從伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) 看清與國(guó)外技術(shù)的差距
http://m.ydsygx.cn杭州楨正機(jī)器人科技有限公司總經(jīng)理江思敏先生畢業(yè)于清華大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)，獲得博士學(xué)位，后赴美，擔(dān)任美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校的博士后。他對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有著深入的研究，常常與業(yè)內(nèi)人士互相交流與探討，深得業(yè)內(nèi)人士的尊敬。
在本文計(jì)劃發(fā)稿時(shí)，得知江思敏博士因交通意外于2016年11月5日過世伺服驅(qū)動(dòng) 對(duì)此深感痛惜。
2016年10月30日伺服驅(qū)動(dòng) 中國(guó)國(guó)際機(jī)器人高峰論壇工業(yè)機(jī)器人分論壇上技術(shù)，杭州楨正機(jī)器人科技有限公司總經(jīng)理兼首席技術(shù)官江思敏以《工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)技術(shù)，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展》為題技術(shù)，分析了目前機(jī)器人核心零部件的國(guó)內(nèi)外差距，同時(shí)也介紹了杭州楨正在伺服電機(jī)技術(shù)上做出的一些突破。以下是演講整理文字：
工業(yè)機(jī)器人核心部件大家都很清楚差距，近年來伺服電機(jī)技術(shù)發(fā)展差距，以國(guó)外的西門子差距，還有奔馳，美國(guó)的一些企業(yè)為主流，推出一系列產(chǎn)品，目前的技術(shù)進(jìn)展，最近這幾年從理論上來說沒有新的突破，主要還是落實(shí)在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝，在技術(shù)上大大降低損耗，提高密度。這種技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外都有，但是，有些工業(yè)比較落后的企業(yè)達(dá)不到這個(gè)水平。
就電機(jī)本身來說我們?nèi)绾翁岣咚拿芏龋ㄎ鏖T子等都采用斜槽或斜級(jí)，降低齒槽轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)速度的平穩(wěn)性，也會(huì)降低額定扭矩。
伺服電機(jī)技術(shù)進(jìn)展(材料)，現(xiàn)在材料目前國(guó)內(nèi)電機(jī)里面的不可替代的一部分，必須使用最好的適應(yīng)高溫應(yīng)用，我們國(guó)內(nèi)目前的技術(shù)還是相當(dāng)落后的，上周五去寧波一家公司了解這個(gè)事情，現(xiàn)在日本的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，利用到系統(tǒng)材料上面，我們國(guó)家現(xiàn)在還是實(shí)驗(yàn)性的基礎(chǔ)階段。至少比國(guó)外落后10年。
另外編碼器技術(shù)，也是我們的瓶頸，我們電機(jī)的反饋編碼器包括各種傳感器，基本上都是采用國(guó)外進(jìn)口的一些產(chǎn)品，包括SICKStegmann，一個(gè)電機(jī)的產(chǎn)品，比如說價(jià)格3千，編碼器可能占1千，利潤(rùn)其實(shí)大部分都是編碼器里面，真正的電機(jī)本身利潤(rùn)很低的。在編碼器技術(shù)里面，我比較推崇SICK的技術(shù)，就是采用一根反饋線，里面只有一個(gè)電源線集成一起的，一條電纜線就可以了，這樣對(duì)我們整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)布線成本都是有很大幫助的。
最近幾年從電機(jī)發(fā)展來說，我們可以看得到這幾年有很大的發(fā)展，直驅(qū)、直線、集成式伺服電機(jī)，這些產(chǎn)品有它很重要的應(yīng)用背景，比如說直驅(qū)電機(jī)，這種電機(jī)確實(shí)很好，它去掉傳統(tǒng)部件，大大提高我們整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用特性。這幾年有很多的嘗試，這可能有些概念的誤區(qū)，因?yàn)橹彬?qū)電機(jī)，要達(dá)到同樣的扭矩，直驅(qū)電機(jī)的體積增大，因?yàn)榕ぞ孛芏雀w積成正比的。直線電機(jī)，它必須用更好的反饋元件，才可獲得高的定位精度。
直線電機(jī)，無背隙、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在高精度雕銑(高光機(jī))，激光加工、精密定位平臺(tái)等領(lǐng)域。
對(duì)于前幾年有些熱的集成式伺服電機(jī)，其實(shí)有很大的問題，存在發(fā)熱問題，必須降低使用，不適合重載機(jī)器人應(yīng)用。比較適合在小功率的人工協(xié)作機(jī)器人上應(yīng)用。
