工业机器人的“心脏”——伺服电机
工业机器人是指面向工业领域的多关节机械手或多个自由度的机器装置，在工业生产加工过程中通过自动控制来代替人类执行某些单调、频繁和重复的长时间作业。这些机器人可以对三个或三个以上轴进行编程，实现固定式或移动式的自动控制和可重复编程功能，可以用于工业生产过程中的搬运、焊接、装配、加工、涂装、清洁生产等方面。
在《中国制造2025》中提出，机器人产业的发展要“围绕汽车、机械、电子、危险品制造、国防军工、化工、轻工等工业机器人应用以及医疗健康、家庭服务、教育娱乐等服务机器人应用的需求，积极研发新产品，促进机器人标准化、模块化发展，扩大市场应用。突破机器人本体，减速器、伺服电机、控制器、传感器与驱动器等关键零部件及系统集成设计制造技术等技术瓶颈。”
据工信部装备工业司报道，2014年全球工业机器人销量创下历史新高，达到22.5万台，同比增长27%。市场增长的动力主要来自于亚洲地区，特别是中、韩两国。
从市场需求角度来看，中国的工业机器人市场需求主要集中在制造业，特别是汽车制造、电子产品组装等领域。近年来，随着产业升级和智能制造的推进，对工业机器人的需求更加多样化，包括物流仓储、食品加工等行业也开始广泛应用。
伺服控制单元
SERVO语源自拉丁语，原意为“奴隶”的意思，指经由闭环控制方式达到一个机械系统的位置，扭矩，速度或加速度的控制，是自动控制系统中的执行单元，是把上位控制器的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机主要由控制器（动作指令信号的输出装置）、驱动器（接收控制指令，并驱动马达的装置）以及伺服马达（驱动控制对象并检出状态的装置）构成。
伺服马达的种类，大致可分成以下三种：
1.同步型：采用永磁式同步马达，停电时发电效应，因此刹车容易但因制程材料上的问题，马达容量受限制。（回转子：永久磁铁;固定子：线圈）
2.感应型：感应形马达与泛用马达构造相似，构造坚固、高速时转矩表现良好，但马达较易发热，容量(7.5KW以上)大多为此形式。（回转子、固定子皆为线圈）
3.直流型：直流伺服马达，有碳刷运转磨耗所产生粉尘的问题，于无尘要求的场所就不宜使用，以小容量为主。（回转子：线圈：固定子：永久磁铁;整流子：磁刷）
伺服系统的原理，透过回馈信号的控制方式，可做指令值与目标值的比较，因而大幅减少误差状况。向控制对象下达指令后，正确的追踪并查明现在值，且随时回馈控制内容的偏差值、待目标物到达目的地后，回馈位置值，如此反复动作。检测机械本体之位置检出，回路为封闭系统，称之为全闭回路。相反，检测马达轴端之回路系统就称为半闭回路。
图片来源：个人图书馆网
据了解，新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块(IPM)。这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。它的应用显着地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。
伺服电机vs步进电机
工业机器人的控制系统和自动化产品主要涉及伺服电机、减速机、控制器和传感器等。伺服电机是工业机器人的动力系统，一般安装在机器人的“关节”处，是机器人运动的“心脏”。
工业机器人之所以广泛采用伺服电机而非步进电机，主要是因为伺服电机能够提供更为卓越的控制性能、更高的精度和更强的动态响应能力。相比之下，步进电机虽然具有成本较低和简单控制的优点，但在高速运行、高精度要求或需要频繁改变运动状态时，其性能可能会受到限制。步进电机的步进特性可能导致在低速时产生振动和噪音，且在高负载或高速运行时容易失去同步，影响工作精度和稳定性。
步进电机结构图 图片来源：鸣志官网
伺服电机结构图 图片来源：鸣志官网
目前，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。机器人对伺服系统的要求较高，首先 伺服电机具有快速响应性。电机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电机的机电时间常数的大小来说明伺服电机快速响应的性能。
其次，伺服电机的起动转矩惯量比要大。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。最后，伺服电机要具有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。当然，为了配合机器人的体形，伺服电机必须体积小、质量小、轴向尺寸短。还要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，并能在短时间内承受数倍过载。
因此，为了满足工业机器人对高精度、高速度、高可靠性和长寿命的要求，伺服电机成为了更为理想的选择。
开始洗牌的伺服电机市场
过去，伺服电机市场一直被海外品牌所垄断，排在全球前十的分别是：Yaskawa安川、Panasonic松下、Mitsubishi三菱、INOVANCE、SIEMENS西门子、Rexroth力士乐、DELTA台达、OMRON欧姆龙自动化、富士电机Fe以及Schneider施耐德电气。但随着国家对伺服电机市场的重视，国内也涌现出一批技术和产品都颇具实力的企业。
图片来源：新材料行业研报公众号
首先，汇川技术作为国内工业自动化控制领域的领军企业，其伺服电机产品线展现了高度的专业性和创新性。汇川伺服电机集成了先进的矢量控制算法，能够实现高精度、高动态响应的位置、速度和转矩控制。这些特性使得汇川伺服电机在工业机器人应用中，特别是在需要高精度轨迹跟踪和快速响应的场合下，表现出色。
信捷电气则以其在伺服控制领域的深厚技术积累和定制化服务著称。信捷伺服电机采用了先进的数字信号处理器（DSP）和精密的编码器反馈系统，实现了对电机运行状态的精确监控和实时调整。这种闭环控制策略使得信捷伺服电机在复杂多变的工业环境中，能够迅速适应负载变化，保持稳定的运行性能。
雷赛伺服电机以高可靠性、低噪音和长寿命为特点，采用了先进的电磁设计和热管理技术，有效降低了电机运行过程中的能量损耗和热量产生。这种设计使得雷赛伺服电机在需要长时间连续运行的工业机器人应用中，具有更高的能效比和更低的维护成本。禾川科技则注重产品的性价比和易用性设计，其伺服电机产品线覆盖了从经济型到高性能的多个系列，满足了不同用户群体的需求。
在国际市场，Yaskawa安川、Mitsubishi三菱、Panasonic松下等品牌用丰富且资深的经验成为了工业机器人伺服电机市场的领导者。Yaskawa安川的伺服电机产品以其高精度、高响应性和高可靠性而闻名于世，广泛应用于汽车制造、电子加工、包装机械等多个行业。Mitsubishi三菱的伺服电机则以其强大的驱动能力和稳定的运行性能著称，在重型工业机器人和自动化生产线中得到了广泛应用。Panasonic松下的伺服电机则以其紧凑的结构、高效的能源利用和智能化的控制功能为特点，满足了用户对小型化、轻量化和智能化设备的需求。
此外，Siemens西门子、Rexroth力士乐等国际品牌也以其先进的技术和丰富的产品线，在工业机器人伺服电机市场中占据了一席之地。
写在最后
随着工业4.0和智能制造时代的到来，工业机器人与伺服电机作为智能生产线的核心驱动力，正以前所未有的速度推动着制造业向更高效、更灵活、更智能的方向迈进。它们不仅显著提升了生产效率和产品质量，还通过精准控制和高效协同，降低了人力成本，增强了企业的市场竞争力。未来，随着材料科学、电子技术、人工智能及物联网技术的不断融合与创新，工业机器人将拥有更加丰富的感知能力和自主决策能力，而伺服电机也将实现更高的精度、更低的能耗和更广泛的适应性。
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