當(dāng)前，我國(guó)制造業(yè)正迎來(lái)高端制造的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期，工業(yè)機(jī)器人對(duì)中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、推動(dòng)其他產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展有著重要意義。

工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈分為上中下游，上游是機(jī)器人核心零部件，如減速器、伺服系統(tǒng)、控制器，技術(shù)壁壘較高，在機(jī)器人的成本中占比最大，約為65%～75%；中游是機(jī)器人本體制造，是機(jī)器人的支撐基礎(chǔ)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，屬于重資產(chǎn)環(huán)節(jié)；下游是機(jī)器人應(yīng)用環(huán)節(jié)，主要是系統(tǒng)集成商根據(jù)機(jī)器人不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行系統(tǒng)集成和軟件二次開發(fā)，雖然收益率較高，但是技術(shù)含量較低，競(jìng)爭(zhēng)激烈。

機(jī)器人三大核心零部件中，減速器系統(tǒng)占比約為30%～40%，伺服系統(tǒng)約為20%～30%，控制器系統(tǒng)約為10%～15%。核心零部件一直是限制機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的桎梏，從目前的情況來(lái)看，國(guó)產(chǎn)企業(yè)開始向該領(lǐng)域進(jìn)軍，近些年來(lái)誕生了一批真正擁有自主產(chǎn)業(yè)的企業(yè)。

一、減速機(jī)

減速機(jī)安裝在機(jī)器人的關(guān)節(jié)，用來(lái)精確控制機(jī)器人動(dòng)作，傳輸更大的力矩。減速機(jī)主要分為RV減速機(jī)和諧波減速機(jī)。RV減速機(jī)主要應(yīng)用于負(fù)載較大的關(guān)節(jié)上，諧波減速機(jī)主要配置與負(fù)載較低的關(guān)節(jié)。一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人一般會(huì)配置多個(gè)減速器。減速器在工業(yè)機(jī)器人三大零部件中技術(shù)難度最大，行業(yè)高度壟斷。

RV減速器需要承受大負(fù)載且需保證高精度，因此其技術(shù)難點(diǎn)主要集中在工業(yè)和裝配方面：一是精密加工及裝配技術(shù)。RV減速器的減速比較高，對(duì)特殊部件和緊密裝配技術(shù)有很高要求。二是材料成型技術(shù)。RV減速齒輪需具有耐磨性和高剛性，對(duì)于材料化學(xué)元素控制、表面熱處理方面難度較大。

諧波減速器主要由波發(fā)生器、柔輪、剛輪組成。工作原理在于依靠波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形，而柔輪比鋼輪少N個(gè)齒輪位。因此，當(dāng)波發(fā)生器轉(zhuǎn)一圈，柔輪移動(dòng)N個(gè)齒輪位，產(chǎn)生所謂的錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)波發(fā)生器與柔輪的運(yùn)動(dòng)傳遞。諧波減速器是通過(guò)柔輪的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，其優(yōu)勢(shì)是傳動(dòng)比大、零部件數(shù)目少；其缺點(diǎn)是彈性變形回差大，這就不可避免地會(huì)影響機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性抗沖擊能力等。

目前減速器的主要供應(yīng)商是日本的納博(Nabtesco)和哈默納科(HarmonicDrive)，占全球市場(chǎng)75%市場(chǎng)份額。日本納博具備全系列產(chǎn)品，應(yīng)用廣泛。ABB、發(fā)那科(Fanuc)、庫(kù)卡(kuka)、安川等國(guó)際主流機(jī)器人廠商的減速器均由納博和哈默納科提供。

諧波減速器對(duì)技術(shù)要求較低，我國(guó)蘇州綠的和中技克美已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)且應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)機(jī)器人，國(guó)產(chǎn)諧波減速器減速比范圍與日本哈默納科相當(dāng)，但在輸出扭矩、平均壽命上仍與國(guó)外產(chǎn)品有一定差距。RV減速器要求精度較高，要求承載的負(fù)載較大。目前我國(guó)南通振康、中大力德、雙環(huán)傳動(dòng)已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，與國(guó)外RV減速器輸出扭矩范圍相當(dāng)，但傳動(dòng)精度、扭轉(zhuǎn)剛度方面不足，工藝水平仍與國(guó)外產(chǎn)品有差距。

二、伺服電機(jī)

工業(yè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服編碼器組成，主要用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)，工業(yè)機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)都需要一個(gè)伺服電機(jī)，用來(lái)控制速度與轉(zhuǎn)矩控制以及進(jìn)行精確、快速、穩(wěn)定的位置控制。

伺服驅(qū)動(dòng)器是通過(guò)速度環(huán)、位置環(huán)、電流環(huán)分別對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行相應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位。伺服編碼器是安裝在伺服電機(jī)末端用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速的一種傳感器，目前自控領(lǐng)域常用的是光電編碼器和磁電編碼器。作為伺服系統(tǒng)的信號(hào)反饋裝置，編碼器很大程度上決定了伺服系統(tǒng)的精度。伺服電機(jī)作為執(zhí)行元件，作用是將伺服控制器的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移和角速度，主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子上有兩個(gè)繞組，勵(lì)磁繞組和控制繞組。其內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵或感應(yīng)線圈，轉(zhuǎn)子在由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。

伺服電機(jī)廣泛用于各類高端機(jī)械設(shè)備，用于機(jī)器人的伺服電機(jī)僅占行業(yè)9%。因此很多機(jī)器人伺服電機(jī)生產(chǎn)廠商多是原先提供其他領(lǐng)域的伺服電機(jī)廠商。但由于機(jī)器人特殊性，對(duì)伺服電機(jī)的快速響應(yīng)性、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、調(diào)速范圍寬要求更高，并且為了適應(yīng)機(jī)器人還要更輕量化。

目前，日系和歐美占據(jù)伺服電機(jī)80%市場(chǎng)份額，我國(guó)自主品牌近些年來(lái)開始逐漸代替進(jìn)口，如匯川技術(shù)和埃斯頓。

三、控制器

控制器主要負(fù)責(zé)發(fā)布和傳遞動(dòng)作指令，控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)和軌跡，操作順序及動(dòng)作時(shí)間等。

控制器分為硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)。硬件方面，目前市場(chǎng)已經(jīng)研發(fā)了基于多CPU的分級(jí)分層控制系統(tǒng)。以典型的DSP控制器為例，該控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)，以工業(yè)PC作為系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，通過(guò)DSP控制卡實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人多個(gè)自由度的操控，提高了機(jī)器人控制器的運(yùn)動(dòng)控制性能。

軟件方面，又分為上位機(jī)PC部分和下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制部分。其中，上位機(jī)模塊主要功能是對(duì)系統(tǒng)的可調(diào)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)機(jī)器人的正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)建模求解，并把運(yùn)動(dòng)控制卡與控制程序在邏輯上連接起來(lái)。下位機(jī)模塊由主控程序、運(yùn)動(dòng)程序和通訊程序構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)高速伺服插補(bǔ)運(yùn)算、伺服運(yùn)動(dòng)控制。

由于控制器要求算法和機(jī)器人本體相匹配，因此國(guó)際較大型機(jī)器人本體廠商都自己生產(chǎn)控制器，工業(yè)機(jī)器人“四大家族”所生產(chǎn)控制器的市場(chǎng)占有率與本體行業(yè)相似，而國(guó)內(nèi)本體廠商大多還不具備自己生產(chǎn)研發(fā)控制器的能力，大多采用外部采購(gòu)控制器的方式。

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