| 一、协作机器人的起源

 

首先我们先来了解一下协作机器人的简单历史。为了准确定义协作机器人，先看两个名词：

 

协作区域（Collaborative Workspace），指机器人和人类可以同时工作的区域，以下是ISO 10218-2中的定义：workspace within the safeguarded space where the robot and a human can perform tasks simultaneously.

 

 

协作机器人（Collaborative Robot），指被设计成可以在协作区域内与人直接进行交互的机器人，以下是ISO 10218-2中的定义：robot designed for direct interaction with a human within a defined collaborative workspace.

 

中小企业（Small and medium-sized enterprises，SMEs）是协作机器人的非常重要的客户群，而协作机器人的兴起也与SMEs密不可分。

 

SME Project（http://www.smerobot.org/index.htmp）开始于2005年，由EU FP6（Framework Programme 6）项目资助，参与的企业包括ABB、KUKA、Reis、Comau、Güdel 等，其目的是寻找防止劳动力离岸（offshore）输出到低劳动成本国家的方法。其主要的论点是，如果通过机器人技术增强SMEs的劳动力水平，降低成本，提高竞争力，就可以避免劳动力外包的情况（将工作机会留在国内）。因此，协作机器人（co-bots）最初的市场就是中小企业（SMEs）。

 

同年Esben Østergaard, Kasper Støy 和 Kristian Kassow在南丹麦大学一起做研究时创办了Universal Robot，现在的CEO Esben Østergaard当时是南丹麦大学的助理教授，三个人发现了中小企业对机器人的新需求（也与当时丹麦政府主导的一项机器人计划有关），并在2009年推出了第一款协作机器人UR5。

 

在UR5之前的绝大多数协作机器人都是在传统机器人的基础上改造的，UR5是第一个从产品设计伊始就以协作机器人的要求进行开发的机器人。

 

之后不久（2008年），Rodney Brooks创办了Rethink，其最初的目的也是为了帮助美国本土的SMEs提高生产效率，降低成本，减少离岸外包。最初推出的双臂Baxter并不是很成功，慢慢开始落后于UR，去年秋天推出了新款的单臂Sawyer机器人，市场接受度如何还有待观察。

 

在UR和Rethink之后，成长出一大批新创立的协作机器人公司，市场上的协作产品也越来越多，协作机器人的概念开始慢慢被大家所认识和接受。

 

 

| 二、为什么需要协作机器人？

 

协作机器人的兴起意味着传统机器人必然有某种程度的不足，或者无法适应新的市场需求。

 

总结一下，主要有三点：

 

1、传统机器人部署成本高

 

其实相对来讲，工业机器人本身的价格并不高。主流场合使用的机器人，根据负载能力不同，售价区间在￥10w~￥40w。一般情况下一台机器人的使用寿命在5~8年，作为比较高端的工业设备来讲并不算贵。

 

传统机器人贵在其部署（将机器人安装到工厂并正常运行）成本上，原因有两个：

 

• 目前的工业机器人主要负责工厂中重复性的工作，这依赖于其非常高的重复定位精度（重复到达空间某些固定位置的能力，一般机器人可以做到0.02mm以下），以及依赖固定的外界环境。为了保证这一点，除了机器人本身的设计要求之外，还需要待加工的产品放在固定的位置，以便机器人每次都可以到同一个地方准确的拿取或者执行某项操作。对于现代复杂的流水线作业来讲，在整个产线上为每一个使用机器人的工序都设计这些固定的外界环境需要耗费大量的资源，占用大片宝贵的车间面积以及长达数月的实施时间。

   

• 机器人的使用难度较高，只有经过培训的专业人士才能熟练使用机器人完成配置、编程以及维护的工作，普通用户很少具备这样的能力。

 

将之前以工人操作为主的流水线，变为由机器人和自动化设备为主的生产线，是一个系统工程，绝大多数终端工厂客户并不具备这样的能力，因此就需要一个第三方的角色来完成这部分工作，这个第三方即系统集成商（System Integrator，计算机行业也存在类似分工的企业，从本质上来讲做的事情是差不多的），来根据客户现场的实际情况，来完成机器人的最终部署。

 

 

系统集成商的工作至少包括：

 

生产线的自动化改造方案（流程、设备布局、人员配置等）

机器人外围支持设备的设计、制造、安装

符合工艺要求的机器人编程、调试

客户技术团队的培训

以及后续的售后维护工作

 

根据很多业内机构和前辈统计的数字，整个机器人部署/集成应用的费用大概是机器人售价的3~4倍。近几年随着国内集成商的迅速扩军，竞争越来越激烈，整体价格有所下滑，但也基本在2~3倍。

 

以常见的弧焊工作站为例，采购一台进口品牌的弧焊机器人价格约在11~15w之间，但是经过系统集成商这一层之后，整体报价不会低于30w，个别夸张的甚至能报到100w。在工资相对较高的长三角和珠三角地区，一名熟练焊工的工资大概在5k~7k，1台机器人代替1~2名工人，ROI不会少于2年，很多中小企业主对机器人会选择犹豫和观望。

 

如果使用的机器人比较多，则大部分情况下需要对原有的生产线进行改造，甚至重新建设，不仅需要巨大的投资，可能还涉及到停产改造，这也是很多工厂迟迟不上机器人的原因之一。

 

除此之外，因为每一条生产线上的大部分设备（末端工具、非标机械、控制流程等）都是针对特定的产品设计的，如果涉及到中途变更生产需求，很大概率上之前的生产线无法直接满足新产品生产的需求，这就涉及到机器人系统的重新设计和部署，这部分的工作量有时会接近首次部署。

 

简而言之，单独的机器人无法直接用于工厂的生产线上，还需要很多外围设备的支持。虽然机器人本身是一种高柔性、高灵活性的设备，但整个生产线不是，一旦涉及生产线变动，费用很高。

 

2、传统机器人无法满足中小企业需求

 

中小企业是目前机器人新兴市场的主要客户，目前传统的工业机器人无法很好的满足SME的需求。

 

传统工业机器人的目标市场是可以进行大规模生产的企业。

 

大规模生产是20世纪最流行的资本主义生产方式，以生产过程的分解、流水线组装、标准化零部件、大批量生产和机械式重复劳动等为主要特征。

 

有能力进行大规模生成的企业，对机器人系统高额的部署费用相对不敏感，因为在产品定型之后，在足够长的时间内生产线可以不做大的变动，机器人基本不需要重新编程或者重新部署，可以最大化利用机器人标准化、高效率的特点，实现投资价值最大化。

 

汽车行业是大规模生产的典型代表， 世界上第一台工业机器人也部署在通用汽车的工厂中，负责冲压零件的搬运工作。到今天，汽车行业仍然占据了全球机器人出货量的40%以上。

 

 

一款新车从发布到退出市场，一般会经历3~6年时间。这期间，即使有改款，也只是对外观、内饰进行微调，这些变动一般不会影响到机器人的工作（车身焊接、喷漆、主要零部件搬运），因此在机器人的整个生命周期基本上不需要对已经完成的生产线进行改动或者对机器人进行重新部署，只需要正常的维护即可，发挥了机器人的优点，避开了它的缺点。

 

而中小企业则不一样，它们的产品一般以小批量，定制化，短周期为特征，没有太多的资金对生产线进行大规模改造，并且对产品的ROI更为敏感。

 

这要求机器人具有较低的综合成本、快速部署/重部署能力、简单上手的使用方法，而这些，传统机器人很难满足。

 

此外，在某些机器人应用的新兴行业中，即使是大企业也面临与中小企业同样的问题，3C（Computer、Communication和Consumer Electronics）产业是这个方面的典型代表。

 

3C市场中如手机、平板、可穿戴设备等主流产品的更新换代速度非常快，基本上生命周期只有1~2年，短的甚至只有几个月。如果采用传统机器人方案，投入大量资源，耗费数月建设的生产线可能连成本的零头还没收回，所生产的产品就该退市了。而如果对生产线再进行改造，又要投入巨大的资源，这是不可接受的。

 

