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日本機器人全球（qiú）領先來自這三（sān）大頂尖技術（shù）

2021-5-14 來源：- 作者：-

　　日本尖端技術之一：機器人精密減（jiǎn）速機

　　世界上工業（yè）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（dàn）國（guó）產機器人企業卻鮮有選（xuǎn）用的，原因是日本精密減速機技術遙遙領先，短期（qī）很難替代，因（yīn）此，中國市場的減速機普遍依賴進口，尤其是日本進口。

　　世界製造（zào）業強國日本（běn），德國、意大利等國家的減速機無（wú）論在產（chǎn）品、材（cái）料、設計水平、質量控製、精度、功率密度、還是可靠性及使（shǐ）用壽命等方麵依（yī）然處（chù）於全球（qiú）領先地位。

　　什麽是減速機？在機（jī）械傳動領域，減速機（jī）是連接動（dòng）力源和（hé）執行機構之間的（de）中間（jiān）裝置（zhì），一般把電動機、內燃機等高速運轉的動力通過輸入軸（zhóu）上的小齒輪齧合輸出軸上的（de）大（dà）齒輪來達到減速的目的，並傳遞更大的轉矩。

　　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（dà）、噪聲低（dī）、傳動平穩的高性能精密減速機需求量不斷增長，其中（zhōng），RV減速機和諧波減速機更是精密減速機中兩種十分重（chóng）要的減速機。

　　所謂（wèi）精密（mì）減（jiǎn）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，並獲得較大轉矩的（de）裝置。精密減速機是一種相對精密（mì）的機械，采用它的目的（de）是降低轉速，增加轉矩。精密（mì）減速機根據精度可分為標準精度和高精度（dù）；根據用途可分為軍用和民用；根據運行的（de）環境可分為標準環境、低溫環境、清潔室環（huán）境和真空環境。

　　全球能夠提供規模化且性能可靠的（de）精密減速機生（shēng）產企業十分（fèn）有限，絕大多數精密減速（sù）機市場份（fèn）額都被日本企業霸占：比（bǐ）如全球最大的精密擺線針輪減速機製造商日本Nabtesco的RV減速（sù）機約占全球（qiú）市場份額（é）的（de）60%（Nabtesco納博特斯克株式會（huì）社（shè）是（shì）全球最頂尖的機器人零部件企業）；Nabtesco具（jù）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（jī）尤其在（zài）機器人領域的應用比例，屬於壓倒性（xìng）的，幾乎沒什麽對手。

　　Nabtesco(納博特斯克)是由日本帝人精機和納博克(1956年生（shēng）產了日本第一個自動門)這兩家（jiā）日本公司強強合並組成。帝人精機和納博克是全球運動（dòng）控製係（xì）統和零部件的生產商，這兩家公司幾乎（hū）把控了高端核心技術，控製著（zhe）全球絕（jué）大多數市場份額。

　　日本（běn）Harmonic (簡稱HDSI)是整體運動控製的領軍企業，其生產的（de）Harmonic Drive組合（hé）型諧波減速機（jī），具有輕量小型、無齒輪間隙、高轉矩容量等特點，被廣泛應用於工業機器人、仿人（rén）機器人、半導體（tǐ）液晶生產裝置、光伏設備、光學儀器、精（jīng）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（sù）機Harmonic Planetary。其獨特的內齒圈形變工藝（yì），能夠讓行星齒輪與其齧合得更緊、可以消除背隙，甚（shèn）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（dàn）性變形，並與剛（gāng）性齒輪相齧合，從頭傳（chuán）遞運動（dòng）和動（dòng）力的齒輪傳動係統。

　　日本的精密減速機成為（wéi）精密機械工業（yè）的一個巔峰，事實上，進入減速機的技術門檻極高，特別是RV減速機裏麵，完全（quán）由高（gāo）精度的元件，齒（chǐ）輪（lún）相互（hù）齧合，特別是對材料科學，精密加工裝備，加工精度（dù），裝配技術，高精度檢測技術提出了極高的技術要求。

　　國（guó）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（ér）不知其所以然（rán），雖然國內有部分企（qǐ）業在技術水平上獲得了重（chóng）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（zài）許多研發難點，還有就是品質及（jí）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（yī）致性上較差，產品之間可複製性也是很低的。

