机械手调查及设计研究报告

..机械手调查与研究报告〔2012-8-30目录第一章：机械手基础知识11．1定义11．2组成11．3分类21．4关键技术参数4第二章：机械手市场规模与下游应用领域分析72．1全球工业机器人的安装量和累计安装量72．2全球工业机器人〔机械手市场规模82．3全球工业机器人的下游应用领域92．4工业机器人〔机械手密度102．5中国工业机器人〔机械手市场规模与容量112．6我国工业机器人〔机械手下游应用领域分析11第三章：机械手〔工业机器人行业与竞争分析123．1机械手〔工业机器人行业概述123．2我国机械手〔工业机器人市场竞争格局133．3工业机器人国内主要厂商情况介绍143.4实地调研的机械手厂家介绍17第四章：中国工业机器人技术发展现状及趋势194.1技术发展现状194．2技术发展趋势214.3视觉工业机器人技术23第五章：德昌公司进入中国工业机器人产业SWOT分析245.1SWOT分析245．2结论与建议24第一章：机械手基础知识1．1定义能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人,也是最早出现的现代机器人。1．2组成一般来说,机械手主要有以下几部分组成。1手部<或称抓取机构>包括手指、传力机构等,主要起抓取和放置物件的作用。2传送机构〔或称臂部包括手腕、手臂等,主要起改变物件方向和位置的作用。3驱动部分它是前两部分的动力,因此也称动力源,常用的有液压、气压、电力和机械四种驱动形式。4控制部分它是机械手动作的指挥系统,由它来控制动作的顺序〔程序、位置和时间〔甚至速度与加速度等。5其它部分如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。1．3分类机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为。1．3．1按使用范围分类：〔1专用机械手一般只有固定的程序,而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具,例如"毛坯上下料机械手"、"曲拐自动车床机械手"、"油泵凸轮轴自动线机械手"等等。这种机械手结构较简单,成本较低,适用于动作比较简单的大批量生产的场合。〔2通用机械手指具有可变程序和单独驱动的控制系统,不从属于某种机器,而且能自动完成传送物件或操作某些工其的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同,可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制,故属于程序控制类型,伺服型可以是点位控制,也可以是连续轨迹控制,一般属于数字控制类型。1．3．2按运动坐标型式分类：〔1直角坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动,亦即臂部可以前后伸缩<定为沿X方向的移动>、左右移动<定为沿Y方向的移动>和上下升降<定为沿Z方向的移动>；〔2圆柱坐标式机械手手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动,又可绕Z轴转动<定为绕Z轴转动>,亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动；〔3球坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X方向移动,还可以绕Y轴和Z轴转动,亦即手臂可以前后伸缩<沿X方向移动>、上下摆动<定为绕Y轴摆动>和左右转动<仍定为绕Z轴转动>；〔4多关节式机械手这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接<肘部>以及大臂和机体的连接<肩部>均为关节<铰链>式连接,亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动,大臂可绕肩部摆动多角,手臂还可以左右转动。1．3．3按驱动方式分类：〔1液压驱动机械手以压力油进行驱动；〔2气压驱动机械手以压缩空气进行驱动；〔3电力驱动机械手直接用电动机进行驱动；〔4机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式。1．3．4按机械手的臂力大小分类：〔1微型机械手臂力小于1㎏；〔2小型机械手臂力为1－10㎏；〔3中型机械手臂力为10－30㎏；〔4大型机械手臂力大于30㎏。1．4关键技术参数机械手的技术参数是说明机械手规格与性能的具体指标,包括以下几个方面。