除了资金投入，3C行业很多时候更关心时间，常见机器人自动化改造方案耗时1个月到数个月不等，但3C产品无法在每一次换代都等待这么久。那边苹果说“下个月开始生产iPhone7的外壳”，你这边说“先等我1个月把生产线改造一下”，显然是不现实的，这些情况下还是人靠谱，培训3天，立马上岗。

 

3、无法满足新兴的协作市场需求

 

工业机器人一直以来都是高精度、高速度自动化设备的典范，但是由于历史和技术原因，与人在一起时的安全性不是机器人发展的重点，因此在绝大多数工厂中出于安全性考虑，一般都要使用围栏把机器人和人员进行隔离。

 

 

幸好对于大部分之前机器人所从事的工作来讲，并不需要人的参与，机器人可以独立完成。

 

但是人力成本的上升，很多其他以前没有或很少使用机器人的行业开始寻求机器人自动化解决方案，例如之前提到的3C行业，还有医药、食品、物流等行业。

 

这些新兴行业中的特点是产品种类很多、体积普遍不大、对操作人员的灵活度/柔性要求高。现有的机器人很难在成本可控的情况下给出性能满意的解决方案，那怎么办？

 

机器人不行的，人来补充嘛，我们搞人机结合（不要想歪了）。

 

由人类负责对柔性、触觉、灵活性要求比较高的工序，机器人则利用其快速、准确的特点来负责重复性的工作。

 

比如组装键盘，可以由机器人把键帽放置到位，人来进行卡扣的工作；再比如组装手机/电脑，机器人负责把主要零配件、螺丝放到合适的位置，人来负责排线安装，卡扣，拧螺丝的工作。

 

但是如果二者要合作，中间还要隔一个栅栏就太不方便了，人和机器人之间要进行交互，还要先通过安全门，整体效率还不如单独使用人来得高。这个时候就需要一些额外的技术来保证机器人与人类可以安全的在同一个区域工作，而不需要栅栏这样碍事的东西挡在中间，即要求机器人具有安全协作的特性。

 

各大机器人厂商的机器人都配备有各自的安全技术，例如ABB的SafeMove，Fanuc的DCS，KUKA的KUKA.safe，但其安全功能本身还比较初级，例如将物理的围栏换成了虚拟围栏、检测到有人靠近时自动停止，仍然不算是完整的协作安全技术。

 

| 三、协作机器人与传统机器人有什么不同？

 

本质上讲，协作机器人与传统机器人之间并没有非常大的不同，只是基于不同的设计理念生产的工业机器人产品，在协作机器人发展初期，很多都是从传统机器人的基础上改造的。

 

如果非要找不同，第一个不同是这两种机器人所面向的目标市场不一样，这个前面已经解释过，不再赘述。

 

第二个不同点是二者替代的对象不一样。以传统机器人为主的自动化改造是用生产线代替生产线，机器人做为整个生产线中的组成部分，很难单独拿出来，如果某个环节的机器人坏了，在没有设计备份的情况下，整个产线可能要停工。而协作机器人的独立性很强，它代替的是单独的人，二者之间可以互换，一个协作机器人坏了，挪开找个人代替就好了，整个生产流程的灵活性非常高。

 

 

讲了这么多全是说优点，既然协作机器人这么好，那是不是可以取代传统机器人了？

 

当然不是，协作机器人只是整个工业机器人产业链中一个非常重要的细分类别，有它独特的优势，但缺点也很明显：

 

为了控制力和碰撞能力，协作机器人的运行速度比较慢，通常只有传统机器人的三分之一到二分之一；

 

为了减少机器人运动时的动能，协作机器人一般重量比较轻，结构相对简单，这就造成整个机器人的刚性不足，定位精度相比传统机器人差1个数量级；

 

低自重，低能量的要求，导致协作机器人体型都很小，负载一般在10kg以下，工作范围只与人的手臂相当，很多场合无法使用。

 

借用Rethink Baxter的一句宣传语，协作机器人的目标应用场合可以概括为：

 

Human class，human-scale task in a human environment.

 

协作机器人最终将变成一个过渡概念，随着技术的发展，未来所有的机器人都应该具备与人类一起安全的协同工作的特性。

 

本质安全应该是理想机器人的必备且基础的特征。

 

就像我们现在不再区分黑白电视和彩色电视而统称为电视，不再区分功能机和智能机而统称为手机，未来所有的机器人也将不再区分协作与非协作，而统称为机器人。

        一、变频器开关电源电路

        变频器开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。我们公司产品开关电源电路如下图：

        是由UC3844组成的开关电路。开关电源主要有以下特点:

        1，体积小，重量轻:由于没有工频变频器，所以体积和重量吸有线性电源的20~30%；

        2，功耗小，效率高：功率晶体管工作在开关状态，所以晶体管的上功耗小，转化效率高，一般为60~70%，而线性电源只有30~40%。

        二、二极管限幅电路

        限幅器是一个具有非线性电压传输特性的运放电路。其特点是：当输入信号电压在某一范围时，电路处于线性放大状态，具有恒定的放大倍数，而超出此范围，进入非 线性区，放大倍数接近于零或很低。在变频器电路设计中要求也是很高的，要做一个好的变频器维修技术员，了解它也相当重要。

        1、 二极管并联限幅器电路图如下所示： 

        2、二极管串联限幅电路如下图所示：

        三、变频器控制电路组成

        如图1所示，控制电路由以下电路组成：频率、电压的运算电路、主电路的电压、电流检测电路、电动机的速度检测电路、将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路，以及逆变器和电动机的保护电路。

        在图 1点划线内，无速度检测电路为开环控制。在控制电路增加了速度检测电路，即增加速度指令，可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。

       1)运算电路，将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。

        2)电压、电流检测电路，与主回路电位隔离检测电压、电流等。

        3)驱动电路，为驱动主电路器件的电路，它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

        4)I/0输入输出电路，为了变频器更好人机交互，变频器具有多种输入信号的输入 (比如运行、多段速度运行等)信号，还有各种内部参数的输出”比如电流、频率、保护动作驱动等)信号。

        5)速度检测电路，以装在异步电动轴机上的速度检测器 (TG、PLG等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

        6)保护电路，检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。逆变器控制电路中的保护电路，可分为逆变器保护和异步电动机保护两种，保护功能如下 :

 

       1、逆变器保护

        ①瞬时过电流保护，用于逆变电流负载侧短路等，流过逆变电器回件的电流达到异常值（超过容许值）时，瞬时停止逆变器运转，切断电流，变流器的输出电流达到异常值，也得同样停止逆变器运转。

        ②过载保护，逆变器输出电流超过额定值，且持续流通超过规定时间，为防止逆变器器件、电线等损坏，要停止运转，恰当的保护需要反时限特性，采用热继电器或电子热保护，过载是由于负载的GD2（惯性）过大或因负载过大使电动机堵转而产生。

        ③再生过电压保护，应用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率使直流电路电压升高，有时超过容许值，可以采取停止逆变器运转或停止快速的方法，防止过电压。

        ④瞬时停电保护，对于毫秒级内的瞬时断电，控制电路工作正常。但瞬时停电如果达数10ms以上时，通常不仅控制电路误动作，主电路也不供电，所以检测出后使逆变器停止运转。

        ⑤接地过电流保护，逆变器负载接地时，为了保护逆变器，要有接地过电流保护功能。但为了保证人身安全，需要装设漏电保护断路器。

       ⑥冷却风机异常，有冷却风机的装置，当风机异常时装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检测出异常后停止逆变电器工作。

       2、异步电动机的保护

        ①过载保护，过载检测装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在异步电动机内埋入温度检出器，或者利用装在逆变器内的电子热保护来检出过热。动作过频时，应考虑减轻电动机负荷，增加电动机及逆变器的容量等。

        ②超速保护，逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止逆变器运转。

        3、其他保护

        ①防止失速过电流，加速时，如果异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护电路动作，运转就不能继续进行（失速）。所以，在负载电流减小之前要进行控制，抑制频率上升或使频率下降。对于恒速运转中的过电流，有时也进行同样的控制。

