由美國發(fā)起的中美貿(mào)易沖突中，涉及到中國信息和通信技術(shù)、航天航空、機(jī)器人、醫(yī)藥、機(jī)械等行業(yè)產(chǎn)品，是明顯地針對“中國制造2025”的打壓和遏制 。 這不僅是一場貿(mào)易摩擦，還是一場技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的較量。

“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”，2015年中國發(fā)布了《中國制造2025》， 把科技創(chuàng)新擺在國家發(fā)展全局的核心位置。十九大提出要積極推進(jìn)科技強(qiáng)國建設(shè)，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，促進(jìn)我國產(chǎn)業(yè)邁向全球價值鏈中高端。本文將介紹現(xiàn)代戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的技術(shù)、現(xiàn)狀和發(fā)展。

工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)

工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用，是我國制造業(yè)走向高端化和智能化的重中之重。目前我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)“快速成長”和“國產(chǎn)替代”的雙重重要特征。

工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，它能自動執(zhí)行工作，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。

組成結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。

主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度。

驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作。控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號，并進(jìn)行控制。

工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)鏈

工業(yè)機(jī)器人行業(yè)上游是核心零部件，主要的是減速機(jī)和控制系統(tǒng)，這相當(dāng)于機(jī)器人的“大腦”，中游是機(jī)器人本體，就是機(jī)器人的“身體”，下游是系統(tǒng)集成商，國內(nèi)企業(yè)都集中在這個環(huán)節(jié)上。

工業(yè)機(jī)器人上游零部件行業(yè)主要是減速機(jī)、伺服電機(jī)、變頻器、控制器等，其中減速器、伺服電機(jī)及伺服系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人成本中所占比重較大，分別為39%，28%，本體制造占比為22%。

雖然減速機(jī)、伺服系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人成本中所占比重較大，但國內(nèi)減速機(jī)、伺服電機(jī)等關(guān)鍵零部件發(fā)展相對滯后，技術(shù)水平較低，產(chǎn)品穩(wěn)定性差，與國外產(chǎn)品相比存在不少差距，導(dǎo)致國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人減速機(jī)、伺服電機(jī)等零部件主要依賴進(jìn)口，國內(nèi)企業(yè)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)成本較高，競爭力較弱。

產(chǎn)業(yè)鏈上游的核心零部件

伺服電機(jī)

電動伺服驅(qū)動系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的必不可少的關(guān)鍵零部件，是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動機(jī)器人本體，以獲得機(jī)器人的各種運動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常由伺服電機(jī)以及伺服驅(qū)動器組成。除了可以進(jìn)行速度與轉(zhuǎn)矩控制外，伺服系統(tǒng)還可以進(jìn)行精確、快速、穩(wěn)定的位置控制。

1、工業(yè)機(jī)器人對伺服電機(jī)的要求

1）快速響應(yīng)性，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好；

2）起動轉(zhuǎn)矩慣量比大，在驅(qū)動負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人的伺服電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動慣量??；

3）控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號的變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時還需轉(zhuǎn)速與控制信號成正比或近似成正比，調(diào)速范圍寬，能使用于1:1000～1:10000的調(diào)速范圍。

4）體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短，以配合機(jī)器人的體形；

5）能經(jīng)受住苛刻的運行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內(nèi)承受數(shù)倍過載。交流伺服驅(qū)動器因其具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量比高、無電刷及換向火花等優(yōu)點，在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。

2、伺服電機(jī)的核心技術(shù)

1）信號接插件的可靠性。國產(chǎn)伺服需要繼續(xù)改進(jìn)，而且接插件的小型化、高密度化也是趨勢，與伺服電機(jī)本體的集成設(shè)計是個很好的做法，目前日系的伺服電機(jī)很多就是這樣設(shè)計的，方便安裝、調(diào)試、更換。

2）編碼器的高精度。尤其工業(yè)機(jī)器人上用的多圈絕對值編碼器，目前嚴(yán)重依賴進(jìn)口 ，是制約我國高檔伺服系統(tǒng)發(fā)展的重要瓶頸之一。編碼器的小型化也是伺服電機(jī)小型化繞不過去的核心技術(shù)?？v觀日系伺服電機(jī)產(chǎn)品的更迭，都是伴隨著電機(jī)磁路和編碼器的協(xié)同發(fā)展升級。

另外，國內(nèi)的伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究缺失，包括絕對值編碼器技術(shù)、高端電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)、生產(chǎn)工藝的突破、性能指標(biāo)的實用性驗證和考核標(biāo)準(zhǔn)的制定等等。這些都需要國內(nèi)機(jī)器人行業(yè)的核心零部件企業(yè)去完善。

3、機(jī)器人伺服電機(jī)的部分企業(yè)