　　值得一提的是，加（jiā）工製（zhì）造精密減速機零（líng）部件的設備都十分昂貴，比如（rú）美蓋勒平麵磨床，價值近千萬元人民（mín）幣，因此，在缺乏大（dà）規模產量前提之下，設備攤銷（xiāo）後（hòu）的成本（běn）十（shí）分驚人。

　　全球目前應用於機器人領域的減速機主要有兩種，一種（zhǒng）是RV減速機，另（lìng）一種是諧波減速機。而（ér）在關節型機器人當中，由於RV減速機具（jù）有更高的剛度和回轉精度，因此，一般將（jiāng）RV減速機使用在機座、大（dà）臂、肩部等重負載的位置，而將諧波減速機使用在小（xiǎo）臂、腕部或手部。

　　日本在高精度機器人減（jiǎn）速機（jī）上具備全球絕對領先優勢，全球機器人（rén）行業75%的精密減速機被日本的Nabtesco和HarmonicDrive兩（liǎng）家壟斷(業界俗稱RV減速機和諧波減（jiǎn）速機)，其中包括著名的（de）機器人公司abb、fanuc、kuka、發那（nà）科（kē）、安川等世界主流機器人廠商的減速機也均由（yóu）上述兩家公司提供。

　　機器（qì）人中的核心（xīn）零部件，一直限製著中國機器人的快速（sù）發展，尤其（qí）是若形（xíng）成機器（qì）人產業化（huà），擺脫發達國家機器人技術的掣肘，在機器人領域獲（huò）得自主技術，需加大力度研發（fā）及追趕。

　　工業機器人（rén）之所以能夠靈活（huó）動作及（jí）運轉主要依賴於兩大技術——電機技術和人工智能技術，而日本在這兩個領（lǐng）域仍然十（shí）分（fèn）先進。

　　尖端技（jì）術之二：日本機器人中的電機技術

　　日本的電機製造廠商把控著全（quán）球高端技術，在全（quán）球電機市場上占據十分（fèn）重要（yào）地位，日本電機幾乎都處於市場的（de）最高端地位，並且擁有全球行業（yè）最頂尖（jiān）的技術和產品。日（rì）本（běn）最（zuì）主（zhǔ）要的處於全球領先的五（wǔ）家電機企（qǐ）業是：日本電產（chǎn）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（zhū）式會（huì）社和（hé）日本美蓓亞集團。

　　值得一提的是，日本這五大（dà）電機企業的營業收入規模都突（tū）破了1000億日元。在五大日本電（diàn）機企業之中，其營收規模和營業利潤最高的是日（rì）本（běn）電裝株式會社，在統計的12個月期間，其營收規模一（yī）度達到了53562.17億日元，營（yíng）業利潤為（wéi）2978.37億日元。而毛利（lì）率和淨利率最高的是營收規模最小的萬（wàn）寶至馬達株式（shì）會社，其毛利率高達30.70%，淨利率接近（jìn）10%。

　　在CNPP 世界電機排行榜上，三菱電機、安（ān）川電機、鬆下電機、ABB、西門子，前五名日本占據三席。

　　日本（běn）電產（chǎn）從2010年開始其精密小型電機就在全球（qiú）一枝獨秀，特別是（shì）2016年其車載電機規模開始擴大，到了2020年，日（rì）本電產花開三蒂(精密小電機、車載（zǎi）及家電、工商業用（yòng）電機)，因此，可以說日本電產將電（diàn）機武裝到牙齒，保持霸（bà）氣淩人的態（tài）勢。

　　日本電產有（yǒu）一個目標，從車載小電機，向驅動電機、自動駕駛用（yòng）電機（jī）升級後，車載電機事業到2020年能夠實現與精密小型（xíng）電機相當的銷售額(6,000億日（rì）元)。在新收（shōu）購及並（bìng）購作用下，車載電（diàn）機事業將挑戰1萬億日元銷售額。

　　日本電產（chǎn）董事長（zhǎng）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（yào）力爭第一的企業！日本（běn）要成為全球領先的（de）電機供應商，除了必須有咬（yǎo）著牙建（jiàn）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（xī）的認識。

　　在日本機器人電機（jī）製造方麵。由於（yú）類人行（háng）走、類人（rén）運動是機器人最大的技術特點（diǎn）。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，日本的村田製作（zuò）所（suǒ）的“村田頑童”能夠在一條5公分寬（kuān）的軌道上騎車，並且在平地上能（néng）夠做到四處闖蕩（dàng）。

