機器人核心零部件，繞不過去的一道坎

機器人核心零部件，繞不過去的一道坎

      伺服電機作為控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，是機器人三大核心零部件之一。機器人伺服系統(tǒng)由伺服電機、伺服驅(qū)動器、指令機構(gòu)三大部分構(gòu)成，伺服電機是執(zhí)行機構(gòu)，就是靠它來實現(xiàn)運動的，伺服驅(qū)動器是伺服電機的功率電源，指令機構(gòu)是發(fā)脈沖或者給速度用于配合伺服驅(qū)動器正常工作的。

2015年，我國機器人用伺服系統(tǒng)市場規(guī)模約為10.6億元，到2020年市場規(guī)模將達47億元左右，未來五年復(fù)合增長率約為35％。

       國內(nèi)外伺服系統(tǒng)廠商將機器人市場作為未來重點的發(fā)展方向，伺服電機一般安裝在機器人的“關(guān)節(jié)”處，機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動離不開伺服系統(tǒng)，關(guān)節(jié)越多，機器人的柔性和精準度越高，所要使用的伺服電機的數(shù)量就越多。

      機器人需求在全球范圍內(nèi)不斷擴大，而中國現(xiàn)在是全球增速最快的機器人市場。2013年至2016年，中國連續(xù)三年成為全球第一大工業(yè)機器人消費市場。IDC預(yù)測到2020年，中國機器人市場規(guī)模將達到594億美元，中國市場將占全球機器人市場總量的30%以上，市場空間巨大。機器人的高速增長將帶動伺服電機的巨大需求。

機器人伺服電機面臨挑戰(zhàn)

      伺服電機在自動化控制系統(tǒng)在往往與終端執(zhí)行機構(gòu)相連，因此也被成為執(zhí)行電機。伺服電機在伺服系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，其作用是將伺服控制器的脈沖信號轉(zhuǎn)化為電機轉(zhuǎn)動的角位移和角速度。

       伺服電機分為直流和交流伺服電動機兩大類，與普通電機相比其主要特點是，其通常搭配反饋裝置一起使用，實現(xiàn)精準控制。

      為了提高工業(yè)生產(chǎn)的靈活性，機器人正變得越來越輕，同時為了保證機器人的動態(tài)和精度，高功率密度伺服電機至關(guān)重要；在精加工作業(yè)領(lǐng)域，機器人甚至需要人手所具備的柔順性，要求電機能以“罐頭”大小實現(xiàn)高性能，提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率并保證操作員安全；在醫(yī)用機器人領(lǐng)域，為了讓機器人幫助患者早日恢復(fù)健康，對電機穩(wěn)定性和可靠性提出了至高要求。

      機器人對伺服電機的高要求主要有以下方面：

     1．要求伺服電機具有快速響應(yīng)性。電機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時間應(yīng)短。響應(yīng)指令信號的時間愈短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好，一般是以伺服電機的機電時間常數(shù)的大小來說明伺服電機快速響應(yīng)的性能。

     2．伺服電機的起動轉(zhuǎn)矩慣量比要大。在驅(qū)動負載的情況下，要求機器人的伺服電機的起動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動慣量小。

     3．伺服電機要具有控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號的變化，電機的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時還需轉(zhuǎn)速與控制信號成正比或近似成正比。

     4．為了配合機器人的體形，伺服電機必須體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。

     5．能經(jīng)受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內(nèi)承受數(shù)倍過載。交流伺服驅(qū)動器因其具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量比高、無電刷及換向火花等優(yōu)點，在工業(yè)機器人中得到廣泛應(yīng)用。

      差距明顯，國內(nèi)廠商需努力追趕

國內(nèi)伺服電機市場中，前三名松下、三菱、安川均為日系品牌，總份額達到45%，西門子、博世、施耐德等歐系品牌主要占據(jù)高端市場，市場份額在30%左右，國內(nèi)企業(yè)整體份額低于10%。