控制器

工業(yè)機(jī)器人控制器是機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心大腦。控制器的主要任務(wù)是對機(jī)器人的正向運動學(xué)、逆向運動學(xué)求解，以實現(xiàn)機(jī)器人的操作空間坐標(biāo)和關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換，完成機(jī)器人的軌跡規(guī)劃任務(wù)，實現(xiàn)高速伺服插補(bǔ)運算、伺服運動控制。

機(jī)器人控制器由機(jī)器人控制器硬件和機(jī)器人控制器軟件組成。機(jī)器人控制器的軟件部分是工業(yè)機(jī)器人的“心臟”，隨著科技的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人從下位機(jī)到上位機(jī)的應(yīng)用軟件方面都有了不同程度的研究成果。

機(jī)器人軸數(shù)越多，對控制器性能要求也越高：機(jī)器人自由度的高低取決于其可移動的關(guān)節(jié)數(shù)目，關(guān)節(jié)數(shù)愈多，自由度越高，位移精準(zhǔn)度也越高，其所使用的伺服電機(jī)數(shù)量就相對較多，即越精密的工業(yè)型機(jī)器人所用的伺服電機(jī)數(shù)量愈多。一般每臺多軸機(jī)器人由一套控制系統(tǒng)控制，也意味著控制器性能要求越高。

控制系統(tǒng)的開發(fā)涉及較多的核心技術(shù)，包括硬件設(shè)計，底層軟件技術(shù)，上層功能應(yīng)用軟件等，隨著技術(shù)和應(yīng)用經(jīng)驗的積累，國內(nèi)企業(yè)機(jī)器人控制器產(chǎn)品已經(jīng)較為成熟，是機(jī)器人產(chǎn)品中與國外產(chǎn)品差距最小的關(guān)鍵零部件，國內(nèi)機(jī)器人控制器所采用的硬件平臺和國外產(chǎn)品相比并沒有太大差距， 差距主要在控制算法和二次開發(fā)平臺的易用性方面。

工業(yè)機(jī)器人控制器的部分企業(yè)

減速器

工業(yè)機(jī)器人核心部件減速器是機(jī)械傳動的核心，機(jī)器人的速度、精度都與減速器有關(guān)，工業(yè)機(jī)器人使用的減速器主要包含：諧波減速器、RV減速器。

1、諧波齒輪減速器

諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發(fā)展起來的一種新型減速器，由波發(fā)生器、柔輪和剛輪組成，依靠波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形，并靠柔輪與剛輪嚙合來傳遞運動和動力。

諧波傳動具有運動精度高，傳動比大、質(zhì)量小、體積小、較小的傳動慣量等優(yōu)點。最重要的是能在密閉空間傳遞運動，這一點是其他任何機(jī)械傳動無法實現(xiàn)的。其缺點為在諧波齒輪傳動中柔輪每轉(zhuǎn)發(fā)生兩次橢圓變形，極易引起材料的疲勞損壞，損耗功率大。同時，其引起的扭轉(zhuǎn)變形角達(dá)到20’一30’甚至更大。受軸承間隙等影響可能引起3 7～6’的回程誤差，不具有自鎖功能。

諧波齒輪減速器

2、RV減速器

RV減速器由一個行星齒輪減速機(jī)的前級和一個擺線針輪減速機(jī)的后級組成。RV傳動是新興起的一種傳動，它是在傳統(tǒng)針擺行星傳動的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，不僅克服了一般針擺傳動的缺點，而且具有體積小、質(zhì)量輕、傳動比范圍大、壽命長、精度保持穩(wěn)定、效率高、傳動平穩(wěn)等一系列優(yōu)點。

RV減速器有較優(yōu)越的性能：①擺線針輪行星減速裝置中的傳動零件剛度高、接觸應(yīng)力小，零件加工和安裝精度易于實現(xiàn)高精度，這就使得擺線針輪傳動的效率很高；②行星傳動結(jié)構(gòu)與緊湊的w輸出機(jī)構(gòu)組合，使整個擺線針輪減速裝置結(jié)構(gòu)十分緊湊，因此其結(jié)構(gòu)體積小和質(zhì)量輕；③采用一齒差或少齒差傳動，擺線針輪傳動的傳動比大小取決于擺線針輪的齒數(shù)，齒數(shù)越多，傳動比越大；④擺線針輪傳動同時嚙合的齒數(shù)要比漸開線外齒傳動同時嚙合的齒數(shù)多，因此承載能力較大；⑤擺線輪和針輪的輪齒均淬硬、精磨，比漸開線少齒差傳動中內(nèi)齒輪的加工性能更好、齒面硬度更高，使用壽命更長。

RV減速器

工業(yè)機(jī)器人減速器的部分企業(yè)

產(chǎn)業(yè)鏈中游的本體廠商

機(jī)器人本體廠商的工作主要是生產(chǎn)機(jī)器人本體，負(fù)責(zé)機(jī)器人關(guān)鍵零部件生產(chǎn)、控制算法、開發(fā)環(huán)境設(shè)計等工作。

