機器人核心零部件，繞不過去的一道坎

導讀：作為機器人中用作執行單元，伺服電機是影響機器人工作性能的主要因素。伺服電機也是機器人產業需要突破的關鍵短板之一。《製造2025》規劃總體部署了機器人伺服電機的目標：到2020年，性能、精度、可靠性達到國外同類產品水平。

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，就是靠它來實現運動的，伺服驅動器是伺服電機的功率電源，指令機構是發脈衝或者給速度用於配合伺服驅動器正常工作的。

2015年，機器人用伺服系統市場規模約為10.6億元，到2020年市場規模將達47億元左右，未來五年複合增長率約為35％。

國內外伺服系統廠商將機器人市場作為未來重點的發展方向，伺服電機一般安裝在機器人的「關節」處，機器人的關節驅動離不開伺服系統，關節越多，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。

機器人需求在全球範圍內不斷擴大，而現在是全球增速最快的機器人市場。2013年至2016年，連續三年成為全球第一大工業機器人消費市場。IDC預測到2020年，機器人市場規模將達到594億美元，市場將佔全球機器人市場總量的30%以上，市場空間巨大。機器人的高速增長將帶動伺服電機的巨大需求。

機器人伺服電機面臨挑戰

伺服電機在自動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衝信號轉化為電機轉動的角位移和角速度。

伺服電機分為直流和交流伺服電動機兩大類，與普通電機相比其主要特點是，其通常搭配反饋裝置一起使用，實現精準控制。

伺服電機分類：

為了提高工業生產的靈活性，機器人正變得越來越輕，同時為了保證機器人的動態和精度，高功率密度伺服電機至關重要；在精加工作業領域，機器人甚至需要人手所具備的柔順性，要求電機能以「罐頭」大小實現高性能，提高生產質量和效率並保證操作員安全；在醫用機器人領域，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的時間應短。響應指令信號的時間愈短，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間常數的大小來說明伺服電機快速響應的性能。

2．伺服電機的起動轉矩慣量比要大。在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電機的起動轉矩大，轉動慣量小。

3．伺服電機要具有控制特性的連續性和直線性，隨著控制信號的變化，電機的轉速能連續變化，有時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、質量小、軸向尺寸短。

5．能經受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，並能在短時間內承受數倍過載。交流伺服驅動器因其具有轉矩轉動慣量比高、無電刷及換向火花等優點，在工業機器人中得到廣泛應用。

差距明顯，國內廠商需努力追趕

國內伺服電機市場中，前三名松下、三菱、安川均為日系品牌，總份額達到45%，西門子、博世、施耐德等歐系品牌主要佔據高端市場，市場份額在30%左右，國內企業整體份額低於10%。

國產伺服電機大多是仿製日系伺服電機設計，功率多在3kw以內，以中小功率為多，而5.5-15kw的中大功率伺服電機則比較少。

國產伺服電機在以下方面仍需突破：

一是外形普遍較長，外觀粗糙，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，由於機器人手臂的安裝空間非常狹小，對伺服電機的長度有嚴格要求。

二是信號接插件的可靠性需要改進，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。

三是另一個核心技術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，嚴重依賴進口，是制約高檔機器人發展的很大瓶頸。編碼器的小型化也是伺服電機小型化繞不過去的核心技術。

四是缺失基礎性研究，包括絕對值編碼器技術、高端電機的產業化製造技術、生產工藝的突破、性能指標的實用性驗證和考核標準的制定。

五是伺服系統各部分產業協同聯合不夠，導致伺服電機和驅動系統整體性能難以做好。

雖然國產伺服電機在市場上的比重比較低，在技術與性能上與國外品牌有較大的差距，並且產品質量與穩定性也不能同國外品牌同日而語，但近幾年國產品牌伺服電機的發展也很迅速，伺服電機自主配套能力已現雛形，獲得了一定的市場認可。許多國產產品技術上與日系產品接近，湧現出埃斯頓、廣州數控設備、英威騰等20餘家較大規模的伺服電機品牌。

從伺服電機專利技術總體申請量變化趨勢也顯示出國內企業近幾年取得的成績。2010年伺服電機行業相關專利申請數量僅2697項，而2016年伺服電機行業相關專利申請數量達14058項，年複合增長率高達31.68%。

2010-2016年伺服電機行業相關專利申請數量變化圖（單位：項）

機器人產業處於大的變革時代，需要快速創新整合，機器人作為一種高新技術，是推動產業發展的重要支持手段。而要大力發展機器人產業，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競相布局的熱門領域。

南京埃斯頓自動化股份有限公司創建於1993年，受益於國家改革開放的發展機遇以及創業團隊歷經20多年的努力奮鬥，目前不僅成為國內高端智能裝備核心控制功能部件領軍企業之一，而且已在自身核心零部件優勢基礎上強勢進入工業機器人產業，華麗轉身為具有自主技術和核心零部件的國產機器人主力軍企業。

埃斯頓成功研發出高集成度、模塊化機器人專用伺服驅動器和電機，並應用到公司機器人產品。

廣州數控設備有限公司是南方數控產業基地，國內技術領先的專業成套機床數控系統供應商。

SJTR系列機器人專用交流伺服電動機是廣州數控設備有限公司傾力打造專門用於機器人工況的的交流伺服電動機。全系列產品緊緊結合於機器人使用場合，電機內置抱閘裝置，採用線纜式出線方式。是機器人行業的最佳選擇。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，成立於2002年，致力於成為全球領先、受人尊敬的工業自動化和能源電力領域的產品與服務提供者。

英威騰新推出的匯流排型高性能通用伺服系統，支持17位以上編碼器，可通過脈衝信號、匯流排通訊等方式進行控制，功率範圍0.2kw-5.5kw。可應用機器人、數控機床、電子製造等高端設備。

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鍵性能指標永遠都是先進性比較的首要因素。國外先進伺服電機已經能夠很好地適應絕大多數應用的需求，其研發資源已集中在個別高端應用及整體性能提升方面，處於精雕細刻階段。因此國產伺服電機廠商任重而道遠。