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日本机器人全球领先来自这三大顶尖技术
May 14, 2021  来源:-  作者:-

 
  日本尖端技术之一:机器人精密减速机

  世界上工业机器人使用的精密减速机几乎都为日本所垄断。尽管国内也量产的RV减速机,但国产机器人企业却鲜有选用的,原因是日本精密减速机技术遥遥领先,短期很难替代,因此,中国市场的减速机普遍依赖进口,尤其是日本进口。

  世界制造业强国日本,德国、意大利等国家的减速机无论在产品、材料、设计水平、质量控制、精度、功率密度、还是可靠性及使用寿命等方面依然处于全球领先地位。

  什么是减速机?在机械传动领域,减速机是连接动力源和执行机构之间的中间装置,一般把电动机、内燃机等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。

  尤其在航空航天、机器人、医疗器械等领域,哪些结构简单紧凑、传递功率大、噪声低、传动平稳的高性能精密减速机需求量不断增长,其中,RV减速机和谐波减速机更是精密减速机中两种十分重要的减速机。

  所谓精密减速机,是一种动力传递机构,它其利用齿轮的速度转换器,将电机的回转数减速到所要的回转数,并获得较大转矩的装置。精密减速机是一种相对精密的机械,采用它的目的是降低转速,增加转矩。精密减速机根据精度可分为标准精度和高精度;根据用途可分为军用和民用;根据运行的环境可分为标准环境、低温环境、清洁室环境和真空环境。

  全球能够提供规模化且性能可靠的精密减速机生产企业十分有限,绝大多数精密减速机市场份额都被日本企业霸占:比如全球最大的精密摆线针轮减速机制造商日本Nabtesco的RV减速机约占全球市场份额的60%(Nabtesco纳博特斯克株式会社是全球最顶尖的机器人零部件企业);Nabtesco具有高精度、高刚性、小而轻量的美誉;日本Harmonica的谐波减速机巨头大约占15%,还有著名的日本住友重工(SUMITOMO)。因此,日本的精密减速机尤其在机器人领域的应用比例,属于压倒性的,几乎没什么对手。

  Nabtesco(纳博特斯克)是由日本帝人精机和纳博克(1956年生产了日本第一个自动门)这两家日本公司强强合并组成。帝人精机和纳博克是全球运动控制系统和零部件的生产商,这两家公司几乎把控了高端核心技术,控制着全球绝大多数市场份额。

  日本Harmonic (简称HDSI)是整体运动控制的领军企业,其生产的Harmonic Drive组合型谐波减速机,具有轻量小型、无齿轮间隙、高转矩容量等特点,被广泛应用于工业机器人、仿人机器人、半导体液晶生产装置、光伏设备、光学仪器、精密机床等各种尖端领域。

  HDSI做到了谐波减速机所不能做到的低减速比领域,HDSI产品同时还涉及到精密行星齿轮箱型谐波减速机Harmonic Planetary。其独特的内齿圈形变工艺,能够让行星齿轮与其啮合得更紧、可以消除背隙,甚至达到了精密级的传动误差。

  谐波传动减速机,是一种靠波发生器使柔性齿轮产生可控弹性变形,并与刚性齿轮相啮合,从头传递运动和动力的齿轮传动系统。

  日本的精密减速机成为精密机械工业的一个巅峰,事实上,进入减速机的技术门槛极高,特别是RV减速机里面,完全由高精度的元件,齿轮相互啮合,特别是对材料科学,精密加工装备,加工精度,装配技术,高精度检测技术提出了极高的技术要求。

  国内企业研发的减速机基本上都是通过反向工程获得的数据,因此,往往知其然而不知其所以然,虽然国内有部分企业在技术水平上获得了重大突破,但国产减速机在减速机精度的保持性、减速机精度寿命和产品寿命上都存在许多研发难点,还有就是品质及销量等,所以,各种各样的技术难点也导致了国产减速机在一致性上较差,产品之间可复制性也是很低的。

  值得一提的是,加工制造精密减速机零部件的设备都十分昂贵,比如美盖勒平面磨床,价值近千万元人民币,因此,在缺乏大规模产量前提之下,设备摊销后的成本十分惊人。

  全球目前应用于机器人领域的减速机主要有两种,一种是RV减速机,另一种是谐波减速机。而在关节型机器人当中,由于RV减速机具有更高的刚度和回转精度,因此,一般将RV减速机使用在机座、大臂、肩部等重负载的位置,而将谐波减速机使用在小臂、腕部或手部。