　　因此，讓機器（qì）人動起來（lái）最根本的因素在於機器（qì）人驅動裝置——電機。

　　比如生產“草蛇”機器人（rén）的（de）日立，剛開始其實就是（shì）生產電機起家的。日立公司的創始人1910年就（jiù）生產出（chū）了具有5匹馬力的電機，正是因為成功生產出了這台電機，才使得日（rì）立擁有辦企（qǐ）業的極大信心。

　　日立在此後的各種世界級展覽會上，每次必然會把自己1910年這台（tái）很笨重的電機拿（ná）出來，告訴看展（zhǎn）覽的人（rén），自己是一家電機生產企業。事實上，今（jīn）天的日立能夠生產（chǎn）的各種各樣電機，不僅生產發電站引擎（qíng）的中大型電機（jī），同（tóng）時也有小型的（de）微型產品。因此，日立的豐富的電機產（chǎn）品，使得其生產起機（jī）器人來，它（tā）的驅（qū）動裝置就有了（le）重要保證。

　　除日立外，日本能夠生（shēng）產機器（qì）人（rén）的企業很多，霸氣（qì）都有極強的電機研（yán）發及（jí）製造實力。比如著名的日（rì）本安川電機本來也是電機（jī）的專業廠家。早在1977年，安川電機公司就研（yán）製出了日本第一（yī）台全電動的工業用機器人——“莫托曼（màn）”1號。

　　日本在（zài）機器人方麵，其（qí）幾個機器（qì）人巨（jù）頭日立、安（ān）川電機、發那科等已經形成了一（yī）個機器人發展矩陣（zhèn），幾乎能提供工業生產上的所有自（zì）動（dòng）化機（jī）器（qì）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，可以這麽說，沒有強大的電機製造能力，就無法在在機器人製造領域搶占先機。

　　尖端技術之三：日本機器人中的控製器

　　在世界上，日本安川電機製造的的機器人非常牛，日本安川電機被譽（yù）為全球（qiú）機器人四大家族之一。事實上，安（ān）川電機厲害不（bú）僅僅是它的機器（qì）人，最厲害是他們家的（de）控製器。

　　日（rì）本安川擁（yōng）有世界上十分先進的、同步掃描速度極高的機器控製器－MP3300。所（suǒ）謂機器（qì）控（kòng）製器MP3300，是安川電機MP2000係列的後續機型，是（shì）業界同步掃描速（sù）度更高的機器控製器。它是通過和AC伺服（fú）Σ-7係列組（zǔ）合，向客戶的設備（bèi）提供係統方案，

　　安川的MP3300有哪些突出特點（diǎn）呢？在性能方麵，安川控製器實現了高速、高精度的運算和應用程序處（chù）理,並擴充了程序容量。同時,可與（yǔ）支持開放式運動網絡MECHATROlink-III的（de）伺（sì）服、變頻器進行高速（sù）同步通信,提高了裝置的生產效率（lǜ）與性能。支持雙精度實數型、64bit整（zhěng）數型數據,可減少運（yùn）算時的近似值誤差,從而進行更高精度的控製。

　　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（xì）的運動控製實現了高速（sù）、高精度通信。

　　安川控製器最多可控製16軸，在同一回路下MP3300最多可控製21站(伺服最多為16軸)運動係統。在擴展係統時,也可通過選購模塊構（gòu）建靈活的係統。

　　在操作上，安川能夠自動識別選購模塊或連接到運動網（wǎng）絡MECHATROlink上（shàng）的伺服單元、I/O 設備,並自動完成（chéng）設定（dìng）。

　　安川縮短多軸的伺服調整時間，無需打開各軸的（de）調整畫麵即可在1個（gè）畫麵（miàn）上進行（háng）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製係統構（gòu）建負擔，尤其是不依賴於PLC類型即可實（shí）現對驅動係統的標準（zhǔn）化。

　　安川最厲害的地方是：能夠在非常嚴酷環境下（xià）使用（yòng）。安川控製器擴大了使用環境溫（wēn）度範圍 0°C+60°C (超過+55°C時,櫃內需要安裝冷卻風扇)。據數據顯示，全球麵積最大的沙漠——撒哈拉大沙漠的最高溫度才57.7攝氏度（dù），說白了，安川（chuān）電機的這款機器控製器扔到沙漠上仍（réng）然可以正常使用！日本人（rén）把極限溫度提高到（dào）了60度，其工匠精神十（shí）分了得！