       國產(chǎn)伺服電機大多是仿制日系伺服電機設(shè)計，功率多在3kw以內(nèi)，以中小功率為多，而5.5-15kw的中大功率伺服電機則比較少。

國產(chǎn)伺服電機在以下方面仍需突破：

      一是外形普遍較長，外觀粗糙，很難應(yīng)用在一些高檔機器人上面，尤其是在輕載6kg左右的桌面型機器人上，由于機器人手臂的安裝空間非常狹小，對伺服電機的長度有嚴格要求。

       二是信號接插件的可靠性需要改進，而且需要朝小型化、高密度化以及與伺服電機本體的集成設(shè)計的方向設(shè)計，方便安裝、調(diào)試、更換。

      三是另一個核心技術(shù)就是高精度的編碼器，尤其機器人上用的多圈絕對值編碼器，嚴重依賴進口，是制約我國高檔機器人發(fā)展的很大瓶頸。編碼器的小型化也是伺服電機小型化繞不過去的核心技術(shù)。

      四是缺失基礎(chǔ)性研究，包括絕對值編碼器技術(shù)、高端電機的產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)、生產(chǎn)工藝的突破、性能指標的實用性驗證和考核標準的制定。

      五是伺服系統(tǒng)各部分產(chǎn)業(yè)協(xié)同聯(lián)合不夠，導(dǎo)致伺服電機和驅(qū)動系統(tǒng)整體性能難以做好。

      雖然國產(chǎn)伺服電機在市場上的比重比較低，在技術(shù)與性能上與國外品牌有較大的差距，并且產(chǎn)品質(zhì)量與穩(wěn)定性也不能同國外品牌同日而語，但近幾年國產(chǎn)品牌伺服電機的發(fā)展也很迅速，伺服電機自主配套能力已現(xiàn)雛形，獲得了一定的市場認可。許多國產(chǎn)產(chǎn)品技術(shù)上與日系產(chǎn)品接近，涌現(xiàn)出埃斯頓、廣州數(shù)控設(shè)備、英威騰等20余家較大規(guī)模的伺服電機品牌。

     從我國伺服電機zhuanli技術(shù)總體申請量變化趨勢也顯示出國內(nèi)企業(yè)近幾年取得的成績。2010年我國伺服電機行業(yè)相關(guān)zhuanli申請數(shù)量僅2697項，而2016年我國伺服電機行業(yè)相關(guān)zhuanli申請數(shù)量達14058項，年復(fù)合增長率高達31.68%。

      2010-2016年伺服電機行業(yè)相關(guān)zhuanli申請數(shù)量變化圖（單位：項）

       中國機器人產(chǎn)業(yè)處于大的變革時代，需要快速創(chuàng)新整合，機器人作為一種高新技術(shù)，是推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支持手段。而要大力發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)，作為機器人核心零部件之一的伺服電機自然成了許多企業(yè)競相布局的熱門領(lǐng)域。

南京埃斯頓自動化股份有限公司創(chuàng)建于1993年，受益于國家改革開放的發(fā)展機遇以及創(chuàng)業(yè)團隊歷經(jīng)20多年的努力奮斗，目前不僅成為國內(nèi)高端智能裝備核心控制功能部件領(lǐng)軍企業(yè)之          一，而且已在自身核心零部件優(yōu)勢基礎(chǔ)上強勢進入工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)，華麗轉(zhuǎn)身為具有自主技術(shù)和核心零部件的國產(chǎn)機器人主力軍企業(yè)。

埃斯頓成功研發(fā)出高集成度、模塊化機器人專用伺服驅(qū)動器和電機，并應(yīng)用到公司機器人產(chǎn)品。

       總結(jié)：機器人的工作表現(xiàn)受伺服電機影響極大，因而精密伺服電機的關(guān)鍵性能指標永遠都是先進性比較的首要因素。國外先進伺服電機已經(jīng)能夠很好地適應(yīng)絕大多數(shù)應(yīng)用的需求，其研發(fā)資源已集中在個別高端應(yīng)用及整體性能提升方面，處于精雕細刻階段。因此國產(chǎn)伺服電機廠商任重而道遠。