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admin2023-12-30PLC人已围观

简介工业机器人有四大部件,即本体、伺服器、减速器和控制器。 其中,工业机器人电动伺服系统的总体结构为三闭环控制,即电流环、速度环和位置环。 一般来说,对于交流伺服驱动器

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  工业机器人有四大部件,即本体、伺服器、减速器和控制器。 其中,工业机器人电动伺服系统的总体结构为三闭环控制,即电流环、速度环和位置环。 一般来说,对于交流伺服驱动器来说,可以通过手动设置其内部功能参数来实现位置控制、速度控制、扭矩控制等各种功能。

  伺服系统(servomechanism)又称跟随系统,是用来精确跟随或再现某一过程的反馈控制系统。 伺服系统是一种能够使输出物体的位置、方向、状态等受控量跟随输入目标(或给定值)的任何变化的自动控制系统。

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  伺服系统是基于变频技术开发的产品。 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扭矩控制外,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系统。 其控制量(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快速、准确地再现给定量的变化。

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  伺服系统的结构组成

  机电一体化伺服控制系统的结构和类型很多,但从自动控制理论的角度来看,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、比较环节五个部分。

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  伺服系统组成原理框图

   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,以获得输出与输入之间的偏差信号的环节。 它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、积分和微分)控制电路。 其主要任务是将比较元件输出的偏差信号进行变换,以控制执行机构按要求动作。

   3、执行链接

  执行环节的作用是按照控制信号的要求,将各种形式的输入能量转换成机械能,驱动被控对象做功。 机电一体化系统中的执行器一般指各种电机或液压、气动伺服机构。

   4、控制对象

  受控对象是指被控制的对象,例如机械臂或机械工作平台。

   5.检测环节

  检测环节是指能够测量输出并将其转换成比较环节所需尺寸的装置,一般包括传感器和转换电路。

  伺服系统的特点及功能

  伺服系统与一般机床的进给系统有本质的区别。 它能根据指令信号精确控制执行部件的运动速度和位置。 伺服系统是数控装置与机床之间的纽带。 它是数控系统的重要组成部分,具有以下特点:

  伺服系统类型

  伺服系统执行部件

   1、执行机构的类型及特点

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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、步进电机和电磁铁等,是最常用的执行器。 伺服电机除了运行平稳外,一般还要求具有良好的动态性能、适合频繁使用、易于维护等。

   (2) 液压执行机构

  液压执行机构主要有往复缸、回转缸、液压马达等,其中以气缸最为常见。 在相同输出功率下,液压元件具有重量轻、速度好的特点。

   (3) 气动执行器

  气动执行器与液压执行器没有什么不同,只是它们使用压缩空气作为工作介质。 气动驱动虽然可以获得较大的驱动力、行程和速度,但由于空气的粘性和压缩性较差,不能用于定位精度要求较高的场合。

  三种类型的区别

  类型

  特征

  优势

  缺点

  电

  气体

  模式

  具备商用电源; 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。

  操作简单; 易于编程; 可实现定位伺服控制; 响应速度快,易于与计算机(CPU)连接; 体积小、功率大、无​​污染。

  瞬时输出功率大; 过载能力差; 一旦卡住,就会造成烧毁事故; 受外界噪声影响较大。

  气体

  按

  模式

  气压源压力5~7×Mpa; 要求操作者熟练。

  气源方便,成本低; 无泄漏污染环境; 它快速且易于操作。

  功率低、体积大、难以小型化; 运动不稳定,难以长距离传输; 高噪音; 难以伺服。

  液体

  按

  模式

  液体压力源压力为20~80×Mpa; 要求操作者熟练。

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

  设备小型化困难; 对液压源和液压油的要求严格; 容易发生泄漏,污染环境。

   2、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。

  控制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)等控制,实现定速、变速驱动或重复启停的增量驱动以及复杂的驱动。 驱动精度随驱动对象的不同而不同。 因人而异。

   (1)伺服驱动电机一般指:步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机

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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具有位置(或速度)反馈环节; 开环系统没有位置和速度反馈链路。

