作为国产机器⼈三⼤核⼼部件之⼀的伺服电机,⼀直是机器⼈⾏业的⽼道长谈。
伺服电机(servo motor)是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是⼀种补助马达间接变速装置。 伺服电机可使控制速度,位置精度⾮常准确,可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转⼦转速受 输⼊信号控制,并能快速反应,在⾃动控制系统中,⽤作执⾏元件,且具有机电时间常数⼩、线性度⾼、始动电压等特 性,可把所收到的电信号转换成电动机轴上的⾓位移或⾓速度输出。 伺服电机分为直流和交流伺服电动机两⼤类,其主要特点是,当信号电压为零时⽆⾃转现象,转速随着转矩的增加⽽匀 速下降。
伺服电机的发展现状和市场展望 2015年,中国伺服电机市场规模已达到122亿元,其中⼯业机器⼈占⽐8.7%,市场规模约为10.6亿元。 ⼯业机器⼈和数控机床的快速增长也在⼀定程度上刺激了伺服电机市场的发展。 ⽬前,⼯业机器⼈⽤伺服电机的技术难点主要表现在以下⼏个⽅⾯:
1、⼯作制与发热 ⼯业机器⼈⼀般运⾏在频繁加速、启停的情况下,由于这种特殊的运⾏⽅式’其伺服电机很⼤程度上受到了温度的限制, 不仅仅是额定转矩点的温度特性对⼯业机器⼈伺服电机来说很重要,整个运⾏空间的运⾏温度由加减速转矩与维持转矩 的⼯作制运⾏来决定。
2、转动惯量 伺服电机的转动惯量是伺服驱动中⾮常重要的关键点,在机械系统加速运⾏的时候,伺服电机不仅要提供给负载加速转 矩,⽽且要提供给⾃⾝加速转矩,所以伺服电机的转动惯量和系统的转动惯量的配合⼗分重要。
3、转矩质量 ⼯业机器⼈伺服电机要求转矩的平滑性,要求电机具有⽐较低的转矩脉动以及较平稳的转矩常数。平稳的转矩常数通常 需要伺服电机有⽐较⾼的抗饱和能⼒,⽽且要细致考虑铁耗与摩擦损耗对转矩常数的影响,⼀般需要合理精致的伺服电 机电磁与结构的设计才能满⾜转矩质量要求。
4、⾼响应能⼒ ⼯业伺服电机系统追求⽐较⾼的响应能⼒,影响伺服系统的响应能⼒的因素⼀般有电机转动惯量、减速⽐、加减速转 矩、电机结构、控制策略等,⾼响应能⼒还与电机的发热密切相关。
5、磁钢退磁 为了使伺服电机具有⾼性能,⽬前普遍使⽤钕铁硼永磁体来提供磁场,但它对温度⽐较敏感,在⾼温环境下容易发⽣不 可逆退磁。⼯业机器⼈⽤伺服电机需要有⾼过载能⼒,更需要较⾼的电枢反应,因此转⼦永磁体上感应出的涡流损耗通 常很⼤,永磁体易升温,所以对伺服电机的温度计算和永磁体保护的要求⽐较⾼。 随着⼯业机器⼈市场掀起热潮,我国伺服系统与国外名牌企业的明显差距已成为制约我国⼯业机器⼈产业的“瓶颈”。
从 技术上看,国产伺服电机主要有以下⼏个缺陷:
1、外形普遍较长,外观粗糙,很难应⽤在⼀些⾼档机器⼈上⾯。尤其是在轻载6kg左右的桌⾯型机器⼈上,由于机器⼈1、外形普遍较长,外观粗糙,很难应⽤在⼀些⾼档机器⼈上⾯。尤其是在轻载6kg左右的桌⾯型机器⼈上,由于机器⼈ ⼿臂的安装空间⾮常狭⼩,对伺服电机的长度有严格要求。
2、信号接插件的可靠性需要改进,⽽且需要朝⼩型化、⾼密度化以及与伺服电机本体的集成设计的⽅向设计,⽅便安 装、调试、更换。
3、另⼀个核⼼技术就是⾼精度的编码器,尤其机器⼈上⽤的多圈绝对值编码器,严重依赖进⼝,是制约我国⾼档机器 ⼈发展的很⼤瓶颈。编码器的⼩型化也是伺服电机⼩型化绕不过去的核⼼技术。
