工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈包括上游核心零部件、中游機(jī)器人本體和下游集成應(yīng)用三部分。上游是控制器、伺服電機(jī)、減速器、傳感器、末端執(zhí)行器等零部件的生產(chǎn)廠商，控制器、伺服電機(jī)和減速器是工業(yè)機(jī)器人三大核心零部件；中游是本體生產(chǎn)商，負(fù)責(zé)工業(yè)機(jī)器人本體的組裝和集成，即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括手臂、腕部等，部分機(jī)器人本體還包括行走結(jié)構(gòu)；下游是集成應(yīng)用商，負(fù)責(zé)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和用途對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行有針對(duì)性地系統(tǒng)集成和軟件二次開(kāi)發(fā)。
減速器
1、功能：減速器是工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)
精密減速器決定工業(yè)機(jī)器人的精度和負(fù)載。精密減速器是連接伺服電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的中間裝置，它負(fù)責(zé)把伺服電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力通過(guò)輸入軸上的小齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來(lái)達(dá)到減速的目的，并傳遞更大的轉(zhuǎn)矩。精密減速器是工業(yè)機(jī)器人最重要的零部件，工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的核心部件“關(guān)節(jié)”就是由它構(gòu)成，每個(gè)關(guān)節(jié)都要用到不同的減速器產(chǎn)品。工業(yè)機(jī)器人對(duì)減速器的精度、負(fù)載和壽命等要求極高，其技術(shù)壁壘是工業(yè)機(jī)器人核心零部件中最高的一個(gè)，是對(duì)工業(yè)機(jī)器人本體性能影響程度最高的核心零部件。
工業(yè)機(jī)器人常用減速器分為諧波減速器和RV 減速器兩種。諧波減速器是一種單級(jí)的齒輪減速器，由波發(fā)生器、柔輪和剛輪組成，其工作原理是由諧波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控的彈性變形，同時(shí)柔輪與剛輪嚙合負(fù)責(zé)傳遞動(dòng)力，以此達(dá)到減速的目的。諧波減速器具有運(yùn)動(dòng)精度高，傳動(dòng)比大、質(zhì)量小、體積小以及較小的傳動(dòng)慣量等優(yōu)點(diǎn)，常用于負(fù)載小的工業(yè)機(jī)器人或大型機(jī)器人的小臂、腕部或手部等輕負(fù)載位置。RV 減速器是一種兩級(jí)減速器，由一個(gè)行星減速器的前級(jí)和一個(gè)擺線針輪減速器的后級(jí)組成。它較機(jī)器人中常用的諧波減速器具有更高的耐疲勞強(qiáng)度、剛度和使用壽命，而且回差精度穩(wěn)定，因此多用于工業(yè)機(jī)器人的機(jī)座、大臂、肩部等重負(fù)載傳動(dòng)的位置。
2、減速器應(yīng)用領(lǐng)域及規(guī)模測(cè)算
隨著技術(shù)的日益成熟，精密減速器越來(lái)越體現(xiàn)出高精度、高鋼性、高負(fù)載、傳動(dòng)效率高、高速比、高壽命、低慣性、低振動(dòng)、低噪音、低溫升、結(jié)構(gòu)輕巧、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、航空航天、醫(yī)療器械、衛(wèi)浴陶瓷、新能源等諸多領(lǐng)域，展示出其廣闊的發(fā)展前景。
CRIA公布的數(shù)據(jù)顯示，2018 年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人總銷(xiāo)量為13.5 萬(wàn)臺(tái),其中按類(lèi)型劃分，多關(guān)節(jié)機(jī)器人、直角坐標(biāo)型、SCARA 機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人的銷(xiāo)量分別8.05、2、2.9、0.55萬(wàn)臺(tái)。一般情況下，一套六軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人需要4 套R(shí)V 減速器和2 套諧波減速器；一套SCARA 機(jī)器人包含4 套諧波減速器；一套直角坐標(biāo)機(jī)器人需要3 套R(shí)V 減速器和1 套諧波減速器；DELTA 機(jī)器人的電機(jī)安裝在固定基座上，需要1 套諧波減速器。以RV 減速器平均價(jià)格為0.6 萬(wàn)元，諧波減速器平均價(jià)格為0.3 萬(wàn)元作為假設(shè)，可以大致估算出我國(guó)近年來(lái)的工業(yè)機(jī)器人減速器市場(chǎng)規(guī)模，2018 年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人減速器市場(chǎng)為30.8 億元。
3、減速器市場(chǎng)格局：日本企業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位
