從伺服驅(qū)動技術(shù) 看清與國外技術(shù)的差距
http://www.mozp.cn杭州楨正機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)機械制造及其自動化專業(yè)，獲得博士學(xué)位，后赴美，擔(dān)任美國加州大學(xué)戴維斯分校的博士后。他對伺服驅(qū)動技術(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。
在本文計劃發(fā)稿時，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 對此深感痛惜。
2016年10月30日伺服驅(qū)動 中國國際機器人高峰論壇工業(yè)機器人分論壇上技術(shù)，杭州楨正機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)機器人關(guān)鍵技術(shù)技術(shù)，伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展》為題技術(shù)，分析了目前機器人核心零部件的國內(nèi)外差距，同時也介紹了杭州楨正在伺服電機技術(shù)上做出的一些突破。以下是演講整理文字：
工業(yè)機器人核心部件大家都很清楚差距，近年來伺服電機技術(shù)發(fā)展差距，以國外的西門子差距，還有奔馳，美國的一些企業(yè)為主流，推出一系列產(chǎn)品，目前的技術(shù)進展，最近這幾年從理論上來說沒有新的突破，主要還是落實在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝，在技術(shù)上大大降低損耗，提高密度。這種技術(shù)，目前國內(nèi)外都有，但是，有些工業(yè)比較落后的企業(yè)達不到這個水平。
就電機本身來說我們?nèi)绾翁岣咚拿芏?，包括西門子等都采用斜槽或斜級，降低齒槽轉(zhuǎn)矩，提高電機速度的平穩(wěn)性，也會降低額定扭矩。
伺服電機技術(shù)進展(材料)，現(xiàn)在材料目前國內(nèi)電機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，我們國家現(xiàn)在還是實驗性的基礎(chǔ)階段。至少比國外落后10年。
另外編碼器技術(shù)，也是我們的瓶頸，我們電機的反饋編碼器包括各種傳感器，基本上都是采用國外進口的一些產(chǎn)品，包括SICKStegmann，一個電機的產(chǎn)品，比如說價格3千，編碼器可能占1千，利潤其實大部分都是編碼器里面，真正的電機本身利潤很低的。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，里面只有一個電源線集成一起的，一條電纜線就可以了，這樣對我們整個系統(tǒng)的設(shè)計，對布線成本都是有很大幫助的。
最近幾年從電機發(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，這些產(chǎn)品有它很重要的應(yīng)用背景，比如說直驅(qū)電機，這種電機確實很好，它去掉傳統(tǒng)部件，大大提高我們整個系統(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)，因為直驅(qū)電機，要達到同樣的扭矩，直驅(qū)電機的體積增大，因為扭矩密度跟體積成正比的。直線電機，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，無背隙、高動態(tài)響應(yīng)，在高精度雕銑(高光機)，激光加工、精密定位平臺等領(lǐng)域。
對于前幾年有些熱的集成式伺服電機，其實有很大的問題，存在發(fā)熱問題，必須降低使用，不適合重載機器人應(yīng)用。比較適合在小功率的人工協(xié)作機器人上應(yīng)用。
總體來說，對于集成的伺服電機，我在美國曾經(jīng)研究過這個電機，同時也產(chǎn)品化，但是銷售情況不盡如人意，從2011年底推上市場，沒有超過1千臺，但這個概念是好的。
剛才清能德創(chuàng)的湯總也談到很多伺服領(lǐng)域的事情，國內(nèi)新時達等等一些企業(yè)也做很多好的產(chǎn)品，但是總體來說我們跟國外還是有一些差距。不是說我們伺服本身的差距，其實還是核心技術(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是我們中國人定義的，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，先進的控制算法，自適應(yīng)振動抑制，自適應(yīng)參數(shù)整定，齒槽轉(zhuǎn)矩補償，磁飽和控制，弱磁控制。
在安全功能方面，國內(nèi)我們以前很少考慮安全的功能，SIL的安全功能，是歐美的啟動器普遍采用的安全功能技術(shù)。
我這里列出來美國羅克韋爾的架構(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)，但缺點是實時性、速度不夠快。EtherCAT滿足我們機器人的應(yīng)用沒有問題的。
目前來說國內(nèi)外不管是歐美，還是咱們國內(nèi)的伺服系統(tǒng)，現(xiàn)在高端一點的都采用DSP或ARM CPLD，實現(xiàn)模擬輸入，反饋和電機控制算法等。這些不講了，我們里面的東西基本上都是國外的一些產(chǎn)品，不知道大家有沒有用過?DSP或ARM CPLD，有沒有用國產(chǎn)?現(xiàn)在也是我們致命的問題，技術(shù)的發(fā)展需要時間的積累，因為上午聽了一下，覺得我們形勢大好，其實不是這樣的，其實我們形勢很嚴(yán)峻。
