机器人核心零部件技术现状及趋势.docx

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1、机器人核心零部件技术现状及趋势工业机器人是我国制造业的“顶冠明珠”，在机器人核心零部件的研发制造上，我国在很多方面已经接近国际顶尖水平，但一些核心技术仍无法满足复杂高端领域应用需求，如精密减速器的传动精度与寿命间竞争机制不清、控制器的动力学辨识精度低、伺服系统多物理因素对极限转矩的影响机制不清、先进核心零部件测评技术体系缺失等，因此亟待开展机器人核心零部件性能提升研窕与应用。1、精密减速器欧荚、日本等工业强国长期致力于高端机器人精密减速器研究。以口木哈默纳科公司、纳博特斯克株式会社为代表的减速器国际企业系统地开展了齿形优化设计、高精度加工工艺研窕:纳博特斯克株式会社开发的RV-rRV-C等多个

2、系列RV减速器，额定寿命超过100OOh,角传动精度不大于;哈默纳科公司研制出CSF/CSG等20多个系列谐波减速器产品，额定寿命超过10000h,刚度下降率不大于50%,广泛应用于机器人、航空航天、医疗器械等领域，市场占比超7%国内涌现出一批以陕西秦川、深圳大族、重庆大学为代表的精密减速器企业与研究机构，在精密减速器领域取得了显著的成就。重庆大学突破减速器多齿啮合效应和载荷分配机制，成果支撑国内精密减速器的开发;陕西秦川研制BX系列RV精密减速器;深圳大族研制出双圆弧齿的1.HS(G)、HMCS/HMHS系列谐波减速器，额定寿命达8000h,逐渐替代国外中高端产品。但在高端产品的精度保持性、

3、可匏性、批量加工一致性方面仍有差距。1.1 传动精度由于RY减速器的曲轴存在制造和装配误差，此误差影响了减速器的传动精度和效率，减速器的承载能力也大大降低。为了提高曲轴的设计精度，奚鹰等人通过分析曲轴偏心距对减速器的影响，建立减速器曲轴的数学模型，经过MAT1.AB计算得出减速器的曲轴偏心距应为1.3mm,其误差对精度的提高和减小回差间隙有很大帮助。减速器主轴的承载能力对其精度也至关重要。王超俊等通过分析主轴的受力模型得知，当其接触角在3050中，主轴具有更大的承载能力。同时在主轴的设计制造中，应重点控制其加工工艺，考虑加工经济性的同时,使其具有更好的使用性能。同时,WANG、MAo为了准确测

4、出RV减速器的传动误差，搭建了各个模块的机器人减速器的实验平台来测量两种常见型号的减速器在不同条件下的传动误差值，如图1所图1试验结构分析得到误差曲线，基于实验数据得到RV减速器的误差随着负载和输入转速的增大而增大，随刚度的增大而减小，其中负载对其传动精度影响最大。而YANG等结合减速器的一级渐开线齿轮减速和二级摆线针轮减速的哂合特性，建立了传动机构误差模型，通过数值分析和实验，更加详细地解释了原始传动误差与输出误差的关系，得出各种误差在减速器的传动误差中所占比例，对减速器的传动精度研究具有很重要的理论指导价值。1.2 故障诊断机器人用Rv减速器的故障诊断准确率一直很低。针对这个问题,陈乐瑞等

5、利用非线性输出频率响应核主元分析相结合的方法来诊断RV减速器的故障，其流程如图2所示，通过批量估计法得到每种状态的前4阶频谱值，然后利用这种新方法生成的数据传给支持向量机分类器进行测试，结果表明:这种方法较仅对振动信号的时域和频域进行测量的传统方法准确率有很大提升。均造高维数施集0KPCA压缩和主元素提取图2基于MwRF频谱的故障诊断流程刘永明等在此基础上，利用旋转机械测试信号周期演变特征和集成经验模态分解(EEMD)可以有效反映数据周期性的特点，提出一种基于EEMD的粒子群弊法(PSO)优化的极限学习机(E1.M)故障诊断模型，实验结果证明：这种模型能够更有效地判断出RV减速器的工作状态。而

6、蔺梦雄等对比分析以往采用的往复摆动方式对精密减速器进行受损故障分析的方法，发现采集的信号定位减速器的故障源非常困难,因此提出一种阶次跟踪分析方法，通过对减速器的.平稳信号进行重新采样，得到的平稳角度域信号进行快速傅里叶变化，实现了变转速实验工况下行星摆线针轮减速器的故障诊断。结果表明:提出的阶次跟踪分析方法能够实现对行星摆线针轮减速器在时变工况下各重要零部件的故障定位，为摆动疲劳实验故障的快速定位提供了指导和帮助。1.3 动力学仿真为了进一步探究机器人用RV减速器的动力特性，奚鹰等人基于Adams强大的动力学仿真能力，在通过金相实验得到RV减速器的各项结构参数和材料属性后，结合MAT1.AB计