總體來說，對(duì)于集成的伺服電機(jī)，我在美國(guó)曾經(jīng)研究過這個(gè)電機(jī)，同時(shí)也產(chǎn)品化，但是銷售情況不盡如人意，從2011年底推上市場(chǎng)，沒有超過1千臺(tái)，但這個(gè)概念是好的。
剛才清能德創(chuàng)的湯總也談到很多伺服領(lǐng)域的事情，國(guó)內(nèi)新時(shí)達(dá)等等一些企業(yè)也做很多好的產(chǎn)品，但是總體來說我們跟國(guó)外還是有一些差距。不是說我們伺服本身的差距，其實(shí)還是核心技術(shù)的差距，我們現(xiàn)在用的伺服總芯技術(shù)，它所有的標(biāo)準(zhǔn)，所有的定義沒有一個(gè)是我們中國(guó)人定義的，全部是來自于歐洲和日本，比如說EtherCAT等等。
共目線結(jié)構(gòu)體系，先進(jìn)的控制算法，自適應(yīng)振動(dòng)抑制，自適應(yīng)參數(shù)整定，齒槽轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，磁飽和控制，弱磁控制。
在安全功能方面，國(guó)內(nèi)我們以前很少考慮安全的功能，SIL的安全功能，是歐美的啟動(dòng)器普遍采用的安全功能技術(shù)。
我這里列出來美國(guó)羅克韋爾的架構(gòu)系統(tǒng)，目前有兩種總線，為什么選擇這兩種主線呢，不加任何東西可以互聯(lián)我的設(shè)備，EtherCAT它不是基于TCRP的架構(gòu)的，但是它這兩種是基于TCRP的架構(gòu)，但缺點(diǎn)是實(shí)時(shí)性、速度不夠快。EtherCAT滿足我們機(jī)器人的應(yīng)用沒有問題的。
目前來說國(guó)內(nèi)外不管是歐美，還是咱們國(guó)內(nèi)的伺服系統(tǒng)，現(xiàn)在高端一點(diǎn)的都采用DSP或ARM CPLD，實(shí)現(xiàn)模擬輸入，反饋和電機(jī)控制算法等。這些不講了，我們里面的東西基本上都是國(guó)外的一些產(chǎn)品，不知道大家有沒有用過?DSP或ARM CPLD，有沒有用國(guó)產(chǎn)?現(xiàn)在也是我們致命的問題，技術(shù)的發(fā)展需要時(shí)間的積累，因?yàn)樯衔缏犃艘幌拢X得我們形勢(shì)大好，其實(shí)不是這樣的，其實(shí)我們形勢(shì)很嚴(yán)峻。
在機(jī)械系統(tǒng)里面，其實(shí)存在多個(gè)多頻振動(dòng)的情況，當(dāng)不同速度工作的情況下引起的振動(dòng)，我覺得應(yīng)該把這個(gè)功能做進(jìn)去。
另外一個(gè)就是自適應(yīng)適應(yīng)增益參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)慣量自適應(yīng)辨識(shí)整定。這個(gè)東西不是那么容易做的，一定要有大量的數(shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)的積累，才能做到這一點(diǎn)，不是說改變一個(gè)參數(shù)，其實(shí)很危險(xiǎn)的，往往會(huì)帶來系統(tǒng)的不穩(wěn)定，但是安川電機(jī)做到了。
為什么做磁飽和控制，對(duì)于電感來說它隨著電流變化的，因?yàn)檫@個(gè)來源于什么?電源的變化，磁場(chǎng)的變化，對(duì)這個(gè)磁場(chǎng)進(jìn)行控制，對(duì)于國(guó)內(nèi)外一些驅(qū)動(dòng)器了解一下，在這個(gè)方面做控制的也不多。
再說一下我們伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的情況，其實(shí)也不是很悲觀，現(xiàn)在從我們市場(chǎng)來說，從整體來說，歐美、日本，大概占到我們國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的75%，國(guó)產(chǎn)的話有25%，這個(gè)國(guó)產(chǎn)25%里面，還有12%是臺(tái)灣的，其實(shí)我們真的國(guó)產(chǎn)的占比很少，一年中國(guó)賣1千多萬的伺服系統(tǒng)，我們國(guó)產(chǎn)只占100多萬，這是我們需要深思的。
同樣反饋元件也是致命問題，95%以上的反饋元件都被歐美和日本壟斷，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用上，國(guó)產(chǎn)率基本為0%。
還有一個(gè)就是制動(dòng)器，搞電機(jī)的都知道，我們要用制動(dòng)器的話，搞一款國(guó)產(chǎn)的很難，找一款國(guó)內(nèi)知名品牌更難，歐美的，KEB、Kendrion，在這兒不是宣傳國(guó)外的產(chǎn)品，我們國(guó)內(nèi)應(yīng)該做這個(gè)產(chǎn)品，應(yīng)該有企業(yè)發(fā)明這個(gè)產(chǎn)品，這樣才能把伺服的上下游發(fā)展起來，能夠真正做到跟國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)。