   A。 开环数控系统

  没有位置测量装置,信号流是单向的(数控装置→进给系统),因此系统稳定性好。

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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。 一般采用功率步进电机作为伺服驱动部件。

  该类型系统具有结构简单、运行稳定、调试方便、维护简单、价格低廉等优点。 广泛应用于精度和速度要求不高、驱动扭矩不大的场合。 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。 取自驱动装置(常用伺服电机)或螺杆,采样旋转角度进行检测。 它不直接检测运动部件的实际位置。

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  半闭环不包含或仅包含少量机械传动环节,因此可以获得稳定的控制性能。 系统的稳定性虽然不如开环系统,但比闭环系统要好。 由丝杠螺距误差和齿轮齿隙引起的运动误差很难消除。 因此,其精度比闭环差,比开环好。 然而,这种误差可以被补偿,从而仍然可以获得满意的精度。

  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了广泛的应用。

   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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  理论上,整个驱动和传输链路中的错误、间隙和动力损失是可以消除的。 具有较高的位置控制精度。 由于位置环中许多机械传动环节的摩擦特性、刚度和间隙都是非线性的,很容易造成系统不稳定,使得闭环系统的设计、安装和调试相当困难。

  该系统主要用于镗铣床、超精密车床、超精密磨床以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端运动控制器和低端伺服驱动器组成。 运动控制器负责运动控制指令译码、各位置控制轴的相对运动、加减速轮廓控制等,其主要功能是其作用是减少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伺服电机、伺服驱动器、指令机构三部分组成。 伺服电机是执行器,用来实现运动。 伺服驱动器是伺服电机的动力源。 命令机制用于发送脉冲或给出速度。 配合伺服驱动器正常工作。

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  机器人对伺服电机的要求比其他两个部分更高。 首先,要求伺服电机具有快速的响应能力。 从电机收到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,电气伺服系统的灵敏度越高,快速响应性能越好。 通常,伺服电机的快速响应性能是通过伺服电机的机电时间常数的大小来解释的。 其次,伺服电机的启动扭矩惯量比较大。 驱动负载时,要求机器人的伺服电机具有较大的启动扭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。 有时转速需要与控制信号成比例或近似成比例。

  当然,为了匹配机器人的体形,伺服电机必须尺寸小、质量轻、轴向尺寸短。 它还必须承受恶劣的工作条件,能够执行非常频繁的正向和反向操作、加速和减速,并且能够在短时间内承受多次过载。

  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来直接或间接驱动机器人本体,以获得机器人的各种运动。 具有扭矩惯量比高、无电刷和换向火花等优点,在机器人中得到广泛应用。

  国外知名伺服电机/系统制造商

  伦茨(德国)

   Lenze是世界著名的机电传动产品制造商。 其主要产品包括直流调速器、交流变频器、交流伺服、各种电机、小型传动换位器、减速箱、变速箱、制动器、离合器等。公司目前的产品MCM同步伺服电机专注于机器人市场。 结构紧凑、负载惯量比好、外壳光滑、简单易用。 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)

  博世力士乐是德国博世集团的全资子公司。 是全球工业技术市场领先的供应商,在传动与控制领域享有卓越声誉。 公司产品种类齐全,主要专注于高品质电控、液压、气动、机电一体化元件及系统等领域。

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  博世力士乐MS2N同步伺服电机

  光泽(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和贸易企业。 标准产品范围广泛,涵盖通用、可编程和多轴运动控制类型。 它们广泛应用于各类工业机械和机床。

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  力斯特LST系列伺服电机

  倍福(德国)

   Beckhoff 以 PC 自动化新技术为发展理念,生产工业 PC、现场总线模块、驱动产品和 TwinCAT 自动化软件,形成完整且相互兼容的控制系统,可提供各个工业控制领域。 开放式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。 它已经繁荣了150年。 公司业务主要集中在信息与通信、自动化与控制、电力、交通、医疗系统和照明六大领域。 西门子伺服电机品种丰富、结构紧凑,能够实现优异的动态特性和运行效率,具有全系列的性能水平和多种安装规格。

