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国产伺服和国外的领先企业的伺服驱动差异到底在哪?

  等企业积极布局协作机器人市场。2014-2019年,我国协作机器人销量复合增速一度超过了50%,2019年我国协作机器人产量超过8000台。

  但目前协作机器人和AGV的核心零部件高端市场,仍然主要由外资厂商主导,虽然国产厂商进步明显,在部分领域已经开始进口替代,但仍然存在非常大寿命、精度等性能差距。

  一方面是随着近年来由于协作机器人、AGV和物流自动化的迅速发展,极大的丰富了机器人产品的种类,下游产业对高端伺服驱动器、控制器等核心零部件有更大的需求,另一方面却是由于国产协作机器人往往因为负载小、速度慢、精度低、市场体验不佳等原因,国产协作机器人行业总体销量规模占工业机器人销量比重不超过6%。

  制约国产协作机器人本体厂商的核心原因就在伺服驱动等核心零部件发展存在局限,国产协作机器人的伺服驱动上往往难以实现高精度,国产伺服和国外的领先企业的伺服驱动差异到底在哪?为什么会出现这么大的差距?

  从这篇对比国外领先伺服驱动生产企业SynapticonGmbH的产品剖析文章可以看到,中外在伺服驱动性能差距背后,其实根本还是产业结构以及企业创新研发生态的巨大差异。

  国产的伺服驱动从研发到生产,大多是借鉴国外的流程,而缺乏颠覆式创新的思维。

  什么是颠覆式创新,举个简单例子,iPhone就是典型的颠覆性创新产品,因为它不仅重新定义了智能手机的概念,甚至重新定义了个人电脑。iPhone的出现,直接导致了诺基亚、黑莓等一大批手机巨头陨落。

  而协作机器人,也正是这种颠覆性创新思维的产物。它不仅对人机交互提出了新的概念,甚至拓展了传统通用机器人的应用领域,UR的这种颠覆性也使得到如今他仍然稳坐协作机器人全球市场第一的宝座。

  对于这些颠覆式创新产品,相关产业必然会进行颠覆式变革,创新不是单纯的对于元产业的继承和改良,而是全新的产业链塑造,例如特斯拉对于传统汽车产线的变革,在协作机器人这个对工业机器人的创新出现后,对于机器人安全性、易用性都提出了更高要求,因此国外对于工业机器人的创新生态发展也随之迅速诞生,而国内企业往往缺乏这种产业链的创新意识。

  在本次工博会上,很清楚看到德国这家叫做Synapticon GmbH(德国芯控)的企业,就已经针对协作机器人这种全新的产业,在协作机器人的生态链里已经进行了代表性的创新。Synapticon GmbH(德国芯控)专注的领域是伺服驱动,在这个领域他们针对协作机器人的新生态,做到了软硬件研发的极致。

  工博会现场有专家评论认为,如果说UR是带来了协作机器人在整体意义上的创新突破,那么德国芯控的Circulo系列伺服驱动器就可以理解为在协作机器人生态下,核心零部件上进行的一次创新颠覆。这个来自零部件端的创新或许将进一步优化协作机器人产业生态。

  外行看热闹内行看门道,同样是伺服驱动,在结构设计创新、硬件功能创新、软件场景创新三个方面,Synapticon GmbH的Circulo系列伺服驱动器已经很明显和国内一干伺服驱动厂家的产品拉开了距离,或许正是这三点共同构成了国外对于颠覆式产品以及产业链创新的内核。

  正如移动通讯行业的发展经验告诉我们的,iPhone手机正是通过更小的体积逐渐取代掉了个人电脑,而协作机器人则以更安全的柔性结构设计构建了新的机器人产品印象,国外的很多颠覆式产业创新思维,都离不开对产品结构的正向设计,而德国芯控的Circulo系列伺服驱动器则同样在产品结构上煞费苦心。

