工业4.0数字化背景下的突围

当前，国产伺服控制系统在工业机器人的配套市场份额中，占比仍不到30%！

随着国家工业4.0 以及智造2025计划的发布，国家在工业领域的一系列产业政策都围绕着推进先进制造的数字智能化而展开，进而大力促使各大中型骨干企业纷纷开始了数字化的转型升级。所谓的数字化升级，在硬件设施层面，本质就是机电一体化的生产模式，即工业自动化。

国家的产业促进政策总是抓大放小的。在政策资金的激励下，大中型骨干企业的数字化发展，令更多生产要素向它们集聚，使得各产业的骨干企业获得了越来越多的竞争优势和行业支配地位。这样一来，越来越多的下游中小制造企业在人才竞争、劳动力成本、以及产能和品质交付能力方面，面临着巨大的困境，不得不自发向数字化转型靠拢：首先力图在工业自动化的生产模式方面谋求突破。

工业机器人是工业自动化生产的基础设施，伺服控制系统是机器人的重要组成部分。

工业机器人是可实现再编程、具有自动控制和执行能力的机电一体化的生产制造装置。如工业机器人与周边的感应感知系统建立馈变效应，则可实现智能化的数字生产系统，获得以下能力：自适应制造场景、完成操作任务的操作和节能能力；从任务中学习工作方法的学习进化能力；与人类或其它机器人装置实现任务分配和优化的协作能力；能自评估、对故障和场景进行预判检测的自我诊断能力。

由此可见，工业机器人要实现智能数字化的生产制造任务，关键核心在于驱动其学习和行动的大脑：伺服控制系统。伺服控制系统是工业机器人实现工业自动化的重要组成部分，是自动化制造过程中实现精确定位、精准运动的必要机构。在结构组成方面，工业机器人的伺服控制系统由伺服驱动控制器、伺服电机、减速机、反馈装置（编码器和传感器）四大部分构成。此基础上再深入进化，比如要进化到数字化智能制造，则还需与云AI（人工智能云）结合，通过建构大数据的神经元网络化模型实现工业机器人的自学习进化能力。

尽管使用工业机器人不仅仅在于代替人力，它或许能在未来拥有强大的制造能力，但对于机器人制造商和机器人用户而言，选择合适的伺服控制系统始终是一项艰难的任务。在工业机器人的总制造成本中，伺服控制系统的成本就高达70%之多（含减速机），而其本体及相关附件仅占30%不到，由此可见，伺服控制系统是实现机器人本体控制和驱动机构控制的重要部分。

伺服控制系统的结构和组成部件

一般来说，工业机器人的伺服控制系统包括信息信号装置（如PLC工控或中央处理器或云AI）和传感器、伺服控制器、伺服电机和执行机构（减速机、执行手臂、操作器等）。通常情况下，机器人伺服控制系统是指应用于多轴运动控制的精密伺服系统。

一个多轴运动控制系统是由高阶运动控制器与低阶伺服驱动器所组成，运动控制器负责运动控制命令译码、各个位置控制轴彼此间的相对运动、加减速轮廓控制等等，其主要作用在于降低整体系统运动控制的路径误差;伺服驱动器负责伺服电机的位置控制，其主要作用在于降低伺服轴的追随误差。

在上图中，伺服驱动器发出驱动控制信号的源头来自上层中央处理器（目标发生装置，也可以是PLC）或半闭式和全闭式的传感系统。伺服电机可以是异步电机也可以是同步电机，具体视使用场景的功率而定；机械部件即为执行机构（减速机亦在其中），即在电机的驱动下作出人类所需要的执行动作，如动作的速度、位置精度、以及力度等等与减速机和伺服控制的算法关系密切。

简单地说，伺服控制驱动器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各种运动的执行机构，它具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点，在机器人中应用广泛。

伺服控制驱动器

工业机器人的伺服驱动原理也可以从下图获得更直观的认知：

伺服控制系统的特点和要求

工业机器人的伺服控制系统与一般机床的进给系统有本质上差别，它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度、位置以及力矩，如果在伺服控制器上增加边缘计算能力，则还会具有一定的检测和学习能力。伺服控制系统是数控装置和生产机台的联系环节，是数字化智能制造系统的重要组成，它具有以下特点：

1、必须具备高精度的传感器，能准确地给出输出量的电信号。

2、功率放大器以及控制系统都必须是可逆的。

3、足够大的调速范围及足够强的低速带载性能。

4、快速的响应能力和较强的抗干扰能力。

5、功能可扩展性，如协议兼容、智能进化、馈变反应等。

工业机器人对伺服电机的要求比其它部分都要高得多

首先要求伺服电机具有快速响应性。电机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电机的机电时间常数的大小来说明伺服电机快速响应的性能。

