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全球工业机器人详细产业链梳理!
浏览: 发布日期:2019-08-06

整体来看,工业机器人的总成本中,核心零部件的比例接近70%,其中减速器、伺服电机和控制器占比分别为32%、22%和12%。

▲工业机器人核心零部件及本体成本占比

▲中国工业机器人减速器市场格局

▲中国工业机器人伺服系统市场格局

▲中国工业机器人控制系统市场格局

▲2017年中国工业机器人市场格局

核心零部件技术是机器人本体企业的核心竞争力

伺服电机由于脉动信号的驱动,本身具备调速功能,那么机器人为何需要减速器?

精密减速器的存在使伺服电机在一个合适的速度下运转,并精确地将转速降到机器人各部位需要的速度,提高机械体刚性的同时输出更大的力矩。与通用减速器相比,机器人关节减速器要求具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。

目前,大量应用于多关节机器人的减速器主要有两种:RV减速器和谐波减速器。相比于谐波减速器,RV减速器具有更高的刚度和回转精度。因此在关节型机器人中,一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置;而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部;二者之间适用的场景不同,属于相辅相成的关系。而行星减速器一般用在直角坐标机器人上。

在摆线针轮行星传动的基础上发展而来,结构主要分为两级:第一级为渐开线圆柱齿轮传动,第二级为摆线针轮行星传动,包括转臂曲柄、摆线轮、针齿壳,特点在于承受大负载的同时保证高精度。因此,其技术难点主要在于工艺和装配方面:1.材料成型技术。RV减速齿轮需要具有耐磨性和高刚性,对于材料成型过程提出了较高要求,尤其是材料化学元素控制、表面热处理方面。2.精密加工及装配技术。RV减速器的减速比较高,具备无侧隙、微进给的特点,这就需要特殊部件加工和精密装配技术。

▲RV减速器结构拆分

谐波减速器

从国内外产品技术指标来看,国外产品信息相对完善,每种规格对应的各技术指标都有精确的数值呈现。而国内在这方面略显欠缺,表明国内企业在检测能力方面的不足,缺少严格的质量管理体系。目前,国产减速器还存在两方面的问题:1.产品系列不健全。日本纳博具备全系列产品,基本上可以应用于所有领域。根据纳博官网的披露,其RV-N系列产品还处于专利保护期,而国内产品系列相对残缺;2.一致性问题。国产减速器在实际使用环境下的性能,与实验室性能无法完全匹配,个别产品存在漏油、精度降低等情况,是阻碍国产减速器进军高端市场的原因之一。

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。

国产化进程:国内企业订单频传,加速进口替代

国内企业减速机业务推进顺利,订单频传。2017年以来,减速器国产化进程显著加快,根据中大力德公告的披露,公司将于2019年底之前向伯朗特供货RV减速器不低于30000套;根据公告的披露,埃夫特将采购双环传动的RV减速器一万套;根据公司官网的披露,南通振康将分别向上海欢颜、埃夫特批量提供减速器。根据上海机电年报的数据,旗下的纳博精机于2015年10月投产,目前已经达到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,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。

需求测算:未来减速器业务有多大的空间?

2016年中国机器人销量已接近全球市场份额的30%,连续四年成为全球最大的工业机器人市场。根据国际机器人产业协会IFR的预测,未来几年中国机器人行业销量有望维持25%-30%左右的增速。我们以IFR预测下限25%的增速,以2017年14万台为基数进行测算。到2020年,我国工作机器人销量有望达到27万台。

由此,我们可以得出以下减速器需求量测算公式:

谐波减速器数量=六轴多关节机器人*2+

2.伺服电机与控制器,相辅相成的核心零部件

这里我们需要强调的是,伺服电机并不完全等于伺服系统,但后者的运用环节能很大程度上反映伺服电机的下游应用。完整的伺服系统包括伺服电机、伺服编码器和伺服驱动器三个部分。

伺服电机作为执行元件,作用是将伺服控制器的脉冲信号转化为电机转动的角位移和角速度,主要由定子和转子构成,定子上有两个绕组,励磁绕组和控制绕组。其内部的转子是永磁铁或感应线圈,转子在由励磁绕组产生的旋转磁场作用下转动。机器人的关节驱动离不开伺服电机,关节越多,其柔性和精度就越高,所要求使用的伺服电机数量就越多。机器人对伺服电机的要求较高,必须满足快速响应、高启动转矩、动转矩惯量比大、调速范围宽,要适应机器人的形体做到体积小、重量轻、加减速运动等条件。

