工業機器人制造技術與產業發展分析

秦偉玲 王 萬 李景楊

(中國中元國際工程有限公司，北京 100089)

1 工業機器人產業市場前景廣闊

工業機器人被譽為“制造業皇冠上的明珠”。先進工業機器人的制造與應用代表著科技創新能力和高端制造業發展水平，世界各國都對此非常重視。近年來，隨著全球范圍內生產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領域，工業機器人產業在各國都獲得了迅速發展。據國際機器人聯合會(IFR)World Robotics 2018統計顯示，2012年至2017年間，機器人的平均銷售額以每年19%的速度增長。表明制造業對工業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業。根據IFR《全球機器人2019—工業機器人》統計，2018年全球工業機器人出貨量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年市場規模超87億美元。根據《中國機器人產業發展報告2019》的統計數據，我國已連續7年作為首屈一指的機器人市場。其中，工業機器人長期占據機器人市場的主導地位。2018年工業機器人占國內機器人比例達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%。

從工業機器人安裝密度看，我國與世界發達國家仍存在明顯差距。數據顯示，2018年，工業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)，中國的工業機器人密度為140臺，雖然高于全球各地區的平均水平，但與發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智能制造的重要地位，在未來較長的一段時間內，我國的工業機器人市場仍將大幅擴張。未來幾年，中國機器人行業銷量有望維持25%～30%的增速。截至2021年底，我國工業機器人市場規模預計將突破70億美元。

2 精密減速器制造是工業機器人產業發展的核心技術

工業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業發展。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，減速器最為關鍵。

在全球范圍內，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，三者的市場銷售數量占比約為 40%、40%、20%。 可見，RV減速器和諧波減速器是工業機器人應用最廣泛的精密減速器。GGII數據顯示，2018年我國工業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年國產機器人減速器占比28.24%，預計2019年國產化率將有望突破30%。國產減速器未來的成長空間比較大，有望進一步實現進口替代。

作為機器人3大核心關鍵部件之一，精密減速器是技術壁壘最深的關鍵零部件。一是技術復雜的六軸以上多關節機器人，國外公司占據約90%的份額。二是作業難度大、應用廣泛的焊接領域，國外機器人占據84%的份額。三是高端應用集中的汽車行業，國外公司占據90%份額。我國企業生產的大多是搬運、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，日本擁有絕對技術領先的優勢。目前，全球范圍內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/重負荷機器人領域，其提供的RV減速器更是占據全球市場的九成。另一家日本企業Harmonic Drive，則是工業機器人關節的主要生產商，占據了全球15%的市場份額，是諧波減速器領域的領軍者。

RV減速器作為純機械構造的精密機器人部件，對基礎原材料、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，能夠實現運轉平穩，具備較高的位置精度。目前，應用于焊接、汽車制造等高端領域的六軸或以上高端工業機器人，主要由日本和歐美企業生產。國產六軸工業機器人占據全國新裝機總量的比例在10%以下。目前，國內工業機器人依然在很大程度上依賴進口。

3 精密減速器國產化的機遇與挑戰

鑒于精密減速器的重要作用，國家一直鼓勵國內企業能實現進口替代?！稒C器人產業發展規劃(2016-2020 年)》提出，關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品水平，在六軸及以上工業機器人中實現批量應用，市場占有率達到 50%以上，并通過其它相關財稅優惠政策鼓勵企業研發、生產、應用精密減速器。

在著力于精密減速器國產化研究后，涌現出南通振康，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，并可以在高精度擺線針輪減速器和諧波減速器領域局部替換國外產品。以蘇州綠的、來福諧波、本潤機器人為代表的國內企業，在模塊化技術、柔性生產工藝等方面都取得了突破，目前生產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，減速器國產化進程顯著加快，國內企業減速器業務推進順利，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達到10萬臺產能，并于2017年5月開始實現單月盈利，目標早日達到20萬臺的產能。除此之外，中技克美成為國內第一家上市的諧波減速器企業，產能2萬套每年，其中50%～60%用于軍工領域。秦川機床、中大力德、來福諧波也分別開發了系列產品，進入量產階段。

雖然多家減速器廠商實現量產，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，主要體現在產品的綜合性能，如精度、穩定性和使用壽命，產品系列、產品一致性等方面與日本同類產品仍存在一定差距。

從諧波減速器的技術指標來看，國內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，產品性能基本滿足要求，目前已經大量應用于國產機器人。而國外產品在輸出扭矩、平均壽命和一致性等技術指標上依然占據優勢。

從RV減速器的技術指標來看，對比納博RV-E系列和南通振康的產品，可以看到在同一輸出轉速和輸入功率的情況下，二者的輸出扭矩范圍相當，說明國內產品在傳動效率上已經可以與國外媲美。然而工藝水平是限制RV減速器發展的主要原因，例如RV減速器的精密機構，非標特殊軸承的間隙需要根據零部件加工尺寸作出相應調整。因此，減速器的研發與制造需要重點關注傳動精度、扭轉剛度等方面的研究。

4 總結

目前，由于工業機器人技術壁壘高企，相關技術仍集中在日本和歐洲等優勢企業，我國仍處于產業鏈的下游。為促進我國工業機器人產業健康發展，在以精密減速器為代表的上游產業投入更多的資金是必然趨勢。相關企業尋求突破應重點關注高端精密軸承、先進材料與熱處理技術、高端潤滑油脂等短板技術的補齊，與相關配套企業協同攻關。另外，在機器人輕型化、柔性化、智能化趨勢之下，實踐應用場景持續拓展。機器人生產企業、系統集成企業、用戶企業之間緊密配合、共同創新是促進整個行業健康發展的主要趨勢。如此以來，才能發揮各方的優勢和特長，整合相關資源，實現協作共贏。