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从伺服驱动器到集成式运动控制,能否为机器人行业带来全新变革?

时间:2022-07-05

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导语:今年在慕尼黑自动化展上,Synapticon公司带来了独具特色的“集成式运动控制”研发成果——“SOMANET Circulo”系列产品,该产品被外媒赞誉为有望成为全世界范围内下一个具有革命性的产品系列。

就全世界而言,机器人的创新从未有停歇,全球的机器人研发竞争正愈演愈烈。


运动控制技术一直是机器人研究的热门,通过研发和设计新型运动控制设备,实现高效的产品集成应用,在国外长期以来被认为是能带去更强性能水平的关键。


今年在慕尼黑自动化展上,Synapticon公司带来了独具特色的“集成式运动控制”研发成果——“SOMANET Circulo”系列产品,该产品被外媒赞誉为有望成为全世界范围内下一个具有革命性的产品系列。


Synapticon希望“集成式运动控制”新产品能够更好为协作机器人和移动机器人这两个领域服务,同时赋能自动化技术的智能创新。


为什么“SOMANET Circulo”系列产品会受到如此多工业媒体的赞誉,机器人大讲堂与Synapticon公司相关负责人展开详细沟通,揭开了该产品部分技术秘诀。



▍集成式运动控制如何带来全新变革?


整体来看,Synapticon的产品集成设计优势在“SOMANET Circulo”(以下简称Circulo)系列体现的淋漓尽致,这一系列向集成运动控制迈出了关键性的一步。


如今的Circulo系列产品具备几大重要特性:超紧凑、多功能、高效率、流程简单易用,经过EMC认证‍且具有众多保护电路,这些性能对于机器人等许多机电一体化产品来说无疑意味着巨大的优势。


Circulo系列也可以视为是SOMANET伺服驱动器的创新延伸。详细而言,在Synapticon经典产品的高功率输出和运动控制性能基础上,同时提供了复杂的机械集成解决方案:环形外形及大中空孔设计下集成了双路高分辨率编码器、散热和布线优化、可选的集成抱闸、经过TÜV认证的安全功能(即标准配置SIL3 PLe上的STO和SBC)以及具有许多安全运动功能的可选Fail Safe over EtherCAT(FSoE)。


我们请教了相关技术工程师,了解到这种“集成式运动控制”新产品Circulo系列是基于模型预测自适应矢量控制技术(下文简称MPDFOC),从而实现了超紧凑集成,使其在狭小的空间内能将产品性能提高30%到90%,同时机械运转时无需额外的冷却。


德国Synapticon公司的创始人兼首席执行官Nikolai Ensslen认可了这种猜想并补充道:“基于我们的MPDFOC算法,我们可以使用与运动系统自适应的复杂模型来直接控制开关过程中的目标指令,而无需过多迭代控制循环,这节省了大量能源。”


由于Circulo系列产品提供了一种自动整定功能,使用户能够更轻松地针对一体化关节运动性能或表现实现优化,这种基于对传感器数据的复杂运算处理,能实现对机械干扰以及电磁干扰的补偿。但Ensslen认为,这个产品中的技术虽然有点类似人工智能,却又并非机器学习,可以说这是一种基于统计方法的复杂技术。目前Synapticon也正在研究用于多轴系统自主优化的强化学习方法,以实现下一代技术的创新。


▍快速应用,降本增效已经开始


机器人大讲堂了解到,这种集成式运动控制概念从2016年起就开始有厂商使用,但范围一直不大,在2021年这个行业才迎来发展的转折点。以Synapticon为代表的企业在2020年首次能够在工业驱动技术领域实现产品量产,国外市场也给出了非常好的反馈,从去年开始其销售额呈现指数级提升。


在激烈的市场竞争中,通过使用这种可靠而强大的驱动设备而展现出的优势无疑非常明显。由于厂商的研发周期问题,许多企业的新产品开发非常缓慢,一旦机器人厂商的一款产品能比市场上所有其他解决方案更紧凑,终端用户操作更简单,也更具成本效益,无疑会快速获得市场竞争优势。


Ensslen透露,今年年初,Synapticon的订单累计已经相当于去年的三倍,证明了市场对于这种高性能一体化关节技术的强烈需求。


那么相对于传统一体化关节,Circulo系列产品具体有哪些优势?


Synapticon的市场营销副总裁Michael Mayer-Rosa举了一个简单的例子形容两者的直接差异:“与传统技术相比,例如AGV制造商在使用Circulo时,为其车辆中的有效载荷腾出了更多空间。”


目前,Synapticon的产品受到了AGV领域企业的认可和欢迎,当AGV的设计和系统架构通过基于Circulo的轮毂电机实现时,由于这些电机非常紧凑,Circulo系列还可用于在系统控制级别的编码器和一些安全元件,甚至可以集成抱闸,这种整合让AGV的空间变得更加整洁高效。


