工業(yè)機(jī)器人核心零部件的集成不是一般意義上的搭配或者簡(jiǎn)單組合，而是從零部件級(jí)到系統(tǒng)級(jí)、自底向上的層層融合與擴(kuò)展。集成可分為六個(gè)層次——第一層次：零部件內(nèi)在品質(zhì)提高，各自具備更高性能和通用性;第二層次：零部件彼此最佳適配，達(dá)到最好的配合性能;第三層次：零部件機(jī)電一體化耦合，彼此融為一體，性能優(yōu)化;第四層次：集成優(yōu)化和再工業(yè)設(shè)計(jì)，達(dá)到機(jī)械、電氣、控制和能效方面的協(xié)調(diào);第五層次：系統(tǒng)擴(kuò)展和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用突破性技術(shù)、融合更多技術(shù)元素、形成更多特色方案;第六層次：大數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)性健康管理。目前國(guó)內(nèi)還處在第一層次，唯有實(shí)現(xiàn)了這樣的多層次集成，才能有效支撐工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展并符合未來(lái)智慧工廠的需要。

先進(jìn)伺服系統(tǒng)的要求

智慧工廠成為未來(lái)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的大方向。機(jī)器人用伺服系統(tǒng)作為自動(dòng)化裝備的核心，要能夠全面滿(mǎn)足智慧工廠建設(shè)的需要。除滿(mǎn)足一定的運(yùn)行性能，穩(wěn)定可靠、價(jià)格合理，還需要進(jìn)行全面的產(chǎn)品生命周期管理，進(jìn)行一定程度的功能集成，具備工業(yè)以太網(wǎng)通信功能，具備高級(jí)別的能效管理，集成物理、功能、信息安全功能，其系統(tǒng)搭建需使用高水平的平臺(tái)軟件以滿(mǎn)足架構(gòu)性能和可移植性，其軟硬件設(shè)計(jì)也須符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

機(jī)器人用先進(jìn)伺服系統(tǒng)首要的是滿(mǎn)足當(dāng)今主流工業(yè)機(jī)器人的主要性能指標(biāo)，通常包括負(fù)荷范圍、運(yùn)動(dòng)范圍、精度(重復(fù)定位精度、重復(fù)軌跡精度)、速度(最大單軸速度、位置穩(wěn)定時(shí)間)、穩(wěn)定性(位置跟隨誤差、振動(dòng)抑制)、功能安全等等。

為保證在未來(lái)持續(xù)為機(jī)器人系統(tǒng)提供有效的支持，機(jī)器人用伺服系統(tǒng)還需符合工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)，如綠色化、可人機(jī)協(xié)作、高能效等等。

關(guān)鍵技術(shù)的表現(xiàn)

工業(yè)機(jī)器人的工作表現(xiàn)受伺服系統(tǒng)影響極大，因而交流伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)永遠(yuǎn)都是先進(jìn)性比較的首要因素。在下面這些指標(biāo)中，不同的應(yīng)用有著不同的考核重點(diǎn)，如位置分辨率，精度(速度、位置)，系統(tǒng)穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)(速度，力矩)，調(diào)速范圍，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，過(guò)載能力，控制環(huán)帶寬，負(fù)載慣量適應(yīng)性，電機(jī)參數(shù)適用性等。國(guó)外先進(jìn)伺服系統(tǒng)已經(jīng)能夠很好地適應(yīng)絕大多數(shù)應(yīng)用的需求，其研發(fā)資源集中在個(gè)別高端應(yīng)用及整體性能提升方面，處于精雕細(xì)刻階段。國(guó)內(nèi)廠家的產(chǎn)品很多基本要求尚未達(dá)到，還需努力追趕，任重道遠(yuǎn)。

概括地說(shuō)，先進(jìn)伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵技主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

