多軸機械手臂行業(yè)現(xiàn)狀

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. 多軸機械手臂行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)研 Author Version Email Yanqing.Wang 1.0 Yanqing.wang@gitech.cn Date Modify Content  目錄 第一章 伺服電機及驅(qū)動器 3 1.1 伺服電機 3 1.2 反饋設(shè)備 4 1.2.1 旋轉(zhuǎn)變壓器 5 1.2.2 增量式編碼器 5 1.2.3 Sin/Cos 編碼器 6 1.2.4 絕對值式編碼器 7 1.3 伺服驅(qū)動器 8 1.3.1 整流電路 9 1.3.2 再生制動電路 9 1.3.3 逆變電路 9 1.3.4 主控單元 10 第二章 多軸機械手臂及驅(qū)動器設(shè)計方案 12 2.1 機械手臂 12 2.2 機械手臂驅(qū)動器 13  第一章 伺服電機及驅(qū)動器 目前伺服電機主要分為歐系和日系兩大系列，兩種系列的伺服電機各有其特點，歐系伺服電機價格偏貴、質(zhì)量偏重（金屬件多）以及應(yīng)用范圍廣，日系電機價格適中、質(zhì)量輕便（有部分為塑料件）以及偏向于常規(guī)應(yīng)用，在市場上形成兩雄并立、互為補充的局面。 伺服電機和伺服驅(qū)動器一般都是同公司的伺服產(chǎn)品配套使用。對于日系伺服產(chǎn)品，同公司的伺服驅(qū)動器只能與該公司的伺服電機配套使用，無法與他家的伺服電機兼容；對于歐系產(chǎn)品，同公司的伺服驅(qū)動器不僅能與該公司的伺服電機配套使用，也可以與他家的伺服電機兼容使用，像西門子的伺服驅(qū)動器可以與市面上所有的同步以及異步電機兼容使用，但使用他家的伺服電機需要對伺服驅(qū)動器的參數(shù)做較大的調(diào)整修改，對使用者的專業(yè)技能要求非常高。在沒有足夠的伺服技術(shù)儲備的情況下，請盡量遵循同公司伺服產(chǎn)品配套使用這一原則，避免不必要的技術(shù)風(fēng)險。 因此，在本文中對伺服電機和伺服驅(qū)動器進行討論，以期對了解伺服工作原理有所幫助。 歐系和日系伺服電機的典型品牌如表格1： 表格 1 典型品牌 歐系 Siemens（西門子），Kollmorgen（科爾摩根），ABB，施耐德，GE，Bosch（博士力士樂），Parker Hannifin（派克 漢芬尼） 日系 Panasonic（松下），Mitsubishi（三菱），Yaskawa（安川），F(xiàn)anuc（發(fā)那科），Delta（臺灣臺達為三菱系的仿制品），匯川（國產(chǎn)品牌） 1.1 伺服電機 國內(nèi)的歐系伺服電機以西門子伺服電機最為常見，市場占有率最高，相應(yīng)的技術(shù)支持以及售后服務(wù)也最為完善。Kollmorgen伺服電機為美國伺服電機品牌，與NI公司的運動控制產(chǎn)品具有最好的兼容性（與西門子伺服產(chǎn)品兼容性較差），在國內(nèi)的市場也有一定占有率。在高端以及特殊的應(yīng)用場合中，歐系伺服電機具有良好的性價比。 國內(nèi)的日系伺服電機因其價格低廉，易操作等優(yōu)點，在國內(nèi)具有相當(dāng)大的市場占有率。目前市場上常見的日系伺服電機品牌有三菱、松下以及安川，其操作使用方式基本類似。 Figure 1 伺服電機內(nèi)部結(jié)構(gòu) 伺服電機的主要組成部分如圖1 所示，電機前端由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子由永磁材料制作，電機后端由編碼器組成。某些特殊的應(yīng)用中，還需要加剎車制動器，防止當(dāng)電機靜止時負載拖動電機運動。 伺服電機和和普通異步電機的區(qū)別在于轉(zhuǎn)子。異步電機因其轉(zhuǎn)子需要加勵磁電壓，所以無法做到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與磁場變化速度同步，具有轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差的大小是反映電機好壞的一個重要指標(biāo)。 