  日本在高精度机器人减速机上具备全球绝对领先优势,全球机器人行业75%的精密减速机被日本的Nabtesco和HarmonicDrive两家垄断(业界俗称RV减速机和谐波减速机),其中包括著名的机器人公司abb、fanuc、kuka、发那科、安川等世界主流机器人厂商的减速机也均由上述两家公司提供。

  机器人中的核心零部件,一直限制着中国机器人的快速发展,尤其是若形成机器人产业化,摆脱发达国家机器人技术的掣肘,在机器人领域获得自主技术,需加大力度研发及追赶。

  工业机器人之所以能够灵活动作及运转主要依赖于两大技术——电机技术和人工智能技术,而日本在这两个领域仍然十分先进。

  尖端技术之二:日本机器人中的电机技术

  日本的电机制造厂商把控着全球高端技术,在全球电机市场上占据十分重要地位,日本电机几乎都处于市场的最高端地位,并且拥有全球行业最顶尖的技术和产品。日本最主要的处于全球领先的五家电机企业是:日本电产株式会社、日本万宝至马达株式会社、日本电装株式会社、日本三叶株式会社和日本美蓓亚集团。

  值得一提的是,日本这五大电机企业的营业收入规模都突破了1000亿日元。在五大日本电机企业之中,其营收规模和营业利润最高的是日本电装株式会社,在统计的12个月期间,其营收规模一度达到了53562.17亿日元,营业利润为2978.37亿日元。而毛利率和净利率最高的是营收规模最小的万宝至马达株式会社,其毛利率高达30.70%,净利率接近10%。

  在CNPP 世界电机排行榜上,三菱电机、安川电机、松下电机、ABB、西门子,前五名日本占据三席。

  日本电产从2010年开始其精密小型电机就在全球一枝独秀,特别是2016年其车载电机规模开始扩大,到了2020年,日本电产花开三蒂(精密小电机、车载及家电、工商业用电机),因此,可以说日本电产将电机武装到牙齿,保持霸气凌人的态势。

  日本电产有一个目标,从车载小电机,向驱动电机、自动驾驶用电机升级后,车载电机事业到2020年能够实现与精密小型电机相当的销售额(6,000亿日元)。在新收购及并购作用下,车载电机事业将挑战1万亿日元销售额。

  日本电产董事长兼集团总裁永守重信经常说的这句话:日本电产是凡事都要力争第一的企业!日本要成为全球领先的电机供应商,除了必须有咬着牙建成京都第一高楼的勇气及韧劲,更重要的是对市场和自身有清晰的认识。

  在日本机器人电机制造方面。由于类人行走、类人运动是机器人最大的技术特点。比如日本本田汽车公司生产的机器人“阿西莫”(ASHIMO)能够依靠双腿去行走,日本的村田制作所的“村田顽童”能够在一条5公分宽的轨道上骑车,并且在平地上能够做到四处闯荡。

  因此,让机器人动起来最根本的因素在于机器人驱动装置——电机。

  比如生产“草蛇”机器人的日立,刚开始其实就是生产电机起家的。日立公司的创始人1910年就生产出了具有5匹马力的电机,正是因为成功生产出了这台电机,才使得日立拥有办企业的极大信心。

  日立在此后的各种世界级展览会上,每次必然会把自己1910年这台很笨重的电机拿出来,告诉看展览的人,自己是一家电机生产企业。事实上,今天的日立能够生产的各种各样电机,不仅生产发电站引擎的中大型电机,同时也有小型的微型产品。因此,日立的丰富的电机产品,使得其生产起机器人来,它的驱动装置就有了重要保证。

  除日立外,日本能够生产机器人的企业很多,霸气都有极强的电机研发及制造实力。比如著名的日本安川电机本来也是电机的专业厂家。早在1977年,安川电机公司就研制出了日本第一台全电动的工业用机器人——“莫托曼”1号。

  日本在机器人方面,其几个机器人巨头日立、安川电机、发那科等已经形成了一个机器人发展矩阵,几乎能提供工业生产上的所有自动化机器人设备。他们有一个共同之处是:都具有超乎其他国家企业实力的电机生产能力。因此,可以这么说,没有强大的电机制造能力,就无法在在机器人制造领域抢占先机。

  尖端技术之三:日本机器人中的控制器

  在世界上,日本安川电机制造的的机器人非常牛,日本安川电机被誉为全球机器人四大家族之一。事实上,安川电机厉害不仅仅是它的机器人,最厉害是他们家的控制器。

  日本安川拥有世界上十分先进的、同步扫描速度极高的机器控制器-MP3300。所谓机器控制器MP3300,是安川电机MP2000系列的后续机型,是业界同步扫描速度更高的机器控制器。它是通过和AC伺服Σ-7系列组合,向客户的设备提供系统方案,

