多轴机械手臂行业现状.docx
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多轴机械手臂行业现状
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多轴机械手臂行业现状
多轴机械手臂行业现状调研
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Yanqing.Wang
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第一章伺服电机及驱动器
目前伺服电机主要分为欧系和日系两大系列，两种系列的伺服电机各有其特点，欧系伺服电机价格偏贵、质量偏重（金属件多）以及应用范围广，日系电机价格适中、质量轻便（有部分为塑料件）以及偏向于常规应用，在市场上形成两雄并立、互为补充的局面。
伺服电机和伺服驱动器一般都是同公司的伺服产品配套使用。
对于日系伺服产品，同公司的伺服驱动器只能与该公司的伺服电机配套使用，无法与他家的伺服电机兼容；对于欧系产品，同公司的伺服驱动器不仅能与该公司的伺服电机配套使用，也可以与他家的伺服电机兼容使用，像西门子的伺服驱动器可以与市面上所有的同步以及异步电机兼容使用，但使用他家的伺服电机需要对伺服驱动器的参数做较大的调整修改，对使用者的专业技能要求非常高。
在没有足够的伺服技术储备的情况下，请尽量遵循同公司伺服产品配套使用这一原则，避免不必要的技术风险。
因此，在本文中对伺服电机和伺服驱动器进行讨论，以期对了解伺服工作原理有所帮助。
欧系和日系伺服电机的典型品牌如表格1：
表格1典型品牌
欧系
Siemens（西门子），Kollmorgen（科尔摩根），ABB，施耐德，GE，Bosch（博士力士乐），ParkerHannifin（派克汉芬尼）
日系
Panasonic（松下），Mitsubishi（三菱），Yaskawa（安川），Fanuc（发那科），Delta（台湾台达为三菱系的仿制品），汇川（国产品牌）
1.1伺服电机
国内的欧系伺服电机以西门子伺服电机最为常见，市场占有率最高，相应的技术支持以及售后服务也最为完善。
Kollmorgen伺服电机为美国伺服电机品牌，与NI公司的运动控制产品具有最好的兼容性（与西门子伺服产品兼容性较差），在国内的市场也有一定占有率。
在高端以及特殊的应用场合中，欧系伺服电机具有良好的性价比。
国内的日系伺服电机因其价格低廉，易操作等优点，在国内具有相当大的市场占有率。
目前市场上常见的日系伺服电机品牌有三菱、松下以及安川，其操作使用方式基本类似。
Figure1伺服电机内部结构
伺服电机的主要组成部分如图1所示，电机前端由转子和定子组成，转子由永磁材料制作，电机后端由编码器组成。
某些特殊的应用中，还需要加刹车制动器，防止当电机静止时负载拖动电机运动。
伺服电机和和普通异步电机的区别在于转子。
异步电机因其转子需要加励磁电压，所以无法做到转子旋转速度与磁场变化速度同步，具有转差，转差的大小是反映电机好坏的一个重要指标。
伺服电机必须加入三相电（UVW），电压和频率由伺服驱动器决定，伺服驱动器根据设定的位置、速度和扭矩命令通过PID控制器实时调整电压以及频率的大小。
目前，伺服电机的功率已经可以做到几十ＫＷ级别。
选用伺服电机有以下几个技术指标：
额定扭矩/最大扭矩
额定转速/最大转速
电机功率
工作温度范围
1.2反馈设备
高性能的伺服电机离不开高性能的反馈设备，通过反馈设备可得到以下数据：
为内部/外部位置控制提供位置信息
为放大器提供轴位置
在充当第二编码器时的位置信息
停车后的绝对位置
增量式编码器因其价格便宜、安装方便、使用简单，能满足常见的反馈控制需求，故目前市场上绝大部分伺服电机配备的反馈设备为增量式编码器，对精度要求高的场合可选用Sin/Cos增量式编码器；对绝对定位要求高的情况下，通常选用绝对值式编码器；在超高超低温度以及其他恶劣的环境下，旋转变压器因其无电子芯片，无疑是最佳选择。
1.2.1旋转变压器
旋转变压器就是一个旋转的变压器。
最常见的是无刷旋转变压器。
旋转变压器有三个线圈绕组。
给定信号，比如一个8kHz的正弦波，通过一个变压器连接到设备的旋转部分。
这使承载给定的线圈与轴旋转在相同的速度。