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   SIMOTICS 1FT7 永磁同步电机

  欧洲伺服的特点是过载能力高、动态响应好、驱动器开放性强、总线接口包括现场总线、工业以太网甚至无线网络技术。 但它价格昂贵、体积庞大且沉重。 (虽然目前的高速伺服总线大多是开放标准,但技术均由国际大公司控制。尤其是基于工业以太网技术,如EtherCAT、Profinet、EtherNet/IP、SERCOS III等,在提高工业机器人专用通讯伺服系统的高性能起着决定性作用,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,国外伺服厂商如安川和伦茨已采用 EtherCAT 总线作为下一代产品的总线标准。)

  松下(日本)

  松下是一家大型跨国公司,产品涉及家电、数字视听电子、办公产品、航空等众多领域。 松下电机是松下电器的子公司,专门从事电气和机电服务。 该公司的小型交流伺服电机和驱动器在市场上很受欢迎。 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,也是日本第一家生产伺服电机的公司。 其产品以稳定、速度快、性价比高而著称。 它们是全球销量最大、行业使用最多的伺服品牌。 从一般工业机械到半导体和电子元件制造设备,安川可以提供适合各种用途的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)

  三菱并不是一家独立的公司,而是由许多独立公司组成的集团。 公司涉及采矿、造船、银行、保险、仓储、贸易、造纸、钢铁、玻璃、电力设备、飞机、石油和房地产等多个领域。 ,是日本工业巨头。 三菱电机始终致力于提高产品性能。 FA产品阵容涵盖在亚洲占据主导地位的可编程控制器(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)

  三洋是日本松下旗下的一家电器公司,瞄准中端市场。 截至2012年4月1日,该品牌已停止运营。 三洋的Denki交流伺服驱动系统是最早进入国内的伺服系统之一。 以其性能优良、高速、准确、灵活、使用寿命长、性价比高而闻名。 可实现不同控制方式的切换,全闭环控制,并具有输出检测。 功能,自动过滤功能,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、医疗设备、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。 但缺点也很明显,那就是动态响应能力比较弱,开放性较差。

  埃尔莫(以色列)

   Elmo Motion Control 是一家专门开发紧凑型大功率伺服电机的公司。 25年来,一直致力于为各种恶劣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。 该公司声称制造世界上最好的伺服电机。

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  埃尔莫伺服电机

   SERVOTRONIX(美的)

   servtronix专注于运动控制领域,也是一家专业开发高性能伺服驱动系列及运动控制解决方案的公司。 该公司已被美的收购,未来将成为库卡机器人伺服电机的主要供应商。

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   servtronix PRO2 系列伺服电机

   AMC(美国)

   AMC(ADVANCED Motion Controls)是一家提供可靠、高性能运动控制系统的公司。 该公司成立于1987年,几十年来一直规模较小,只有300多名员工,其中40%是工程师。 公司的目标是成为最好的伺服公司,因此只生产伺服驱动领域的产品。 凭借精湛的制造水平和先进的研发能力,近七年来公司的客户保留率高达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也是一家专门生产伺服驱动器的公司。 主要为广泛的工业应用提供高性能运动控制解决方案,拥有超过25年的OEM合作经验。 公司产品的应用领域主要包括半导体、生命科学、自动化设备、机器人、测试/测量、COTS军工等。

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  科普利伺服产品

  上述公司都是伺服控制技术的领导者。 他们的产品虽然市场份额较小,但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保持快速增长。 伺服系统的自主研发、制造、生产和应用已基本成熟,形成了一定的产品系列和独立配套能力。 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。 例如,国产品牌产品的功率范围多在3KW以内,以中小功率居多,技术路线接近日系产品。

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

  首先,形状普遍较长,外观粗糙,难以应用于一些高端机器人。 特别是对于6kg左右的轻载桌面机器人,由于机器人手臂的安装空间非常狭窄,因此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,需要向小型化、高密度、与伺服电机本体一体化方向设计,以便于安装、调试和更换。