        ②防止失速再生过电压，减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升，为防止再生过电压电路保护动作，在直流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止不能运转（失速）。

 

        四、变频器的HCPL-316J特性 

        HCPL-316J是由Agilent公司生产的一种IGBT门极驱动光耦合器，其内部集成集电极发射极电压欠饱和检测电路及故障状态反馈电路，为驱动电路的可靠工作提供了保障。其特性为：兼容CMOS/TYL电平；光隔离，故障状态反馈；开关时间最大500ns；”软”IGBT关断；欠饱和检测及欠压锁定保护；过流保护功能；宽工作电压范围(15～30V)；用户可配置自动复位、自动关闭。DSP与该耦合器结合实现IGBT的驱动，使得IGBT VCE欠饱和检测结构紧凑，低成本且易于实现，同时满足了宽范围的安全与调节需要。HCPL-316J保护功能的实现 HCPL-316J内置丰富的IGBT检测及保护功能，使驱动电路设计起来更加方便，安全可靠。其中下面详述欠压锁定保护(UVLO) 和过流保护两种保护功能的        

         工作原理：

        (1)IGBT欠压锁定保护(UVLO)功能，在刚刚上电的过程中，芯片供电电压由0V逐渐上升到最大值。如果此时芯片有输出会造成IGBT门极电压过低，那么它会工作在线性放大区。HCPL316J芯片的欠压锁定保护的功能(UVLO)可以解决此问题。当VCC与VE之间的电压值小于12V时，输出低电平，以防止IGBT工作在线性工作区造成发热过多进而烧毁。示意图详见图1中含UVLO部分。图1 HCPL-316J内部原理图

图1 HCPL-316J内部原理图

        (2)IGBT过流保护功能 

        HCPL-316J具有对IGBT的过流保护功能，它通过检测IGBT的导通压降来实施保护动作。同样从图上可以看出，在其内部有固定的7V电平，在检测电路工作时，它将检测到的IGBT C～E极两端的压降与内置的7V电平比较，当超过7V时，HCPL-316J芯片输出低电平关断IGBT，同时，一个错误检测信号通过片内光耦反馈给输入侧，以便于采取相应的解决措施。在IGBT关断时，其C～E极两端的电压必定是超过7V的，但此时，过流检测电路失效，HCPL-316J芯片不会报故障信号。实际上，由于二极管的管压降，在IGBT的C～E 极间电压不到7V时芯片就采取保护动作。

　　 整个电路板的作用相当于一个光耦隔离放大电路。它的核心部分是芯片HCPL-316J，其中由控制器(DSP-TMS320F2812)产生XPWM1及XCLEAR*信号输出给HCPL-316J，同时HCPL-316J产生的IGBT故障信号FAULT*给控制器。同时在芯片的输出端接了由NPN和PNP组成的推挽式输出电路，目的是为了提高输出电流能力，匹配IGBT驱动要求。当HCPL-316J输出端VOUT输出为高电平时，推挽电路上管(T1)导通，下管(T2)截止， 三端稳压块LM7915输出端加在IGBT门极(VG1)上，IGBT VCE为15V，IGBT导通。当HCPL-316J输出端VOUT输出为低电平时，上管(T1)截止，下管(T1)导通，VCE为-9V，IGBT关断。以上就是IGBT的开通关断过程。

 

 

一、不同的减速机用什么润滑油

 

1、卧式摆线减速机在正常情况下采用油池润滑，油面高度保持在视油窗的中部即可，在工作条件恶劣环境温度处于高温时可采用循环润滑。

 

2、摆线针轮减速机在常温下一般选用40#或50#机械油润滑，为了提高减速机的性能、延长摆线针轮减速机的使用寿命，建议采用70#或90#极压齿轮油，在高低温情况下工作时也可应重新考虑润滑油。

 

3、“如果国内减速机厂商能够做到100%密封，还是建议使用油润滑，因为大多数企业还没能解决密封的问题，所以一般情况下，RV减速器推荐0#和00#油脂，密封好一点推荐00#，差一点的推荐0#，如果是谐波减速器，推荐1#或者2#。

 

4、重载工况下的减速机对润滑剂的要求更为严苛。这要求润滑剂需具备卓越的抗极压性能和抗磨损性能。含有特殊配方的EP添加剂和抗磨添加剂的润滑剂能更好的满足重载工况下减速机的润滑要求。

 

5、立式安装行星摆线针轮减速机要严防油泵断油，以避免减速机的部件损坏。

 

6、加油时可旋开机座上部的通气帽即可加油。放油时旋开机座下部的放油塞，即可放出污油。该减速机出厂时内部无润滑油。

 

7、选择润滑油或是润滑脂，都需要根据减速机的传动结构设计和工况条件来确定。如：齿轮的几何形状、材料、圆周速度/滑动速度、负载情况(转矩/齿面压力)、能耗、工作温度、齿面散热情况、密封状况等因素。恰当的润滑剂不仅能为减速机提供长效润滑保护，还可以帮助设备减少磨损、降低噪音、提高精准度及可靠性，延长零部件的使用寿命。

 

8、第一次加油运转100小时应更换新油，并将内部污油冲干净以后再连续工作，每半年更换一次并采用8小时工作制，如果工作条件恶劣可适当缩短换油时间，实践证明减速机的经常清洗和换油（如3-6个月）对于延长减速机的使用寿命有着重要作用。所以我们在使用过程中应经常补充润滑油。减速机在长期的使用过程中要注意对减速进行定期的清洗，减速减速机在使用过程中的磨损。齿轮箱清洗维护机利用齿轮箱原有的给排油系统和经过滤后的旧油可实现对齿轮箱的清洗、废油快速过滤、加注新油等功能，帮助减速机解决磨损等问题。

 

二、减速机润滑油性能特点

 

1、具有良好抗磨性

 

抗磨性是指减速机润滑油在运动部件间摩擦表面形成和保持油膜，防止金属之间相互接触，减少磨损的能力。减速机润滑油的抗磨性主要取决油性和极压性。

 

油性是指齿轮油能吸附在零件的摩擦表面上形成油膜以减少和磨损的性能。通常我们说齿轮油的油性好就是指它的吸附能力强，可以提高抗磨性的能力。

 

极压性是指在摩擰表面接触压力非常高，油膜容易产生破裂的极高压力润滑条件下，防止对磨擦表面产生烧结、胶合等损伤的性能，也叫承载能力。

 

2、粘度和粘温性

 

减速机润滑油必须有适宜的粘度和良好的粘温性。

 

一般来说，使用高粘度润滑油对防止机件损伤、减少噪音有利，而传动效率、冷却作用及油的传送性等方面，却是低粘度润滑油较好。

 

对于粘温性能，减速机润滑油虽无发动机机油那样大的温度变化，但由于其齿面压力很大，同样要求有良好的粘温性能，特别是在寒冷地区使用时。否则会造成磨损加剧，油耗增大。

 

3、氧化安定性

 

减速机润滑油受齿轮运动时的搅摔，以及和氧气的不断接触，在金属的催化作用下形成各种氧化物，使润滑油的粘度增加，颜色变深，酸值升高，沉淀物增多、颜色变深，并引起对机件的腐蚀，致使润滑油的抗泡沫性和抗氧化性变差，从而不得不更换润滑油。

 

氧化安定性好的润滑油，使用周期就长。因此，通常在润滑油中都加有抗氧化剂，以改善氧化安定性

 

4、防性和防腐性

 

防锈性是指减速机润滑油防止金属生锈的性能。防腐性是指齿轮油防止金属腐蚀的性能。

 

金属件的生锈主要是润滑油中有氧和水的存在而引起。而隔蚀则是油中的酸性物和硫化物引起的。通常在减速机润滑油中都加有防添加剂和防腐添加剂来改善。

 

5、抗泡沫性

 

减速机润滑油在齿轮运动时激烈的搅拌下会产生许多小气泡。小气泡若很快消失，则不影响使用。若形成安定的泡沫不再消失而产生乳化变质，便会在齿面上发生溢流，破坏润滑油膜，加剧磨损。

