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机器人基础知识50讲|机器人核心零部件之伺服电机(十一)

来源:机器人前沿
2019-09-17 11:08:44

从之前的几篇文章中,我们提及了机器人的三大核心零部件的其中两个:控制器与减速器,还有最后一个核心零部件——伺服电机。我们今天将会从伺服系统的概念、分类、国内外伺服系统的区别、伺服系统的市场以及国内外的代表企业来介绍,为什么伺服系统(电机)能够成为机器人的核心零部件之一,占据着重要的位置?

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PART 01 伺服系统的概念

伺服系统是工业机器人主要的动力来源,主要由伺服电机、伺服驱动器、编码器三部分组成。

伺服系统组成图.png

PART 02 伺服系统的分类

伺服电机在自动控制系统中,用作执行元件,把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,交流伺服电动机又分为异步伺服电动机和同步伺服电动机。

无论是伺服还是调速领域,目前交流系统正在逐渐代替直流系统。与直流系统相比,交流伺服电机具有高可靠性、散热好、转动惯量小、能工作于高压状态下等优点。因为无电刷和转向器,故交流私服系统也成为无刷伺服系统,用于其中的电机是无刷结构的笼型异步电机和永磁同步型电机。

PART 03 伺服电机的分类

伺服电机分类结构图.png

伺服电机分类以及特点.png

从上图可以看出,与其他两类相比直流伺服电机无论是从结构,还是发热与适应性等各个方面,都是出现难以逆转的缺点。更加适应量产化,商业化的是交流永磁伺服电机与交流异步伺服电机更加能够适应环境的变化。但是从制动与控制方面来看,主流伺服电机的优势是比较突出的。

PART 04 国产伺服系统与进口伺服系统的区别

国内虽然能够生产伺服系统,但是相较于进口的伺服系统国内的仍旧会存在一些不足,我们需要正视这些不足之处:

1. 大功率产品缺乏。我国伺服电机行业早期模仿曰本产品,因而以中小功率为主,功率多在3KW以内,5.5-15KW的中大功率伺服缺乏,导致某些需要大功率伺服电机和驱动配套的系统无法提供。

2. 小型化不够。小功率产品往往追求精细化,而国内伺服电机普遍偏长,小型化不够。

3. 高精度编码器缺乏。工业机器人需要用多圈的绝对编码器,目前该类产品严重依赖进口,是制约我国高挡伺服系统发展的重要瓶颈。

而小型化、大功率、高精度正是我国市场的需求方向,也是我国国产伺服系统的一个升级方向。这些方向明确表明了我国对于机器人行业发展的需求以及目前存在的问题。如果能够解决这些问题,我国的机器人生产利润空间将大大提高。从而会直接影响着我国机器人产业的发展。

PART 05 伺服系统的市场

2017年我国伺服电机市场规模达到53亿元,预计到2020年将达到74亿元。

伺服电机的市场伺服电机竞争激烈,目前外资掌握话语权。在中国工业机器市场,主流的供应商包括,日本松下、安川、三菱,以及欧洲和美国的伦茨和博世力士乐。日系品牌凭借良好的产品性能与极具竞争力的价格垄断了中小型OEM(设备制造业)市场。近几年,伺服系统市场TOP15厂商中,前三名均为日系品牌,总份额达到45%。西门子、博世、施耐德等欧系品牌占据高端,整体市场份额在30%左右。国内企业整体份额低于10%左右。

当前我国中低端伺服系统已经能够实现大规模量产,但高端伺服系统尚未形成商品化和批量生产能力,国内对精密伺服电机控制系统的需求主要依赖进口。机器人产业发展风生水起,随着扶持政策对机器人产业的推进,以及国产伺服技术的不断提升,我国伺服系统进口替代的步伐将加快。

控制器和伺服系统关联紧密,用户选择的排序分别是可靠稳定性、价格、服务,从服务和性价比入手是国内企业突破的方向。但这需要对运动控制领域长期深入的研究,大量资金投入和长时间的市场验证,对技术、资金、人才要求都较高,国内上市公司如新松、新时达、汇川技术、广州数控、埃斯顿等具备类似的条件。

PART 06 伺服系统国外代表企业

(1)伦茨

伦茨(LenzeAG)是德国前沿的工业创新型企业之一,在全球拥有约3200名员工。在德国大约有300名员工从事研发工作。主要侧重于用于机械和电子驱动的产品、解决方案、系统和服务。公司的总部位于德国哈梅林,于1947年由汉斯伦茨成立。

