趙贏，王志杰，李本旺，吳曾萍

(1.重慶凱瑞機(jī)器人技術(shù)有限公司，重慶 401120；2.杭叉集團(tuán)股份有限公司，浙江杭州 311305)

0 前言

工業(yè)機(jī)器人是我國(guó)制造業(yè)的“頂冠明珠”，在機(jī)器人核心零部件的研發(fā)制造上，我國(guó)在很多方面已經(jīng)接近國(guó)際頂尖水平，但一些核心技術(shù)仍無(wú)法滿(mǎn)足復(fù)雜高端領(lǐng)域應(yīng)用需求，如精密減速器的傳動(dòng)精度與壽命間競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制不清、控制器的動(dòng)力學(xué)辨識(shí)精度低、伺服系統(tǒng)多物理因素對(duì)極限轉(zhuǎn)矩的影響機(jī)制不清、先進(jìn)核心零部件測(cè)評(píng)技術(shù)體系缺失等，因此亟待開(kāi)展機(jī)器人核心零部件性能提升研究與應(yīng)用。

1 精密減速器

歐美、日本等工業(yè)強(qiáng)國(guó)長(zhǎng)期致力于高端機(jī)器人精密減速器研究[1]。以日本哈默納科公司、納博特斯克株式會(huì)社為代表的減速器國(guó)際企業(yè)系統(tǒng)地開(kāi)展了齒形優(yōu)化設(shè)計(jì)、高精度加工工藝研究：納博特斯克株式會(huì)社開(kāi)發(fā)的RV-N、RV-C等多個(gè)系列RV減速器，額定壽命超過(guò)10 000 h，角傳動(dòng)精度不大于1′；哈默納科公司研制出CSF/CSG等20多個(gè)系列諧波減速器產(chǎn)品，額定壽命超過(guò)10 000 h，剛度下降率不大于50%，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，市場(chǎng)占比超70%。國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出一批以陜西秦川、深圳大族、重慶大學(xué)為代表的精密減速器企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)，在精密減速器領(lǐng)域取得了顯著的成就。重慶大學(xué)突破減速器多齒嚙合效應(yīng)和載荷分配機(jī)制，成果支撐國(guó)內(nèi)精密減速器的開(kāi)發(fā)；陜西秦川研制BX系列RV精密減速器；深圳大族研制出雙圓弧齒的LHS(G)、HMCS/HMHS系列諧波減速器，額定壽命達(dá)8 000 h，逐漸替代國(guó)外中高端產(chǎn)品。但在高端產(chǎn)品的精度保持性、可靠性、批量加工一致性方面仍有差距。

1.1 傳動(dòng)精度

由于RV減速器的曲軸存在制造和裝配誤差，此誤差影響了減速器的傳動(dòng)精度和效率，減速器的承載能力也大大降低。為了提高曲軸的設(shè)計(jì)精度，奚鷹等人[2]通過(guò)分析曲軸偏心距對(duì)減速器的影響，建立減速器曲軸的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)MATLAB計(jì)算得出減速器的曲軸偏心距應(yīng)為1.3 mm，其誤差對(duì)精度的提高和減小回差間隙有很大幫助。 減速器主軸的承載能力對(duì)其精度也至關(guān)重要。王超俊等[3]通過(guò)分析主軸的受力模型得知，當(dāng)其接觸角在30°～50°中，主軸具有更大的承載能力。同時(shí)在主軸的設(shè)計(jì)制造中，應(yīng)重點(diǎn)控制其加工工藝，考慮加工經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，使其具有更好的使用性能。同時(shí)，WANG、MAO[4]為了準(zhǔn)確測(cè)出RV減速器的傳動(dòng)誤差，搭建了各個(gè)模塊的機(jī)器人減速器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)測(cè)量?jī)煞N常見(jiàn)型號(hào)的減速器在不同條件下的傳動(dòng)誤差值，如圖1所示。分析得到誤差曲線(xiàn)，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到RV減速器的誤差隨著負(fù)載和輸入轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨剛度的增大而減小，其中負(fù)載對(duì)其傳動(dòng)精度影響最大[5]。而YANG等[6-9]結(jié)合減速器的一級(jí)漸開(kāi)線(xiàn)齒輪減速和二級(jí)擺線(xiàn)針輪減速的嚙合特性，建立了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)誤差模型，通過(guò)數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)，更加詳細(xì)地解釋了原始傳動(dòng)誤差與輸出誤差的關(guān)系，得出各種誤差在減速器的傳動(dòng)誤差中所占比例，對(duì)減速器的傳動(dòng)精度研究具有很重要的理論指導(dǎo)價(jià)值。

圖1 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)

