培育机器人制造单项冠军
时间: 2016-11-09 来源:千人杂志
提要:近年来,凭借强劲的市场需求、政府的力推以及资本的热捧,我国机器人产业获得了爆发式增长。

培育机器人制造单项冠军

 

——专访国家“千人计划”专家杨桂林

/本刊记者饶粲

近年来,凭借强劲的市场需求、政府的力推以及资本的热捧,我国机器人产业获得了爆发式增长。截止2015年12月底,国内机器人企业数量达到1026家,机器人园区超过40个。而据OFweek统计,2015年中国工业机器人系统集成市场规模达到357亿元,同比增长11.2%。作为实现智能制造的核心装备,机器人的爆发成为推进我国制造业转型升级的“加速器”。然而遗憾的是,该“加速器”的核心零部件仍严重依赖进口。2015年,机器人制造中约有75%的精密减速机,80%的伺服电机和驱动器来源于国外企业,而这几大关键零部件就占到机器人成本的70%,机器人产业在零部件制造领域亟待突破。

今年4月,工信部推出《制造业单项冠军企业培育提升专项行动实施方案》(以下简称《方案》),要求培育“某些特定细分产品市场,生产技术或工艺国际领先,单项产品市场占有率位居全球前列的企业”。对于该《方案》,国家“千人计划”专家,中科院宁波工业技术研究院先进制造技术研究所所长杨桂林认为:“方案既吸收了德国、日本等国的成功经验,又符合我国产业发展的实际情况。积极培育机器人产业的单项冠军,对于早日完善我国机器人产业链中的薄弱环节,提升我国机器人产品的国际竞争力将具有决定性的作用。”

而与传统制造业不同,机器人制造属于高端制造领域,其生产技术具有难度高、跨度大和范围广的特点,因而在《方案》的实施过程中必然与传统制造有所区别。杨桂林指出:“培育机器人制造单项冠军须加强顶层设计,针对关键零部件生产企业进行重点扶持,加大人才培养、技术研发和高端装备的投入力度,尤其应提前布局制造服务和社会服务机器人等前端领域,以抢占发展先机。”

攻克核心零部件难题

据统计,我国机器人企业90%以上集中在系统集成领域,由于在伺服电机、减速机等核心零部件上受制于人,加之高端产品缺乏,我国机器人产业由高端制造沦为低端“装配行业”。究其原因,杨桂林认为主要是由于“我国机器人产业的制造基础薄弱,尤其缺乏精密加工装备、先进制造工艺、质量检测及保证手段,致使机器人基础及关键零部件的精度、可靠性和使用寿命都不如国外产品。此外,在高性能电力电子元器件、控制芯片等方面缺乏工业基础,也加深了我国机器人产业的对外依存度。”当前,培育领先的零部件制造企业是解决我国机器人产业低端化的关键。

谈及如何提升我国机器人零部件制造,杨桂林进一步指出:“我国零部件制造在技术原理上并不落后,关键的瓶颈在于基础原材料、先进加工工艺以及质量管理。此外,我国缺乏应用型人才,尤其缺少既懂理论又懂工艺的技术人才。造成这种现象的主要原因是我国的人才培养体系过于强调理论和技术原理,而忽视对加工工艺及实际操作技能的培训。因此,培育零部件制造单项冠军企业,首要是汇聚一批具有工业经验同时又了解市场的高水平师资队伍,以他们为基础再培养一支掌握高新技术同时兼具工匠精神的人才队伍。”

伺服电机与驱动

伺服电机与驱动器是机器人的动力来源,我国使用的产品主要来自日本及欧美企业。国内的伺服电机同国外先进产品相比,主要存在功率密度小、力矩波动大、动态响应慢、可靠性差等缺点。而要缩小这些差距,杨桂林认为:“要研发和使用高性能的磁性材料,其中包括高磁能积、高温度系数的永磁材料和高磁导率、高磁饱和密度、低损耗的非晶软磁材料;要进一步优化电机的拓扑结构、齿槽形状、极槽配合等;要改进电机的制造工艺,譬如定子的拼接工艺、高槽满率的绕线嵌线工艺、真空浸漆灌胶工艺等。此外我们还要加强电机的测试技术,尤其是可靠性和寿命测试,制定相应的标准和规范。”