  安川的MP3300有哪些突出特点呢?在性能方面,安川控制器实现了高速、高精度的运算和应用程序处理,并扩充了程序容量。同时,可与支持开放式运动网络MECHATROlink-III的伺服、变频器进行高速同步通信,提高了装置的生产效率与性能。支持双精度实数型、64bit整数型数据,可减少运算时的近似值误差,从而进行更高精度的控制。

  MP3300的主机CPU中标配有全球同行业内最快的运动网络MECHATROlink-III,它通过精细的运动控制实现了高速、高精度通信。

  安川控制器最多可控制16轴,在同一回路下MP3300最多可控制21站(伺服最多为16轴)运动系统。在扩展系统时,也可通过选购模块构建灵活的系统。

  在操作上,安川能够自动识别选购模块或连接到运动网络MECHATROlink上的伺服单元、I/O 设备,并自动完成设定。

  安川缩短多轴的伺服调整时间,无需打开各轴的调整画面即可在1个画面上进行多个轴的参数调谐,可大幅缩短调整时间。

  安川的优点是减轻使用伺服的运动控制系统构建负担,尤其是不依赖于PLC类型即可实现对驱动系统的标准化。

  安川最厉害的地方是:能够在非常严酷环境下使用。安川控制器扩大了使用环境温度范围 0°C+60°C (超过+55°C时,柜内需要安装冷却风扇)。据数据显示,全球面积最大的沙漠——撒哈拉大沙漠的最高温度才57.7摄氏度,说白了,安川电机的这款机器控制器扔到沙漠上仍然可以正常使用!日本人把极限温度提高到了60度,其工匠精神十分了得!

  综上所述,发展工业机器人必须突破机器人核心零部件技术。值得一提的是,中国工业机器人市场长期被全球巨头占据,其中最突出的原因就是精密减速器、 伺服电机、 控制器等核心零部件上严重依赖进口,让国产品牌机器人成本相比国外品牌机器人并优势。

  需要提醒的是,国产机器人曾一直游走在产业中低端。从2013年以来,中国已成为全球最大的机器人消费国,连续3年稳居世界工业机器人市场头把交椅;而与此同时,国产工业机器人产量也呈现出爆发式增长的趋势。尽管自动化技术改造给工业机器人产业带来了巨大市场,但国产机器人关键零部件一直“受制于人”。

  全球机器人产业链可划分成上中下三个层次:上游是核心零部件,主要是减速机和控制系统,相当于机器人的“大脑”;中游是机器人本体,就是机器人的“身体”;下游则是系统集成商,并且依赖上游和中游的核心设备做集成品。

  在全球机器人市场,日本安川电机公司和发那科公司曾分别以5823项4512项专利申请位居全球前两位,欧洲ABB有2231项、韩国三星2016项、日本日立1907项。这个数据对于工业机器人产业而言,急需我们在技术和产品上进行优化升级。

  工业机器人三大核心零部件:控制器、伺服电机、减速机是制约中国机器人产业的主要瓶颈,并且占到机器人成本的70%。

  控制器是机器人的大脑,作用是发布和传递动作指令。其中包括硬件和软件两部分:硬件是工业控制板卡,包括一些主控单元、信号处理部分等电路,国产品牌事实上已经掌握;而软件部分主要是控制算法、二次开发等,国产品牌特别在稳定性、响应速度、易用性等还存在一定差距。

  控制器由于是“神经中枢”,世界上成熟的机器人厂商一般自行开发控制器,目的是保证稳定性和维护自己的技术体系。因此,在控制器的市场份额基本跟机器人本体是一致的。当然,全球也有KEBA、倍福、贝加莱这样提供控制器底层平台的厂商。

  伺服电机方面竞争十分激烈,但外资始终掌握着话语权,尤其是日本的品牌独树一帜。伺服电机在机器人中属于执行单元,是影响机器人工作性能的重要因素。伺服电机主要分为步进、交流和直流,机器人行业应用最多的是交流伺服,大约占65%。

  伺服系统外资品牌占据着垄断性优势。日系品牌凭借良好的产品性能与极具竞争力的价格垄断了全球中小型OEM(设备制造业)市场。比如在2014年,伺服系统市场TOP15厂商中,前三名都是日本的品牌,市场份额占比高达45%。德国西门子、博世、施耐德等欧系品牌同样占据着高端市场,市场份额也在30%左右。国内企业份额低于10%左右。