 

三、减速机润滑油选用原则

 

减速机润滑油选择的首要因素就是粘度。粘度是齿轮油的一个非常重要的理化指标，齿轮的啮合速度是选择粘度的主要指标。适宜的减速机齿轮油粘度，能使润滑油的内摩擰小，致使齿轮表面屠损及传动噪音、振动等大为减小。

 

减速机润滑油的粘度主要是通过基础油及粘度指数改进剂来实现的。好的粘指剂，不仅要求増粘能力高、剪切稳定性好，同时还要求具有良好的低温性能和热氧化安定性。剪切稳定性差的粘指剤，由于其高分子在剪切应力作用下主链断裂，分子量降低，使油品变稀，从而对磨损、油耗等产生系列影响。对同种粘度牌号的润滑油而言，若选用非精制的基础油及不太好的粘指剂，虽然经过调配可以达到某一粘度标准，但粘温性、剪切稳定性等性能不佳，同样达不到应有的使用周期。因此，对于低速重载的水泥减速机，尽量避免使用此类润滑油，而选用质优的高级润滑油，因为它的基础油和粘指剂均比较好。

 

齿轮油的粘度越大，防止齿面遭受各种损坏的保护能力越强，因此减速机的磨损越小。而粘度太大，磨粒不易沉淀，降低了润滑油对齿面的冲洗作用及吸热冷却效果，致使润滑不良。同时悬浮于袖中的磨粒进入啮合区，易造成磨粒磨损。另外，粘度过大使传动阻力増大、齿面温度升高、功率消耗増加。一般而言，粘度增加一个级号，耗能约增加1％-5％，而且油品的稳定性及抗乳化性能均会下降。但高粘度对减少噪音及防止漏油均有明显的好处。此外负荷不均匀、需经常启动且在高温环境中工作的设备，粘度应稍高。综上所述，减速机应采用适宜粘度的高档润滑油。对于低速重负荷的大型减速机，应尽可能选用粘度大的极压型重负荷齿轮油，因为它比中负荷的齿轮油具有更好的极压抗磨性、热氧化安定性、防腐和防锈性以及优良的抗乳化性能，这样易在齿轮的啮合表面形成化学膜，从而保护轮齿表面，最大可能地减小减速机的磨损。

 

四、减速机润滑油使用注意事项

 

1、减速机漏油情况的出现主要跟三方面因素有关：一方面是油的粘度，油的粘度选择跟减速器需要多少粘度有关；二是减速器的密封工艺，也就是密封圈的唇形设计，包括橡胶的材料，是否是定制的还是标准品，是否适合应用的工况；第三个是油跟密封圈是否兼容，有些材料比如NBR与矿物油、PAO都是可以兼容的，如果是聚乙二醇油跟PAG就是不兼容的，如果不兼容的话，容易造成橡胶的开裂。

 

2、油脂中如果油的含量过低，增稠剂的含量就会很高，润滑性能就没有那么好，因为波发生器和RV轮运转的时候，有一些回流性，增稠剂过多会影响到油的流动性，流动性很差的话就很难回到摩擦点，如果一直回不到摩擦点，减速器局部会生热，生热的情况下就会造成磨损，进去部分的润滑剂会失效并且变黑，造成一系列比如磨粒磨损等问题。如果用油来润滑，可以带走局部的高温，冲走摩擦点的基础颗粒。

 

3、对于稀油集中润滑的减速机系统，由于润滑油或油箱温度有较为严格的要求，通常采用冷却器或冷却盘管使之冷却。虽然要求齿轮油有较好的抗乳化性能，但油中渗入相当数量的水后，极易使油品乳化，加有极压抗磨剂的齿轮油乳化后，添加剂被水解或沉淀而失去原有性能，并产生有害物质，使齿轮油迅速变质、失去使用性能。日邦新能源提醒大家，乳化的油品绝对不可以继续使用。对于水冷却的润滑系统一定要注意防止水泄漏，以免对减速机造成不必要的损伤。

 

4、对于采用泵进行循环润滑的减速机系统，要注意泵的压差并及时清理滤网。如果在短时间内泵的压差较大，或清理滤网的频次明显增加，并且滤网上的油泥、金属磨肩明显增多，一定意义上说明润滑油的使用状态不是很好。除了材料、设计方面的问题外，可以说润滑油选用得不够合理：一是粘度不够合适，二是可以用重负荷代替中负荷，即选用高一档次的齿轮油，效果会明显好转。

 

5、必须避免新油倒入旧油的混用，或因粘度下降但为了达到某一粘度而加入高粘度油的做法。这样做，可能会有一些短期效果，但油品的使用性能会明显下降，同时使设备的润滑条件变差，导致磨损增加，一定意义上会缩短设备的使用寿命。另外，可能因为主剂不同，混用时发生添加剂“打架”的事情，使添加剂起的作用相互抵消，对设备造成的后果则不堪设想。

 

6、关于更换油周期问题，从理论上讲，换油期短，能更好地减小摩擦损耗并延长设备的使用寿命，同时为保证其正常运转提供了一个必要条件。但从经济效益的角度出发，应更准确、有效地使用油品。是否换油、何时换油，除了遵循换油期规定外，还应依据设备的开工时间、开工率等因素考虑，从而使油品最大限度地发挥使用。

 

7、要定期监测用油设备的油温、振动、噪音等问题。因为润滑条件变差造成齿面损伤时，均可直接导致振动及噪音明显加强。

 

 

一、变频器中常用的控制方式

 

1、非智能控制方式

在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。

(1) V/f控制

V/f就是加在电机定子上的电压和电源频率的比值。

如下图，V/F符合直线AB，则是直线型；符合折线段ABC，则是多点型；符合曲线AB，则是平方型。

V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。

 

(2) 转差频率控制

转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。

这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。

 

(3) 矢量控制     

矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。

基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致，但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。因此，基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。但是，这种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感器，因此，应用范围受到限制。

无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此，实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。

 

(4) 直接转矩控制

直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的。

因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。

 

(5) 最优控制

最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。例如在高压变频器的控制应用中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。

(6) 其他非智能控制方式

在实际应用中，还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。

2、智能控制方式

智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。

(1) 神经网络控制

神经网络控制方式应用在变频器的控制中，一般是进行比较复杂的系统控制，这时对于系统的模型了解甚少，因此神经网络既要完成系统辨识的功能，又要进行控制。

而且神经网络控制方式可以同时控制多个变频器，因此在多个变频器级联时进行控制比较适合。但是神经网络的层数太多或者算法过于复杂都会在具体应用中带来不少实际困难。

 

(2) 模糊控制

模糊控制算法用于控制变频器的电压和频率，使电动机的升速时间得到控制，以避免升速过快对电机使用寿命的影响以及升速过慢影响工作效率。模糊控制的关键在于论域、隶属度以及模糊级别的划分，这种控制方式尤其适用于多输入单输出的控制系统。

(3) 专家系统

 

专家系统是利用所谓“专家”的经验进行控制的一种控制方式，因此，专家系统中一般要建立一个专家库，存放一定的专家信息，另外还要有推理机制，以便于根据已知信息寻求理想的控制结果。专家库与推理机制的设计是尤为重要的，关系着专家系统控制的优劣。应用专家系统既可以控制变频器的电压，又可以控制其电流。

(4) 学习控制

 

学习控制主要是用于重复性的输入，而规则的PWM信号(例如中心调制PWM)恰好满足这个条件，因此学习控制也可用于变频器的控制中。

学习控制不需要了解太多的系统信息，但是需要1~2个学习周期，因此快速性相对较差，而且，学习控制的算法中有时需要实现超前环节，这用模拟器件是无法实现的，同时，学习控制还涉及到一个稳定性的问题，在应用时要特别注意。

 

二、未来变频器控制的展望

随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术的发展，变频器的控制方式今后将向以下几个方面发展。

(1) 数字控制变频器的实现

现在，变频器的控制方式用数字处理器可以实现比较复杂的运算，变频器数字化将是一个重要的发展方向，目前进行变频器数字化主要采用单片机MCS51或80C196MC等，辅助以SLE4520或EPLD液晶显示器等来实现更加完善的控制性能。

