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【深度】机器人核心技术及市场分析

2016-08-27 19:18:00来源:20区编辑:转角遇见你

【深度】机器人核心技术及市场分析


来源:澄弘研究-新视界



   机器人本体的核心零部件包括伺服、减速器和控制器。以六轴关节型机器人为例,每台机器人标配六台伺服,六台减速器和一个控制器。电机与减速器在机器人内部,控制器也就是控制柜,通过电缆与机器人本体相连。

  机器人产业链图

  【零部件:核心在于控制】

  机器人本体的核心零部件包括伺服、减速器和控制器。以六轴关节型机器人为例,每台机器人标配六台伺服,六台减速器和一个控制器。电机与减速器在机器人内部,控制器也就是控制柜,通过电缆与机器人本体相连。

  机器人的控制过程是由控制器发指令给伺服驱动,驱动伺服电机旋转,通过减速机执行动作。其中,技术门槛最高的是减速机,其次是伺服电机和驱动,再次是控制器。但这里说的门槛是指功能性的门槛,也就是做出来的门槛。

  三大核心零部件的减速器、伺服和控制柜成本分别占机器人成本的30%~50%,20%~30%,10%~20%。

  (1)减速器

  减速器工作原理,是把电机的转速降低,从而得到大的转矩。可以等同于汽车在上坡时需要减速的道理。

  减速器成本,平均占机器人本体成本的30%。由于减速器供应商较少,近乎垄断,故国内机器人本体的减速机采购价格更高,减速机占本体比例可达40%~50%。

  减速器分为谐波减速器和RV减速器。

  谐波减速器用于小型机器人或大型机器人末端几个轴,特点是体积小、重量轻、承载能力大、运动精度高,单级传动比大。国际上HarmonicDrive公司几乎垄断了整个工业机器人谐波减速器领域,目前全球市场占有率高达80%。国内谐波减速器的产业发展中,以绿的发展最快,已经与部分国产机器人甚至外资机器人厂家供货试用,发展到今年有望突破三万台,在国内谐波减速器市场占有率超过50%。

  谐波减速器结构

  RV减速器适用于在重载机器人。一般应用于重载机器人的腿部腰部和肘部三个关节。相比谐波减速器,RV减速器具有更高的疲劳强度、刚度和寿命,不像谐波传动那样随着使用时间增长,运动精度会显著降低,其缺点是重量重,外形尺寸较大。RV减速器的关键在于加工工艺和装配工艺。

  日本的纳博特斯克(帝人)在RV减速器市场占有全球60%的市场份额。国内厂家南通振康和恒丰泰花费了6~8年时间,目前在RV减速器国内品牌中位于前列。减速机市占率对比详见下表。

  (2)伺服

  所谓“伺服”,源于希腊语“奴隶”的意思。“伺服机构”就是一个得心应手的驯服工具,服从控制信号的要求而动作。在信号来到之前,转子静止不动;信号来到之后,转子立即转动;信号消失,转子能即时自行停转。

  机器人用伺服电机要求控制器与伺服之间的总线通讯速度快;伺服的精度高;另外对基础材料有加工要求。特别是像机器人末端执行器(手爪)应采用体积、质量尽可能小的电机,尤其是要求快速响应时,伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性,能经受得起苛刻的运行条件,可进行十分频繁的正反向和加减速运行,并能在短时间内承受过载。

  伺服中主要的三大零部件为:马达、驱动器、编码器。目前国内在马达和驱动器制造方面都有所突破,而编码器的生产制造水平与国际水平还有差距。伺服有可能实现国产化替代的零部件。国内伺服电机市场份额详见下图。

  (3)控制器

  机器人控制系统是机器人的重要组成部分,用于对机器人进行控制,以完成特定的工作任务。它是机器人大脑,它以算法为核心。其主要基本功能如下:

  位置伺服——机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。

  示教——所谓示教,就是当用机器人代替人进行作业时,必须预先对机器人发出指示,规定机器人应该完成的动作和作业的具体内容。这个过程就称为对机器人的示教或对机器人的编程。

  各种接口——如与外围设备联系(输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口)。人机接口(示教盒、操作面板、显示屏)。传感器接口(位置检测、视觉、触觉、力觉等)。

  坐标设置——为机器人运动设置坐标系。

  存储——存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。

  故障诊断安全保护——运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。

  控制器硬件部分占机器人本体成本10%~20%,但软件部分却承担着机器人大脑的职责。可以说,外资机器人使用的硬件零部件类似,采购成本也相似。而不同品牌的机器人精度速度各有优势,究其根本原因是不同品牌的机器人对零部件的驾驭设计与控制算法的不同。这才是不同品牌的机器人在技术层面的核心竞争力。

