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工业机器人行业上游核心零部件之减速器行业分析

时间:2020-01-24 来源:机器人在线 阅读:835

工业机器人产业链包括上游核心零部件、中游机器人本体和下游集成应用三部分。上游是控制器、伺服电机、减速器、传感器、末端执行器等零部件的生产厂商,控制器、伺服电机和减速器是工业机器人三大核心零部件;中游是本体生产商,负责工业机器人本体的组装和集成,即机座和执行机构,包括手臂、腕部等,部分机器人本体还包括行走结构;下游是集成应用商,负责根据不同的应用场景和用途对工业机器人进行有针对性地系统集成和软件二次开发。


减速器

1、功能:减速器是工业机器人的关节

精密减速器决定工业机器人的精度和负载。精密减速器是连接伺服电机和执行机构之间的中间装置,它负责把伺服电机高速运转的动力通过输入轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的,并传递更大的转矩。精密减速器是工业机器人最重要的零部件,工业机器人运动的核心部件“关节”就是由它构成,每个关节都要用到不同的减速器产品。工业机器人对减速器的精度、负载和寿命等要求极高,其技术壁垒是工业机器人核心零部件中最高的一个,是对工业机器人本体性能影响程度最高的核心零部件。



工业机器人常用减速器分为谐波减速器和RV 减速器两种。谐波减速器是一种单级的齿轮减速器,由波发生器、柔轮和刚轮组成,其工作原理是由谐波发生器使柔轮产生可控的弹性变形,同时柔轮与刚轮啮合负责传递动力,以此达到减速的目的。谐波减速器具有运动精度高,传动比大、质量小、体积小以及较小的传动惯量等优点,常用于负载小的工业机器人或大型机器人的小臂、腕部或手部等轻负载位置。RV 减速器是一种两级减速器,由一个行星减速器的前级和一个摆线针轮减速器的后级组成。它较机器人中常用的谐波减速器具有更高的耐疲劳强度、刚度和使用寿命,而且回差精度稳定,因此多用于工业机器人的机座、大臂、肩部等重负载传动的位置。



2、减速器应用领域及规模测算

随着技术的日益成熟,精密减速器越来越体现出高精度、高钢性、高负载、传动效率高、高速比、高寿命、低惯性、低振动、低噪音、低温升、结构轻巧、安装方便等优点,其应用领域涵盖了机器人、数控机床、航空航天、医疗器械、卫浴陶瓷、新能源等诸多领域,展示出其广阔的发展前景。


CRIA公布的数据显示,2018 年我国工业机器人总销量为13.5 万台,其中按类型划分,多关节机器人、直角坐标型、SCARA 机器人和并联机器人的销量分别8.05、2、2.9、0.55万台。一般情况下,一套六轴多关节机器人需要4 套RV 减速器和2 套谐波减速器;一套SCARA 机器人包含4 套谐波减速器;一套直角坐标机器人需要3 套RV 减速器和1 套谐波减速器;DELTA 机器人的电机安装在固定基座上,需要1 套谐波减速器。以RV 减速器平均价格为0.6 万元,谐波减速器平均价格为0.3 万元作为假设,可以大致估算出我国近年来的工业机器人减速器市场规模,2018 年我国工业机器人减速器市场为30.8 亿元。



3、减速器市场格局:日本企业占据主导地位

精密减速器制造对材料、设备、工艺等多个环节都有严格要求,具有明显的投资门槛高、技术难度大等特点,行业壁垒极高。也正因此,长期以来全球工业机器人减速器市场一直呈现高度集中状态。其中,日本纳博特斯克是生产RV 减速器的世界巨头,约占60%的全球减速器市场份额,在中/重负荷工业机器人领域,其RV 减速器产品在全球RV 减速器市场占有率更是高达90%以上。哈默纳科则在谐波减速器领域拥有绝对优势,约占15%的全球减速器市场份额。除此之外,以住友为代表的日系RV 减速器生产厂商以及以新宝为代表的日系谐波减速器生产厂商合计占全球减速器市场份额也高达10%以上,全球减速器市场呈现出以日本企业一派独大的高度集中化局面。纳博特斯克和哈默纳科在减速器领域的垄断地位给予两者极强的议价能力,由于国际工业机器人生产巨头很早就开始了与这两家企业的合作,而且采购规模极大,所以机器人四大家族能以远低于国内厂商的价格购买其减速器产品。这对于性能上本就处于弱势的国产机器人而言,无异于雪上加霜。



纳博特斯克是日本综合性的机械集团,业务范围包括组件解决方案(精密减速器、液压机械、新能源设备)、运输解决方案、无障碍事业、其他等四大类,其中精密减速器业务属于其最大业务板块,包括RV-N、RV-C 以及RV-E 等主要产品系列。纳博特斯克减速器产品以高精度、高可靠、稳定性著称,在RV 减速器领域全球市场占有率超过80%,公司的精密减速器客户主要包括工业机器人和机床,其中工业机器人客户覆盖全球四大家族机器人企业以及各知名机器人厂商。机床客户主要为日本的高精度机床企业,马扎克 OKUMA 机床 德玛吉森。纳博特斯克拥有日本津工厂和中国常州两个精密减速器生产基地,2017 年总产能达84 万台,预计至2019 年达106 万台,2020 年产能可增至120万台。


