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机器人产业必须全面提升关键零部件核心竞争力

2019-07-10 09:11:37    5363次浏览

近年来,我国机器人产业化进程不断加快,产业规模不断扩大,在机器人研发及制造方面也取得了长足的进步,但在核心及关键技术的原创性研究、高可靠性基础功能部件方面,特别是6自由度及以上工业机器人用关键零部件性能、可靠性和使用寿命方面,与发达国家还存在相当的差距,一些关键零部件大量依赖进口,成为掣肘产业发展的瓶颈。

《机器人产业发展规划(2016-2020年)》针对这一问题,将“大力发展机器人关键零部件”作为主要任务之一,提出要“从优化设计、材料优选、加工工艺、装配技术、专用制造装备、产业化能力等多方面入手,全面提升高精密减速器、高性能机器人专用伺服电机和驱动器、高速高性能控制器、传感器、末端执行器等五大关键零部件的质量稳定性和批量生产能力,突破技术壁垒,打破长期依赖进口的局面。”

一、关键零部件对外依存度高制约产业发展

机器人是机电一体化的智能制造装备,集精密机械、控制技术、电机技术、传感器技术等于一体,其较为重要的上游产品包括减速器、控制器、伺服电机、传感器等关键零部件以及系统软件、应用软件等。其中,精密减速机、控制器、伺服系统以及高性能驱动器等关键零部件成本占到机器人整体生产成本的70%以上,关键零部件所涉及的技术含量高,在同类产品中具有较强的技术溢出性。

近年来,我国虽然已有部分企业在减速器、伺服电机和控制器等关键零部件的研制上有所突破,但技术方面与国外仍然存在一定差距。关键零部件在精度、可靠性等方面与国外产品相比缺乏竞争力,高端产品缺乏,进口依赖严重。同时,由于关键零部件的市场集中度极高,而我国本体厂商规模普遍偏小,在采购进口零部件时议价能力较弱,采购成本居高不下。对进口关键零部件的依赖使得国内机器人生产企业失去很大比例的利润空间,难以在国际竞争中胜出。

“十三五”期间,我国机器人产业应针对这一产业发展的“瓶颈”和“短板”,着力突破核心技术制约,切实提高关键零部件国产化能力,夯实产业基础,促进我国机器人产业的持续健康发展。

二、突破五大关键零部件提高核心竞争力

1、高精密减速器

机器人用精密减速器是控制机器人关节运动的核心部件,其精度高低直接决定了机器人操作的精细程度(包括定位精度和运动精度),是机器人产业链至关重要的应用环节。

机器人用减速器主要分为谐波减速器和RV减速器两种。精密减速器技术开发难度较高,是纯精密机械部件,要求较高的回转精度、刚度和疲劳强度,对加工工艺技术和材料技术也提出了很高的要求。产品要求具有高效率、高精度、高可靠性、低重量、长期免维护性等。

在机器人用高精度减速器的研发和生产领域,日本具备优势,以纳博特斯克、哈默纳科、住友等企业为代表。其中,全球机器人行业70%以上的精密减速机被日本的纳博特斯克和哈默纳科两家垄断,ABB、FANUC、KUKA等国际主流机器人厂商的减速器也均由上述两家公司提供。纳博特斯克优势产品是RV减速机,哈默纳科的优势产品是谐波减速机。日本纳博精密减速机扭矩大且精度高,高刚性且抗震性强,尤其产品质量保障期超长,2015年,纳博斯特克精密减速机销售额达到453亿日元,营业利润达到68亿日元。

总的来看,国产减速器在额定扭矩和传动效率等方面与国外产品差距较小,但在扭转刚度、传动精度等稳定性和精度指标方面差距还比较明显,由于材料和工艺水平等问题,耐疲劳强度方面差距也比较明显。经过近两年发展,我国在谐波减速器的研制方面已经取得突破,产品也趋于成熟,部分企业的谐波减速器已经实现量产并初步得到国内市场的认可;但在RV减速器方面,由于其制造技术难度大,虽然国内也有几家厂商在研发销售,但仍处于推广试用阶段,没有真正实现国产化的批量生产,国产化进程较为缓慢。

