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自動化裝配的前景

工業機器人應用

首先要知道的是你的機器人要用於何處。這是你選擇需要購買的機器人種類時的首要條件。如果你只是要一個緊湊的拾取和放置機器人,Scara機器人是不錯的選擇。如果想快速放置小型物品,Delta機器人是最好的選擇。如果你想機器人在工人旁邊一起工作,你就應該選擇協作機器人。

本文主要的方向是工業機器人。這一類的機器人適用於非常多的應用,從材料搬運到機器維護,從焊接到切割。在今天,工業機器人製造商開發了適用於各種應用的機器人產品。你需要做的是確定你想要你的機器人幹什麼以及在種類眾多的機器人選擇合適的一款。

機器人負載

負載是指機器人在工作時能夠承受的最大載重。如果你需要將零件從一台機器處搬至另外一處,你需要將零件的重量和機器人抓手的重量計算在負載內。

自由度(軸數)

機器人軸的數量決定了其自由度。如果只是進行一些簡單的應用,例如在傳送帶之間拾取放置零件,那麼4軸的機器人就足夠了。如果機器人需要在一個狹小的空間內工作,而且機械臂需要扭曲反轉,6軸或者7軸的機器人是最好的選擇。軸的數量選擇通常取決於具體的應用。需要注意的是,軸數多一點並不只為靈活性。事實上,如果你在想把機器人還用於其它的應用,你可能需要更多的軸,「軸」到用時方恨少。不過軸多了的也有缺點,如果一個6軸的機器人你只需要其中的4軸,你還是得為剩下的那2個軸編程。

機器人製造商傾向於用稍微有區別的名字為軸或者關節命名。一般來說,最靠近機器人基座的關節為J1,接下來是J2,J3,J4以此類推,直到腕部。還有一些廠商像安川莫托曼則使用字母為軸命名。

最大運動範圍

在選擇機器人的時候,你需要了解機器人要到達的最大距離。選擇機器人不單要關注負載,還要關注其最大運動範圍。每一個公司都會給出機器人的運動範圍,你可以從中看出是否符合你應用的需要。最大垂直運動範圍是指機器人腕部能夠到達的最低點(通常低於機器人的基座)與最高點之間的範圍。最大水平運動範圍是指機器人腕部能水平到達的最遠點與機器人基座中心線的距離。你還需要參考最大動作範圍(用度表示)。這些規格不同的機器人區別很大,對某些特定的應用存在限制。

重複精度

這個參數的選擇也取決於應用。重複精度是機器人在完成每一個循環後,到達同一位置的精確度/差異度。通常來說,機器人可以達到0.5mm以內的精度,甚至更高。例如,如果機器人是用於製造電路板,你就需要一台超高重複精度的機器人。如果所從事的應用精度要求不高,那麼機器人的重複精度也可以不用那麼高。精度在2D視圖中通常用「±」表示。實際上,由於機器人並不是線性的,其可以在公差半徑內的任何位置。

速度

速度對於不同的用戶需求也不同。它取決於工作需要完成的時間。規格表上通常只是給出最大速度,機器人能提供的速度介於0和最大速度之間。其單位通常為度/秒。一些機器人製造商還給出了最大加速度

機器人重量

機器人重量對於設計機器人單元也是一個重要的參數。如果工業機器人需要安裝在定製的工作台甚至軌道上,你需要知道它的重量並設計相應的支撐。

制動和慣性力矩

機器人製造商一般都會給出制動系統的相關信息。一些機器人會給出所有軸的制動信息。為在工作空間內確定精準和可重複的位置,你需要足夠數量的制動。機器人特定部位的慣性力矩可以向製造商索取。這對於機器人的安全至關重要。同時還應該關注各軸的允許力矩。例如你的應用需要一定的力矩去完成時,就需要檢查該軸的允許力矩能否滿足要求。如果不能,機器人很可能會因為超負載而故障。

防護等級

這個也取決於機器人的應用時所需要的防護等級。機器人與食品相關的產品、實驗室儀器、醫療儀器一起工作或者處在易燃的環境中,其所需的防護等級各有不同。這是一個國際標準,需要區分實際應用所需的防護等級,或者按照當地的規範選擇。一些製造商會根據機器人工作的環境不同而為同型號的機器人提供不同的防護等級。

從20世紀60年代開始,西方國家就依靠技術進步開始對傳統工業進行改造,使工業得到飛速發展。全球化市場導致競爭空前激烈,促使企業必須加快新產品投放市場時間(time to market)、改善質量(quality)、降低成本(cost)以及完善服務體系(service)。自動化裝配技術在工業生產領域的地位日益重要。

有效的投資

通 常對於高質量、高性能和量身定做的裝配線設備來說,其成本也相對較高。但一些目光高遠的企業仍然會把這筆花銷當作是一種有效投資。在他們看來,優秀的設備 帶來的巨大收益回報是那些使用低性能、半自動設備所無法比擬的。一方面,自動化裝配設備可以幫助企業使其產值飛速攀升,不僅產品質量大大提高,而且還可以 滿足企業的大批量生產需求。另一方面自動化裝配設備可以為企業有效節約長遠投資成本。在一項客戶調查中顯示,大多數應用了博大高性能設備的客戶所節約的投 資成本都比預期的要多。

凡批量化、設計循環周期長的產品都適合使用自動化裝配設備,自動化裝配設備的成本投入也會給用戶帶來豐厚的利潤回報,其帶來的收益被稱作投資回報(ROI,Return On Investment)。如:減少裝配勞動力;節省工人管理成本;減少維護投入;減少返工成本;提高產品質量;節約子部件的處理步驟及存放空間所帶來的投入。大體上,循環壽命為5年以上的產品投資回報為35%。而使用投資回報為35%的裝配設備,3年即可收回設備的投入成本。

