2024年2月11日

深度解析机器人身上的伺服系统

作者 admin

随着工业自动化的发展,越来越多的领域开始使用工业机器人代替人力。 选择合适的伺服电机对于机器人制造商和机器人消费者来说始终是一项艰巨的任务。 机器人的关节驱动离不开伺服系统,而伺服控制系统是实现机器人机械本体控制和伺服机构控制的重要组成部分。 因此,要了解机器人的运行过程,一定不能绕过伺服系统。

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服务器系统

伺服系统是在变频技术基础上发展起来的产品。 它是以机械位置或角度为控制对象的自动控制系统。 伺服系统除了速度和转矩控制外,还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。

广义的伺服系统是精确跟踪或再现给定过程的控制系统,也可称为伺服系统。

狭义的伺服系统也称为位置跟随器系统。 它的控制量(输出量)是负载机械空间位置的直线位移或角位移。 当位置给定量(输入量)任意变化时,系统的主要任务是使输出量快速、准确地再现给定量的变化。

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伺服系统的结构

机电一体化伺服控制系统的结构和类型很多,但从自动控制理论来看,伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节五部分。

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伺服系统原理框图

1.对比链接

比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较,得到输出与输入之间的偏差信号,通常由专用电路或计算机来实现。

2.控制器

控制器通常是计算机或PID(比例积分微分)控制电路,其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理,以控制执行机构按要求动作。

3.实现环节

执行环节的作用是按照控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化为机械能,驱动被控对象工作。 机电一体化系统中的执行器一般是指各种电动机或液压、气动伺服机构。

4.被告人

被控对象是指被控制的对象,如机械臂、机械工作平台等。

5.检测环节

检测环节是指能够对输出进行测量,并将其转换为比较环节所需要的量纲的装置,一般包括传感器和转换电路。

伺服系统的特点和作用

伺服系统与一般机床的进给系统有本质区别。 能根据指令信号准确控制执行部件的运动速度和位置。 伺服系统是连接数控装置和机床的纽带,是数控系统的重要组成部分。 它具有以下特点:

舵机类型

伺服系统的执行元件

一、执行机构的种类及特点

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(1)电动执行器

电动执行器包括直流(DC)伺服电机、交流(AC)伺服电机、步进电机和电磁铁,它们是最常用的执行器。 伺服电机除了要求运行稳定外,一般还要求动态性能好,适合频繁使用,维护方便。

(2) 液压执行器

液压执行机构主要有往复式油缸、回转油缸、液压马达等,其中以油缸最为常见。 在输出功率相同的情况下,液压元件具有重量轻、速度快的特点。

(3) 气动执行器

气动执行器与液压执行器没有区别,只是使用压缩空气作为工作介质。 气动驱动可以获得较大的驱动力、行程和速度,但由于空气的粘性和可压缩性较差,不能用于对定位精度要求高的场合。

三种类型的区别:

类型

特征

优势

缺点

气体

模式

可提供商用电源; 信号和电力传输方向相同; 有交流和直流之分; 注意使用的电压和功率。

易于操作; 易于编程; 可实现定位伺服控制; 响应速度快,易于与电脑(CPU)连接; 体积小,功率大,无污染。

瞬时输出功率大; 过载不良; 一旦卡住,会引起燃烧事故; 它受外部噪声的影响很大。

气体

去按

模式

气体压力源压力为5~7×Mpa; 需要熟练的操作员。

气源方便,成本低; 无泄漏污染环境; 速度快,操作简单。

功率小,体积大,难以小型化; 运动不稳定,远距离传输困难; 噪音大; 难以伺服。

液体

去按

模式

液体压力源压力为20~80×Mpa; 需要熟练的操作员。

输出功率大,速度快,运动平稳,可实现定位伺服控制; 易于与计算机(CPU)连接。

设备小型化困难; 对液压源和液压油的严格要求; 易泄漏,污染环境。

二、常用控制电机

控制电机是电气伺服控制系统的动力元件。 它是一种将电能转化为机械能的能量转换装置。 机电一体化产品中常用的控制电机是指能够提供正确运动或更复杂动作的伺服电机。

用于控制的电机包括旋转和直线驱动电机,通过电压、电流、频率(包括指令脉冲)等的控制,实现恒速、变速驱动或反复启停的增量驱动、复合驱动,以及驱动精度因驱动对象而异。 彼此不同。