这意味着与传统技术相比,AGV制造商发现其车辆中的有效载荷大幅提升,但同时系统复杂性大幅降低,从而进一步降低由于组件较多而导致的误差。



▍从市场到研发,策略全面升级


当然,一款好的产品也并非很快得到市场认可,市场策略非常重要。


此前因为产品采购到应用的特殊性,许多时候新产品进入到企业终端产品的流程一般非常漫长,Synapticon等公司需要一段时间开发出新驱动产品,然后客户需要时间来尝试用这种新驱动设计它们的终端产品,并且再过一段时间产品稳定后才开始批量生产,这导致产品的应用面增长并不快。


如今Synapticon公司在从研发到市场的战略上已经实现了改变,“我们在客户现场加速开发,陪伴用户完成整个机器人设计,实现了从客户批量生产开始到销售流程上的对接和打通。”Ensslen对记者解释道。


从2017年起,Synapticon公司就改变战略,参与到最终产品的开发,包括为客户从头开始开发了一个完整的机械臂,并协助客户快速进入小批量生产。这使得Synapticon公司的研发人员非常了解机器人开发过程中可能遇到的各种问题,也让Synapticon公司的产品不仅比市场上所有其他解决方案更紧凑,也使终端用户的操作更简单,还更具成本效益。


这种更贴近用户,从产品设计到研发制作的流程,能更全面的满足客户真正的需求:简化布线、减少机柜、提高灵活性、降低成本。在市场上也帮助Synapticon开发更多潜在客户,让越来越多的厂商选择从“自研驱动器”切换到“从外部采购”,从而减少内部自主开发带来的机器人研发重心偏移以及不必要的生产风险,能更加专注于打造核心竞争力。


▍不断地技术革新


对于一家专注产品的企业而言,长期项目积累的经验至关重要,这种经验赋予了企业更多解决问题的能力。


在传感器和抱闸领域,由于Synapticon从公司成立之初一直积累着经验,无电池多圈高分辨率的Synapticon编码器已经过五年多的持续打磨,Circulo的可选抱闸也历经超六年的持续迭代优化,因此Synapticon如今的产品体现出非常不错的产品竞争力。


散热性能一直是运动控制系统关键的问题。在此之前,传统集成式伺服驱动器虽然大幅减少了体积,提高了单位体积下的输出功率,但这种过于密集的排布使得散热成为严重问题。


由于散热限制,长时间运转就会造成性能降低,因此如果用于超大的机械部件,停机散热的时间成本通常高于分体式驱动系统,这使得传统集成式伺服驱动器相对而言并不是很具有吸引力。


除此之外,得益于Synapticon在高性能伺服驱动器领域的核心竞争力以及经验的积累,从而实现了Circulo系列产品在集成式运动控制概念的成功。


Synapticon的Circulo系列无疑正在尝试通过更好的方式重新定义这部分市场,有望带来机械工程和机器人技术运动控制的革命。


目前,基于Circulo的一体化关节已经受到机床等行业客户的欢迎,由于这些产品的使用更加灵活,企业将其用在例如在包装机和灌装系统中,这已经改变了传统集成式伺服驱动器难以应用在大型机械设备中的窘境。


前段时间UR公司公布了大负载的协作机器人,对于这部分市场,Synapticon更是一直保持非常高的期待。“为了能与人进行安全互动的设计,到目前为止,协作机器人不如传统工业机器人那么精确和强大,整体性能水平偏低,但在高有效载荷和高安全标准的均衡下,协作机器人也开始在朝着传统机器人的路线延伸。在这类机器人开发中,高力矩的Circulo系列产品完全满足了他们的要求。”Ensslen说道。



▍真正的革命才刚刚到来



借助能提供高功率密度和高功率输出的伺服驱动器,Synapticon的分销合作伙伴成功遍布全球,深受自动化和机器人领域知名品牌以及创新者的信赖。



但全世界的高性能伺服运动控制创新从未停止,Synapticon因此也一直在尝试一种更为高效的方式。“我们一直希望通过设计一类新的运动控制设备,以彻底改变机器人、自动化和工程机械技术,”在接受记者采访时,Ensslen谈到持续创新的初衷。



“我们正将集成式伺服运动控制引入传统运动控制市场,从而彻底改变机械工程中的运动控制方式。”Nikolai Ensslen说道。如今,不同于纯伺服驱动器,Circulo系列集成式伺服驱动器在此基础上更进一步赋予了运动控制更多内涵。


据了解,Synapticon的Circulo系列产品于2019年底开发完成,如今已经量产,而Synapticon将很快推出集成式伺服驱动器的另一个产品类别,该产品类似于Circulo系列的概念,但在功率密度,散热和装配工作方面再进一步,从而创造了无限的可能性。


这个决定性的改进到底是什么?记者继续询问了Synapticon首席执行官Nikolai Ensslen,他透露,新系列除了使用Synapticon独具专利的MPDFOC算法之外,还具有创新、高效的架构和特殊的散热集成方法,以及先进的功率放大器组件。



据悉,通过MPDFOC算法,企业可以大幅降低开关频率,降低开关损耗,同时保持高控制频率,从而提高动态响应能力和操作精度。


或许这时候,新的变革又将开启。


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