多轴机械手臂行业现状

1、专业资料多轴机械手臂行业现状调研AuthorVersio nEmailYanqin g.Wa ng1.0Yan qi ng.wa nggitech.c nDateModify Co ntent目录第一章伺服电机及驱动器 31.1伺服电机 41.2反馈设备 51.2.1 旋转变压器 6122 增量式编码器 6123 Sin/Cos 编码器 71.2.4绝对值式编码器 81.3伺服驱动器 91.3.1 整流电路 111.3.2 再生制动电路 111.3.3 逆变电路 121.3.4 主控单元 12第二章多轴机械手臂及驱动器设计方案 142.1 机械手臂 152.2机械手臂驱动器 17word完美格

2、式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

3、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），Parker Hannifin （派 克汉芬尼）日系Panasonic （松下）,Mitsubishi （三 菱），Yaskawa（安川），Fanuc （发那 科）,Delta （

4、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。专业资料Structure of ser/omotorConnector

5、sStator windingHousingF?esolverBearingTF+RotorRotor withBrakepermanent magnetsFigure 1 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

6、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word完美格式专业资料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

7、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Figure 2 旋转变压器原理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 8 kHz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

8、一个模仿编码器通道 A,B和Z脉冲，读 取编码器信息。R1VrR21.2.2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。乃正转I*冲硕序：A毎冲 在前跳戏选择首出电皤aSH SH A+A 茁B-Z牛工nrrnrTITIXClTB+ &-SJ

9、一 fi.H,从轴端看顺肘外0V 0VV out + 15VVin+24VFigure 3增量式编码器原理1.2.3 Si n/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 乙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250 us,每250 us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 arct

10、an （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word完美格式导致，信号数量比编码器数据的指定转数高四倍。乙标记脉冲Figure 4 Sin/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。a)b)Figure 5绝对值式

11、编码器原理M三三三 U 些in光一电1.3伺服驱动器再生制动电路伺服电机电源主控单元外界控制信号通讯总线三荊200 230 V :浚 (3D 如 HJ：| AC a DC整流电路11 .V |Figure 7 三菱驱动器原理11i审血 11MFI DC a AC逆变电路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

12、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 丿元。1.3.1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（DC 500700V。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

13、压升咼。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。133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图6中的Q1Q6为半导体功率切换器件（IGBT,MosFET晶闸管，三极管等）， 在工作中，Q1Q6空制极加有控制电路（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SPW波。1.3.4

14、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SPW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。Figure 10 SPWM 生成原理SPWMS in usoidal Pulse Width Modulation ）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

15、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

16、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YW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、绕丫、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

17、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。Figure 13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