機(jī)器人核心零部件,繞不過去的一道坎
發(fā)布時間:2017-08-28 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】作為機(jī)器人中用作執(zhí)行單元,伺服電機(jī)是影響機(jī)器人工作性能的主要因素。伺服電機(jī)也是我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)需要突破的關(guān)鍵短板之一?!吨袊圃?025》規(guī)劃總體部署了機(jī)器人伺服電機(jī)的目標(biāo):到2020年,性能、精度、可靠性達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平。
伺服電機(jī)作為控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件,是機(jī)器人三大核心零部件之一。機(jī)器人伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、指令機(jī)構(gòu)三大部分構(gòu)成,伺服電機(jī)是執(zhí)行機(jī)構(gòu),就是靠它來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的,伺服驅(qū)動器是伺服電機(jī)的功率電源,指令機(jī)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(jī)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(dá)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(jī)器人市場作為未來重點(diǎn)的發(fā)展方向,伺服電機(jī)一般安裝在機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”處,機(jī)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(jī)器人的柔性和精準(zhǔn)度越高,所要使用的伺服電機(jī)的數(shù)量就越多。
機(jī)器人需求在全球范圍內(nèi)不斷擴(kuò)大,而中國現(xiàn)在是全球增速最快的機(jī)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(jī)器人消費(fèi)市場。IDC預(yù)測到2020年,中國機(jī)器人市場規(guī)模將達(dá)到594億美元,中國市場將占全球機(jī)器人市場總量的30%以上,市場空間巨大。機(jī)器人的高速增長將帶動伺服電機(jī)的巨大需求。
機(jī)器人伺服電機(jī)面臨挑戰(zhàn)
伺服電機(jī)在自動化控制系統(tǒng)在往往與終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連,因此也被成為執(zhí)行電機(jī)。伺服電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動的角位移和角速度。
伺服電機(jī)分為直流和交流伺服電動機(jī)兩大類,與普通電機(jī)相比其主要特點(diǎn)是,其通常搭配反饋裝置一起使用,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。
伺服電機(jī)分類:
為了提高工業(yè)生產(chǎn)的靈活性,機(jī)器人正變得越來越輕,同時為了保證機(jī)器人的動態(tài)和精度,高功率密度伺服電機(jī)至關(guān)重要;在精加工作業(yè)領(lǐng)域,機(jī)器人甚至需要人手所具備的柔順性,要求電機(jī)能以“罐頭”大小實(shí)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(jī)器人領(lǐng)域,為了讓機(jī)器人幫助患者早日恢復(fù)健康,對電機(jī)穩(wěn)定性和可靠性提出了至高要求。
機(jī)器人對伺服電機(jī)的高要求主要有以下方面:
1.要求伺服電機(jī)具有快速響應(yīng)性。電機(jī)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(jī)的機(jī)電時間常數(shù)的大小來說明伺服電機(jī)快速響應(yīng)的性能。
2.伺服電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩慣量比要大。在驅(qū)動負(fù)載的情況下,要求機(jī)器人的伺服電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩大,轉(zhuǎn)動慣量小。
3.伺服電機(jī)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(jī)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(jī)器人的體形,伺服電機(jī)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(yùn)行條件,可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)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(diǎn),在工業(yè)機(jī)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(jī)市場中,前三名松下、三菱、安川均為日系品牌,總份額達(dá)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(jī)大多是仿制日系伺服電機(jī)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(jī)則比較少。
國產(chǎn)伺服電機(jī)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(jī)器人上面,尤其是在輕載6kg左右的桌面型機(jī)器人上,由于機(jī)器人手臂的安裝空間非常狹小,對伺服電機(jī)的長度有嚴(yán)格要求。
二是信號接插件的可靠性需要改進(jìn),而且需要朝小型化、高密度化以及與伺服電機(jī)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(jī)器人上用的多圈絕對值編碼器,嚴(yán)重依賴進(jìn)口,是制約我國高檔機(jī)器人發(fā)展的很大瓶頸。編碼器的小型化也是伺服電機(jī)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(jī)的產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)、生產(chǎn)工藝的突破、性能指標(biāo)的實(shí)用性驗證和考核標(biāo)準(zhǔn)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(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)整體性能難以做好。
雖然國產(chǎn)伺服電機(jī)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(jī)的發(fā)展也很迅速,伺服電機(jī)自主配套能力已現(xiàn)雛形,獲得了一定的市場認(rèn)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(jī)品牌。
從我國伺服電機(jī)專利技術(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(jī)行業(yè)相關(guān)專利申請數(shù)量僅2697項,而2016年我國伺服電機(jī)行業(yè)相關(guān)專利申請數(shù)量達(dá)14058項,年復(fù)合增長率高達(dá)31.68%。
2010-2016年伺服電機(jī)行業(yè)相關(guān)專利申請數(shù)量變化圖(單位:項)
中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)處于大的變革時代,需要快速創(chuàng)新整合,機(jī)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(jī)器人產(chǎn)業(yè),作為機(jī)器人核心零部件之一的伺服電機(jī)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(jī)遇以及創(chuàng)業(yè)團(tuán)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(qiáng)勢進(jìn)入工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)器人專用伺服驅(qū)動器和電機(jī),并應(yīng)用到公司機(jī)器人產(chǎn)品。
廣州數(shù)控設(shè)備有限公司是中國南方數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地,國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的專業(yè)成套機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商。
SJTR系列機(jī)器人專用交流伺服電動機(jī)是廣州數(shù)控設(shè)備有限公司傾力打造專門用于機(jī)器人工況的的交流伺服電動機(jī)。全系列產(chǎn)品緊緊結(jié)合于機(jī)器人使用場合,電機(jī)內(nèi)置抱閘裝置,采用線纜式出線方式。是機(jī)器人行業(yè)的最佳選擇。共分60SJTR系列、80SJTR系列、150SJTR系列。
深圳市英威騰電氣股份有限公司,成立于2002年,致力于成為全球領(lǐng)先、受人尊敬的工業(yè)自動化和能源電力領(lǐng)域的產(chǎn)品與服務(wù)提供者。
英威騰新推出的總線型高性能通用伺服系統(tǒng),支持17位以上編碼器,可通過脈沖信號、總線通訊等方式進(jìn)行控制,功率范圍0.2kw-5.5kw??蓱?yīng)用機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、電子制造等高端設(shè)備。
總結(jié):機(jī)器人的工作表現(xiàn)受伺服電機(jī)影響極大,因而精密伺服電機(jī)的關(guān)鍵性能指標(biāo)永遠(yuǎn)都是先進(jìn)性比較的首要因素。國外先進(jìn)伺服電機(jī)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(xì)刻階段。因此國產(chǎn)伺服電機(jī)廠商任重而道遠(yuǎn)。
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