1.2 故障診斷

機(jī)器人用RV減速器的故障診斷準(zhǔn)確率一直很低[10]。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，陳樂(lè)瑞等[11]利用非線(xiàn)性輸出頻率響應(yīng)核主元分析相結(jié)合的方法來(lái)診斷RV減速器的故障，其流程如圖2所示，通過(guò)批量估計(jì)法得到每種狀態(tài)的前4階頻譜值，然后利用這種新方法生成的數(shù)據(jù)傳給支持向量機(jī)分類(lèi)器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：這種方法較僅對(duì)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域和頻域進(jìn)行測(cè)量的傳統(tǒng)方法準(zhǔn)確率有很大提升。劉永明等[12]在此基礎(chǔ)上，利用旋轉(zhuǎn)機(jī)械測(cè)試信號(hào)周期演變特征和集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)可以有效反映數(shù)據(jù)周期性的特點(diǎn)，提出一種基于EEMD的粒子群算法(PSO)優(yōu)化的極限學(xué)習(xí)機(jī)(ELM)故障診斷模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：這種模型能夠更有效地判斷出RV減速器的工作狀態(tài)。而藺夢(mèng)雄等[13]對(duì)比分析以往采用的往復(fù)擺動(dòng)方式對(duì)精密減速器進(jìn)行受損故障分析的方法，發(fā)現(xiàn)采集的信號(hào)定位減速器的故障源非常困難，因此提出一種階次跟蹤分析方法，通過(guò)對(duì)減速器的非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行重新采樣，得到的平穩(wěn)角度域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變化，實(shí)現(xiàn)了變轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)工況下行星擺線(xiàn)針輪減速器的故障診斷。結(jié)果表明：提出的階次跟蹤分析方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)行星擺線(xiàn)針輪減速器在時(shí)變工況下各重要零部件的故障定位，為擺動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)故障的快速定位提供了指導(dǎo)和幫助[14-15]。

圖2 基于NOFRF頻譜的故障診斷流程

1.3 動(dòng)力學(xué)仿真

為了進(jìn)一步探究機(jī)器人用RV減速器的動(dòng)力特性，奚鷹等人[16]基于Adams強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)仿真能力，在通過(guò)金相實(shí)驗(yàn)得到RV減速器的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性后，結(jié)合MATLAB計(jì)算得到了動(dòng)力參數(shù)，在對(duì)模型簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，得到了合理的減速器動(dòng)力學(xué)模型，且行星架上輸出值與理論值的誤差在0.8′之內(nèi)，最終得到具有較高精度的動(dòng)力學(xué)模型，如圖3所示。

圖3 RV減速器Adams模型

盧琦、何衛(wèi)東[17]基于多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，建立了軸承游隙、輪齒接觸、針齒與針齒槽接觸的動(dòng)力學(xué)仿真模型，考慮影響RV減速器角傳動(dòng)誤差的小周期因素，選取同一裝配尺寸鏈中的針齒中心圓直徑與針齒槽直徑，進(jìn)行誤差組合，并在額定工況下進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，分析角傳動(dòng)誤差的變化規(guī)律。YU等[18]分析了RV減速器產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩的特性和RV減速器的空載運(yùn)行特性，提出了一種利用奇異值分解濾波測(cè)量空載運(yùn)行時(shí)RV減速器轉(zhuǎn)矩的新方法，以消除附加轉(zhuǎn)矩的影響，并分析其動(dòng)態(tài)。

為了更深入地研究減速器動(dòng)力學(xué)特性，龐杰、韓振南[19]采用集中參數(shù)法，通過(guò)改變嚙合剛度分析了嚙合力的變化，隨著嚙合剛度的增加，在一定范圍內(nèi)，傳動(dòng)過(guò)程中的嚙合力更加穩(wěn)定，為RV減速器的故障診斷和優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

2 控制器

控制器是機(jī)器人的大腦，決定機(jī)器人功能和性能優(yōu)劣[20]。奧地利Keba、瑞士ABB等企業(yè)依托過(guò)去發(fā)展汽車(chē)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，在機(jī)器人控制器領(lǐng)域形成了堅(jiān)固的技術(shù)壁壘。Keba的KeMotion通過(guò)搭載Automation Runtime完成實(shí)時(shí)控制[21]，支持EtherCAT、SercosIII等多種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線(xiàn)；ABB將新一代力控方案融入到機(jī)器人控制器IRC5中[22]，有效提升了機(jī)器人動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)動(dòng)精度。以北京航空航天大學(xué)、固高科技股份、廣數(shù)、華數(shù)、重慶大學(xué)等為代表的科研機(jī)構(gòu)助力國(guó)產(chǎn)機(jī)器人控制器取得重大突破，綜合性能指標(biāo)比肩國(guó)際先進(jìn)水平。北航提出了6R型工業(yè)機(jī)器人負(fù)載識(shí)別方法[23]，重慶大學(xué)突破了未知網(wǎng)絡(luò)拉格朗日系統(tǒng)的分布式自適應(yīng)跟蹤控制策略[24]，為研發(fā)高性能機(jī)器人控制器提供了支撐；固高研發(fā)的驅(qū)控一體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)[25]，在可靠性、柔性可擴(kuò)展特性上已經(jīng)比肩國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。隨著機(jī)器人向智能化、高響應(yīng)、高可靠方向發(fā)展，給控制器提出了更高要求，亟需突破控制器柔性可擴(kuò)展、高性能高可靠控制設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)高精度自動(dòng)辯識(shí)、高速穩(wěn)定運(yùn)行與振動(dòng)抑制等關(guān)鍵技術(shù)，如表1所示。