(2) 多种控制方式的结合

单一的控制方式有着各自的优缺点，并没有“万能”的控制方式，在有些控制场合，需要将一些控制方式结合起来，例如将学**控制与神经网络控制相结合，自适应控制与模糊控制相结合，直接转矩控制与神经网络控制相结合，或者称之为“混合控制”，这样取长补短，控制效果将会更好。

(3) 远程控制的实现

计算机网络的发展，使“天涯若咫尺”，依靠计算机网络对变频器进行远程控制也是一个发展方向。通过RS485接口、RTU模块及一些网络协议对变频器进行远程控制，这样在有些不适合于人类进行现场操作的场合，也可以很容易的实现控制目标。

(4) 绿色变频器

随着可持续发展战略的提出，对于环境的保护越来越受到人们的重视。变频器产生的高次谐波对电网会带来污染，降低变频器工作时的噪声以及增强其工作的可靠性、安全性等等这些问题，都试图通过采取合适的控制方式来解决，设计出绿色变频器。

结 束 语

变频器的控制方式是一个值得研究的问题，期待依靠致力于这项工作的有识之士的共同努力，使国产变频器早日走向世界市场并且成为一流的产品。

看点：十年间获1.5亿美元投资，Rethink还是没撑住！

 

 

智东西10月4日消息，据外媒报道，协作机器人先驱，美国知名机器人企业Rethink Robotics今天宣布倒闭关门。Rethink公司CEO Scott Eckert 通过电子邮件证实了此事。

作为协作机器人先驱，Rethink Robotics率先推出了Cobot的概念，并分别在2011年、2015年先后推出了两款明星产品Baxter和Sawyer。

CEO邮件证实Rethink倒闭

▲Rethink创始人Rodney Brooks教授

 

Rethink Robotics成立于2008年，由MIT教授Rodney Brooks创立。Rodney也是扫地机器人企业iRobot的联合创始人之一。

Rethink Robotics是协作机器人的鼻祖之一，它成功地推出了Cobot这一概念。

Cobot即协作机器人，这种机器人被设计为与人类工人并肩工作，通过软件可以使协作机器人易于编程，周身的传感器和控制软件可以用来防止机器人意外伤害到靠近的人类。

至今Rethink Robotics已获得1.5亿美元的风险投资，包括来自GEVent.、Highland Capital Partners和亚马逊创始人杰夫·贝佐斯投资公司的资金。

其中，贝索斯参与了Rethink从2008年到2017年A轮-E轮的八轮融资，共计1.1153亿美元。而Rethink在2017年8月的最后一次1800万美元的E轮融资就是贝索斯私人投资公司Bezos Expeditions投的。

 

最近一次听到Rethink的消息，就在今年7月，当时Rethink宣布将在美国、欧洲和亚太地区建立7个经销商。

此前，Rethink已经在全球拥有多个分销合作伙伴，包括中国、德国、英国、韩国和澳大利亚。使用 Rethink 机器人的生产商包括洛杉矶的 Deco Lighting、德国的 DHL 以及中国的威胜集团。

上个月，Rethink还宣布出售第2500个协作机器人产品。

▲Rethink公司CEO Scott Eckert

 

今天，Rethink公司CEO Scott Eckert通过电子邮件证实了倒闭一事。

Scott Eckert说道：“我证实这个不幸的消息是真的，Rethink从今日起正式关门。他说到在工业领域Rethink Robotics是行业先驱，创建了协作机器人这一新品类，但不幸的是在市场表现方面却没有达到预想的结果。”

对于团队的去向，Scott Eckert表示，正在帮助团队找到新的落脚之处，该公司的91名员工预计会受到其他机器人公司的热烈欢迎。Scott认为，这个世界级的团队接下来将会继续努力去做伟大的事情。

同时，Scott表示，也将开始出售Rethink的专利组合和其他知识产权。

Rethink的倒闭，对于行业来说确实令人震惊，不过，Scott认为Rethink的失败与机器人产业整体健康无关。

附Scott Eckert邮件原文：

“I can confirm that unfortunately the news is true, Rethink Robotics closed its doors today,” Eckert writes. “We were pioneers and innovators in the industry and responsible for the creation of the collaborative robot category, but unfortunately we didn’t quite achieve the market success we had intended.  We have been helping our team find new homes and have been overwhelmed with interest.  It’s a world-class group of people will continue to do great things in their next endeavors.”

两款经典的协作机器人

Rethink一共推出了两款协作机器人产品，一款双臂机器人Baxter和一款单臂机器人。

 

2011年Rethink推出了Baxter产品，它3.1英尺高，带有一个动画脸的双臂机器人，没有移动底座，每个手臂有7个自由度，负载量为5磅，最大作业半径为1.21米。通过编程设定，Baxter可以通过控制调节精度和功能。

 

继Baxter之后，2015年Rethink又推出了一款新品Sawyer ，他占地面积更小、速度更快、更强。是一个精度更高的单臂版本的Baxter。Sawyer的手臂有7自由度，最大作业半径比Baxter更大，达到了1.26米。

这两款产品能够为学术和企业研发环境提供一个类人机器人平台，集成传感器和一个开放的软件开发套件，用于创建自定义应用程序。

北美最大的电力电容制造商之一 Cornell Dubilier就曾购买了Rethink的Baxter机器人负责抓取任务并利用公司专利技术进行定制开发，检测零部件等。

今年2月日本东京涩谷的“奇特咖啡厅”，就采用了Rethink Robotics的Sawyer来为客人服务。Sawyer所附带的屏幕可以现实出卡通表情，同时它还可以发出“欢迎光临、来点美味的咖啡怎么样”的语音来迎接客人。只要设定好程序，协作机器人还可以做倒咖啡、烹饪美食、或者辅助人类支撑摄像机等工作。

Rethink带火的协作机器人市场

近年来，协作机器人成为异常火热的一个工业机器人品类。无论是在今年的世界机器人大会还是在AWE上，协作机器人因其实用性强，安全性高成为了机器人玩家们布局的重点。

除了工业领域，协作机器人因其可对人类进行感知，安全性高，还被用于服务行业，医疗市场也是协作机器人的一大应用领域。

整体上看，目前协作机器人领域吸引了非常多的玩家入局，不仅工业四大家族（ABB、发那科、库卡、安川机电）全部入局，还有欧姆龙、博世、柯马等大型企业，以及Rethink、Franka、优傲等知名创企。

国内方面，新松、格力、大族激光等都在入局协作机器人领域，遨博智能、节卡机器人、珞石机器人、艾利特等创业公司的也在积极研发和开拓市场。

▲图片来自：阿里巴巴人工智能实验室

日前，在阿里巴巴云栖大会上，阿里巴巴的人工智能实验室也首次对外公开了几款机器人，其中就有一款协作机械臂。

结语：又一头部机器人玩家倒下

今年以来，随着资本的收缩和市场尚未大规模铺开，已经有一些机器人公司开始退出玩家舞台，如消费机器人公司TickTock、博世旗下的独立子公司Mayfield Robotics 、波士顿机器人公司Jibo等。

Rethink的倒闭，对整个行业将会产生巨大的影响。目前在协作机器人领域，丹麦的UR竞争优势明显，生态建设也相对全面完善。这从一定程度上说明了，先入局者未必会笑到最后，即便是开山鼻祖，稍有不慎也会在市场竞争中处于劣势。

虽然Rethink到下了，但整个协作机器人市场，相对于其他的机器人品类来说，发展势头却非常强劲，已经成为了业内共识。

协作机器人轻量型、成本低的特点在一定程度上降低了行业门槛。因此，不仅我们看到不仅大型企业在积极布局，也有许多创企涌现。不过，协作机器人开发，应先选择好定位，走专业性和实用性并行的道理，在玩家们的共同努力下才能快速铺开市场。

