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  • 杭州桢正机器人科技有限公司总经理兼首席技术官江思敏:工业机器人关键技术——伺服驱动技术的发展

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    • 时间:2016-11-10
    • 来源: 中国机器人网
    • 编译:zy
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       2016年10月30日,由中国机器人网主办的中国国际机器人高峰论坛,曾邀请杭州桢正机器人科技有限公司总经理江思敏博士做主题演讲。在本文计划发稿时,得知江思敏博士因交通意外于2016年11月5日过世,对此深感痛惜。
     
      江思敏先生毕业于清华大学机械制造及其自动化专业,获得博士学位,后赴美,担任美国加州大学戴维斯分校的博士后。他对伺服驱动技术有着深入的研究,常常与业内人士互相交流与探讨,深得业内人士的尊敬。中国机器人网谨以此文表达对江思敏博士离去的哀悼,以及对江博士为中国的自动化事业所作出贡献的表示深深敬意。
     
      2016年10月30日,中国国际机器人高峰论坛工业机器人分论坛上,杭州桢正机器人科技有限公司总经理兼首席技术官江思敏以《工业机器人关键技术,伺服驱动技术的发展》为题,分析了目前机器人核心零部件的国内外差距,同时也介绍了杭州桢正在伺服电机技术上做出的一些突破。以下是演讲整理文字:
     
      工业机器人核心部件大家都很清楚,近年来伺服电机技术发展,以国外的西门子,还有奔驰,美国的一些企业为主流,推出一系列产品,目前的技术进展,最近这几年从理论上来说没有新的突破,主要还是落实在具体的结构设计、制造工艺,在技术上大大降低损耗,提高密度。这种技术,目前国内外都有,但是,有些工业比较落后的企业达不到这个水平。
     

     
      就电机本身来说我们如何提高它的密度,包括西门子等都采用斜槽或斜级,降低齿槽转矩,提高电机速度的平稳性,也会降低额定扭矩。
     
      伺服电机技术进展(材料),现在材料目前国内电机里面的不可替代的一部分,必须使用最好的适应高温应用,我们国内目前的技术还是相当落后的,上周五去宁波一家公司了解这个事情,现在日本的技术已经非常成熟,利用到系统材料上面,我们国家现在还是实验性的基础阶段。至少比国外落后10年。
     
      另外编码器技术,也是我们的瓶颈,我们电机的反馈编码器包括各种传感器,基本上都是采用国外进口的一些产品,包括SICK Stegmann,一个电机的产品,比如说价格3千,编码器可能占1千,利润其实大部分都是编码器里面,真正的电机本身利润很低的。在编码器技术里面,我比较推崇SICK的技术,就是采用一根反馈线,里面只有一个电源线集成一起的,一条电缆线就可以了,这样对我们整个系统的设计,对布线成本都是有很大帮助的。
     
      最近几年从电机发展来说,我们可以看得到这几年有很大的发展,直驱、直线、集成式伺服电机,这些产品有它很重要的应用背景,比如说直驱电机,这种电机确实很好,它去掉传统部件,大大提高我们整个系统的应用特性。这几年有很多的尝试,这可能有些概念的误区,因为直驱电机,要达到同样的扭矩,直驱电机的体积增大,因为扭矩密度跟体积成正比的。直线电机,它必须用更好的反馈元件,才可获得高的定位精度。
     
      直线电机,无背隙、高动态响应,在高精度雕铣(高光机),激光加工、精密定位平台等领域。
     
      对于前几年有些热的集成式伺服电机,其实有很大的问题,存在发热问题,必须降低使用,不适合重载机器人应用。比较适合在小功率的人工协作机器人上应用。
     
      总体来说,对于集成的伺服电机,我在美国曾经研究过这个电机,同时也产品化,但是销售情况不尽如人意,从2011年底推上市场,没有超过1千台,但这个概念是好的。
     
      刚才清能德创的汤总也谈到很多伺服领域的事情,国内新时达等等一些企业也做很多好的产品,但是总体来说我们跟国外还是有一些差距。不是说我们伺服本身的差距,其实还是核心技术的差距,我们现在用的伺服总芯技术,它所有的标准,所有的定义没有一个是我们中国人定义的,全部是来自于欧洲和日本,比如说Ether CAT等等。
     
      共目线结构体系,先进的控制算法,自适应振动抑制,自适应参数整定,齿槽转矩补偿,磁饱和控制,弱磁控制。
     
      在安全功能方面,国内我们以前很少考虑安全的功能,SIL的安全功能,是欧美的启动器普遍采用的安全功能技术。
     
      我这里列出来美国罗克韦尔的架构系统,目前有两种总线,为什么选择这两种主线呢,不加任何东西可以互联我的设备,Ether CAT它不是基于TCRP的架构的,但是它这两种是基于TCRP的架构,但缺点是实时性、速度不够快。Ether CAT满足我们机器人的应用没有问题的。
     
