工業(yè)機器人制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析

秦偉玲 王 萬 李景楊

(中國中元國際工程有限公司，北京 100089)

1 工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)市場前景廣闊

工業(yè)機器人被譽為“制造業(yè)皇冠上的明珠”。先進工業(yè)機器人的制造與應用代表著科技創(chuàng)新能力和高端制造業(yè)發(fā)展水平，世界各國都對此非常重視。近年來，隨著全球范圍內(nèi)生產(chǎn)自動化和智能化的不斷加速，越來越多的國家將機器人應用于制造業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)在各國都獲得了迅速發(fā)展。據(jù)國際機器人聯(lián)合會(IFR)World Robotics 2018統(tǒng)計顯示，2012年至2017年間，機器人的平均銷售額以每年19%的速度增長。表明制造業(yè)對工業(yè)機器人的實際需求處于迅速增長階段，成為名副其實的朝陽產(chǎn)業(yè)。根據(jù)IFR《全球機器人2019—工業(yè)機器人》統(tǒng)計，2018年全球工業(yè)機器人出貨量42.2萬臺，比2017年增長6%；年銷售額達到165億美元，創(chuàng)下新紀錄。

在這股席卷世界的機器人浪潮中，我國機器人市場規(guī)模逐年增長， 2013-2018年間，年均增長率為29.71%。我國機器人市場進入高速增長期，2018年市場規(guī)模超87億美元。根據(jù)《中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2019》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國已連續(xù)7年作為首屈一指的機器人市場。其中，工業(yè)機器人長期占據(jù)機器人市場的主導地位。2018年工業(yè)機器人占國內(nèi)機器人比例達71%，占世界總安裝量的36%，安裝量約15.4萬臺，超過歐洲和美洲機器人安裝總量，安裝價值達到54億美元，比2017年增長21%。

從工業(yè)機器人安裝密度看，我國與世界發(fā)達國家仍存在明顯差距。數(shù)據(jù)顯示，2018年，工業(yè)機器人密度新加坡達到831臺，全球最高，其次是韓國(774臺)與德國(338臺)，中國的工業(yè)機器人密度為140臺，雖然高于全球各地區(qū)的平均水平，但與發(fā)達國家相比仍有較大差距，增長空間潛力較大。因此，伴隨著新型制造體系日益強調(diào)智能制造的重要地位，在未來較長的一段時間內(nèi)，我國的工業(yè)機器人市場仍將大幅擴張。未來幾年，中國機器人行業(yè)銷量有望維持25%～30%的增速。截至2021年底，我國工業(yè)機器人市場規(guī)模預計將突破70億美元。

2 精密減速器制造是工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)

工業(yè)機器人的核心零部件主要有控制器、伺服電機和減速器，共占到機器人成本的70%以上，很大程度上制約著中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展。其中，控制器占機器人整機成本的15%，伺服電機占機器人整機成本的25%，而減速器占機器人整機成本的35%左右，占機器人硬件成本比例最高。目前，我國工業(yè)機器人用減速器80%以上依賴進口，總采購成本與外企相比高出3～5倍以上。因此，機器人所有核心零部件中，減速器最為關(guān)鍵。

在全球范圍內(nèi)，機器人鏟運應用的精密減速器主要包括 RV 減速器、諧波減速器和 SPINEA 減速器，三者的市場銷售數(shù)量占比約為 40%、40%、20%。 可見，RV減速器和諧波減速器是工業(yè)機器人應用最廣泛的精密減速器。GGII數(shù)據(jù)顯示，2018年我國工業(yè)機器人用減速器總需求達到47.40萬臺，同比增長8.91%。其中，增量需求為37.28萬臺，存量更換10.12萬臺。其中，2018年國產(chǎn)機器人減速器占比28.24%，預計2019年國產(chǎn)化率將有望突破30%。國產(chǎn)減速器未來的成長空間比較大，有望進一步實現(xiàn)進口替代。

作為機器人3大核心關(guān)鍵部件之一，精密減速器是技術(shù)壁壘最深的關(guān)鍵零部件。一是技術(shù)復雜的六軸以上多關(guān)節(jié)機器人，國外公司占據(jù)約90%的份額。二是作業(yè)難度大、應用廣泛的焊接領(lǐng)域，國外機器人占據(jù)84%的份額。三是高端應用集中的汽車行業(yè)，國外公司占據(jù)90%份額。我國企業(yè)生產(chǎn)的大多是搬運、碼垛機器人，應用也大多集中在家電、金屬制造等領(lǐng)域。

目前，歐洲SPINEA和日本哈默納科分別在RV減速器和諧波減速器方面處于領(lǐng)先地位。尤其是高端、高精度機器人用減速器，日本擁有絕對技術(shù)領(lǐng)先的優(yōu)勢。目前，全球范圍內(nèi)75%的精密減速器市場被日本的Nabtesco和HarmonicDrive兩家壟斷。其中，日本Nabtesco占據(jù)了全球RV減速器市場份額的60%，是最大的RV減速器和擺線針輪減速器制造商。在中/重負荷機器人領(lǐng)域，其提供的RV減速器更是占據(jù)全球市場的九成。另一家日本企業(yè)Harmonic Drive，則是工業(yè)機器人關(guān)節(jié)的主要生產(chǎn)商，占據(jù)了全球15%的市場份額，是諧波減速器領(lǐng)域的領(lǐng)軍者。

