工业机器人制造技术与产业发展分析

秦伟玲 王 万 李景杨

(中国中元国际工程有限公司，北京 100089)

1 工业机器人产业市场前景广阔

工业机器人被誉为“制造业皇冠上的明珠”。先进工业机器人的制造与应用代表着科技创新能力和高端制造业发展水平，世界各国都对此非常重视。近年来，随着全球范围内生产自动化和智能化的不断加速，越来越多的国家将机器人应用于制造业领域，工业机器人产业在各国都获得了迅速发展。据国际机器人联合会(IFR)World Robotics 2018统计显示，2012年至2017年间，机器人的平均销售额以每年19%的速度增长。表明制造业对工业机器人的实际需求处于迅速增长阶段，成为名副其实的朝阳产业。根据IFR《全球机器人2019—工业机器人》统计，2018年全球工业机器人出货量42.2万台，比2017年增长6%；年销售额达到165亿美元，创下新纪录。

在这股席卷世界的机器人浪潮中，我国机器人市场规模逐年增长， 2013-2018年间，年均增长率为29.71%。我国机器人市场进入高速增长期，2018年市场规模超87亿美元。根据《中国机器人产业发展报告2019》的统计数据，我国已连续7年作为首屈一指的机器人市场。其中，工业机器人长期占据机器人市场的主导地位。2018年工业机器人占国内机器人比例达71%，占世界总安装量的36%，安装量约15.4万台，超过欧洲和美洲机器人安装总量，安装价值达到54亿美元，比2017年增长21%。

从工业机器人安装密度看，我国与世界发达国家仍存在明显差距。数据显示，2018年，工业机器人密度新加坡达到831台，全球最高，其次是韩国(774台)与德国(338台)，中国的工业机器人密度为140台，虽然高于全球各地区的平均水平，但与发达国家相比仍有较大差距，增长空间潜力较大。因此，伴随着新型制造体系日益强调智能制造的重要地位，在未来较长的一段时间内，我国的工业机器人市场仍将大幅扩张。未来几年，中国机器人行业销量有望维持25%～30%的增速。截至2021年底，我国工业机器人市场规模预计将突破70亿美元。

2 精密减速器制造是工业机器人产业发展的核心技术

工业机器人的核心零部件主要有控制器、伺服电机和减速器，共占到机器人成本的70%以上，很大程度上制约着中国机器人产业发展。其中，控制器占机器人整机成本的15%，伺服电机占机器人整机成本的25%，而减速器占机器人整机成本的35%左右，占机器人硬件成本比例最高。目前，我国工业机器人用减速器80%以上依赖进口，总采购成本与外企相比高出3～5倍以上。因此，机器人所有核心零部件中，减速器最为关键。

在全球范围内，机器人铲运应用的精密减速器主要包括 RV 减速器、谐波减速器和 SPINEA 减速器，三者的市场销售数量占比约为 40%、40%、20%。 可见，RV减速器和谐波减速器是工业机器人应用最广泛的精密减速器。GGII数据显示，2018年我国工业机器人用减速器总需求达到47.40万台，同比增长8.91%。其中，增量需求为37.28万台，存量更换10.12万台。其中，2018年国产机器人减速器占比28.24%，预计2019年国产化率将有望突破30%。国产减速器未来的成长空间比较大，有望进一步实现进口替代。

作为机器人3大核心关键部件之一，精密减速器是技术壁垒最深的关键零部件。一是技术复杂的六轴以上多关节机器人，国外公司占据约90%的份额。二是作业难度大、应用广泛的焊接领域，国外机器人占据84%的份额。三是高端应用集中的汽车行业，国外公司占据90%份额。我国企业生产的大多是搬运、码垛机器人，应用也大多集中在家电、金属制造等领域。

目前，欧洲SPINEA和日本哈默纳科分别在RV减速器和谐波减速器方面处于领先地位。尤其是高端、高精度机器人用减速器，日本拥有绝对技术领先的优势。目前，全球范围内75%的精密减速器市场被日本的Nabtesco和HarmonicDrive两家垄断。其中，日本Nabtesco占据了全球RV减速器市场份额的60%，是最大的RV减速器和摆线针轮减速器制造商。在中/重负荷机器人领域，其提供的RV减速器更是占据全球市场的九成。另一家日本企业Harmonic Drive，则是工业机器人关节的主要生产商，占据了全球15%的市场份额，是谐波减速器领域的领军者。

