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国联视讯工业机器人信息服务:机器人关键基础部件国内外发展趋势(技术、产业)

发布日期:2015-9-1 浏览次数:848

    在机器人高精度谐波减速机方面, 在其齿轮传动中采用双圆弧齿廓,可以有效改善柔轮齿根的应力状况和传动啮合质量,提高承载能力、扭转刚度和柔轮疲劳寿命,并可降低最小传动比。

日本的IH齿形是基于余弦凸轮波发生器开发的双圆弧齿形,由于采用近似方法设计,应用初期出现了齿廓干涉等问题,但是到1990年代初期已经基本完善。目前,日本谐波传动系统有限公司的谐波产品有十几个类型,二十多个系列,最小传动比为30,型号中带有字母“S”的,其齿形为双圆弧齿形,产品垄断了主要国际市场。其中超短杯型号CSD和SHD,其柔轮长度仅有常规谐波传动柔轮的1/3,既增加传动刚度,又大幅度减轻了谐波减速器重量。此外,在谐波传动轻量化技术方面,采用铝等轻合金材料制造波发生器与减速器壳体等方式,减薄刚轮外缘以及改进连接结构等形式,使整机重量大幅度减轻。

相比于谐波减速机,RV减速机具有更高的高度和回转精度,目前其发展方向是如何通过对内部轴承的配置,材料和热处理工艺的改进,增加减速机的扭转刚度,最大抗弯弯矩,以及提高在频繁加减速等恶劣工况下的使用寿命。

在机器人伺服电机和驱动器方面,机器人专用化的伺服电机和驱动器将成为发展趋势,即在普通通用伺服电机和驱动器的基础上,根据机器人的高速,重载,高精度等应用要求,增加驱动器和电机的瞬时过载能力,增加驱动器的动态响应能力,驱动增加相应的自定义算法接口单元,并且采用通用的高速通讯总线作为通讯接口,摒弃原先的模拟量和脉冲方式,进一步提高控制品质(如安川,松下,伦茨等主流伺服厂商以将EtherCAt总线作为下一代产品的总线标准)。同时,对于通用型的伺服驱动器删除冗余的通讯接口和功能模块,简化系统,提高系统可靠性,并进一步降低成本。

在机器人控制器和控制结构发展趋势方面,不仅要具有快速的响应特性,较高的跟踪精度,而且应该有良好的通用性和扩展性。采用传统控制结构固有的缺点逐渐暴露出来,例如由于配线过多,对系统进行调试及维修比较困难;采用基于模拟信号的数据传输方式,系统的抗噪声能力很差;由于控制器的模块繁多, 模块之间的连接复杂,而且相互制约,难以实现十几个轴以上的同步协调运动控制;机器人所采用的专用的封闭式体系结构阻碍了机器人控制器的发展,满足不了现代工业柔性化发展的要求。同时目前的机器人控制智能型,交互性较差,操作安全性还有待提高。

因此机器人控制器的发展趋势便现在两个方面:

①开放性的体系结构:

最早关于开放式控制器的研究源于美国。早在 1981 年,美国国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依赖性,开始了名为“下一代控制器(NGC,Next Generation Controller)”的计划,并成立了美国国家制造科学中心(NCMS,National Center of Manufacturing Sciences),其主要目的是拟订并推进开放式体系结构的标准规范SOSAS(Specification for an Open System Architecture Standard)。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动,其中比较重要,影响较大的三项研究工作分别是美国的OMAC(Open Modular Architecture Controller),欧洲的OSACA(Open System Architecture for Controls within Automation Systems),以及日本的 OSEC(Open System Environment Controller)。这些工程的目标是开发可以控制各种基于标准的自动化硬件平台和操作环境的机器人和工业自动化系统。开发适用于机器人控制的通用软件包,其应用范围从最底层的实时伺服控制、到智能传感器处理,到高层人机交互,涉及机器人控制的各个方面。

②总线控制方式: 在现场总线分布式结构中,各种开关量、模拟量就近转变成数字信号,所有总线设备间均采用数字信号进行通信,减小了传输误差,提高了测量和控制精度。现场总 线的应用使导线和连接附件大量减少,安装、调试及维护的开销大幅度下降,并且使系统具有优异的远程监控功能和故障诊断功能,提高了系统的可靠性。

现场总线还使系统硬件扩展更加方便,当控制轴数和IO点数增加时,对系统的硬件结构没有影响,便于系统的扩充和裁减。由于现场总线的协议是公开的,不同厂商的设备只要符合相应的标准,就可以实现互联、互换。目前国际上有60多种现场总线形式,常用的有Profibus、DeviceNet、CAN、CANOpen、 SyqNet、SERCOS和EtherCAT等。这点同时也是进行多机器人网络化控制的基础。

③智能化和网络化控制器的智能化和网络化同样是发展趋势,未来的工业机器人应该具有视觉,触觉,具有很强的人机交互能力和学习能力,因此需要控制器具有多传感器信息融合能力。同时,机器人之间可以任意组成网络,完成多机器人协调控制,进一步提高自动化和智能化程度。

我国机器人关键基础部件技术及产业的建议。

①发挥本土机器人公司的优势与国外有实力的优秀部件供应商进行合作,进行关键部件联合开发(例如KUKA与伦茨合作),删除通用产品的冗余功能,并在通用产品的基础上按照国产机器人设计要求,增加具有自主知识产权的模块,使之成为专用化,并低成本,增加本土机器人公司的核心竞争力。确定良好的合作协议是关键问题。在发展初期,同时需要国家从政策层面进行支持,如降低联合开发的核心部件进口税率。

②从研发,到加工制造,再到产业化应用整个过程中,联合国内各家优势单位,以RV减速机为例,以重庆大学机械传动国家重点实验室等高校院所为研究基础,以浙江恒丰泰,秦川机床厂等一批有实力的减速机生产厂商加工和产业化主体,以奇瑞,广州数控,苏州博实等机器人制造商的客观需求为拉动力,加速整个高精度机器人减速机的产业化发展。

③建立工业机器人关键部件检测中心,按照国家标准,对各类关键部件实施全面的性能检测和产品认证。这对于成熟产品形成的不断完善,确保产品质量十分必要。

④实行财政补贴:在工业机器人及相关基础部件产业化的初期,为了支持国产机器人的发展,对规模化生产的企业,可按其实际销售的相关人产品,参照国际市场的平均价格,给予一定比例(如20一40%)的补贴。

⑤对采用国产机器人的应用工程给予一定时期(3一5年)的减免税优惠,或对典型的应用工程系统,经申请、核准予以经费支持,以扶持整个产业的发展。

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