随着我国工业机器人需求规模不断扩大,国内对高精密减速器的市场需求也在不断提高,然而当前国内精密减速器市场仍然被日本纳博特斯克和哈默纳科主导,且国内外价差较大,使得自主品牌工业机器人产品缺乏市场竞争力。未来几年,通过发展高强度耐磨材料技术、加工工艺优化技术、高速润滑技术、高精度装配技术、可靠性及寿命检测技术以及新型传动机理的探索,发展适合机器人应用的高效率、低重量、长期免维护的系列化减速器,并实现规模化生产,是降低国产机器人成本、提升国际竞争力的重要环节。

2、高性能机器人专用伺服电机和驱动器

伺服电机用于驱动机器人的关节,要求有功率质量比和扭矩惯量比、高启动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。驱动器是用来使机器人发出动作的动力机构,机器人驱动器可将电能、液压能和气压能转化为机器人的动力。

机器人专用伺服电机和驱动器是在普通通用伺服电机和驱动器的基础上,根据机器人的高速、重载、高精度等应用要求,增加驱动器和电机的瞬时过载能力,增加驱动器的动态响应能力,进一步提高控制品质。高性能伺服电机能够使机器人跟随外部指令进行人们所期望的运动,运动要素包括位置、速度和力矩。工业机器人精度要求高,使用的主要是高精度伺服电机;从电机种类上看,交流伺服电机占比较高。

目前全球高性能机器人专用伺服电机的主流供应商主要由日系、欧美系、台湾和韩国等占主导,其中,欧系机器人的电机主要由倍福、伦茨、Lust、博世力士乐等公司提供,其特点是过载能力和动态响应好,驱动器开放性强,具有总线结构,但价格相对昂贵;日系主要由安川、松下、三菱、FANUC等公司提供,价格相对较低,但动态响应能力较差,开放性较差,且大部分只具备模拟量和脉冲控制方式。控制器的主流供应商主要包括美国的DeltaTau和Gail、英国的TRIO和中国的固高、步进等公司。

与减速器相比,国内伺服电机和驱动器市场未形成国外主要厂商垄断的情况,一些国产伺服电机和驱动器品牌已经具备了一定的研发和生产能力,并占据了一定的市场份额,同时几大国外厂商在中国也建立了分工厂,供应充足,产品价格相对合理。但相对来看,国产伺服电机和驱动器主要面向中低端市场,高端产品在动态性能、开放性、可靠性、单位体积扭矩和运动精度上与国外知名品牌仍存在一定差距。未来几年,高性能机器人专用伺服电机和驱动器的攻关方向是通过高磁性材料优化、一体化优化设计、加工装配工艺优化等技术的研究,提高伺服电机的效率,降低功率损失,实现高功率密度。

3、高速高性能控制器

机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置,它是机器人的,决定了机器人性能的优劣。控制器主要包括硬件和软件两部分,硬件部分基本就是工业控制板卡,包括一些主控单元、信号处理部分等电路,国内外技术差异不大,技术难点主要在软件部分,包括软件实现的构建、控制算法、二次开发等。

控制器的技术水平包括控制的高同步性、良好的操作性、高速高精度控制、同时控制的轴数等。高速高性能控制器是通过采用高速CPU,大幅提高周期、动作轨迹以及内部处理时间等来实现高速处理控制能力。

控制器、软件与本体一样,一般由机器人厂商自主设计研发。目前国外主流机器人厂商的控制器均为在通用的多轴运动控制器平台基础上进行自主研发,各品牌机器人均有自己的控制系统与之匹配。因此,控制器的市场份额基本和机器人保持一致,作为关键核心零部件的控制器市场,也同样被外企所占据,主要供应商包括FANUC、松下、三菱、那智、安川、贝加莱、KEBA、倍福、KUKA、ABB等。

控制器在机器人关键零部件中技术难度相对较低,经过多年的沉淀,国内逐步成长起了一批专业的运动控制企业,他们开始逐步向市场提供机器人专用控制器。于此同时,不少国内机器人企业也陆续开发自己的控制系统。