  以全球四大机器人厂家为样本来看,只有控制器是无一例外均为自产的。可见控制器的重要性。

  对国产机器人厂家而言,减速器与伺服目前难以突破的核心在于基础工业,如材料、热处理工艺、精加工工艺等。而这些,并不是自动化厂商想要做好就能够做好的,需要整个基础工业和加工水平的提升。而这需要时间与经验的双重积累。目前国内控制器市场情况详见下图。

  【机器人本体】

  机器人本体按照机械结构分,可分为直角坐标机器人,SCARA机器人,关节型机器人,并联机器人及其他。全球工业机器人市场主要为关节型全球工业机器人

  机器人本体按结构分类

  机器人本体销售量对比及国家销量对比

  中国机器人本体市场份额

  【机器人集成】

  机器人集成是指在机器人本体上加装夹具及其他配套系统完成特定功能。机器人本体是标准品,可理解为一只手臂。

  系统集成就是给这只手臂安装上手(夹具),复杂的系统集成还需要安装眼睛(视觉控制)、触觉(力控)等完成相应动作及功能。甚至提供工作站或配套生产线。

  2013年,机器人与其相关软件及系统的全球总交易为290亿美元,其中中国交易量为95亿美元,为全球最大机器人市场。预计到2020年中国机器人系统集成市场将达2000亿元。

  国产品牌在搬运、喷涂等对精度要求不高的领域已经有所渗透。焊接应用由于外资品牌的强势地位渗透较慢。而装配、打磨等则由于对工艺要求较高而渗透较慢。详见国产品牌与外资品牌销量对比图。

  对比国产机器人及外资机器人在不同应用中的机器人销量,可以看到国产机器人在搬运应用中的占比奇高。这主要是由于国产机器人以中低端机器人为主,而中低端机器人又以搬运应用为主。

  机器人下游最终用户可以按照行业分为:汽车工业,一般工业。一般工业中又可以分为食品饮料,石化,金属加工,医药,3C,塑料,白家电等等。按照IFR的统计结果,汽车及零部件在机器人的销售中占比最高。其次是电子、金属、塑料石化等。

  【中国机器人产业现状】

  (1)中国是全球最大、增速最快的工业机器人市场

  中国是全球最大的工业机器人市场。从销量来看,2013年中国市场销售3。7万台工业机器人,已经成为全球最大的机器人市场。2014年全球工业机器人销量增长27%,而中国工业机器人销量约5.6万台,增长率达到54%。预计到2017年,中国工业机器人销售量将达10万台。从保有量来看,截止到2014年中国工业机器人保有量接近20万台,据IFR推测将先后超越德国、韩国、美国和日本,2017年超过40万台。

  (2)机器人密度存在巨大上升空间

  机器人密度是指平均每万名工人对应的机器人保有量。中国的机器人密度仅为30,远低于世界平均水平的62,而世界最高的韩国达到437。工信部工业装备司副司长王卫明曾透露,国家的相关产业规划到2020年中国工业机器人的产业体系要具备3至5家具有国际竞争力的企业,8至10个产业配套集群,机器人密度达到100以上。从30到100,对应的是3倍以上市场规模的增长。

  (3)国产机器人有望受益于3C产业的爆发式增长

  3C行业机器人有望出现爆发式增长。中国是全球最大的3C制造基地,据统计集中了全球70%的3C产品产能。以手机为例,2000年到2013年,中国手机产量增长了66倍,快速增长的手机行业一直在推动生产设备的自动化升级。

  国内3C行业仍是劳动密集型,机器人密度仅为11台,而日韩的机器人密度早已超过1200台,国内机器人密度要达到这一水平,行业需求可能超过百万台。这意味着未来中国3C行业机器人将可能出现爆发式增长,超越汽车产业成为第一大市场。

  机器人在3C行业应用广泛。生产线的各个环节都可以用到,如跟CNC加工中心配合做壳盖类零部件的上下料,手机、电脑等外壳的喷涂,玻璃基板和显示屏的搬运,各种精密零部件的装配等。与汽车产业主要使用大型六轴串联机器人不同,3C行业使用的机器人偏小型,类型更多样,直角坐标机器人做点胶、涂胶、锡焊等,小型六轴机器人做分拣、装配、检测等,中型机器人配合力觉和视觉做抛光打磨等精加工。

  (4)汽车产业格局稳定,国产机器人难以进入

  汽车产业的四大工艺冲压、焊装、总装、涂装主要使用大负载的六轴工业机器人,对机器人本体的性能要求高,外资整车厂一般和选定的国际机器人品牌建立长期合作关系,维持稳定性和特有的技术标准。国内整车厂也基本选择外资机器人品牌。国产六轴机器人的性能也不足以应对汽车产业的高标准。系统集成方面整车厂准入门槛高,国内企业主要集中在零部件厂或者一些分包项目,短时间内难以进入整车项目。 


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