〔1负载能力〔机器手臂力这项参数一般指机械手在正常运行速度下所能握取的工件重量,它与机械手的运行速度高低有关。当机械手运行速度可调时,低速运行时所能握取工件最大重量比高速时大,为安全起见,也有将高速时所能握取的工件重量作为指标的,此时则常指明运行速度。〔2定位精度定位精度是衡量机械手工作质量的一项重要指标,定位精度的高低取决于位置控制方式以及工业机械手的运动部件本身的精度和刚度,与握取重量、运行速度等也有密切关系。一般的专用机械手采用固定挡块控制,可达到较高的定位精度；采用行程开关、电位计等电控元件进行控制,位置精度相对较低；工业机械手的伺服系统是一种位置跟踪系统,即使在高速重载情况下,也可防止机械手发生剧烈的冲击和振动,因此可以获得较高的定位精度。一般所说的定位精度是指位置精度和位置重复定位精度。其中位置精度是指目标位置与到达目标的实际位置的平均偏差；而位置重复定位精度是指机械手多次定位重复到达同一目标位置时,与其实到位置之间的相符合程度。〔3运动速度运动速度是反映机械手性能的又一项重要指标,它与机械手负载能力、定位精度等参数都有密切联系,同时也直接影响着机械手的运动周期。机械手运动部件的每个自由度,其运行全过程一般包括启动加速、等速运行和减速制动等阶段,其速度-时间特性曲线可以简化。一般所说的运动速度,是指机械手在运动过程中最大的运动速度。为了缩短机械手整个运动的周期,提高生产效率,通常总是希望启动加速和减速制动阶段的时间尽可能的缩短,而运行速度尽可能的提高,既提高全运动过程的平均速度。但由此却会使加、减速度的数值相应地增大,在这种情况下,惯性力增大,工件易松脱；同时由于受到较大的动载荷而影响机械手工作平稳性和位置精度。这就是在不同运行速度下,机械手能提取工件的重量不同的原因。〔4自由度自由度是指确定机械手手部中心位置和手部方位的独立变化参数。机械手的每一个自由度,都要相应的配对一个原动件〔如伺服电机、油缸、气缸、步进电机等驱动装置,当原动件按一定的规律运动时,机械手各运动部件就随之作确定的运动,自由度数与原动件数必须相等,只有这样才能使机械手具有确定的运动。机械手自由度越多,其动作越灵活,适应性越强,但结构相应越复杂。一般来说机械手具有3~5个自由度即满足使用要求〔其中臂部2~3个自由度,腕部1~2个自由度。〔5程序编制与存储容量这个技术参数是用来说明机械手的控制能力,即程序编制和存储容量〔包括程序步数和位置信息量的大小表明机械手作业能力的复杂程度及改变程序时的适应能力和通用程度。存储容量大,则适应性强,通用性好,从事复杂作业的能力强。第二章：机械手市场规模与下游应用领域分析2．1全球工业机器人的安装量和累计安装量由上表数据分析的知：1、至20XX底,全球工业机器人累计安装量在120万台左右,亚洲、欧洲为工业机器人安装量最大的两个区域,其次是北美〔美国为主。2、据统计,2009-20XX全球机器人安装量平均增长4%,部分发达国家的汽车工业领域的投资停滞或变缓,一定程度上其他行业的增长将弥补这些需求。在欧洲和美洲将有约3%的年增长,亚洲约5%。2．2全球工业机器人〔机械手市场规模受发展中国家〔中国汽车业投资的拉动和中小企业的强劲增长推动,工业机器人市场目前十分景气。在接下来的五年中,全球工业机器人市场年复合增长率<CAGR>有望保持在7.7%的水平。根据ARC咨询公司一份最新的研究报告,20XX工业机器人硬件市场规模已经达到35.9亿美元,20XX这一数字便超过51亿美元,预计20XX全球整个市场规模将达到91亿美元。2．3全球工业机器人的下游应用领域工业机器人的主要应用领域有弧焊．点焊．装配．搬运．切割．喷漆,喷涂,检测．码垛．研磨,抛光．上下料,激光加工等复杂或单调的作业。工业机器人技术在制造业应用范围越来越广．其标准化、模块化．网络化和智能化的程度越来越高．功能也越来越强,正在向着成套技术和装备的方向发展。世界各国主要行业对工业机器人的需求分布图世界各国工业机器人的应用类型与比例图2．4工业机器人〔机械手密度衡量工业机器人密度的方法可以通过在汽车制造业中每万名生产工人占有机器人的数量来展示。日本和意大利汽车工业中的机器人密度处于领先地位,分别达到了2100和1772,但日本包括了各种类型的机器人〔截止到20XX,与其他国家不具有可比性。紧接着,德国机器人密度为1439,美国997台,法国929台,英国794台,西班牙763台,瑞典600台,中国90台。2．5中国工业机器人〔机械手市场规模与容量年份20XX20XX20XX20XX20XX预计市场销量750056007500950011000市场保有量3140037000445005400065000备注：机械手在中国现有工业机器人中占80%比例左右。〔单位：台国海证卷对我国工业机器人现市场规模分析：以20XX37300台的基数计算,这三年平均每年安装近8000台,预计20XX的市场需求约10亿美元,即60亿/年左右的机械手市场规模。