自從德國(guó)提出工業(yè)4.0之后，中國(guó)也提出了“中國(guó)制造2025”規(guī)劃，隨著中國(guó)自動(dòng)化步伐的加快，未來(lái)中國(guó)將成為超級(jí)機(jī)器人大國(guó)，工業(yè)機(jī)器人需求量大大增長(zhǎng)。然而在工業(yè)機(jī)器人高增長(zhǎng)刺激下，其控制系統(tǒng)和自動(dòng)化主要產(chǎn)品伺服電機(jī)發(fā)展之路必將發(fā)生改變，伺服電機(jī)作為工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的“心臟”，未來(lái)出路在哪里？

2015-2019年全球工業(yè)機(jī)器人伺服電機(jī)行業(yè)報(bào)告。

報(bào)告顯示，2013年開始，中國(guó)成為世界最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)，2014年銷量飆升到全球伺服電機(jī)銷量的55%。預(yù)計(jì)到2019年，中國(guó)市場(chǎng)對(duì)伺服電機(jī)的需求將達(dá)到182，000臺(tái)。

工業(yè)機(jī)器人的快速增長(zhǎng)已經(jīng)在一定程度上刺激了伺服電機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展。按ResearchandMarkets的測(cè)算，90%的工業(yè)機(jī)器人使用伺服電機(jī)，同時(shí)，每個(gè)工業(yè)機(jī)器人裝配的伺服電機(jī)都是平均量，那么2014年中國(guó)所增加的對(duì)伺服電機(jī)的需求在231，000臺(tái)。而這個(gè)數(shù)字在2019年將有望達(dá)到737，000臺(tái)。

目前，在中國(guó)工業(yè)機(jī)器市場(chǎng)，85%的伺服電機(jī)是外資品牌，而本土企業(yè)，大多數(shù)仍處于研制試驗(yàn)階段，幾乎沒(méi)有工業(yè)化的工業(yè)機(jī)器人伺服電機(jī)。

工業(yè)機(jī)器人與伺服電機(jī)的共存關(guān)系

伺服電機(jī)一般安裝在機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”處，機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)離不開伺服系統(tǒng)，關(guān)節(jié)越多，機(jī)器人的柔性和精準(zhǔn)度越高，所要使用的伺服電機(jī)的數(shù)量就越多。

機(jī)器人對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求非常嚴(yán)格，因而對(duì)電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求也很嚴(yán)格，主要有以下幾個(gè)方面：

1）快速響應(yīng)性，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好。

2）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大，在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人的伺服電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。

3）控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號(hào)的變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時(shí)還需轉(zhuǎn)速與控制信號(hào)成正比或近似成正比，調(diào)速范圍寬，能使用于1：1000～10000的調(diào)速范圍。

4）體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短，以配合機(jī)器人的體形。

5）能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行。

另外，由于國(guó)產(chǎn)伺服電機(jī)有待升級(jí)，導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)機(jī)器人發(fā)展困難。國(guó)產(chǎn)伺服電機(jī)目前的現(xiàn)狀是，小的不小，大的不大！這個(gè)怎么理解呢？小功率伺服電機(jī)，小型化不行，普遍偏長(zhǎng)，比如輕載機(jī)器人常用的200W和400W伺服電機(jī)，目前松下的A6、安川的Σ7電機(jī)短小精致。

反觀國(guó)產(chǎn)伺服，普遍較長(zhǎng)，外觀粗糙。這在一些高檔的應(yīng)用上不行，尤其是在輕載6kg左右的桌面型機(jī)器人上，由于機(jī)器人手臂的安裝空間非常狹小，對(duì)伺服電機(jī)的長(zhǎng)度有嚴(yán)格要求。

其次是信號(hào)接插件的可靠性一直飽受詬病。國(guó)產(chǎn)伺服需要繼續(xù)改進(jìn)，而且接插件的小型化、高密度化也是趨勢(shì)，與伺服電機(jī)本體的集成設(shè)計(jì)是個(gè)很好的做法，目前日系的伺服電機(jī)很多就是這樣設(shè)計(jì)的，方便安裝、調(diào)試、更換。

