工业机器人的“心脏” 伺服电机未来出路在哪里?
2018-07-30 01:45:23
自德国提出工业4.0之后，中国也提出了“中国制造2025”规划，随着中国自动化步伐的加快，未来中国将成为超级机器人大国，工业机器人需求量大大增长。然而在工业机器人高增长刺激下，其控制系统和自动化主要产品伺服电机发展之路必将发生改变，伺服电机作为工业机器人的动力系统以及机器人运动的“心脏”，未来出路在哪里？
《2015-2019年全球工业机器人伺服电机行业报告》显示，2013年开始，中国成为世界最大的工业机器人市场，2014年销量飙升到全球伺服电机销量的55%。预计到2019年，中国市场对伺服电机的需求将达到182000台。
工业机器人的快速增长已经在一定程度上刺激了伺服电机市场的发展。按ResearchandMarkets的测算，90%的工业机器人使用伺服电机，同时，每个工业机器人装配的伺服电机都是平均量，那么2014年中国所增加的对伺服电机的需求在231000台。而这个数字在2019年将有望达到737000台。
目前，在中国工业机器市场，85%的伺服电机是外资品牌，而本土企业，大多数仍处于研制试验阶段，几乎没有工业化的工业机器人伺服电机。
工业机器人与伺服电机的共存关系
伺服电机一般安装在机器人的“关节”处，机器人的关节驱动离不开伺服系统，关节越多，机器人的柔性和精准度越高，所要使用的伺服电机的数量就越多。
机器人对关节驱动电机的要求非常严格，因而对电动伺服驱动系统的要求也很严格，主要有以下几个方面：
1、快速响应性，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好；
2、起动转矩惯量比大，在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电机的起动转钜大，转动惯量小；
3、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，调速范围宽，能使用1：1000～10000的调速范围；
4、体积小、质量小、轴向尺寸短，以配合机器人的体形；
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。
另外，由于国产伺服电机有待升级，导致国产机器人发展困难。国产伺服电机目前的现状是，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，目前多摩川的TBL-imiNI系列伺服微电机、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。
其次是信号接插件的可靠性一直饱受诟病。国产伺服需要继续改进，而且接插件的小型化、高密度化也是趋势，与伺服电机本体的集成设计是个很好的做法，目前日系的伺服电机很多就是这样设计的，方便安装、调试、更换。
伺服电机的另一个核心技术是高精度的编码器，尤其机器人上用的多圈绝对值编码器，严重依赖进口。没有实现国产化，是制约我国高档伺服系统发展的很大瓶颈。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。纵观日系伺服电机产品的更迭，都是伴随着电机磁路和编码器的协同发展升级！
目前国内的伺服电机OEM厂家根据市场份额，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的中大功率伺服没有，导致有些设备上的应用，由于没有一台大功率的伺服电机和驱动配套，而被迫放弃掉整个系统。
总结下来，日系伺服系统的发展模式是分层协同发展，整体性能优异，与日本的机器人发展很相似。在中国是做电机的做电机、做编码器的做编码器、做驱动的做驱动，没有协同联合，导致伺服电机和驱动系统整体性能难以做好。
其次是伺服系统缺失基础性研究，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。这些都需要机器人行业的核心零部件企业去完善