  在工博会的展会现场可以看到,与一干国产厂商展示的方形伺服驱动器的传统设计不同,德国芯控的Circulo系列伺服驱动器已经采取了独特的中空环形设计,这个设计使得伺服驱动的最大孔径达40 mm,与传统双编码器器方案相比,凭借这种环形外形及大中空孔设计,就能节省50%以上空间,这种结构创新调整带来的空间优化,压缩应用侧体积,从而使得Circulo 能很好地适配核心零部件一体化关节构造。

  而这不仅仅是表面上从方形到中空环形的形状改变,而是整体走线优化的集中体现。因为相比国产厂商为了满足协作机器人需求,在传统工业机器人伺服驱动的同一体积下削减功能,通过这种环形结构设计的颠覆式创新,更能满足协作机器人的安全性稳定性需求,同时降标准缩小体积实现轻量化,这种一体式的解决方案无疑更为前沿,这一改变也使得德国芯控的Circulo能在丰富驱动器功能的同时,能进一步着力提高伺服驱动器的效率,通过对于散热的提升实现输出功率和密度稳定,从而满足协作机器人在精度、负载的需求。

  在这种表层结构的简化设计下,体现在实际应用上,则是基于 Circulo驱动器搭建的机器人布线可以极大地简化,从而省去了编码器的接线,减少了系统集成走线问题,简单的产品走线减轻了驱动电路算法的负担,从而进一步提高了产品稳定性。同时,基于这种结构设计,因为SOMANET结构极度紧凑而又强大,能保持相当大程度的刚性,直接集成到机械臂内替代传统方案。

  这为德国芯控在伺服驱动市场正向结构创新所带来的优势也是明显的。在工博会上,纵观整个伺服展品,成功在环形驱动器设计集成了编码器的企业也只有德国芯控,因为这不仅仅是单纯的结构的优化,而是整体方案的集成体现。

  虽然这种环形驱动器设计使得国内很多本体厂商开始模仿自研,但仍然在结构通讯和稳定性上无法攻克许多难题,因为驱动器能不能做小,最大难题就是单位体积的输出功率能否保持不变,这又取决于算法好驱动,好的电路设计可以更少产热,散热设计好,可以保证散热,从而加强稳定性。同时大多企业因为刚刚起步,缺乏这些市场经验和迭代能力,导致产品稳定性还较差,离正式使用仍需时间,这也无疑形成了德国芯控的核心竞争力,对于产品颠覆式的创新为德国芯控这个先行者的市场销售带来了无限可能。

  除开结构正向设计创新之外,将硬件本身的功能进行极致开发,也是以德国芯控为代表的外资企业进行产品颠覆式创新的核心思路。

  例如在此前,德国芯控原有的SOMANET伺服驱动器作为通用产品,已被应用于传统工业机械臂、协作机器人、服务机器人、AGV、特种机械等尖端应用领域,但不像国内很多伺服驱动的产商,都在进行零部件构件的单向探索,Circulo系列选择在SOMANET的技术基础上,针对协作机器人一体化关节,将传感、驱动、制动、传动集成一同纳入设计考虑,从而推出的高度集成化产品。

  同时,抓住硬件核心进行针对性创新也必不可少。安全性一直是协作机器人有别于传统通用机器人的核心,德国芯控抓住了这个产业的核心颠覆式创新点,因此SOMANET Circulo在不断地迭代中,开始带有TÜV Süd认证安全功能,同时自带SIL 3 PLe等级STO,SBC,并附加安全模块,基于EtherCAT FSoE的10项安全功能,能全面使人机协作更加安全简单,全面扎根协作机器人产业市场。这种对前沿方向提前布局,无疑是在零部件领域展开新一轮产品创新上的极好思路。

  当然这些硬件功能的创新不是一蹴而就的,正如在美国哈佛商学院教授克莱顿·克里斯坦森的著作《创新者的窘境》中提到,对于高科技企业来说,创新仅仅跟上快速的技术变革是不够的,企业必须从全局考虑,综合考虑用户、组织、产品和市场等多种要素,才能理解颠覆性创新的本质,也才能防范其他企业利用破坏性技术对本企业的颠覆。