伺服電機(jī)的另一個(gè)核心技術(shù)是高精度的編碼器，尤其機(jī)器人上用的多圈絕對(duì)值編碼器，嚴(yán)重依賴進(jìn)口。沒(méi)有實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，是制約我國(guó)高檔伺服系統(tǒng)發(fā)展的很大瓶頸。編碼器的小型化也是伺服電機(jī)小型化繞不過(guò)去的核心技術(shù)?？v觀日系伺服電機(jī)產(chǎn)品的更迭，都是伴隨著電機(jī)磁路和編碼器的協(xié)同發(fā)展升級(jí)！

目前國(guó)內(nèi)的伺服電機(jī)OEM廠家根據(jù)市場(chǎng)份額，大多是仿制日系伺服電機(jī)設(shè)計(jì)，功率多在3kw以內(nèi)，以中小功率為多。而5.5-15kw的中大功率伺服沒(méi)有，導(dǎo)致有些設(shè)備上的應(yīng)用，由于沒(méi)有一臺(tái)大功率的伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)配套，而被迫放棄掉整個(gè)系統(tǒng)。

總結(jié)下來(lái)，日系伺服系統(tǒng)的發(fā)展模式是分層協(xié)同發(fā)展，整體性能優(yōu)異，與日本的機(jī)器人發(fā)展很相似。在中國(guó)是做電機(jī)的做電機(jī)、做編碼器的做編碼器、做驅(qū)動(dòng)的做驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有協(xié)同聯(lián)合，導(dǎo)致伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體性能難以做好。

其次是伺服系統(tǒng)缺失基礎(chǔ)性研究，包括絕對(duì)值編碼器技術(shù)、高端電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)、生產(chǎn)工藝的突破、性能指標(biāo)的實(shí)用性驗(yàn)證和考核標(biāo)準(zhǔn)的制定。這些都需要機(jī)器人行業(yè)的核心零部件企業(yè)去完善。

以下是為初學(xué)者大致講一下制作機(jī)器人常用的各種電機(jī)：

電機(jī)，俗稱“馬達(dá)”，是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。電動(dòng)機(jī)也稱(俗稱馬達(dá))，在電路中用字母“M”(舊標(biāo)準(zhǔn)用“D”)表示。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源，發(fā)電機(jī)在電路中用字母“G”表示。

普通電機(jī)

普通電機(jī)是我們平時(shí)間的比較多的電機(jī)，電動(dòng)玩具，刮胡刀等里面都有。這種電機(jī)有轉(zhuǎn)速過(guò)快，扭力過(guò)小的特點(diǎn)，一般只有兩個(gè)引腳，用電池的正負(fù)極接上兩個(gè)引腳就會(huì)轉(zhuǎn)起來(lái)，然后電池得正負(fù)極再相反的接在兩引腳上電機(jī)也會(huì)向反轉(zhuǎn)。

玩具車上的普通電機(jī)

減速電機(jī)

減速電機(jī)就是普通電機(jī)加上了減速箱，這樣便降低了轉(zhuǎn)速，增加了扭力，使得普通電機(jī)有的更廣泛的使用空間。

微型齒輪減速電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

步進(jìn)電機(jī)

舵機(jī)

舵機(jī)主要是由外殼、電路板、無(wú)核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測(cè)器所構(gòu)成。其工作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號(hào)給舵機(jī)，經(jīng)由電路板上的IC判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再驅(qū)動(dòng)無(wú)核心馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，透過(guò)減速齒輪將動(dòng)力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢測(cè)器送回訊號(hào)，判斷是否已經(jīng)到達(dá)定位。位置檢測(cè)器其實(shí)就是可變電阻，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電阻值也會(huì)隨之改變，藉由檢測(cè)電阻值便可知轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

廠商所提供的舵機(jī)規(guī)格資料，都會(huì)包含外形尺寸(mm)、扭力(kg/cm)、速度(秒/60°)、測(cè)試電壓(V)及重量(g)等基本資料。扭力的單位是kg/cm，意思是在擺臂長(zhǎng)度1公分處，能吊起幾公斤重的物體。這就是力臂的觀念，因此擺臂長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，則扭力愈小。速度的單位是sec/60°，意思是舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)60°所需要的時(shí)間。

伺服電機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

伺服電機(jī)

伺服主要靠脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。

直流伺服電機(jī)分為有刷和無(wú)刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便(換碳刷)，產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。

總之，機(jī)遇工業(yè)機(jī)器人由于伺服電機(jī)兩者之間密不可分的關(guān)系，如何提升機(jī)器人伺服電機(jī)的響應(yīng)性能，不斷突破技術(shù)瓶頸，是提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

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