RV減速器作為純機械構(gòu)造的精密機器人部件，對基礎(chǔ)原材料、加工制造水平、熱處理工藝等都有很高的要求。除此之外，它還具有嚙齒合數(shù)較多、小型、輕量化等特點，同時要求具有良好的加速性能，能夠?qū)崿F(xiàn)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，具備較高的位置精度。目前，應用于焊接、汽車制造等高端領(lǐng)域的六軸或以上高端工業(yè)機器人，主要由日本和歐美企業(yè)生產(chǎn)。國產(chǎn)六軸工業(yè)機器人占據(jù)全國新裝機總量的比例在10%以下。目前，國內(nèi)工業(yè)機器人依然在很大程度上依賴進口。

3 精密減速器國產(chǎn)化的機遇與挑戰(zhàn)

鑒于精密減速器的重要作用，國家一直鼓勵國內(nèi)企業(yè)能實現(xiàn)進口替代。《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020 年)》提出，關(guān)鍵零部件取得重大突破。機器人用精密減速器等核心零部件取得重大突破，其性能、精度、可靠性達到國外同類產(chǎn)品水平，在六軸及以上工業(yè)機器人中實現(xiàn)批量應用，市場占有率達到 50%以上，并通過其它相關(guān)財稅優(yōu)惠政策鼓勵企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、應用精密減速器。

在著力于精密減速器國產(chǎn)化研究后，涌現(xiàn)出南通振康，浙江恒豐泰，重慶大學機械傳動國家重點實驗室，天津減速器廠，秦川機床廠、北京中技克美，北京諧波傳動所，蘇州綠的等單位或企業(yè)，并可以在高精度擺線針輪減速器和諧波減速器領(lǐng)域局部替換國外產(chǎn)品。以蘇州綠的、來福諧波、本潤機器人為代表的國內(nèi)企業(yè)，在模塊化技術(shù)、柔性生產(chǎn)工藝等方面都取得了突破，目前生產(chǎn)的諧波減速器的性能和可靠性都達到國際先進水平。

2017年以來，減速器國產(chǎn)化進程顯著加快，國內(nèi)企業(yè)減速器業(yè)務(wù)推進順利，訂單頻傳。中大力德將于2019年底之前向伯朗特供貨RV減速器不低于30000套，埃夫特將采購雙環(huán)傳動的RV減速器一萬套，南通振康將分別向新松、上海歡顏、埃夫特批量提供減速器。上海機電旗下的納博精機已經(jīng)達到10萬臺產(chǎn)能，并于2017年5月開始實現(xiàn)單月盈利，目標早日達到20萬臺的產(chǎn)能。除此之外，中技克美成為國內(nèi)第一家上市的諧波減速器企業(yè)，產(chǎn)能2萬套每年，其中50%～60%用于軍工領(lǐng)域。秦川機床、中大力德、來福諧波也分別開發(fā)了系列產(chǎn)品，進入量產(chǎn)階段。

雖然多家減速器廠商實現(xiàn)量產(chǎn)，市場接受度逐年提升，但與日系兩大家依然存在一定的差距，主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的綜合性能，如精度、穩(wěn)定性和使用壽命，產(chǎn)品系列、產(chǎn)品一致性等方面與日本同類產(chǎn)品仍存在一定差距。

從諧波減速器的技術(shù)指標來看，國內(nèi)的蘇州綠的和中技克美的減速比范圍與日本哈默納科水平相當，產(chǎn)品性能基本滿足要求，目前已經(jīng)大量應用于國產(chǎn)機器人。而國外產(chǎn)品在輸出扭矩、平均壽命和一致性等技術(shù)指標上依然占據(jù)優(yōu)勢。

從RV減速器的技術(shù)指標來看，對比納博RV-E系列和南通振康的產(chǎn)品，可以看到在同一輸出轉(zhuǎn)速和輸入功率的情況下，二者的輸出扭矩范圍相當，說明國內(nèi)產(chǎn)品在傳動效率上已經(jīng)可以與國外媲美。然而工藝水平是限制RV減速器發(fā)展的主要原因，例如RV減速器的精密機構(gòu)，非標特殊軸承的間隙需要根據(jù)零部件加工尺寸作出相應調(diào)整。因此，減速器的研發(fā)與制造需要重點關(guān)注傳動精度、扭轉(zhuǎn)剛度等方面的研究。

4 總結(jié)

目前，由于工業(yè)機器人技術(shù)壁壘高企，相關(guān)技術(shù)仍集中在日本和歐洲等優(yōu)勢企業(yè)，我國仍處于產(chǎn)業(yè)鏈的下游。為促進我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，在以精密減速器為代表的上游產(chǎn)業(yè)投入更多的資金是必然趨勢。相關(guān)企業(yè)尋求突破應重點關(guān)注高端精密軸承、先進材料與熱處理技術(shù)、高端潤滑油脂等短板技術(shù)的補齊，與相關(guān)配套企業(yè)協(xié)同攻關(guān)。另外，在機器人輕型化、柔性化、智能化趨勢之下，實踐應用場景持續(xù)拓展。機器人生產(chǎn)企業(yè)、系統(tǒng)集成企業(yè)、用戶企業(yè)之間緊密配合、共同創(chuàng)新是促進整個行業(yè)健康發(fā)展的主要趨勢。如此以來，才能發(fā)揮各方的優(yōu)勢和特長，整合相關(guān)資源，實現(xiàn)協(xié)作共贏。