工業(yè)機(jī)器人的“心臟”——伺服電機(jī)

工業(yè)機(jī)器人是指面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多個自由度的機(jī)器裝置，在工業(yè)生產(chǎn)加工過程中通過自動控制來代替人類執(zhí)行某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時間作業(yè)。這些機(jī)器人可以對三個或三個以上軸進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)固定式或移動式的自動控制和可重復(fù)編程功能，可以用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的搬運(yùn)、焊接、裝配、加工、涂裝、清潔生產(chǎn)等方面。

在《中國制造2025》中提出，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要“圍繞汽車、機(jī)械、電子、危險(xiǎn)品制造、國防軍工、化工、輕工等工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用以及醫(yī)療健康、家庭服務(wù)、教育娛樂等服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用的需求，積極研發(fā)新產(chǎn)品，促進(jìn)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展，擴(kuò)大市場應(yīng)用。突破機(jī)器人本體，減速器、伺服電機(jī)、控制器、傳感器與驅(qū)動器等關(guān)鍵零部件及系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)制造技術(shù)等技術(shù)瓶頸?！?/p>

圖1

據(jù)工信部裝備工業(yè)司報(bào)道，2014 年全球工業(yè)機(jī)器人銷量創(chuàng)下歷史新高，達(dá)到22.5 萬臺，同比增長27%。市場增長的動力主要來自于亞洲地區(qū)，特別是中、韓兩國。

從市場需求角度來看，中國的工業(yè)機(jī)器人市場需求主要集中在制造業(yè)，特別是汽車制造、電子產(chǎn)品組裝等領(lǐng)域。近年來，隨著產(chǎn)業(yè)升級和智能制造的推進(jìn)，對工業(yè)機(jī)器人的需求更加多樣化，包括物流倉儲、食品加工等行業(yè)也開始廣泛應(yīng)用。

圖2

1   伺服控制單元

SERVO 語源自拉丁語，原意為“奴隸”的意思，指經(jīng)由閉環(huán)控制方式達(dá)到一個機(jī)械系統(tǒng)的位置，扭矩，速度或加速度的控制，是自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行單元，是把上位控制器的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機(jī)主要由控制器（動作指令信號的輸出裝置）、驅(qū)動器（接收控制指令，并驅(qū)動馬達(dá)的裝置）以及伺服馬達(dá)（驅(qū)動控制對象并檢出狀態(tài)的裝置）構(gòu)成。伺服馬達(dá)的種類，大致可分成以下三種：

1.同步型：采用永磁式同步馬達(dá)，停電時發(fā)電效應(yīng)，因此剎車容易但因制程材料上的問題，馬達(dá)容量受限制。（回轉(zhuǎn)子：永久磁鐵；固定子：線圈）

2.感應(yīng)型：感應(yīng)形馬達(dá)與泛用馬達(dá)構(gòu)造相似，構(gòu)造堅(jiān)固、高速時轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)良好，但馬達(dá)較易發(fā)熱，容量(7.5KW以上) 大多為此形式。（回轉(zhuǎn)子、固定子皆為線圈）

3.直流型：直流伺服馬達(dá)，有碳刷運(yùn)轉(zhuǎn)磨耗所產(chǎn)生粉塵的問題，于無塵要求的場所就不宜使用，以小容量為主。（回轉(zhuǎn)子：線圈：固定子：永久磁鐵；整流子：磁刷）

伺服系統(tǒng)的原理，透過回饋信號的控制方式，可做指令值與目標(biāo)值的比較，因而大幅減少誤差狀況。向控制對象下達(dá)指令后，正確的追蹤并查明現(xiàn)在值，且隨時回饋控制內(nèi)容的偏差值、待目標(biāo)物到達(dá)目的地后，回饋位置值，如此反復(fù)動作。檢測機(jī)械本體之位置檢出，回路為封閉系統(tǒng)，稱之為全閉回路。相反，檢測馬達(dá)軸端之回路系統(tǒng)就稱為半閉回路。

據(jù)了解，新型的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關(guān)器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊(IPM)。這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護(hù)及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊之中。其輸入邏輯電平與TTL 信號完全兼容，與微處理器的輸出可以直接接口。它的應(yīng)用顯著地簡化了伺服單元的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。

圖3 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2   伺服電機(jī)vs步進(jìn)電機(jī)

工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)和自動化產(chǎn)品主要涉及伺服電機(jī)、減速機(jī)、控制器和傳感器等。伺服電機(jī)是工業(yè)機(jī)器人的動力系統(tǒng)，一般安裝在機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”處，是機(jī)器人運(yùn)動的“心臟”。

工業(yè)機(jī)器人之所以廣泛采用伺服電機(jī)而非步進(jìn)電機(jī)，主要是因?yàn)樗欧姍C(jī)能夠提供更為卓越的控制性能、更高的精度和更強(qiáng)的動態(tài)響應(yīng)能力。相比之下，步進(jìn)電機(jī)雖然具有成本較低和簡單控制的優(yōu)點(diǎn)，但在高速運(yùn)行、高精度要求或需要頻繁改變運(yùn)動狀態(tài)時，其性能可能會受到限制。步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)特性可能導(dǎo)致在低速時產(chǎn)生振動和噪音，且在高負(fù)載或高速運(yùn)行時容易失去同步，影響工作精度和穩(wěn)定性。

