伺服電機(jī)作為控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，是機(jī)器人三大核心零部件之一。機(jī)器人伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、指令機(jī)構(gòu)三大部分構(gòu)成，伺服電機(jī)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，就是靠它來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的，伺服驅(qū)動(dòng)器是伺服電機(jī)的功率電源，指令機(jī)構(gòu)是發(fā)脈沖或者給速度用于配合伺服驅(qū)動(dòng)器正常工作的。
2015年，我國(guó)機(jī)器人用伺服系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模約為10.6億元，到2020年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)47億元左右，未來(lái)五年復(fù)合增長(zhǎng)率約為35％。
國(guó)內(nèi)外伺服系統(tǒng)廠商將機(jī)器人市場(chǎng)作為未來(lái)重點(diǎn)的發(fā)展方向，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)器人需求在全球范圍內(nèi)不斷擴(kuò)大，而中國(guó)現(xiàn)在是全球增速最快的機(jī)器人市場(chǎng)。2013年至2016年，中國(guó)連續(xù)三年成為全球第一大工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)市場(chǎng)。IDC預(yù)測(cè)到2020年，中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到594億美元，中國(guó)市場(chǎng)將占全球機(jī)器人市場(chǎng)總量的30%以上，市場(chǎng)空間巨大。機(jī)器人的高速增長(zhǎng)將帶動(dòng)伺服電機(jī)的巨大需求。
機(jī)器人伺服電機(jī)面臨挑戰(zhàn)
伺服電機(jī)在自動(dòng)化控制系統(tǒng)在往往與終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，因此也被成為執(zhí)行電機(jī)。伺服電機(jī)在伺服系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，其作用是將伺服控制器的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移和角速度。
伺服電機(jī)分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，與普通電機(jī)相比其主要特點(diǎn)是，其通常搭配反饋裝置一起使用，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。
為了提高工業(yè)生產(chǎn)的靈活性，機(jī)器人正變得越來(lái)越輕，同時(shí)為了保證機(jī)器人的動(dòng)態(tài)和精度，高功率密度伺服電機(jī)至關(guān)重要；在精加工作業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器人甚至需要人手所具備的柔順性，要求電機(jī)能以“罐頭”大小實(shí)現(xiàn)高性能，提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率并保證操作員安全；在醫(yī)用機(jī)器人領(lǐng)域，為了讓機(jī)器人幫助患者早日恢復(fù)健康，對(duì)電機(jī)穩(wěn)定性和可靠性提出了至高要求。
機(jī)器人對(duì)伺服電機(jī)的高要求主要有以下方面：
1．要求伺服電機(jī)具有快速響應(yīng)性。電機(jī)從獲得指令信號(hào)到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時(shí)間應(yīng)短。響應(yīng)指令信號(hào)的時(shí)間愈短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好，一般是以伺服電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)的大小來(lái)說明伺服電機(jī)快速響應(yīng)的性能。
2．伺服電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比要大。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．伺服電機(jī)要具有控制特性的連續(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。
4．為了配合機(jī)器人的體形，伺服電機(jī)必須體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。
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，并能在短時(shí)間內(nèi)承受數(shù)倍過載。交流伺服驅(qū)動(dòng)器因其具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比高、無(wú)電刷及換向火花等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。
差距明顯，國(guó)內(nèi)廠商需努力追趕
國(guó)內(nèi)伺服電機(jī)市場(chǎng)中，前三名松下、三菱、安川均為日系品牌，總份額達(dá)到45%，西門子、博世、施耐德等歐系品牌主要占據(jù)高端市場(chǎng)，市場(chǎng)份額在30%左右，國(guó)內(nèi)企業(yè)整體份額低于10%。
國(guó)產(chǎn)伺服電機(jī)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的中大功率伺服電機(jī)則比較少。
國(guó)產(chǎn)伺服電機(jī)在以下方面仍需突破：
一是外形普遍較長(zhǎng)，外觀粗糙，很難應(yīng)用在一些高檔機(jī)器人上面，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。
二是信號(hào)接插件的可靠性需要改進(jìn)，而且需要朝小型化、高密度化以及與伺服電機(jī)本體的集成設(shè)計(jì)的方向設(shè)計(jì)，方便安裝、調(diào)試、更換。
三是另一個(gè)核心技術(shù)就是高精度的編碼器，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，是制約我國(guó)高檔機(jī)器人發(fā)展的很大瓶頸。編碼器的小型化也是伺服電機(jī)小型化繞不過去的核心技術(shù)。
四是缺失基礎(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。
五是伺服系統(tǒng)各部分產(chǎn)業(yè)協(xié)同聯(lián)合不夠，導(dǎo)致伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體性能難以做好。
雖然國(guó)產(chǎn)伺服電機(jī)在市場(chǎng)上的比重比較低，在技術(shù)與性能上與國(guó)外品牌有較大的差距，并且產(chǎn)品質(zhì)量與穩(wěn)定性也不能同國(guó)外品牌同日而語(yǔ)，但近幾年國(guó)產(chǎn)品牌伺服電機(jī)的發(fā)展也很迅速，伺服電機(jī)自主配套能力已現(xiàn)雛形，獲得了一定的市場(chǎng)認(rèn)可。許多國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品技術(shù)上與日系產(chǎn)品接近，涌現(xiàn)出埃斯頓、廣州數(shù)控設(shè)備、英威騰等20余家較大規(guī)模的伺服電機(jī)品牌。
從我國(guó)伺服電機(jī)專利技術(shù)總體申請(qǐng)量變化趨勢(shì)也顯示出國(guó)內(nèi)企業(yè)近幾年取得的成績(jī)。2010年我國(guó)伺服電機(jī)行業(yè)相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量?jī)H2697項(xiàng)，而2016年我國(guó)伺服電機(jī)行業(yè)相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量達(dá)14058項(xiàng)，年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)31.68%。
中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)處于大的變革時(shí)代，需要快速創(chuàng)新整合，機(jī)器人作為一種高新技術(shù)，是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支持手段。而要大力發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，作為機(jī)器人核心零部件之一的伺服電機(jī)自然成了許多企業(yè)競(jìng)相布局的熱門領(lǐng)域。
總結(jié)：機(jī)器人的工作表現(xiàn)受伺服電機(jī)影響極大，因而精密伺服電機(jī)的關(guān)鍵性能指標(biāo)永遠(yuǎn)都是先進(jìn)性比較的首要因素。國(guó)外先進(jìn)伺服電機(jī)已經(jīng)能夠很好地適應(yīng)絕大多數(shù)應(yīng)用的需求，其研發(fā)資源已集中在個(gè)別高端應(yīng)用及整體性能提升方面，處于精雕細(xì)刻階段。因此國(guó)產(chǎn)伺服電機(jī)廠商任重而道遠(yuǎn)。