工業(yè)機(jī)器人的上游核心零部件產(chǎn)業(yè)分析

當(dāng)前，我國制造業(yè)正迎來高端制造的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期，工業(yè)機(jī)器人對中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、推動其他產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展有著重要意義。

工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈分為上中下游，上游是機(jī)器人核心零部件，如減速器、伺服系統(tǒng)、控制器，技術(shù)壁壘較高，在機(jī)器人的成本中占比最大，約為65%～75%； 中游是機(jī)器人本體制造，是機(jī)器人的支撐基礎(chǔ)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，屬于重資產(chǎn)環(huán)節(jié)； 下游是機(jī)器人應(yīng)用環(huán)節(jié)，主要是系統(tǒng)集成商根據(jù)機(jī)器人不同應(yīng)用場景進(jìn)行系統(tǒng)集成和軟件二次開發(fā)，雖然收益率較高， 但是技術(shù)含量較低，競爭激烈。

機(jī)器人三大核心零部件中， 減速器系統(tǒng)占比約為30%～40%，伺服系統(tǒng)約為20%～30%，控制器系統(tǒng)約為10%～15%。核心零部件一直是限制機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的桎梏，從目前的情況來看，國產(chǎn)企業(yè)開始向該領(lǐng)域進(jìn)軍，近些年來誕生了一批真正擁有自主產(chǎn)業(yè)的企業(yè)。

一、減速機(jī)

減速機(jī)安裝在機(jī)器人的關(guān)節(jié)，用來精確控制機(jī)器人動作，傳輸更大的力矩。減速機(jī)主要分為RV減速機(jī)和諧波減速機(jī)。RV減速機(jī)主要應(yīng)用于負(fù)載較大的關(guān)節(jié)上，諧波減速機(jī)主要配置與負(fù)載較低的關(guān)節(jié)。一臺工業(yè)機(jī)器人一般會配置多個減速器。減速器在工業(yè)機(jī)器人三大零部件中技術(shù)難度最大，行業(yè)高度壟斷。

RV減速器需要承受大負(fù)載且需保證高精度，因此其技術(shù)難點主要集中在工業(yè)和裝配方面：一是精密加工及裝配技術(shù)。RV減速器的減速比較高，對特殊部件和緊密裝配技術(shù)有很高要求。二是材料成型技術(shù)。RV減速齒輪需具有耐磨性和高剛性，對于材料化學(xué)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(fā)生器、柔輪、剛輪組成。工作原理在于依靠波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形，而柔輪比鋼輪少N個齒輪位。因此，當(dāng)波發(fā)生器轉(zhuǎn)一圈，柔輪移動N個齒輪位，產(chǎn)生所謂的錯齒運動，從而實現(xiàn)了主動波發(fā)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(xiàn)傳動，其優(yōu)勢是傳動比大、零部件數(shù)目少；其缺點是彈性變形回差大，這就不可避免地會影響機(jī)器人的動態(tài)特性抗沖擊能力等。

目前減速器的主要供應(yīng)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(chǎn)品，應(yīng)用廣泛。ABB、發(fā)那科（Fanuc）、庫卡（kuka）、安川等國際主流機(jī)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(shù)要求較低，我國蘇州綠的和中技克美已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)且應(yīng)用于國產(chǎn)機(jī)器人，國產(chǎn)諧波減速器減速比范圍與日本哈默納科相當(dāng)，但在輸出扭矩、平均壽命上仍與國外產(chǎn)品有一定差距。RV減速器要求精度較高，要求承載的負(fù)載較大。目前我國南通振康、中大力德、雙環(huán)傳動已實現(xiàn)量產(chǎn)，與國外RV減速器輸出扭矩范圍相當(dāng)，但傳動精度、扭轉(zhuǎn)剛度方面不足，工藝水平仍與國外產(chǎn)品有差距。

二、 伺服電機(jī)

工業(yè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、伺服編碼器組成，主要用于驅(qū)動機(jī)器人的關(guān)節(jié)，工業(yè)機(jī)器人的每個關(guān)節(jié)都需要一個伺服電機(jī)，用來控制速度與轉(zhuǎn)矩控制以及進(jìn)行精確、快速、穩(wěn)定的位置控制。

伺服驅(qū)動器是通過速度環(huán)、位置環(huán)、電流環(huán)分別對伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行相應(yīng)控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位。伺服編碼器是安裝在伺服電機(jī)末端用來測量轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速的一種傳感器， 目前自控領(lǐng)域常用的是光電編碼器和磁電編碼器。作為伺服系統(tǒng)的信號反饋裝置，編碼器很大程度上決定了伺服系統(tǒng)的精度。伺服電機(jī)作為執(zhí)行元件，作用是將伺服控制器的脈沖信號轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)動的角位移和角速度，主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子上有兩個繞組，勵磁繞組和控制繞組。其內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵或感應(yīng)線圈，轉(zhuǎn)子在由勵磁繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場作用下轉(zhuǎn)動。

伺服電機(jī)廣泛用于各類高端機(jī)械設(shè)備，用于機(jī)器人的伺服電機(jī)僅占行業(yè)9%。因此很多機(jī)器人伺服電機(jī)生產(chǎn)廠商多是原先提供其他領(lǐng)域的伺服電機(jī)廠商。但由于機(jī)器人特殊性，對伺服電機(jī)的快速響應(yīng)性、高啟動轉(zhuǎn)矩、調(diào)速范圍寬要求更高， 并且為了適應(yīng)機(jī)器人還要更輕量化。

目前， 日系和歐美占據(jù)伺服電機(jī)80%市場份額，我國自主品牌近些年來開始逐漸代替進(jìn)口，如匯川技術(shù)和埃斯頓。

三、 控制器

控制器主要負(fù)責(zé)發(fā)布和傳遞動作指令，控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡，操作順序及動作時間等。

控制器分為硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)。硬件方面，目前市場已經(jīng)研發(fā)了基于多CPU的分級分層控制系統(tǒng)。以典型的DSP控制器為例，該控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)，以工業(yè)PC作為系統(tǒng)的硬件平臺， 通過DSP控制卡實現(xiàn)對機(jī)器人多個自由度的操控，提高了機(jī)器人控制器的運動控制性能。

軟件方面，又分為上位機(jī)PC部分和下位機(jī)運動控制部分。其中，上位機(jī)模塊主要功能是對系統(tǒng)的可調(diào)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對機(jī)器人的正、逆運動學(xué)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(jī)模塊由主控程序、運動程序和通訊程序構(gòu)成，實現(xiàn)高速伺服插補(bǔ)運算、伺服運動控制。

由于控制器要求算法和機(jī)器人本體相匹配，因此國際較大型機(jī)器人本體廠商都自己生產(chǎn)控制器，工業(yè)機(jī)器人“四大家族”所生產(chǎn)控制器的市場占有率與本體行業(yè)相似，而國內(nèi)本體廠商大多還不具備自己生產(chǎn)研發(fā)控制器的能力，大多采用外部采購控制器的方式。