伺服電機作為控制系統中的執行元件 是機器人三大核心零部件之一

伺服電機作為控制系統中的執行元件，是機器人三大核心零部件之一。機器人伺服系統由伺服電機、伺服驅動(dòng)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(lái)實(shí)現運動(dòng)的，伺服驅動(dòng)器是伺服電機的功率電源，指令機構是發(fā)脈沖或者給速度用于配合伺服驅動(dòng)器正常工作的。

國內外伺服系統廠(chǎng)商將機器人市場(chǎng)作為未來(lái)重點(diǎn)的發(fā)展方向，伺服電機一般安裝在機器人的“關(guān)節”處，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(chǎng)。2013年至2016年，中國連續三年成為全球第一大工業(yè)機器人消費市場(chǎng)。IDC預測到2020年，中國機器人市場(chǎng)規模將達到594億美元，中國市場(chǎng)將占全球機器人市場(chǎng)總量的30%以上，市場(chǎng)空間巨大。機器人的高速增長(cháng)將帶動(dòng)伺服電機的巨大需求。

2015年，我國機器人用伺服系統市場(chǎng)規模約為10.6億元，到2020年市場(chǎng)規模將達47億元左右，未來(lái)五年復合增長(cháng)率約為35%。

機器人伺服電機面臨挑戰

伺服電機在自動(dòng)化控制系統在往往與終端執行機構相連，因此也被成為執行電機。伺服電機在伺服系統中作為執行元件，其作用是將伺服控制器的脈沖信號轉化為電機轉動(dòng)的角位移和角速度。

伺服電機分為直流和交流伺服電動(dòng)機兩大類(lèi)，與普通電機相比其主要特點(diǎn)是，其通常搭配反饋裝置一起使用，實(shí)現精準控制。

伺服電機分類(lèi)：

為了提高工業(yè)生產(chǎn)的靈活性，機器人正變得越來(lái)越輕，同時(shí)為了保證機器人的動(dòng)態(tài)和精度，高功率密度伺服電機至關(guān)重要;在精加工作業(yè)領(lǐng)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(shí)現高性能，提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率并保證操作員安全;在醫用機器人領(lǐng)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(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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.能經(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。交流伺服驅動(dòng)器因其具有轉矩轉動(dòng)慣量比高、無(wú)電刷及換向火花等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)機器人中得到廣泛應用。

差距明顯，國內廠(chǎng)商需努力追趕

國內伺服電機市場(chǎng)中，前三名松下、三菱、安川均為日系品牌，總份額達到45%，西門(mén)子、博世、施耐德等歐系品牌主要占據高端市場(chǎng)，市場(chǎng)份額在30%左右，國內企業(yè)整體份額低于10%。

國產(chǎn)伺服電機大多是仿制日系伺服電機設計，功率多在3kw以?xún)?，以中小功率為多，?.5-15kw的中大功率伺服電機則比較少。

國產(chǎn)伺服電機在以下方面仍需突破：

一是外形普遍較長(cháng)，外觀(guān)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(cháng)度有嚴格要求。

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(gè)核心技術(shù)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(lài)進(jìn)口，是制約我國高檔機器人發(fā)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(guò)去的核心技術(shù)。

四是缺失基礎性研究，包括絕對值編碼器技術(shù)、高端電機的產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)、生產(chǎn)工藝的突破、性能指標的實(shí)用性驗證和考核標準的制定。

五是伺服系統各部分產(chǎn)業(yè)協(xié)同聯(lián)合不夠，導致伺服電機和驅動(dòng)系統整體性能難以做好。

雖然國產(chǎn)伺服電機在市場(chǎng)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)量與穩定性也不能同國外品牌同日而語(yǔ)，但近幾年國產(chǎn)品牌伺服電機的發(fā)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(chǎng)認可。許多國產(chǎn)產(chǎn)品技術(shù)上與日系產(chǎn)品接近，涌現出埃斯頓、廣州數控設備、英威騰等20余家較大規模的伺服電機品牌。

從我國伺服電機zhuanli技術(shù)總體申請量變化趨勢也顯示出國內企業(yè)近幾年取得的成績(jì)。2010年我國伺服電機行業(yè)相關(guān)zhuanli申請數量?jì)H2697項，而2016年我國伺服電機行業(yè)相關(guān)zhuanli申請數量達14058項，年復合增長(cháng)率高達31.68%。

2010-2016年伺服電機行業(yè)相關(guān)zhuanli申請數量變化圖(單位：項)

中國機器人產(chǎn)業(yè)處于大的變革時(shí)代，需要快速創(chuàng )新整合，機器人作為一種高新技術(shù)，是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支持手段。而要大力發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)，作為機器人核心零部件之一的伺服電機自然成了許多企業(yè)競相布局的熱門(mén)領(lǐng)域。

南京埃斯頓自動(dòng)化股份有限公司創(chuàng )建于1993年，受益于國家改革開(kāi)放的發(fā)展機遇以及創(chuàng )業(yè)團隊歷經(jīng)20多年的努力奮斗，目前不僅成為國內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)勢基礎上強勢進(jìn)入工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)，華麗轉身為具有自主技術(shù)和核心零部件的國產(chǎn)機器人主力軍企業(yè)。

埃斯頓成功研發(fā)出高集成度、模塊化機器人專(zhuān)用伺服驅動(dòng)器和電機，并應用到公司機器人產(chǎn)品。

廣州數控設備有限公司是中國南方數控產(chǎn)業(yè)基地，國內技術(shù)領(lǐng)先的專(zhuān)業(yè)成套機床數控系統供應商。

SJTR系列機器人專(zhuān)用交流伺服電動(dòng)機是廣州數控設備有限公司傾力打造專(zhuān)門(mén)用于機器人工況的的交流伺服電動(dòng)機。全系列產(chǎn)品緊緊結合于機器人使用場(chǎng)合，電機內置抱閘裝置，采用線(xiàn)纜式出線(xiàn)方式。是機器人行業(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(dòng)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(xiàn)型高性能通用伺服系統，支持17位以上編碼器，可通過(guò)脈沖信號、總線(xiàn)通訊等方式進(jìn)行控制，功率范圍0.2kw-5.5kw?？蓱脵C器人、數控機床、電子制造等高端設備。

總結：機器人的工作表現受伺服電機影響極大，因而精密伺服電機的關(guān)鍵性能指標永遠都是先進(jìn)性比較的首要因素。國外先進(jìn)伺服電機已經(jīng)能夠很好地適應絕大多數應用的需求，其研發(fā)資源已集中在個(gè)別高端應用及整體性能提升方面，處于精雕細刻階段。因此國產(chǎn)伺服電機廠(chǎng)商任重而道遠。