伺服電機必須加入三相電（UVW），電壓和頻率由伺服驅(qū)動器決定，伺服驅(qū)動器根據(jù)設(shè)定的位置、速度和扭矩命令通過PID控制器實時調(diào)整電壓以及頻率的大小。 目前，伺服電機的功率已經(jīng)可以做到幾十ＫＷ級別。選用伺服電機有以下幾個技術(shù)指標(biāo)： l 額定扭矩/最大扭矩 l 額定轉(zhuǎn)速/最大轉(zhuǎn)速 l 電機功率 l 工作溫度范圍 1.2 反饋設(shè)備 高性能的伺服電機離不開高性能的反饋設(shè)備，通過反饋設(shè)備可得到以下數(shù)據(jù)： ? 為內(nèi)部/外部位置控制提供位置信息 ? 為放大器提供軸位置 ? 在充當(dāng)?shù)诙幋a器時的位置信息 ? 停車后的絕對位置 增量式編碼器因其價格便宜、安裝方便、使用簡單，能滿足常見的反饋控制需求，故目前市場上絕大部分伺服電機配備的反饋設(shè)備為增量式編碼器，對精度要求高的場合可選用Sin/Cos增量式編碼器；對絕對定位要求高的情況下，通常選用絕對值式編碼器；在超高超低溫度以及其他惡劣的環(huán)境下，旋轉(zhuǎn)變壓器因其無電子芯片，無疑是最佳選擇。 1.2.1 旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器就是一個旋轉(zhuǎn)的變壓器。最常見的是無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器有三個線圈繞組。給定信號，比如一個8 kHz的正弦波， 通過一個變壓器連接到設(shè)備的旋轉(zhuǎn)部分。這使承載給定的線圈與軸旋轉(zhuǎn)在相同的速度。其它兩個線圈90度相移放置。旋轉(zhuǎn)的線圈在這兩個線圈上感應(yīng)電壓。輸出信號送到放大器，通過這些信號可以得到轉(zhuǎn)子的速度和位置。經(jīng)常的，旋轉(zhuǎn)變壓器信號被轉(zhuǎn)換成脈沖列，用于外部運動控制器。也就是說，輸出一個模仿編碼器通道A,B和Z脈沖，讀取編碼器信息。 Figure 2 旋轉(zhuǎn)變壓器原理 1.2.2 增量式編碼器 增量式編碼器基本原理是基于一個光源，圓盤，感光單元（傳感器）。圓盤裝在光源和傳感器之間。圓盤上有細孔，使光對于傳感器可見或不可見。當(dāng)光可見時，傳感器輸出數(shù)字化的方波脈沖。當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動時，傳感器生成一個脈沖列。脈沖列的頻率與軸的速度有關(guān)，接收終端可以計算得到。編碼器有各種規(guī)格，但是對于運動控制，最常使用的是兩個通道加上一個零通道。一般每個通道是差動的，所以輸出是A,A負,B,B負和Z,Z負。 Figure 3 增量式編碼器原理 1.2.3 Sin/Cos 編碼器 Sin/Cos編碼器工作方式與增量式編碼器類似。典型的有三個通道， A, B 和 Z。增量式編碼器的輸出是數(shù)字化的方波，Sin/Cos編碼器的輸出是一個象征數(shù)字的全正弦和余弦波形。 比如，轉(zhuǎn)數(shù)可以是1024 滿轉(zhuǎn)，也常稱之為“增量”。傳動的接收電路計算這些信號間的增量和插值來提高分辨率。插值取決于傳動的采樣時間。舉個例子，如果采樣時間是250 us, 每250 us取一個正弦和余弦值，速度越低，得到的分辨率越高（反之亦然）。從數(shù)學(xué)的角度上來看，角度是arctan (sin/cos)。 典型的，傳動硬件輸出一個正余弦信號的方形信號，所以看到的是一個用于計算的脈沖列?？梢杂脙赏ǖ赖纳仙睾拖陆笛貋斫o出每轉(zhuǎn)的四個信號。這樣就導(dǎo)致，信號數(shù)量比編碼器數(shù)據(jù)的指定轉(zhuǎn)數(shù)高四倍。 Figure 4 Sin/Cos編碼器原理 啟動時也需要轉(zhuǎn)子絕對位置。這個通道每轉(zhuǎn)提供一個全正余弦周期，從而能夠找到轉(zhuǎn)子位置。當(dāng)正余弦通道顯示零位時通過確認Z-脈沖為“ 高”來檢測Z脈沖位置。 