功能 功能性的變化是產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)差異化的重要方式。隨著核心處理芯片和軟件能力的提高，現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)普遍在人機(jī)工程、安全性、智能性等方面增加特色。和通常需要很多參數(shù)設(shè)定的傳統(tǒng)多功能、通用化產(chǎn)品相比，最大限度地簡(jiǎn)化操作，用智能化軟件提高易用性，追求簡(jiǎn)潔的外觀和簡(jiǎn)潔的操作界面，成為一種潮流。在接口功能方面，常規(guī)的脈沖串和模擬量接口將逐步消失，代之以數(shù)字化串行網(wǎng)絡(luò)接口，RS485/Modbus已經(jīng)淡出，CAN總線(xiàn)成為中低端標(biāo)準(zhǔn)接口，其他各種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)將逐漸為高性能工業(yè)以太網(wǎng)取代。對(duì)各種第三方編碼器的支持也是必須的;驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置的保護(hù)功能將更加完善，對(duì)內(nèi)部電氣應(yīng)力和熱應(yīng)力的測(cè)量也不再僅僅用于關(guān)鍵時(shí)刻的保護(hù)，而更多用于預(yù)測(cè)性維護(hù)、診斷和功能安全用途，以最大限度減少停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)率。針對(duì)非機(jī)器人應(yīng)用，如包裝機(jī)械、機(jī)床等，不少歐、美、日系的控制器/驅(qū)動(dòng)器早已集成了各種運(yùn)動(dòng)控制功能，如電子凸輪、電子齒輪、多段速度設(shè)定、指令平滑、同步跟蹤、插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)、自測(cè)零位、瞬態(tài)轉(zhuǎn)速觀測(cè)等，并在其他種類(lèi)的功能上各具特色，百花齊放。而國(guó)內(nèi)廠商的產(chǎn)品尚未形成各自的特色優(yōu)勢(shì)。

安全 安全集成驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為國(guó)外先進(jìn)伺服系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，區(qū)別只是集成了多少個(gè)安全功能，以及是否可選。關(guān)于安全驅(qū)動(dòng)的例子可以在西門(mén)子、倍福、Lenze、包米樂(lè)等許多歐洲公司產(chǎn)品上見(jiàn)到，最近日本公司的個(gè)別產(chǎn)品也開(kāi)始提供基本的安全功能比如安全轉(zhuǎn)矩截止(STO)。對(duì)大多數(shù)國(guó)內(nèi)廠商來(lái)說(shuō)，安全似乎還沒(méi)有提上日程。就安全技術(shù)領(lǐng)域而言，驅(qū)動(dòng)的安全性已經(jīng)從機(jī)械安全和電氣安全的階段，走向功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全。在安全上率先發(fā)力的公司將贏得理念和市場(chǎng)的領(lǐng)先。

能效 對(duì)機(jī)器人用伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能效已經(jīng)是必須不斷得到提高的關(guān)鍵指標(biāo)。其中電機(jī)本體的高效化早已被大家所熟識(shí)，但一系列研究表明，采用高效部件(電機(jī)、新型器件等)及提高控制性能固然重要，但系統(tǒng)級(jí)能效優(yōu)化更加重要。

相對(duì)于在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置或外部加裝制動(dòng)電阻進(jìn)行制動(dòng)能量消耗，采用有源前端技術(shù)對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收是節(jié)能的重要途徑。工業(yè)機(jī)器人一般擁有4個(gè)到8個(gè)驅(qū)動(dòng)軸，而且他們有著不同的加減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，共直流母線(xiàn)是一種很好的節(jié)能方案。我們可以把處于減速制動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)的再生能量通過(guò)母線(xiàn)傳遞給其他處于加速狀態(tài)的電機(jī)，從而減少了對(duì)電網(wǎng)功率的吸收。并聯(lián)型驅(qū)動(dòng)在歐洲廠家產(chǎn)品上經(jīng)常見(jiàn)到，而日本廠家多為單軸型驅(qū)動(dòng)，只有安川和發(fā)那科等公司為機(jī)床和機(jī)器人應(yīng)用開(kāi)發(fā)了并聯(lián)型驅(qū)動(dòng)。對(duì)國(guó)內(nèi)廠商，迄今為止，只在極少的產(chǎn)品上看到了清晰的并聯(lián)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)能效管理的理念，如北京清能德創(chuàng)的A8系列伺服驅(qū)動(dòng)器擁有系統(tǒng)能效管理技術(shù)，可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)能效管理，實(shí)現(xiàn)不同的節(jié)能模式。

