伺服電機(jī)作為控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，是影響機(jī)器人工作性能的主要因素之一。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。
目前，國(guó)產(chǎn)伺服電機(jī)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。
伺服電機(jī)
伺服電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)，要求是要有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。特別是像機(jī)器人末端執(zhí)行器(手爪)應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電動(dòng)機(jī)，尤其是要求快速響應(yīng)時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)必須具有較高的可靠性，并且有較大的短時(shí)過(guò)載能力。
目前，高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量的交、直流伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛的應(yīng)用。
伺服控制系統(tǒng)
伺服控制系統(tǒng)是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，例如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等。使用在伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求具有響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(使用在機(jī)電系統(tǒng)中的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)較大。為了能夠和絲杠等機(jī)械部件直接相連，伺服電機(jī)有一種專(zhuān)門(mén)的小慣量電機(jī)，為了得到極高的響應(yīng)速度。但這類(lèi)電機(jī)的過(guò)載能力低，當(dāng)使用在進(jìn)給伺服系統(tǒng)中時(shí)，必須加減速裝置。
工業(yè)機(jī)器人電動(dòng)伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為三個(gè)閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。一般情況下，對(duì)于交流伺服驅(qū)動(dòng)器，可通過(guò)對(duì)其內(nèi)部功能參數(shù)進(jìn)行人工設(shè)定而實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制等多種功能。
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%。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)器人用伺服電機(jī)面臨挑戰(zhàn)
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(shuō)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(xiàn)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(guò)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。
國(guó)產(chǎn)伺服開(kāi)始嶄露頭角
伺服電機(jī)的核心零部件的技術(shù)突破不僅直接關(guān)乎國(guó)內(nèi)機(jī)器人企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的提升，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，對(duì)于整個(gè)中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。
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(lài)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(guò)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。