表1 控制器國(guó)內(nèi)外技術(shù)指標(biāo)對(duì)比、存在問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)

2.1 動(dòng)力學(xué)參數(shù)

目前主流的控制方式為“運(yùn)動(dòng)控制”[26]，這種利用機(jī)器人期望軌跡與實(shí)際軌跡的偏差進(jìn)行負(fù)反饋的控制方式，對(duì)高精度的機(jī)器人來(lái)說(shuō)可能存在運(yùn)動(dòng)抖動(dòng)的問(wèn)題。為了消除抖動(dòng)，研究人員采用“動(dòng)力學(xué)控制”的方法[27]，利用B&R控制器良好的實(shí)時(shí)特性，獲得機(jī)器人各項(xiàng)數(shù)據(jù)并完成機(jī)器人靜態(tài)參數(shù)辯識(shí)，得到精確的機(jī)器人系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型后就可以保證機(jī)器人有更好的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)了前反饋控制[26]。

2.2 控制方式設(shè)計(jì)

自主可控的國(guó)產(chǎn)化替代是機(jī)器人控制系統(tǒng)必須盡快完成的，而國(guó)產(chǎn)化CPU在抗干擾性、穩(wěn)定可靠性和設(shè)計(jì)上需要豐富的經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新的技術(shù)能力相融合，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。研究人員提出一種新的機(jī)器人控制器的硬件體系結(jié)構(gòu)，以通用的IPC為硬件平臺(tái)，操作系統(tǒng)Windows為軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了PTP和CP兩種控制方式，并給出了Windows環(huán)境下編寫(xiě)中斷服務(wù)程序的方法，如圖4所示。它相比于傳統(tǒng)控制器的上下級(jí)控制方式有很大的提升。

另外研究人員在機(jī)器人控制器抗干擾設(shè)計(jì)的動(dòng)力學(xué)方程的基礎(chǔ)上，根據(jù)云工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的特性，設(shè)計(jì)了基于DOB技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)，大大提高了控制器的抗干擾能力[28]。

3 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是機(jī)器人的動(dòng)力核心[29]。目前國(guó)內(nèi)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)市場(chǎng)主要分為日系、歐美及國(guó)產(chǎn)三大類(lèi)，主流產(chǎn)品有安川∑7系列[30]、三菱J5系列以及科爾摩根AKD系列、匯川SV660系列、禾川X6系列。但在高端伺服領(lǐng)域，國(guó)外產(chǎn)品仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，日系安川、三菱、松下和德系西門(mén)子等國(guó)際品牌市場(chǎng)占比超75%。以安川∑7為代表的伺服系統(tǒng)全系列最高轉(zhuǎn)速達(dá)6 000 r/min，齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小于1%，具備3倍以上過(guò)載能力，以及500 Hz以上、幾十赫茲以下高低頻振動(dòng)強(qiáng)化抑制能力，轉(zhuǎn)速波動(dòng)小于0.1%[31-34]?！笆濉币詠?lái)，以禾川股份、廣數(shù)、華數(shù)為代表的科研機(jī)構(gòu)推動(dòng)國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)迅速發(fā)展。禾川股份研制的X6伺服電機(jī)全系列在性能指標(biāo)上接近國(guó)際先進(jìn)水平[35]，最高轉(zhuǎn)速達(dá)6 000 r/min，具備3倍以上過(guò)載，齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小于1%；廣數(shù)伺服控制器通過(guò)自適應(yīng)濾波器在線(xiàn)參數(shù)配置來(lái)抑制100 Hz以上高頻諧振[36]，轉(zhuǎn)速波動(dòng)小于0.5%。但國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)在功率密度、轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面難以滿(mǎn)足市場(chǎng)高端需求[37-38]，亟需突破以形成國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)，如表2所示。

表2 驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)國(guó)內(nèi)外技術(shù)指標(biāo)對(duì)比與存在問(wèn)題

