《中國(guó)制造2025》系列：工業(yè)機(jī)器人行業(yè)

工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)

工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用，是我國(guó)制造業(yè)走向高端化和智能化的重中之重。目前我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)“快速成長(zhǎng)”和“國(guó)產(chǎn)替代”的雙重重要特征。

工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，它能自動(dòng)執(zhí)行工作，是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它可以接受人類(lèi)指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行，現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。

組成結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成。

主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有3～6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其中腕部通常有1～3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號(hào)，并進(jìn)行控制。

工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)鏈

工業(yè)機(jī)器人行業(yè)上游是核心零部件，主要的是減速機(jī)和控制系統(tǒng)，這相當(dāng)于機(jī)器人的“大腦”，中游是機(jī)器人本體，就是機(jī)器人的“身體”，下游是系統(tǒng)集成商，國(guó)內(nèi)企業(yè)都集中在這個(gè)環(huán)節(jié)上。

工業(yè)機(jī)器人上游零部件行業(yè)主要是減速機(jī)、伺服電機(jī)、變頻器、控制器等，其中減速器、伺服電機(jī)及伺服系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人成本中所占比重較大，分別為39%，28%，本體制造占比為22%。

雖然減速機(jī)、伺服系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人成本中所占比重較大，但國(guó)內(nèi)減速機(jī)、伺服電機(jī)等關(guān)鍵零部件發(fā)展相對(duì)滯后，技術(shù)水平較低，產(chǎn)品穩(wěn)定性差，與國(guó)外產(chǎn)品相比存在不少差距，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人減速機(jī)、伺服電機(jī)等零部件主要依賴(lài)進(jìn)口，國(guó)內(nèi)企業(yè)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)成本較高，競(jìng)爭(zhēng)力較弱。

產(chǎn)業(yè)鏈上游的核心零部件

伺服電機(jī)

電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的必不可少的關(guān)鍵零部件，是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體，以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常由伺服電機(jī)以及伺服驅(qū)動(dòng)器組成。除了可以進(jìn)行速度與轉(zhuǎn)矩控制外，伺服系統(tǒng)還可以進(jìn)行精確、快速、穩(wěn)定的位置控制。

1、工業(yè)機(jī)器人對(duì)伺服電機(jī)的要求

1）快速響應(yīng)性，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好；

2）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大，在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人的伺服電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量??；

3）控制特性的連續(xù)性和直線(xiàn)性，隨著控制信號(hào)的變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時(shí)還需轉(zhuǎn)速與控制信號(hào)成正比或近似成正比，調(diào)速范圍寬，能使用于1:1000～1:10000的調(diào)速范圍。

4）體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短，以配合機(jī)器人的體形；

5）能經(jīng)受住苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時(shí)間內(nèi)承受數(shù)倍過(guò)載。交流伺服驅(qū)動(dòng)器因其具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比高、無(wú)電刷及換向火花等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。

2、伺服電機(jī)的核心技術(shù)

1）信號(hào)接插件的可靠性。國(guó)產(chǎn)伺服需要繼續(xù)改進(jìn)，而且接插件的小型化、高密度化也是趨勢(shì)，與伺服電機(jī)本體的集成設(shè)計(jì)是個(gè)很好的做法，目前日系的伺服電機(jī)很多就是這樣設(shè)計(jì)的，方便安裝、調(diào)試、更換。

2）編碼器的高精度。尤其工業(yè)機(jī)器人上用的多圈絕對(duì)值編碼器，目前嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口 ，是制約我國(guó)高檔伺服系統(tǒng)發(fā)展的重要瓶頸之一。編碼器的小型化也是伺服電機(jī)小型化繞不過(guò)去的核心技術(shù)?？v觀日系伺服電機(jī)產(chǎn)品的更迭，都是伴隨著電機(jī)磁路和編碼器的協(xié)同發(fā)展升級(jí)。

另外，國(guó)內(nèi)的伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究缺失，包括絕對(duì)值編碼器技術(shù)、高端電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)、生產(chǎn)工藝的突破、性能指標(biāo)的實(shí)用性驗(yàn)證和考核標(biāo)準(zhǔn)的制定等等。這些都需要國(guó)內(nèi)機(jī)器人行業(yè)的核心零部件企業(yè)去完善。

3、機(jī)器人伺服電機(jī)的部分企業(yè)

控制器

工業(yè)機(jī)器人控制器是機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心大腦?？刂破鞯闹饕蝿?wù)是對(duì)機(jī)器人的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的操作空間坐標(biāo)和關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換，完成機(jī)器人的軌跡規(guī)劃任務(wù)，實(shí)現(xiàn)高速伺服插補(bǔ)運(yùn)算、伺服運(yùn)動(dòng)控制。

機(jī)器人控制器由機(jī)器人控制器硬件和機(jī)器人控制器軟件組成。機(jī)器人控制器的軟件部分是工業(yè)機(jī)器人的“心臟”，隨著科技的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人從下位機(jī)到上位機(jī)的應(yīng)用軟件方面都有了不同程度的研究成果。

