工業(yè)機(jī)器人具備在高危環(huán)境下生產(chǎn)、生產(chǎn)效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，它是通過(guò)編程或示教方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，同時(shí)具備擬人形態(tài)及功能的裝置，主要由本體、伺服電機(jī)、減速機(jī)、控制器、傳感器等核心零部件構(gòu)成，操作系統(tǒng)包括伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)等。
機(jī)器人自動(dòng)化行業(yè)按產(chǎn)業(yè)鏈分為上游、中游和下游。上游生產(chǎn)核心零部件：包括減速器、伺服系統(tǒng)、控制器；中游是本體生產(chǎn)商，包括工業(yè)機(jī)器人本體、服務(wù)機(jī)器人本體。下游是系統(tǒng)集成商，包括單項(xiàng)系統(tǒng)集成商、綜合系統(tǒng)集成商。
工業(yè)機(jī)器人優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備的原因主要在于上游的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，分別對(duì)應(yīng)控制器、伺服電機(jī)和減速器等核心零部件。從成本上來(lái)看，核心零部件占工業(yè)機(jī)器人成本大頭，約72%左右。多軸工業(yè)機(jī)器人的成本構(gòu)成中，機(jī)械本體約占22%；伺服系統(tǒng)約占24%；減速器系統(tǒng)約占36%；控制系統(tǒng)約占12%；其他外設(shè)約占6%。
我國(guó)工業(yè)機(jī)器人主要集中在本體和集成端，原因在于核心零部件缺失嚴(yán)重抬高國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人成本，制約行業(yè)發(fā)展。多數(shù)廠商承擔(dān)系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)、定制部件和售后服務(wù)等附加值低的工作。關(guān)鍵基礎(chǔ)部件中，減速器控制器在國(guó)內(nèi)大部分知名機(jī)器人本體制造企業(yè)均已實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn)，但和國(guó)際水平仍有差距；而另兩個(gè)關(guān)鍵基礎(chǔ)部件伺服電機(jī)和減速器，仍大量依賴(lài)進(jìn)口。全球減速器行業(yè)集中度很高，兩家日本公司納博特斯（Nabtesco）和哈默納科（HarmonicDrive）控制的全球機(jī)器人減速器市場(chǎng)超過(guò)75%（工業(yè)機(jī)器人用減速器軸承的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，《機(jī)械工程師》2015年第5期），包括ABB、FANUC、KUKA、MOTOMAN在內(nèi)的國(guó)際主流機(jī)器人廠商的減速器均由以上兩家公司提供。國(guó)內(nèi)機(jī)器人市場(chǎng)主要采購(gòu)以上兩家企業(yè)的減速器，但采購(gòu)成本往往較高，這成為了制約國(guó)產(chǎn)機(jī)器人發(fā)展的主要瓶頸之一。
國(guó)產(chǎn)機(jī)器人比進(jìn)口機(jī)器人貴，原因在零部件上。根據(jù)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的《2014-2019年中國(guó)釹鐵硼永磁材料產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)分析及投資前景預(yù)測(cè)報(bào)告》，目前一臺(tái)165kg焊接機(jī)器人成本國(guó)內(nèi)約為29.9萬(wàn)元，而國(guó)外大約為16.86萬(wàn)元。零部件成本差異是造成國(guó)內(nèi)外機(jī)器人成本差距的最大因素，其中減速器是成本差異最大部分，國(guó)內(nèi)和國(guó)外和成本比達(dá)到4.4，控制器的國(guó)內(nèi)外成本比,達(dá)2.6，伺服電機(jī)（驅(qū)動(dòng)）的國(guó)內(nèi)外成本比為1.68（1.95）。國(guó)內(nèi)的材料消耗也更大，如在永磁同步伺服電機(jī)中釹鐵硼材料成本，國(guó)內(nèi)單體用量比國(guó)外高接近1倍。
核心零部件市場(chǎng)需求廣闊，亟需國(guó)產(chǎn)化突破
國(guó)內(nèi)減速器、伺服電機(jī)市場(chǎng)需求廣闊。一般而言，一套工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)手臂需要配備一個(gè)減速器和伺服電機(jī)，那一套工業(yè)機(jī)器人需要配備4-6個(gè)減速器/伺服電機(jī)和1套控制系統(tǒng)。根據(jù)世界機(jī)器人協(xié)會(huì)的預(yù)測(cè)，2015-2017年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人銷(xiāo)量將保持12%的年增長(zhǎng)率，分別達(dá)到6.395萬(wàn)臺(tái)、7.162萬(wàn)臺(tái)和8.022萬(wàn)臺(tái)。假設(shè)平均一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人平均配備5個(gè)減速器/伺服電機(jī)，工業(yè)機(jī)器人精密減速器/伺服電機(jī)的2015-2017年的需求量將達(dá)到31.98萬(wàn)套、35.8萬(wàn)套和40.1萬(wàn)套。