  控制器和伺服系统关联十分紧密,客户选择产品的排序分别是:可靠稳定性、价格、服务。

  减速机方面,,上面介绍得很多了。机器人减速机市场属于高度垄断,在普及期的国产减速机短期内无法实现全面进口替代。减速机是用来精确控制机器人动作,传输更大的力矩。减速机分为两种:一是安装在机座、大臂、肩膀等重负载位置的RV减速机,一种是安装在小臂、腕部或手部等轻负载位置的谐波减速机。上面说过,RV减速机被日本纳博特斯克完全垄断,谐波减速机被日本哈默纳科完全垄断。

  RV减速机有一个最核心的难点,就在于基础工业和工艺。因为RV减速机是纯机械的精密部件,在材料上、热处理工艺上和高精度加工机床上是缺一不可的。我们尤其在这几个方面长期落后发达国家,并非单靠某个企业所能彻底解决。减速机需要将200多个零部件组合在一起,精度要求十分苛刻,特别是在零部件之间的公差匹配上,需要长期的经验积累。

  从国际减速机上来看,日系减速器的知名度无疑是最高的,日本除却排名分列一二的哈默纳科和纳博特斯克之外,日本还有住友、新宝等著名品牌,在世界上同样十分受欢迎。

  国内的斯瑞恩机电总经理曾说过,在谐波减速器的钢齿轮加工工艺上,日本的哈默纳科已经做到了一分钟(加工)两个工件,而国内目前很多还在采用传统的插齿工艺,慢丝工艺;在RV减速器摆线的加工上,纳博特斯克使用了最新的成形磨和展成法,每分钟可以加工两至三件产品,而国内的效率还非常低,不具备量产的条件。

  中国在工业机器人的三大核心零部件若从根本上突破,需要付出更多的时间耐心及资金投入,特别是减速机的研发及投入,当然,我们的工业机器人技术人才也很稀缺,这一点值得改变。

  日本的工业机器人水平已处于“远距作业型”和“智能型”这一阶段,因为早在上个世纪90年代的时候,日本就已普及了“顺序型”和“沿轨迹作业型”机器人。日本下一代的机器人发展方向是:低成本、高速化、可靠性、网络化、视觉和触觉、高精度化等方面。

  世界上,随着劳动力成本的上涨及社会老龄化问题的加大,世界各国都展开了工业机器人的研究,目的是通过利用工业机器人来替代劳力。据不完全统计,一个工业机器人差不多等价于10个劳动力的标准。

  据悉,早在2007年,日本就出台了一份计划,准备在2050年之前,将工业机器人的产业规模,扩大到1.4兆日元,拥有百万工业机器人的计划。假如按照一个工业机器人等价于10个劳动力,而100万个工业机器人,则相当于1000万个劳动力,并且还是优质可靠的劳动力。日本总人口实际上才1亿多,100万个工业机器人,数量上完全可以满足日本的国内经济需求了。

  丹麦首都哥本哈根1990年曾经召开了一次工业机器人国际标准大会,并通过了一个文件,将工业机器人分为了四大种类。这四大种类分别是:一是顺序型。这种类型的工业机器人,就是拥有规定程序动作控制的系统。二是沿轨迹作业型。这种类型的工业机器人,可以执行某种移动作业,如焊接和喷漆等较为复杂的工作。三是远距作业型。这种类型的工业机器人,可以进行远距离操控,是未来工业机器人,比如可在月球上自动工作的机器人。四是智能型。这种类型的工业机器人具有感知、适应及思维和人机通信机能,事实上,这种机器人已脱离了“机器”的范畴,甚至达到了“人”的范畴。

  人类利用工业机器人进行生产,其效率将会大幅提升,重要的是还会减少工伤事故。特别在发达国家中,工业机器人就已经成为了自动化装备的主流,及未来的发展方向。国外的许多汽车行业、工程机械和电子电器行业等,已使用了大量的工业机器人叠加自动化生产线。现在全世界有许多国家,使用工业机器人的时间,已经有几十年了,因此,工业机器人是提高全社会生产效率,推动工业发展的未来方向。

  与日本相比,我国机器人产业加快机器人核心及关键技术的自主创新。特别是产学研结合,强化机器人共性关键技术研究,加强高端机器人技术攻关,最终实现核心零部件、控制应用系统和制造工艺等关键环节的技术突破,全面提升我国机器人产品在国际间的竞争力。相信,未来中国的机器人必然实现大的超越及领先。


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