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讯:当前,我国制造业正迎来高端制造的关键转型期,工业机器人对中国制造业转型升级、推动其他产业高速发展有着重要意义。

工业机器人产业链分为上中下游,上游是机器人核心零部件,如减速器、伺服系统、控制器,技术壁垒较高,在机器人的成本中占比最大,约为65%~75%; 中游是机器人本体制造,是机器人的支撑基础和执行机构,属于重资产环节; 下游是机器人应用环节,主要是系统集成商根据机器人不同应用场景进行系统集成和软件二次开发,虽然收益率较高, 但是技术含量较低,竞争激烈。

机器人三大核心零部件中, 减速器系统占比约为30%~40%,伺服系统约为20%~30%,控制器系统约为10%~15%。核心零部件一直是限制机器人产业发展的桎梏,从目前的情况来看,国产企业开始向该领域进军,近些年来诞生了一批真正拥有自主产业的企业。

一、减速机

减速机安装在机器人的关节,用来精确控制机器人动作,传输更大的力矩。减速机主要分为rv减速机和谐波减速机。rv减速机主要应用于负载较大的关节上,谐波减速机主要配置与负载较低的关节。一台工业机器人一般会配置多个减速器。减速器在工业机器人三大零部件中技术难度最大,行业高度垄断。

rv减速器需要承受大负载且需保证高精度,因此其技术难点主要集中在工业和装配方面:一是精密加工及装配技术。rv减速器的减速比较高,对特殊部件和紧密装配技术有很高要求。二是材料成型技术。rv减速齿轮需具有耐磨性和高刚性,对于材料化学元素控制、表面热处理方面难度较大。

谐波减速器主要由波发生器、柔轮、刚轮组成。工作原理在于依靠波发生器使柔轮产生可控弹性变形,而柔轮比钢轮少n个齿轮位。因此,当波发生器转一圈,柔轮移动n个齿轮位,产生所谓的错齿运动,从而实现了主动波发生器与柔轮的运动传递。谐波减速器是通过柔轮的弹性变形来实现传动,其优势是传动比大、零部件数目少;其缺点是弹性变形回差大,这就不可避免地会影响机器人的动态特性抗冲击能力等。

目前减速器的主要供应商是日本的纳博(nabtesco) 和哈默纳科(harmonicdrive),占全球市场75%市场份额。日本纳博具备全系列产品,应用广泛。abb、发那科(fanuc)、库卡(kuka)、安川等国际主流机器人厂商的减速器均由纳博和哈默纳科提供。

谐波减速器对技术要求较低,我国苏州绿的和中技克美已经实现量产且应用于国产机器人,国产谐波减速器减速比范围与日本哈默纳科相当,但在输出扭矩、平均寿命上仍与国外产品有一定差距。rv减速器要求精度较高,要求承载的负载较大。目前我国南通振康、中大力德、双环传动已实现量产,与国外rv减速器输出扭矩范围相当,但传动精度、扭转刚度方面不足,工艺水平仍与国外产品有差距。

二、 伺服电机

工业机器人伺服系统由伺服电机、伺服驱动器、伺服编码器组成,主要用于驱动机器人的关节,工业机器人的每个关节都需要一个伺服电机,用来控制速度与转矩控制以及进行精确、快速、稳定的位置控制。

伺服驱动器是通过速度环、位置环、电流环分别对伺服电机的转速、位置、转矩进行相应控制,实现高精度的传动系统定位。伺服编码器是安装在伺服电机末端用来测量转角及转速的一种传感器, 目前自控领域常用的是光电编码器和磁电编码器。作为伺服系统的信号反馈装置,编码器很大程度上决定了伺服系统的精度。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。

伺服电机广泛用于各类高端机械设备,用于机器人的伺服电机仅占行业9%。因此很多机器人伺服电机生产厂商多是原先提供其他领域的伺服电机厂商。但由于机器人特殊性,对伺服电机的快速响应性、高启动转矩、调速范围宽要求更高, 并且为了适应机器人还要更轻量化。

目前, 日系和欧美占据伺服电机80%市场份额,我国自主品牌近些年来开始逐渐代替进口,如汇川技术和埃斯顿。

三、 控制器

控制器主要负责发布和传递动作指令,控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹,操作顺序及动作时间等。

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。

软件方面,又分为上位机pc部分和下位机运动控制部分。其中,上位机模块主要功能是对系统的可调参数进行设置,对机器人的正、逆运动学建模求解, 并把运动控制卡与控制程序在逻辑上连接起来。下位机模块由主控程序、运动程序和通讯程序构成,实现高速伺服插补运算、伺服运动控制。

由于控制器要求算法和机器人本体相匹配,因此国际较大型机器人本体厂商都自己生产控制器,工业机器人“四大家族”所生产控制器的市场占有率与本体行业相似,而国内本体厂商大多还不具备自己生产研发控制器的能力,大多采用外部采购控制器的方式。

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