根据相关机构统计分析预测：国内工业机器静态市场容量在1000—3000亿元。相对目前60亿元的市场规模而言,未来10-20年间,我国工业机器人市场可谓一片波澜壮阔的"蓝海"。2．6我国工业机器人〔机械手下游应用领域分析目前,工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中,弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。1、汽车制造业是工业机器人最大的应用领域,对工业机器人发展的带动作用最强。在工业机器人全部的需求中,汽车行业的占比普遍在20%以上.2、除了汽车行业,对机器人的需要大大提高的是电子行业。在亚洲应用在电子行业的工业机器人,占了总数的30％以上,是工业机器人的最大用户,这与全球范围内汽车工业是工业机器人的最大用户有所不同。3、工业机器人还广泛应用于金属制品业<包括机械>、橡胶及塑料工业和食品工业等领域。除传统制造业如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域,工业机器人同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。如,水下机器人、抛光机器人、打毛刺机器人、擦玻璃机器人、高压线作业机器人、服装裁剪机器人、制衣机器人、管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人、作战机器人、侦察机器人、哨兵机器人、排雷机器人、布雷机器人等军用机器人都广泛应用于各行各业。而且,随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩,未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活,其市场将繁荣兴旺。第三章：机械手〔工业机器人行业与竞争分析3．1机械手〔工业机器人行业概述目前,国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。工业机器人已成为柔性制造系统〔FMS、工厂自动化〔FA、计算机集成制造系统〔CIMS的自动工具。我国工业机器人是从20世纪80年代开始起步,经过二十年余年的努力,已经形成了一些具有竞争力的工业机器人研究机构和企业。先后研发出弧焊、点焊、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。统计数据显示,20XX中国市场上工业机器人总共拥有量近6万台,占全球总量的5%,其中完全国产工业机器人〔行业内规模比较大的前三家工业机器人企业行业集中度占40%左右,其余都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进的。国产工业机器人目前主要以国内市场应用为主,年出口量累计1000台左右,年出口额累计3亿元以上。3．2我国机械手〔工业机器人市场竞争格局1、外资进入动态分析从企业性质来看,外资企业以全行业60%的企业数量占有了93.3%的市场份额,可见外资企业在中国工业机器人行业中遥遥领先。20XX不同性质企业的市场集中度资料来源：国家统计局,中国机电数据网2、市场竞争主体结构从企业规模来看,随着国内自动化技术的进步和市场巨大需求的拉动,国内已经形成了一批在工业机器人〔机械手和自动化成套设备领域卓有建树的企业。代表企业新松机器人〔SZ.300024、智云股份〔SZ.300097、天奇股份〔SZ.002009、首钢莫托曼和昆船集团公司等。其它仍然为中小型企业共同竞争的格局〔注塑机机械手XX伟立,但是中型企业以79.4%的市场份额占领了我国工业机器人行业的绝对主导地位。20XX不同规模企业的市场集中度3．3工业机器人国内主要厂商情况介绍1、新松机器人自动化股份有限公司公司成立于20XX,已有员工近600人,70%以上是中高级技术、管理人才,其中院士1人,博士及博士生导师8人,硕士以上学历120余人,被国家发改委和科技部分别认定为"机器人国家工程研究中心"。20XX,新松AGV自动导引车在通用全球招标项目脱颖而出,拿下通用三个新建厂项目的底盘合装工程；20XX,新松公司实现销售收入8亿多元人民币,出口创汇1千多万美元；20XXXX新松机器人成功收购德国C-CON控股有限公司,在新能源装备、轨道交通自动化、IC装备制造、激光再造技术等方面已累积雄厚实力。