1、概述
近兩年，面對人工勞動力成本的不斷提升，工業機器人日益被企業倚重，中國工業機器人市場呈現爆發式增長。據國際機器人協會（IFR）數據統計，2014年全球工業機器人銷量為22.5萬臺左右，其中亞洲的銷量幾乎占到2/3.而中國市場的工業機器人銷量更是增長54%，達到5.6萬臺左右。但值得注意的是，本土機器人供應商的銷量僅為1.6萬臺。究其原因，很重要的一個因素就是機器人核心零部件的國產化進程較慢，國內機器人整機廠商只能進口國外產品，導致整機成本較高，在同國外廠商的競爭中處于劣勢。
CoolDrive R6一體化伺服驅動器是清能德創電氣技術（北京）有限公司在進行大量工業機器人市場及客戶的需求調研后，為該行業量身打造的一款專用伺服產品。CoolDrive R6集成了多軸一體化設計、功能性安全技術、多種振動抑制算法等創新技術，并內置多種前饋功能，設計采用高速工業以太網絡，大幅提高了系統動態特性，為客戶提供更節能，更靈活，更安全的伺服系統。CoolDrive R6無論從產品形態還是集成功能上來說都非常適合用于工業機器人行業，完全可以替代國外同類產品，為客戶提供更具性價比的方案。
2、國產20kG六關節工業機器人
本次項目所使用的20kG六關節工業機器人是國產最新型號，具有結構緊湊，關節速度較高，動態響應快，精度高，過載能力強等特點。電控系統采用總線結構，擴展應用方便。適用于切割、打磨、上下料等場合。其產品性能如下表所示：
表1機器人性能參數表
3、系統設計
3.1客戶需求
客戶這臺6關節工業機器人要求實現較高的關節速度和重復定位精度，同時要求在帶載運行時保持機器人的穩定性。此外，客戶要求可通過控制器對伺服驅動器的內部功能參數進行人工在線設定，以便實現精確控制。
3.2設計難點
工業機器人是非常典型的多軸控制系統，為使機器人能達到較高的重復定位精度，除了要求控制器有很強的路徑規劃算法及插補功能以外，伺服驅動器也必須保證在執行控制器位置指令時，保持所有關節嚴格同步。而為了提高機器人的運行速度，就需要伺服系統具有很強的瞬時過載能力和極高的動態響應特性。
如何減少機器人在運行過程中發生的振動，一直是機器人用伺服系統的一個難題，這也是很多國內伺服產品無法應用到工業機器人上的一個原因。
振動主要出現在兩種工況，一是機器人在啟動和停止時，機器人本體和末端會發生振動；一是機器人在高速運行，并移動范圍較大時，本體會出現振動和運行軌跡偏差較大的現象。引起振動的主要原因就是機器人各個關節的慣量發生了較大變化，要消除振動必須在伺服驅動器中加入各種前饋補償控制功能。
3.2系統方案設計
通過對客戶需求的深入分析，我們為客戶設計了“KEBA控制器+CoolDrive A8”伺服驅動器的電控系統解決方案。
圖1 CoolDrive R6現場應用圖
這套系統的優勢在于：
1.機器人專用控制系統
本次項目選擇的是KEBA專為機器人行業開發的KeMotion控制系統，包括控制器、視教盒以及控制軟件。其控制器和視教盒都支持EtherCAT高速工業以太網通訊，具有很高的計算性能和通訊速度。
KeMotion還提供了強大的機器人控制軟件，其中內置了多種類型的機器人路徑規劃模型，能夠快速完成機器人的開發；同時軟件還提供了豐富的補償算法和插補功能，保證了機器人的控制精度。
2. CoolDrive R6機器人專用一體化伺服驅動器
CoolDrive R6是清能德創在進行大量工業機器人市場及客戶的需求調研后，為其量身打造的一款伺服產品。作為國內首款機器人專用一體化伺服驅動器，CoolDrive R6無論從設計理念、集成功能還是產品的可定制化，都真正從行業用戶的角度出發，著眼于滿足客戶的實際需求。
CoolDrive R6采用ALL IN ONE設計，在緊湊的機身內集成了六個伺服軸，同時還預留了擴展空間，可為機器人提供附加軸。同目前通用伺服方案相比，最多可節省50%的空間。
同時，CoolDrive R6加入了速度、加速度前饋補償，力矩補償等補償算法，并開發了定位抖動消除、慣量前饋等功能，可較好地解決機器人本體在高速運行、快速定位時產生的振動，并且提高機器人的動態特性。
此外，CoolDrive R6還增加了電機弱磁控制技術以實現機器人的輕載高速運行，增加編碼器信號修正技術以提高機器人的穩定性和降低運行中的噪音等。
4、機器人實際性能測試
在實際測試過程中，在沒有加入速度、加速度前饋補償，力矩補償等補償算法的情況下，機器人在滿載運行時，會發生明顯振動。在機器人啟動的瞬間，如果沒有提前給定力矩補償，機器人本體由于重力的作用會發生下沉的動作，也就是俗稱的“點頭”。而在機器人由高速運行狀態快速停止時，如果沒有“定位抖動消除”功能，機器人本體會由于慣性的突然變化而發生抖動。
下圖是沒有開啟補償及振動抑制功能時，機器人的位置誤差，可以看到明顯的振動現象。
下圖是開啟補償及振動抑制功能后，機器人本體的位置誤差情況，能夠非常明顯的看出，機器人本體的振動得到了有效抑制。
5、結束語
清能德創致力于為國內機器人整機廠商提供國產高端伺服系統，在性能和功能上能夠滿足機器人對伺服系統的要求，同時也沒有國外產品高昂的價格，從而實現機器人關鍵零部件的國產化，降低國內機器人整機廠商的總體成本，提高國產機器人的競爭力。