圖4 伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

目前，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)器人對伺服系統(tǒng)的要求較高，首先伺服電機(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。

其次，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。最后，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。當(dāng)然，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。還要經(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。

圖5

因此，為了滿足工業(yè)機(jī)器人對高精度、高速度、高可靠性和長壽命的要求，伺服電機(jī)成為了更為理想的選擇。

3   開始洗牌的伺服電機(jī)市場

過去，伺服電機(jī)市場一直被海外品牌所壟斷，排在全球前十的分別是：Yaskawa安川、Panasonic 松下、Mitsubishi三菱、INOVANCE、SIEMENS 西門子、Rexroth 力士樂、DELTA 臺達(dá)、OMRON 歐姆龍自動化、富士電機(jī)Fe以及Schneider施耐德電氣。但隨著國家對伺服電機(jī)市場的重視，國內(nèi)也涌現(xiàn)出一批技術(shù)和產(chǎn)品都頗具實(shí)力的企業(yè)。

首先，匯川技術(shù)作為國內(nèi)工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，其伺服電機(jī)產(chǎn)品線展現(xiàn)了高度的專業(yè)性和創(chuàng)新性。匯川伺服電機(jī)集成了先進(jìn)的矢量控制算法，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動態(tài)響應(yīng)的位置、速度和轉(zhuǎn)矩控制。這些特性使得匯川伺服電機(jī)在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中，特別是在需要高精度軌跡跟蹤和快速響應(yīng)的場合下，表現(xiàn)出色。信捷電氣則以其在伺服控制領(lǐng)域的深厚技術(shù)積累和定制化服務(wù)著稱。信捷伺服電機(jī)采用了先進(jìn)的數(shù)字信號處理器（DSP）和精密的編碼器反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的精確監(jiān)控和實(shí)時調(diào)整。這種閉環(huán)控制策略使得信捷伺服電機(jī)在復(fù)雜多變的工業(yè)環(huán)境中，能夠迅速適應(yīng)負(fù)載變化，保持穩(wěn)定的運(yùn)行性能。

雷賽伺服電機(jī)以高可靠性、低噪音和長壽命為特點(diǎn)，采用了先進(jìn)的電磁設(shè)計(jì)和熱管理技術(shù)，有效降低了電機(jī)運(yùn)行過程中的能量損耗和熱量產(chǎn)生。這種設(shè)計(jì)使得雷賽伺服電機(jī)在需要長時間連續(xù)運(yùn)行的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中，具有更高的能效比和更低的維護(hù)成本。禾川科技則注重產(chǎn)品的性價比和易用性設(shè)計(jì)，其伺服電機(jī)產(chǎn)品線覆蓋了從經(jīng)濟(jì)型到高性能的多個系列，滿足了不同用戶群體的需求。

在國際市場，Yaskawa安川、Mitsubishi三菱、Panasonic松下等品牌用豐富且資深的經(jīng)驗(yàn)成為了工業(yè)機(jī)器人伺服電機(jī)市場的領(lǐng)導(dǎo)者。Yaskawa安川的伺服電機(jī)產(chǎn)品以其高精度、高響應(yīng)性和高可靠性而聞名于世，廣泛應(yīng)用于汽車制造、電子加工、包裝機(jī)械等多個行業(yè)。Mitsubishi三菱的伺服電機(jī)則以其強(qiáng)大的驅(qū)動能力和穩(wěn)定的運(yùn)行性能著稱，在重型工業(yè)機(jī)器人和自動化生產(chǎn)線中得到了廣泛應(yīng)用。Panasonic 松下的伺服電機(jī)則以其緊湊的結(jié)構(gòu)、高效的能源利用和智能化的控制功能為特點(diǎn)，滿足了用戶對小型化、輕量化和智能化設(shè)備的需求。

此外，Siemens西門子、Rexroth 力士樂等國際品牌也以其先進(jìn)的技術(shù)和豐富的產(chǎn)品線，在工業(yè)機(jī)器人伺服電機(jī)市場中占據(jù)了一席之地。

4   結(jié)束語

隨著工業(yè)4.0 和智能制造時代的到來，工業(yè)機(jī)器人與伺服電機(jī)作為智能生產(chǎn)線的核心驅(qū)動力，正以前所未有的速度推動著制造業(yè)向更高效、更靈活、更智能的方向邁進(jìn)。它們不僅顯著提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，還通過精準(zhǔn)控制和高效協(xié)同，降低了人力成本，增強(qiáng)了企業(yè)的市場競爭力。未來，隨著材料科學(xué)、電子技術(shù)、人工智能及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷融合與創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將擁有更加豐富的感知能力和自主決策能力，而伺服電機(jī)也將實(shí)現(xiàn)更高的精度、更低的能耗和更廣泛的適應(yīng)性。

（本文來源于《EEPW》202410）