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多軸運動控制用的伺服馬達技術進展
半導體製造設備、機器人推動
[作者 盧傑瑞]   2020年08月26日 星期三 瀏覽人次: [2096]

儘管機器人或自動化設備所需多軸運動控制應用,無論在技術或產品市場可能已經相當成熟,但仍舊有重要趨勢會影響其未來的成長,包括供應業者的整合後發表的新一代產品,或是擴展現有產品的組合等。儘管某些關鍵領域遇到了阻力,但基本面非常強勁,雖然2019年全球產業的變化造成市場規模呈現小幅下降(-3.8%),相信接下來運動控制產品仍會持續增長,預計在2023年將會超過150億美元。


從圖1可以了解,目前全球運動控制產業的一個概況。根據統計,全球運動控制市場規模將從2018年的128億美元到2023年時增長至150億美元以上。儘管2019年下降了4%,但預計到2023年,市場將以3.3%的複合年成長率增加。在區域的部分,2019年美洲地區占整體市場的20%,亞太地區占46%,歐洲、中東和非洲地區共占34%。


而應用別方面,通用運動控制(GMC)產品市場大約占了2018年總市場的2/3,而CNC佔1/3。由於未來5年機床的整體性能預測較差(2018年佔CNC運動產品銷售的85%以上),與CNC產品相關的市場比例,預估到2023年將略有下降(相對於GMC產品),約占總收入的30%。金屬切削機床是迄今為止最大的單一類別市場,其次是包括半導體、電子機械、包裝機械和工業機器人等。


圖1 : 機器人用運動控制產品市場預計在2023年將會超過150億美元。(source:INTERACT ANALYSIS)
圖1 : 機器人用運動控制產品市場預計在2023年將會超過150億美元。(source:INTERACT ANALYSIS)

伺服馬達技術趨於多元化應用

針對整合驅動器和多軸伺服驅動器不可或缺的伺服馬達,儘管在2018年市場相對較小,但接下來將會呈現高於平均水準的增長,預計複合年成長率分別為12.0%和7.2%;(亦即遠高於整個市場預測的3.3%的平均複合年成長率)。


如果從應用與技術趨勢來看運動控制不可或缺的重要零組件之一的伺服馬達,可以發現其發展態勢在各領域都有不同的發展方向(圖2)。



圖2 : 多軸運動控制所需的伺服馬達已朝向各領域應用發展(圖為安裝在生產線上的機器人手臂)。(source:Machinedesign)
圖2 : 多軸運動控制所需的伺服馬達已朝向各領域應用發展(圖為安裝在生產線上的機器人手臂)。(source:Machinedesign)

一、多軸伺服驅動器:朝向更節省空間的技術發展,有助於減少控制機構中運動控制部份所需的面積。


二、內建高整合驅動器的伺服馬達:受益於模組化的概念,將會出現更多分散產品的趨勢。


三、分散式伺服驅動器:提供更靈活的分散式解決方案,可以與任何種類的線性,轉矩或伺服馬達配對。


四、採用單電纜技術的伺服馬達:同樣以節省成本和空間的技術為目標,期望能大幅度減少設備中的配線。


五、具有先進安全功能的伺服驅動器:安全法規愈來愈嚴苛,新產品比傳統標準伺服驅動器有更大的成長空間,預計市場將會快速的提升2倍以上。


伺服馬達將發展出更容易使用的產品方案

在面對勞動力短缺和人工成本不斷的上升,工廠對自動化投資的意願,不僅僅只是提高而已,更是呈現大幅度增加。這樣的背景下,也帶動了自動化生產應用的機器人,而其他領域應用機器人市場規模也正呈現快速的成長,例如非製造業中酒店、旅館的無人服務規劃,食品服務業人員的補充以及安全和清潔。


整個機器人的動作機構,可以說由伺服馬達和感測器組成,機器人的市場成長率幾乎與伺服馬達的成長率成正比,因此機器人在推動伺服馬達市場擴展中,扮演著重要相當重要角色。


在如此龐大的市場中,伺服馬達業者正朝向開發更容易使用的產品,包括具有自動調整功能,可輕鬆進行複雜的控制調整;振動抑制技術可在短時間內定位,同時降低設備振動;安全控制技術可確保工作安全;網路功能可提高生產效率等,是接下來發展的重點。


各技術突破發展更精進

振動抑制

在自動調整中,幾乎所有的伺服馬達業者都有自家的技術基礎,因此可以快速降低設備所產生的共振問題。有些的振動抑制技術採用低頻抑制演算法,該演算法不僅可以抑制主機所造成的殘留振動,而且還可以抑制機器人臂尖的振動,從而可以進行更高精度的調整。


高速作動

對於高速的要求,目前市場上已有業者提供超過6700萬脈衝/轉的高階產品,其中更可以發現有些伺服馬達已經具有3.5 kHz的速度頻率,和26位元旋轉編碼器,透過這樣的高速伺服馬達產品,可以協助機器人開發工程師開發,大幅減少設定時間來達到提高工作效率,以及增加設備和系統的生產能力。


雙自由度控制系統

在伺服馬達控制中,有增強指令反應特性的前饋(Feed Forward;FF)功能,和增強干擾抑制特性的反饋(Feed Back;FB)控制,不過一般來說,FF控制和FB控制完全分開,因此使用了雙自由度控制系統(2 DOF control system)的伺服馬達。