其它两个线圈90度相移放置。
旋转的线圈在这两个线圈上感应电压。
输出信号送到放大器，通过这些信号可以得到转子的速度和位置。
经常的，旋转变压器信号被转换成脉冲列，用于外部运动控制器。
也就是说，输出一个模仿编码器通道A,B和Z脉冲，读取编码器信息。
Figure2旋转变压器原理
1.2.2增量式编码器
增量式编码器基本原理是基于一个光源，圆盘，感光单元（传感器）。
圆盘装在光源和传感器之间。
圆盘上有细孔，使光对于传感器可见或不可见。
当光可见时，传感器输出数字化的方波脉冲。
当圆盘转动时，传感器生成一个脉冲列。
脉冲列的频率与轴的速度有关，接收终端可以计算得到。
编码器有各种规格，但是对于运动控制，最常使用的是两个通道加上一个零通道。
一般每个通道是差动的，所以输出是A,A负,B,B负和Z,Z负。
Figure3增量式编码器原理
1.2.3Sin/Cos编码器
Sin/Cos编码器工作方式与增量式编码器类似。
典型的有三个通道，A,B和Z。
增量式编码器的输出是数字化的方波，Sin/Cos编码器的输出是一个象征数字的全正弦和余弦波形。
比如，转数可以是1024满转，也常称之为“增量”。
传动的接收电路计算这些信号间的增量和插值来提高分辨率。
插值取决于传动的采样时间。
举个例子，如果采样时间是250us,每250us取一个正弦和余弦值，速度越低，得到的分辨率越高（反之亦然）。
从数学的角度上来看，角度是arctan（sin/cos）。
典型的，传动硬件输出一个正余弦信号的方形信号，所以看到的是一个用于计算的脉冲列。
可以用两通道的上升沿和下降沿来给出每转的四个信号。
这样就导致，信号数量比编码器数据的指定转数高四倍。
Figure4Sin/Cos编码器原理
启动时也需要转子绝对位置。
这个通道每转提供一个全正余弦周期，从而能够找到转子位置。
当正余弦通道显示零位时通过确认Z-脉冲为“高”来检测Z脉冲位置。
1.2.4绝对值式编码器
绝对值式编码器可按照给定的分辨率发出0°到360°之间的绝对角度位置信号，无论电机是否掉电上电，总能准确的找到电机零点位置。
Figure5绝对值式编码器原理
1.3伺服驱动器
Figure6简明伺服驱动器原理
Figure7三菱驱动器原理
伺服驱动器是交流伺服系统的核心设备。
其功能是将工频（50/60HZ）交流电源转换成幅度和频率均可变的交流电源供给伺服电动机。
当伺服驱动器工作在速度控制模式时，通过控制输出电源的频率来对电机进行调速；当工作在转矩控制模式时，通过控制输出电源的幅度来对电机进行转矩控制；当工作在位置控制模式时，根据输入脉冲来决定输出电源的通断时间。
伺服驱动器的主要组成部分：
整流电路，再生制动电路，逆变电路，主控单元。
1.3.1整流电路
Figure8三相整流电路
整流电路又称AC—>DC转换电路，其功能是将工频AC交流电源转换成DC直流电源。
基本转换思路是采用基于二极管组成的整流桥。
无论伺服驱动器的输入电源为两相电（AC220V）还是三相电（AC380V），经过整流电路后最终输出的为高压直流电（DC500~700V）。
1.3.2再生制动电路
当需要伺服电机减速时，伺服驱动器的逆变器输出交流频率下降，但由于惯性原因，电动机转子转速会短时高于绕组产生的旋转磁场转速，此时，伺服电机处于再生发电状态，它会产生电动势通过逆变电路对滤波电容反充电，使电容两端电压升高。
为了防止伺服电机减速而进入再生发电状态时对电容充的电压过高，同时也为了提高减速制动速度，通常需要在伺服驱动器的电路中加入再生制动电路。
简单的说，当电压检测电路检测到电压过高时，接通外置/内置的制动电阻（阻值为几十欧姆左右的水泥功率电阻），以电阻发热的方式消耗因伺服电机发电而产生的多余电能。
1.3.3逆变电路
逆变电路又称DC—>AC转换电路，能将直流电源转换成交流电源。
Figure9典型的三相电压逆变电路
图6中的Q1~Q6为半导体功率切换器件（IGBT，MosFET，晶闸管，三极管等），在工作中，Q1~Q6控制极加有控制电路（主控单元）送来的控制开关信号，通过控制开关信号的开断时间就可以形成频率幅值时间可调的SPWM波。
1.3.4主控单元
主控单元的主要功能就是根据外界输入的指令信号以及闭路反馈信号产生逆变电路生成SPWM波所需的控制开关信号。