(1)伺服驱动电机一般指:步进电机(Stepping Motor)、直流伺服电机(DC Servo Motor)、交流伺服电机(AC Servo Motor)

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(2)常用的伺服控制电机控制方式主要有:开环控制、半闭环控制、闭环控制。

闭环系统的驱动系统有位置(或速度)反馈环节; 开环系统没有位置和速度反馈环节。

A。 开环数控系统

无位置测量装置,信号流为单向(数控装置→进给系统),系统稳定性好。

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没有位置反馈,与闭环系统相比精度不高,其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。 通常,功率步进电机被用作伺服驱动元件。

该类系统具有结构简单、运行稳定、调试方便、维护简单、价格低廉等优点。 广泛应用于对精度和速度要求不高,驱动力矩不大的场合。 一般用于经济型数控机床。

b. 半闭环数控系统

半闭环数控系统的位置采样点如图所示。 它是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出,对旋转角度进行采样检测,而不是直接检测运动部件的实际位置。

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半闭环不包括或只包括少量的机械传动环节,因此可以获得稳定的控制性能。 虽然系统的稳定性不如开环系统,但优于闭环系统。 螺距误差和齿轮齿隙引起的运动误差难以消除。 因此,其精度比闭环差,比开环好。 然而,这样的误差可以被补偿,从而仍然可以获得令人满意的精度。

半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度高,因此在现代数控机床中得到广泛应用。

C。 全闭环数控系统

全闭环数控系统的位置采样点如图中虚线所示,直接检测运动部件的实际位置。

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从理论上讲,可以消除整个驱动和传动环节的误差、反冲和空转。 位置控制精度高。 由于位置环中许多机械传动环节的摩擦特性、刚度和间隙是非线性的,容易造成系统不稳定,使闭环系统的设计、安装和调试相当困难。

该系统主要用于镗铣床、超精车床、超精磨床及精度要求较高的大型数控机床。

机器人伺服系统

通常,我们所说的机器人伺服系统是指应用于多轴运动控制的精密伺服系统。 多轴运动控制系统由高级运动控制器和低级伺服驱动器组成。 运动控制器负责运动控制命令的译码、各位置控制轴的相对运动、加减速轮廓控制等,其主要作用是减小整个系统运动控制的路径误差; 伺服驱动器负责伺服电机的位置控制,其主要作用是减小伺服轴的跟随误差。

机器人的伺服系统由三部分组成:伺服电机、伺服驱动器和指令机构。 伺服电机是执行机构,用于实现运动。 伺服驱动器是伺服电机的电源,指令机构用于发送脉冲或给定速度。 适用于伺服驱动器的正常运行。

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机器人对伺服电机的要求高于其他两个部分。 首先要求伺服电机响应速度快。 从获得指令信号到完成指令要求的工作状态的时间要短。 对指令信号的响应时间越短,电动伺服系统的灵敏度越高,快速响应性能越好。 一般用伺服电机的机电时间常数来说明伺服电机的快速响应性能。 其次,伺服电机的启动转矩惯量比大。 在驱动负载的情况下,要求机器人的伺服电机具有较大的启动转矩和较小的转动惯量。 最后,伺服电机必须具有控制特性的连续性和线性。 随着控制信号的变化,电机的转速可以连续变化,有时需要转速与控制信号成正比或近似正比。

当然,为了匹配机器人的体型,伺服电机必须体积小、质量轻、轴向尺寸短。 它还必须能承受恶劣的运行条件,能进行非常频繁的正反转和加减速操作,并能在短时间内承受数次过载。

伺服驱动器是一种执行器,可以利用各种电机产生的扭矩和力,直接或间接驱动机器人本体,以获得机器人的各种运动。 它广泛应用于机器人。

伺服系统的发展趋势

随着伺服系统的应用越来越广泛,用户对伺服驱动技术的要求也越来越高。 总的来说,伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面:

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集成化:伺服控制系统的输出设备越来越多地采用开关频率高的新型功率半导体器件。 所有功能都集成在一个小模块中,形成高精度全闭环调节系统。 高度集成显着减小了整个控制系统的体积。

