《中國製造2025》系列：工業機器人行業

由美國發起的中美貿易衝突中，涉及到中國信息和通信技術、航天航空、機器人、醫藥、機械等行業產品，是明顯地針對「中國製造2025」的打壓和遏制 。 這不僅是一場貿易摩擦，還是一場技術、產業的較量。

「科學技術是第一生產力」，2015年中國發布了《中國製造2025》， 把科技創新擺在國家發展全局的核心位置。十九大提出要積極推進科技強國建設，加快發展先進位造業，促進我國產業邁向全球價值鏈中高端。

從本期開始我們將推出《中國製造2025》產業鏈系列，介紹現代戰略新興產業的技術、現狀和發展，讓我們共同為中國製造而努力！

工業機器人產業

工業機器人的發展和應用，是我國製造業走向高端化和智能化的重中之重。目前我國工業機器人產業呈現「快速成長」和「國產替代」的雙重重要特徵。

工業機器人

工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執行工作，是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現代的工業機器人還可以根據人工智慧技術制定的原則綱領行動。

組成結構

工業機器人由主體、驅動系統和控制系統三個基本部分組成。

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

驅動系統包括動力裝置和傳動機構，用以使執行機構產生相應的動作。控制系統是按照輸入的程序對驅動系統和執行機構發出指令信號，並進行控制。

工業機器人的產業鏈

工業機器人行業上游是核心零部件，主要的是減速機和控制系統，這相當於機器人的「大腦」，中游是機器人本體，就是機器人的「身體」，下游是系統集成商，國內企業都集中在這個環節上。

工業機器人上游零部件行業主要是減速機、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在工業機器人成本中所佔比重較大，分別為39%，28%，本體製造佔比為22%。

雖然減速機、伺服系統在工業機器人成本中所佔比重較大，但國內減速機、伺服電機等關鍵零部件發展相對滯後，技術水平較低，產品穩定性差，與國外產品相比存在不少差距，導致國內工業機器人減速機、伺服電機等零部件主要依賴進口，國內企業工業機器人生產成本較高，競爭力較弱。

產業鏈上游的核心零部件

伺服電機

電動伺服驅動系統是工業機器人的必不可少的關鍵零部件，是利用各種電機產生的力矩和力，直接或間接地驅動機器人本體，以獲得機器人的各種運動的執行機構，通常由伺服電機以及伺服驅動器組成。除了可以進行速度與轉矩控制外，伺服系統還可以進行精確、快速、穩定的位置控制。

1、工業機器人對伺服電機的要求

1）快速響應性，電伺服系統的靈敏性愈高，快速響應性能愈好；

2）起動轉矩慣量比大，在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電機的起動轉矩大，轉動慣量小；

3）控制特性的連續性和直線性，隨著控制信號的變化，電機的轉速能連續變化，有時還需轉速與控制信號成正比或近似成正比，調速範圍寬，能使用於1:1000～1:10000的調速範圍。

4）體積小、質量小、軸向尺寸短，以配合機器人的體形；

5）能經受住苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，並能在短時間內承受數倍過載。交流伺服驅動器因其具有轉矩轉動慣量比高、無電刷及換向火花等優點，在工業機器人中得到廣泛應用。

2、伺服電機的核心技術

1）信號接插件的可靠性。國產伺服需要繼續改進，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計是個很好的做法，目前日系的伺服電機很多就是這樣設計的，方便安裝、調試、更換。

2）編碼器的高精度。尤其工業機器人上用的多圈絕對值編碼器，目前嚴重依賴進口 ，是制約我國高檔伺服系統發展的重要瓶頸之一。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。縱觀日系伺服電機產品的更迭，都是伴隨著電機磁路和編碼器的協同發展升級。

另外，國內的伺服系統的基礎性研究缺失，包括絕對值編碼器技術、高端電機的產業化製造技術、生產工藝的突破、性能指標的實用性驗證和考核標準的制定等等。這些都需要國內機器人行業的核心零部件企業去完善。

3、機器人伺服電機的部分企業

控制器

工業機器人控制器是機器人控制系統的核心大腦。控制器的主要任務是對機器人的正向運動學、逆向運動學求解，以實現機器人的操作空間坐標和關節空間坐標的相互轉換，完成機器人的軌跡規劃任務，實現高速伺服插補運算、伺服運動控制。

機器人控制器由機器人控制器硬體和機器人控制器軟體組成。機器人控制器的軟體部分是工業機器人的「心臟」，隨著科技的發展，工業機器人從下位機到上位機的應用軟體方面都有了不同程度的研究成果。

機器人軸數越多，對控制器性能要求也越高：機器人自由度的高低取決於其可移動的關節數目，關節數愈多，自由度越高，位移精準度也越高，其所使用的伺服電機數量就相對較多，即越精密的工業型機器人所用的伺服電機數量愈多。一般每台多軸機器人由一套控制系統控制，也意味著控制器性能要求越高。

