機器人的概念已經(jīng)是非常地廣泛，本文所探討的是工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)所需的機器人關(guān)節(jié)用伺服電機，暫不涉及到服務(wù)型機器人的復(fù)合一體化關(guān)節(jié)伺服電機。

　　工業(yè)機器人大體上分類為線性機器人（又叫直角坐標(biāo)機器人）、多自由度機器人(又叫多關(guān)節(jié)機器人)、并聯(lián)機器人（又叫deltaΔ機器人）和水平多關(guān)節(jié)機器人（又叫scara機器人）。由各種類型的關(guān)節(jié)機械手臂和自動化傳輸設(shè)備結(jié)合而成的自動化島。不同功能的自動化島鏈接而成自動化線，不同的自動化線結(jié)合組成自動化車間。

　　在這些自動化工業(yè)機器人和自動化單元之間，伺服電機始終處于將機構(gòu)按照控制指令的要求準(zhǔn)確、及時、穩(wěn)妥地傳送到位的關(guān)鍵作用，所以屬于核心零部件。

　　永磁伺服電機的基本概念

　　伺服是根據(jù)控制電腦系統(tǒng)的指令能夠不折不扣執(zhí)行的意思，它不僅僅限于電動機、液壓，包括氣動在內(nèi)，能完成該任務(wù)的所有元件均為伺服原件。

　　電動機是將電能轉(zhuǎn)換成機械能的機電轉(zhuǎn)換部件。伺服電機是能被應(yīng)用于運動控制系統(tǒng)中的電動機，它的輸出參數(shù)，如位置、速度、加速度或轉(zhuǎn)矩都是可控的。

　　由于控制指標(biāo)的不同，伺服電機可以有不同類型。按照電源類型的不同可分為交流伺服電機和直流伺服電機；按照運轉(zhuǎn)方式又可分為直線型伺服電動機和旋轉(zhuǎn)型伺服電動機。直線型電動機直接產(chǎn)生牛頓力，旋轉(zhuǎn)型電動機輸出旋轉(zhuǎn)力矩。旋轉(zhuǎn)型電動機驅(qū)動直線型負(fù)載需要通過絲杠等機械機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。

　　旋轉(zhuǎn)型交流伺服電機按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為交流異步伺服電機和交流同步伺服電機。交流異步伺服電機轉(zhuǎn)子為鋁制或銅制鼠籠，鼠籠轉(zhuǎn)速始終和同步旋轉(zhuǎn)磁場有一定轉(zhuǎn)速差。該類型的電機在矢量調(diào)速技術(shù)下可獲得與直流電機一樣完美的力矩控制特性，但是轉(zhuǎn)子具有慣量大、恒功率特性好、調(diào)速范圍寬的特點，適合于機床切削和印刷機械收放卷類等大范圍的變慣量負(fù)載，缺點是啟動力矩小，電磁響應(yīng)速度不如永磁伺服電機，電磁時間常數(shù)值是永磁材料制成的永磁電機的10倍左右，又由于功率密度低，轉(zhuǎn)子尺寸大，所以不適合高動態(tài)的伺服場合。

　　旋轉(zhuǎn)型交流同步伺服電機的轉(zhuǎn)子使用的是永磁材料，直接產(chǎn)生勵磁磁場，不存在需要勵磁電流建立電機磁場的過程，所以電磁響應(yīng)快。并且，由于當(dāng)前的稀土永磁材料能量密度高，使得該類電機功率密度高，為進(jìn)一步設(shè)計成各種特性的伺服電機提供了可能。高動態(tài)響應(yīng)可以設(shè)計成細(xì)長型的小轉(zhuǎn)子慣量，也可以設(shè)計成粗短型的大轉(zhuǎn)子慣量。稀土永磁材料的使用奠定了永磁電機作為伺服電機的首選可能。由于稀土永磁材料仍然是伺服電機各材料中最昂貴的部分。不同廠家使用的材料的差異，將產(chǎn)品品質(zhì)分成了不同的層次。好的永磁材料可以是在150℃的工作溫度以上不會退磁，差的永磁材料在電機工作溫度不足120℃時可能就會出現(xiàn)退磁。永磁材料的直接決定著伺服電機的不同特性。

　　直線伺服電機直接輸出牛頓力，無需通過機構(gòu)轉(zhuǎn)換，可以獲得很高的加速度，近年來，技術(shù)進(jìn)步很快，廣泛應(yīng)用于高性能機床進(jìn)給軸，在工業(yè)機器人上僅限于部分用于線性機械手臂，不作為本文介紹的重點。本文重點討論旋轉(zhuǎn)型永磁伺服電機及其在工業(yè)機器人上的應(yīng)用。

