工业机器人产业链包括上游核心部件和中游。机器人本体和下游集成应用。上游是控制器、伺服电机、减速器、传感器、末端执行器等零部件的制造商,控制器、伺服电机、减速器是工业机器人三个核心组件;中游是一个本体生产者,负责工业机器人本体的组装和集成,即基础和执行。机构,包括手臂、手腕等。,零件机器人本体还包括行走结构;下游是集成应用提供商,负责不同应用场景和用途的匹配。工业机器人进行有针对性的系统集成和软件二次开发。
驱动电动机
1.功能:伺服电机是工业机器人电力的主要来源
伺服系统由伺服驱动器、伺服电机和编码器组成。工业机器人力量的主要来源。伺服驱动器负责将从控制器接收到的信息分解成单自由度系统可以执行的命令,然后传输执行。机构(伺服电机),伺服电机将接收到的电流信号转换成扭矩和转速来驱动被控对象,实现对各关节的角度、角速度和关节扭矩的控制。编码器作为伺服系统的反馈装置,很大程度上决定了伺服系统的精度。编码器安装在伺服电机上,与电机同步旋转。电机旋转一周,编码器也旋转一周,同时编码器将编码后的信号送回控制器,控制器可以判断伺服电机的转向、速度和位置信息。一般来说,工业机器人每个关节将配备一个伺服电机,即六轴工业机器人配有6套伺服电机。
为了改善工业生产的灵活性,机器人变得越来越轻,为了确保机器人动态、精密、高功率密度的伺服电机非常重要,在精加工作业领域,机器人甚至需要人手的灵活性,要求电机在一个“罐”大小内实现高性能,提高生产质量和效率,确保操作人员安全。
机器人对伺服电机的高要求主要包括以下几个方面:第一,要求伺服电机有快速的响应。因为工业机器人一般是在频繁加速和启停的情况下运行,因此要求伺服电机具有响应能力高、速度范围大的特点,对伺服系统的散热也有一定的要求。对指令信号的响应时间越短,电动伺服系统的灵敏度越高,快速响应性能越好。一般来说,伺服电机的快速响应性能是由伺服电机的速度环带宽值来解释的。其次,伺服电机的启动转矩惯性比较大。在驱动负载的情况下,要求机器人伺服电机启动转矩大,转动惯量小。第三,为了配合。机器人伺服电机的尺寸必须很小, 质量小且轴向尺寸短,即功率密度高。第四,能承受恶劣的运行条件,可靠性和稳定性高,能非常频繁地前后运行,能在短时间内承受几次过载。
2.伺服电机的应用领域及规模计算
伺服电机输入工业自动化在机械、冶金、电力、石油化工、造船、航空航天、建筑、交通运输、科研和实验等许多领域发挥着重要作用,并被广泛应用。其中,机床、电子设备制造业和工业机器人和其他行业有很高比例的伺服应用。据前瞻产业研究院数据显示,2018年机器人占伺服系统下游应用的10%,高起动转矩、大转矩、低惯量的交流和DC伺服电机是工业机器人应用程序更受欢迎。与未来机器人零部件突破,中国工业机器人行业将迎来快速发展期,伺服系统的应用领域将继续是电子设备制造、工业机器人深入新兴领域如。
附有工业机器人随着电子制造设备等行业的快速扩张,我国伺服系统的应用规模也快速增长,整体市场规模增长空间较大。据前瞻产业研究院统计,2012年,中国伺服系统市场规模达到52亿元,并呈逐年稳步增长趋势。2016年,中国伺服系统市场规模达到71亿元,同比增长12.7%。到2017年,中国伺服系统市场规模已增至95亿元,同比增长33.8%。截至2018年底,中国伺服系统市场规模突破100亿元,达到约117亿元,2012-2018年年复合增长率达到14.5%,增速明显。
3.市场结构:欧美品牌占据高端市场,国产品牌专注中低端市场。
国产伺服电机的参与者比较多,可以分为日系、欧美系、台湾系、国内厂商四大类。目前我国伺服电机高端市场主要被国外企业垄断,进口产品在国内。工业机器人伺服系统市场占有率超过70%。以西门子、施耐德、博世力士乐等为代表的欧美品牌产品。过载能力高,动态响应好,驱动开放性强,但价格价格贵,体积大,重量大,在高端设备和生产线上更有竞争力。日系品牌产品以小功率和中功率为主,以松下、安川机器人三菱、三洋等日本品牌在技术和性能上满足了中国用户的需求,获得了稳定持续的客户源,性价比好,可靠性高。 占据国内50%以上的市场份额。台湾以台达电子为代表,业绩接近日本。价格介于国产和日系之间,性价比较高,在中低端市场发展迅速,市场份额在10%左右。
虽然国内伺服电机技术比较落后,产品也主要在低端领域,但是国内很多企业都有研发。机器人所使用的伺服电机加速了定位过程。目前,中国企业在低端伺服领域已经能够实现量产,以性价比优势满足中小型、经济型用户的需求,如汇川科技、埃斯顿、英威达、华中数控、广州数控等企业的伺服驱动和电机产品已经进入量产阶段。虽然暂时无法提供像日系品牌那样的全功率段系统选型方案,但汇川、埃斯顿等国内伺服第一梯队企业已经瞄准。机器人发达的机器人有了伺服电机,国产伺服品牌的市场份额有了明显提升。
4.国内外差距:国产伺服电机的稳定性和工作精度有差距。
与国内外主要伺服电机产品相比,我国伺服系统与日本和欧美品牌相比还存在不足,表现在快速响应、功率密度、稳定性、工作精度等方面差距较大,电机的惯量、电流、转矩输出等参数往往没有优化。机器人为了满足最大负载和速度参数,使用的电机比日本产的大,负载自重比更大。
首先,在快速响应方面,国产伺服电机与日系和欧美品牌差距明显。伺服电机的快速响应性能由响应带宽指标来反映。带宽越大,快速响应性能越好。对比安川电机与国产电机同型号低惯量系列,国产电机的速度环带宽在1-2kHz左右。安川电机可以达到3.1kHz。
其次,在功率密度方面,伺服系统对体积和重量要求较高,比如6kg轻载的台式机。机器人手臂安装空间非常狭窄,对伺服电机的长度和质量有严格的要求。受限于国内厂商的设计制造能力,国产电机外形尺寸大,能量密度低,难以适应。工业机器人电机安装空间狭小。
再次,在工作精度方面,伺服电机的工作精度主要由编码器决定。编码器相当于关节模块的神经,时刻向控制器反馈关节运动的位置数据,实现精确控制。编码器的核心在于芯片和编码器的设计。国内主流厂商采用外购芯片的方式,在此基础上研发自己的解码技术,高精度编码器仍然依赖进口。电机编码器芯片对进口的依赖是国产伺服电机无法完全替代进口产品的主要原因。国内主流伺服电机编码器最高分辨率只有23位,而日本和欧美品牌已经超过24位,所以国产编码器在精度上有一定的欠缺。
第四,在稳定性和可靠性的隐性指标中,由于伺服系统要进行非常频繁的前后运动、加减速,短时间内要承受数倍的过载,这就要求伺服系统必须在恶劣的工作环境下保持良好的稳定性。日系产品表现非常好,而部分国产产品初期性能优异,但面对过载等更复杂的工况时性能大打折扣。国产伺服电机的性能指标在实际使用环境下无法匹配实验室性能指标,是阻碍国产伺服系统进入高端市场的重要原因之一。