而在驱动技术方面,当前我国伺服电机驱动器虽已有了长足的进步,但仍然存在着精度和控制带宽低、自适应能力差、动态响应慢等缺点。目前,国外驱动器中的逆变器、驱动电路等逐渐朝着高度集成化、模块化、芯片化的方向发展,很大程度提高了驱动器的可靠性与动态性能,而我国在电子功率集成模块和驱动控制芯片的设计与制造上与国外相比有较大差距。未来需要重点研发高性能磁性材料、高功率密度电机的设计及制造工艺、高性能伺服驱动器的设计制造等关键技术。

精密减速机

减速机是连接动力源和执行机构的中间传动装置,通过高效、大传动比的减速增扭传动实现机器人的精密运动,主要影响机器人的操作精度和驱动效率。我国机器人制造中的精密减速机主要从日本进口,供应商主要是哈默纳科、纳博特斯克和住友公司等。制造精密减速机的关键技术主要在于精密齿轮的加工工艺与装备以及精密装配技术,我国企业的产品与国际巨头产品的主要差距在于:生产工艺与装备落后,造成零部件加工与装配精度低,精度保持能力差,承载能力小,效率低、噪声大。论及如何提升我国精密减速机的竞争力,杨桂林提出了几点建议:“首先,要加大精密制造装备(如精密磨床)投入,提升加工能力;其次,要开展精密制造工艺的研究,保证加工精度与质量;第三,提高减速机检测能力,推进产品质量体系建设。”

抢占发展先机

破除核心零部件的瓶颈是当前我国机器人产业的当务之急,然而立足于培育单项冠军的长远之计,仅仅只是追赶国外是远远不够的。现阶段,机器人主要在结构化或半结构化环境下替代人工进行自动化生产,对机器人的性能要求也主要是运动控制精度、承载能力、可靠性和对环境的适应性,因此除了对一些感知技术,如视觉、力觉传感器有更高的要求以外,对其它零配件的制造与当前机器人的产业需求没有太大区别。然而,随着制造业的生产模式从大批量生产转向用户定制,柔性自动化生产技术必将成为新趋势,而模块化可重构机器人,以及本质安全的轻量化与人协作机器人将得到快速发展。与之相适应,机器人零配件制造也将发生转变,如驱控一体化的机器人关节模块及各类末端执行器模块的设计制造,高力矩密度伺服电机设计制造,柔顺运动控制器设计制造等将变得越来越重要。因而,培育未来的单项冠军企业除了解决眼前的危机,更需要站在未来的角度超前布局,抢占发展的先机。

提前布局制造、社会服务机器人,走模块化可重构生产之路

制造服务作为先进制造业主要发展方向之一,其产业规模将迅速扩大,而用于制造服务业的机器人如仓储物流机器人、检测维修机器人等基本是在一个半结构化或是非结构化的环境下进行大范围工作的移动机器人和移动操作机器人。这类机器人除了传统的巡线(如磁条、光带等)移动功能,更重要的是要具有准确的自主定位、地图构建及导航功能。因此,我国急需研发面向室内自主定位导航的低成本、高精度传感器以及集成传感器和算法的定位导航模块。此外,适用于室内狭小空间的全向移动平台将在制造服务业得到广泛的应用,其核心零部件驱动轮(如Mecanum轮和主动万向脚轮)模块的设计制造势必成为一个新的产业化热点。