4、缺失基础性研究,包括绝对值编码器技术、⾼端电机的产业化制造技术、⽣产⼯艺的突破、性能指标的实⽤性验证 和考核标准的制定。
5、伺服系统各部分产业协同联合不够,导致伺服电机和驱动系统整体性能难以做好。 中国机器⼈产业正处于⼤变⾰时代。
据知名⾏业数据机构IDC预测,到2020年,中国机器⼈市场规模将达到594亿美 元,中国市场将占全球机器⼈市场总量的30%以上。同时,⽬前中国已经取代德国,成为全球最⼤的数控机床市场,据 政府相关报告,未来我国中⾼端数控机床市场仍将继续保持增长,到2020年,我国数控机床⾏业的资产规模将到达 2700亿元。 《2015-2019年全球⼯业机器⼈伺服电机⾏业报告》显⽰,2013年开始,中国成为世界最⼤的⼯业机器⼈市场,2014 年,中国市场上伺服电机的销量已飙升到全球伺服电机销量的55%。 按Researchand Markets的预测,90%的⼯业机器⼈使⽤伺服电机,同时,每个⼯业机器⼈装配的伺服电机都是平均 量,那么以2014年中国所增加的231000台伺服电机数量来考量,到2019年,中国的伺服电机需求量将有望达到737000 台。 ⾯对这样⼀块⼤蛋糕,伺服电机⾏业内部竞争激烈。就国内情况⽽⾔,外资企业在电机市场上占据绝对优势,其中⽇系 品牌凭借良好的产品性能与极具竞争⼒的价格垄断了中⼩型OEM(设备制造业)市场。2014年,伺服系统市场TOP15 ⼚商中,前三名均为⽇系品牌,总份额达到45%。西门⼦、博世、施耐德等欧系品牌占据⾼端,整体市场份额在30%左 右。国内企业整体份额低于10%左右。
国外知名代表性企业 伦茨(德国)
伦茨(lenze)是世界上著名的机电传动产品制造商,主要产品有直流调速装置、交流变频器、交流伺服、各类电动 机、⼩型传动转置、减速箱、变速器、制动器、离合器等。该公司现役的产品MCM同步伺服电机主打机器⼈市场,结构紧凑、负载与电机惯量⽐佳、外壳平滑、简单易⽤,适合包装、搬运等应⽤场景。
博世⼒⼠乐(德国)
博世⼒⼠乐(BoschRexroth)作为德国博世集团的全资⼦公司.是全球⼯业技术市场的领先供应商,在传动和控制领 域声誉卓著。该公司旗下产品种类繁多,主要集中在⾼质量电控、液压、⽓动、机电⼀体化元件和系统等领域。
路斯特(德国)
路斯特(lust)⾪属于柯尔柏集团,专注于向机器⼈/机床制造业提供通⽤型、可编程型及多轴运动控制型伺服驱动产品 及相关解决⽅案的⽣产和贸易性企业。 标准产品谱宽,涵盖通⽤型、可编程型、多轴运动控制型,它们被⼴泛的应⽤于 各类产业机械和机床。
倍福(德国)
倍福(Beckhoff)基于PC的⾃动化新技术作为发展理念,所⽣产的⼯业PC、现场总线模块、驱动产品和TwinCAT⾃动 化软件构成了⼀套完整的、相互兼容的控制系统,可为各个⼯控领域提供开放式⾃动化系统和完整的解决⽅案。
西门⼦(德国)