例如,一套裝配系統的裝配率為100件/min,年生產量為3500萬件,按每日3班輪倒的1周5個工作日計,每件產品可以節約0.1元的成本,則每年可節約成本350萬;若每件產品可以節約0.15元的成本,則每年可節約成本525萬。人工替代和產業升級兩大因素驅動我國工業機器人市場快速增長。本土工業機器人企業憑藉工程師紅利,將出現長達20年的黃金髮展期。預計我國工業機器人及系統市場空間超千億,本土企業有數十倍成長性。

我國工業機器人市場快速增長

第一個驅動力是機器代替人工。原因主要來自於兩個方面:其一是低端勞動力供給不足。80、90後已經成為目前勞動力市場的主力,相比60、70後,他們訴求較多,其中的顯著變化之一是越來越少的人願意從事工資低、單調重複繁重、環境差的工作,導致低端勞動力供給不足,每到歲末年初這種「民工荒」現象在沿海地區表現尤為明顯,用人單位越來越傾向於用機器人替代人工,從事這類工作。

其二是工業機器人替代人工經濟性不斷提升。

一方面,勞動力工資全面上漲。改革開放以來,我國城鎮就業人員年平均工資基本保持兩位數增速,到2010年已經超過5000美元,而且由於低端勞動力供給不足,近年來農民工工資漲幅比城鎮職工還要快。另一方面,機器人本體價格不斷下降。機器人價格下降不僅是國際趨勢,而且還因為主要國際巨頭紛紛在中國設組裝線,降低本體成本和價格。繼ABB之後,安川和庫卡也開始在中國建設組裝線,並於2013年投產,兩家在中國最終年產量將合計達11000台,相當於2011年我國工業機器人需求的近一半。川崎也在中國建組裝線。

上述兩項因素,導致工業機器人替代人工的經濟性不斷提升,工業機器人投資回收期越來越短,有的甚至兩年就可以回本。

第二個驅動力是產業升級。日韓等國經濟轉型過程中,經濟增速都出現大幅下降,日本GDP從1956-1973年年均複合增速9.22%下降到1974-1991年年均複合增速3.95%,產業結構也出現三個變化:一是傳統重化工製造業在經濟總量中的佔比逐漸萎縮,產業內重組與整合明顯加強;二是高附加值、技術密集型的新興產業規模迅速擴大,機械化、自動化及智能化設備的大規模普及導致企業生產效率和競爭力大幅提升;三是服務業佔比上升與消費升級並存。

反觀我國,目前經濟發展與日本70年代初類似,勞動力成本上升、能源緊張、資源匱乏、環境污染嚴重,適時調整經濟結構,大力發展知識和技術密集型產業、促進升級是我國經濟能否順利跨過中等收入陷阱的關鍵,而經濟結構轉型和產業升級需要大量的自動化成套設備相配套。

工程師紅利將延續20年

與其他行業一樣,我國機器人企業在與國外競爭時,拼的是價格和服務,但是我們認為這些只是表象。在核心零部件(減速機、伺服電機、控制器)受制於人、進口零部件價格不低於國外對手、進口零部件占本體生產的機器人本體原材料成本高達85%的情況下,追本溯源,之所以能有價格和服務方面的優勢,源於充裕的工程師供給以及較低的工程師價格,即工程師紅利。憑藉工程師紅利,在機器人系統集成領域,可以在應用軟體修改和售前售後服務方面具有明顯的成本優勢;在本體生產領域,可以在底層軟體修改、對底層軟體進行定製化服務以適應最終客戶和集成商要求方面具有明顯的成本優勢。

從我國在校生人數以及接受高等教育比例不斷提高的情況來看,工程師後續供給仍會比較充裕。

國內機器人行業工程師目前平均年薪近8萬元,歐洲和日本機器人行業工程師平均年薪40萬元左右,根據歐洲、日本和我國工程師工資過去增長情況,假設歐日工程師工資年均增長1.5%,我國工程師工資年均增長10%,那麼我國工程師紅利可以維持21年。悲觀假設我國工程師工資年均增長15%,那麼我國工程師紅利也可以維持14年。

市場空間超千億

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本土企業有數十倍成長性

2000年以來,隨著我國汽車行業新線不斷投產,電子行業固定資產投資增速持續處於高位,工業機器人在我國應用數量得以迅速提升,2011年我國新安裝工業機器人22,577台,同比增長高達50.7%,增速位列全球第一,需求量位列全球第三。截至2011年末,我國工業機器人存量規模已經從1999年的500台上升至74,317台,佔全球保有量的6%,排在日本、美國、德國、韓國之後,位於第5位。

相比發達國家,我國製造業機器人密度(即每萬個工人對應的工業機器人安裝數量)還非常低,只有21,不僅不能與發達國家相比,還低於全球55的平均水平,未來有大幅提升空間。2011年末,我國製造業有4088萬職工人數,假設我國製造業工業機器人密度與全球55的平均水平相當,則需要工業機器人22.5萬台,目前我國已有7.4萬機器人存量,那麼將新增工業機器人15.1萬台。

我國製造業對應的工業機器人本體市場規模接近380億元,算上系統的話,對應的工業機器人市場規模達到1140億元(按照系統規模是本體3倍測算)。

國外機器人公司無論是本體還是系統集成,規模都可以做到100億元左右,也就是說,本體和系統集成規模合計可做到200億元。而我國龍頭企業新松機器人2012年的規模也才只有10億元,未來成長性數十倍。


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