　　綜上所述，發展工業機器人必（bì）須突破（pò）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（jù），其中最突出的原因就是精密減速器（qì）、伺服電機（jī）、控製器等核心（xīn）零部件上嚴重依賴進口，讓國產品牌機器人成本相比（bǐ）國（guó）外（wài）品（pǐn）牌機器人並優勢（shì）。

　　需要提（tí）醒的是，國產機器人曾一直遊走在（zài）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（lián）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（jìn）管自動化技術改造給工業（yè）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“受製於人（rén）”。

　　全球機器人產業鏈可劃分成上中下三個層（céng）次：上遊是核心零部件，主要是減速機和控製（zhì）係統，相當於（yú）機器人的“大腦”；中遊是機（jī）器人本體，就（jiù）是機器人的“身體（tǐ）”；下遊（yóu）則是係統集成商，並且依賴（lài）上遊（yóu）和（hé）中遊的核心（xīn）設備做集成品。

　　在全球機器人市場（chǎng），日本安川電機（jī）公司和（hé）發那科公司曾分別以5823項4512項專利（lì）申請位居全球前兩位（wèi），歐洲ABB有2231項、韓國三星（xīng）2016項、日本日立1907項（xiàng）。這個數據對於工業機器人產業而言，急需我們在技術和產（chǎn）品上進行優化升級（jí）。

　　工業（yè）機器人三大核心（xīn）零部件：控製器、伺服電（diàn）機、減速機是製約中（zhōng）國機器人產業的主要瓶頸（jǐng），並且占到機器人成本的70%。

　　控製（zhì）器是機（jī）器人的大腦，作（zuò）用是（shì）發布（bù）和傳遞動作指令。其中包括硬件和軟件兩部分：硬件是工業控製（zhì）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（wò）；而軟件部分主要是控製算法、二次開發等，國產品牌特別在穩（wěn）定性、響應速度、易用性（xìng）等還存在一定差距。

　　控製器由於是“神經中樞（shū）”，世界上成熟的機器人廠商（shāng）一般自行開發控製器，目的是保證穩定（dìng）性和維（wéi）護自（zì）己的技術體係。因此（cǐ），在控製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（bèi）福、貝加萊這樣提（tí）供（gòng）控製器底層平台的廠商。

　　伺服電機方麵競爭十（shí）分（fèn）激烈，但外資始終掌握著話語權，尤（yóu）其是日本的（de）品牌獨樹一幟。伺（sì）服電機在機器（qì）人中屬於執行單（dān）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（jìn）、交流和直流，機器人行業應用最多的是交流伺服（fú），大（dà）約占65%。

　　伺（sì）服係統外資品牌占據著壟斷性優勢。日係品牌憑借良好的產（chǎn）品性能與極具競（jìng）爭力的價格壟斷了全球中小型OEM(設備製造業)市場。比如在2014年，伺服係統市場（chǎng）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（nài）德等（děng）歐係品牌同樣占據著高端市場，市場份額也在30%左（zuǒ）右。國內企業份額低於10%左右。

　　控製器和伺服係統關（guān）聯十分緊密，客戶選擇（zé）產品的排序分別是：可靠（kào）穩定（dìng）性、價格、服務。

　　減速機方麵，，上麵介紹得很多了。機器人減（jiǎn）速機市（shì）場屬於高度壟斷，在（zài）普及期的國產（chǎn）減速機短（duǎn）期內無法（fǎ）實現全麵進口替代（dài）。減速機是用（yòng）來精確控製（zhì）機器人動作，傳輸更大的力矩。減速（sù）機分為兩種（zhǒng）：一（yī）是安（ān）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（sù）機。上麵說過，RV減速機被日本納博特斯（sī）克完全壟斷，諧波減速（sù）機被日本哈默納科完全壟斷。

　　RV減速機有（yǒu）一個最核心的難點，就在於基礎（chǔ）工業和工（gōng）藝。因為RV減速機（jī）是純機械的精密（mì）部件，在材（cái）料上、熱處理工藝上和高精度加工（gōng）機床上是缺一不可（kě）的。我們尤其在這幾個方麵長期落後發達國家，並非單靠某（mǒu）個企業所能徹底解決。減速機需（xū）要（yào）將200多個零部件組合在一起，精度要求（qiú）十分苛刻，特別是在（zài）零部件之間（jiān）的公（gōng）差匹配上（shàng），需要長（zhǎng）期的經驗積累。