而未来,机器人的最大市场必然是社会服务业。虽然用于社会服务的机器人种类繁多,但基本上是在非结构化的环境下为人们提供服务,其本质特征是与人共融,这就要求社会服务机器人要具有对非结构化环境,尤其是人类行为的感知、认知能力和安全的人机自然交互能力。因此,除了智能化的感知、认知与决策技术以外,其相关的零配件制造的重点是本质安全的驱动、机构与控制器,如变刚度驱动关节模块、刚-柔-软融合的执行机构以及基于视觉和触觉感知的柔顺运动控制器等。我国在社会服务机器人领域与国外的差距不大,又有庞大的内需市场,因此在服务机器人,尤其是在助老、助残机器人,医疗康复机器人等具有广阔的发展机遇。

提前布局制造、社会服务机器人产业,我国必须重视技术创新,加大对新技术、新产品的研发投入,才能从追赶变成并行甚至引领。杨桂林特别强调了他开展的模块化可重构机器人理论与技术研究,他指出:“模块化可重构目的是希望通过机器人关键软、硬件的模块化、标准化和系列化设计,克服当前工业机器人构型及产品种类都过于单一的局限。模块化机器人技术既可以提高机器人系统的适应性,也可以降低机器人制造与系统集成的难度,是未来制造业实现柔性化生产的一条有效途径。我们目前已经开发了一系列高度集成化的智能关节模块、模块化机器人构型设计及控制软件,相信相关技术落地后将能够开辟我国机器人产业发展的新方向。”

促进政、产、学、研高度融合

培育单项冠军企业,抢占发展先机,除了提前布局前端产业,还需将政、产、学、研多方力量融合起来。在推动我国机器人产业发展中,政府的扶持起到了关键的作用,没有政策的引导,机器人产业的发展难以获得如此速度。杨桂林认为:“从政策引导方面看,政府制定的一系列政策已经比较全面,但要推动我国的机器人产业的快速发展,仅靠宏观的规划和政策引导还不足够,更重要的是要制定解决国产机器人短板的具体措施。此外,国内机器人产业目前还不具备与国外品牌竞争的能力,大部分主机厂都不盈利,主要靠融资运行。因此,急需制定扶持国产机器人品牌以及激励制造业使用国产机器人的具体措施,否则我国机器人产业发展将重复汽车产业发展的老路,庞大的国内机器人市场将会被国外或是合资品牌占据。”

在直接的产业扶持之外,政府还应做好协调管理工作,促进产学研融合发展。在现有的产学研机制下,高校、科研机构研发的大多数科研成果的技术成熟度不高,无法直接进行产业化;其次,多数企业的技术研发能力不强,也难于对高校、科研机构的研究成果进行熟化和产业化开发,这就不可避免地造成科研成果与产业化的脱节。因此,要高效、快速地实现科研成果的产业化,首先要强化科技成果转化平台的建设,如由政府和企业出资建立产学研共同参与的专业化工程研究中心,实现产学研的有效衔接,为科技成果走向市场提供快速通道;其次,要解决科技成果转化的体制、机制障碍,从政策层面鼓励科学家离岗或兼职创业,同时要提高企业投资的积极性,使更多社会资金参与到科技成果转化中,为科技成果加速转化注入新动力。总之,杨桂林指出:“实现科研成果的快速转化是一项艰巨的任务,也没有统一的模式,只有解放思想,摆脱科技成果转化的体制机制束缚,才能构建以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的技术创新体系。”

结语

虽然我国机器人制造在关键零部件上受制于人的情况于短期内很难改变,但令人欣慰的是,随着近年来我国精密制造业的快速发展,精密减速机、伺服电机、驱动器等在性能、质量和可靠性等方面都有了长足的进展,涌现出了一批优秀的企业,这些企业将是我国培育机器人制造单项冠军的产业基础。杨桂林大胆预测:“我相信通过政府的产业扶持政策以及专项资金投入,有重点地培育一批骨干企业,提前布局产业前端领域,并强化技术人才(包括技师、技工)的培养和培训,我国机器人关键零部件企业在5-10年内有望赶上或超过发达国家。”

杨桂林,国家“千人计划”专家,中国科学院宁波工业技术研究院,先进制造技术研究所所长


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