在機械系統(tǒng)里面，其實存在多個多頻振動的情況，當(dāng)不同速度工作的情況下引起的振動，我覺得應(yīng)該把這個功能做進去。
另外一個就是自適應(yīng)適應(yīng)增益參數(shù)，可實現(xiàn)慣量自適應(yīng)辨識整定。這個東西不是那么容易做的，一定要有大量的數(shù)據(jù)，經(jīng)驗的積累，才能做到這一點，不是說改變一個參數(shù)，其實很危險的，往往會帶來系統(tǒng)的不穩(wěn)定，但是安川電機做到了。
為什么做磁飽和控制，對于電感來說它隨著電流變化的，因為這個來源于什么?電源的變化，磁場的變化，對這個磁場進行控制，對于國內(nèi)外一些驅(qū)動器了解一下，在這個方面做控制的也不多。
再說一下我們伺服驅(qū)動產(chǎn)品在國內(nèi)的情況，其實也不是很悲觀，現(xiàn)在從我們市場來說，從整體來說，歐美、日本，大概占到我們國內(nèi)市場的75%，國產(chǎn)的話有25%，這個國產(chǎn)25%里面，還有12%是臺灣的，其實我們真的國產(chǎn)的占比很少，一年中國賣1千多萬的伺服系統(tǒng)，我們國產(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)機器人應(yīng)用上，國產(chǎn)率基本為0%。
還有一個就是制動器，搞電機的都知道，我們要用制動器的話，搞一款國產(chǎn)的很難，找一款國內(nèi)知名品牌更難，歐美的，KEB、Kendrion，在這兒不是宣傳國外的產(chǎn)品，我們國內(nèi)應(yīng)該做這個產(chǎn)品，應(yīng)該有企業(yè)發(fā)明這個產(chǎn)品，這樣才能把伺服的上下游發(fā)展起來，能夠真正做到跟國外競爭。
磁材方面，日本技術(shù)領(lǐng)先，超薄的硅鋼片我們國家目前還制造不出，這也是我們技術(shù)的一個瓶頸。包括其他的一些絕緣材料等等，現(xiàn)在只好選擇一些美國或者德國的，國內(nèi)的總體性能差，它的伸縮長度是變化的，導(dǎo)致你的電機一次性差，要做好的電機沒有辦法，還是得用國外的產(chǎn)品。包括國外的也好，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。但是我們找不到國產(chǎn)，找MOSFET，或者找IPM，或者找東芝等等公司，我們國家其實做研究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行業(yè)令人心痛的事情。
從伺服驅(qū)動器來說，我們國家存在的差距很大，尤其是基礎(chǔ)。經(jīng)常聽到人家說要彎道超車，我很反對的，沒有精湛的技術(shù)怎么彎道超車?一定要加強基礎(chǔ)研究，絕緣材料等等，其實可以發(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，我們國內(nèi)產(chǎn)品系列化不多，機器人占整個行業(yè)的不到5%到8%，真正國內(nèi)1千多萬個，機器人能夠占到10幾萬就不錯了，也就是兩三萬臺是國產(chǎn)的。從整個行業(yè)來說，像包裝機械，一個企業(yè)用三四萬套的驅(qū)動，這些市場基本被三菱和安川壟斷。國內(nèi)搞低價格競爭，其實這個對我們產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常不利，這個事情政府應(yīng)該好好考慮，市場不規(guī)范，也是影響這個產(chǎn)業(yè)發(fā)展的致命問題。我們國家的電氣行業(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，看到我們國家核心部件的企業(yè)也在發(fā)展，新時達、新松，雖然在困境中發(fā)展還是不錯的。機器人在電機方面，真正用上機器人電機的，國產(chǎn)的實在太少，我們杭州楨正也是國產(chǎn)的，用在機器人身上的電機還是有一定的性能。
驅(qū)動器方面，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、新時達等等一些公司，固高它自己做了很多驅(qū)動器的工作，一體化的驅(qū)動器還是不錯的，新時達也是不錯的。減速器方面，綠的，振康還是不錯的。
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，也有大功率的伺服電機。
我們伺服電機在工業(yè)機器人上的應(yīng)用方面，擁有4公斤到800公斤機器人的應(yīng)用配置，低慣量伺服電機在Delta機器人上的應(yīng)用，低慣量電動機，servomotor，用作自動控制裝置中執(zhí)行元件的微特電機。又稱執(zhí)行電動機。其功能是將電信號轉(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。我們這個產(chǎn)品是針對機器人的一些客戶，針對他們開發(fā)的。
編后語：
江博士把整個機器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，尤其是電機詳細梳理一下，其他部件分類講解，讓大家清醒看清與國外技術(shù)、市場的差距，并且也羅列了在核心零部件領(lǐng)域具有核心技術(shù)價值和競爭力的國產(chǎn)機器人品牌，正是因為存在這種差異，才使大家有了值得努力和奉獻的空間。