　　旋轉(zhuǎn)型永磁電機的結(jié)構(gòu)

　　圖1所示的是典型的永磁伺服電機的結(jié)構(gòu)圖。為了全面描述，盡量通過一個圖可以看清永磁伺服電機結(jié)構(gòu)的全貌。事實上小功率永磁伺服電機在15kw以內(nèi)，可以自然散熱，無需設(shè)計冷卻風(fēng)機，電機小巧，無需通過安裝地腳固定，安裝吊環(huán)也是不必要的，引出線方式從接線盒改為航空插頭更為簡潔。這樣電機外形就變成圖2（a）所示的樣子，如果電機很小，在1kw以內(nèi)，引出線用的航空插頭也是不必要的，直接引出一段電纜甩線，就變成了圖2（b）所示的樣子。

　　這里假設(shè)讀者對于電機原理是理解的，僅從機器人電機的特點對永磁伺服電機的結(jié)構(gòu)做區(qū)別性說明。

　　軸承：伺服電機的壽命和軸承密切相關(guān)，由于機器人對可靠性和耐用性的要求，軸承至少要確保30000小時的使用壽命。這樣按照8小時工作制折算，至少機器人的使用壽命在10年以上，軸承的轉(zhuǎn)速要確保6000rpm可以斷續(xù)工作。

　　定子沖片和繞組：由于機器人電機需要高功率密度，為了體積小，鐵耗發(fā)熱小，沖片材料要在0.35mm以下的冷扎矽鋼片。繞組要長期經(jīng)受16K的變頻載波脈沖沖擊，為了防止被擊穿，承受密集的dv/dt沖擊，耐壓要不低于2500V。

　　轉(zhuǎn)子永磁材料：永磁材料是永磁伺服電機里最為昂貴的部分，稀土元素含量低的材料居里點低，材料穩(wěn)定性差，如果使用釹鐵硼永磁體，最好在UH42以上，并且，要注意鏑等稀土元素的含量，為了保證高溫抗退磁，釤鈷永磁體也經(jīng)常在中小伺服電機中廣泛使用。總之，要確保伺服電機在正常的使用場合真正永不退磁。否則，機器人的長期穩(wěn)定性能無法保障。

　　軸封：為了防止油污，雜物進(jìn)入電機，又要保證運轉(zhuǎn)，在電機軸端加軸封是常規(guī)設(shè)計。機器人常常在伺服電機的電機軸端銑一個小齒輪、電機和減速機直接相連，高溫和油污都可能進(jìn)入電機，因此，就需要多唇高溫軸封，比如雙唇氟橡膠軸封就比單唇丁晴橡膠軸封可靠，當(dāng)然成本差異也很大。

　　抱閘：抱閘是機器人電機的基本選項。近乎95%以上的伺服電機需要抱閘，要確保時刻抱閘，尤其在緊急停車時可靠運行，抱閘需要有足夠的安全系數(shù)，靜扭矩大約在電機額定扭矩的1.5倍左右，重載型機器人電機抱閘的安全系數(shù)要達(dá)到2.0甚至2.5倍。有一點需要注意的是，機器人電機的抱閘是安全制動器，不是剎車制動器，控制上要確保在急停狀態(tài)下通過制動電阻讓伺服驅(qū)動器的剎車電路工作，電機轉(zhuǎn)速接近0的時候抱閘動作。為了提高抱閘的響應(yīng)速度，永磁抱閘優(yōu)于電磁彈簧抱閘。

　　編碼器：編碼器安裝于電機尾端，是屬于電機速度和轉(zhuǎn)子位置傳感器�？梢詼y量轉(zhuǎn)子的位置用于伺服控制磁場定位和轉(zhuǎn)子實際位置和速度給控制電腦，用于運動軌跡計算。機器人電機編碼器一般精度不高，但需要多圈絕對位置可測量，保證斷電之后，再次運行，斷電前面的位置可以記憶。目前流行三種方式解決機器人電機編碼器的問題。第一種方式是單圈采用格雷碼光電或磁碼盤，多圈采用機械齒輪。這樣的好處是測量精度高，斷電后約會通過編碼器的機械位置記住電機的運行位置，上電后直接讀取即可，但缺點是編碼器太厚，在有限的安裝空間下就顯得過分長。第二種是單圈信心通過光電或磁編格雷碼記憶，多圈通過電池供電電子記憶，這樣就可以把編碼器做得很短，對外方小于60mm的小伺服電機非常適合。缺點是電池的使用壽命比較短，長則2-3年，有的1年就要更換電池。第三種方式是精度要求不高的場合才使用的旋轉(zhuǎn)變壓器測量單圈位置，多圈信息通過在控制箱里的帶電池電路板完成。

