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工業機器人的五種關鍵零部件

發布時間: 2020-10-09 18:14

  工業機器人是先進制造業的關鍵支撐裝備。大力發展工業機器人產業,對于打造中國制造新優勢,推動工業轉型升級,加快制造強國建設具有重要意義。

  發展工業機器人,要重點打造六種標志性產品,五種關鍵零部件,四種基本能力。本期中發智造為大家介紹五種關鍵零部件——高精密減速器、高性能機器人專用伺服電機和驅動器、高速高性能控制器、傳感器、末端執行器。

  一、高精密減速器

  精密減速器,在機械傳動領域是連接動力源和執行機構之間的中間裝置,通常它把電動機、內燃機等高速運轉的動力通過輸入軸上的小齒輪,嚙合輸出軸上的大齒輪,從而達到降低轉速,增加轉矩的目的。

  沒有減速器,機器人關節臂就不能正常運轉。

  精密減速機根據精度可分為標準精度和高精度;根據用途可分為軍用和民用;根據運行的環境可分為標準環境、低溫環境、清潔室環境和真空環境。

  目前國際上具備大規模生產能力且產品性能可靠的RV減速器制造企業較少,全球絕大多數市場份額已被日本企業占據。國產減速器價格雖然便宜,供貨期短,但產品性能與國外產品存在較大差距。因此,國產減速器大多只能供給中、低端機器人使用,無法滿足高端機器人市場需求。

  為此,《機器人發展規劃》明確,通過發展高強度耐磨材料技術、加工工藝優化技術、高速潤滑技術、高精度裝配技術、可靠性,探索壽命檢測技術以及新型傳動機理,發展適合機器人應用的高效率、低重量、長期免維護的系列化減速器。

  二、高性能機器人專用伺服電機和驅動器

  伺服電機作為控制系統中的執行元件,是影響機器人工作性能的主要因素之一。機器人伺服系統由伺服電機、伺服驅動器、指令機構三大部分構成,伺服電機是執行機構,就是靠它來實現運動的,伺服驅動器是伺服電機的功率電源,指令機構是發脈沖或者給速度用于配合伺服驅動器正常工作的。

  目前,高啟動轉矩、大轉矩、低慣量的交、直流伺服電動機在工業機器人中得到廣泛的應用。國產伺服電機在以下方面仍需突破:

  一是外形普遍較長,外觀粗糙,很難應用在一些高檔機器人上面。

  二是信號接插件的可靠性需要改進,而且需要朝小型化、高密度化以及與伺服電機本體的集成設計的方向優化,方便安裝、調試、更換。

  三是另一項核心技術——高精度的編碼器,尤其機器人上用的多圈絕對值編碼器,嚴重依賴進口,是制約我國高檔機器人發展的很大瓶頸。

  四是缺失基礎性研究,包括絕對值編碼器技術、高端電機的產業化制造技術等等。

  五是伺服系統各部分產業協同不夠,導致伺服電機和驅動系統整體性能難以發揮。

  伺服電機不僅直接關乎國內機器人企業的市場競爭力,長遠來看,對于整個中國機器人產業的發展具有戰略意義。為此《機器人發展規劃》特別強調,通過高磁性材料優化、一體化優化設計、加工裝配工藝優化等技術的研究,提高伺服電機的效率,降低功率損失,實現高功率密度。發展高力矩直接驅動電機、盤式中空電機等機器人專用電機。

  三、高速高性能控制器

  指揮機器人工作的是人類嗎?不,是控制器。工業機器人控制器主要控制機器人在工作空間中的運動位置、姿態和軌跡,操作順序及動作的時間等。

  控制器是發布命令的“決策機構”,是自動化工廠的大腦。掌握控制器的主導權,相當于控制了機器人的性能。在中國,四大家族的控制器市場占比為53%,其中,發那科占比16%,庫卡占比14%,ABB機器人占比12%。而國產品牌控制器市場占比不及16%,可見在中國控制器領域,國產程度較低。

  目前國產控制器市場主要存在以下問題:

  1、國產控制器可控制的機器人類型齊全,但在操作精度、穩定性、響應速度、易用性等方面還有很大的進步空間。

  2、機器人本體和零部件綁定效應強,一般成熟的機器人企業都能實現本體和核心零部件的自主研發和掌控,因此,國產單純做控制器的企業難以突圍。

  3、國產控制器性價比高,這個既是優勢也是劣勢,優勢是可占領對機器人精度要求不高的中低端市場和新興領域;劣勢主要表現在對于高端市場,道阻且長。

  為此,《機器人發展規劃》特別強調,通過高性能關節伺服、振動抑制技術、慣量動態補償技術、多關節高精度運動解算及規劃等技術的發展,提高高速變負載應用過程中的運動精度,改善動態性能。發展并掌握開放式控制器軟件開發平臺技術,提高機器人控制器可擴展性、可移植性和可靠性。

  四、傳感器

  傳感器是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,并將其按一定規律轉換成電信號或者其他可供測量的信號輸出,以滿足信息傳輸、處理、儲存、顯示、記錄、控制等要求。

  工業機器人的準確操作取決于對其自身狀態、操作對象及作業環境的準確認識,這種認識正是通過傳感器實現的。

  由于行業起步晚、競爭壓力大,我國傳感器發展依然面臨三大困境。

  首先是關鍵技術尚未突破。傳感器的設計技術囊括了多種學科、理論、材料和工藝知識,突破起來十分困難,目前,在人才匱乏、研發成本高昂、企業惡性競爭激烈的情況下,我國還沒有突破傳感器一些共性關鍵技術。

  其次是產業化能力不足。國內傳感器產品不配套且不成系列,重復生產、惡性競爭多發,使得產品可靠性較差、低端偏移較為嚴重,只能長期依賴國外進口。

  再次是資源不集中。目前我國傳感器企業有1600余家,但大都以小微企業為主,盈利能力不強,缺乏技術引領的龍頭企業,最終導致資金、技術、企業布局、產業結構、市場等方面都變現出分散的狀態,資源得不到有效集中,產業發展也遲遲無法走向成熟。

  為此,《機器人發展規劃》特別強調重點開發關節位置、力矩、視覺、觸覺等傳感器,滿足機器人產業的應用需求。

  五、末端執行器

  末端執行器指的是任何一個連接在機器人邊緣(關節)具有一定功能的工具。這可能包含機器人抓手,機器人工具快換裝置,機器人碰撞傳感器,機器人旋轉連接器,機器人壓力工具,順從裝置,機器人噴涂槍,機器人毛刺清理工具,機器人弧焊焊槍,機器人電焊焊槍等等。機器人末端執行器通常被認為是機器人的外圍設備,機器人的附件,機器人工具,手臂末端工具(EOA)。

  隨著工業機器人快速發展,末端執行器也獲得了龐大的應用與發展空間。為此,《機器人發展規劃》特別強調,要重點開發抓取與操作功能的多指靈巧手和具有快換功能的夾持器等末端執行器,滿足機器人產業的應用需求。

 
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