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    「国民研究院」之工业机器人产业研究

    文章出处:责任编辑:作者:人气:-发表时间:2015-10-27 17:31:00【

     自09年金融?;岳?,国内GDP增速逐步放缓,为刺激新的经济增长点出现,今年3月份,国务院出台了《中国制造2025》行动纲领,旨在通过提高制造业的自主创新能力、资源利用率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等,从低端制造跨越发展到高端制造,加快整体经济转型升级,逐步实现中国制造强国梦。这提前释放了“十三五”规划的信号——大力发展高端制造业。作为高端制造业皇冠上的明珠——工业机器人,是中国版工业4.0的十大重点发展领域之一。

    一、工业机器人主要类型及用途


    目前工业机器人主要应用于汽车、机加、电子和塑料制品等工业领域。在工业生产中,弧焊、点焊、装配、喷涂和搬运等作业用的工业机器人都已被大量地采用。

    随着科学与技术的发展,工业机器人的应用领域也随着不断地扩大,其应用已开始扩大到核能、采矿、食品、船舶和建筑等工业的新领域中,许多繁重、重复单调、有毒、有害和危险的作业已由机器人来完成。工业机器人的的种类繁多,基本满足工业制造及其它领域中的各种作业任务要求,使生产和作业的自动化程度大为提高;同时,提高了产品品质、生产效率和企业对市场快速应变能力,促使生产力快速发展。

    二、工业机器人产业发展现状

    市场报告显示,2014年全球工业机器人年销量为22.5万台,比2013年增长27%;2013年中国已成为全球工业机器人的最大市场,2014年中国市场的工业机器人销量依然猛增54%,达到5.6万台,到2020年,这个体系产业销售收入将达到3万亿元。


    然而,由于国内工业机器人企业竞争力较弱,在国内市场所占份额很低。目前全球机器人四大巨头为瑞典ABB、德国库卡(KUKA)、日本发那科(FANUC)、日本安川(YASKAWA)主宰着机器人行业,这四家公司的市场占有率达60%,而在中国,这一比率更高。

    巨大的市场需求和较弱的本土企业竞争力形成了鲜明的对比,为了摘取这颗高端制造业皇冠上的明珠,近几年国家和地方政府也通过建立机器人产业园区和出台一些列政策扶持工业机器人产业的发展,预期未来我国工业机器人产业会快速成型并在国际舞台上具有一定的竞争力。

    三、工业机器人产业链格局

    工业机器人产业链上游主要为驱动元器件,包括电机、减速机、控制器、驱动器、变频器等。中游主要为机械本体的加工制造和机器人系统的装配集成和调试。下游为工业机器人的行业应用,包括汽车行业、电子电器行业、橡胶塑料、金属制品及其他行业。

    工业机器人成本结构大致如下:本体22%、伺服系统25%、减速器38%、控制系统10%以及其他5%。工业机器人产业链的中下游环节不存在技术壁垒和市场壁垒,国内的机械本体研发技术力量和机加能力完全满足行业需求;持续升高的劳动力成本和生产技术升级也不断刺激各个行业对机器人产品的需求。工业机器人的关键部件是产业链上游的伺服电机、减速机和控制器三部分,然而国内机器人的关键零部件制造技术不达标,大都要靠国外进口,这样就增加了成本,削弱了价格竞争力。因此,工业机器人产业链缺口——上游成为行业的重点环节。

    1、工业机器人高精度交流伺服电机

    以汽车制造业为主的机器人应用行业,对作业精度、速度及效率要求非常高,因此,作为此类机器人的动力源——高精度交流伺服电机,就必须具备良好的动态相应性能、高精度位置检测反馈性能、良好的过载能力和开源的驱动器。在机器人专用的高精度交流伺服电机方面,国外品牌占有85%的市场份额。目前欧系机器人的驱动器主要由伦茨,博世力士乐等公司供应,欧系电机及驱动部件具有较大过载能力和快速的动态响应性能,驱动器开放性能好,且具有CAN总线接口,但是价格昂贵,性价比一般。而日系品牌工业机器人的伺服电机主要由安川、松下、三菱等公司提供,其价格相对降低,但动态响应能力较差,开放性较差,且大部分只具备模拟量和脉冲控制方式。目前,在高精度交流伺服电机市场,安川、ABB等日本品牌占45%份额,欧美品牌占30%份额,然而国内品牌只占到15%的份额。

    高精度交流伺服电机自主品牌仍处起步阶段,近年来国内一些公司也开展了大功率交流永磁同步电机及驱动器的研发和实验,且具备了小批量的生产能力,但其动态性能、开放性和可靠性还需更多的项目应用进行验证和优化。国产品牌包括深圳雷赛电机、南京苏强电机、兰州电机、华中数控、时利电机和广州数控等?;愦际?、埃斯顿等国内运动控制厂也处于小批量试用阶段。

    2、工业机器人减速机

    目前,在所有核心零部件中,减速机最为关键。工业机器人用的减速器产品主要有3类,分别是行星齿轮减速器、谐波减速器、RV减速器。

    RV(Rot-Vector)减速器

    RV减速器是在摆线针轮传动基础上发展起来的,具有二级减速和中心圆盘支承结构。自1986年投入市场以来,因其传动比大、传动效率高、运动精度高、回差小、低振动、刚性大和高可靠性等优点是机器人的“御用”减速器。

