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日本機器人全球領先來自這三大頂尖技術

日期:2021-05-18  來源:互聯網    點擊:
      世界上工業機器人使用的精密減速機幾乎都為日本所壟斷。盡管國內也量產的RV減速機,但國產機器人企業卻鮮有選用的,原因是日本精密減速機技術遙遙領先,短期很難替代,因此,中國市場的減速機普遍依賴進口,尤其是日本進口。

  世界制造業強國日本,德國、意大利等國家的減速機無論在產品、材料、設計水平、質量控制、精度、功率密度、還是可靠性及使用壽命等方面依然處于全球領先地位。

  什么是減速機?在機械傳動領域,減速機是連接動力源和執行機構之間的中間裝置,一般把電動機、內燃機等高速運轉的動力通過輸入軸上的小齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來達到減速的目的,并傳遞更大的轉矩。

  尤其在航空航天、機器人、醫療器械等領域,哪些結構簡單緊湊、傳遞功率大、噪聲低、傳動平穩的高性能精密減速機需求量不斷增長,其中,RV減速機和諧波減速機更是精密減速機中兩種十分重要的減速機。

  所謂精密減速機,是一種動力傳遞機構,它其利用齒輪的速度轉換器,將電機的回轉數減速到所要的回轉數,并獲得較大轉矩的裝置。精密減速機是一種相對精密的機械,采用它的目的是降低轉速,增加轉矩。精密減速機根據精度可分為標準精度和高精度;根據用途可分為軍用和民用;根據運行的環境可分為標準環境、低溫環境、清潔室環境和真空環境。

  全球能夠提供規模化且性能可靠的精密減速機生產企業十分有限,絕大多數精密減速機市場份額都被日本企業霸占:比如全球最大的精密擺線針輪減速機制造商日本Nabtesco的RV減速機約占全球市場份額的60%(Nabtesco納博特斯克株式會社是全球最頂尖的機器人零部件企業);Nabtesco具有高精度、高剛性、小而輕量的美譽;日本Harmonica的諧波減速機巨頭大約占15%,還有著名的日本住友重工(SUMITOMO)。因此,日本的精密減速機尤其在機器人領域的應用比例,屬于壓倒性的,幾乎沒什么對手。

  Nabtesco(納博特斯克)是由日本帝人精機和納博克(1956年生產了日本第一個自動門)這兩家日本公司強強合并組成。帝人精機和納博克是全球運動控制系統和零部件的生產商,這兩家公司幾乎把控了高端核心技術,控制著全球絕大多數市場份額。

  日本Harmonic (簡稱HDSI)是整體運動控制的領軍企業,其生產的Harmonic Drive組合型諧波減速機,具有輕量小型、無齒輪間隙、高轉矩容量等特點,被廣泛應用于工業機器人、仿人機器人、半導體液晶生產裝置、光伏設備、光學儀器、精密機床等各種尖端領域。

  HDSI做到了諧波減速機所不能做到的低減速比領域,HDSI產品同時還涉及到精密行星齒輪箱型諧波減速機Harmonic Planetary。其獨特的內齒圈形變工藝,能夠讓行星齒輪與其嚙合得更緊、可以消除背隙,甚至達到了精密級的傳動誤差。

  諧波傳動減速機,是一種靠波發生器使柔性齒輪產生可控彈性變形,并與剛性齒輪相嚙合,從頭傳遞運動和動力的齒輪傳動系統。

  日本的精密減速機成為精密機械工業的一個巔峰,事實上,進入減速機的技術門檻極高,特別是RV減速機里面,完全由高精度的元件,齒輪相互嚙合,特別是對材料科學,精密加工裝備,加工精度,裝配技術,高精度檢測技術提出了極高的技術要求。

  國內企業研發的減速機基本上都是通過反向工程獲得的數據,因此,往往知其然而不知其所以然,雖然國內有部分企業在技術水平上獲得了重大突破,但國產減速機在減速機精度的保持性、減速機精度壽命和產品壽命上都存在許多研發難點,還有就是品質及銷量等,所以,各種各樣的技術難點也導致了國產減速機在一致性上較差,產品之間可復制性也是很低的。

  值得一提的是,加工制造精密減速機零部件的設備都十分昂貴,比如美蓋勒平面磨床,價值近千萬元人民幣,因此,在缺乏大規模產量前提之下,設備攤銷后的成本十分驚人。

  全球目前應用于機器人領域的減速機主要有兩種,一種是RV減速機,另一種是諧波減速機。而在關節型機器人當中,由于RV減速機具有更高的剛度和回轉精度,因此,一般將RV減速機使用在機座、大臂、肩部等重負載的位置,而將諧波減速機使用在小臂、腕部或手部。

