核心技术缺失是中国制造业普遍存在的问题,在机器人产业尤其严重,三大核心零部件目前没有一个能大规模取代外资品牌。其中,由于减速器的垄断度非常高,技术难度也很大,业界和媒体的目光也更多地聚焦于此,反而忽视了发展得稍好,但其实仍有比较大差距的伺服电机……

伺服电机作为控制系统中的执行元件,是影响机器人工作性能的主要因素之一。机器人伺服系统由伺服电机、伺服驱动器、指令机构三大部分构成,伺服电机是执行机构,就是靠它来实现运动的,伺服驱动器是伺服电机的功率电源,指令机构是发脉冲或者给速度用于配合伺服驱动器正常工作的。

目前,国产伺服电机的现状是,小的不小,大的不大!这个怎么理解呢?小功率伺服电机,小型化不行,普遍偏长,比如轻载机器人常用的200W和400W伺服电机,目前松下的A6、安川的Σ7电机短小精致。反观国产伺服,普遍较长,外观粗糙。这在一些高档的应用上不行,尤其是在轻载6kg左右的桌面型机器人上,由于机器人手臂的安装空间非常狭小,对伺服电机的长度有严格要求。

伺服电机

伺服电机用于驱动机器人的关节,要求是要有最大功率质量比和扭矩惯量比、高启动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器(手爪)应采用体积、质量尽可能小的电动机,尤其是要求快速响应时,伺服电动机必须具有较高的可靠性,并且有较大的短时过载能力。

目前,高启动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛的应用。

伺服控制系统

伺服控制系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统,例如数控机床、机器人等。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量(使用在机电系统中的伺服电机的转动惯量)较大。为了能够和丝杠等机械部件直接相连,伺服电机有一种专门的小惯量电机,为了得到极高的响应速度。但这类电机的过载能力低,当使用在进给伺服系统中时,必须加减速装置。

工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制,即电流环、速度环和位置环。一般情况下,对于交流伺服驱动器,可通过对其内部功能参数进行人工设定而实现位置控制、速度控制、转矩控制等多种功能。

2015年,我国机器人用伺服系统市场规模约为10.6亿元,到2020年市场规模将达47亿元左右,未来五年复合增长率约为35%。机器人需求在全球范围内不断扩大,而中国现在是全球增速最快的机器人市场。2013年至2016年,中国连续三年成为全球第一大工业机器人消费市场。IDC预测到2020年,中国机器人市场规模将达到594亿美元,中国市场将占全球机器人市场总量的30%以上,市场空间巨大。机器人的高速增长将带动伺服电机的巨大需求。

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机器人用伺服电机面临挑战

为了提高工业生产的灵活性,机器人正变得越来越轻,同时为了保证机器人的动态和精度,高功率密度伺服电机至关重要;在精加工作业领域,机器人甚至需要人手所具备的柔顺性,要求电机能以“罐头”大小实现高性能,提高生产质量和效率并保证操作员安全;在医用机器人领域,为了让机器人帮助患者早日恢复健康,对电机稳定性和可靠性提出了至高要求。

机器人对伺服电机的高要求主要有以下方面:

1.要求伺服电机具有快速响应性。电机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短,电伺服系统的灵敏性愈高,快速响应性能愈好,一般是以伺服电机的机电时间常数的大小来说明伺服电机快速响应的性能。

2.伺服电机的起动转矩惯量比要大。在驱动负载的情况下,要求机器人的伺服电机的起动转矩大,转动惯量小。

3.伺服电机要具有控制特性的连续性和直线性,随着控制信号的变化,电机的转速能连续变化,有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。

4.为了配合机器人的体形,伺服电机必须体积小、质量小、轴向尺寸短。

5.能经受得起苛刻的运行条件,可进行十分频繁的正反向和加减速运行,并能在短时间内承受数倍过载。交流伺服驱动器因其具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点,在工业机器人中得到广泛应用。

差距明显,国产伺服电机仍需突破五大难关

国内伺服电机市场中,前三名松下、三菱、安川均为日系品牌,总份额达到45%,西门子、博世、施耐德等欧系品牌主要占据高端市场,市场份额在30%左右,国内企业整体份额低于10%。

国产伺服电机大多是仿制日系伺服电机设计,功率多在3kw以内,以中小功率为多,而5.5-15kw的中大功率伺服电机则比较少。

国产伺服电机在以下方面仍需突破:

一是外形普遍较长,外观粗糙,很难应用在一些高档机器人上面,尤其是在轻载6kg左右的桌面型机器人上,由于机器人手臂的安装空间非常狭小,对伺服电机的长度有严格要求。

二是信号接插件的可靠性需要改进,而且需要朝小型化、高密度化以及与伺服电机本体的集成设计的方向设计,方便安装、调试、更换。

三是另一个核心技术就是高精度的编码器,尤其机器人上用的多圈绝对值编码器,严重依赖进口,是制约我国高档机器人发展的很大瓶颈。编码器的小型化也是伺服电机小型化绕不过去的核心技术。

四是缺失基础性研究,包括绝对值编码器技术、高端电机的产业化制造技术、生产工艺的突破、性能指标的实用性验证和考核标准的制定。

五是伺服系统各部分产业协同联合不够,导致伺服电机和驱动系统整体性能难以做好。

国产伺服开始崭露头角

伺服电机的核心零部件的技术突破不仅直接关乎国内机器人企业市场竞争力的提升,长远来看,对于整个中国机器人产业的发展具有战略意义。

虽然国产伺服电机在市场上的比重比较低,在技术与性能上与国外品牌有较大的差距,并且产品质量与稳定性也不能同国外品牌同日而语,但近几年国产品牌伺服电机的发展也很迅速,伺服电机自主配套能力已现雏形,获得了一定的市场认可。许多国产产品技术上与日系产品接近,涌现出埃斯顿、广州数控设备、英威腾、汇川技术等20余家较大规模的伺服电机品牌。

虽然国产伺服电机在市场上的比重比较低,在技术与性能上与国外品牌有较大的差距,并且产品质量与稳定性也不能同国外品牌同日而语,但近几年国产品牌伺服电机的发展也很迅速,伺服电机自主配套能力已现雏形,获得了一定的市场认可。许多国产产品技术上与日系产品接近,涌现出埃斯顿、广州数控设备、英威腾、汇川技术等20余家较大规模的伺服电机品牌。

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南京埃斯顿

南京埃斯顿自动化股份有限公司创建于1993年,受益于国家改革开放的发展机遇以及创业团队历经20多年的努力奋斗,目前不仅成为国内高端智能装备核心控制功能部件领军企业之一,而且已在自身核心零部件优势基础上强势进入工业机器人产业,华丽转身为具有自主技术和核心零部件的国产机器人主力军企业。

埃斯顿成功研发出高集成度、模块化机器人专用伺服驱动器和电机,并应用到公司机器人产品。

广州数控

广州数控设备有限公司是中国南方数控产业基地,国内技术领先的专业成套机床数控系统供应商。

SJTR系列机器人专用交流伺服电动机是广州数控设备有限公司倾力打造专门用于机器人工况的的交流伺服电动机。全系列产品紧紧结合于机器人使用场合,电机内置抱闸装置,采用线缆式出线方式,适用于机器人行业。共分60SJTR系列、80SJTR系列、150SJTR系列。

英威腾电气

深圳市英威腾电气股份有限公司,成立于2002年,致力于成为全球领先、受人尊敬的工业自动化和能源电力领域的产品与服务提供者。

英威腾新推出的总线型高性能通用伺服系统,支持17位以上编码器,可通过脉冲信号、总线通讯等方式进行控制,功率范围0.2kw-5.5kw。可应用机器人、数控机床、电子制造等高端设备。

汇川技术

深圳市汇川技术股份有限公司专注于工业自动化控制和新能源相关产品的研发、生产和销售,目前已成为国内领先的伺服系统供应商。

汇川技术的Inoprec系列伺服系统,性能卓越,功能强大。规格齐全,覆盖50w~132kw容量。调试简单,运行可靠,可应用于机器人行业。

众为兴

深圳众为兴技术股份有限公司成立于 2002 年,中国领先的运动控制解决方案提供商,建立了运动控制、电机驱动、数控应用和工业机器人四大产品体系。

众为兴QXM系列高性能脉冲型伺服驱动器融入了当前世界前沿伺服控制技术,其优良的驱动性能达到国际领先水平。扩展性能优异、快速响应、精准定位、振动抑制、自动参数设计、可编程、操作便利、饱和极限提速、电子凸轮、龙门同步、捕捉比较等功能特点,广泛应用于点胶、机床、机器人、封装、印刷、切割、贴片、横织、植毛、弹簧、雕刻、焊接等领域。