將兩個控制元件完全分開的架構下,可以達到更高速度和更高精度的電機控制。例如可以抑制電子元件封裝設備中,元件取放臂尖的振動,更可進一步的實現高速作動節奏。而應用在金屬加工機可以減少摩擦和粘性的影響,並實現平滑切割表面的高精度加工等。


另有業者開發出內建放大器來驅動多達三軸的伺服馬達,而這樣的概念產品已經越來越受機器人工程師的歡迎。此外,也可以透過放大器的診斷功能進行伺服馬達的故障預測,通過測量伺服馬達的運行時間並預測故障,可以防止因為突然運轉停止而造成的設備故障,以及生產中斷。


易於使用已成為伺服馬達的研發重點

作為小型化的一部分,已經可以利用單一連接器來連接電源和訊號,達到減小連接器的空間,並且縮減機構的尺寸。


因此在小型化和輕量化的目標下,直接提供伺服驅動器所需扭矩的直接驅動(Direct Drive;DD)馬達也開始成為市場的關心焦點。利用直接驅動縮開發伺服馬達的概念是利用磁體和線圈的設計來實現薄型化,以及提高扭矩密度的能力,並且對編碼器進行改良以簡化機構整體,並且規劃得更為緊湊,達到輕薄且結構簡單的目的,同時,還減少故障的發生,達到降低成本和節省電力的優勢。利用兩軸來完成得直接驅動馬達,在馬達的中央部分安置兩個獨立的旋轉軸,可以同時執行不同的作動,這對於機器人的搬運非常有效,如果能再使用雙軸放大器的話,控制面板可以設計的精簡一些。


應用在運動控制中,線性伺服馬達的發展趨勢一直是被關注的重點,與旋轉伺服馬達和滾珠絲槓的組合相比,線性伺服馬達的推力要大上許多,並且可以在短行程運動中重複加減速時發揮作用,這樣的架構非常適用於需要快速移動的小型設備。在線性伺服馬達中,具有高行程往復式線性致動器,通常用於半導體測試的設備中,目前有部分業者正積極地開發能夠進行Z軸控制的產品。


運動控制用伺服馬達內建網路通訊功能

面對工業4.0的潮流與IoT的發展趨勢,伺服馬達中控制器和伺服放大器之間的網路相容性也開始被討論,這是因為隨著IoT、AI和可視化的需求,讓網路連接的重要性越來越高,基於乙太網技術的通訊技術已成產業的主流,因此可以看到越來越多的產品實現了1Gbps的通訊能力,此外還有特別令人感興趣的TSN技術,TSN技術可擴展乙太網並無縫整合到工業網路和IT網路之中。目前市場上已經出現可以與CC-Link IE TSN相容的伺服馬達。而其他網路技術,包括MECHATROLINK等已開始支持TSN,並且越來越多的人認為網路將很快成為運動控制用伺服馬達開發的主流。


另外,編碼器網路標準也已經被發表討論,雖然同一業者的伺服馬達和伺服放大器之間的相互連接通訊並沒有什麼問題,但是隨著不同業者的伺服馬達和放大器之間的連接不斷增加,對開放式編碼器網路的需求正在不斷增長。在編碼器資訊傳遞將會成為伺服馬達生命線的態勢下,相信這方面的技術將會被積極討論,也會提出更多的新概念架構(圖3)。



圖3 : 隨著IoT、AI和可視化的需求,網路將很快成為運動控制用伺服馬達開發 的主流(圖為具有通訊功能的手術機器人)。(source:Machinedesign)
圖3 : 隨著IoT、AI和可視化的需求,網路將很快成為運動控制用伺服馬達開發 的主流(圖為具有通訊功能的手術機器人)。(source:Machinedesign)

高強度安全標準與無感測器趨勢

安全措施觀念不斷的進步之下,與伺服馬達有關的標準有ISO13849-1、IE C61508系列、IEC62061、IEC60204-1、IEC61800-5-2等,其中IEC60204-1定義了機器電氣設備要求的標準和停止控制功能。目前變速驅動系統的功能安全標準IEC61800-5-2已實現,特別是與汽車製造相關的應用通常需要遵守安全標準,而目前大多數的伺服馬達業者都已遵守此規範。


未來無感測器伺服馬達將成為趨勢,可以提高感應馬達的附加價值,在無需使用編碼器下,就可以透過從電壓和電流中檢測馬達的速度和位置,來實現高精度的速度控制和簡單的定位控制。


另外,無論負載變動(0~100%)如何,都能夠以穩定的速度進行動作和高精度定位。由於它不使用編碼器,可以縮小尺寸並節省機構空間,更因為減少了零件數量,能達到減少故障機率並提高可維護性。


隨著自動化設備與機器人追求多軸作動能力的趨勢,擔任運動控制中重中之重的伺服馬達,因為高整合與內建多元功能,已在設備和系統中扮演著越來越重要的角色,甚至還有針對專門功能與需求進行開發。此外期望利用網路的特性來提升多軸作動能力、降低總擁有成本(TCO),為伺服馬達下一步努力的目標與趨勢。


*刊頭圖(source:sir-mo.it)


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