　　轉(zhuǎn)子軸伸：由于頻繁的正反轉(zhuǎn)，電機承受一定的剪切力，軸的材料最好采用42CrMo調(diào)制。若果電機帶鍵安裝，無論如何要把鍵滿裝，這樣才可以有效減小電機的的動平衡和跳動量。在高速運轉(zhuǎn)下，伺服電機帶鍵和光軸的空載運行跳動要相差9倍之多，不可小視。

　　永磁伺服電機主要傳動參數(shù)

　　工作區(qū)：在電動機溫升不超過允許溫升的條件下，電動機能長期工作的區(qū)域稱為連續(xù)工作區(qū)；在連續(xù)工作區(qū)之外，允許電動機短時運行的區(qū)域稱為斷續(xù)工作區(qū)。工作區(qū)用轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的二維平面坐標(biāo)表示。

　　額定功率PN：在連續(xù)工作區(qū)內(nèi)，電動機所能輸出的最大功率。

　　額定轉(zhuǎn)矩MN：在連續(xù)工作區(qū)內(nèi)，電動機輸出額定功率時的轉(zhuǎn)矩。不同制造商對于額定轉(zhuǎn)矩的定義差別很大。一般都要規(guī)定對應(yīng)的散熱條件。國外通行的做法是說明改指標(biāo)是在多少面積和厚度的鋁板法蘭上安裝，法蘭溫度保證在20℃或給定的溫度之下測量所得。所以實際工作中往往由于安裝在鑄鐵件，而且夏季高溫超出該測試標(biāo)準(zhǔn)溫度，這樣使用時如果不留有余量，就會造成過熱退磁。國標(biāo)規(guī)定環(huán)境溫度40度的標(biāo)準(zhǔn)條件對中國環(huán)境是比較合理的。嚴(yán)肅的廠商在按照標(biāo)準(zhǔn)測定的額定值之下會留取一定的設(shè)計余量作為公布的額定力矩，這樣更為安全。

　　額定電流IN：額定扭矩對應(yīng)的電流。

　　額定轉(zhuǎn)速nN：電動機在連續(xù)工作區(qū)內(nèi)，在額定轉(zhuǎn)矩下允許工作的最高轉(zhuǎn)速。

　　連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩MO：在連續(xù)工作區(qū)內(nèi)，電動機堵轉(zhuǎn)時所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩。一般轉(zhuǎn)速低于100rpm視為堵轉(zhuǎn)工作區(qū)間。

　　連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流I0：對應(yīng)連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時的電流。

　　峰值扭矩Mmax：允許電機輸出的最大力矩。不同廠商標(biāo)稱條件不同，且差異很大。有的標(biāo)注成退磁電流對應(yīng)的力矩，這樣的標(biāo)注實際是不可使用改峰值力矩的，機械設(shè)計人員要留有足夠的余量，以防工作力矩過大而使電機退磁失效。如果按照工作制標(biāo)注的最大力矩，那是在工程上具有參考價值的。按照S3-10%標(biāo)注的峰值力矩是最具有工程的參考價值，可以理解為連續(xù)工作時間3s所允許的最大工作轉(zhuǎn)矩，這在機器人上是足夠的。多關(guān)節(jié)機器人的重復(fù)過載一般在2.0倍上下。

　　峰值電流Imax：峰值力矩對應(yīng)的工作電流。

　　電氣時間常數(shù)Te：電流對于所加電壓的響應(yīng)速度的特性常數(shù)，定義為電動機端子間加上固定的電壓之后，電流成為最終電流的1-e-1（約63.2%）時所用的時間。伺服電機的電氣時間常數(shù)一般是指定子繞組的電感與電阻的比值（te＝L/R），與伺服系統(tǒng)的電流階躍響應(yīng)時間有關(guān)，但未必相當(dāng)。