智能化:伺服系统的智能化表现在以下几个方面:系统的所有运行参数均可由软件通过人机对话进行设定; 均具有故障自诊断和分析功能; 参数自整定功能等。具有自整定功能的伺服单元可以通过多次试运行自动设置系统的参数,并自动实现其优化。

网络化:伺服系统网络化是综合自动化技术发展的必然趋势,是控制技术、计算机技术和通信技术相结合的产物。

精简:这里所说的“精简”,不是简单,而是精简。 根据用户情况,将用户使用的舵机功能加强,使其专业化、细化,对一些不用的功能进行简化,从而减少舵机。 系统成本,为客户创造更多效益。

国外知名伺服电机/系统制造商

伦茨(德国)

Lenze是世界知名的机电传动产品制造商。 主要产品有直流调速装置、交流逆变器、交流伺服、各种电机、小型传动换位、减速箱、变速器、制动器、离合器等。公司主打产品MCM同步伺服电机,专注于机器人市场. 它结构紧凑,负载惯量比好,外壳光滑,使用方便。 适用于包装、搬运等应用场景。

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伦茨MCM同步伺服电机

博世力士乐(德国)

博世力士乐(BoschRexroth)是德国博世集团的全资子公司。 它是全球工业技术市场的领先供应商,在传动和控制领域享有盛誉。 公司产品范围广泛,主要在高品质电控、液压、气动、机电一体化元件和系统领域。

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博世力士乐MS2N同步伺服电机

欲望(德国)

Lust隶属于柯尔柏集团,是一家专注于为机器人/机床制造行业提供通用、可编程、多轴运动控制伺服驱动产品及相关解决方案的生产贸易型企业。 广泛的标准产品涵盖通用、可编程和多轴运动控制类型,广泛应用于各种工业机械和机床。

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lust LST系列伺服电机

倍福(德国)

Beckhoff 以基于 PC 的自动化技术为发展理念。 其生产的工业PC、现场总线模块、驱动产品和TwinCAT自动化软件构成了一个完整兼容的控制系统,可为各种工业控制领域提供服务。 开放的自动化系统和完整的解决方案。

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Beckhoff AM8000 同步伺服电机

西门子(德国)

西门子是世界上最大的电气和电子公司之一。 经过150年的繁荣发展,公司业务主要集中在六大领域:信息与通信、自动化与控制、电力、交通、医疗系统和照明。 西门子伺服电机种类丰富,结构紧凑,可实现优异的动态特性和运行效率,性能等级齐全,安装规格多样。

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SIMOTICS 1FT7 永磁同步电机

欧式伺服的特点是过载能力高、动态响应好、驱动开放性强,并且有总线接口,包括现场总线、工业以太网甚至无线网络技术。 但价格昂贵,体积和重量都很大。 (虽然目前的高速伺服总线大多是开放标准,但技术被国际大公司把控。特别是基于工业以太网技术,如EtherCAT、Profinet、EtherNet/IP、SERCOS III等,正在完善工业机器人的专用通信,伺服系统的高性能起到了决定性的作用,德国Beckhoff公司推出的EtherCAT近年来发展迅速,已成为大多数高性能驱动系统的首选网络标准。 Yaskawa 和 Lenz 等伺服制造商已采用 EtherCAT 总线作为下一代产品的总线标准。)

松下(日本)

松下电器是一家大型跨国公司,产品涵盖家电、数码视听电子、办公用品、航空等众多领域。 Panasonic旗下松下电器主要从事机电服务。 公司推出的小型交流伺服电机及驱动器深受市场欢迎。 其中大惯量系列适用于数控机床,中惯量系列适用于机器人(最高转速3000r/min,扭矩0.016~0.16Nm)。

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松下 MINAS A5 系列

安川(日本)

安川电机是世界一流的传动产品制造商,也是日本最早生产伺服电机的公司。 其产品以稳定性、速度和性价比着称。 是全球销量最大、行业应用最多的伺服品牌。 从一般工业机械到半导体和电子元件制造设备,安川电机可为各种用途提供最合适的伺服和控制器产品。

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安川电机Σ-Ⅴ系列

三菱(日本)

