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工业机器人之三大零组件:电机、控制器与减速器分析
来源:2018第十四届中国北京国际智能制造装备产业展览会 - 分类:展会动态 - 责任编辑:管理员 - 发布于:2018-3-21 17:06:15
 
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根据国际机器人联合会(InternationalFederationofRobotics;简称IFR)定义,机器人分为工业机器人(IndustrialRobots)及服务型机器人(ServiceRobots)。其中,目前工业机器人又佔全球机器人80%的市佔率,远高于服务型机器人。

若以机械结构来看,工业机器人可区分为单轴机器人、座标机器人、水平多关节机器人(SCARA)、垂直多关节机器人以及并联式机器人(DELTA)等,以下依序就这五种类型来说明。

一、工业机器人之五大机械结构

1.单轴机器人

单轴机器人一般分为两种传动方式,一为滚珠螺杆传动,二为同步齿形带(简称:同步带)传动,两种皆是以直线导轨做为导向,并配合伺服电机或步进电机,来实现不同应用领域的定位、移载、搬运等等。透过不同的组合样式,还可以实现两轴、三轴、龙门式的组合。

单轴机器人的应用领域涵盖半导体、家电、医疗、汽车、包装、点胶机、焊接、切割、检测等自动化应用领域,而台湾的上银科技在单轴机器人的市场名列全球前三。

2.直角座标机器人

直角座标机器人是基于X、Y、Z直角座标,在各座标的长度范围内进行工作或运动,适用于搬运、取放等作业,可应用的领域包括射出成型机取出用手臂、移动并定位、堆迭、锁螺丝、切割、装夹、压入、插取、装配、自动药房等。

台湾机器人相关业者数量约有80家,现有40家以上的业者可从事座标机器人相关设备的设计开发,所使用的关键零组件国产化程度较高。在射出成型机取出用机械手臂中,天行自动化(Alfa)与台湾精锐(Apex)为该领域之领先业者,并在中国大陆具有一定的市场佔有率。

3.水平多关节(SCARA)机器人

水平多关节机器人(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm;缩写SCARA),是一种圆柱座标型的特殊类型工业机器人。一般有4个自由度,包含沿X、Y、Z方向的平移和绕Z轴的旋转。

SCARA机器人的特点是负载小、速度快,因此其主要应用在快速分拣、精密装配等3C行业或是食品行业等领域。例如IC产业的晶圆、面板搬运、电路板运送、电子元件的插入组装都可以看到SCARA机器人的踪迹。国外厂商包含EPSON、IAI、DENSO等日厂。国内厂商则有台达电、东佑达、上银。

4.垂直多关节机器人

垂直多关节机器人,有相当高的自由度,适用于任何轨迹或角度的工作。其具有三维运动的特性,可做到高阶非线性运动,是目前最广泛应用的自动化机械装置,常用于汽车製造商、汽车零组件与电子相关产业。

上银科技、和桩科技、鸿海集团均在国际机器人展览中推出自有品牌之六轴多关节机器人,然而关键零组件谐波减速机(HarmonicDrive)仍需外国进口,所以在价格上较不具竞争力。

5.并联式(DELTA)机器人

并联式机器人亦称为DELTA机器人,透过上平台之三组动力结构带动主动臂与被动臂至末端平台进行位移,并可在末端搭载第四轴或是自上平台连结第四轴作为旋转轴。

由于其构造简单,在移动上能达到最短路程,机构也容易小型化,可达到高速高精度的控制,因此主要应用于高速取放、筛选作业,主要应用于食品业、电子检料、製药、包装等用途。一般情况下,一个并联机器人可以替代4-6个人工,帮助用户有效提高生产效率,降低生产成本。

二、工业机器人之三大零组件

了解完工业机器人的五种机械结构后,接下来我们来谈谈工业机器人剩下的三大关键零组件:减速机、伺服马达、控制器。这些零组件约佔机器人整机成本的60-70%,是迈入工业机器人产业相当重要的门槛。

以全球四大工业机器人大厂(瑞士ABB、日本发那科FANUC、德国库卡KUKA、日本安川YASKAWA)来看,控制器是唯一皆自行製造的关键零组件,伺服马达及减速器则部分外购,以下将依序就这三项零组件来说明:

1.减速器

减速器是连接动力源与执行机构之间的传动机构,能将马达的转速降低,并让转矩提升。其将电动机、内燃机等高速运转的动力,透过输入轴上的小齿轮啮合后,再输出至轴上的大齿轮以达到减速的目的,并藉此传递更大的力矩。

减速器特别讲究高可靠度、高精度、高刚性,是个重资产、高投入、慢回报的产业。从全球工业机器人大厂来看,多未自行研发减速器,而是主要仰赖日本纳博特斯克(Nabtesco)及哈默纳科(HarmonicDrive)等两大巨头,光这两大厂就佔了减速器70%以上的市场份额。

依据IFR估计,2019工业机器人销量将达41.4万台,若以一台多关节工业机器人需要4-6个减速器来看,市场将有两百多万组减速器的需求,可见其成长速度会比工业机器人来得快。

2.伺服马达

伺服马达是工业机器人的动力系统,一般安装于机器人的「关节」处,是机器人运动的心脏,通常又可细分为两个部分,一为马达本体,二为运动控制系统。

主流供应商包括日本松下、摩川、安川、三菱、三洋、富士以及欧美厂商如德国伦茨(Lenze)、博世力士乐(BoschRexroth)。目前光是日系品牌即佔全球机器人市场40%市佔率。在台湾,伺服马达品牌如东元、台达电亦有不错表现。

3.控制器

控制器为机器人之「大脑」,包含硬体及软体两部分。硬体是工业控制板卡,软体则是控制演算法。一般较成熟的机器人厂商多半自行开发控制器,以保证品质的稳定性及产品的维修体系,因此也是各机器人製造商的核心技术所在。

除了全球四大机器人大厂自行研发控制器外,EPSON、DENSO、TOSHIBA亦深耕控制器领域,生产自有品牌的机器人。而在台湾,诸如工研院、研华宝元、新汉等厂商,近几年在全球控制器市场也有不错的成绩。

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