多轴机械手臂行业现状 

多轴机械手臂行业现状调研

Author Yanqing.Wang Date

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第一章伺服电机及驱动器 ....................................................................................................... 3 1.1 伺服电机 ........................................................................................................................ 3 1.2 反馈设备 ........................................................................................................................ 4 1.2.1 旋转变压器 ............................................................................................................. 5 1.2.2 增量式编码器 ......................................................................................................... 5 1.2.3 Sin/Cos 编码器 ........................................................................................................ 6 1.2.4 绝对值式编码器 ..................................................................................................... 7 1.3 伺服驱动器 .................................................................................................................... 8 1.3.1 整流电路 ................................................................................................................. 9 1.3.2 再生制动电路 ......................................................................................................... 9 1.3.3 逆变电路 ................................................................................................................. 9 1.3.4 主控单元 ............................................................................................................... 10 第二章多轴机械手臂及驱动器设计方案 ............................................................................. 12 2.1 机械手臂 ...................................................................................................................... 12 2.2 机械手臂驱动器 .......................................................................................................... 13

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（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。

Figure 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

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

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，输出一个模仿编码器通道A,B和Z脉冲，读取编码器信息。

Figure 2旋转变压器原理

1.2.2 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。