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工业机器人的五种关键零部件

工业机器人是先进制造业的关键支撑装备。大力发展工业机器人产业,对于打造中国制造新优势,推动工业转型升级,加快制造强国建设具有重要意义。

发展工业机器人,要重点打造六种标志性产品,五种关键零部件,四种基本能力。本期中发智造为大家介绍五种关键零部件——高精密减速器、高性能机器人专用伺服电机和驱动器、高速高性能控制器、传感器、末端执行器。

一、高精密减速器

精密减速器,在机械传动领域是连接动力源和执行机构之间的中间装置,通常它把电动机、内燃机等高速运转的动力通过输入轴上的小齿轮,啮合输出轴上的大齿轮,从而达到降低转速,增加转矩的目的。

没有减速器,机器人关节臂就不能正常运转。

精密减速机根据精度可分为标准精度和高精度;根据用途可分为军用和民用;根据运行的环境可分为标准环境、低温环境、清洁室环境和真空环境。

目前国际上具备大规模生产能力且产品性能可靠的RV减速器制造企业较少,全球绝大多数市场份额已被日本企业占据。国产减速器价格虽然便宜,供货期短,但产品性能与国外产品存在较大差距。因此,国产减速器大多只能供给中、低端机器人使用,无法满足高端机器人市场需求。

为此,《机器人发展规划》明确,通过发展高强度耐磨材料技术、加工工艺优化技术、高速润滑技术、高精度装配技术、可靠性,探索寿命检测技术以及新型传动机理,发展适合机器人应用的高效率、低重量、长期免维护的系列化减速器。

二、高性能机器人专用伺服电机和驱动器

伺服电机作为控制系统中的执行元件,是影响机器人工作性能的主要因素之一。机器人伺服系统由伺服电机、伺服驱动器、指令机构三大部分构成,伺服电机是执行机构,就是靠它来实现运动的,伺服驱动器是伺服电机的功率电源,指令机构是发脉冲或者给速度用于配合伺服驱动器正常工作的。

目前,高启动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛的应用。国产伺服电机在以下方面仍需突破:

一是外形普遍较长,外观粗糙,很难应用在一些高档机器人上面。

二是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优化,方便安装、调试、更换。

三是另一项核心技术——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。

四是缺失基础性研究,包括绝对值编码器技术、高端电机的产业化制造技术等等。

五是伺服系统各部分产业协同不够,导致伺服电机和驱动系统整体性能难以发挥。

伺服电机不仅直接关乎国内机器人企业的市场竞争力,长远来看,对于整个中国机器人产业的发展具有战略意义。为此《机器人发展规划》特别强调,通过高磁性材料优化、一体化优化设计、加工装配工艺优化等技术的研究,提高伺服电机的效率,降低功率损失,实现高功率密度。发展高力矩直接驱动电机、盘式中空电机等机器人专用电机。


三、高速高性能控制器

指挥机器人工作的是人类吗?不,是控制器。工业机器人控制器主要控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹,操作顺序及动作的时间等。

控制器是发布命令的“决策机构”,是自动化工厂的大脑。掌握控制器的主导权,相当于控制了机器人的性能。在中国,四大家族的控制器市场占比为53%,其中,发那科占比16%,库卡占比14%,ABB机器人占比12%。而国产品牌控制器市场占比不及16%,可见在中国控制器领域,国产程度较低。

目前国产控制器市场主要存在以下问题:

1、国产控制器可控制的机器人类型齐全,但在操作精度、稳定性、响应速度、易用性等方面还有很大的进步空间。

2、机器人本体和零部件绑定效应强,一般成熟的机器人企业都能实现本体和核心零部件的自主研发和掌控,因此,国产单纯做控制器的企业难以突围。

3、国产控制器性价比高,这个既是优势也是劣势,优势是可占领对机器人精度要求不高的中低端市场和新兴领域;劣势主要表现在对于高端市场,道阻且长。

为此,《机器人发展规划》特别强调,通过高性能关节伺服、振动抑制技术、惯量动态补偿技术、多关节高精度运动解算及规划等技术的发展,提高高速变负载应用过程中的运动精度,改善动态性能。发展并掌握开放式控制器软件开发平台技术,提高机器人控制器可扩展性、可移植性和可靠性。

四、传感器

传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并将其按一定规律转换成电信号或者其他可供测量的信号输出,以满足信息传输、处理、储存、显示、记录、控制等要求。

工业机器人的准确操作取决于对其自身状态、操作对象及作业环境的准确认识,这种认识正是通过传感器实现的。

由于行业起步晚、竞争压力大,我国传感器发展依然面临三大困境。

首先是关键技术尚未突破。传感器的设计技术囊括了多种学科、理论、材料和工艺知识,突破起来十分困难,目前,在人才匮乏、研发成本高昂、企业恶性竞争激烈的情况下,我国还没有突破传感器一些共性关键技术。

其次是产业化能力不足。国内传感器产品不配套且不成系列,重复生产、恶性竞争多发,使得产品可靠性较差、低端偏移较为严重,只能长期依赖国外进口。

再次是资源不集中。目前我国传感器企业有1600余家,但大都以小微企业为主,盈利能力不强,缺乏技术引领的龙头企业,最终导致资金、技术、企业布局、产业结构、市场等方面都变现出分散的状态,资源得不到有效集中,产业发展也迟迟无法走向成熟。

为此,《机器人发展规划》特别强调重点开发关节位置、力矩、视觉、触觉等传感器,满足机器人产业的应用需求。

五、末端执行器

末端执行器指的是任何一个连接在机器人边缘(关节)具有一定功能的工具。这可能包含机器人抓手,机器人工具快换装置,机器人碰撞传感器,机器人旋转连接器,机器人压力工具,顺从装置,机器人喷涂枪,机器人毛刺清理工具,机器人弧焊焊枪,机器人电焊焊枪等等。机器人末端执行器通常被认为是机器人的外围设备,机器人的附件,机器人工具,手臂末端工具(EOA)。

随着工业机器人快速发展,末端执行器也获得了庞大的应用与发展空间。为此,《机器人发展规划》特别强调,要重点开发抓取与操作功能的多指灵巧手和具有快换功能的夹持器等末端执行器,满足机器人产业的应用需求。

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