哈默纳科是世界上最早从事谐波传动及特种传动技术的开发、设计、生产、销售的专业化公司,目前已成为全球最大谐波减速器供应商。哈默纳科专注于谐波减速器的研发、生产与销售,其产品已广泛应用于各类机器人、数控机床、航空航天、印刷机械、医疗机械、测量分析仪器、精密包装机械等多种行业。在全球布局上,日本哈默纳科在全球共设有三个分部,每个分部分别负责在全球不同区域的销售市场,但各分部生产的谐波减速器具有很强的一致性。哈默纳科在日本生产的谐波减速器只对亚洲地区销售;哈默纳科和纳博特斯克在美国马萨诸塞州成立的合资公司Harmonic Drive L.L.C 生产的谐波减速器只对美洲销售;哈默纳科在德国成立的Harmonic Drive Antriebstechnik GmbH公司(现Harmonic Drive AG 公司)生产的谐波减速器只对欧洲、中东、非洲、印度及南美地区销售。哈默纳科垄断了全球机器人用谐波减速器市场约70%的份额,2018 年其产能接近180 万台。目前几乎所有的世界知名机器人厂商均采用其谐波减速器。


国内减速器供应商以外资品牌为主导。2018 年国产减速器出货量占国内市场份额不足30%,而近70%以上的市场份额则由外资品牌占据,哈默纳科和纳博特斯克分别在谐波减速器和RV 减速器出货量上稳居国内市场份额第一,在国内减速器市场占有绝对领先优势。国产品牌起步较晚,目前已有苏州绿的等多家减速器厂商实现量产,市场接受度逐年提升。



苏州绿的谐波传动科技有限公司是一家专业从事精密谐波传动装置的研发、设计和生产的高新技术企业。公司自2003 年开始从事机器人用精密谐波减速器研发,目前其谐波减速器产品在国产机器人谐波减速器市场的渗透率超过50%,在国产谐波减速器中居于首位,已拥有较好的品牌知名度和口碑,广泛应用于工业机器人、人形机器人、机械设备、航空航天、通信设施等行业。其谐波减速器产品系列包括LCD、LCS、LCSG、LHD、LHS、LHSG 等,其产品在精度、寿命、稳定性、噪音等方面均达到国际先进水平,通过了3 家国外机器人制造企业2 万小时寿命的精度测试。苏州绿的下游客户近千家,包括新松机器人、埃夫特新时达等国内著名机器人生产商,产品已进入ABB 供应体系,形成了年产20 万台的生产能力,2018 年出货量超过12 万台。


4、减速器国内外差距与原因

谐波减速器方面,在基本性能指标上,国产品牌与哈默纳科相差无几,部分指标能够超越世界先进水平。RV 减速器方面,国内厂商介入机器人RV 减速器市场的时间较短,技术少有突破,整体竞争力均弱于国外品牌。在基本性能指标上,国产减速器主要表现在空程与背隙、启动转矩,以及扭转刚度等指标与国外产品差距明显,这表明国产RV 减速器在扭转力矩的作用下,国产产品工作精度与抗扭转变形的能力要劣于世界先进水平,即齿形设计以及负载能力有待加强。同时,国产RV 减速器产品物理寿命、稳定性、以及发热和噪音等隐性指标也与纳博特斯克差距甚远。纳博特斯克RV 减速器产品的平均寿命一般可达10000 小时以上,在设定的工作寿命时间内可严格保持精度和刚度不下降,而国产产品均低于6000 小时,这是RV 减速器的重要差距之一。在产品噪音和发热上,国产品牌的噪声和发热量明显高于国外品牌。噪声和发热意味着减速器内部存在齿轮啮合不良,有超额摩擦磨损现象,即减速器不是在一种正常的工况下进行工作,对减速器机械寿命将产生不良影响。


高精度、高可靠性、高稳定性、一致性好的精密减速器的生产出是一项系统性工程,设计、仿真、材料、精密加工、精密装配、检测等每个环节都有若干个因素对产品最终性能产生影响,任何一个环节的一个因素处理不好,都会像木桶出现短板一样,导致整体性能与先进水平相差甚远。从设计上看,世界领先的减速器厂商如纳博特斯克和哈默纳科在其产品的齿形设计、传动机理方面已申请专利,其它厂商不得使用其专利产品类似的齿形设计和传动机理,只能研发自有独特的齿形设计和传动机理。两家厂商的先发优势使得其占据特殊齿形设计的有利地位,而齿形设计及传动机理对精密减速器产品的工作精度、传动效率等性能至关重要,我国厂商作为后来者,避开专利限制去设计性能同样优良的齿形面临更高难度。

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