西门⼦是世界上最⼤的电⽓和电⼦公司之⼀,历经150年来常盛不衰,公司的业务主要集中于6⼤领域:信息和通讯、⾃ 动化和控制、电⼒、交通、医疗系统和照明。西门⼦的伺服电机种类丰富、结构紧凑,可实现卓越的动态特性和运⾏效 率,性能等级全,安装规格多样。 SIMOTICS 1FT7永磁同步电机 欧系伺服特点是过载能⼒⾼,动态响应好,驱动器开放性强,且具有总线接⼝,包括现场总线、⼯业以太⽹甚⾄⽆线⽹ 络技术。但价格昂贵,体积重量⼤。(⽬前的⾼速伺服总线虽⼤多为开放标准,但技术都被国际化⼤公司所掌控。尤其 是基于⼯业以太⽹技术,如EtherCAT、 Profinet、 EtherNet/IP、SERCOS III等,在提升⼯业机器⼈专⽤交流伺服系统 的⾼性能⽅⾯起到了举⾜轻重的作⽤。德国公司Beckhoff推出的EtherCAT近年来发展势头迅猛,成为⼤多数⾼性能驱 动系统⾸选的⽹络标准,安川、伦茨等国外伺服⼚商已将EtherCAT 总线,作为下⼀代产品的总线标准。)
松下(⽇本)
松下是⼀家⼤型跨国企业,经营产品涉及家电、数码视听电⼦、办公产品、航空等诸多领域。松下旗下的松下电机主营 电⽓机电类服务,该公司推出的⼩型交流伺服电动机和驱动器颇受市场欢迎,其中⼤惯量系列适⽤于数控机床,中惯量 系列适⽤于机器⼈(最⾼转速为3000r/min,⼒矩为0.016~0.16N.m)。
安川(⽇本)
安川电机是世界⼀流的传动产品制造商,也是⽇本第⼀个做伺服电机的公司,其产品以稳定快速著称,性价⽐⾼,是全 球销售量最⼤,使⽤⾏业最多的伺服品牌。从⼀般⼯业⽤机械到半导体、电⼦零部件制造设备,安川都能提供适合于各 种⽤途的最匹配的伺服、控制器产品。
三菱(⽇本)
三菱不是⼀家独⽴的公司,⽽是由众多的独⽴公司组成的团体,该公司涉⾜采矿、造船、银⾏、保险、仓储、贸易、 纸、钢铁、玻璃、电⽓设备、飞机、⽯油和房地产等诸多领域,是⽇本的⼯业巨头。三菱电机⼀直致⼒于提⾼产品性 能,FA产品阵容涵盖在亚洲占主导地位的可编程控制器(PLC)、⼈机界⾯(HMI)、交流伺服系统、变频器、⼯业机 器⼈以 及低压配电产品。
三洋(⽇本)
三洋是是⽇本松下旗下的电器公司,瞄准中端市场。2012年4⽉1⽇起,该品牌被停⽌营运。三洋的Denki交流伺服驱动 系统是最早进⼊国内的伺服系统之⼀,以其卓越的性能⾼速精确灵活使⽤寿命长性价⽐⾼等特点闻名于世,可以实现不 同控制⽅式的切换、全闭环控制、具有输出检测功能、⾃动滤波功能、实时⾃整定功能,⼴泛应⽤于冶⾦⾼炉印刷机 械、包装机械、纺织机械、塑胶机械、医疗设备、⾃动化⽣产线等领域。 ⽇系伺服电机价格相对低,体积⼩,重量轻。但缺点也很明显,就是动态响应能⼒相对弱,开放性较差。
ELMO(以⾊列)
Elmo Motion Control是⼀家专业开发紧凑型、⾼功率伺服电机的企业,25年来⼀直致⼒于为各种恶劣⼯业环境设计了伺 服驱动器,同时提供先进的⽹络运动控制器和完整的运动控制解决⽅案。该公司号称⾃⼰打造的是全球最好的伺服电 机。 SERVOTRONIX(美的) servotronix(⾼创)专注于运动控制领域业务,也是⼀家专业开发⾼性能伺服驱动器系列和运动控制解决⽅案的企业。 该公司已被美的收购,未来将成为库卡机器⼈伺服电机的主要供应商。
AMC(美国)
AMC(ADVANCED Motion Controls)是⼀家提供可靠和⾼性能运动控制系统的公司,创⽴于1987年,⼏⼗年来⼀直 保持⼩体量,只有300多名员⼯,其中40%是⼯程师。该公司的⽬标是成为最好的伺服公司,因此只⽣产伺服驱动领域 的产品。依靠精湛的制造⽔平和先进的研发能⼒,近7年来,该公司客户存留率⾼达91%。
COPLEY(美国) 和AMC⼀样,