2、首钢莫托曼机器人〔MOTOMAN有限公司公司成立于1996年,注册资本为700万美元,由中国首钢〔集团总公司与日本株式会社安川电机和岩谷产业株式会社三方共同投资,投资三方的出资比例分别为45%、43%和12%,是目前国内规模最大、技术最先进的机器人企业首钢莫托曼机器人有限公司生产和销售用于汽车、摩托车、工程机械、化工、家电、建筑等行业的各类机器人〔焊接、装配、喷漆、涂胶、切割、搬运和研磨用途、机器人工作站和大中型柔性生产线,包括汽车轿车零部件弧焊系统、点焊系统,轿车零部件点胶系统,轿车生产焊装系统,轿车内饰件高压水切割系统,轿车零部件压边系统,机器人码垛系统,火焰切割系统,双机器人协调焊接系统等,并为用户提供各种周边设备、零部件和各项完善的技术服务。3、XX博实自动化设备有限责任公司〔以下简称"博实公司"公司成立于1997年,由XX工业大学创办并控股、员工参股的高新技术股份制企业,一直致力于机电控制及自动化产品的研制、开发和工程应用,为国民经济建设的主战场服务。博实公司已形成全自动包装机器人码垛生产线、合成橡胶后处理成套设备、基于FFS的高速高精度称重包装码垛生产线等系列产品,在国内石化、化工等行业有深厚的技术积累。截止20XX底,已累计完成实际工程应用1000多项,实现产值15亿元；20XX6月底,公司上半年已实现销售收入2.77亿元,全年实现销售收入近6亿元。是中石油、中石化物资装备供应成员单位,产品已经完全可以替代进口,成为石化、化工新建及改扩建工程的首选装备。4、丰裕电机工程有限公司公司成立于1999年,总部位于香港,生产总厂座落于XX塘厦,现有员工1700余人,是一家专业从事表面处理设备的设计、开发、制造、安装,完善的售前售后服务一体化的现代高科技企业。生产的设备主要应用于汽车业、摩托车、铝型材、空调、冰箱、电视机、电饭煲、vcd、手机、电脑机壳、pda、md、计算器、摄影机、家具、玩具、酒瓶饰件、塑料及五金等产品。年设计生产能力超过150套大型成套设备。20XX,丰裕公司的"高效节能环保涂装生产线"项目获中国机械工业科技技术进步三等奖,"汽车零部件涂装生产线"项目获优秀涂装工程一等奖。其它在市场上较为知名或熟知的企业有：海尔哈工大机器人技术有限公司、上海机电一体工程中心、XX焊接研究所、上海富安工厂自动化有限公司、昆山市华恒焊接设备技术有限责任公司、上海广茂达伙伴机器人有限公司、XX江淮自动化装备有限公司等。现在国内从事工业机器人〔机械手的企业、科研院所、高校及国外厂商据初步统计有300多家,无法具体逐个介绍。3.4实地调研的机械手厂家介绍调研企业一：XX世控自动化科技有限公司〔受访对象：销售副总公司创建于20XX5月,位于北仑港东面的柴桥工业区,占地面积15000平方米。公司现员工100多人,20XX的营业额约8000万元,是以生产注塑机专用机械手为主的高科技企业,主要产品为注塑机专用机械手及注塑工业周边自动化设备。产品结构：1SCS系列〔旋臂式,2SCP系列〔气动横走式,3SCM系列〔小型单轴伺服横走式、中型单轴伺服横走式,4SCT系列〔微型三轴伺服横走式、小型三轴伺服横走式、中型三轴伺服横走式、大型三轴伺服横走式、特大型三轴伺服横走式。产品价格：5.5万—100万。标杆客户：XX海天〔为其配套生产专用机械手。营销网络：全国使用注塑机的主要省市区都有销售与服务网点。销售渠道：代理商、经销商销售为主,营销人员以维护服务帮助开发。产品毛利与制造周期：以光通信公司7台注塑机设计配套机械手为例,一个月交货并安装调试好,产品销售毛利在40-50%。付款方式：预付50%定金,在交货安装调试好付余下的全款。产品保修：一年保修,保修期后收取零部件材料费,不收取服务费。对行业前景看法：由于20XX中国经济增速放缓,制造业对设备自动化改造与生产效率提升的心态有一定影响,注塑机的机械手销售行情没有以前的增速,2-3年内整个行业需要以过冬心态度过,但看好中长期发展。原因是中国注塑机配套机械手的密度并不高。调研企业二：XX飞图自动技术有限公司〔受访对象：老板公司成立于20XX,位于余姚马渚镇,现有员工70多人,其中高级技术人才占30%以上,是一家专为企业提供量身定做的自动化解决方案与设备创新性企业。核心竞争力：应用实况的解决方案与非标装备的设计能力。产品结构：喷雾器制造专用设备、化妆品包装行业专用设备、太阳能专用设备、其他行业专用设备。产品价格：到客户企业的实际现场考察与量身设计方案后报价,到客户认可所设计解决方案后谈判确定产品价格。营销网络：服务公司周围300公里范围。销售渠道：无销售人员,靠客户自动找上门,但有维修服务工程师。生产车间：非常简陋,无专业化生产流水线。产品销售毛利：在50%以上。付款方式：预付50%定金,发货前支付40%,剩10%在安装调试好付。售后服务：保修期一年,过后上门维修服务收取零部件材料费与路费,但不收取额外服务费用。成功服务的行业：喷雾器制造自动化行业,日化包装行业、太阳能动力电池组行业等。