      目前来说国内外不管是欧美,还是咱们国内的伺服系统,现在高端一点的都采用DSP或ARM+CPLD,实现模拟输入,反馈和电机控制算法等。这些不讲了,我们里面的东西基本上都是国外的一些产品,不知道大家有没有用过?DSP或ARM+CPLD,有没有用国产?现在也是我们致命的问题,技术的发展需要时间的积累,因为上午听了一下,觉得我们形势大好,其实不是这样的,其实我们形势很严峻。
     
      在机械系统里面,其实存在多个多频振动的情况,当不同速度工作的情况下引起的振动,我觉得应该把这个功能做进去。
     
      另外一个就是自适应适应增益参数,可实现惯量自适应辨识整定。这个东西不是那么容易做的,一定要有大量的数据,经验的积累,才能做到这一点,不是说改变一个参数,其实很危险的,往往会带来系统的不稳定,但是安川电机做到了。
     
      为什么做磁饱和控制,对于电感来说它随着电流变化的,因为这个来源于什么?电源的变化,磁场的变化,对这个磁场进行控制,对于国内外一些驱动器了解一下,在这个方面做控制的也不多。
     
      再说一下我们伺服驱动产品在国内的情况,其实也不是很悲观,现在从我们市场来说,从整体来说,欧美、日本,大概占到我们国内市场的75%,国产的话有25%,这个国产25%里面,还有12%是台湾的,其实我们真的国产的占比很少,一年中国卖1千多万的伺服系统,我们国产只占100多万,这是我们需要深思的。
     
      同样反馈元件也是致命问题,95%以上的反馈元件都被欧美和日本垄断,工业机器人应用上,国产率基本为0%。
     
      还有一个就是制动器,搞电机的都知道,我们要用制动器的话,搞一款国产的很难,找一款国内知名品牌更难,欧美的,KEB、Kendrion,在这儿不是宣传国外的产品,我们国内应该做这个产品,应该有企业发明这个产品,这样才能把伺服的上下游发展起来,能够真正做到跟国外竞争。
     
      磁材方面,日本技术领先,超薄的硅钢片我们国家目前还制造不出,这也是我们技术的一个瓶颈。包括其他的一些绝缘材料等等,现在只好选择一些美国或者德国的,国内的总体性能差,它的伸缩长度是变化的,导致你的电机一次性差,要做好的电机没有办法,还是得用国外的产品。包括国外的也好,这些都是我们面临问题。
     
      功率模块,这些技术我们都知道,在发展中。但是我们找不到国产,找MOSFET,或者找IPM,或者找东芝等等公司,我们国家其实做研究80年代就开始了,为何到现在没有产品?这也是我们从事这个行业令人心痛的事情。
     
      从伺服驱动器来说,我们国家存在的差距很大,尤其是基础。经常听到人家说要弯道超车,我很反对的,没有精湛的技术怎么弯道超车?一定要加强基础研究,绝缘材料等等,其实可以发展很多新的企业,产业方向,控制芯片等等,我记得在清华大学上研究生的时候就在研究芯片,到现在这方面的发展也没有很大起色,我们国内产品系列化不多,机器人占整个行业的不到5%到8%,真正国内1千多万个,机器人能够占到10几万就不错了,也就是两三万台是国产的。从整个行业来说,像包装机械,一个企业用三四万套的驱动,这些市场基本被三菱和安川垄断。国内搞低价格竞争,其实这个对我们产业发展非常不利,这个事情政府应该好好考虑,市场不规范,也是影响这个产业发展的致命问题。我们国家的电气行业标准不应完全照搬欧美的,应该体现我们国家的一些技术发展。我们看到差距,也看到我们的发展,把我们核心零部件公司罗列出来,看到我们国家核心部件的企业也在发展,新时达、新松,虽然在困境中发展还是不错的。机器人在电机方面,真正用上机器人电机的,国产的实在太少,我们杭州桢正也是国产的,用在机器人身上的电机还是有一定的性能。
     
      驱动器方面,我觉得清能德创做的还是值得尊重的,在这么困难的情况下做出来跟欧美媲美的,还是值得骄傲的,固高、新时达等等一些公司,固高它自己做了很多驱动器的工作,一体化的驱动器还是不错的,新时达也是不错的。减速器方面,绿的,振康还是不错的。
     
      前面说了很多悲观的问题,下面介绍一些我们公司的情况,我们做了很多不同的产品,有低惯量伺服电机,也有大功率的伺服电机。
     
      我们伺服电机在工业机器人上的应用方面,拥有4公斤到800公斤机器人的应用配置,低惯量伺服电机在Delta机器人上的应用,低惯量电动机,servomotor,用作自动控制装置中执行元件的微特电机。又称执行电动机。其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。
     
      500毫米距离,80毫米高度的工作,可达170次/分钟。现在我们正在推广,我们推出来的产品是0.9NM(纳米)到45NM(纳米)上全覆盖。我们这个产品是针对机器人的一些客户,针对他们开发的。
     
      编后语:
     
      江博士把整个机器人关键基础部件,尤其是电机详细梳理一下,其他部件分类讲解,让大家清醒看清与国外技术、市场的差距,并且也罗列了在核心零部件领域具有核心技术价值和竞争力的国产机器人品牌,正是因为存在这种差异,才使大家有了值得努力和奉献的空间。
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