工業(yè)機(jī)器人的主要國際玩家

我國工業(yè)機(jī)器人與歐美日之間的差距依然明顯。目前工業(yè)機(jī)器人“四大家族” （ABB、庫卡、發(fā)那科、安川）為全球主要的工業(yè)機(jī)器人供應(yīng)商，占據(jù)全球約50%的市場份額。占據(jù)了中國市場60%的份額，而國內(nèi)自主品牌占比不到10%。

其他世界知名的工業(yè)機(jī)器人企業(yè)還有Kawasaki川崎重工業(yè)公司、Epson愛普生機(jī)器人公司、Staubli史陶比爾機(jī)器人、NachiFujikoshi那智機(jī)器人、Comau柯馬機(jī)器人公司、Adept愛德普機(jī)器人公司以及中國的新松機(jī)器人公司。

工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

從2013年起，中國連續(xù)四年成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人市場，據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會IFR的報告，2016年，中國工業(yè)機(jī)器人銷量9萬臺，同比增長31%，約占全球銷量的1/3。目前，中國的機(jī)器人制造商正在擴(kuò)大其在國內(nèi)市場的份額，2018年~2020年，中國機(jī)器人的年銷售量預(yù)計每年平均增長15%~20%。

據(jù)統(tǒng)計，2017年1-9月，我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量達(dá)到95351臺(套)，同比增長69.4%，9月當(dāng)月產(chǎn)量為13085臺(套)，比上年同月增長103.2%，繼續(xù)保持高速增長態(tài)勢。

從產(chǎn)業(yè)鏈角度看，位于工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)依次是機(jī)器人單元產(chǎn)品制造商、機(jī)器人系統(tǒng)集成商和工業(yè)自動化集成商?，F(xiàn)在，歐美、日本等一些國際工業(yè)機(jī)器人公司，在中國不直接提供機(jī)器人自動化系統(tǒng)的集成服務(wù)，而是將機(jī)器人單體銷售給系統(tǒng)集成商，由系統(tǒng)集成商再對終端用戶。

目前，國內(nèi)的機(jī)器人企業(yè)多為系統(tǒng)集成商。根據(jù)國際經(jīng)驗來看，國內(nèi)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展更接近于美國模式，即以系統(tǒng)集成商為主，單元產(chǎn)品外購或貼牌，為客戶提供交鑰匙工程。與單元產(chǎn)品的供應(yīng)商相比，系統(tǒng)集成商還要具有產(chǎn)品設(shè)計能力、項目經(jīng)驗，并在對用戶行業(yè)深刻理解的基礎(chǔ)之上，提供可適應(yīng)各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化、個性化成套裝備。

工業(yè)機(jī)器人的大規(guī)模普及將為國內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)集成商帶來發(fā)展機(jī)遇。中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化模式較可行的是從集成起步至成熟階段采用分工模式：即美國模式(集成)-日本模式(核心技術(shù))-德國模式(分工合作)。

作為中國機(jī)器人市場上的主力軍，系統(tǒng)集成商普遍規(guī)模較小，年產(chǎn)值不高，面臨強(qiáng)大的競爭壓力。從相關(guān)市場數(shù)據(jù)來看，現(xiàn)階段國內(nèi)集成商規(guī)模都不大，銷售收入1個億以下的企業(yè)占大部分，能做到5個億的就是行業(yè)的佼佼者，10個億以上的全國范圍屈指可數(shù)。從國內(nèi)機(jī)器人市場發(fā)展現(xiàn)狀看，有兩類企業(yè)將在未來行業(yè)大發(fā)展的背景中勝出：一類是有很強(qiáng)技術(shù)研發(fā)底蘊，項目經(jīng)驗豐富的行業(yè)企業(yè)，另一類是在某些行業(yè)有一定的項目經(jīng)驗，擬在自身行業(yè)推廣工業(yè)機(jī)器人的企業(yè)。

同時，產(chǎn)業(yè)借助資本的力量，企業(yè)通過IPO不斷發(fā)展壯大，其中匯川技術(shù)、埃斯頓等優(yōu)質(zhì)企業(yè)在伺服技術(shù)方面走在行業(yè)前列，慈星股份、新時達(dá)等在工業(yè)機(jī)器人控制器方面較早布局，中大力德、雙環(huán)傳動等具有代表性的公司涉足減速機(jī)；機(jī)器人、黃河旋風(fēng)、拓斯達(dá)、埃斯頓、博實股份、天奇股份等一批公司逐漸成為工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用領(lǐng)域的佼佼者。

盡管前路艱難，但大國崛起之路上，工業(yè)機(jī)器人的進(jìn)口替代已是大勢所趨。隨著技術(shù)突破的推進(jìn)，國內(nèi)逐漸涌現(xiàn)出一批快速成長的制造企業(yè)，中國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正向中高端發(fā)起沖鋒。