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. 多軸機(jī)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(jī)及驅(qū)動器 3 1.1 伺服電機(jī) 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(jī)械手臂及驅(qū)動器設(shè)計(jì)方案 12 2.1 機(jī)械手臂 12 2.2 機(jī)械手臂驅(qū)動器 13  第一章 伺服電機(jī)及驅(qū)動器 目前伺服電機(jī)主要分為歐系和日系兩大系列，兩種系列的伺服電機(jī)各有其特點(diǎn)，歐系伺服電機(jī)價(jià)格偏貴、質(zhì)量偏重（金屬件多）以及應(yīng)用范圍廣，日系電機(jī)價(jià)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(bǔ)充的局面。 伺服電機(jī)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(jī)配套使用，無法與他家的伺服電機(jī)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(jī)配套使用，也可以與他家的伺服電機(jī)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(jī)兼容使用，但使用他家的伺服電機(jī)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(xiǎn)。 因此，在本文中對伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器進(jìn)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(jī)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(dá)為三菱系的仿制品），匯川（國產(chǎn)品牌） 1.1 伺服電機(jī) 國內(nèi)的歐系伺服電機(jī)以西門子伺服電機(jī)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(jī)為美國伺服電機(jī)品牌，與NI公司的運(yùn)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(jī)具有良好的性價(jià)比。 國內(nèi)的日系伺服電機(jī)因其價(jià)格低廉，易操作等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 伺服電機(jī)的主要組成部分如圖1 所示，電機(jī)前端由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子由永磁材料制作，電機(jī)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(jī)靜止時負(fù)載拖動電機(jī)運(yùn)動。 伺服電機(jī)和和普通異步電機(jī)的區(qū)別在于轉(zhuǎn)子。異步電機(jī)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(jī)好壞的一個重要指標(biāo)。 伺服電機(jī)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(shí)時調(diào)整電壓以及頻率的大小。 目前，伺服電機(jī)的功率已經(jīng)可以做到幾十ＫＷ級別。選用伺服電機(jī)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(jī)功率 l 工作溫度范圍 1.2 反饋設(shè)備 高性能的伺服電機(jī)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(jià)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(jī)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(yùn)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(xì)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(jì)算得到。編碼器有各種規(guī)格，但是對于運(yùn)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(fù),B,B負(fù)和Z,Z負(fù)。 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(jì)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(jì)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(rèn)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(jī)是否掉電上電，總能準(zhǔn)確的找到電機(jī)零點(diǎn)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(jī)。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(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)減速而進(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)是感性負(fù)載，能阻止電流的快速變化，因此，電機(jī)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(jī)械手臂及驅(qū)動器設(shè)計(jì)方案 機(jī)械手臂的主要構(gòu)成部分有手部機(jī)構(gòu)、運(yùn)動機(jī)構(gòu)以及伺服控制系統(tǒng)三大部分。手部機(jī)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(yùn)動機(jī)構(gòu)是機(jī)械手關(guān)節(jié)部分，能使機(jī)械手通過轉(zhuǎn)動、平移或者復(fù)合運(yùn)動來改變被抓持物品的位置和姿勢。伺服控制系統(tǒng)是機(jī)械手的核心部分，它用于機(jī)械手各個動作的控制。 2.1 機(jī)械手臂 根據(jù)機(jī)械手自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和不同的運(yùn)動形式，可以分為串聯(lián)型機(jī)械手臂和并聯(lián)型機(jī)械手臂。 串聯(lián)型機(jī)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(yùn)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(jī)械手又稱為笛卡爾機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(dá)空間任意位置。在實(shí)際工作中，它能夠在抓取物件時避開障礙物，但此類機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方法較為復(fù)雜。 串聯(lián)型機(jī)械手，是由剛度很大的桿通過關(guān)節(jié)連接起來的。由于機(jī)械手這樣的連接，即使它們有很強(qiáng)的連接，其負(fù)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(jī)械手彌補(bǔ)了這種缺陷，并聯(lián)型機(jī)械手能夠用較輕的桿來承受較大的給定負(fù)載。 Figure 12 串聯(lián)式機(jī)械手臂 Figure 13 并聯(lián)式機(jī)械手臂 如圖13，并聯(lián)型機(jī)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(yùn)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(jī)械手與并聯(lián)型機(jī)械手的主要差別是：機(jī)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(jī)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(jī)械手臂驅(qū)動器 目前，市場上流行的運(yùn)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(jī)為核心控制器構(gòu)成的運(yùn)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(jì)和實(shí)現(xiàn)?；赑LC開發(fā)的運(yùn)動控制器便是典型案例； 2. 以PC機(jī)+運(yùn)動控制卡模式的伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)。這種控制方案是利用開放式的運(yùn)動控制卡嵌入到計(jì)算機(jī)中組成伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)。它能夠完成軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)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(shí)際場合的需求，在PC機(jī)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(yùn)動控制器以及臺灣研華的運(yùn)動控制器。 3. 基于嵌入式ARM/DSP/CPLD模式的總線型運(yùn)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(jìn)行通訊連接，大大簡化了運(yùn)動控制系統(tǒng)的接線。總線型運(yùn)動控制系統(tǒng)是未來運(yùn)動控制器的一個發(fā)展趨勢。 .