  日本在高精度機器人減速機上具備全球絕對領先優勢,全球機器人行業75%的精密減速機被日本的Nabtesco和HarmonicDrive兩家壟斷(業界俗稱RV減速機和諧波減速機),其中包括著名的機器人公司abb、fanuc、kuka、發那科、安川等世界主流機器人廠商的減速機也均由上述兩家公司提供。

  機器人中的核心零部件,一直限制著中國機器人的快速發展,尤其是若形成機器人產業化,擺脫發達國家機器人技術的掣肘,在機器人領域獲得自主技術,需加大力度研發及追趕。

  工業機器人之所以能夠靈活動作及運轉主要依賴于兩大技術——電機技術和人工智能技術,而日本在這兩個領域仍然十分先進。

  尖端技術之二:日本機器人中的電機技術

  日本的電機制造廠商把控著全球高端技術,在全球電機市場上占據十分重要地位,日本電機幾乎都處于市場的最高端地位,并且擁有全球行業最頂尖的技術和產品。日本最主要的處于全球領先的五家電機企業是:日本電產株式會社、日本萬寶至馬達株式會社、日本電裝株式會社、日本三葉株式會社和日本美蓓亞集團。

  值得一提的是,日本這五大電機企業的營業收入規模都突破了1000億日元。在五大日本電機企業之中,其營收規模和營業利潤最高的是日本電裝株式會社,在統計的12個月期間,其營收規模一度達到了53562.17億日元,營業利潤為2978.37億日元。而毛利率和凈利率最高的是營收規模最小的萬寶至馬達株式會社,其毛利率高達30.70%,凈利率接近10%。

  在CNPP 世界電機排行榜上,三菱電機、安川電機、松下電機、ABB、西門子,前五名日本占據三席。

  日本電產從2010年開始其精密小型電機就在全球一枝獨秀,特別是2016年其車載電機規模開始擴大,到了2020年,日本電產花開三蒂(精密小電機、車載及家電、工商業用電機),因此,可以說日本電產將電機武裝到牙齒,保持霸氣凌人的態勢。

  日本電產有一個目標,從車載小電機,向驅動電機、自動駕駛用電機升級后,車載電機事業到2020年能夠實現與精密小型電機相當的銷售額(6,000億日元)。在新收購及并購作用下,車載電機事業將挑戰1萬億日元銷售額。

  日本電產董事長兼集團總裁永守重信經常說的這句話:日本電產是凡事都要力爭第一的企業!日本要成為全球領先的電機供應商,除了必須有咬著牙建成京都第一高樓的勇氣及韌勁,更重要的是對市場和自身有清晰的認識。

  在日本機器人電機制造方面。由于類人行走、類人運動是機器人最大的技術特點。比如日本本田汽車公司生產的機器人“阿西莫”(ASHIMO)能夠依靠雙腿去行走,日本的村田制作所的“村田頑童”能夠在一條5公分寬的軌道上騎車,并且在平地上能夠做到四處闖蕩。

  因此,讓機器人動起來最根本的因素在于機器人驅動裝置——電機。

  比如生產“草蛇”機器人的日立,剛開始其實就是生產電機起家的。日立公司的創始人1910年就生產出了具有5匹馬力的電機,正是因為成功生產出了這臺電機,才使得日立擁有辦企業的極大信心。

  日立在此后的各種世界級展覽會上,每次必然會把自己1910年這臺很笨重的電機拿出來,告訴看展覽的人,自己是一家電機生產企業。事實上,今天的日立能夠生產的各種各樣電機,不僅生產發電站引擎的中大型電機,同時也有小型的微型產品。因此,日立的豐富的電機產品,使得其生產起機器人來,它的驅動裝置就有了重要保證。

  除日立外,日本能夠生產機器人的企業很多,霸氣都有極強的電機研發及制造實力。比如著名的日本安川電機本來也是電機的專業廠家。早在1977年,安川電機公司就研制出了日本第一臺全電動的工業用機器人——“莫托曼”1號。

  日本在機器人方面,其幾個機器人巨頭日立、安川電機、發那科等已經形成了一個機器人發展矩陣,幾乎能提供工業生產上的所有自動化機器人設備。他們有一個共同之處是:都具有超乎其他國家企業實力的電機生產能力。因此,可以這么說,沒有強大的電機制造能力,就無法在在機器人制造領域搶占先機。

  尖端技術之三:日本機器人中的控制器

  在世界上,日本安川電機制造的的機器人非常牛,日本安川電機被譽為全球機器人四大家族之一。事實上,安川電機厲害不僅僅是它的機器人,最厲害是他們家的控制器。

  日本安川擁有世界上十分先進的、同步掃描速度極高的機器控制器-MP3300。所謂機器控制器MP3300,是安川電機MP2000系列的后續機型,是業界同步掃描速度更高的機器控制器。它是通過和AC伺服Σ-7系列組合,向客戶的設備提供系統方案,

