移動機器人,是一個集環境感知、動態決策與規劃、行為控制與執行等多功能于一體的綜合系統,代表了機電一體化的最高成就。
移動機器人包括履帶式、輪式、腿式及復合式等,其中輪式移動機器人(Wheeledmobilerobot)以其承載大、驅動和控制方便、自重輕、速度快、結構簡單等多種優點,被工業、農業、家庭、反恐等多領域廣泛應用。
AGV(AutomatedGuidedVehicle),意即“自動導引運輸車”,屬于輪式移動機器人的一種。裝備有電磁或光學等自動導引裝置的AGV,能夠沿規定的導引路徑行駛,具有安全保護以及各種移載功能。
與物料輸送中常用的其他設備相比,AGV的活動區域無需鋪設軌道、支座架等固定裝置,不受場地、道路和空間的限制。因此,在自動化物流系統中,最能充分地體現其自動性和柔性,實現高效、經濟、靈活的無人化生產。
高工機器人研究所(GGII)數據顯示,2018年AGV銷量2.35萬臺,同比增長49.65%,2018年AGV市場規模34.81億元,同比增長36.38%。
數據來源:GGII
是什么成就了AGV的“風火輪”?
正所謂“馬達為工業之母,民生之朋友”,據統計,電機用電量占工業總用電量的70%。對于AGV來說,驅動輪電機是決定產品的關鍵性能指標以及整機可靠性的重要元器件之一。
目前的AGV廠商大多采用無刷直流電機作為驅動輪電機,對于定位精度要求較高的產品采用無刷直流伺服電機(配有編碼器)。
被AGV廠商垂青的無刷直流電機(BrushlessDirectCurrentMotor,簡稱BLDCM)是指一種用電子換向的小功率直流電動機,又稱無換向器電動機、無整流子直流電動機。
無刷直流電機在結構上相當于一臺反裝式直流電動機,它的電樞放置在定子上,轉子為永磁體。無刷直流電機克服了有刷直流電機的先天性缺陷,以電子換向器取代了機械換向器,所以無刷直流電機既具有直流電機良好的調速性能等特點,又具有交流電機結構簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優點。
AGV企業在進行無刷直流電機選型時,通常會關注電機額定功率、扭矩、轉速及尺寸等因素,以便達到AGV產品最大速度的要求。
另外,減速電機也是較為普遍的一種方案:由專業的減速機生產商進行集成組裝后,與電機一體成套出貨。減速電機的電機部分與普通電機并無區別,經過集成后的減速電機,具有傳動比分級精細、結構緊湊、過載能力強、維護成本低等優點。
BLDC電機,高光時刻指日可待
雖然電機的歷史已經超過百年,但是無刷直流(BLDC)電機的歷史不過50年。隨著永磁新材料、微電子技術、自動控制技術,以及電力電子技術,特別是大功率開關器件的發展,BLDC電機得到了長足的發展。
據國家統計局統計,2010年以來,無刷直流電機行業收入連年增加,2016年為189.2億元,同比增長22.3%,中國無刷直流電機的市場前景較為樂觀,市場規模將進一步擴大。預計未來五年,行業增速仍將保持在20%左右的水平,到2022年行業市場規模將達到565億元左右,BLDC無疑已成為行業最熱之一。
無刷直流電機具備兩方面的顯著優勢。
優勢一,BLDC電機繼承了直流電機的全部優點。相比于交流電機,直流電機具有響應快速、較大的起動轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能。
優勢二,BLDC電機摒棄了有刷電機的諸多缺點。由于不需要電刷和轉向器,BLDC電機相比于有刷電機,具有效率高、壽命長、噪音低、無火花等優勢。
當前,有刷電機由于其成本低、技術門檻低,得到了大規模的推廣,而這恰恰從側面說明,具有性能優勢的無刷電機潛在需求仍未充分釋放。
隨著各行業客戶對產品的品質、生產效率的追求越來越高,BLDC電機會迎來日益廣闊的發展空間。與此同時,BLDC電機的成本也在逐步降低——半導體組件如功率組件(MOSFET),微控制器(MCU),驅動組件(Gatedriver)的普及,使得無刷直流電機的總成本降低很多,許多應用已經觸及到消費者的甜蜜點。
隨著微電子技術的不斷發展,電子產品很多領域都在遵循“摩爾定律”,唯獨電機產業近20年來沒有任何更新換代。日益旺盛的需求加之逐步親民的價格,相信BLDC電機將替代傳統電機、一改傳統電機獨霸天下的局面,大規模商用也將水到渠成。
成本、技術、服務,一條龍的較量
中國作為制造大國,電機需求量龐大。
近年來,BLDC電機在軍事、航空、工業、汽車、民用控制系統,以及家用電器等領域都有廣泛的應用。無刷直流電機的采用正在多個行業推動,這也令許多國內外半導體廠商看到了機會。
國內外企業的競爭差異體現在:國內企業成本具有優勢,國外企業的技術方案有優勢。
我國電機行業經過多年的發展,已經形成了一定的產業基礎和行業格局。國內很多企業多年前就一直在著手BLDC技術的研發,從早期有感、帶霍爾、方波技術,到現在的無感,無霍爾,FOC弦波。
國內有峰岹科技、大華技術、士蘭微等企業,也相繼推出了自己的方案。雖然國內做無刷電機的企業較多,但達到一定規模的企業仍在少數,技術水平決定了公司產品的市場拓展能力。本土企業產品的一致性、量產能力與國際廠商還是有很大差距。
在產品應用中,國際廠商(例如NXP、Renesas)的技術方案占優,整體解決方案較完善。中大型企業的選擇策略,往往優先選擇技術占優的產品方案。這導致了國產本土企業目前仍然主要覆蓋中低端市場,高端BLDC還是國際廠商主導。
BLDC解決方案有一定的門檻,并且無刷直流電機使用在不同行業時差異性較大,BLDC電機生產商在提供產品及解決方案給客戶時,需要深入了解客戶所屬行業的技術細節,并提供更多的技術支持或培訓,能否提供高品質的技術服務也是客戶選擇廠商的重要考量之一。
中國本土企業起步較晚,無法與國際廠商數十年的積累抗衡,但是本土企業有著最接近無刷直流電機生產研發與市場的地利優勢,加上國內企業的反應速度遠快于國際廠商,后期的競爭優勢絕對優于國際廠商本土企業。
基于此,國內企業只有加大研發投入、尋求技術突破、關注BLDC解決方案在不同行業的獨特性,才能迎頭趕上,把握BLDC熱潮帶來的巨大商機。
AGV是工業機器人領域內為數不多的國內企業可以趕超國外企業的細分領域之一。AGV能站在風口上,重要的前提之一是其上游產業鏈的健全。
減速機、電機技術的發展和國產化的普及,使得AGV產品的質量、成本都具備了大規模商業應用的條件。出于成本考慮,國內主流的AGV廠商大多選用國產電機器件。
但是,業界數據表明,AGV產品在用戶現場出現的故障中,電機及驅動器硬件故障占比在30%左右,側面說明電機部分仍然是AGV產品的短板之一,國產電機廠商在降本增質方面仍有很長的路要走。
上下游產業,永遠是相互制約又相互促進地緊密聯系在一起。AGV等蓬勃發展的下游產業的強勢拉動,會讓電機產業看到更多的商機;BLDC技術的發展也會讓AGV的產業之路走得更加順暢。