　　機械時間常數(shù)Tm：伺服電機的機械時間常數(shù)根據(jù)定義：tm=R*J/Ke*Kt，即與繞組電阻、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量、電機反電勢系數(shù)、電機力矩系數(shù)有關(guān)。拖動電機的機械時間常數(shù)大約與空載從零速加速到平衡轉(zhuǎn)速的63.2%所需的時間相當(dāng)。在伺服系統(tǒng)中，該常數(shù)在數(shù)量上可能與系統(tǒng)的速度環(huán)階躍響應(yīng)時間相當(dāng)。

　　反電動勢常數(shù)Ke：電動機在單位轉(zhuǎn)速下感應(yīng)的空載反電勢值。常規(guī)指每1000rpm對應(yīng)的空載反電勢，單位為V/Krpm。

　　扭矩常數(shù)Kt：單位電流對應(yīng)的電機輸出扭矩。電機的反電勢系數(shù)Ke與力矩系數(shù)Kt之間的關(guān)系，一般Kt=9.55*Ke*1.732,其中Kt的單位是Nm/A，Ke的單位是V/rpm，Ke=Kt。Ke這里是線反電勢。

　　如果電機資料里沒有給出Kt和Ke參數(shù)，可以根據(jù)額定力矩和額定電流導(dǎo)出Kt，然后根據(jù)Kt=9.55*Ke*1.732間接導(dǎo)出線反電勢系數(shù)Ke了，即：Ke=0.1047*Kt/1.732，單位V/rpm；或者：Ke=104.7*Kt/1.732，單位V/Krpm，或mV/rpm。

　　由于電源電壓的限制，為了保證高響應(yīng)，電機的反電勢常熟就要設(shè)計的相對較低，保證高速下有足夠的壓差從而獲得充足的電流。而大電流對電機增加了電機的發(fā)熱負(fù)擔(dān)。從而使得機器人電機的功率密度要較高，能實現(xiàn)小體積，大扭矩，低發(fā)熱。

　　轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量J：電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量.機器人電機的轉(zhuǎn)動慣量非常重要，直接關(guān)系到機器人工作的穩(wěn)定性。因為機器人往往是多軸聯(lián)動的。比如關(guān)節(jié)機器人的第二軸，需要很大的電機慣量來適應(yīng)臂展打開和收縮起來的巨大負(fù)載慣量變化。

　　齒槽轉(zhuǎn)矩：當(dāng)帶永磁體的電動機繞組開路時，電動機回轉(zhuǎn)一周內(nèi)，由于電樞鐵心開槽，有趨于最小磁阻位置的傾向而產(chǎn)生的周期性轉(zhuǎn)矩。

　　過載能力：在規(guī)定條件下，電動機能夠在規(guī)定的時間內(nèi)輸出一定功率或轉(zhuǎn)矩而不超過規(guī)定峰值電流的能力。通常把峰值電流與額定電流之比稱為電流過載倍數(shù)，峰值轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比稱為轉(zhuǎn)矩過載倍數(shù)。通常機器人電機要保證3倍左右的扭矩過載。

　　最高轉(zhuǎn)速nN：在間歇工作區(qū)內(nèi)，電動機所能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速。不同的電機廠對于最高轉(zhuǎn)速的定義差別很大,機器人電機常常給出的是實際運行時可以重復(fù)工作的最高轉(zhuǎn)速。在最高轉(zhuǎn)速時，對應(yīng)的最大力矩可以超過額定力矩的2倍，這樣保證全速度范圍的加速響應(yīng)。

　　機器人對伺服電機的性能要求和選型介紹

　　直線型機械手臂機器人

　　直角坐標(biāo)機器人顧名思義主要以直線移動，如圖3所示。直角坐標(biāo)機器人的產(chǎn)品參數(shù)主要以負(fù)載和行程為選型及設(shè)計基礎(chǔ)，通常情況下為2k、5kg、10kg、15kg、25kg、35kg……200kg，行程通常情況下以定制為主，X軸可無限延長，Y軸有效行程在3m以內(nèi)，Z軸雙段倍數(shù)的有效行程在3.5以內(nèi)。

　　在直角坐標(biāo)機器人中速度一般情況下在5m/s以內(nèi)，加速度在10G以內(nèi)，重復(fù)定位精度通常在0.5以內(nèi)，在長行程的直角坐標(biāo)機器人中以精度及速度為基礎(chǔ)，在短距離行程中以高加速度和精度為基礎(chǔ)。

　　并聯(lián)機器人

　　Delta機器人屬于高速、輕載的并聯(lián)機器人，一般通過示教編程或視覺系統(tǒng)捕捉目標(biāo)物體，由三個并聯(lián)的伺服軸來確定抓具中心的空間位置，實現(xiàn)對目標(biāo)物體的搬運，定位等操作。