機(jī)器人軸數(shù)越多，對(duì)控制器性能要求也越高：機(jī)器人自由度的高低取決于其可移動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)目，關(guān)節(jié)數(shù)愈多，自由度越高，位移精準(zhǔn)度也越高，其所使用的伺服電機(jī)數(shù)量就相對(duì)較多，即越精密的工業(yè)型機(jī)器人所用的伺服電機(jī)數(shù)量愈多。一般每臺(tái)多軸機(jī)器人由一套控制系統(tǒng)控制，也意味著控制器性能要求越高。

控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)涉及較多的核心技術(shù)，包括硬件設(shè)計(jì)，底層軟件技術(shù)，上層功能應(yīng)用軟件等，隨著技術(shù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，國(guó)內(nèi)企業(yè)機(jī)器人控制器產(chǎn)品已經(jīng)較為成熟，是機(jī)器人產(chǎn)品中與國(guó)外產(chǎn)品差距最小的關(guān)鍵零部件，國(guó)內(nèi)機(jī)器人控制器所采用的硬件平臺(tái)和國(guó)外產(chǎn)品相比并沒(méi)有太大差距， 差距主要在控制算法和二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)的易用性方面。 

工業(yè)機(jī)器人控制器的部分企業(yè) 

減速器

工業(yè)機(jī)器人核心部件減速器是機(jī)械傳動(dòng)的核心，機(jī)器人的速度、精度都與減速器有關(guān)，工業(yè)機(jī)器人使用的減速器主要包含：諧波減速器、RV減速器。

1、諧波齒輪減速器

諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動(dòng)原理發(fā)展起來(lái)的一種新型減速器，由波發(fā)生器、柔輪和剛輪組成，依靠波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形，并靠柔輪與剛輪嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。

諧波傳動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)精度高，傳動(dòng)比大、質(zhì)量小、體積小、較小的傳動(dòng)慣量等優(yōu)點(diǎn)。最重要的是能在密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)，這一點(diǎn)是其他任何機(jī)械傳動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。其缺點(diǎn)為在諧波齒輪傳動(dòng)中柔輪每轉(zhuǎn)發(fā)生兩次橢圓變形，極易引起材料的疲勞損壞，損耗功率大。同時(shí)，其引起的扭轉(zhuǎn)變形角達(dá)到20’一30’甚至更大。受軸承間隙等影響可能引起3 7～6’的回程誤差，不具有自鎖功能。

諧波齒輪減速器

2、RV減速器

RV減速器由一個(gè)行星齒輪減速機(jī)的前級(jí)和一個(gè)擺線(xiàn)針輪減速機(jī)的后級(jí)組成。RV傳動(dòng)是新興起的一種傳動(dòng)，它是在傳統(tǒng)針擺行星傳動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的，不僅克服了一般針擺傳動(dòng)的缺點(diǎn)，而且具有體積小、質(zhì)量輕、傳動(dòng)比范圍大、壽命長(zhǎng)、精度保持穩(wěn)定、效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)等一系列優(yōu)點(diǎn)。

RV減速器有較優(yōu)越的性能：①擺線(xiàn)針輪行星減速裝置中的傳動(dòng)零件剛度高、接觸應(yīng)力小，零件加工和安裝精度易于實(shí)現(xiàn)高精度，這就使得擺線(xiàn)針輪傳動(dòng)的效率很高；②行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)與緊湊的w輸出機(jī)構(gòu)組合，使整個(gè)擺線(xiàn)針輪減速裝置結(jié)構(gòu)十分緊湊，因此其結(jié)構(gòu)體積小和質(zhì)量輕；③采用一齒差或少齒差傳動(dòng)，擺線(xiàn)針輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比大小取決于擺線(xiàn)針輪的齒數(shù)，齒數(shù)越多，傳動(dòng)比越大；④擺線(xiàn)針輪傳動(dòng)同時(shí)嚙合的齒數(shù)要比漸開(kāi)線(xiàn)外齒傳動(dòng)同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，因此承載能力較大；⑤擺線(xiàn)輪和針輪的輪齒均淬硬、精磨，比漸開(kāi)線(xiàn)少齒差傳動(dòng)中內(nèi)齒輪的加工性能更好、齒面硬度更高，使用壽命更長(zhǎng)。

RV減速器

工業(yè)機(jī)器人減速器的部分企業(yè)

產(chǎn)業(yè)鏈中游的本體廠(chǎng)商

機(jī)器人本體廠(chǎng)商的工作主要是生產(chǎn)機(jī)器人本體，負(fù)責(zé)機(jī)器人關(guān)鍵零部件生產(chǎn)、控制算法、開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)等工作。