  安川的MP3300有哪些突出特點呢?在性能方面,安川控制器實現了高速、高精度的運算和應用程序處理,并擴充了程序容量。同時,可與支持開放式運動網絡MECHATROlink-III的伺服、變頻器進行高速同步通信,提高了裝置的生產效率與性能。支持雙精度實數型、64bit整數型數據,可減少運算時的近似值誤差,從而進行更高精度的控制。

  MP3300的主機CPU中標配有全球同行業內最快的運動網絡MECHATROlink-III,它通過精細的運動控制實現了高速、高精度通信。

  安川控制器最多可控制16軸,在同一回路下MP3300最多可控制21站(伺服最多為16軸)運動系統。在擴展系統時,也可通過選購模塊構建靈活的系統。

  在操作上,安川能夠自動識別選購模塊或連接到運動網絡MECHATROlink上的伺服單元、I/O 設備,并自動完成設定。

  安川縮短多軸的伺服調整時間,無需打開各軸的調整畫面即可在1個畫面上進行多個軸的參數調諧,可大幅縮短調整時間。

  安川的優點是減輕使用伺服的運動控制系統構建負擔,尤其是不依賴于PLC類型即可實現對驅動系統的標準化。

  安川最厲害的地方是:能夠在非常嚴酷環境下使用。安川控制器擴大了使用環境溫度范圍 0°C+60°C (超過+55°C時,柜內需要安裝冷卻風扇)。據數據顯示,全球面積最大的沙漠——撒哈拉大沙漠的最高溫度才57.7攝氏度,說白了,安川電機的這款機器控制器扔到沙漠上仍然可以正常使用!日本人把極限溫度提高到了60度,其工匠精神十分了得!

  綜上所述,發展工業機器人必須突破機器人核心零部件技術。值得一提的是,中國工業機器人市場長期被全球巨頭占據,其中最突出的原因就是精密減速器、 伺服電機、 控制器等核心零部件上嚴重依賴進口,讓國產品牌機器人成本相比國外品牌機器人并優勢。

  需要提醒的是,國產機器人曾一直游走在產業中低端。從2013年以來,中國已成為全球最大的機器人消費國,連續3年穩居世界工業機器人市場頭把交椅;而與此同時,國產工業機器人產量也呈現出爆發式增長的趨勢。盡管自動化技術改造給工業機器人產業帶來了巨大市場,但國產機器人關鍵零部件一直“受制于人”。

  全球機器人產業鏈可劃分成上中下三個層次:上游是核心零部件,主要是減速機和控制系統,相當于機器人的“大腦”;中游是機器人本體,就是機器人的“身體”;下游則是系統集成商,并且依賴上游和中游的核心設備做集成品。

  在全球機器人市場,日本安川電機公司和發那科公司曾分別以5823項4512項專利申請位居全球前兩位,歐洲ABB有2231項、韓國三星2016項、日本日立1907項。這個數據對于工業機器人產業而言,急需我們在技術和產品上進行優化升級。

  工業機器人三大核心零部件:控制器、伺服電機、減速機是制約中國機器人產業的主要瓶頸,并且占到機器人成本的70%。

  控制器是機器人的大腦,作用是發布和傳遞動作指令。其中包括硬件和軟件兩部分:硬件是工業控制板卡,包括一些主控單元、信號處理部分等電路,國產品牌事實上已經掌握;而軟件部分主要是控制算法、二次開發等,國產品牌特別在穩定性、響應速度、易用性等還存在一定差距。

  控制器由于是“神經中樞”,世界上成熟的機器人廠商一般自行開發控制器,目的是保證穩定性和維護自己的技術體系。因此,在控制器的市場份額基本跟機器人本體是一致的。當然,全球也有KEBA、倍福、貝加萊這樣提供控制器底層平臺的廠商。

  伺服電機方面競爭十分激烈,但外資始終掌握著話語權,尤其是日本的品牌獨樹一幟。伺服電機在機器人中屬于執行單元,是影響機器人工作性能的重要因素。伺服電機主要分為步進、交流和直流,機器人行業應用最多的是交流伺服,大約占65%。

  伺服系統外資品牌占據著壟斷性優勢。日系品牌憑借良好的產品性能與極具競爭力的價格壟斷了全球中小型OEM(設備制造業)市場。比如在2014年,伺服系統市場TOP15廠商中,前三名都是日本的品牌,市場份額占比高達45%。德國西門子、博世、施耐德等歐系品牌同樣占據著高端市場,市場份額也在30%左右。國內企業份額低于10%左右。