三菱不是一个独立的公司,而是一个涉及采矿、造船、银行、保险、仓储、贸易、造纸、钢铁、玻璃、电气设备、飞机、石油和房地产的独立公司集团。 ,是日本的工业巨头。 三菱电机一直致力于提高产品性能。 FA产品阵容涵盖了在亚洲占主导地位的可编程逻辑控制器(PLC)、人机界面(HMI)、交流伺服系统、逆变器、工业机器人和低压配电产品。

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三菱伺服电机

三洋(日本)

三洋是日本松下电器旗下的一家电器公司,定位于中端市场。 自2012年4月1日起,该品牌停产。 三洋的Denki交流伺服驱动系统是国内最早的伺服系统之一。 以其性能优良、高速、精密、灵活、使用寿命长、性价比高等特点而著称。 可实现不同控制模式的切换、全闭环控制、输出检测。 功能、自动滤波功能、实时自整定功能,广泛应用于冶金高炉印刷机械、包装机械、纺织机械、塑料机械、医疗器械、自动化生产线等领域。

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三洋交流伺服系列

日本伺服电机价格相对较低,体积小,重量轻。 但是缺点也很明显,就是动态响应能力比较弱,开放性差。

ELMO(以色列)

Elmo Motion Control 是一家专业开发紧凑型大功率伺服电机的公司。 25年来,致力于为各种恶劣的工业环境设计伺服驱动器,同时提供先进的网络运动控制器和完整的运动控制解决方案。 该公司声称要制造世界上最好的伺服电机。

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ELMO伺服电机

SERVOTRONIX(美的)

servotronix(高创)专注于运动控制业务,也是一家专注于高性能伺服驱动系列和运动控制解决方案开发的公司。 公司已被美的收购,未来将成为库卡机器人伺服电机的主要供应商。

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servotronix PRO2系列伺服电机

AMC(美国)

AMC(ADVANCED Motion Controls)是一家提供可靠和高性能运动控制系统的公司。 成立于1987年,几十年来一直保持着小规模,员工只有300多人,其中40%是工程师。 公司的目标是做最好的伺服公司,因此只生产伺服驱动领域的产品。 依托精湛的制造水平和先进的研发能力,近七年来公司客户保留率达到91%。

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AMC伺服驱动器应用案例

科普利(美国)

与AMC一样,Copley Controls也是一家专注于伺服驱动的公司,主要为广泛的工业应用提供高性能的运动控制解决方案,拥有超过25年的OEM合作经验。 公司产品主要应用于半导体、生命科学、自动化设备、机器人、测试/测量、COTS军工等领域。

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科普利伺服产品

上述公司是伺服控制技术的领导者。 他们的产品虽然市场份额不大,但却代表了伺服控制的技术发展方向。

国内知名伺服电机/系统制造商

近年来随着数控的普及,国产伺服产品的销量一直保持快速增长。 伺服系统的自主研发、制造、生产和应用基本成熟,形成了一定的产品系列和自主配套能力。 但产品在高性能、高可靠性方面与国外知名品牌公司还有明显差距。 比如国产品牌产品的功率区间多在3KW以内,多为中小功率,技术路线接近日系产品。

随着工业机器人市场的兴起,我国伺服系统与国外知名品牌企业的明显差距,成为制约我国工业机器人产业发展的“瓶颈”。 从技术角度来看,国产伺服电机主要存在以下缺陷:

一是外形普遍偏长,外观粗糙,难以应用于一些高端机器人。 尤其是在轻载6kg左右的桌面型机器人上,由于机械臂的安装空间很小,对伺服电机的长度有严格的要求。

其次,信号连接器的可靠性有待提高,需要朝着小型化、高密度化、与伺服电机本体一体化设计的方向设计,方便安装、调试和更换。

第三,另一项核心技术是高精度编码器,特别是应用于机器人的多圈绝对值编码器,严重依赖进口,是制约我国高端机器人发展的一大瓶颈。 编码器小型化也是伺服电机小型化绕不开的核心技术。

四是基础研究缺乏,包括绝对式编码器技术、高端电机工业制造技术、生产技术的突破、性能指标的实际验证、考核标准的制定等。

第五,伺服系统各部分的产业协调性不够,难以做好伺服电机和驱动系统的整体性能。

值得一提的是,除了以上5个工艺缺陷外,国内不少伺服电机厂商还在继续采用采购落后技术和硬件的做法来打造“国产”电机。 这样生产出来的电机质量和稳定性参差不齐,不仅扰乱了市场,也挫伤了企业内部自主研发的积极性,不利于长期可持续发展。

