中國制造業工業機器人上游產業鏈分析
http://www.moduwu.com 2019-04-12 14:13 來源：中國航空報
當前，我國制造業正迎來高端制造的關鍵轉型期，工業機器人對中國制造業轉型升級、推動其他產業高速發展有著重要意義。
工業機器人產業鏈分為上中下游，上游是機器人核心零部件，如減速器、伺服系統、控制器，技術壁壘較高，在機器人的成本中占比最大，約為65%～75%； 中游是機器人本體制造，是機器人的支撐基礎和執行機構，屬于重資產環節； 下游是機器人應用環節，主要是系統集成商根據機器人不同應用場景進行系統集成和軟件二次開發，雖然收益率較高， 但是技術含量較低，競爭激烈。
機器人三大核心零部件中， 減速器系統占比約為30%～40%，伺服系統約為20%～30%，控制器系統約為10%～15%。核心零部件一直是限制機器人產業發展的桎梏，從目前的情況來看，國產企業開始向該領域進軍，近些年來誕生了一批真正擁有自主產業的企業。
一、減速機
減速機安裝在機器人的關節，用來精確控制機器人動作，傳輸更大的力矩。減速機主要分為RV減速機和諧波減速機。RV減速機主要應用于負載較大的關節上，諧波減速機主要配置與負載較低的關節。一臺工業機器人一般會配置多個減速器。減速器在工業機器人三大零部件中技術難度最大，行業高度壟斷。
RV減速器需要承受大負載且需保證高精度，因此其技術難點主要集中在工業和裝配方面：一是精密加工及裝配技術。RV減速器的減速比較高，對特殊部件和緊密裝配技術有很高要求。二是材料成型技術。RV減速齒輪需具有耐磨性和高剛性，對于材料化學元素控制、表面熱處理方面難度較大。
諧波減速器主要由波發生器、柔輪、剛輪組成。工作原理在于依靠波發生器使柔輪產生可控彈性變形，而柔輪比鋼輪少N個齒輪位。因此，當波發生器轉一圈，柔輪移動N個齒輪位，產生所謂的錯齒運動，從而實現了主動波發生器與柔輪的運動傳遞。諧波減速器是通過柔輪的彈性變形來實現傳動，其優勢是傳動比大、零部件數目少；其缺點是彈性變形回差大，這就不可避免地會影響機器人的動態特性抗沖擊能力等。
目前減速器的主要供應商是日本的納博（Nabtesco） 和哈默納科（HarmonicDrive），占全球市場75%市場份額。日本納博具備全系列產品，應用廣泛。ABB、發那科（Fanuc）、庫卡（kuka）、安川等國際主流機器人廠商的減速器均由納博和哈默納科提供。
諧波減速器對技術要求較低，我國蘇州綠的和中技克美已經實現量產且應用于國產機器人，國產諧波減速器減速比范圍與日本哈默納科相當，但在輸出扭矩、平均壽命上仍與國外產品有一定差距。RV減速器要求精度較高，要求承載的負載較大。目前我國南通振康、中大力德、雙環傳動已實現量產，與國外RV減速器輸出扭矩范圍相當，但傳動精度、扭轉剛度方面不足，工藝水平仍與國外產品有差距。
二、 伺服電機
工業機器人伺服系統由伺服電機、伺服驅動器、伺服編碼器組成，主要用于驅動機器人的關節，工業機器人的每個關節都需要一個伺服電機，用來控制速度與轉矩控制以及進行精確、快速、穩定的位置控制。
伺服驅動器是通過速度環、位置環、電流環分別對伺服電機的轉速、位置、轉矩進行相應控制，實現高精度的傳動系統定位。伺服編碼器是安裝在伺服電機末端用來測量轉角及轉速的一種傳感器， 目前自控領域常用的是光電編碼器和磁電編碼器。作為伺服系統的信號反饋裝置，編碼器很大程度上決定了伺服系統的精度。伺服電機作為執行元件，作用是將伺服控制器的脈沖信號轉化為電機轉動的角位移和角速度，主要由定子和轉子構成，定子上有兩個繞組，勵磁繞組和控制繞組。其內部的轉子是永磁鐵或感應線圈，轉子在由勵磁繞組產生的旋轉磁場作用下轉動。
伺服電機廣泛用于各類高端機械設備，用于機器人的伺服電機僅占行業9%。因此很多機器人伺服電機生產廠商多是原先提供其他領域的伺服電機廠商。但由于機器人特殊性，對伺服電機的快速響應性、高啟動轉矩、調速范圍寬要求更高， 并且為了適應機器人還要更輕量化。
目前， 日系和歐美占據伺服電機80%市場份額，我國自主品牌近些年來開始逐漸代替進口，如匯川技術和埃斯頓。
三、 控制器
控制器主要負責發布和傳遞動作指令，控制工業機器人在工作空間中的運動位置、姿態和軌跡，操作順序及動作時間等。
控制器分為硬件結構和軟件結構。硬件方面，目前市場已經研發了基于多CPU的分級分層控制系統。以典型的DSP控制器為例，該控制器采用模塊化結構，以工業PC作為系統的硬件平臺， 通過DSP控制卡實現對機器人多個自由度的操控，提高了機器人控制器的運動控制性能。
軟件方面，又分為上位機PC部分和下位機運動控制部分。其中，上位機模塊主要功能是對系統的可調參數進行設置，對機器人的正、逆運動學建模求解， 并把運動控制卡與控制程序在邏輯上連接起來。下位機模塊由主控程序、運動程序和通訊程序構成，實現高速伺服插補運算、伺服運動控制。
由于控制器要求算法和機器人本體相匹配，因此國際較大型機器人本體廠商都自己生產控制器，工業機器人“四大家族”所生產控制器的市場占有率與本體行業相似，而國內本體廠商大多還不具備自己生產研發控制器的能力，大多采用外部采購控制器的方式。
編輯精選