对行业前景看法：非标准自动化装备或机械手比较难做大,原因其认为团队设计人员要求高,下游细分行业需求虽有,但规模小,难服务。第四章：中国工业机器人技术发展现状及趋势4.1技术发展现状在普及第一代工业机器人的基础上,第二代工业机器人已经推广,成为主流安装机型,第三代智能机器人已占有一定比重〔占日本1998年安装台数的10%,销售额的36%〔1机械结构1>已关节型为主流,80年代发明的使用于装配作业的平面关节机器人约占总量的1/3。90年代初开发的适应于窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节机器人大量用于焊接和上、下料。2>应3K和汽车、建筑、桥梁等行业需求,超大型机器人应运而生。如焊接树10米长、10吨以上大构件的弧焊机器人群,采取蚂蚁啃骨头的协作机构。3>CAD、CAE等技术已普遍用于设计,仿真和制造中。〔2控制技术1>大多数采用32位CPU,控制轴数多达27轴,NC技术、离线编程技术大量采用。2>协调控制技术日趋成熟,实现了多手与变位机、多机器人的协调控制,正逐步实现多智能体的协调控制。3>采用基于PC的开放结构的控制系统已成为一股潮流,其成本低、具有标准现场网络功能。〔3驱动技术1>80年代发展起来的AC侍服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。DD驱动技术则广泛地用于装配机器人中。2>新一代的侍服电机与基于微处理器的智能侍服控制器相结合已由FANUC等公司开发并用于工业机器人中,在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。〔4应用智能化的传感器装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势,不少机器人装有两种传感器,有些机器人留了多种传感器接口。〔5通用机器人编程语言在ABB公司的20多个小型号产品中,采用了通用模化块语言RAPID。最近美国"机器人工作空间技术公司"开发了RobotScriptV.10通用语言,运行于该公司的通用机器人控制器URC的WinNT/95环境。该语言易学医用,可用于各种开发环境,与大多数WINDOWS软件产品兼容。〔6网络通用方式大部分机器人采用了Ether网络通讯方式,占总量的41.3,其它采用RS-232、RA-422、RS-485等通讯接口。〔7高速、高精度、多功能化目前,最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s。位置重复精度为正负0.01mm。但有一种速度竞达到80m/s；而另一种并连机构的NC机器人,其位置重复精度大1微秒。〔8集成化与系统化当今工业机器人技术的另一特点是应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体〔多智能体。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品连接在一起,实现了标准化、开放化、网络化的"虚拟制造",为工业机器人系统化的发展推波助澜。4．2技术发展趋势随着计算机技术的不断向智能化方向发展,机器人应用领域的不断扩展和深化以及在系统〔FMS、CIMS中的群体应用,工业机器人也在不断向智能化方向发展,以适应"敏捷制造"〔AgileManufacturing,满足多样化、个性化的需要,并适应多变的非结构环境作业,向非制造领域进军。〔1感觉功能感觉功能方面将实现多传感器信息的融合,以检测多变的外部环境,做出判断和决策,其实质类似于人的五官和身体的综合感觉功能,包括视觉、触觉、力觉、滑觉、接近觉、压觉、听觉、味觉、臭觉、温觉等。研究包括各类传感信息的采集及融合处理、传感器与驱动器一体化技术、感觉功能继承模块等。〔2控制智能化由引导教向NC,离线编程发展,进而发展到进一步应用。随着系统化、集成化生产的发展,基于PC的开放式控制系统将机器人控制和车间一级控制的发展方向,国外专家预测,20XX它将占30％。〔3移动功能的智能化为解决长距离搬运作业、大作业对象、多作业对象及极限作业等问题,需开发自主移动系统〔包括滑动、滚动、行走、爬行、跳跃、飞行等。〔4系统应用与集成化支持以人为核心的生产系统,实现生产系统中机器人群体协调功能、群智能和多机通讯协议,开发能理解人的意志的"同事机器人"。国外专家预测,2000你后有可能IMS要走向MA<R>S〔多智能体系统,而该系统中的"同事机器人"〔Cobot将成为操作人员不可或缺的伙伴。围绕着各种机器人与人共存的诸多课题,正在兴起一门新学科"软机器人学"。〔5安全可靠性由于大量不确定因素的存在,要实现智能化的安全可靠性,机器人必须具有对各种