　　一 机器人的定义及分类： 

　　机器人按ISO 8373定义为：位置可以固定或移动，能够实现自动控制、可重复编程、多功能多用处、末端操作器的位置要在3个或3个以上自由度内可编程的工业自动化设备。这里自由度就是指可运动或转动的轴。工业机器人按其结构形式及编程坐标系主要分类为关节型机器人、移动机器人、水下机器人和直角坐标机器人等。按主要功能特征及应用分类为移动机器人、水下机器人、洁净机器人、直角坐标机器人、焊接机器人、手术机器人和军用机器人等。 

　　作为在各行各业中被广泛应用直角坐标机器人主要是以直线运动轴为主，各个运动轴通常对应直角坐标系中的X轴，Y轴和Z轴，一般X轴和Y轴是水平面内运动轴，Z轴是上下运动轴。在一些应用中Z轴上带有一个旋转轴，或带有一个摆动轴和一个旋转轴。在绝大多数情况下直角坐标机器人的各个直线运动轴间的夹角为直角。 

　　二 直角坐标机器人的主要组成部分

　　下图是一个典型的3D直角坐标机器人，它由X轴,Y轴,Z轴及驱动电机组成。此外一个完整的机器人系统还需要控制系统和手抓，下面分别予以介绍： 

　　2.1 直线运动轴: 也叫直线运动单元，它就是一个独立的运动轴，主要由支撑载体的铝型材或钢型材和被安装在型材内部的直线导轨、运动滑块以及作为带动滑块做高速运动的同步带组成。 

　　2.2运动轴的驱动系统 

　　直角坐标机器人的传动主要是通过驱动电机的转动带动同步带运动，同步带带动直线导轨上的滑块运动。当驱动轴的最高转速低于600转/分时通常选用步进电机，否则选用交流伺服电机。 

　　2.3直角坐标机器人的控制系统 

　　机器人要在一定时间内完成特定的任务，比如每10秒内完成一次搬运工作。在完成抓取，加速运动，高速运动，减速运动，释放工件等同时，还要与相关的设备通过通讯或I/O口实现一些时序上的协调同步。另外在涂胶应用上，各个运动轴要完成直线和圆弧插补运动。因此其数控系统要按具体应用要求来选定其控制轴数、I/O口数量和软件功能。通常选用数控系统，PLC，工控机加运动控制卡和带轴卡功能及I/O口的驱动电机来做控制系统。 

　　2.4直角坐标机器人的末端操作器——手爪系统 

　　根据其具体应用情况，其手爪系统可能是气动吸盘、气动夹取手爪、电动夹取手爪、电磁吸取手爪、焊枪、胶枪、专用工具和检测仪器等。在很多场合可以一次抓取多个工件。 

　　三 直角坐标机器人的主要结构形式及主要特点 

　　下图是典型的3D龙门式直角坐标机器人。但针对各种不同的应用，实际上可以方便快速组合成不同维数，各种行程和不同带载能力的壁挂式、悬臂式、龙门式或倒挂式等各种形式的直角坐标机器人。从简单的二维机器人到复杂的五维机器人就有上百种结构形式的成功应用案例。从电机到汽车等各行各业的自动化生产线中，更是各式各样的多台直角坐标机器人和其它设备严格同步协调工作。可以说直角坐标机器人几乎能胜任所有的工业自动化任务。下面是其主要特点： 

　　3.1任意组合成各种样式：每根直线运动轴最长是6米，其带载能力从10公斤到200公斤。在实际应用中已有近百种结构的直角坐标机器人，这些结构也可以任意组合成新的结构等。 

　　3.2超大行程：因为单根龙门式直线运动单元的长度是6米，还可以多根方便地级连成超大行程，所以其工作空间几乎没有限制，小到手机点胶机，大到18米长行程的切割机，8米长行程钻铣床，6米＊6米＊3米的检测机器人等。超大行程时要采用直线导轨和齿条传动方式。 

　　3.3负载能力强：单根直线运动单元的负载通常小于200公斤。但当采用双滑块或多滑块刚性联结时负载能力可以增加5到10倍。当把两根或四根直线运动单元并排接起来使用时，其负载可以增加2到4倍。当采用多根多滑块结构时其负载能力可增加到数吨。 

　　3.4高动态特性：轻负载时其最大运行速度可达到每秒8米，加速度可达到每秒4米。使其具有很高的动态特性，工作效率非常高，通常在几秒内完成一个工作节拍。 

　　3.5高精度：按传动方式及配置在整个行程内其重复定位精度可达到0.05mm到0.01mm。 

　　3.6扩展能力强：可以方便改变结构或通过编程来适合新的应用。 

　　3.7简单经济：对比关节机器人，直角坐标机器人不仅外观直观且构造成本低，编程简单类同数控铣床，易培训员工和维修，使其具有非常好的经济性。 

　　3.8胜任复杂任务：采用带有RTCP功能的五轴或五轴以上数控系统能完成非常复杂的喷涂，喷丸，检测，加工等任务。 

　　3.9寿命长：直角坐标机器人的维护通常就是周期性加注润滑油，寿命一般是10年以上，维护好了可达20年。 

　　3.10应用面宽：可以方便地装配多种形式和尺寸的手爪，可以胜任许多常见的工作，如焊接、切割，搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码和喷涂等任务。 

　　四、直角坐标机器人的选型和保养 

　　4.1选型: 首先要根据负载大小，行程，工作节拍和工作空间限制来选择机器人的外形结构。选好结构形式后要根据行程和变形量等选择每个轴的形式和型号。大负载时和高冲击力时可以选择由2根或4根运动轴组合成一个复合运动轴。各个运动轴间的装配也很关键，不仅要保证其垂直度，更要考虑在各个方向有足够的抗冲击力和变形。机器人要在几秒内完成一个运动节拍，选择的驱动电机必须有足够的驱动力，通常要比理论计算值高出100%。当负载的转动惯量与驱动电机的转动惯量比大于12时，要选配德国纽卡特公司的精密行星减速机。 

　　在超高动态和定位精度要求很高情况下，可以选用直线电机来驱动。但直线电机的安装和防护难度大，发热量大，撞击危险性高和控制难度高，成本也高，所以要慎用。而其防护难度大和发热量大目前在机床行业还是世界性难题。 

　　4.2安装 

　　机器人在加速和减速时会产生强大的冲击力，而且通常每天要工作24小时，所以机器人必须被牢固地安装在支架上。机器人的支架要有足够的抗冲击力，要有地脚，以保证在长期高速高动态运动冲击下，没有任何晃动。此外在安装时要保证运动轴间的平行度、平面度和垂直度。 

　　4.3保养事项 

　　通常机器人的每个运动轴在经过一定长度的运动后要周期性的通过滑块的注油孔给直线导轨加注润滑油。随机器人使用环境的不同和工作速度不同，其注油的周期也不同。在食品和玻璃切割等行业要选用带防尘带的运动轴和缩短注油周期，在有喷水的场合也要缩短注油周期。 

　　五，应用和展望 

　　直角坐标机器人以其特有的一些优点在西方国家被广泛用来执行焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、涂胶和切割等一系列工作。深受包装机械、印刷机械、汽车工业、食品生产工业、药品生产工业、电子工业、机器制造业和化妆品生产等行业的好评。随着自动化程度、环保要求、卫生规定、生产效率和人工费用的提高，直角坐标机器人在中国也必将被各行各业广泛采用。

一、PLC是什么？

国际电工委员会（IEC）对PLC的定义：

可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，与为工业环境下的应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。它不有关外围设备，都应按易于不工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

PLC、CAD/CAM和机器人并称为现代工业生产自动化三大支柱。

IEC: International Electro Technical Comission。

CAD/CAM: Computer Aided Design/Manufacturing。

二、PLC从哪里来？

1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)，为了适应汽车生产工艺不断更新的需要，提出了十条技术指标，在社会上公开招标，制造一种新型的工业控制装置。

