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SIEMENS运动控制器/伺服驱动器

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日志

 
 

工业机器人的发展方向  

2016-11-17 16:13:32|  分类: SIMOTION_D |  标签: |举报 |字号 订阅

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国际上工业机器人的应用已经十分成熟,国内主要靠引进国外品牌的机器人使用,而国产机器人还有很大的发展空间。就最为常见的六轴机器人为例,ABB、KUKA、FANUC等品牌在占领市场的同时,也留下了良好的口碑;相比之下,国内六轴机器人成本高昂、可靠性低、耐用性差,主要体现在机械关键部件的采购成本高、控制算法不够灵活、机械结构不够紧凑等方面。
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1.控制算法
从控制算法角度讲,不同机械结构的机械模型变换本质上是一个数学问题,几何模型的建立已经相对成熟,即从工具中心点TCP到电机轴坐标的变换是已经解决了,这是对机器人进行控制的基础,但是仅有从TCP坐标到轴坐标的映射是远远不够的。因为,机械人在工作中是运动的。运动会带来其他问题,一个是如何对TCP运行轨迹规划,二是在如缩短在轨迹上的运行时间,既快又稳还准。这两个问题是十分考验人的智慧的,好的轨迹规划再加上短的运行时间,可以带来生产节拍的提高,生产力的提高,这也是衡量机器人性能的关键指标。轨迹规范需要根据实际应用因地制宜,一般需要连续平滑,另外也与机器人和工作台的相对位置、限制区域等有关。而提高动态响应又与负载重量与重心、各轴向转动惯量有关系,同时需要结合轨迹和实时姿态进行前馈控制。就如同一个人提着水桶转圈,胳膊和手腕的姿态是会随角度不同而实时变化的,如果生硬地拖拽,反而可能伤了关节。不过以上提到的两个问题在国外品牌的机器人中都已经有相应的解决方案了。
与传统控制算法相对的,就是现代智能控制方案,比如神经网络自学习系统,在配合机械视觉后经过千万次的训练也可以得到好的控制效果,但是这种方式花费时间长,结果也有不确定性,目前更多在实验室当中。比如前几天有Google发表了自己关于训练机器人自动抓取成功的新闻,大家可以百度下。
2.电控系统
紧凑的伺服电机、高精度耐用的编码器、高性能伺服驱动器和控制器构成了电控系统的核心部分。
由于机器人结构紧凑,对伺服电机的要求就显得更加苛刻,需要在狭窄的空间中进行安装,同时能保证有足够大的转矩输出,同时保证散热效率,这对电机设计和制造的要求很高。在机器人中使用伺服电机,一般是针对其机型进行单独设计和生产的专用电机。
从机械结构上讲,除了底座电机是固定安装的,其他电机都安装在移动的关节上。在机器人工作过程中,难免出现机械振动,这对编码器也提出了更高的要求。为了满足振动场合的要求,一般采用旋转变压器Resolver作为反馈,因为传统的光电式编码器可能会因振动而误发脉冲。
关于驱动器和控制器,更短的执行周期、更好的控制算法、更简便的编程系统是所期望的方向。除了传统的机器人本身的控制功能外,网络化、数字化、智能化是也是机器人发展的一个方向。在工厂中,机器人不再是孤立的角色,而是通过现场总线与生产线控制系统进行交互,除了控制和状态系统外,机器人诊断信息、日志记录也都可以数字化地在生产线控制系统中进行查看,这种机器人就无缝地融入了工厂自动化系统中,成了工厂的有机组成部分。人机协作也是机器人的一个发展方向,这需要机器人有感知机构,在检测到有碰撞时可以自动调整回避,从而达到人与机器安全高效地协作的目的。除此之外,多机器人协作也是一个重要的应用方向。比如机器人可以安装到移动AGV上自动行动,就好比有了人的手和脚。
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再有一个前途无量的事情,就是工业机器人与机器视觉的结合,可以在很大程度上完全代替人工了。机器人应用技术、机器视觉模式识别技术与人工智能技术的发展会相互促进,一旦某项技术得到突破性进展,那么它带来的变化可能是翻天覆地。
3.机械系统
工业机器人是采用串联结构,即一个关节串一个关节,前一关节的机械误差会直接影响后续所有关节,尤其是在长期运行出现磨损时,最终工作点的位置很难得以保证,这需要有更加稳健的结构和坚固的材料。除了机器人本身坚实耐用以外,还需要为工具安装、线路敷设留有余量。以KUKA Agilus机器人为例,隐藏在旋转机械臂内部的线路中包括24V电源供电、气动管路、现场总线、10个数字量IO等,既扩展了机器人功能,又保证了外外整洁美观。
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在机器人的机械传动系统中一个重要的部件是减速机,即齿轮箱。机器人里齿轮箱需要体积小,效率高。齿轮箱的优劣在一定程度上直接影响着整个机器人性能的优劣,齿轮箱的成本也影响着整个机器人的成本。但齿轮箱加工所需要的材料技术和加工技术都被掌握在国外,如果国内能自主生产机器人齿轮箱,势必能推动国内机器人技术的长足进步。机器人外壳需要坚固并轻量化,一般使用铝合金材料。从动态响应的角度讲,越轻越好;从运行平稳的角度讲,越重越好。材料的选择,取决于实际应用。
总之,机械系统的发展还是离不开材料科学和加工技术的发展,更高强度的材料,更精细的加工精度,更精巧的机械结构是未来的方向。
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