RV减速器作为纯机械构造的精密机器人部件，对基础原材料、加工制造水平、热处理工艺等都有很高的要求。除此之外，它还具有啮齿合数较多、小型、轻量化等特点，同时要求具有良好的加速性能，能够实现运转平稳，具备较高的位置精度。目前，应用于焊接、汽车制造等高端领域的六轴或以上高端工业机器人，主要由日本和欧美企业生产。国产六轴工业机器人占据全国新装机总量的比例在10%以下。目前，国内工业机器人依然在很大程度上依赖进口。

3 精密减速器国产化的机遇与挑战

鉴于精密减速器的重要作用，国家一直鼓励国内企业能实现进口替代。《机器人产业发展规划(2016-2020 年)》提出，关键零部件取得重大突破。机器人用精密减速器等核心零部件取得重大突破，其性能、精度、可靠性达到国外同类产品水平，在六轴及以上工业机器人中实现批量应用，市场占有率达到 50%以上，并通过其它相关财税优惠政策鼓励企业研发、生产、应用精密减速器。

在着力于精密减速器国产化研究后，涌现出南通振康，浙江恒丰泰，重庆大学机械传动国家重点实验室，天津减速器厂，秦川机床厂、北京中技克美，北京谐波传动所，苏州绿的等单位或企业，并可以在高精度摆线针轮减速器和谐波减速器领域局部替换国外产品。以苏州绿的、来福谐波、本润机器人为代表的国内企业，在模块化技术、柔性生产工艺等方面都取得了突破，目前生产的谐波减速器的性能和可靠性都达到国际先进水平。

2017年以来，减速器国产化进程显著加快，国内企业减速器业务推进顺利，订单频传。中大力德将于2019年底之前向伯朗特供货RV减速器不低于30000套，埃夫特将采购双环传动的RV减速器一万套，南通振康将分别向新松、上海欢颜、埃夫特批量提供减速器。上海机电旗下的纳博精机已经达到10万台产能，并于2017年5月开始实现单月盈利，目标早日达到20万台的产能。除此之外，中技克美成为国内第一家上市的谐波减速器企业，产能2万套每年，其中50%～60%用于军工领域。秦川机床、中大力德、来福谐波也分别开发了系列产品，进入量产阶段。

虽然多家减速器厂商实现量产，市场接受度逐年提升，但与日系两大家依然存在一定的差距，主要体现在产品的综合性能，如精度、稳定性和使用寿命，产品系列、产品一致性等方面与日本同类产品仍存在一定差距。

从谐波减速器的技术指标来看，国内的苏州绿的和中技克美的减速比范围与日本哈默纳科水平相当，产品性能基本满足要求，目前已经大量应用于国产机器人。而国外产品在输出扭矩、平均寿命和一致性等技术指标上依然占据优势。

从RV减速器的技术指标来看，对比纳博RV-E系列和南通振康的产品，可以看到在同一输出转速和输入功率的情况下，二者的输出扭矩范围相当，说明国内产品在传动效率上已经可以与国外媲美。然而工艺水平是限制RV减速器发展的主要原因，例如RV减速器的精密机构，非标特殊轴承的间隙需要根据零部件加工尺寸作出相应调整。因此，减速器的研发与制造需要重点关注传动精度、扭转刚度等方面的研究。

4 总结

目前，由于工业机器人技术壁垒高企，相关技术仍集中在日本和欧洲等优势企业，我国仍处于产业链的下游。为促进我国工业机器人产业健康发展，在以精密减速器为代表的上游产业投入更多的资金是必然趋势。相关企业寻求突破应重点关注高端精密轴承、先进材料与热处理技术、高端润滑油脂等短板技术的补齐，与相关配套企业协同攻关。另外，在机器人轻型化、柔性化、智能化趋势之下，实践应用场景持续拓展。机器人生产企业、系统集成企业、用户企业之间紧密配合、共同创新是促进整个行业健康发展的主要趋势。如此以来，才能发挥各方的优势和特长，整合相关资源，实现协作共赢。