  第三,另一个核心技术是高精度编码器,特别是机器人用的多圈绝对式编码器,严重依赖进口,是制约我国高端机器人发展的一大瓶颈。 编码器的小型化也是伺服电机小型化中绕不开的核心技术。

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

  第五,伺服系统各部分之间的产业协作不足,难以实现伺服电机和驱动系统良好的整体性能。

  值得一提的是,除了上述五种工艺缺陷外,不少国内伺服电机制造商继续采用购买落后技术和硬件来打造“国产”电机的做法。 这样生产出来的电机质量和稳定性参差不齐,不仅扰乱市场,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,我国大型伺服品牌有20多个。 这些厂家的一些产品质量和性能突出,令人瞩目,表现出一定的独立性和创新性。

  台达航空(台湾)

  台达是中国知名自动化品牌,在全球自动化领域占有独特的地位。 20世纪90年代初,台达采用自主研发,开始进军工业自动化领域。 基于在电力电子领域的积累,台达以变频器产品起家,后来转向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、工业机器人等自动化产品最终集中在驱动、运动、控制三大领域。

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  台达ECMA系列标准交流伺服电机

  士林(台湾)

  士林电机创立于1955年,主要开发重电、电气设备、机械、自动化领域相关产品。 公司与日本三菱有密切合作,并在厦门设有合资公司。 据称,其产品的用户体验可与三菱电机相媲美。 以士林SDH交流伺服系列为例。 该系列电机采用台湾最好的编码器,具有台湾最高的响应速度。

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  士林SDH系列交流伺服电机

  台湾品牌使用方便,性能接近日本品牌,但价格比日本品牌低,性价比高,在中低端市场发展迅速。

  汇川

  深圳汇川主要从事自动化、新能源领域的产品研发。 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、传感器等一系列工业自动化核心部件和电气解决方案。 现已成为中国最大的中低压逆变器及电气解决方案制造商。 伺服系统供应商。 汇川技术的多款伺服电机支持Ethercat以太网通信协议。

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  汇川IS620N伺服系统

  古皋

  固高科技是中国领先的自动控制产品供应商。 公司自主开发基于PC的开放式运动控制器、嵌入式运动控制器、网络化运动控制器、计算机可编程自动化控制器产品及系统。 综合性能达到国际一流水平,填补了国内行业多项空白。 Gocool主要提供机器人运动控制系统。

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   Goco 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。 是国内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档水平。 公司全系列GK6、GK7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。 是目前国内唯一一家拥有自主知识产权和整套核心技术自助支撑能力的企业。

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  华中数控ST系列总线式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。

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  广州数控SJTR系列伺服电机

  英威腾

   2011年,英威腾收购宇能动力,将品牌打造成纺机伺服系统细分市场的领导者。 英威腾主要为纺机企业提供整体解决方案,提供行业最全系列的预防性伺服系统。 目前,公司伺服产品应用于纺织机械、包装机械、数控车床、点胶机、LED分光编带机等。 广泛应用于芯片机等机器,性价比高。

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  英威腾DA200高性能通用交流伺服系统

  埃斯顿

  南京埃斯顿具有十多年生产和销售交流全数字通用交流伺服驱动器和电机的历史。 产品广泛应用于各类数控机床及自动化设备。 2012年,公司顺利完成863计划重大项目“工业机器人交流伺服系统驱动器及电机研制”,拥有自主品牌的机器人专用交流伺服系统。 目前,公司机器人全部采用的交流伺服系统均为自主生产,实现了核心零部件国产化的突破。 公司还成功研发了机器人专用“一拖六”交流伺服系统,为研发更具性价比、高效的国产机器人提供了基础。

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  机器人的工作性能受伺服系统影响较大,因此精密伺服系统的关键性能指标始终是比较先进性的首要因素。 国外先进的伺服系统已经能够很好地适应大多数应用的需求。 他们的研发资源集中在个别高端应用和整体性能提升上,处于细化阶段。 在工业4.0背景下,国产伺服任重而道远,需要努力追赶。

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