　　從國際減速機上來（lái）看，日係（xì）減（jiǎn）速器的知名度無疑是最（zuì）高的（de），日本除卻排名分列一二的哈默納科和納博（bó）特斯克之外，日本還有住友、新寶等著名品牌，在世界（jiè）上同（tóng）樣十分受歡迎。

　　國內的斯瑞恩機電總經（jīng）理曾說過（guò），在諧波減（jiǎn）速器的鋼齒輪加工工藝上，日本的哈默納科（kē）已經做到了一分鍾（zhōng）(加工)兩個工件，而國內目（mù）前很多還在采用（yòng）傳統的插齒（chǐ）工藝（yì），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（hé）展成法，每分鍾可以加工兩（liǎng）至三件產品，而（ér）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（sān）大核心零部件若（ruò）從根本上突破，需要（yào）付出更多的時（shí）間耐心及資金投入，特別是減（jiǎn）速機的研發及投入，當然（rán），我們的工業機（jī）器人技術人才也很稀缺（quē），這（zhè）一點（diǎn）值得改變。

　　日本的工業機器人水平已處於“遠距作業型（xíng）”和“智能型”這一階段（duàn），因（yīn）為早在上個世紀90年代的時候，日本就已普及了“順（shùn）序型”和“沿軌跡作業型”機器人。日本下一（yī）代的機器人發展方向是：低成本、高速化、可（kě）靠性、網絡化、視覺和觸覺、高精度化等（děng）方麵。

　　世界上（shàng），隨著勞動力（lì）成（chéng）本（běn）的上漲及社會老齡化（huà）問題的加大，世界各國都展開了工（gōng）業機器人的研究，目的是通過（guò）利用工業（yè）機（jī）器人來替代（dài）勞力。據不完全（quán）統計，一個工業機（jī）器人（rén）差不多等價於10個勞動力的標準。

　　據（jù）悉，早（zǎo）在2007年，日本就出台了一份計劃，準備在2050年之前，將工業機（jī）器人（rén）的產業規（guī）模，擴大（dà）到1.4兆日元，擁有（yǒu）百萬工業機器人的計（jì）劃。假如按照一個工業機器人等價於10個勞動力，而100萬個工業機器人，則相當於1000萬個勞動力，並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（rén），數量上完全可以滿足日（rì）本的國（guó）內經濟需求了。

　　丹麥首都哥本哈根1990年曾經（jīng）召開了一次工業機器人（rén）國際標準大會，並通過了一個文件，將工業機器人分為了四大種類（lèi）。這四大（dà）種類分別是：一是順序型。這（zhè）種類型的工業機器人，就是擁有規定程序動作控製的係統。二是沿軌跡作業型。這種類型的工業機器人，可以執行某種（zhǒng）移動作業，如焊接和噴漆等較為複雜的工作。三是（shì）遠距作業（yè）型。這種類型的工業機器人（rén），可以進（jìn）行遠距離操（cāo）控（kòng），是未來工業機器人，比如可在月球上（shàng）自動（dòng）工作的機器人。四是智能型。這（zhè）種類型（xíng）的（de）工業機器人具有感（gǎn）知、適應及思維和人機通信機能（néng），事實上，這種機器人已脫離了（le）“機器”的範疇，甚至達到了“人”的範疇。

　　人類利用工業機器人進行（háng）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（qì）人就已經成為了自動化裝備的主流，及（jí）未（wèi）來（lái）的發展方向。國外（wài）的許多汽車行業（yè）、工程機械和電子電器（qì）行業等，已使用了大（dà）量（liàng）的工業機器（qì）人疊加（jiā）自（zì）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（yǐ）經有幾十年了，因此，工業（yè）機器人是提高全社會生產效率，推動工（gōng）業發展的未來方向。

　　與日本相比，我（wǒ）國機器人產（chǎn）業加快機（jī）器人核心及關鍵技術的（de）自主創新。特別是（shì）產學研結合，強化機器（qì）人共性關（guān）鍵技術研（yán）究，加強高端機器人技術攻關，最終實現（xiàn）核心零部件、控製應用係（xì）統和製（zhì）造工（gōng）藝等（děng）關鍵環（huán）節的技術突破，全麵提升我國機（jī）器人產（chǎn）品在國際間的競爭力。相信，未來中國的機器人必（bì）然（rán）實現大的（de）超越及領先。

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