　　Delta機器人主要應(yīng)用于食品、藥品和電子產(chǎn)品的分揀、加工、裝配。Delta機器人以其重量輕、體積小、運動速度快、定位精確、成本低、效率高等特點，在市場上正被廣泛應(yīng)用。且由于其形似倒立的Δ符號得名。

　　Delta機器人的負(fù)重一般在2kg-3kg，速度可達(dá)10m/s，加速度可達(dá)150m/s2，每分鐘可抓取300次以上，這就要求伺服電機的響應(yīng)非�？�。由于負(fù)載相對固定，電機的慣量越小越好，以便高加速下更好的響應(yīng)和更小的自身損耗。

　　平面關(guān)節(jié)機器人

　　SCARA機器人又稱水平多關(guān)節(jié)機器人。是一種圓柱坐標(biāo)型的特殊類型的工業(yè)機器人。一般有4個自由度，可在包括沿X、Y、Z方向的平移和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。SCARA機器人的特點是負(fù)載小、速度快，因此其主要應(yīng)用在快速分揀、精密裝配等3C行業(yè)、食品行業(yè)等領(lǐng)域。

　　多關(guān)節(jié)機械手

　　關(guān)節(jié)機器人，也稱關(guān)節(jié)手臂機器人或關(guān)節(jié)機械手臂，是當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域中最常見的工業(yè)機器人的形態(tài)之一，適合用于諸多工業(yè)領(lǐng)域的機械自動化作業(yè)。擁有五個或六個旋轉(zhuǎn)軸，類似于人類的手臂。應(yīng)用領(lǐng)域有裝貨、卸貨、噴漆、表面處理、測試、測量、弧焊、點焊、包裝、裝配、切屑機床、固定、特種裝配操作、鍛造、鑄造等。

　　由圖6看出，伺服電機帶動的機構(gòu)在工作過程成姿態(tài)不斷變化，并且電機本身又是機構(gòu)重量的一部分，所以電機慣量要有一定的抗擾動范圍，以便容易在穩(wěn)定區(qū)工作，這樣就要求電機從第一軸，到第六軸都要工中大慣量電機，尤其第二軸在臂展完全打開和收回的兩種姿態(tài)下慣量差異很大，電機最好用大慣量電機。

　　有關(guān)慣量比和穩(wěn)定控制工作區(qū)的介紹是一個老話題，可以檢索其它專業(yè)文章。工程上通常的關(guān)節(jié)機器人電機選型如表4所示，電機慣量會隨著響應(yīng)和工作性質(zhì)不同有所不一樣。

　　工業(yè)機器人專用伺服電機及選型

　　以工業(yè)機器人對伺服電機的需求為基礎(chǔ)，以德、日等先進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品性能為目標(biāo)，瞄準(zhǔn)當(dāng)前交流伺服電機主要朝著高功率密度、高響應(yīng)、高精度、高速度、高效率、低溫升的方向發(fā)展，登奇最新研發(fā)的GK9系列工業(yè)機器人專用伺服電機功率范圍在0.1~37kW之間，額定轉(zhuǎn)速最高可達(dá)6000rpm的7個框號20個以上規(guī)格、高功率體積比，通過電磁、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，采用新材料，研究新工藝，優(yōu)化電機齒槽效應(yīng)、體積功率密度比、過載倍數(shù)、溫升、效率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。同時，針對伺服電機定子線圈端部占比高、匝間間隙大、影響熱量傳遞的問題，集定子真空絕緣浸漆和真空高導(dǎo)熱樹脂灌封技術(shù)為一體的直接導(dǎo)熱繞組絕緣系統(tǒng)，定子導(dǎo)熱能力大大提高，匝間絕緣及對地絕緣可靠性改善，增強了抗電暈及浪涌沖擊能力，使伺服電機具備了在濕熱、鹽霧、霉菌環(huán)境下可靠運行的能力。采用無機殼鐵心定子，省掉了機殼熱套，降低了能耗；平面無止口裝配及整體加工工藝，省掉了機殼、前端蓋、后端蓋的車削、鉆孔、攻絲加工工序，提高了電機制造效率，降低了產(chǎn)品成本；一次裝夾，不掉頭完成伺服電機法蘭端面、止口、前后軸承室整體加工，無分體加工裝配的累積誤差，有效地提高了伺服電機旋轉(zhuǎn)精度，提升了伺服電機可靠性水平及使用壽命。