網(wǎng)絡(luò) 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在提升機(jī)器人用交流伺服系統(tǒng)的高性能方面起到了舉足輕重的作用。低速串行網(wǎng)絡(luò)如RS485和Modbus適用于離線(xiàn)參數(shù)配置和軟件編程。中速現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)(1~16Mbit/s)如CAN、Profibus-DP可以用于多軸實(shí)時(shí)控制的指令給定。只有高速實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)(100/1000Mbit/s)能夠完成高速高精度的多軸、同步、實(shí)時(shí)控制，比如日趨流行的Ether CAT/SercosIII/Power link等。德國(guó)公司Beckhoff推出的EtherCAT近年來(lái)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，成為大多數(shù)高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)首選的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際品牌驅(qū)動(dòng)器普遍采用了高速工業(yè)以太網(wǎng)，同時(shí)支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，典型公司如Emerson CT、Lenze等。國(guó)內(nèi)廠商在該領(lǐng)域的研究普遍不足，僅僅個(gè)別廠家推出商品化的產(chǎn)品，通過(guò)了Ether CAT一致性測(cè)試國(guó)際認(rèn)證。

智能 軟件工程和控制理論最新的發(fā)展成果，尤其是智能控制技術(shù)，越來(lái)越多地應(yīng)用于機(jī)器人中，而機(jī)器人用現(xiàn)代高性能交流伺服系統(tǒng)，也同時(shí)吸收這些技術(shù)，使伺服系統(tǒng)越來(lái)越多的具備如自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自協(xié)調(diào)、自診斷、自校正等人工智能特性。其中對(duì)電流環(huán)采取的各種優(yōu)化控制策略對(duì)保障穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的平衡至關(guān)重要;自動(dòng)增益調(diào)整、在線(xiàn)慣量辨識(shí)、在線(xiàn)電機(jī)參數(shù)辨識(shí)功能有助于減小現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試難度、增強(qiáng)伺服系統(tǒng)對(duì)環(huán)境和電機(jī)參數(shù)時(shí)變的適應(yīng)性;自動(dòng)振動(dòng)抑制和軟件陷波濾波器的設(shè)置可減弱甚至消除整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈的諧振和抖動(dòng)，提供靜音、平滑、高精度的運(yùn)行效果;故障自診斷和可預(yù)測(cè)性維護(hù)特性可有效減少維護(hù)成本，提高系統(tǒng)可用性。對(duì)運(yùn)動(dòng)控制功能的集成將伺服驅(qū)動(dòng)器提升到所謂的智能伺服控制器的層次，可簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提升控制性能。

集成 機(jī)器人用伺服系統(tǒng)的集成表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

硬件橫向集成：驅(qū)控硬件一體化、電機(jī)驅(qū)動(dòng)一體化;一體化要求廠商具備整合電機(jī)本體和驅(qū)動(dòng)控制的資源和能力，對(duì)大多數(shù)單純的電機(jī)廠或驅(qū)動(dòng)器廠來(lái)說(shuō)是一種挑戰(zhàn)。

信息縱向集成：利用傳感器和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，將減速機(jī)、電機(jī)、編碼器數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)向上傳遞到控制器，甚至是云端。

綠色 綠色、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展理念深刻影響著整個(gè)制造業(yè)，對(duì)機(jī)器人用伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)客戶(hù)的整個(gè)產(chǎn)品生命周期成本進(jìn)行優(yōu)化同樣是必要的。在生產(chǎn)制造過(guò)程中遵循國(guó)家和地區(qū)的環(huán)保指令已經(jīng)成為國(guó)際品牌產(chǎn)品的強(qiáng)制要求。綠色化還包括減小伺服系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)和周邊電磁環(huán)境的影響，采用能量回饋技術(shù)的有源前端將大幅度提高節(jié)能特性，功率因數(shù)校正技術(shù)將減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，良好的EMI特性在某些敏感場(chǎng)合是必須的，如醫(yī)療健康領(lǐng)域。