    谐波减速器

    谐波减速器由三部分组成:谐波发生器、柔性论和刚轮,其工作原理是由谐波发生器使柔轮产生可控的弹性变形,靠柔轮与刚轮啮合来传递动力,并达到减速的目的;按照波发生器的不同有凸轮式、滚轮式和偏心盘式。谐波减速器传动比大、外形轮廓小、零件数目少且传动效率高。单机传动比可达到50-4000,而传动效率高达92%-96%。

    行星减速器

    行星减速器就是有三个行星轮围绕一个太阳轮旋转的减速器。行星减速器体积小、重量轻,承载能力高,使用寿命长、运转平稳,噪声低。具有功率分流、多齿啮合独用的特性;是一种用途广泛的工业产品,但是与RV和谐波减速机相比,其体积较大,一般适用于低负载的工业机器人领域。

    其中,RV减速器主要应用于大负载机器人上,由于现阶段工业关节机器人需求仍以大负载为主,因此RV减速器占据大部分机器人制造市场。RV减速器的技术难点在于该部件需要保证传递很大的扭矩,承受很大的过载冲击,并保证预期的工作寿命,因而在设计上使用了过定位结构,这使得零件加工精度要求极高,加工十分困难,机器人其规?;闹匾圃荚蛟谟诩庸ど璞负图庸すひ?。

    在减速机领域,国际供应商主要有Harmonic和纳博特斯克两家。在工业用机器人关节上的精密减速机上,纳博特斯克Nabtesco产品的全球市场占有率达60%,特别在中/大负荷机器人上,其RV减速机市场占有率高达90%。目前国内只有浙江恒丰泰减速机制造有限公司和南通振康焊接机电有限公司已经攻克技术难题,实现小批量生产,并有少量销售。

    3、控制器

    工业机器人控制系统的主要任务是控制机器人在工作空间中的位置、速度、加速度等,在机械本体精度基础上,实现机械人运动最小延迟、最高精度及最优轨迹。它同时具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。

    机器人自由度的高低取决于其可移动的关节数目,关节数愈多,自由度越高,位移精准度也愈出色,然所须使用的伺服电机数量就相对较多;换言之,愈精密的工业型机器人,其内的伺服电机数量愈多,一般每台多轴机器人由一套控制系统控制,也意味着控制器性能要求越高。

    工业机器人控制器分为三部分:一是上位机,细分为工业控制板和UI操作界面,功能是对整个机器人系统的分析、计算、策略制定、指令下达和各个参数的显示及参数输入;二是下位机,细分为运动控制卡、驱动器等,功能是对传感器的信号的采集传输、上位机指令的优化和执行;三是传感器,细分为绝对位置传感器和力传感器等,主要对机械本体运动的位置、力等信息的测量采集。

    控制器、软件与本体一样,一般由机器人厂家自主设计研发。目前国外主流机器人厂商的控制器均为在通用的多轴运动控制器平台基础上进行自主研发,各品牌机器人均有自己的控制系统与之匹配。因此,控制器的市场份额基本和机器人保持一致。

    近年来,国内的运动控制器的发展迅速。随着我国制造业市场的全球化,对制造业的技术和装备提出了更高的要求,这给运动控制技术的推广和高水平应用带来了契机。在此背景下,国内逐步成长了一批专业的运动控制企业,他们开始逐步向市场提供机器人专用控制器。而且这些控制器的所采用的硬件平台和国外产品没有太大差别,差距主要体现在控制算法和二次开发的简易性方面,技术已经比较成熟,是工业机器人与国外产品差距最小的核心零部件。未来几年,随着中国国产机器人的快速发展,国产机器人控制器应用市场面临较好的发展契机,尤其是在运动控制领域积累多年研究经验的企业。

    从目前来看,我国机器人相关企业已在核心零部件的研发生产上取得了一定的成果,但和日欧等国的领先品牌之间还存在一定差距,且市场占有率不高。此外,虽然工业机器人的上游行业零部件产业不直接享受机器人产业政策的利好,但下游涉及到众多应用领域,随着市场需求的持续增加,将会刺激上游产业规模的爆发。

    四、工业机器人产业前景

    我国工业机器人制造行业的繁荣源于市场需求的爆发。随着我国产业转型升级的需求和企业招工难等原因,很多企业尤其是中小企业纷纷实施“机器换人计划“,广东省计划从2014年开始,三年里推动2000个企业实施”机器换人“,政府按照企业购买机器人的合同额,按10%20%的款项补贴企业。这些原因无疑刺激了工业机器人市场的增长。

    与此同时,我国工业机器人产业将走“高铁产业”路子——“市场换税收”。为解决我国工业机器人产业链缺口——高精度电机、减速器、控制器技术问题,各地方政府出台相应的扶持政策鼓励当地企业与国际机器人巨头比如ABB、KUKA、安川等合作,并建立工业机器人研究中心和产业园,以逐步弥补我国工业机器人核心零部件制造技术落后的不足,并利用巨大的国内工业机器人市场换取各大国际巨头的最新核心技术,并逐步形成成熟的上中下游机器人产业链,使国产机器人走在世界前列。

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