目前,我国有20多个大型伺服品牌。 这些厂家的部分产品质量和性能突出、卓越,表现出一定的自主性和创新性。

台达(台湾)

台达是中国知名的自动化品牌,在全球自动化领域占有独特的地位。 90年代初,台达采用自主研发的方式,开始进军工业自动化领域。 基于在电力电子领域的积累,台达从变频器产品起步,然后是PLC、伺服、HMI、CNC数控系统,再到全系列PC-based PAC控制器、传感器、机器视觉、工业机器人等,对于自动化产品来说,驱动、运动、控制三大领域终于锁定。

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台达ECMA系列标准型交流伺服电机

士林(台湾)

士林成立于1955年,主要开发重电、电气设备、机械及自动化领域的相关产品。 公司与日本三菱公司紧密合作,在厦门成立了合资公司。 据称,该产品的用户体验堪比三菱电机。 以士林SDH交流伺服系列为例。 此系列马达采用台湾最佳编码器,反应速度为台湾第一。

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士林SDH系列交流伺服电机

台湾品牌好用,性能接近日本品牌,但价格低于日本品牌,性价比高。 他们在低端市场发展迅速。

万事通

汇川技术主要从事自动化及新能源相关领域的产品研发,是本土企业中伺服电机市场占有率最高的品牌。 汇川技术在智能装备和工业机器人领域推出了变频器、伺服系统、控制系统、工业视觉系统、传感器等系列工业自动化产品和核心部件及电气解决方案。 伺服系统供应商。 汇川旗下多款伺服电机支持Ethercat以太网通讯协议。

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汇川IS620N伺服系统

实心高

固德科技是中国领先的自动控制产品供应商。 公司自主研发基于PC的开放式运动控制器、嵌入式运动控制器、网络运动控制器、计算机可编程自动化控制器。 综合性能达到国际一流水平,填补了国内同行业多项空白。 Googo主要提供机器人运动控制系统。

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好高GTHD系列高性能伺服驱动器

华中数控

华中数控背靠中国科学技术大学,拥有卓越的研发能力。 它是中国最大的中高端数控系列制造商。 其车床伺服电机已达到国际中端水平。 公司GK6、GK7系列永磁同步交流伺服电机和GM7系列交流伺服主轴已实现量产,是目前国内唯一拥有整套核心技术和自主知识产权的企业。自支撑能力。

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华中数控ST系列母线型交流永磁同步伺服电机

广州数控

广州数控面向数控机床行业、自动化控制领域、注塑制品行业。 是国内最大的机床数控系统研发制造商。 其突出优势是产业链完整、规模大。 公司的伺服系统主要应用于机床、包装机械等方面。

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广州数控SJTR系列伺服电机

英威腾

2011年,英威腾收购裕能动力,将品牌打造成纺机伺服系统细分领域的领导者。 英威腾主要为纺机企业提供整体解决方案,提供业内最全系列的反伺服系统。 目前,公司伺服产品广泛应用于纺织机械、包装机械、数控车床、点胶机、LED分光胶带机等领域。 贴片机等机器应用广泛,性价比高。

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INVT DA200 High Performance Universal AC Servo System

埃斯顿

Nanjing Estun has a history of more than ten years of production and sales of AC all-digital universal AC servo drives and motors. The products are widely used in various CNC machine tools and automation equipment. In 2012, the company successfully completed the major project of the 863 Program “Development of Drivers and Motors for Industrial Robot AC Servo System”, and has its own brand of AC servo system for robots. At present, all the AC servo systems used by the company’s robots are self-produced, which has achieved a breakthrough in domestic core components. The company has also successfully developed a robot-specific “one-to-six” AC servo system, which provides a basis for the development of more economical and efficient domestic robots.

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The working performance of the robot is greatly affected by the servo system, so the key performance indicators of the precision servo system are always the primary factor in the advanced comparison. Foreign advanced servo systems have been able to well meet the needs of most applications, and their research and development resources are concentrated on individual high-end applications and overall performance improvement, and are in the stage of meticulous carving. In the context of Industry 4.0, domestic servos have a long way to go, and they still need to work hard to catch up.