當前在機器人的反應速度、精度上,國內外產品還是存在一定差距的。解決這一問題的關鍵在於機器人的核心零部件——伺服電機。
目前國內機器人發展迅猛,尤其是工業機器人領域。但在機器人的反應速度、精度上,國內外產品還是存在一定差距的,那麼關鍵點是在哪呢?
關鍵在於機器人的核心零部件——伺服電機。機器人在運行過程中,是通過伺服電機的驅動實現多自由度的運動的。如果對機器人運行的動作速度、精度要求高的話,實際就是要求伺服電機的回應速度、控制精度要足夠高。
而在機器人實際運行時,往往伺服電機是處於各種加減速、正反轉狀態,那就對伺服電機的短時超載能力、慣量適應範圍、頻率回應頻寬、轉速/扭矩回應時間提出了很高的要求。
其中一個非常重要的指標就是頻率回應頻寬,它決定了該伺服系統對指令的回應速度快慢,是機器人設計者的重要關注指標。
伺服電機頻率回應頻寬的定義:伺服系統能回應的最大正弦波頻率就是該伺服系統的頻率回應頻寬。用專業一些的語言描述,就是幅頻回應衰減到-3dB時的頻率(-3dB頻寬),或者相頻回應滯後90度時的頻率。
更具體一點,像機械部標準《交流伺服驅動器通用技術條件》(JBT10184-2000)中規定了伺服驅動器頻寬的測試方法:驅動器輸入正弦波轉速指令,其幅值為額定轉速指令值的0.01倍,頻率由1Hz逐漸升高,記錄電動機對應的轉速曲線,隨著指令正弦頻率的提高,電動機轉速的波形曲線對指令正弦波曲線的相位滯後逐漸增大,而幅值逐漸減小。相位滯後增大至90度時的頻率作為伺服系統90度相移的頻帶寬度;幅值減小至低頻時0.707倍的頻率作為伺服系統-3dB頻帶寬度。
可以說,頻率回應頻寬越快,伺服系統就可以對變化更快的指令實現及時回應,即使工業機器人的動作再複雜,也能及時回應,驅動機器人的每一個關節位置控制到位。
而影響頻率回應頻寬的因素有很多,像伺服驅動器或者控制系統參數、傳動鏈的剛度或精度、傳動間隙、負載慣量等都會對伺服系統的回應頻寬產生影響。過去業內很多研究者由於缺乏測試裝備,故只能通過加實際負載的測試來判斷伺服系統及機器人的回應性能,屬於定性分析,無法定量分析。因此國內的伺服系統目前在回應速度一塊仍需加強,像一般的伺服電機,回應頻寬最高只能做到幾百Hz左右,比較優質的能做到1kHz;而國外的產品,如日系的安川、三菱、松下等,卻在多年以前已突破2kHz的關卡。