工業(yè)機器人的“心臟”——伺服電機

工業(yè)機器人是指面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節機械手或多個(gè)自由度的機器裝置，在工業(yè)生產(chǎn)加工過(guò)程中通過(guò)自動(dòng)控制來(lái)代替人類(lèi)執行某些單調、頻繁和重復的長(cháng)時(shí)間作業(yè)。這些機器人可以對三個(gè)或三個(gè)以上軸進(jìn)行編程，實(shí)現固定式或移動(dòng)式的自動(dòng)控制和可重復編程功能，可以用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的搬運、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，機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要“圍繞汽車(chē)、機械、電子、危險品制造、國防軍工、化工、輕工等工業(yè)機器人應用以及醫療健康、家庭服務(wù)、教育娛樂(lè )等服務(wù)機器人應用的需求，積極研發(fā)新產(chǎn)品，促進(jìn)機器人標準化、模塊化發(fā)展，擴大市場(chǎng)應用。突破機器人本體，減速器、伺服電機、控制器、傳感器與驅動(dòng)器等關(guān)鍵零部件及系統集成設計制造技術(shù)等技術(shù)瓶頸?！?/span>

據工信部裝備工業(yè)司報道，2014年全球工業(yè)機器人銷(xiāo)量創(chuàng )下歷史新高，達到22.5萬(wàn)臺，同比增長(cháng)27%。市場(chǎng)增長(cháng)的動(dòng)力主要來(lái)自于亞洲地區，特別是中、韓兩國。

從市場(chǎng)需求角度來(lái)看，中國的工業(yè)機器人市場(chǎng)需求主要集中在制造業(yè)，特別是汽車(chē)制造、電子產(chǎn)品組裝等領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)升級和智能制造的推進(jìn)，對工業(yè)機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(kāi)始廣泛應用。

伺服控制單元

SERVO語(yǔ)源自拉丁語(yǔ)，原意為“奴隸”的意思，指經(jīng)由閉環(huán)控制方式達到一個(gè)機械系統的位置，扭矩，速度或加速度的控制，是自動(dòng)控制系統中的執行單元，是把上位控制器的電信號轉換成電動(dòng)機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機主要由控制器（動(dòng)作指令信號的輸出裝置）、驅動(dòng)器（接收控制指令，并驅動(dòng)馬達的裝置）以及伺服馬達（驅動(dòng)控制對象并檢出狀態(tài)的裝置）構成。

伺服馬達的種類(lèi)，大致可分成以下三種：

1.同步型：采用永磁式同步馬達，停電時(shí)發(fā)電效應，因此剎車(chē)容易但因制程材料上的問(wèn)題，馬達容量受限制。（回轉子：永久磁鐵;固定子：線(xiàn)圈）

2.感應型：感應形馬達與泛用馬達構造相似，構造堅固、高速時(shí)轉矩表現良好，但馬達較易發(fā)熱，容量(7.5KW以上)大多為此形式。（回轉子、固定子皆為線(xiàn)圈）

3.直流型：直流伺服馬達，有碳刷運轉磨耗所產(chǎn)生粉塵的問(wèn)題，于無(wú)塵要求的場(chǎng)所就不宜使用，以小容量為主。（回轉子：線(xiàn)圈：固定子：永久磁鐵;整流子：磁刷）

伺服系統的原理，透過(guò)回饋信號的控制方式，可做指令值與目標值的比較，因而大幅減少誤差狀況。向控制對象下達指令后，正確的追蹤并查明現在值，且隨時(shí)回饋控制內容的偏差值、待目標物到達目的地后，回饋位置值，如此反復動(dòng)作。檢測機械本體之位置檢出，回路為封閉系統，稱(chēng)之為全閉回路。相反，檢測馬達軸端之回路系統就稱(chēng)為半閉回路。

圖片來(lái)源：個(gè)人圖書(shū)館網(wǎng)

據了解，新型的伺服控制系統已經(jīng)開(kāi)始使用一種把控制電路功能和大功率電子開(kāi)關(guān)器件集成在一起的新型模塊，稱(chēng)為智能控制功率模塊(IPM)。這種器件將輸入隔離、能耗制動(dòng)、過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流保護及故障診斷等功能全部集成于一個(gè)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。它的應用顯著(zhù)地簡(jiǎn)化了伺服單元的設計，并實(shí)現了伺服系統的小型化和微型化。

伺服電機vs步進(jìn)電機

工業(yè)機器人的控制系統和自動(dòng)化產(chǎn)品主要涉及伺服電機、減速機、控制器和傳感器等。伺服電機是工業(yè)機器人的動(dòng)力系統，一般安裝在機器人的“關(guān)節”處，是機器人運動(dòng)的“心臟”。

工業(yè)機器人之所以廣泛采用伺服電機而非步進(jìn)電機，主要是因為伺服電機能夠提供更為卓越的控制性能、更高的精度和更強的動(dòng)態(tài)響應能力。相比之下，步進(jìn)電機雖然具有成本較低和簡(jiǎn)單控制的優(yōu)點(diǎn)，但在高速運行、高精度要求或需要頻繁改變運動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其性能可能會(huì )受到限制。步進(jìn)電機的步進(jìn)特性可能導致在低速時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，且在高負載或高速運行時(shí)容易失去同步，影響工作精度和穩定性。

