中国传动网：工业机器人高速增长 国产伺服电机路要怎么走了？

自从德国提出工业4.0之后，中国也提出了“中国制造2025”规划，随着中国自动化步伐的加快，未来中国将成为超级机器人大国，工业机器人需求量大大增长。然而在工业机器人高增长刺激下，其控制系统和自动化主要产品伺服电机发展之路必将发生改变，伺服电机作为工业机器人的动力系统以及机器人运动的“心脏”，未来出路在哪里？

2015-2019年全球工业机器人伺服电机行业报告。

报告显示，2013年开始，中国成为世界最大的工业机器人市场，2014年销量飙升到全球伺服电机销量的55%。预计到2019年，中国市场对伺服电机的需求将达到182，000台。

工业机器人的快速增长已经在一定程度上刺激了伺服电机市场的发展。按ResearchandMarkets的测算，90%的工业机器人使用伺服电机，同时，每个工业机器人装配的伺服电机都是平均量，那么2014年中国所增加的对伺服电机的需求在231，000台。而这个数字在2019年将有望达到737，000台。

目前，在中国工业机器市场，85%的伺服电机是外资品牌，而本土企业，大多数仍处于研制试验阶段，几乎没有工业化的工业机器人伺服电机。

工业机器人与伺服电机的共存关系

伺服电机一般安装在机器人的“关节”处，机器人的关节驱动离不开伺服系统，关节越多，机器人的柔性和精准度越高，所要使用的伺服电机的数量就越多。

机器人对关节驱动电机的要求非常严格，因而对电动伺服驱动系统的要求也很严格，主要有以下几个方面：

1）快速响应性，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好。

2）起动转矩惯量比大，在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电机的起动转矩大，转动惯量小。

3）控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比，调速范围宽，能使用于1：1000～10000的调速范围。

4）体积小、质量小、轴向尺寸短，以配合机器人的体形。

5）能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行。

另外，由于国产伺服电机有待升级，导致国产机器人发展困难。国产伺服电机目前的现状是，小的不小，大的不大！这个怎么理解呢？小功率伺服电机，小型化不行，普遍偏长，比如轻载机器人常用的200W和400W伺服电机，目前松下的A6、安川的Σ7电机短小精致。

反观国产伺服，普遍较长，外观粗糙。这在一些高档的应用上不行，尤其是在轻载6kg左右的桌面型机器人上，由于机器人手臂的安装空间非常狭小，对伺服电机的长度有严格要求。

其次是信号接插件的可靠性一直饱受诟病。国产伺服需要继续改进，而且接插件的小型化、高密度化也是趋势，与伺服电机本体的集成设计是个很好的做法，目前日系的伺服电机很多就是这样设计的，方便安装、调试、更换。

伺服电机的另一个核心技术是高精度的编码器，尤其机器人上用的多圈绝对值编码器，严重依赖进口。没有实现国产化，是制约我国高档伺服系统发展的很大瓶颈。编码器的小型化也是伺服电机小型化绕不过去的核心技术。纵观日系伺服电机产品的更迭，都是伴随着电机磁路和编码器的协同发展升级！

目前国内的伺服电机OEM厂家根据市场份额，大多是仿制日系伺服电机设计，功率多在3kw以内，以中小功率为多。而5.5-15kw的中大功率伺服没有，导致有些设备上的应用，由于没有一台大功率的伺服电机和驱动配套，而被迫放弃掉整个系统。

总结下来，日系伺服系统的发展模式是分层协同发展，整体性能优异，与日本的机器人发展很相似。在中国是做电机的做电机、做编码器的做编码器、做驱动的做驱动，没有协同联合，导致伺服电机和驱动系统整体性能难以做好。

其次是伺服系统缺失基础性研究，包括绝对值编码器技术、高端电机的产业化制造技术、生产工艺的突破、性能指标的实用性验证和考核标准的制定。这些都需要机器人行业的核心零部件企业去完善。

以下是为初学者大致讲一下制作机器人常用的各种电机：

电机，俗称“马达”，是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。电动机也称(俗称马达)，在电路中用字母“M”(旧标准用“D”)表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源，发电机在电路中用字母“G”表示。

普通电机

普通电机是我们平时间的比较多的电机，电动玩具，刮胡刀等里面都有。这种电机有转速过快，扭力过小的特点，一般只有两个引脚，用电池的正负极接上两个引脚就会转起来，然后电池得正负极再相反的接在两引脚上电机也会向反转。

玩具车上的普通电机

减速电机

减速电机就是普通电机加上了减速箱，这样便降低了转速，增加了扭力，使得普通电机有的更广泛的使用空间。

微型齿轮减速电机

步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机

舵机

舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。

厂商所提供的舵机规格资料，都会包含外形尺寸(mm)、扭力(kg/cm)、速度(秒/60°)、测试电压(V)及重量(g)等基本资料。扭力的单位是kg/cm，意思是在摆臂长度1公分处，能吊起几公斤重的物体。这就是力臂的观念，因此摆臂长度愈长，则扭力愈小。速度的单位是sec/60°，意思是舵机转动60°所需要的时间。

伺服电机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

伺服电机

伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。

直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便(换碳刷)，产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。

总之，机遇工业机器人由于伺服电机两者之间密不可分的关系，如何提升机器人伺服电机的响应性能，不断突破技术瓶颈，是提升产业发展的关键。（以上内容来自中国传动网）