工業(yè)機(jī)器人激增 國產(chǎn)伺服何去何從？

隨著中國自動化步伐的加快，未來中國將成為超級機(jī)器人大國，需求量大大增長。然而在工業(yè)機(jī)器人高增長刺激下，其控制系統(tǒng)和自動化主要產(chǎn)品發(fā)展之路必將發(fā)生改變，伺服電機(jī)作為工業(yè)機(jī)器人的動力系統(tǒng)以及機(jī)器人運(yùn)動的“心臟”，未來出路在哪里？

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2013年開始，中國成為世界最大的工業(yè)機(jī)器人市場，2014年銷量飆升到全球伺服電機(jī)銷量的55%。2019年我國伺服電機(jī)市場規(guī)模約142億元，較上年增長6.77%。受新冠疫情影響，2020年我國伺服電機(jī)市場規(guī)模增速有所放緩，但整體仍然是增長狀態(tài)。

工業(yè)機(jī)器人的快速增長已經(jīng)在一定程度上刺激了伺服電機(jī)市場的發(fā)展。按ResearchandMarkets的測算，90%的工業(yè)機(jī)器人使用伺服電機(jī)，同時(shí)，每個(gè)工業(yè)機(jī)器人裝配的伺服電機(jī)都是平均量，那么2014年中國所增加的對伺服電機(jī)的需求在231，000臺。而這個(gè)數(shù)字在2019年已突破900，000臺。

目前，在中國工業(yè)機(jī)器市場，85%的伺服電機(jī)是外資品牌，而本土企業(yè)，大多數(shù)仍處于研制試驗(yàn)階段，幾乎沒有工業(yè)化的工業(yè)機(jī)器人伺服電機(jī)。

工業(yè)機(jī)器人與伺服電機(jī)的共存關(guān)系

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)器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的要求非常嚴(yán)格，因而對電動伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求也很嚴(yán)格，主要有以下幾個(gè)方面：

1）快速響應(yīng)性，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好。

2）起動轉(zhuǎn)矩慣量比大，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）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(shí)還需轉(zhuǎn)速與控制信號成正比或近似成正比，調(diào)速范圍寬，能使用于1：1000～10000的調(diào)速范圍。

4）體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短，以配合機(jī)器人的體形。

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。

另外，由于國產(chǎn)伺服電機(jī)有待升級，導(dǎo)致國產(chǎn)機(jī)器人發(fā)展困難。國產(chǎn)伺服電機(jī)目前的現(xiàn)狀是，小的不小，大的不大！這個(gè)怎么理解呢？小功率伺服電機(jī)，小型化不行，普遍偏長，比如輕載機(jī)器人常用的200W和400W伺服電機(jī)，目前多摩川、松下、安川的機(jī)器人用電機(jī)短小精致。

反觀國產(chǎn)伺服，普遍較長，外觀粗糙。這在一些高檔的應(yīng)用上不行，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。

其次是信號接插件的可靠性一直飽受詬病。國產(chǎn)伺服需要繼續(xù)改進(jìn)，而且接插件的小型化、高密度化也是趨勢，與伺服電機(jī)本體的集成設(shè)計(jì)是個(gè)很好的做法，目前日系的伺服電機(jī)很多就是這樣設(shè)計(jì)的，方便安裝、調(diào)試、更換。

伺服電機(jī)的另一個(gè)核心技術(shù)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。沒有實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，是制約我國高檔伺服系統(tǒng)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)?？v觀日系伺服電機(jī)產(chǎn)品的更迭，都是伴隨著電機(jī)磁路和編碼器的協(xié)同發(fā)展升級！

目前國內(nèi)的伺服電機(jī)OEM廠家根據(jù)市場份額，大多是仿制日系伺服電機(jī)設(shè)計(jì)，功率多在3kw以內(nèi)，以中小功率為多。而5.5-15kw的中大功率伺服沒有，導(dǎo)致有些設(shè)備上的應(yīng)用，由于沒有一臺大功率的伺服電機(jī)和驅(qū)動配套，而被迫放棄掉整個(gè)系統(tǒng)。

總結(jié)下來，日系伺服系統(tǒng)的發(fā)展模式是分層協(xié)同發(fā)展，整體性能優(yōu)異，與日本的機(jī)器人發(fā)展很相似。在中國是做電機(jī)的做電機(jī)、做編碼器的做編碼器、做驅(qū)動的做驅(qū)動，沒有協(xié)同聯(lián)合，導(dǎo)致伺服電機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)整體性能難以做好。

其次是伺服系統(tǒng)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(yàn)證和考核標(biāo)準(zhǔn)的制定。這些都需要機(jī)器人行業(yè)的核心零部件企業(yè)去完善。