伦茨的产品范围包括变频器、伺服驱动器、减速机、电机、制动器和离合器。此外,它还采用集成了软件、可视化和控制,以及系统工程、耦合技术和服务的自动化解决方案。

伦茨伺服电机产品图.png

(2)科尔摩根

科尔摩根是一家大型、稳定、拥有本地支持能力的跨国公司,科尔摩根拥有超过2000名员工,分布于全球 20个分支机构,而且拥有Fortive公司(NYSE:FTV.WI)作为后盾,Fotive是一个全球知名品牌,在现场仪表、交通运输、检测、产品实施、自动化和专业化以及特许分销等领域处于领先地位。

科尔摩根的电机、驱动器和控制器件已经用于火星和太空探索、舰艇和潜艇、石油天然气钻井和计量、外科手术机器人和 激光眼科手术,甚至用于人工心脏。

科尔摩根伺服电机产品图.png

(3)安川

安川电机是世界一流的传动产品制造商。安川电机(中国)有限公司是有近100年历史的,日本安川电机株式会社全额投资的外商独资企业,于1999年4月在上海注册成立,注册资金3110万美金。经营范围:安川品牌的变频器、伺服电机、控制器、机器人、各类系统工程设备、附件等机电一体化产品。

安川电机是运动控制领域专业的生产厂商,是日本第一个做伺服电机的公司,其产品以稳定快速著称,性价比高,是全球销售量最大,使用行业最多的伺服品牌。从一般工业用机械到半导体、电子零部件制造设备,安川都能提供适合于各种用途的最匹配的伺服、控制器产品。

(4)博世力士乐

博世力士乐(BoschRexroth)是全球领先的传动与控制技术专家,致力于为各类机械和系统设备提供安全、精准、高效以及高性价比的传动与控制技术。公司融合全球的应用经验,研发创新的产品,为行走机械、机械应用与工程、工厂自动化及可再生能源每一个细分市场的客户量身定制系统解决方案及服务。博世力士乐同时为客户提供各种液压、电子传动与控制、气动、齿轮、线性传动及组装技术。公司业务遍及全球80多个国家,拥有37500多名专业员工,2012年全球的销售额近65亿欧元。

(5)三菱

三菱电机是制造和销售电气与电子产品和系统的世界领先品牌企业之一,其产品和系统在众多领域和应用中得到广泛使用。作为一家全球领先的绿色环保公司,三菱应用自己的技术在全球为社会和人们的日常生活做出贡献。

(6)西门子

西门子是世界上最大的电气和电子公司之一,历经150年来常盛不衰,其营业收入在2003年列财富500强第21位,在电子电气类公司中更是名列榜首。西门子是一家大型国际公司,公司的业务主要集中于6大领域:信息和通讯、自动化和控制、电力、交通、医疗系统和照明。

西门子工业业务领域能够提供全球独一无二的自动化技术、工业控制和驱动技术以及工业软件,能够满足生产企业的所有需求,涵盖整个价值链——从产品设计和开发,到产品生产、销售和服务。

PART 07 伺服系统国内代表企业

(1)深圳市汇川技术股份有限公司

深圳汇川成立于成立于2003年4月,并于2010年9月28日在A股创业板成功上市。经过10多年的高速发展,公司已经成为国内工业自动化控制领域的领军企业。技术创新能力、销售收入和纳税额连续多年保持国内同行业领先水平,公司已经成为引领变频器、伺服、PLC等产品进口替代的民族先锋企业。

公司是专门从事工业自动化控制产品的研发、生产和销售的高新技术企业。主要产品有低压变频器、高压变频器、一体化及专机、伺服系统、PLC、HMI、永磁同步电机、电动汽车电机控制器、光伏逆变器等;主要服务于装备制造业、节能环保、新能源三大领域,产品广泛应用于电梯、起重、机床、金属制品、电线电缆、塑胶、印刷包装、纺织化纤、建材、冶金、煤矿、市政、汽车等行业。公司在低压变频器市场的占有率在国产品牌厂商中名列前茅,其中一体化及专机产品在多个细分行业处于业内首创或领先地位。

(2)深圳市英威腾电气股份有限公司

深圳市英威腾电气股份有限公司成立于2002年,致力于成为全球领先、受人尊敬的电气传动、工业控制、新能源领域的产品与服务供应商。

英威腾是国家火炬计划重点高新技术企业,依托于电力电子、自动控制、电机控制、节能环保、物联网、信息化等关键技术的掌握,主要产品涵括高、中、低压变频器、电梯智能整体机、伺服系统、PLC、HMI、电机和电主轴、SVG、UPS、光伏逆变器等。

英威腾电气生产的变频器及其相关产品,在石化、钢铁、建材、油田、化工、纺织、印刷、塑胶、机床、矿山等行业成功的、广泛的应用,获得了客户的一致赞誉和好评,这也充分证明了英威腾电气是当之无愧的国产变频器中的实力品牌、领先品牌。

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