工業(yè)機(jī)器人零部件亟需國(guó)產(chǎn)化突破，并且是規(guī)模化量產(chǎn)的突破，否則沒(méi)有意義。減速器是國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)必須攻克的關(guān)卡，盡管研發(fā)過(guò)程漫長(zhǎng)充滿挑戰(zhàn)，也有少數(shù)公司經(jīng)過(guò)多年研發(fā)，生產(chǎn)出了減速器，但未大規(guī)模量產(chǎn)。日本減速器掌握減速器市場(chǎng)的絕大份額，大規(guī)模量產(chǎn)，生產(chǎn)成本低，掌握了定價(jià)權(quán)。根據(jù)我們的草根調(diào)研，國(guó)外進(jìn)口RV減速器價(jià)格是國(guó)內(nèi)企業(yè)減速器產(chǎn)品的3倍，他們還有很大的降價(jià)空間擠壓中國(guó)品牌。國(guó)內(nèi)即使研發(fā)出合格的減速器，也得量產(chǎn)才有意義。否則沒(méi)有量，就算技術(shù)達(dá)到日本標(biāo)準(zhǔn)，日本四大家機(jī)器人公司同樣不會(huì)買(mǎi)中國(guó)的。
減速器機(jī)器人的關(guān)節(jié)，KUKA機(jī)器人維修，不能缺失之痛
減速器對(duì)機(jī)器人意味著什么？精密減速器，是一種精密的動(dòng)力傳達(dá)機(jī)構(gòu)，它利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將電機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩的裝置，從而降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩。精密減速器是工業(yè)機(jī)器人最重要的零部件，工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的核心部件關(guān)節(jié)就是由它構(gòu)成，每個(gè)關(guān)節(jié)都要用到不同的減速機(jī)產(chǎn)品。
按結(jié)構(gòu)不同，工業(yè)機(jī)器人用精密減速器可以分為五類(lèi)，RV減速器和諧波減速器是工業(yè)機(jī)器人最主流的精密減速器。精密減速器按照結(jié)構(gòu)的不同，可以分為諧波齒輪減速器、擺線針輪行星減速器、RV減速器、精密行星減速器和濾波齒輪減速器五類(lèi)。在精度、扭矩、剛度、傳送效率等衡量減速器的各個(gè)性能指標(biāo)上，它們各有不同。其中，RV減速器和諧波減速器是工業(yè)機(jī)器人最主流的精密減速器。
RV減速器和諧波減速器是工業(yè)機(jī)器人中使用最主要的減速器，RV減速器在先進(jìn)機(jī)器人傳動(dòng)中有逐漸取代諧波減速器的趨勢(shì)。世界75%的精密減速器市場(chǎng)被日本的HarmonicaDrive和Nabtesco占領(lǐng)，其中Nabtesco生產(chǎn)RV減速器，約占60%的份額，HamonicaDrive生產(chǎn)諧波減速器，約占15%的份額。RV減速機(jī)主要用于20公斤以上的機(jī)器人關(guān)節(jié)，諧波用在20公斤以下機(jī)器人關(guān)節(jié)。RV減速器不像諧波減速器那樣隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)精度會(huì)顯著降低，在先進(jìn)機(jī)器人傳動(dòng)中有逐漸取代諧波減速器的趨勢(shì)。但由于RV減速機(jī)組成零件更復(fù)雜，承載強(qiáng)度更高，不光制造難度要比諧波減速機(jī)大，庫(kù)卡機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器維修，其生產(chǎn)線投資規(guī)模遠(yuǎn)大于諧波減速機(jī)。
回顧減速器兩巨頭的前世今生，他們的減速器業(yè)務(wù)都經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的發(fā)展。如Nabtesco的RV減速器，前身正是帝人精機(jī)的主流產(chǎn)品。70年代開(kāi)始，帝人精機(jī)減速器作為挖掘設(shè)備驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的核心部件使用。80年代早期，應(yīng)世界主要機(jī)器人制造商要求，帝人精機(jī)改進(jìn)了RV減速器，使之更加精準(zhǔn)可靠，符合機(jī)器人制造行業(yè)的嚴(yán)格要求。取得了精密擺線針輪RV減速機(jī)專(zhuān)利后，于1986年開(kāi)始批量生產(chǎn)，從此開(kāi)始為現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)應(yīng)用進(jìn)行配套。可見(jiàn)，減速器是需要時(shí)間積淀成功的。
我國(guó)精密減速器為起步晚，逆襲挑戰(zhàn)重重。相比日本巨頭幾十年的積淀，中國(guó)的工業(yè)機(jī)器人用精密減速器研究開(kāi)始較晚，技術(shù)不成熟，形成了精密減速器不能自給自足的局面，嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口。RV減速器需要傳遞很大的扭矩，承受很大的過(guò)載沖擊，保證預(yù)期的工作壽命，因而在設(shè)計(jì)上使用了過(guò)定位結(jié)構(gòu)，加工十分困難。看似簡(jiǎn)單的RV減速器，實(shí)則是對(duì)我國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。昂貴進(jìn)口的通用機(jī)床不一定能生產(chǎn)出精密零部件，不是僅僅引進(jìn)幾臺(tái)進(jìn)口設(shè)備就可以生產(chǎn)制造出來(lái)的，沒(méi)有吃透相關(guān)材料、熱處理、工藝等是不可能生產(chǎn)出精密減速器的。國(guó)內(nèi)有部分公司在技術(shù)水平上取得了重大突破，目前也未形成較大的銷(xiāo)售規(guī)模。
國(guó)內(nèi)涉足RV精密減速器的公司有上市公司秦川機(jī)床、上海機(jī)電、巨輪股份，新三板公司有唯一標(biāo)的恒華股份，非上市公司有南通振康、恒豐泰、武漢精華、上海精華、山東帥克等，涉足諧波減速器的有非上市公司蘇州綠的諧波傳動(dòng)科技有限公司、北京中技美克諧波傳動(dòng)有限公司等。
伺服電機(jī)：工業(yè)機(jī)器人的必不可少的關(guān)鍵零部件