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工业机器人伺服电机市场及国产替代分析

工业机器人的“三大”核心部件包括伺服电机、减速器和控制器,这也是制约我国机器人发展的重要瓶颈。今天咱们重点谈一谈工业机器人的伺服电机市场及进口替代,下期将会重点谈一谈精密减速机。

电动伺服驱动系统是工业机器人的必不可少的关键零部件,是利用各种电机产生的力矩和力,直接或间接地驱动机器人本体,以获得机器人的各种运动的执行机构,通常由伺服电机以及伺服驱动器组成。除了可以进行速度与转矩控制外,伺服系统还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。

伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种补充马达间接变速装置,它将电压信号转化为转矩和转速,以驱动控制对象,可使控制速度、位臵精度非常准确,是工业机器人的动力系统以及机器人运动的“心脏”。

安川电机的伺服电机和伺服驱动器产品

伺服电机一般安装在机器人的“关节”处,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。

工业机器人对关节驱动电机的要求非常严格,交流伺服电机在工业机器人中得到了广泛应用。工业机器人对伺服电机的严格要求体现在:

1)快速响应性,电伺服系统的灵敏性愈高,快速响应性能愈好;

2)起动转矩惯量比大,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;

3)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,调速范围宽,能使用于1:1000~1:10000的调速范围。

4)体积小、质量小、轴向尺寸短,以配合机器人的体形;

5)能经受住苛刻的运行条件,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。交流伺服驱动器因其具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点,在工业机器人中得到广泛应用。

《2015-2019年全球工业机器人伺服电机行业报告》预计到2019年,中国市场对伺服电机的需求将达到18.2万台。

目前,国内伺服电机高端市场主要被国外知名企业所占据,主要来自日本和欧美,未来国产替代空间很大(参见本公众号上一篇文章工业机器人关键部件国产化替代提速)。有统计数据显示,国外品牌占据了中国交流伺服市场80%左右的市场份额。其中,日系产品以50%左右的市场份额居首,其著名品牌包括松下、三菱电机、安川、三洋和富士等等(其中,前三名分别为松下、三菱电机和安川,总份额约占45%),以西门子、博世和施耐德为代表的欧系品牌占据国内伺服电机的高端市场,整体市场份额在30%左右,国内企业整体份额不足10%。日系产品的特点是技术和性能水平比较符合中国用户的需求,以良好的性价比和较高的可靠性获得了稳定且持续的客户源,在中小型OEM市场上尤其具有垄断优势。

未来5年,我国伺服系统行业受益于产业升级的影响,将保持较快增长,国产替代空间还很大。当前,我国伺服电机自主配套能力已现雏形,产品功率范围大多在22kW以内,技术线上与日系产品接近,较大规模的伺服品牌有20余家,主要有南京埃斯顿自动化股份有限公司、广州数控设备有限公司等。

近几年,国产伺服产品的进口替代正在加速进行。起步相对较早的国产变频器已经在OEM市场取得较好成绩,而国产伺服产品技术正在不断进步。有分析机构认为,中国伺服产品未来有望复制国产变频器的发展路线,在OEM进口替代市场取得较大突破。

2010年至今,我国伺服系统的的国产替代开始进行。部分厂家加大推出新一代伺服产品,性能得到大幅提高,市场认可度在逐渐提升。在机床和机械手等自动化设备的应用中,国产伺服系统的进口替代正在加速进行。

有专家表示,伺服电机的核心技术之一是信号接插件的可靠性。国产伺服需要继续改进,而且接插件的小型化、高密度化也是趋势,与伺服电机本体的集成设计是个很好的做法,目前日系的伺服电机很多就是这样设计的,方便安装、调试、更换。

高精度的编码器也是伺服电机的核心技术之一,尤其工业机器人上用的多圈绝对值编码器,目前严重依赖进口。高精度编码器未实现国产化,是制约我国高档伺服系统发展的重要瓶颈之一。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。纵观日系伺服电机产品的更迭,都是伴随着电机磁路和编码器的协同发展升级。

另外,国内的伺服系统的基础性研究缺失,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等等。这些都需要国内机器人行业的核心零部件企业去完善。

当前,中国机器人产业处于大变革时代,需要快速创新整合,而机器人作为一种高新技术,是推动产业发展的重要支持手段。作为机器人中用作执行单元,伺服电机是影响机器人工作性能的主要因素。因此,在国内机器人技术的自主研发方面,我国还需加大对关键技术的投入和研发,提高零部件自给率,整合现有研发资源,尽快形成一批技术研发实验室、工程中心、企业技术中心、整机及关键零部件检测中心等,同时,培育自主知识产权品牌,将国内工业机器人产业做大做强。