工業(yè)機(jī)器人的主要國(guó)際玩家

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人與歐美日之間的差距依然明顯。目前工業(yè)機(jī)器人“四大家族” （ABB、庫(kù)卡、發(fā)那科、安川）為全球主要的工業(yè)機(jī)器人供應(yīng)商，占據(jù)全球約50%的市場(chǎng)份額。占據(jù)了中國(guó)市場(chǎng)60%的份額，而國(guó)內(nèi)自主品牌占比不到10%。

其他世界知名的工業(yè)機(jī)器人企業(yè)還有Kawasaki川崎重工業(yè)公司、Epson愛(ài)普生機(jī)器人公司、Staubli史陶比爾機(jī)器人、NachiFujikoshi那智機(jī)器人、Comau柯馬機(jī)器人公司、Adept愛(ài)德普機(jī)器人公司以及中國(guó)的新松機(jī)器人公司。

工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

從2013年起，中國(guó)連續(xù)四年成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)，據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)IFR的報(bào)告，2016年，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人銷(xiāo)量9萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)31%，約占全球銷(xiāo)量的1/3。目前，中國(guó)的機(jī)器人制造商正在擴(kuò)大其在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的份額，2018年~2020年，中國(guó)機(jī)器人的年銷(xiāo)售量預(yù)計(jì)每年平均增長(zhǎng)15%~20%。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年1-9月，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量達(dá)到95351臺(tái)(套)，同比增長(zhǎng)69.4%，9月當(dāng)月產(chǎn)量為13085臺(tái)(套)，比上年同月增長(zhǎng)103.2%，繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

從產(chǎn)業(yè)鏈角度看，位于工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)依次是機(jī)器人單元產(chǎn)品制造商、機(jī)器人系統(tǒng)集成商和工業(yè)自動(dòng)化集成商。現(xiàn)在，歐美、日本等一些國(guó)際工業(yè)機(jī)器人公司，在中國(guó)不直接提供機(jī)器人自動(dòng)化系統(tǒng)的集成服務(wù)，而是將機(jī)器人單體銷(xiāo)售給系統(tǒng)集成商，由系統(tǒng)集成商再對(duì)終端用戶(hù)。

目前，國(guó)內(nèi)的機(jī)器人企業(yè)多為系統(tǒng)集成商。根據(jù)國(guó)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，國(guó)內(nèi)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展更接近于美國(guó)模式，即以系統(tǒng)集成商為主，單元產(chǎn)品外購(gòu)或貼牌，為客戶(hù)提供交鑰匙工程。與單元產(chǎn)品的供應(yīng)商相比，系統(tǒng)集成商還要具有產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力、項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，并在對(duì)用戶(hù)行業(yè)深刻理解的基礎(chǔ)之上，提供可適應(yīng)各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化、個(gè)性化成套裝備。 

工業(yè)機(jī)器人的大規(guī)模普及將為國(guó)內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)集成商帶來(lái)發(fā)展機(jī)遇。中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化模式較可行的是從集成起步至成熟階段采用分工模式：即美國(guó)模式(集成)-日本模式(核心技術(shù))-德國(guó)模式(分工合作)。

作為中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)上的主力軍，系統(tǒng)集成商普遍規(guī)模較小，年產(chǎn)值不高，面臨強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。從相關(guān)市場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)看，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)集成商規(guī)模都不大，銷(xiāo)售收入1個(gè)億以下的企業(yè)占大部分，能做到5個(gè)億的就是行業(yè)的佼佼者，10個(gè)億以上的全國(guó)范圍屈指可數(shù)。從國(guó)內(nèi)機(jī)器人市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀看，有兩類(lèi)企業(yè)將在未來(lái)行業(yè)****展的背景中勝出：一類(lèi)是有很強(qiáng)技術(shù)研發(fā)底蘊(yùn)，項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)豐富的行業(yè)企業(yè)，另一類(lèi)是在某些行業(yè)有一定的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，擬在自身行業(yè)推廣工業(yè)機(jī)器人的企業(yè)。

同時(shí)，產(chǎn)業(yè)借助資本的力量，企業(yè)通過(guò)IPO不斷發(fā)展壯大，其中匯川技術(shù)、埃斯頓等優(yōu)質(zhì)企業(yè)在伺服技術(shù)方面走在行業(yè)前列，慈星股份、新時(shí)達(dá)等在工業(yè)機(jī)器人控制器方面較早布局，中大力德、雙環(huán)傳動(dòng)等具有代表性的公司涉足減速機(jī)；機(jī)器人、黃河旋風(fēng)、拓斯達(dá)、埃斯頓、博實(shí)股份、天奇股份等一批公司逐漸成為工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用領(lǐng)域的佼佼者。 

盡管前路艱難，但大國(guó)崛起之路上，工業(yè)機(jī)器人的進(jìn)口替代已是大勢(shì)所趨。隨著技術(shù)突破的推進(jìn)，國(guó)內(nèi)逐漸涌現(xiàn)出一批快速成長(zhǎng)的制造企業(yè)，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正向中高端發(fā)起沖鋒。

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