Copley Controls也是⼀家专注于伺服驱动的公司,主要为⼴泛的⼯业应⽤提供⾼性能运动控制解决⽅ 案,拥有超过25年的OEM合作经验。该公司产品的应⽤领域主要有半导体、⽣命科学、⾃动化装备、机器⼈、测试/测 量以及COTS军⼯等。 以上这⼏家公司是伺服控制技术的领军者,它们的产品虽然在市场上份额不⼤,但代表伺服控制的技术发展导向。
国内知名代表性企业
台达(台湾)
台达是知名华⼈⾃动化品牌,在全球⾃动化领域占据独特地位。90年代初期,台达采取⾃主研发的⽅式,开始进军⼯业 ⾃动化领域。基于其在电⼒电⼦领域的积累,台达从变频器产品起步,到后来PLC、伺服、HMI、CNC数控系统,再到 基于PC-Based的PAC控制器、传感器、机器视觉、⼯业机器⼈等全系列⾃动化产品,最后锁定驱动、运动、控制三⼤ 领域。
⼠林(台湾)
⼠林电机(shihlin)创⽴于1955年,主要开发重电、电装、机器、⾃动化领域的相关产品。该公司和⽇本三菱合作密 切,在厦门建有合资公司,据传产品的⽤户体验与三菱电机不相上下。以⼠林SDH交流伺服系列为例,这系列电机采⽤ 台湾最好的编码器,响应速度全台第⼀。 台系品牌使⽤简单,性能接近⽇系,但价格⽐⽇系品牌低廉,性价⽐⾼,在中低端市场发展较快。
汇川
深圳汇川主要从事⾃动化、新能源相关领域产品研发,是本⼟企业中伺服电机市场占有率最⾼的品牌。汇川在智能装 备、⼯业机器⼈领域推出了变频器、伺服系统、控制系统、⼯业视觉系统、传感器等核⼼部件及电⽓解决⽅案等⼀系列 ⼯业⾃动化产品,⽬前已成为国内最⼤的中低压变频器与伺服系统供应商。汇川旗下⼏款伺服电机都⽀持Ethercat以太 ⽹通讯协议。
固⾼
固⾼科技是国内技术领先的⾃动控制产品供应商,该公司⾃主研发的基于PC的开放式运动控制器、嵌⼊式运动控制 器、⽹络式运动控制器、计算机可编程⾃动化控制器产品与系统,综合性能已达到了国际⼀流⽔平,填补了国内同⾏业 的多项空⽩。固⾼主要为机器⼈运动控制提供系统。
华中数控
华中数控背靠中科⼤,研发能⼒出⾊,是国内最⼤的中⾼档数控系列⽣产企业,旗下的车床伺服电机已达到国际中端⽔ 平。该公司的GK6、GK7全系列永磁同步交流伺服电机和GM7系列交流伺服主轴已实现批量⽣产,是⽬前全国唯⼀拥有 成套核⼼技术⾃主知识产权和⾃助配套能⼒的企业。
⼴州数控
⼴州数控⾯向数控机床⾏业、⾃动化控制领域、注塑制品⾏业,是全国最⼤的机床数控系统研发⼚商,突出优势是产业 链齐全、规模庞⼤。该公司的伺服系统主要⽤于机床、包装机械等⽅⾯。
英威腾
2011年,英威腾收购御能动⼒,并把该品牌打造成了纺织机械伺服系统的细分龙头。英威腾主要为纺织机械企业提供整 体解决⽅案,并在业内提供系列型号最为全⾯的防⽌伺服系统,⽬前该公司的伺服产品在纺织机械、包装机械、数控车 床、点胶机、LED分光编带机贴⽚机等机器上有⼴泛应⽤,性价⽐较⾼。
埃斯顿埃斯顿
南京埃斯顿有⼗⼏年⽣产和销售交流全数字化通⽤交流伺服驱动器和电机的历史,产品⼴泛应⽤于各类数控机床和⾃动 化设备。公司于2012年成功完成了863计划重⼤专项“⼯业机器⼈交流伺服系统驱动器和电机开发”,拥有了⾃主品牌的 机器⼈专⽤交流伺服系统。⽬前,公司所有机器⼈使⽤的交流伺服系统均为⾃产,实现了国产核⼼零部件的突破。公司 还成功开发了机器⼈专⽤“⼀拖六”交流伺服系统,为研制更经济⾼效的国产机器⼈提供了基础。
来源 机器⼈在线
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