1969年，美国DEC数字设备公司研制出世界上第一台PLC；

1971年 日本生产出微处理式PLC 1973年 欧洲开始生产；

1974年 我国开始研究；80年代PLC技术开始成熟、进入应用阶段。

三、PLC家族成员

美国：AB（Allen-Bradly）公司， GE（General Electric）公司，Emerson公司；

日本：三菱公司 ，OMRON（欧姆龙） ，松下；

德国：SENMENS ；

法国：施耐德公司 ；

瑞士：ABB；

国产：和利时、信捷、南大傲拓、永宏、台达等；

三菱：FX系列（FX2N/FX3U/FX3G）（小型）、Q系列（中型）。

四、PLC典型应用

PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，应用类型大致可归为如下几类：

（1）开关量的逻辑控制。取代传统的继电器控制，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于自动化流水线。

（2）运动控制。指PLC使用与门的位移控制模块控制驱动步进电机和伺服电机，实现对机械部件的运动控制。

（3）数据处理。现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、逻辑运算、函数运算）、数据转换、数据传送、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

（4）过程控制。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。目前大中型PLC和部分小型PLC都有PID模块。

（5）通信及联网。PLC通信含PLC间的通信及PLC不其它智能设备间的通信。新近生产的PLC都具有串口通信接口，利用通信功能，可以方便实现生产自动化和远程控制。

日常生产生活中的具体应用：商场自动扶梯、住宅上下电梯、建筑工地升降机、自动售货机、广场音乐喷泉、舞台灯光控制、自动升降/旋转门、自动洗车机等等。

 

一．并联机构的发展 

  并联机构的研究最早可以追溯到1813年，著名数学家A.Cauchy对结构相连的八面体运动的可能性产生了兴趣并进行了研究；十九世纪末工程师已经开对空间机械进行了研究；1931年Gwinnett在其专利中提出了一种井联机构的娱乐装置；1940年Pollard在其专利中提出了一种空间工业并联机构，用于汽车的喷漆；1949年Gough采用并联机构制作了轮胎检测装置，这是真正得到运用的并联机构；直到1962年才出现了相关的文字报道。

并联结构的提出和应用研究则开始于70年代，1965年六自由度平台是英国工程师Stewart于1965年在他的论文《A Platform with 6 degrees freedom》中作为一种六轴并联式空间机构的设计提出的，称为Stewart为机构。在制作飞行模拟器后，Stewart机构逐渐成为飞行摸拟器的标准机构。到70年代初，美国NASA等研究中心公布了6-DOF并联式平台的研究成果，相继出现了6-DOF并联机构运动平台的飞行模拟器，1974年，美国制定了空勤人员训练模拟器6-DOF并联式运动平台系统军用标准MIL-STD-1588。此后6-DOF并联式运动平台己趋向标准化、系列化生产阶段。1978年澳大利亚著名的机构学专家教授Hunttichu指出Stewart机构更接近于人体的结构，提出可将Stewart平台机构用作并联机器人的主要机构，至此并联机器人的研究受到许多学者的关注。MacCallion和Pham在1979年首次利用这种机构设计出了用于装配的机器人，从此拉开了并联机器人研究的序幕，此后Stewart机构又被称为并联机器人，如下图1所示。

 图1 stewart平台机构

二．六自由度并联机器人简介

2.1．六自由度并联机器人定义

六自由度并联机器人的结构由上下两个平台，中间6个伸缩缸以及上下各6个虎克铰(或球铰）组成6-6形机构，称为Stewart平台。其中下平台固定，下平台与上平台通过6个伸缩缸及虎克铰连接，虎克铰或球铰位于上平台与6个伸缩缸的连接处，对保证平台的正常运行和整个结构刚度起着关键作用。借助伸缩缸的伸缩来实现上平台沿X、Y、Z的平移和绕X、Y、Z轴的旋转运动。一般伸缩缸由伺服电动缸或液压缸组成(大吨位的采用液压缸的形式)如下图2所示。借助六个伸缩缸的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度(X，Y，Z，α，β，γ)的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态，因此可广泛应用到各种训练模拟器中，如飞行模拟器、汽车驾驶模拟器、地震模拟器、卫星、导弹等飞行器、娱乐设备(动感电影摇摆台)等领域中。在加工业可制成六轴联动机床、机器人等。

 

 图2电动缸与液压缸形式的Stewart平台

2.2．自由度计算

什么是自由度？根据机械原理，机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目（亦即为了使机构的位置得以确定，必须给定的独立的广义坐标的数目），称为机构自由度（degree of freedom of mechanism），其数目以F表示。如果一个构件组合体的自由度F >0，他就可以成为一个机构，即表明各构件间可有相对运动；如果F =0，则它将是一个结构（structure），即已退化为一个构件。机构自由度又有平面机构自由度和空间机构自由度。一个原动件只能提供一个独立参数。

六自由度并联机器人的自由度计算公式为:

 

 

式中：σ表示机构的自由度，m表示活动构件总数，n表示运动副件的个数，Pi表示第i个运动副的限制自由度数。

虎克饺链的限制自由度数为4，球饺链的限制自由度数为3，伸缩缸体的限制自由度数为5。传统的六自由度并联联机器人活动构件的总数一般为13个。

综上，六自由度并联机器人的自由度为：6*13-(6*3+6*4+6*5)=6

2.3．平台坐标系的确定

为了求解六自由度平台的空间位置关系及对平台运动姿态进行控制，需要建立两个坐标系：静坐标系O-XYZ和动坐标系O₁-X₁Y₁Z₁，如图3所示。在下平台建立静坐标系O-XYZ并固定于下平台，原点O为下平台的几何中心，选取动坐标系固定于上平台，且随上平台运动，原点O₁为上平台的几何中心。当上平台在初始位置时，动静坐标系方向一致，静坐标系的Z轴穿过O₁点。

 

图3 六自由度平台的坐标示意图

 

2.4．结构参数

六自由度并联机器人的结构参数主要有5个，上铰点的分布圆半径R_T、上铰点分布角α_i、下铰点的分布圆半径R_B、下铰点分布角β_i和平台处于零位时上下铰点的高度H，虎克铰或球铰结构参数主要是摆角α，β。

 

 图4 结构参数

2.5．运动学分析

为了对六自由度并联机器人进行实时控制，必须对其进行运动学分析与解算。运动学问题主要包括位置姿态、速度、加速度三个方面的正解和反解问题。

本文只涉及位置姿态的正反解。

1. 正解：即顺向解，已知六自由度并联机器人的6个伸缩缸的长度，求解六自由度并联机器人的位置和姿态，到目前为止，还没有直接给中的正解方程式，只能采用叠代方法，利用计算机快速运算的特点和上铰的结构条件约束来逼近求解平台姿态。并联机构的正解较复杂，是并联机构的研究热点之一，国内外学者对此进行了深入的研究。目前正解求解方法可大致分为解析解法、数值解法。
    2. 反解：即逆向解，并联机构的运动学反解问题简单，给定六自由度并联机器人的位置与姿态，求解6个伸缩缸的伸缩量。描述一个刚体在空间旋转的姿态，最常使用的方法是定义三个欧拉角来表达，当刚体旋转至某一姿态下，此三个欧拉角即组成唯一的旋转矩阵，并借由旋转矩阵作坐标转换，便可求得刚体的绝对位置。

对于六自由度运动平台这样的并联机构，运动学分析解算是很重要的一个环节，同时也需要很强的数学功底，这里对运动学解算过程不做详细介绍，如果有需要，可以单独另开篇章讲解。

2.6．研究方向

对于并联机构的研究可以大致分为运动学研究、动力学研究、工作空间优化及奇异点分析研究、伺服控制研究四个方面。并联机构的运动学正解问题相比于反解问题，其解算难度较高，但是在并联机构的机构学研究及运动控制方面均有着重要作用。在结构优化设计、奇异位形分析、零点标定、输出误差分析及补偿等机构学问题方面，均需要进行高精度的位置正解。

由于并联机器人能够解决串联机器人应用中存在的问题，因而，并联机器人扩大了整个机器人的应用领域。由并联机器人研究发展起来的空间多自由度多环并联机构学理论，对机器人协调、多指多关节高灵活手抓等构成的并联多环机构学问题，都具有十分重要的指导意义。因此，并联机构已经成为机构学研究领域的热点之一。