4 測(cè)評(píng)方法

更加完整的測(cè)評(píng)體系已逐漸成為工業(yè)機(jī)器人競(jìng)爭(zhēng)的風(fēng)向標(biāo)[39]。日本納博、安川、奧地利Keba等零部件企業(yè)采用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展可靠性和性能測(cè)評(píng)驗(yàn)證[40]，測(cè)評(píng)條件和方法對(duì)外封鎖，形成了較強(qiáng)的技術(shù)壁壘，能夠確保產(chǎn)品的批量生產(chǎn)一致性和高可靠性。“十三五”以來(lái)，國(guó)評(píng)中心(重慶凱瑞機(jī)器人)建成了核心零部件性能測(cè)試平臺(tái)[41]，制修訂標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范50余項(xiàng)，占比超60%，實(shí)現(xiàn)機(jī)器核心零部件性能測(cè)試技術(shù)體系從“無(wú)”到“有”，積累了大量數(shù)據(jù)。但現(xiàn)有體系主要引用國(guó)際通用性能、安全標(biāo)準(zhǔn)，存在測(cè)試驗(yàn)證時(shí)間長(zhǎng)、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)測(cè)試精度不高、數(shù)據(jù)挖掘利用不充分、高水平一致性測(cè)評(píng)方法不足等問(wèn)題，尚未形成保障先進(jìn)水平核心零部件的測(cè)評(píng)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。基于這種狀況，上海大學(xué)張曦等人[42]發(fā)明一種機(jī)器人幾何精度測(cè)評(píng)軟件，其工作流程如圖5所示，完善了機(jī)器人幾何精度測(cè)評(píng)方法和標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 測(cè)評(píng)流程

《中國(guó)制造2025》[43]出臺(tái)以后，雖然國(guó)內(nèi)的測(cè)評(píng)體系在不斷完善，但在研讀大量文獻(xiàn)后了解到國(guó)內(nèi)測(cè)評(píng)體系標(biāo)準(zhǔn)化仍存在很多不足之處。目前國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)如ISO 9283、JB/T 8896、JB/T 10825和GB 11291等通用標(biāo)準(zhǔn)存在測(cè)量工況少，無(wú)法準(zhǔn)確給出優(yōu)化建議以及工業(yè)機(jī)器人精度、經(jīng)濟(jì)環(huán)保方面的測(cè)評(píng)，而國(guó)外采用企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)國(guó)內(nèi)進(jìn)行技術(shù)封鎖，使產(chǎn)品保障高一致性和高可靠性。目前機(jī)器人的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)得到了國(guó)家的足夠重視，最具權(quán)威的就是國(guó)家組建的“四個(gè)中心+兩個(gè)平臺(tái)”，即國(guó)家機(jī)器人檢測(cè)和評(píng)定中心以及公共服務(wù)平臺(tái)[44]，這些測(cè)評(píng)中心配置的設(shè)備如環(huán)境檢測(cè)平臺(tái)、振動(dòng)臺(tái)(見(jiàn)圖6(a))、沖擊臺(tái)(見(jiàn)圖6(b))以及電磁類(lèi)檢測(cè)設(shè)備，都進(jìn)一步填補(bǔ)了我國(guó)測(cè)評(píng)系統(tǒng)的不足。

圖6 國(guó)家機(jī)器人測(cè)評(píng)中心設(shè)備

2025年機(jī)器人行業(yè)營(yíng)業(yè)收入預(yù)計(jì)突破5 000億元，是我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)自立自強(qiáng)、換代跨越的戰(zhàn)略機(jī)遇期。研制具有國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品先進(jìn)水平的機(jī)器人核心零部件，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的零部件綜合性能評(píng)估數(shù)字孿生平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體集成及典型行業(yè)推廣應(yīng)用，形成高水平零部件技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，對(duì)提升我國(guó)機(jī)器人核心零部件產(chǎn)品國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、推動(dòng)工業(yè)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、建設(shè)智造強(qiáng)國(guó)具有重要意義。

5 結(jié)論

我國(guó)研制的機(jī)器人核心零部件與國(guó)際同類(lèi)先進(jìn)產(chǎn)品尚有差距，我國(guó)應(yīng)快速實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用高端機(jī)器人對(duì)核心零部件性能要求，突破制約我國(guó)核心零部件性能與一致性提升的技術(shù)瓶頸，建立與國(guó)外一流品牌綜合指標(biāo)對(duì)標(biāo)體系，搭建基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)零部件評(píng)估孿生平臺(tái)，研制機(jī)器人用精密減速器、控制器、驅(qū)動(dòng)器、伺服系統(tǒng)，性能達(dá)到同類(lèi)產(chǎn)品國(guó)際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)本體集成配套及推廣應(yīng)用，提升我國(guó)機(jī)器人國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，搶占國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。