磁材方面，日本技術(shù)領(lǐng)先，超薄的硅鋼片我們國(guó)家目前還制造不出，這也是我們技術(shù)的一個(gè)瓶頸。包括其他的一些絕緣材料等等，現(xiàn)在只好選擇一些美國(guó)或者德國(guó)的，國(guó)內(nèi)的總體性能差，它的伸縮長(zhǎng)度是變化的，導(dǎo)致你的電機(jī)一次性差，要做好的電機(jī)沒有辦法，還是得用國(guó)外的產(chǎn)品。包括國(guó)外的也好，這些都是我們面臨問題。
功率模塊，這些技術(shù)我們都知道，在發(fā)展中。但是我們找不到國(guó)產(chǎn)，找MOSFET，或者找IPM，或者找東芝等等公司，我們國(guó)家其實(shí)做研究80年代就開始了，為何到現(xiàn)在沒有產(chǎn)品?這也是我們從事這個(gè)行業(yè)令人心痛的事情。
從伺服驅(qū)動(dòng)器來說，我們國(guó)家存在的差距很大，尤其是基礎(chǔ)。經(jīng)常聽到人家說要彎道超車，我很反對(duì)的，沒有精湛的技術(shù)怎么彎道超車?一定要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，絕緣材料等等，其實(shí)可以發(fā)展很多新的企業(yè)，產(chǎn)業(yè)方向，控制芯片等等，我記得在清華大學(xué)上研究生的時(shí)候就在研究芯片，到現(xiàn)在這方面的發(fā)展也沒有很大起色，我們國(guó)內(nèi)產(chǎn)品系列化不多，機(jī)器人占整個(gè)行業(yè)的不到5%到8%，真正國(guó)內(nèi)1千多萬個(gè)，機(jī)器人能夠占到10幾萬就不錯(cuò)了，也就是兩三萬臺(tái)是國(guó)產(chǎn)的。從整個(gè)行業(yè)來說，像包裝機(jī)械，一個(gè)企業(yè)用三四萬套的驅(qū)動(dòng)，這些市場(chǎng)基本被三菱和安川壟斷。國(guó)內(nèi)搞低價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)，其實(shí)這個(gè)對(duì)我們產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常不利，這個(gè)事情政府應(yīng)該好好考慮，市場(chǎng)不規(guī)范，也是影響這個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的致命問題。我們國(guó)家的電氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)完全照搬歐美的，應(yīng)該體現(xiàn)我們國(guó)家的一些技術(shù)發(fā)展。我們看到差距，也看到我們的發(fā)展，把我們核心零部件公司羅列出來，看到我們國(guó)家核心部件的企業(yè)也在發(fā)展，新時(shí)達(dá)、新松，雖然在困境中發(fā)展還是不錯(cuò)的。機(jī)器人在電機(jī)方面，真正用上機(jī)器人電機(jī)的，國(guó)產(chǎn)的實(shí)在太少，我們杭州楨正也是國(guó)產(chǎn)的，用在機(jī)器人身上的電機(jī)還是有一定的性能。
驅(qū)動(dòng)器方面，我覺得清能德創(chuàng)做的還是值得尊重的，在這么困難的情況下做出來跟歐美媲美的，還是值得驕傲的，固高、新時(shí)達(dá)等等一些公司，固高它自己做了很多驅(qū)動(dòng)器的工作，一體化的驅(qū)動(dòng)器還是不錯(cuò)的，新時(shí)達(dá)也是不錯(cuò)的。減速器方面，綠的，振康還是不錯(cuò)的。
前面說了很多悲觀的問題，下面介紹一些我們公司的情況，我們做了很多不同的產(chǎn)品，有低慣量伺服電機(jī)，也有大功率的伺服電機(jī)。
我們伺服電機(jī)在工業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用方面，擁有4公斤到800公斤機(jī)器人的應(yīng)用配置，低慣量伺服電機(jī)在Delta機(jī)器人上的應(yīng)用，低慣量電動(dòng)機(jī)，servomotor，用作自動(dòng)控制裝置中執(zhí)行元件的微特電機(jī)。又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。其功能是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度。
500毫米距離，80毫米高度的工作，可達(dá)170次/分鐘。現(xiàn)在我們正在推廣，我們推出來的產(chǎn)品是0.9NM(納米)到45NM(納米)上全覆蓋。我們這個(gè)產(chǎn)品是針對(duì)機(jī)器人的一些客戶，針對(duì)他們開發(fā)的。
編后語：
江博士把整個(gè)機(jī)器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，尤其是電機(jī)詳細(xì)梳理一下，其他部件分類講解，讓大家清醒看清與國(guó)外技術(shù)、市場(chǎng)的差距，并且也羅列了在核心零部件領(lǐng)域具有核心技術(shù)價(jià)值和競(jìng)爭(zhēng)力的國(guó)產(chǎn)機(jī)器人品牌，正是因?yàn)榇嬖谶@種差異，才使大家有了值得努力和奉獻(xiàn)的空間。