控制系統的開發涉及較多的核心技術，包括硬體設計，底層軟體技術，上層功能應用軟體等，隨著技術和應用經驗的積累，國內企業機器人控制器產品已經較為成熟，是機器人產品中與國外產品差距最小的關鍵零部件，國內機器人控制器所採用的硬體平台和國外產品相比並沒有太大差距， 差距主要在控制演算法和二次開發平台的易用性方面。

工業機器人控制器的部分企業

減速器

工業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，工業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髮展起來的一種新型減速器，由波發生器、柔輪和剛輪組成，依靠波發生器使柔輪產生可控彈性變形，並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、質量小、體積小、較小的傳動慣量等優點。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的。其缺點為在諧波齒輪傳動中柔輪每轉發生兩次橢圓變形，極易引起材料的疲勞損壞，損耗功率大。同時，其引起的扭轉變形角達到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後級組成。RV傳動是新興起的一種傳動，它是在傳統針擺行星傳動的基礎上發展出來的，不僅克服了一般針擺傳動的缺點，而且具有體積小、質量輕、傳動比範圍大、壽命長、精度保持穩定、效率高、傳動平穩等一系列優點。

RV減速器有較優越的性能：①擺線針輪行星減速裝置中的傳動零件剛度高、接觸應力小，零件加工和安裝精度易於實現高精度，這就使得擺線針輪傳動的效率很高；②行星傳動結構與緊湊的w輸出機構組合，使整個擺線針輪減速裝置結構十分緊湊，因此其結構體積小和質量輕；③採用一齒差或少齒差傳動，擺線針輪傳動的傳動比大小取決於擺線針輪的齒數，齒數越多，傳動比越大；④擺線針輪傳動同時嚙合的齒數要比漸開線外齒傳動同時嚙合的齒數多，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

工業機器人減速器的部分企業

產業鏈中游的本體廠商

機器人本體廠商的工作主要是生產機器人本體，負責機器人關鍵零部件生產、控制演算法、開發環境設計等工作。

工業機器人的主要國際玩家

我國工業機器人與歐美日之間的差距依然明顯。目前工業機器人「四大家族」（ABB、庫卡、發那科、安川）為全球主要的工業機器人供應商，佔據全球約50%的市場份額。佔據了中國市場60%的份額，而國內自主品牌佔比不到10%。

其他世界知名的工業機器人企業還有Kawasaki川崎重工業公司、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。

工業機器人的產業現狀

從2013年起，中國連續四年成為全球最大的工業機器人市場，據國際機器人聯合會IFR的報告，2016年，中國工業機器人銷量9萬台，同比增長31%，約佔全球銷量的1/3。目前，中國的機器人製造商正在擴大其在國內市場的份額，2018年~2020年，中國機器人的年銷售量預計每年平均增長15%~20%。

據統計，2017年1-9月，我國工業機器人產量達到95351台(套)，同比增長69.4%，9月當月產量為13085台(套)，比上年同月增長103.2%，繼續保持高速增長態勢。

從產業鏈角度看，位於工業機器人產業鏈上的企業依次是機器人單元產品製造商、機器人系統集成商和工業自動化集成商。現在，歐美、日本等一些國際工業機器人公司，在中國不直接提供機器人自動化系統的集成服務，而是將機器人單體銷售給系統集成商，由系統集成商再對終端用戶。

目前，國內的機器人企業多為系統集成商。根據國際經驗來看，國內的機器人產業發展更接近於美國模式，即以系統集成商為主，單元產品外購或貼牌，為客戶提供交鑰匙工程。與單元產品的供應商相比，系統集成商還要具有產品設計能力、項目經驗，並在對用戶行業深刻理解的基礎之上，提供可適應各種不同應用領域的標準化、個性化成套裝備。

工業機器人的大規模普及將為國內相關係統集成商帶來發展機遇。中國機器人產業化模式較可行的是從集成起步至成熟階段採用分工模式：即美國模式(集成)-日本模式(核心技術)-德國模式(分工合作)。

作為中國機器人市場上的主力軍，系統集成商普遍規模較小，年產值不高，面臨強大的競爭壓力。從相關市場數據來看，現階段國內集成商規模都不大，銷售收入1個億以下的企業佔大部分，能做到5個億的就是行業的佼佼者，10個億以上的全國範圍屈指可數。從國內機器人市場發展現狀看，有兩類企業將在未來行業大發展的背景中勝出：一類是有很強技術研發底蘊，項目經驗豐富的行業企業，另一類是在某些行業有一定的項目經驗，擬在自身行業推廣工業機器人的企業。

同時，產業藉助資本的力量，企業通過IPO不斷發展壯大，其中匯川技術、埃斯頓等優質企業在伺服技術方面走在行業前列，慈星股份、新時達等在工業機器人控制器方面較早布局，中大力德、雙環傳動等具有代表性的公司涉足減速機；機器人、黃河旋風、拓斯達、埃斯頓、博實股份、天奇股份等一批公司逐漸成為工業機器人集成應用領域的佼佼者。

儘管前路艱難，但大國崛起之路上，工業機器人的進口替代已是大勢所趨。隨著技術突破的推進，國內逐漸湧現出一批快速成長的製造企業，中國工業機器人產業正向中高端發起衝鋒。

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