1.2.4 絕對值式編碼器 絕對值式編碼器可按照給定的分辨率發(fā)出0到360之間的絕對角度位置信號，無論電機是否掉電上電，總能準(zhǔn)確的找到電機零點位置。 Figure 5 絕對值式編碼器原理 1.3 伺服驅(qū)動器 Figure 6 簡明伺服驅(qū)動器原理 Figure 7 三菱驅(qū)動器原理 伺服驅(qū)動器是交流伺服系統(tǒng)的核心設(shè)備。其功能是將工頻（50/60HZ）交流電源轉(zhuǎn)換成幅度和頻率均可變的交流電源供給伺服電動機。當(dāng)伺服驅(qū)動器工作在速度控制模式時，通過控制輸出電源的頻率來對電機進行調(diào)速；當(dāng)工作在轉(zhuǎn)矩控制模式時，通過控制輸出電源的幅度來對電機進行轉(zhuǎn)矩控制；當(dāng)工作在位置控制模式時，根據(jù)輸入脈沖來決定輸出電源的通斷時間。 伺服驅(qū)動器的主要組成部分：整流電路，再生制動電路，逆變電路，主控單元。 1.3.1 整流電路 Figure 8 三相整流電路 整流電路又稱AC—>DC轉(zhuǎn)換電路，其功能是將工頻AC交流電源轉(zhuǎn)換成DC直流電源?；巨D(zhuǎn)換思路是采用基于二極管組成的整流橋。 無論伺服驅(qū)動器的輸入電源為兩相電（AC220V）還是三相電（AC380V），經(jīng)過整流電路后最終輸出的為高壓直流電（DC 500~700V）。 1.3.2 再生制動電路 當(dāng)需要伺服電機減速時，伺服驅(qū)動器的逆變器輸出交流頻率下降，但由于慣性原因，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會短時高于繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，此時，伺服電機處于再生發(fā)電狀態(tài)，它會產(chǎn)生電動勢通過逆變電路對濾波電容反充電，使電容兩端電壓升高。 為了防止伺服電機減速而進入再生發(fā)電狀態(tài)時對電容充的電壓過高，同時也為了提高減速制動速度，通常需要在伺服驅(qū)動器的電路中加入再生制動電路。 簡單的說，當(dāng)電壓檢測電路檢測到電壓過高時，接通外置/內(nèi)置的制動電阻（阻值為幾十歐姆左右的水泥功率電阻），以電阻發(fā)熱的方式消耗因伺服電機發(fā)電而產(chǎn)生的多余電能。 1.3.3 逆變電路 逆變電路又稱DC—>AC轉(zhuǎn)換電路，能將直流電源轉(zhuǎn)換成交流電源。 Figure 9 典型的三相電壓逆變電路 圖6中的Q1~Q6為半導(dǎo)體功率切換器件（IGBT，MosFET，晶閘管，三極管等），在工作中，Q1~Q6控制極加有控制電路（主控單元）送來的控制開關(guān)信號，通過控制開關(guān)信號的開斷時間就可以形成頻率幅值時間可調(diào)的SPWM波。 1.3.4 主控單元 主控單元的主要功能就是根據(jù)外界輸入的指令信號以及閉路反饋信號產(chǎn)生逆變電路生成SPWM波所需的控制開關(guān)信號。通過控制開關(guān)信號就可以改變SPWM的幅值、頻率、開斷時間，從而控制伺服電機的扭矩、轉(zhuǎn)速以及位置。 Figure 10 SPWM生成原理 SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）正弦脈寬調(diào)制技術(shù)：通過對一系列寬窄不等的脈沖進行調(diào)制，來等效正弦波形（幅值、相位和頻率）。從電壓波形來看，呈現(xiàn)的是寬窄不等的脈沖波，但因電機是感性負載，能阻止電流的快速變化，因此，電機上的電流波形是帶毛刺的近似正弦波波形。 伺服驅(qū)動器有三種重要的工作模式：位置模式（P模式）、速度模式（V模式）以及扭矩模式（T模式）。其中，P模式和V模式是較為接近的控制模式，T模式與其他兩種模式區(qū)別較大。 Figure 11 伺服控制模式比較 第二章 多軸機械手臂及驅(qū)動器設(shè)計方案 機械手臂的主要構(gòu)成部分有手部機構(gòu)、運動機構(gòu)以及伺服控制系統(tǒng)三大部分。手部機構(gòu)是用于抓、持物品的部分，根據(jù)被抓持物品的形狀、材質(zhì)、重量以及作業(yè)要求的不同而不同，如夾持式、抓取式和吸附式等。