精密減速器制造對(duì)材料、設(shè)備、工藝等多個(gè)環(huán)節(jié)都有嚴(yán)格要求，具有明顯的投資門(mén)檻高、技術(shù)難度大等特點(diǎn)，行業(yè)壁壘極高。也正因此，長(zhǎng)期以來(lái)全球工業(yè)機(jī)器人減速器市場(chǎng)一直呈現(xiàn)高度集中狀態(tài)。其中，日本納博特斯克是生產(chǎn)RV 減速器的世界巨頭，約占60%的全球減速器市場(chǎng)份額，在中/重負(fù)荷工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，其RV 減速器產(chǎn)品在全球RV 減速器市場(chǎng)占有率更是高達(dá)90%以上。哈默納科則在諧波減速器領(lǐng)域擁有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，約占15%的全球減速器市場(chǎng)份額。除此之外，以住友為代表的日系RV 減速器生產(chǎn)廠商以及以新寶為代表的日系諧波減速器生產(chǎn)廠商合計(jì)占全球減速器市場(chǎng)份額也高達(dá)10%以上，全球減速器市場(chǎng)呈現(xiàn)出以日本企業(yè)一派獨(dú)大的高度集中化局面。納博特斯克和哈默納科在減速器領(lǐng)域的壟斷地位給予兩者極強(qiáng)的議價(jià)能力，由于國(guó)際工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)巨頭很早就開(kāi)始了與這兩家企業(yè)的合作，而且采購(gòu)規(guī)模極大，所以機(jī)器人四大家族能以遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)廠商的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)其減速器產(chǎn)品。這對(duì)于性能上本就處于弱勢(shì)的國(guó)產(chǎn)機(jī)器人而言，無(wú)異于雪上加霜。
納博特斯克是日本綜合性的機(jī)械集團(tuán)，業(yè)務(wù)范圍包括組件解決方案（精密減速器、液壓機(jī)械、新能源設(shè)備）、運(yùn)輸解決方案、無(wú)障礙事業(yè)、其他等四大類(lèi)，其中精密減速器業(yè)務(wù)屬于其最大業(yè)務(wù)板塊，包括RV-N、RV-C 以及RV-E 等主要產(chǎn)品系列。納博特斯克減速器產(chǎn)品以高精度、高可靠、穩(wěn)定性著稱(chēng)，在RV 減速器領(lǐng)域全球市場(chǎng)占有率超過(guò)80%，公司的精密減速器客戶主要包括工業(yè)機(jī)器人和機(jī)床，其中工業(yè)機(jī)器人客戶覆蓋全球四大家族機(jī)器人企業(yè)以及各知名機(jī)器人廠商。機(jī)床客戶主要為日本的高精度機(jī)床企業(yè)，馬扎克 OKUMA 機(jī)床 德瑪吉森。納博特斯克擁有日本津工廠和中國(guó)常州兩個(gè)精密減速器生產(chǎn)基地，2017 年總產(chǎn)能達(dá)84 萬(wàn)臺(tái)，預(yù)計(jì)至2019 年達(dá)106 萬(wàn)臺(tái)，2020 年產(chǎn)能可增至120萬(wàn)臺(tái)。
哈默納科是世界上最早從事諧波傳動(dòng)及特種傳動(dòng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售的專(zhuān)業(yè)化公司，目前已成為全球最大諧波減速器供應(yīng)商。哈默納科專(zhuān)注于諧波減速器的研發(fā)、生產(chǎn)與銷(xiāo)售，其產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、航空航天、印刷機(jī)械、醫(yī)療機(jī)械、測(cè)量分析儀器、精密包裝機(jī)械等多種行業(yè)。在全球布局上，日本哈默納科在全球共設(shè)有三個(gè)分部，每個(gè)分部分別負(fù)責(zé)在全球不同區(qū)域的銷(xiāo)售市場(chǎng)，但各分部生產(chǎn)的諧波減速器具有很強(qiáng)的一致性。哈默納科在日本生產(chǎn)的諧波減速器只對(duì)亞洲地區(qū)銷(xiāo)售；哈默納科和納博特斯克在美國(guó)馬薩諸塞州成立的合資公司Harmonic Drive L.L.C 生產(chǎn)的諧波減速器只對(duì)美洲銷(xiāo)售；哈默納科在德國(guó)成立的Harmonic Drive Antriebstechnik GmbH公司(現(xiàn)Harmonic Drive AG 公司)生產(chǎn)的諧波減速器只對(duì)歐洲、中東、非洲、印度及南美地區(qū)銷(xiāo)售。哈默納科壟斷了全球機(jī)器人用諧波減速器市場(chǎng)約70%的份額，2018 年其產(chǎn)能接近180 萬(wàn)臺(tái)。目前幾乎所有的世界知名機(jī)器人廠商均采用其諧波減速器。
國(guó)內(nèi)減速器供應(yīng)商以外資品牌為主導(dǎo)。2018 年國(guó)產(chǎn)減速器出貨量占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額不足30%，而近70%以上的市場(chǎng)份額則由外資品牌占據(jù)，哈默納科和納博特斯克分別在諧波減速器和RV 減速器出貨量上穩(wěn)居國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額第一，在國(guó)內(nèi)減速器市場(chǎng)占有絕對(duì)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。國(guó)產(chǎn)品牌起步較晚，目前已有蘇州綠的等多家減速器廠商實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，市場(chǎng)接受度逐年提升。