  协作机器人发展到如今时间并不算长,协作机器人的新产品往往需要更具有未来性,只有看到了产业的未来,才能实现产品不断地变革,从而充当行业的领军者,这种前瞻性思路在企业进行颠覆式创新时尤为重要。

  例如目前在工业机器人及传统自动化领域,因伺服元件的体积等限制,往往控制部件通常是作为集中控制系统的一部分集成于电气柜中,因此作为伺服驱动领军者的德国芯控认为,随着开发的高性能微型伺服驱动器得到进一步发展(例如随着SOMANET技术与尖端硬件的进一步结合),产品的效率及对应的功率范围会得到进一步的扩展,分布式控制将逐步取代传统电气柜概念,使得控制元件成为整机产品的一部分,革新自动化产业概念。

  在本次工博会上就可以看到,德国芯控专为协作机器人推出展示的Circulo系列产品,就在这种结构创新思路下使得产品更加趋于应用集成化,从而实现对协作机器人关节部件的整合。通过这种一体化集成设计,能够实现整合减速机、伺服驱动和控制器,从而极大的节省了安装空间,显著降低机器人开发周期及成本,提高产品的可靠性和应用性能。在这个方向下的结构创新设计,意味着协作机器人未来将随着部件体积的进一步缩小有更小的体积,从而更能够支撑起更广泛的市场。

  而能够实现这种集成整合,核心原因在于SOMANET 设计有着EtherCAT通讯分布式架构的支持,强大的通讯传输速度和能力,从而能使得Circulo系列产品能在极小的空间内实现独立的控制智能,这意味着在当前轻量化、智能化以及集成化的机器人及其关节发展的新趋势下www.fe5u.cn。Circulo驱动器未来可以帮助机器人本体企业简单实现无控制柜设计,从而带来行业的发展创新。

  正是这种企业对于未来方向的判断和把握,使得德国芯控能够完成不断地创新迭代,从而有了如今展示在工博会展台上的产品。

  这些迭代的方向也是德国芯控经过充分市场论证而进行的调整。在去年的工博会上,德国芯控的Circulo环形驱动器样品曾在展位上引起轰动,为了进一步满足市场,在保证驱动设计领先的基础上,德国芯控不断采集企业对于一体化驱动的实际需求,同时根据需求调整以往的硬件产品,使得整体产品在完成机器人嵌入的过程中更加符合本体产品特征和性能。

  与此同时,为了满足协作机器人市场整体对高性能零部件日益增长的需求,Synapticon GmbH(德国芯控)在过去一年中还投入了大量精力研发整体性解决方案,从而完成了从产品到整体的全方位创新。

  随着工业4.0的提出和智能制造2025发展规划的颁布,中国要实现从制造大国向制造强国的转变,工业机器人在实现智能制造、柔性制造的过程中的角色将变得愈发重要,新基建等新方向也给国内工业机器人领域的协作机器人带来发展机遇。但在机器人核心零部件的正向设计问题以及方向性把握的创新不足,仍然很长一段时间内困扰着中国企业的未来发展。在中国的核心零部件企业刚刚开始完成批量化生产阶段大力拓展市场的阶段,往往就缺乏这种和市场相结合的颠覆式创新意识。

  为什么国外总是出现这种颠覆性创新意识呢?更深层次的原因也和产业创新生态有非常大的关系。多元化思维往往是创新的基底,正如任正非在全球建立华为研发中心一样,促使全球人才为华为在产品创新上贡献自己的创新力,全球化的产品创新思维,往往能够碰撞出更多的火花。

  SynapticonGmbH团队的员工也是来自德、中、美、法等十多个国家,这些人才具备机械设计、芯片设计、软件工程、机器人学等各异的技术背景和经历。基于这种开放包容的公司文化,所有人得以在扁平的工作架构中发挥各自专长,贡献灵感,正是基于这种文化的差异,使得德国芯控的产品与众不同,也使得创新在这家公司出现的理所当然。

  未来中国走向全球化进程,中国企业向国际化迈步,必然需要有更全球的产品视角,融入全球的人才,只有更高远的产品创新格局,中国产品的创新才不会永远只是追随者。

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