步進(jìn)電機結構圖 圖片來(lái)源：鳴志官網(wǎng)

伺服電機結構圖 圖片來(lái)源：鳴志官網(wǎng)

目前，機器人的關(guān)節驅動(dòng)離不開(kāi)伺服系統，關(guān)節越多，機器人的柔性和精準度越高，所要使用的伺服電機的數量就越多。機器人對伺服系統的要求較高，首先 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(tài)的時(shí)間應短。響應指令信號的時(shí)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(shí)間常數的大小來(lái)說(shuō)明伺服電機快速響應的性能。

其次，伺服電機的起動(dòng)轉矩慣量比要大。在驅動(dòng)負載的情況下，要求機器人的伺服電機的起動(dòng)轉矩大，轉動(dòng)慣量小。最后，伺服電機要具有控制特性的連續性和直線(xiàn)性，隨著(zhù)控制信號的變化，電機的轉速能連續變化，有時(shí)還需轉速與控制信號成正比或近似成正比。當然，為了配合機器人的體形，伺服電機必須體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。還要經(jīng)受得起苛刻的運行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時(shí)間內承受數倍過(guò)載。

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

開(kāi)始洗牌的伺服電機市場(chǎng)

過(guò)去，伺服電機市場(chǎng)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(mén)子、Rexroth力士樂(lè )、DELTA臺達、OMRON歐姆龍自動(dòng)化、富士電機Fe以及Schneider施耐德電氣。但隨著(zhù)國家對伺服電機市場(chǎng)的重視，國內也涌現出一批技術(shù)和產(chǎn)品都頗具實(shí)力的企業(yè)。

圖片來(lái)源：新材料行業(yè)研報公眾號

首先，匯川技術(shù)作為國內工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，其伺服電機產(chǎn)品線(xiàn)展現了高度的專(zhuān)業(yè)性和創(chuàng )新性。匯川伺服電機集成了先進(jìn)的矢量控制算法，能夠實(shí)現高精度、高動(dòng)態(tài)響應的位置、速度和轉矩控制。這些特性使得匯川伺服電機在工業(yè)機器人應用中，特別是在需要高精度軌跡跟蹤和快速響應的場(chǎng)合下，表現出色。

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(zhù)稱(chēng)。信捷伺服電機采用了先進(jìn)的數字信號處理器（DSP）和精密的編碼器反饋系統，實(shí)現了對電機運行狀態(tài)的精確監控和實(shí)時(shí)調整。這種閉環(huán)控制策略使得信捷伺服電機在復雜多變的工業(yè)環(huán)境中，能夠迅速適應負載變化，保持穩定的運行性能。

雷賽伺服電機以高可靠性、低噪音和長(cháng)壽命為特點(diǎn)，采用了先進(jìn)的電磁設計和熱管理技術(shù)，有效降低了電機運行過(guò)程中的能量損耗和熱量產(chǎn)生。這種設計使得雷賽伺服電機在需要長(cháng)時(shí)間連續運行的工業(yè)機器人應用中，具有更高的能效比和更低的維護成本。禾川科技則注重產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比和易用性設計，其伺服電機產(chǎn)品線(xiàn)覆蓋了從經(jīng)濟型到高性能的多個(gè)系列，滿(mǎn)足了不同用戶(hù)群體的需求。

在國際市場(chǎng)，Yaskawa安川、Mitsubishi三菱、Panasonic松下等品牌用豐富且資深的經(jīng)驗成為了工業(yè)機器人伺服電機市場(chǎng)的領(lǐng)導者。Yaskawa安川的伺服電機產(chǎn)品以其高精度、高響應性和高可靠性而聞名于世，廣泛應用于汽車(chē)制造、電子加工、包裝機械等多個(gè)行業(yè)。Mitsubishi三菱的伺服電機則以其強大的驅動(dòng)能力和穩定的運行性能著(zhù)稱(chēng)，在重型工業(yè)機器人和自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中得到了廣泛應用。Panasonic松下的伺服電機則以其緊湊的結構、高效的能源利用和智能化的控制功能為特點(diǎn)，滿(mǎn)足了用戶(hù)對小型化、輕量化和智能化設備的需求。

此外，Siemens西門(mén)子、Rexroth力士樂(lè )等國際品牌也以其先進(jìn)的技術(shù)和豐富的產(chǎn)品線(xiàn)，在工業(yè)機器人伺服電機市場(chǎng)中占據了一席之地。

寫(xiě)在最后

隨著(zhù)工業(yè)4.0和智能制造時(shí)代的到來(lái)，工業(yè)機器人與伺服電機作為智能生產(chǎn)線(xiàn)的核心驅動(dòng)力，正以前所未有的速度推動(dòng)著(zhù)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(zhù)提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，還通過(guò)精準控制和高效協(xié)同，降低了人力成本，增強了企業(yè)的市場(chǎng)競爭力。未來(lái)，隨著(zhù)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，而伺服電機也將實(shí)現更高的精度、更低的能耗和更廣泛的適應性。