《中國制造2025》系列：工業(yè)機器人行業(yè)

工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)

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

工業(yè)機器人

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

組成結(jié)構(gòu)

工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。

主體即機座和執(zhí)行機構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機器人有3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度。

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

工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)鏈

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

工業(yè)機器人上游零部件行業(yè)主要是減速機、伺服電機、變頻器、控制器等，其中減速器、伺服電機及伺服系統(tǒng)在工業(yè)機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、伺服系統(tǒng)在工業(yè)機器人成本中所占比重較大，但國內(nèi)減速機、伺服電機等關(guān)鍵零部件發(fā)展相對滯后，技術(shù)水平較低，產(chǎn)品穩(wěn)定性差，與國外產(chǎn)品相比存在不少差距，導(dǎo)致國內(nèi)工業(yè)機器人減速機、伺服電機等零部件主要依賴進(jìn)口，國內(nèi)企業(yè)工業(yè)機器人生產(chǎn)成本較高，競爭力較弱。

產(chǎn)業(yè)鏈上游的核心零部件

伺服電機

電動伺服驅(qū)動系統(tǒng)是工業(yè)機器人的必不可少的關(guān)鍵零部件，是利用各種電機產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動機器人本體，以獲得機器人的各種運動的執(zhí)行機構(gòu)，通常由伺服電機以及伺服驅(qū)動器組成。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)機器人對伺服電機的要求

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）起動轉(zhuǎn)矩慣量比大，在驅(qū)動負(fù)載的情況下，要求機器人的伺服電機的起動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動慣量小；

3）控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號的變化，電機的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時還需轉(zhuǎn)速與控制信號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，以配合機器人的體形；

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

2、伺服電機的核心技術(shù)

1）信號接插件的可靠性。國產(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，與伺服電機本體的集成設(shè)計是個很好的做法，目前日系的伺服電機很多就是這樣設(shè)計的，方便安裝、調(diào)試、更換。

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

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

3、機器人伺服電機的部分企業(yè)

控制器

工業(yè)機器人控制器是機器人控制系統(tǒng)的核心大腦。控制器的主要任務(wù)是對機器人的正向運動學(xué)、逆向運動學(xué)求解，以實現(xiàn)機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，完成機器人的軌跡規(guī)劃任務(wù)，實現(xiàn)高速伺服插補運算、伺服運動控制。

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

機器人軸數(shù)越多，對控制器性能要求也越高：機器人自由度的高低取決于其可移動的關(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數(shù)量就相對較多，即越精密的工業(yè)型機器人所用的伺服電機數(shù)量愈多。一般每臺多軸機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)的開發(fā)涉及較多的核心技術(shù)，包括硬件設(shè)計，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)驗的積累，國內(nèi)企業(yè)機器人控制器產(chǎn)品已經(jīng)較為成熟，是機器人產(chǎn)品中與國外產(chǎn)品差距最小的關(guān)鍵零部件，國內(nèi)機器人控制器所采用的硬件平臺和國外產(chǎn)品相比并沒有太大差距， 差距主要在控制算法和二次開發(fā)平臺的易用性方面。 

工業(yè)機器人控制器的部分企業(yè) 

減速器

工業(yè)機器人核心部件減速器是機械傳動的核心，機器人的速度、精度都與減速器有關(guān)，工業(yè)機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原理發(fā)展起來的一種新型減速器，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傳遞運動和動力。

諧波傳動具有運動精度高，傳動比大、質(zhì)量小、體積小、較小的傳動慣量等優(yōu)點。最重要的是能在密閉空間傳遞運動，這一點是其他任何機械傳動無法實現(xiàn)的。其缺點為在諧波齒輪傳動中柔輪每轉(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，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減速器由一個行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的后級組成。RV傳動是新興起的一種傳動，它是在傳統(tǒng)針擺行星傳動的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，不僅克服了一般針擺傳動的缺點，而且具有體積小、質(zhì)量輕、傳動比范圍大、壽命長、精度保持穩(wěn)定、效率高、傳動平穩(wěn)等一系列優(yōu)點。