目前国产控制器已完全掌握硬件开发技术,所采用的硬件平台和国外产品相比并没有太大差距,基本能满足机器人的控制需求,但在控制算法、二次开发平台的易用性以及控制轴数、快速性、稳定性等方面与国际品牌产品尚有一定差距,且国内企业力量分散,缺乏拳头企业,产品的品牌效应欠佳。

未来几年,国产控制器应重点突破高性能关节伺服、振动抑制技术、惯量动态补偿技术、多关节高精度运动解算及规划等技术,提高高速变负载应用过程中的运动精度,改善动态性能,同时重点发展并掌握开放式控制器软件开发平台技术,提高机器人控制器可扩展性、可移植性和可靠性。

4、传感器

传感器是机器人实现环境感知的硬件基础。传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用,正因为有了传感器,机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。

根据检测对象的不同,传感器可分为内部传感器和外部传感器。内部传感器用来检测自身状态的信息,主要是位置、速度、加速度等传感器,并且作为反馈信号构成伺服控制;外部传感器用来检测机器人所处环境,如压力、距离、视觉、触觉、听觉、滑觉等传感器。随着智能化的程度提高,机器人传感器应用越来越多。

从传感器国际市场来看,占据主导地位的仍然是德国、日本、美国等老牌工业国家,其生产的传感器应用范围很广,其中许多生产厂家已经实现了规模化生产,部分企业年生产能力达到几千万只甚至几亿只。日本和欧洲作为全球工业机器人市场的两大主角,已经实现了传感器等核心零部件的完全自主化。

与国外厂商相比,我国机器人传感器应用范围较窄,在高精度、高敏感度分析和特殊应用的高端方面存在较大差距,产品往往形不成系列,产品在测量精度、温度特性、响应时间、稳定性、可靠性等指标上与国外也有相当大的差距,国内高、精、尖和新型传感器市场主要被国外品牌或合资企业所垄断,中高端芯片依赖进口。

国内传感器企业主要以中小企业为主,未能形成规模效益,且研发能力较弱、产品技术水平偏低。传感器的质量、价格、功能都是将来国内企业要重点提高的方面。随着机器人等高端装备制造业的发展,在市场需求带动和政策扶持的带动下,传感器将迎来重大发展机遇。国内传感器制造企业应加大技术投入,改进企业管理模式,提高对新原理、新器件和新材料传感器的研发和产业化能力。

5、末端执行器

机器人末端执行器装配在机械臂末端,直接与工件接触来执行工作任务,具有处理、传输、夹持、放置和释放工件到某一准确的离散位置等功能,其性能的优劣在很大程度上决定了机器人的工作性能。根据作业任务的不同,它可以是夹持器或专用工具等,如吸盘、机械手抓、托持器等。专用工具是用以完成某项作业所需要的装置,如机器人喷涂枪、弧焊焊枪、电焊焊枪等。

机器人末端执行器涉及机构学、仿生学、人工智能、材料学、通讯技术、传感器技术等多个交叉学科,是机器人设计中的一个重要环节。美国、德国、日本、俄罗斯等国家成功研制了多种通用和专用的机器人末端执行器,全球工业机器人本体主要生产商ABB、KUKA、FANUC、安川在机器人末端执行器领域占据主导地位,此外,日本松下、那智不二越、川崎重工等也占据一席之地。

从国内外对比来看,我国末端执行器研究相对落后,在自主创新能力、生产规模、主要技术参数、工作效率、精度、可靠性等方面与国外厂商都存在较大差距。随着人工智能、仿生技术、人机交互技术、智能感知等技术的进步,机器人正在不断向柔性化、智能化方向发展,国内机器人制造企业应当加大技术研发投入,将技术创新成果转化为生产能力,重点开发抓取与操作功能的多指灵巧和具有快换功能的夹持器等末端执行器,扩大机器人末端执行器的应用领域,满足机器人产业的应用需求。

我国已成为全球发展潜力的机器人需求市场之一,在激烈的市场竞争中,推动高精度减速器、高性能机器人专用伺服电机和驱动器、高速高性能控制器、传感器以及末端执行器等关键部件的研制及产业化,对于提高我国机器人的规模化生产能力,提升中高端产品的市场竞争力意义重大。

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