7、算得到了动力参数，在对模型简化的基础上，得到了合理的减速器动力学模型，且行星架上输出值与理论值的误差在0.8之内，最终得到具有较高精度的动力学模型，如图3所示。图3RV减速器dams模型卢琦、何卫东基于多体动力学仿真技术，建立了轴承游隙、轮齿接触、针齿与针齿槽接触的动力学仿真模型，考虑影响RV减速器角传动误差的小周期因素，选取同一装配尺寸链中的针齿中心圆直径与针齿槽直径，进行误差组合，并在额定工况下进行动力学仿真，分析角传动误差的变化规律。YU等分析了RV减速器产生的附加转矩的特性和RV减速器的空载运行特性，提出了一种利用奇异值分解滤波测量空载运行时RV减速器转矩的新方法,以消除附加转矩的影响

8、，并分析其动态。为了更深入地研究减速器动力学特性，庞杰、韩振南采用集中参数法，通过改变啮合刚度分析了啮合力的变化，随着啮合刚度的增加，在一定范围内，传动过程中的啮合力更加稳定，为RV减速器的故障诊断和优化设计奠定了基研1.2、控制器控制器是机器人的大脑，决定机器人功能和性能优劣。奥地利Keba,瑞士ABB等企业依托过去发展汽车产业优势，在机器人控制器领域形成了坚固的技术壁垒。Keba的KeMo1.ion通过搭载AutomationRUntime完成实时控制，支持EtherCAT、SerCOSIn等多种实时以太网总线;ABB将新一代力控方案融入到机器人控制器IRC5中，有效提升了机器人动态响应和

9、运动精度。以北京航空航天大学、固高科技股份、广数、华数、重庆大学等为代表的科研机构助力国产机器人控制器取得重大突破，综合性能指标比肩国际先进水平。北航提出了6R型工业机器人负载识别方法，重庆大学突破了未知网络拉格朗日系统的分布式H适应跟踪控制策略，为研发高性能机器人控制器提供了支撑;固高研发的驱控一体机器人运动控制平台，在可靠性、柔性可扩展特性上已经比肩国外竞争对手。随着机器人向智能化、高响应、高可靠方向发展，给控制器提出了更高要求，亟需突破控制器柔性可扩展、高性能高可匏控制设计、动力学参数高精度H动辩识、高速稳定运行与振动抑制等关键技术，如表1所示。表1控制器国内外技术指标对比、存在问题与发

10、展趋势段木培林国内现状H1.外现状存在主般同I1.及发势控制H平均40OOOh40OCDb控制器标合作筵幅标授iSW际先送木F,iFrtffieAIKI1FM国力学帽型化1.岛”。向引*行业废：(I)机客人动力*检不，敢参H上慢推动到0学支持9他及支持9幅修，卜及政貌*乐位够力?今我MIiH*ft育；(J)Agi&h产生的热功影*拄到政梁：(新控制*於身大.控Ma1.ii用性不足；4)必地现必决簟数手，t和方用化如以图看的洋耀台.U；亶控制舞具翁更力罗枝笄行处刑他力A4Bft1.M11控切花真性徒校术给标多机用“埼”支持附MIf1.-RJg，彩源内依收期同方窝我处用健力；(5)A1416输联妁

11、6F4控的国产化替代是机老人控制京维心效茎快完成的.fWt30OOOh3功率宙度WfcZHitfeft.书态!皮,金系*麻竹建6man96000rn会性不足：|）”电*三.他槽内即减动W(MM)h%峰控也计力彼“失；3离功率由皮金IUIiUe力AJW*3俯尿僮化改计方法MX：（4）扁过我W*系筑也中“,优6IXJUOMn6(KKIvhmi硝仃依。1方嫌或失M通谑动s*4、测评方法更加完整的测评体系已逐渐成为工业机器人竞争的风向标。口本纳博、安川、奥地利KCba等零部件企业采用企业标准开展可靠性和性能测评验证，测评条件和方法对外封锁，形成了较强的技术壁垒，能够确保产品的批量生产一致性和高可靠性。“十三五”以来，国评中心（重庆凯瑞机器人）建成了核心零部件性能测试平台，制修订标准规范50余项，占比超60%,实现机器核心零部件性能测试技术体系从“无”到“有”，积累了大量数据。但现有体系主要引用国际通用性能、安全标准，存在测试验证时间长、关键技术参数测试精度不高、数据挖掘利用不充分、高水平一致性测评方法不足等问题，尚未形成保障先进水平核心零部件的测评技术与标准规范体系。基于这种状况,上海大学张曦等人发明一种机湍人几何精度测评软件，其工作流程如图5所示，完善了机器人几何精度测评方法和标准。实验数据处理实验环境的确保1实验