1. 机构学的研究(拓扑结构与几何关系)；

2. 运动学解算(正解与反解)；

3. 动力学(拉格朗日、牛顿-欧拉、凯恩)；

4. 工作空间分析(定姿态，定位置)；

5. 误差分析/标定；

6. 奇异性研究(构型奇异、位型奇异、算法奇异)；

7. 控制包括控制器设计(自由度控制、单系统控制、基于模型的控制)

轨迹规划；

8. 作动器、关节；

9. 应用研究(不同的应用对并联机构有不同的需求)。

三．六自由度并联机器人的主要特点

自工业机器人问世以来，采用串联机构的机器人占主导位置。串联机器人具有结构简单、操作空间大，因而获得广泛应用。由于串联机器人自身的限制，研究人员逐渐把研究方向转向并联机器人。和串联机器人相比，六自由度并联机器人有以下特点：

1.并联结构其末端件上同时由6根杆支撑，与串联的悬臂梁相比刚度大，结构稳定。

2.由于刚度大，并联结构较串联结构在相同的自重或体积下，有较高的承载能力。

3.串联机构末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大，因而误差大、精度低,并联式则没有那样的误差积累和放大关系，微动精度高。

4.串联机器人的驱动电机及传动系统大都放在运动着的大小臂上，增加了系统的惯量，恶化了动力性能，而并联机器人将电机置于机座上，减小了运动负荷。

5.在位置求解上，串联机构正解容易，但反解困难。而并联机构正解困难，反解非常容易。

表1 串联机构与并联机构的比较 

四．控制系统原理介绍

本文六自由度并联机器人本体为六自由度Stewart型结构，如下图5所示，图中为平台空载状态，其位置为工作空间中心点。该平台为电动缸的形式，相比于液压形式，电动缸具有传动效率高、速度快、应用范围广、定位精度高、静音运行、结构简单、维护方便、可靠性和安全性高、运行平稳、使用寿命长等优点。

 

 图5 Stewart平台

4.1.控制原理介绍

六自由度并联机器人由6个并联设置的伺服电动缸驱动，动平台的任何一个自由度运动都会造成6个电动缸的不同运动。所以六自由度并联机构是一个多变量强耦合的伺服系统，各个伺服电动缸需要协调一致的动作，绝对不可以单独控制其中一个动作，机构在运动过程中才不至于产生不稳定和破坏现象，所以对多轴控制同步性要求很高。

当6根电动缸缸的长度发生变化时上平台的位置和姿态也随之变化，通过控制6根电动缸缸的伸缩长度，就能够对上平台的位置和姿态实现控制。

 采用工业计算机或触摸屏做为人机界面，输入姿态信号、设定运动指令与实时监控，控制器采用运动控制卡或运动控制器作为控制核心，进行运动学反解计算，同时6个伺服驱动器产生驱动信号，驱动电动缸伸缩完成运动指令动作，实现实时闭环控制。如下图6所示。

 

 图6最基本的控制模式

六自由度并联机器人控制系统包括上位工控机、下位控制系统、编码器检测元件等，工控机完成人机交互和轨迹处理等非实时任务，下位控制系统完成伺服控制、轨迹插补等计算量大的实时任务。位姿信号的获取，包括读取本地数据库和从外部手柄获得信号的方式，将获取的位姿信号进行运动学反解，求得该位姿下各个电动缸的伸缩量并以运动命令的方式下发到控制系统；实时读取各个电机位置、状态并显示在监控界面上。控制系统实时接收上位机发下来的各个电机的运动量，向电机驱动器发送脉冲并读取各个电动缸上的编码器，获得电动缸的位置，上传给工控机用于显示。软件部分主要包括用户界面程序、伺服算法程序、PID参数设置程序等。

根据设定值经过运动学反解计解算出每个电动缸的伸缩量，做为每个电动缸的位置指令值，依靠位移传感器检测的各个电动缸的位置实际信号与给出的位置指令信号进行比较，使得每个电动缸形成位移闭环控制。如下图7所示

图7单缸控制原理

4.2.选择要求

六自由度并联机器人由机械本体和伺服控制系统组成。机械本体设计的优劣直接决定了平台工作空间、带载能力、运动稳态精度等性能，因此首先需要对机械本体进行设计、建模计算、机械参数优化等。而良好的伺服控制系统设选择是确保平台达到其设计性能指标的基础，甚至能够在一定程度上提高平台的运动性能。根据需要根据平台的功能需求和性能指标要求分别进行设计选择。

六自由度并联平台是一种高度耦合的系统，其运动控制相对复杂。在实际控制过程中，主控单元需要频繁地执行运动学解算、生成命令、轨迹规划等计算任务，且这些任务的计算量都比较大。此外，完善的控制系统还应包括人机交互、实时数据存储等功能。综合而言，六自由度并联机器人的运动控制系统选择可以有很多种组合形式，具体根据实际项目的费用、动态响应性能、控制精度和同步精度的要求，来选择伺服控制系统最合适的方案。

五．六自由度平并联机器人的主要应用

并联机构的出现，扩大了机器人的应用范围。随着并联机器人研究的不断深入，其应用领域也越来越广阔。六自由度并联机器人的应用大体分为七大类。

1. 娱乐体感模拟(动感座椅、体感游戏)  

动感座椅是建立动感影院必不可少的构成元素之一，动感座椅可以根据影片特定故事情节的不 同而由计算机控制做出不同的特技效果来，例如，坠落，震荡，喷风，喷雨等等，再配上精心设计出来的烟雾、雨、光电、气泡、气味等，从而营造一种与影片内容相一致的全感知环境。动感座椅的主要市场是现代化电影院，主题公园，游乐场，游戏房，仿真教学培训室，等等，尤其是随着VR、AR技术的普及，以及科幻、冒险类的3D电影发行增多，动感座椅的市场需求量迅速扩大。 

l 动感座椅，如下图8所示

 

 图8 动感座椅

l 游戏体感驾驶，如下图9所示。

 

 图9 体感游戏驾驶

2. 运动模拟(飞行模拟、驾驶模拟、道路模拟、海浪模拟、空间对接地面试验)

飞行模拟，如下图10所示。

图10飞行模拟

驾驶模拟，如下图11所示。

图11 驾驶模拟

道路模拟，如下图12所示。

图12道路模拟试验

海浪模拟，如下图13所示。

 

 图13 海浪模拟试验

空间对接，如下图14、15、16所示。

 图14 日本航天局空间对接机构地面半物理仿真设备

图15俄罗斯空间对接机构地面半物理仿真综合试验台

图16哈工大对接机构综合试验台

3. 并联机床

并联机床又称为并联结构机床、虚拟轴机床，也曾被称为六条腿机床、六足虫，在国际上一般称为Parallel Kinematic Machine(PKM)，它们都是以Stewart平台为基础的，如下图17所示。并联机床实质上是机器人技术与机床结构技术结合的产物。它的出现不仅引起了世界各国的广泛关注，而且被誉为“机床结构的重大革命”，制造业给予高度的重视。

并联机床以空间并联机构为基础，充分利用计算机数字控制的潜力，以软件取代部分硬件，以电气装置和电子器件取代部分机械传动，使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本变化。

 

 图17 并联机床

4. 并联机器人精密定位装置(微动机构、大规模集成电路加工、并联挖掘机械、空间装配机械手、大型望远镜、照相机聚焦等)

并联机器人，如下图18所示。

图18 太空并联机器人

微动机构，如下图19所示。

图19 PI公司的微动机构

  

5. 六维力/力矩传感器

大量程预紧式六维力传感器，如下图20所示

图20 大量程预紧式六维力传感器

6. 医用机器人，如下图21所示。

 

 图21医用机器人

7. 稳定与隔振平台(利用它的快速响应能力) 

稳定平台(无人机平台稳定)，如下图22所示。

图22无人机平台稳定

振动隔离与精确指向，如下图23所示。

图23 振动隔离与精确指向