交流伺服电机也称为无刷电机,分为同步和异步电机。异步电机负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系,有较高的运行效率和较好的工作特性,从空载到满载范围内接近恒速运行,能满足大多数工农业生产机械的传动要求。而同步电动机的功率因数可以调节,最高转动速度低,且随着功率增大而快速降低,因而适合做低速平稳运行的应用。在不要求调速的场合,应用同步电动机可以提高运行效率。到目前为止,高性能的伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机,典型生产厂家如德国伦茨、路斯特、西门子、日本安川等公司。

控制器分为硬件结构和软件结构。硬件方面,目前市场已经研发了基于多CPU的分级分层控制系统。以典型的DSP控制器为例,该控制器采用模块化结构,以工业PC作为系统的硬件平台,通过DSP控制卡实现对机器人多个自由度的操控,提高了机器人控制器的运动控制性能。

竞争格局:硬件差距较小,难点集中于软件。控制器本质上就是一个数据处理器,随着半导体技术的成熟,半导体芯片的性价比越来越高,因此控制器在硬件上并无太高门槛。在机器人的核心零部件中,控制器的技术难度是最低的,国内企业开发的控制器产品已经可以满足大部分功能要求。但控制器的核心在于算法要与机器人本体相匹配。目前,国外主流机器人厂商的控制器均是基于运动控制平台进行自主研发,以保证匹配性,导致国内企业控制器尚未形成竞争优势。可以说,国产控制机在硬件上与国外差距不大,差距主要是算法和兼容性方面。

▲2015年国内机器人控制器销量市场份额

相较于机器人本体供应商,机器人系统集成供应商还要具有产品设计能力、对终端客户应用需求的工艺理解、相关项目经验等,提供可适应各种不同应用领域的标准化、个性化成套装备。

系统集成商具有市场渠道优势,可快速加入机器人研发及生产行列。与国内本体厂商面对国外企业强大的竞争不同,国内系统集成商拥有本土的许多优势,包括渠道优势、价格优势、工程师红利等。系统集成商以往是从国外或者少部分从国内购臵机器人整机,根据不同行业或客户的需求,制定解决方案。

要熟悉相关行业工艺。由于机器人集成是二次开发产品,需要熟悉下游行业的工艺,要完成重新编程、布放等工作。国内系统集成商,如果聚焦于某个领域,通常可以获得较高行业壁垒,生存没问题。但是同样由于行业壁垒,很难实现跨行业拓展业务,通过并购也行不通,因此规模做大很难。机器人系统集成商本来就该是小的,起码现阶段国内集成商规模都不大。

因此系统集成商实际是轻资产的订单型工程服务商,核心资产是销售人员、项目工程师和安装调试人员,因此,系统集成商很难通过并购的方式扩张规模。

国内本体企业在产业链上布局是做大做强的唯一途径。2017年国产品牌机器人销量为3.78万台,按平均单价10万计算,市场规模仅37.8亿。排名靠前的埃夫特、埃斯顿等机器人销量才2000多台,销售额远低于四大家族企业,即使未来几年销量翻番,销售额也较难做到很大。同时具体行业自动化解决方案是机器人的落脚点,是当前各家抢夺的焦点。系统集成注重售后服务,本土企业响应快,服务强度大,竞争优势比较明显。根据我们前面的测算,系统集成是本体市场规模的3倍左右,因此系统集成业务有助于快速提升销售额,打开下游市场,提升品牌影响力。2018年工业机器人本体和系统集成市场总和将突破千亿规模。国内上市公司如埃斯顿、新松、快克股份等注重产业链布局,有望在竞争中突围。

但近年来系统集成商也走到了一个“分水岭”,由于硬件产品价格逐年下降、利润也越来越薄,仅靠项目带动硬件产品的销售模式已经成为过去时。同时,进入系统集成这个领域的门槛越来越低,竞争随之就更为激烈,利润逐年下降。大部分系统集成商自身只是设计、组装生产线,而生产线上所需机器人本体、传感器、伺服系统、控制系统等90%以上的原材料均是外购,这样整体产线价格相比同行很难有竞争力。因此部分核心部件自制能够有效的降低成本,提升自身竞争力,打造行业的护城河。

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