RV減速器有較優(yōu)越的性能：①擺線針輪行星減速裝置中的傳動零件剛度高、接觸應(yīng)力小，零件加工和安裝精度易于實現(xiàn)高精度，這就使得擺線針輪傳動的效率很高；②行星傳動結(jié)構(gòu)與緊湊的w輸出機構(gòu)組合，使整個擺線針輪減速裝置結(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，擺線針輪傳動的傳動比大小取決于擺線針輪的齒數(shù)，齒數(shù)越多，傳動比越大；④擺線針輪傳動同時嚙合的齒數(shù)要比漸開線外齒傳動同時嚙合的齒數(shù)多，因此承載能力較大；⑤擺線輪和針輪的輪齒均淬硬、精磨，比漸開線少齒差傳動中內(nèi)齒輪的加工性能更好、齒面硬度更高，使用壽命更長。

RV減速器

工業(yè)機器人減速器的部分企業(yè)

產(chǎn)業(yè)鏈中游的本體廠商

機器人本體廠商的工作主要是生產(chǎn)機器人本體，負(fù)責(zé)機器人關(guān)鍵零部件生產(chǎn)、控制算法、開發(fā)環(huán)境設(shè)計等工作。

工業(yè)機器人的主要國際玩家

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

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

工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

從2013年起，中國連續(xù)四年成為全球最大的工業(yè)機器人市場，據(jù)國際機器人聯(lián)合會IFR的報告，2016年，中國工業(yè)機器人銷量9萬臺，同比增長31%，約占全球銷量的1/3。目前，中國的機器人制造商正在擴(kuò)大其在國內(nèi)市場的份額，2018年~2020年，中國機器人的年銷售量預(yù)計每年平均增長15%~20%。

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

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

目前，國內(nèi)的機器人企業(yè)多為系統(tǒng)集成商。根據(jù)國際經(jīng)驗來看，國內(nèi)的機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展更接近于美國模式，即以系統(tǒng)集成商為主，單元產(chǎn)品外購或貼牌，為客戶提供交鑰匙工程。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)計能力、項目經(jīng)驗，并在對用戶行業(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、個性化成套裝備。 

工業(yè)機器人的大規(guī)模普及將為國內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)集成商帶來發(fā)展機遇。中國機器人產(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：即美國模式(集成)-日本模式(核心技術(shù))-德國模式(分工合作)。

作為中國機器人市場上的主力軍，系統(tǒng)集成商普遍規(guī)模較小，年產(chǎn)值不高，面臨強大的競爭壓力。從相關(guān)市場數(shù)據(jù)來看，現(xiàn)階段國內(nèi)集成商規(guī)模都不大，銷售收入1個億以下的企業(yè)占大部分，能做到5個億的就是行業(yè)的佼佼者，10個億以上的全國范圍屈指可數(shù)。從國內(nèi)機器人市場發(fā)展現(xiàn)狀看，有兩類企業(yè)將在未來行業(yè)****展的背景中勝出：一類是有很強技術(shù)研發(fā)底蘊，項目經(jīng)驗豐富的行業(yè)企業(yè)，另一類是在某些行業(yè)有一定的項目經(jīng)驗，擬在自身行業(yè)推廣工業(yè)機器人的企業(yè)。

同時，產(chǎn)業(yè)借助資本的力量，企業(yè)通過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、新時達(dá)等在工業(yè)機器人控制器方面較早布局，中大力德、雙環(huán)傳動等具有代表性的公司涉足減速機；機器人、黃河旋風(fēng)、拓斯達(dá)、埃斯頓、博實股份、天奇股份等一批公司逐漸成為工業(yè)機器人集成應(yīng)用領(lǐng)域的佼佼者。 

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

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