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        機器人使用國產伺服電機仍然任重道遠

        文章來源:諾恒電機 更新時間:2018-10-29 11:02:57


          核心技術缺失是中國制造業普遍存在的問題,在機器人產業尤其嚴重,三大核心零部件目前沒有一個能大規模取代外資品牌。其中,由于減速器的壟斷度非常高,技術難度也很大,業界和媒體的目光也更多地聚焦于此,反而忽視了發展得稍好,但其實仍有比較大差距的伺服電機……
          
          伺服電機作為控制系統中的執行元件,是影響機器人工作性能的主要因素之一。機器人伺服系統由伺服電機、伺服驅動器、指令機構三大部分構成,伺服電機是執行機構,就是靠它來實現運動的,伺服驅動器是伺服電機的功率電源,指令機構是發脈沖或者給速度用于配合伺服驅動器正常工作的。
          
          目前,國產伺服電機的現狀是,小的不小,大的不大!這個怎么理解呢?小功率伺服電機,小型化不行,普遍偏長,比如輕載機器人常用的200W和400W伺服電機,目前松下的A6、安川的Σ7電機短小精致。反觀國產伺服,普遍較長,外觀粗糙。這在一些高檔的應用上不行,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。
          
          伺服電機用于驅動機器人的關節,要求是要有最大功率質量比和扭矩慣量比、高啟動轉矩、低慣量和較寬廣且平滑的調速范圍。特別是像機器人末端執行器(手爪)應采用體積、質量盡可能小的電動機,尤其是要求快速響應時,伺服電動機必須具有較高的可靠性,并且有較大的短時過載能力。
          
          目前,高啟動轉矩、大轉矩、低慣量的交、直流伺服電動機在工業機器人中得到廣泛的應用。
          
          伺服控制系統是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統,例如數控機床、機器人等。使用在伺服系統中的驅動電機要求具有響應速度快、定位準確、轉動慣量(使用在機電系統中的伺服電機的轉動慣量)較大。為了能夠和絲杠等機械部件直接相連,伺服電機有一種專門的小慣量電機,為了得到極高的響應速度。但這類電機的過載能力低,當使用在進給伺服系統中時,必須加減速裝置。
          
          工業機器人電動伺服系統的一般結構為三個閉環控制,即電流環、速度環和位置環。一般情況下,對于交流伺服驅動器,可通過對其內部功能參數進行人工設定而實現位置控制、速度控制、轉矩控制等多種功能。
          
          2015年,我國機器人用伺服系統市場規模約為10.6億元,到2020年市場規模將達47億元左右,未來五年復合增長率約為35%。機器人需求在全球范圍內不斷擴大,而中國現在是全球增速最快的機器人市場。2013年至2016年,中國連續三年成為全球第一大工業機器人消費市場。IDC預測到2020年,中國機器人市場規模將達到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。
          
          機器人用伺服電機面臨挑戰
          
          為了提高工業生產的靈活性,機器人正變得越來越輕,同時為了保證機器人的動態和精度,高功率密度伺服電機至關重要在精加工作業領域,機器人甚至需要人手所具備的柔順性,要求電機能以“罐頭”大小實現高性能,提高生產質量和效率并保證操作員安全在醫用機器人領域,為了讓機器人幫助患者早日恢復健康,對電機穩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性。電機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態的時間應短。響應指令信號的時間愈短,電伺服系統的靈敏性愈高,快速響應性能愈好,一般是以伺服電機的機電時間常數的大小來說明伺服電機快速響應的性能。
          
          2.伺服電機的起動轉矩慣量比要大。在驅動負載的情況下,要求機器人的伺服電機的起動轉矩大,轉動慣量小。
          
          3.伺服電機要具有控制特性的連續性和直線性,隨著控制信號的變化,電機的轉速能連續變化,有時還需轉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、質量小、軸向尺寸短。
          
          5.能經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,并能在短時間內承受數倍過載。交流伺服驅動器因其具有轉矩轉動慣量比高、無電刷及換向火花等優點,在工業機器人中得到廣泛應用。
          
          差距明顯,國產伺服電機仍需突破五大難關
          
          國內伺服電機市場中,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高端市場,市場份額在30%左右,國內企業整體份額低于10%。
          
          國產伺服電機大多是仿制日系伺服電機設計,功率多在3kw以內,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計的方向設計,方便安裝、調試、更換。
          
          三是另一個核心技術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。
          
          四是缺失基礎性研究,包括絕對值編碼器技術、高端電機的產業化制造技術、生產工藝的突破、性能指標的實用性驗證和考核標準的制定。
          
          五是伺服系統各部分產業協同聯合不夠,導致伺服電機和驅動系統整體性能難以做好。
          
          國產伺服開始嶄露頭角
          
          伺服電機的核心零部件的技術突破不僅直接關乎國內機器人企業市場競爭力的提升,長遠來看,對于整個中國機器人產業的發展具有戰略意義。
          
          雖然國產伺服電機在市場上的比重比較低,在技術與性能上與國外品牌有較大的差距,并且產品質量與穩定性也不能同國外品牌同日而語,但近幾年國產品牌伺服電機的發展也很迅速,伺服電機自主配套能力已現雛形,獲得了一定的市場認可。許多國產產品技術上與日系產品接近,涌現出埃斯頓、廣州數控設備、英威騰、匯川技術等20余家較大規模的伺服電機品牌。
          
          雖然國產伺服電機在市場上的比重比較低,在技術與性能上與國外品牌有較大的差距,并且產品質量與穩定性也不能同國外品牌同日而語,但近幾年國產品牌伺服電機的發展也很迅速,伺服電機自主配套能力已現雛形,獲得了一定的市場認可。許多國產產品技術上與日系產品接近,涌現出埃斯頓、廣州數控設備、英威騰、匯川技術等20余家較大規模的伺服電機品牌。

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