  控制器和伺服系統關聯十分緊密,客戶選擇產品的排序分別是:可靠穩定性、價格、服務。

  減速機方面,,上面介紹得很多了。機器人減速機市場屬于高度壟斷,在普及期的國產減速機短期內無法實現全面進口替代。減速機是用來精確控制機器人動作,傳輸更大的力矩。減速機分為兩種:一是安裝在機座、大臂、肩膀等重負載位置的RV減速機,一種是安裝在小臂、腕部或手部等輕負載位置的諧波減速機。上面說過,RV減速機被日本納博特斯克完全壟斷,諧波減速機被日本哈默納科完全壟斷。

  RV減速機有一個最核心的難點,就在于基礎工業和工藝。因為RV減速機是純機械的精密部件,在材料上、熱處理工藝上和高精度加工機床上是缺一不可的。我們尤其在這幾個方面長期落后發達國家,并非單靠某個企業所能徹底解決。減速機需要將200多個零部件組合在一起,精度要求十分苛刻,特別是在零部件之間的公差匹配上,需要長期的經驗積累。

  從國際減速機上來看,日系減速器的知名度無疑是最高的,日本除卻排名分列一二的哈默納科和納博特斯克之外,日本還有住友、新寶等著名品牌,在世界上同樣十分受歡迎。

  國內的斯瑞恩機電總經理曾說過,在諧波減速器的鋼齒輪加工工藝上,日本的哈默納科已經做到了一分鐘(加工)兩個工件,而國內目前很多還在采用傳統的插齒工藝,慢絲工藝;在RV減速器擺線的加工上,納博特斯克使用了最新的成形磨和展成法,每分鐘可以加工兩至三件產品,而國內的效率還非常低,不具備量產的條件。

  中國在工業機器人的三大核心零部件若從根本上突破,需要付出更多的時間耐心及資金投入,特別是減速機的研發及投入,當然,我們的工業機器人技術人才也很稀缺,這一點值得改變。

  日本的工業機器人水平已處于“遠距作業型”和“智能型”這一階段,因為早在上個世紀90年代的時候,日本就已普及了“順序型”和“沿軌跡作業型”機器人。日本下一代的機器人發展方向是:低成本、高速化、可靠性、網絡化、視覺和觸覺、高精度化等方面。

  世界上,隨著勞動力成本的上漲及社會老齡化問題的加大,世界各國都展開了工業機器人的研究,目的是通過利用工業機器人來替代勞力。據不完全統計,一個工業機器人差不多等價于10個勞動力的標準。

  據悉,早在2007年,日本就出臺了一份計劃,準備在2050年之前,將工業機器人的產業規模,擴大到1.4兆日元,擁有百萬工業機器人的計劃。假如按照一個工業機器人等價于10個勞動力,而100萬個工業機器人,則相當于1000萬個勞動力,并且還是優質可靠的勞動力。日本總人口實際上才1億多,100萬個工業機器人,數量上完全可以滿足日本的國內經濟需求了。

  丹麥首都哥本哈根1990年曾經召開了一次工業機器人國際標準大會,并通過了一個文件,將工業機器人分為了四大種類。這四大種類分別是:一是順序型。這種類型的工業機器人,就是擁有規定程序動作控制的系統。二是沿軌跡作業型。這種類型的工業機器人,可以執行某種移動作業,如焊接和噴漆等較為復雜的工作。三是遠距作業型。這種類型的工業機器人,可以進行遠距離操控,是未來工業機器人,比如可在月球上自動工作的機器人。四是智能型。這種類型的工業機器人具有感知、適應及思維和人機通信機能,事實上,這種機器人已脫離了“機器”的范疇,甚至達到了“人”的范疇。

  人類利用工業機器人進行生產,其效率將會大幅提升,重要的是還會減少工傷事故。特別在發達國家中,工業機器人就已經成為了自動化裝備的主流,及未來的發展方向。國外的許多汽車行業、工程機械和電子電器行業等,已使用了大量的工業機器人疊加自動化生產線。現在全世界有許多國家,使用工業機器人的時間,已經有幾十年了,因此,工業機器人是提高全社會生產效率,推動工業發展的未來方向。

  與日本相比,我國機器人產業加快機器人核心及關鍵技術的自主創新。特別是產學研結合,強化機器人共性關鍵技術研究,加強高端機器人技術攻關,最終實現核心零部件、控制應用系統和制造工藝等關鍵環節的技術突破,全面提升我國機器人產品在國際間的競爭力。相信,未來中國的機器人必然實現大的超越及領先。

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