在第一层次,惟有实现了这样的多层次集成,才能有效支撑工业机器人的发展并符合未来智慧工厂的需要。

  机器人伺服系统示意图

  先进伺服系统的要求

  智慧工厂成为未来制造业转型升级的大方向。机器人用伺服系统作为自动化装备的核心,要能够全面满足智慧工厂建设的需要。除满足一定的运行性能,稳定可靠、价格合理,还需要进行全面的产品生命周期管理,进行一定程度的功能集成,具备工业以太网通信功能,具备高级别的能效管理,集成物理、功能、信息安全功能,其系统搭建需使用高水平的平台App以满足架构性能和可移植性,其软硬件设计也须符合国际标准和规范。

  机器人用先进伺服系统首先要满足当今主流工业机器人的主要性能指标,通常包括负荷范围、运动范围、精度(重复定位精度、重复轨迹精度)、速度(最大单轴速度、位置稳定时间)、稳定性(位置跟随误差、振动抑制)、功能安全等。

  关键技术的表现

  工业机器人的工作表现受伺服系统影响极大,因而交流伺服系统的关键性能指标永远都是先进性比较的首要因素。在下面这些指标中,不同的应用有着不同的考核重点,如位置分辨率、精度(速度、位置)、系统稳定性、动态响应(速度,力矩)、调速范围、转矩脉动、过载能力、控制环带宽、负载惯量适应性、电机参数适用性等。国外先进伺服系统已经能够很好地适应绝大多数应用的需求,其研发资源集中在个别高端应用及整体性能提升方面,处于精雕细刻阶段。国内厂家的产品很多基本要求尚未达到,还需努力追赶,任重道远。

  伺服系统是机器人关键技术之一

  概括地说,先进伺服系统的关键技术主要表现在以下几个方面。

  功能 功能性的变化是产品实现差异化的重要方式。随着核心处理芯片和App能力的提高,现代交流伺服系统普遍在人机工程、安全性、智能性等方面增加特色。和通常需要很多参数设定的传统多功能、通用化产品相比,最大限度地简化操作,用智能化App提高易用性,追求简洁的外观和简洁的操作界面,成为一种潮流。在接口功能方面,常规的脉冲串和模拟量接口将逐步消失,代之以数字化串行网络接口,RS485/Modbus已经淡出,CAN总线成为中低端标准接口,其他各种现场总线将逐渐为高性能工业以太网取代。对各种第三方编码器的支撑也是必须的;驱动器内置的保护功能将更加完善,对内部电气应力和热应力的测量也不再仅仅用于关键时刻的保护,而更多用于预测性维护、诊断和功能安全用途,以最大限度减少停机时间,提高生产率。针对非机器人应用,如包装机械、机床等,不少欧、美、日系的控制器/驱动器已集成了各种运动控制功能,如电子凸轮、电子齿轮、多段速度设定、指令平滑、同步跟踪、插补运动、自测零位、瞬态转速观测等,并在其他种类的功能上各具特色,百花齐放。而国内厂商的产品尚未形成各自的特色优势。

  安全 安全集成驱动已经成为国外先进伺服系统的标准配置,区别只是集成了多少个安全功能,以及是否可选。关于安全驱动的例子可以在西门子、倍福、Lenze、包米乐等许多欧洲企业产品上见到,最近日本企业的个别产品也开始提供基本的安全功能,比如安全转矩截止(STO)。对大多数国内厂商来说,安全似乎还没有提上日程。就安全技术领域而言,驱动的安全性已经从机械安全和电气安全的阶段,走向功能安全和网络安全。在安全上率先发力的企业将赢得理念和市场的领先。

  能效 对机器人用伺服系统来说,能效已经是必须不断得到提高的关键指标。其中电机本体的高效化早已被大家所熟识,但一系列研究表明,采用高效部件(电机、新型器件等)及提高控制性能固然重要,但系统级能效优化更加重要。

  相对于在驱动器内置或外部加装制动电阻进行制动能量消耗,采用有源前端技术对制动能量进行回收是节能的重要途径。工业机器人一般拥有4个到8个驱动轴,而且他们有着不同的加减速运动规律,共直流母线是一种很好的节能方案。金沙3983cc登录可以把处于减速制动状态的电机的再生能量通过母线传递给其他处于加速状态的电机,从而减少了对电网功率的吸取。并联型驱动在欧洲厂家产品上经常见到,而日本厂家多为单轴型驱动,只有安川和发那科等企业为机床和机器人应用开发了并联型驱动。而国内厂商,迄今为止,只在极少的产品上看到了清晰的并联结构和系统能效管理的理念,如北京清能德创的A8系列伺服驱动器拥有系统能效管理技术,可进行网络能效管理,实现不同的节能模式。

  网络 工业以太网技术、无线网络技术在提升机器人用交流伺服系统的高性能方面起到了举足轻重的作用。低速串行网络如RS485和Modbus适用于离线参数配置和App编程。中速现场总线(1~16Mbit/s)如CAN、Profibus-DP可以用于多轴实时控制的指令给定。只有高速实时工业以太网(100/1000Mbit/s)能够完成高速高精度的多轴、同步、实时控制,比如日趋流行的Ether CAT/SercosIII/Power Link等。德国企业Beckhoff推出的EtherCAT近年来发展势头迅猛,成为大多数高性能驱动系统首选的网络标准。国际品牌驱动器普遍采用了高速工业以太网,同时支撑多种现场总线,典型企业如Emerson CT、Lenze等。国内厂商在该领域的研究普遍不足,仅仅个别厂家推出商品化的产品,通过了Ether CAT一致性测试国际认证。

  智能 App工程和控制理论最新的发展成果,尤其是智能控制技术,越来越多地应用于机器人中,而机器人用现代高性能交流伺服系统,也同时吸取这些技术,使伺服系统越来越多的具备如自学习、自适应、自协调、自诊断、自校正等人工智能特性。其中对电流环采取的各种优化控制策略对保障稳态精度和动态响应的平衡至关重要;自动增益调整、在线惯量辨识、在线电机参数辨识功能有助于减小现场调试难度、增强伺服系统对环境和电机参数时变的适应性;自动振动抑制和App陷波滤波器的设置可减弱甚至消除整个机械传动链的谐振和抖动,提供静音、平滑、高精度的运行效果;故障自诊断和可预测性维护特性可有效减少维护成本,提高系统可用性。对运动控制功能的集成将伺服驱动器提升到所谓的智能伺服控制器的层次,可简化运动控制系统设计,提升控制性能。

  集成 机器人用伺服系统的集成表现在以下两个方面。


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