蘇州綠的諧波傳動(dòng)科技有限公司是一家專(zhuān)業(yè)從事精密諧波傳動(dòng)裝置的研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)。公司自2003 年開(kāi)始從事機(jī)器人用精密諧波減速器研發(fā)，目前其諧波減速器產(chǎn)品在國(guó)產(chǎn)機(jī)器人諧波減速器市場(chǎng)的滲透率超過(guò)50%，在國(guó)產(chǎn)諧波減速器中居于首位，已擁有較好的品牌知名度和口碑，廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、人形機(jī)器人、機(jī)械設(shè)備、航空航天、通信設(shè)施等行業(yè)。其諧波減速器產(chǎn)品系列包括LCD、LCS、LCSG、LHD、LHS、LHSG 等，其產(chǎn)品在精度、壽命、穩(wěn)定性、噪音等方面均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，通過(guò)了3 家國(guó)外機(jī)器人制造企業(yè)2 萬(wàn)小時(shí)壽命的精度測(cè)試。蘇州綠的下游客戶近千家，包括新松機(jī)器人、埃夫特、新時(shí)達(dá)等國(guó)內(nèi)著名機(jī)器人生產(chǎn)商，產(chǎn)品已進(jìn)入ABB 供應(yīng)體系，形成了年產(chǎn)20 萬(wàn)臺(tái)的生產(chǎn)能力，2018 年出貨量超過(guò)12 萬(wàn)臺(tái)。
4、減速器國(guó)內(nèi)外差距與原因
諧波減速器方面，在基本性能指標(biāo)上，國(guó)產(chǎn)品牌與哈默納科相差無(wú)幾，部分指標(biāo)能夠超越世界先進(jìn)水平。RV 減速器方面，國(guó)內(nèi)廠商介入機(jī)器人RV 減速器市場(chǎng)的時(shí)間較短，技術(shù)少有突破，整體競(jìng)爭(zhēng)力均弱于國(guó)外品牌。在基本性能指標(biāo)上，國(guó)產(chǎn)減速器主要表現(xiàn)在空程與背隙、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以及扭轉(zhuǎn)剛度等指標(biāo)與國(guó)外產(chǎn)品差距明顯，這表明國(guó)產(chǎn)RV 減速器在扭轉(zhuǎn)力矩的作用下，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品工作精度與抗扭轉(zhuǎn)變形的能力要劣于世界先進(jìn)水平，即齒形設(shè)計(jì)以及負(fù)載能力有待加強(qiáng)。同時(shí)，國(guó)產(chǎn)RV 減速器產(chǎn)品物理壽命、穩(wěn)定性、以及發(fā)熱和噪音等隱性指標(biāo)也與納博特斯克差距甚遠(yuǎn)。納博特斯克RV 減速器產(chǎn)品的平均壽命一般可達(dá)10000 小時(shí)以上，在設(shè)定的工作壽命時(shí)間內(nèi)可嚴(yán)格保持精度和剛度不下降，而國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品均低于6000 小時(shí)，這是RV 減速器的重要差距之一。在產(chǎn)品噪音和發(fā)熱上，國(guó)產(chǎn)品牌的噪聲和發(fā)熱量明顯高于國(guó)外品牌。噪聲和發(fā)熱意味著減速器內(nèi)部存在齒輪嚙合不良，有超額摩擦磨損現(xiàn)象，即減速器不是在一種正常的工況下進(jìn)行工作，對(duì)減速器機(jī)械壽命將產(chǎn)生不良影響。
高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性、一致性好的精密減速器的生產(chǎn)出是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，設(shè)計(jì)、仿真、材料、精密加工、精密裝配、檢測(cè)等每個(gè)環(huán)節(jié)都有若干個(gè)因素對(duì)產(chǎn)品最終性能產(chǎn)生影響，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的一個(gè)因素處理不好，都會(huì)像木桶出現(xiàn)短板一樣，導(dǎo)致整體性能與先進(jìn)水平相差甚遠(yuǎn)。從設(shè)計(jì)上看，世界領(lǐng)先的減速器廠商如納博特斯克和哈默納科在其產(chǎn)品的齒形設(shè)計(jì)、傳動(dòng)機(jī)理方面已申請(qǐng)專(zhuān)利，其它廠商不得使用其專(zhuān)利產(chǎn)品類(lèi)似的齒形設(shè)計(jì)和傳動(dòng)機(jī)理，只能研發(fā)自有獨(dú)特的齒形設(shè)計(jì)和傳動(dòng)機(jī)理。兩家廠商的先發(fā)優(yōu)勢(shì)使得其占據(jù)特殊齒形設(shè)計(jì)的有利地位，而齒形設(shè)計(jì)及傳動(dòng)機(jī)理對(duì)精密減速器產(chǎn)品的工作精度、傳動(dòng)效率等性能至關(guān)重要，我國(guó)廠商作為后來(lái)者，避開(kāi)專(zhuān)利限制去設(shè)計(jì)性能同樣優(yōu)良的齒形面臨更高難度。