清能德创CoolDrive R6一体化伺服在工业机器人上的应用

2015年05月29日

摘要：本文旨在介绍CoolDriveR6伺服驱动器在6轴关节型工业机器人上的应用，同时为客户提供一套完整的机器人电控系统解决方案。

关键字：清能德创 CoolDrive R6 工业机器人高端伺服一体化伺服

1、概述

　　近两年，面对人工劳动力成本的不断提升，工业机器人日益被企业倚重，中国工业机器人市场呈现爆发式增长。据国际机器人协会(IFR)数据统计，2014年全球工业机器人销量为22.5万台左右，其中亚洲的销量几乎占到2/3.而中国市场的工业机器人销量更是增长54%，达到5.6万台左右。但值得注意的是，本土机器人供应商的销量仅为1.6万台。究其原因，很重要的一个因素就是机器人核心零部件的国产化进程较慢，国内机器人整机厂商只能进口国外产品，导致整机成本较高，在同国外厂商的竞争中处于劣势。

　　CoolDrive R6一体化伺服驱动器是清能德创电气技术(北京)有限公司在进行大量工业机器人市场及客户的需求调研后，为该行业量身打造的一款专用伺服产品。CoolDrive R6集成了多轴一体化设计、功能性安全技术、多种振动抑制算法等创新技术，并内置多种前馈功能，设计采用高速工业以太网络，大幅提高了系统动态特性，为客户提供更节能，更灵活，更安全的伺服系统。CoolDrive R6无论从产品形态还是集成功能上来说都非常适合用于工业机器人行业，完全可以替代国外同类产品，为客户提供更具性价比的方案。

　2、国产20kG六关节工业机器人

　　本次项目所使用的20kG六关节工业机器人是国产最新型号，具有结构紧凑，关节速度较高，动态响应快，精度高，过载能力强等特点。电控系统采用总线结构，扩展应用方便。适用于切割、打磨、上下料等场合。其产品性能如下表所示：

表1机器人性能参数表

3、系统设计

　　3.1客户需求

　　客户这台6关节工业机器人要求实现较高的关节速度和重复定位精度，同时要求在带载运行时保持机器人的稳定性。此外，客户要求可通过控制器对伺服驱动器的内部功能参数进行人工在线设定，以便实现精确控制。

　　3.2设计难点

　　工业机器人是非常典型的多轴控制系统，为使机器人能达到较高的重复定位精度，除了要求控制器有很强的路径规划算法及插补功能以外，伺服驱动器也必须保证在执行控制器位置指令时，保持所有关节严格同步。而为了提高机器人的运行速度，就需要伺服系统具有很强的瞬时过载能力和极高的动态响应特性。

　　如何减少机器人在运行过程中发生的振动，一直是机器人用伺服系统的一个难题，这也是很多国内伺服产品无法应用到工业机器人上的一个原因。

　　振动主要出现在两种工况，一是机器人在启动和停止时，机器人本体和末端会发生振动;一是机器人在高速运行，并移动范围较大时，本体会出现振动和运行轨迹偏差较大的现象。引起振动的主要原因就是机器人各个关节的惯量发生了较大变化，要消除振动必须在伺服驱动器中加入各种前馈补偿控制功能。

　　3.2系统方案设计

　　通过对客户需求的深入分析，我们为客户设计了“KEBA控制器+CoolDrive A8”伺服驱动器的电控系统解决方案。

图1 CoolDrive R6现场应用图

　　这套系统的优势在于：

1、机器人专用控制系统

　　本次项目选择的是KEBA专为机器人行业开发的KeMotion控制系统，包括控制器、视教盒以及控制软件。其控制器和视教盒都支持EtherCAT高速工业以太网通讯，具有很高的计算性能和通讯速度。

　　KeMotion还提供了强大的机器人控制软件，其中内置了多种类型的机器人路径规划模型，能够快速完成机器人的开发;同时软件还提供了丰富的补偿算法和插补功能，保证了机器人的控制精度。

2、CoolDrive R6机器人专用一体化伺服驱动器

　　CoolDrive R6是清能德创在进行大量工业机器人市场及客户的需求调研后，为其量身打造的一款伺服产品。作为国内首款机器人专用一体化伺服驱动器，CoolDrive R6无论从设计理念、集成功能还是产品的可定制化，都真正从行业用户的角度出发，着眼于满足客户的实际需求。

　　CoolDrive R6采用ALL IN ONE设计，在紧凑的机身内集成了六个伺服轴，同时还预留了扩展空间，可为机器人提供附加轴。同目前通用伺服方案相比，最多可节省50%的空间。

　　同时，CoolDrive R6加入了速度、加速度前馈补偿，力矩补偿等补偿算法，并开发了定位抖动消除、惯量前馈等功能，可较好地解决机器人本体在高速运行、快速定位时产生的振动，并且提高机器人的动态特性。

　　此外，CoolDrive R6还增加了电机弱磁控制技术以实现机器人的轻载高速运行，增加编码器信号修正技术以提高机器人的稳定性和降低运行中的噪音等。

　3、机器人实际性能测试

　　在实际测试过程中，在没有加入速度、加速度前馈补偿，力矩补偿等补偿算法的情况下，机器人在满载运行时，会发生明显振动。在机器人启动的瞬间，如果没有提前给定力矩补偿，机器人本体由于重力的作用会发生下沉的动作，也就是俗称的“点头”。而在机器人由高速运行状态快速停止时，如果没有“定位抖动消除”功能，机器人本体会由于惯性的突然变化而发生抖动。

　　下图是没有开启补偿及振动抑制功能时，机器人的位置误差，可以看到明显的振动现象。