其次，伺服电机的起动转矩惯量比要大。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。

最后，伺服电机要具有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。

当然，为了配合机器人的体形，伺服电机必须体积小、质量小、轴向尺寸短。还要经受得起苛刻的运行条件，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。

工业机器人伺服控制系统的发展趋势

随着工业机器人的应用越来越多，用户对伺服控制驱动技术的要求也越来越高。总的来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面：

集成化：伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件如IGBT和DSP集成电路以及一些边缘计算芯片等，这些器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中，构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化显著地缩小了整个控制系统的体积。

智能和网络化：伺服控制系统的智能化，未来将趋向云端大数据计算的发展，表现在以下几个方面:系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由中央处理器来实现（远程在线编程）;它们具有故障自诊断与分析功能，参数自整定和自学习的功能；实现更可靠、更稳固的安全生产预监测体系和信息安全防护机制，这是传统工业自动化无法达成的任务。

联机云端的大数据处理中心，可以给予带自整定功能的伺服单元进行云端仿真试运行（数字孕生技术），自动与人类或周边机器人实现其最优化的协作，使得数字化智能工厂的产线生产更安全。

简易化和节能：这里所说的“简”不是简单而是精简，即根据企业用户情况，将用户使用的伺服功能予以强化，使之专而精，而将不使用的一些功能予以精简，从而降低了伺服系统成本，为客户创造更多的收益。比如，伺服系统因无须象传统液压机电系统一样处于全时的全功率运行，一是根据具体的驱动指令要求、输出确定数值的力矩动作；二是在没有驱动指令时则没有驱动电流输出；这样就可以大大节省电力能耗的消耗。通常，使用伺服系统的数字化设备相对传统的液压驱动设备，可节能30%-70%。

国产伺服控制系统的市场现状（以下数据和部分结论源自高工机器人研究所）

从市场情况来看，2018年交流伺服系统市场规模增速下滑明显，而工业机器人用伺服系统的需求规模逐年增加，且工业机器人专用伺服占交流伺服系统市场比重逐年上升。

GGII数据显示，2018年交流伺服系统市场规模69.42亿元，同比增速3.93%；其中，用于工业机器人领域的交流伺服系统，2014-2018年，市场规模从9.96亿元增至21.50亿元，占交流伺服系统总市场规模的比重从17.54%增长至30.97%。

工业机器人用伺服系统作为机器人重要的核心零部件之一，随着机器人市场前景看好，机器人用伺服系统将在交流伺服市场规模比重中逐渐上升。GGII预计，至2023年，机器人用伺服系统市场占比将提升至40%以上，市场规模达41.0亿元。

工业机器人用伺服系统市场规模及占比情况预测(单位：%，亿元)

数据来源：高工产研机器人研究所（GGII）

目前，工业机器人用伺服主要分为日系、欧系和国产三大类。

日系代表厂商主要有安川、三菱、山洋、松下、富士、多摩川等；

欧系代表厂商主要有西门子、施耐德、博世力士乐、ABB、科尔摩根等；

国产代表厂商主要有汇川、台达、埃斯顿、禾川、华数、翡叶动力、儒竟等。

一直以来，中国工业机器人伺服系统市场均由外资主导，外资厂商占据中高端的市场份额，国产份额虽逐年提升，但市场份额依然偏小。GGII统计数据显示，2018年国产工业机器人用伺服系统市场占比为22.34%，绝大部分市场份额仍由外资占据。

工业机器人国产伺服系统在2018年的市场份额（单位：%）

数据来源：高工产研机器人研究所（GGII）

尽管国产伺服电机、驱动等取得了一定突破，但与外资企业尚存在较大的差距，主要体现在下游接受度与产品核心性能上。从长远来看，伺服控制系统市场呈分层态势：外资依然占据并主导中高端市场，国产逐渐满足中低端市场需求，但向高端突破稍显乏力。

从市场的角度看，未来国产伺服系统市场接受度将逐步提高，市场份额也将逐年获提升。GGII预计到2023年，国产市场份额将突破40%。

原因有二：

从本体市场国产化率逐步提升的趋势下看，国产本体头部企业长期稳定地采购国产零部件，对国产伺服品牌企业的成长具有较大的促进作用。

从技术的角度看，国产中短期内还将处于追赶的阶段，如目前提出的核心零部件机电一体化趋势，国内外头部企业纷纷开发机电一体化模块，如科尔摩根发布RGM机器人关节模组，高度集成了无框力矩电机，低压直流驱动器，专用谐波减速机，RV制动器，双反馈系统及传感器等六大功能模块，实现一步到位的机器人关节解决方案。日本哈默纳科提出“整体运动控制”，将减速机与电机、传感器等进行组合集成。

总体来说，无论从技术还是产业应用方面，我们的国产伺服控制系统仍远远落后于先进西方国家，未来的国产替代仍然任重而道远。