通过控制开关信号就可以改变SPWM的幅值、频率、开断时间，从而控制伺服电机的扭矩、转速以及位置。
Figure10SPWM生成原理
SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）正弦脉宽调制技术：
通过对一系列宽窄不等的脉冲进行调制，来等效正弦波形（幅值、相位和频率）。
从电压波形来看，呈现的是宽窄不等的脉冲波，但因电机是感性负载，能阻止电流的快速变化，因此，电机上的电流波形是带毛刺的近似正弦波波形。
伺服驱动器有三种重要的工作模式：
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模式是较为接近的控制模式，T模式与其他两种模式区别较大。
Figure11伺服控制模式比较
第二章多轴机械手臂及驱动器设计方案
机械手臂的主要构成部分有手部机构、运动机构以及伺服控制系统三大部分。
手部机构是用于抓、持物品的部分，根据被抓持物品的形状、材质、重量以及作业要求的不同而不同，如夹持式、抓取式和吸附式等。
运动机构是机械手关节部分，能使机械手通过转动、平移或者复合运动来改变被抓持物品的位置和姿势。
伺服控制系统是机械手的核心部分，它用于机械手各个动作的控制。
2.1机械手臂
根据机械手自身结构的特点和不同的运动形式，可以分为串联型机械手臂和并联型机械手臂。
串联型机械手臂具有不同的形式：
1．直角坐标式
如图12.a，其手臂的运动由三个方向组成，即沿X轴方向平移、沿Y轴方向伸缩、沿Z轴方向升降。
这种坐标形式的机械手又称为笛卡尔机械手，其结构简单，定位准确，但是由于占地面积大、灵活性较差，限制了其使用范围。
2．水平关节式
如图12.b，其主要结构由一个或多个垂直转轴和垂直方向的升降轴组成，相对于直角坐标式机械手更加灵活，其活动范围为360度圆柱形空间。
3．球面坐标式
如图12.c，机械手的动作一般包括平移和旋转，即沿X轴方向的伸缩、绕Y、Z轴方向的旋转。
该类机械手灵活性好，占地面积小，适用于狭小空间的取物工作，例如，从圆柱体或球型工作内取出物体。
4．关节式
如图12.d，该类型机械手与人类的手臂类似，各个关节等同于人类的手腕、手臂，自由度高，可以确保手臂到达空间任意位置。
在实际工作中，它能够在抓取物件时避开障碍物，但此类机械手的机械结构和控制方法较为复杂。
串联型机械手，是由刚度很大的杆通过关节连接起来的。
由于机械手这样的连接，即使它们有很强的连接，其负载能力和刚性还是很低。
很明显，刚性差就意味着位置精度低。
并联型机械手弥补了这种缺陷，并联型机械手能够用较轻的杆来承受较大的给定负载。
Figure12串联式机械手臂
Figure13并联式机械手臂
如图13，并联型机械手由多条串联型腿、移动平台和基座平台组成。
每条串联型腿都是由串联型运动链构成，一般上端与基座平台相连，下端与移动平台相连。
串联型机械手与并联型机械手的主要差别是：
机械手的每一个关节是否都是主动的。
一般而言，并联型机械手有非主动关节，所以其结构比串联型更加复杂。
2.2机械手臂驱动器
目前，市场上流行的运动控制系统从架构上可以大体上分为如下三大类：
1.以单片机为核心控制器构成的运动控制系统，此类控制系统的数据处理能力一般，处理速度较慢，精度不高，但成本相对较低，易于设计和实现。
基于PLC开发的运动控制器便是典型案例；
2.以PC机+运动控制卡模式的伺服运动控制系统。
这种控制方案是利用开放式的运动控制卡嵌入到计算机中组成伺服运动控制系统。
它能够完成轨迹规划、插补控制、伺服滤波的控制和伺服驱动、外部通用I/O接口功能。
它具有丰富的函数库可供用户根据自己实际场合的需求，在PC机上自行开发应用软件，可以组成多种控制系统。
常见的为美国ＮＩ公司推出来的基于PCI/PXI总线的73XX运动控制器以及台湾研华的运动控制器。
3.基于嵌入式ARM/DSP/CPLD模式的总线型运动控制系统。
此系统将伺服驱动器和伺服控制器合并在一个控制器当中，所有的控制器通过总线（ProfiNET/CANopen/EtheCAT等）进行通讯连接，大大简化了运动控制系统的接线。
总线型运动控制系统是未来运动控制器的一个发展趋势。
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