運動機構(gòu)是機械手關(guān)節(jié)部分，能使機械手通過轉(zhuǎn)動、平移或者復(fù)合運動來改變被抓持物品的位置和姿勢。伺服控制系統(tǒng)是機械手的核心部分，它用于機械手各個動作的控制。 2.1 機械手臂 根據(jù)機械手自身結(jié)構(gòu)的特點和不同的運動形式，可以分為串聯(lián)型機械手臂和并聯(lián)型機械手臂。 串聯(lián)型機械手臂具有不同的形式： 1．直角坐標(biāo)式 如圖12.a，其手臂的運動由三個方向組成，即沿X軸方向平移、沿Y軸方向伸縮、沿Z軸方向升降。這種坐標(biāo)形式的機械手又稱為笛卡爾機械手，其結(jié)構(gòu)簡單，定位準(zhǔn)確，但是由于占地面積大、靈活性較差，限制了其使用范圍。 2．水平關(guān)節(jié)式 如圖12.b，其主要結(jié)構(gòu)由一個或多個垂直轉(zhuǎn)軸和垂直方向的升降軸組成，相對于直角坐標(biāo)式機械手更加靈活，其活動范圍為360度圓柱形空間。 3．球面坐標(biāo)式 如圖12.c，機械手的動作一般包括平移和旋轉(zhuǎn)，即沿X軸方向的伸縮、繞Y、Z軸方向的旋轉(zhuǎn)。該類機械手靈活性好，占地面積小，適用于狹小空間的取物工作，例如，從圓柱體或球型工作內(nèi)取出物體。 4．關(guān)節(jié)式 如圖12.d，該類型機械手與人類的手臂類似，各個關(guān)節(jié)等同于人類的手腕、手臂，自由度高，可以確保手臂到達空間任意位置。在實際工作中，它能夠在抓取物件時避開障礙物，但此類機械手的機械結(jié)構(gòu)和控制方法較為復(fù)雜。 串聯(lián)型機械手，是由剛度很大的桿通過關(guān)節(jié)連接起來的。由于機械手這樣的連接，即使它們有很強的連接，其負載能力和剛性還是很低。很明顯，剛性差就意味著位置精度低。并聯(lián)型機械手彌補了這種缺陷，并聯(lián)型機械手能夠用較輕的桿來承受較大的給定負載。 Figure 12 串聯(lián)式機械手臂 Figure 13 并聯(lián)式機械手臂 如圖13，并聯(lián)型機械手由多條串聯(lián)型腿、移動平臺和基座平臺組成。每條串聯(lián)型腿都是由串聯(lián)型運動鏈構(gòu)成，一般上端與基座平臺相連，下端與移動平臺相連。串聯(lián)型機械手與并聯(lián)型機械手的主要差別是：機械手的每一個關(guān)節(jié)是否都是主動的。一般而言，并聯(lián)型機械手有非主動關(guān)節(jié)，所以其結(jié)構(gòu)比串聯(lián)型更加復(fù)雜。 2.2 機械手臂驅(qū)動器 目前，市場上流行的運動控制系統(tǒng)從架構(gòu)上可以大體上分為如下三大類： 1. 以單片機為核心控制器構(gòu)成的運動控制系統(tǒng)，此類控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力一般，處理速度較慢，精度不高，但成本相對較低，易于設(shè)計和實現(xiàn)?；赑LC開發(fā)的運動控制器便是典型案例； 2. 以PC機+運動控制卡模式的伺服運動控制系統(tǒng)。這種控制方案是利用開放式的運動控制卡嵌入到計算機中組成伺服運動控制系統(tǒng)。它能夠完成軌跡規(guī)劃、插補控制、伺服濾波的控制和伺服驅(qū)動、外部通用I/O接口功能。它具有豐富的函數(shù)庫可供用戶根據(jù)自己實際場合的需求，在PC機上自行開發(fā)應(yīng)用軟件，可以組成多種控制系統(tǒng)。常見的為美國ＮＩ公司推出來的基于PCI/PXI總線的73XX運動控制器以及臺灣研華的運動控制器。 3. 基于嵌入式ARM/DSP/CPLD模式的總線型運動控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)將伺服驅(qū)動器和伺服控制器合并在一個控制器當(dāng)中，所有的控制器通過總線（ProfiNET/CANopen/EtheCAT等）進行通訊連接，大大簡化了運動控制系統(tǒng)的接線?？偩€型運動控制系統(tǒng)是未來運動控制器的一個發(fā)展趨勢。 .