中国工业机器人现状/地铁隧道是如何修建?盾构机原理

一、工业机器人国产化的卡脖子在哪？

2022年06月10日市场资讯/果壳硬科技

随着工业化不断加快、工业生产发展进步，人力成本及人口结构改变，劳动力短缺代替劳动力过剩，成了制造业国家面临主要矛盾。中国制造业劳动力短缺成为常态，但工业生产某些特质决定了，提薪招工仅是权宜之计，多数制造业利润空间不可能支持薪资上涨，这是制造业向低人力成本转移的内在逻辑。

无论想降低人力成本，还是解决劳动力短缺，机器人生产成了制造业必然选择，这也是中国近年工业机器人行业繁荣的驱动力。从市场规模看，尽管中美贸易冲突对行业造成一定冲击，但全球工业机器人保有量仍在稳步增长。据IFR（世界机器人联盟）数据，2020年全球工业机器人保有量301.5万台，较2019年增10.4%，10年增长超过160%。

中国是世界最大工业机器人市场，增速远超行业平均水平。据IFR统计，2020年中国机器人安装量排名第一，达16.8万台，超过第2~15名总和，是十年前7倍多。

2020年全球工业机器人安装量，图源 IFR

对工业机器人的旺盛需求，也出现在全球供应链另一重要制造中心美国。据美国自动化促进协会（Association for Advancing Automation）数据，2022年一季度美国机器人订单增长40%，2021年增长21%，这也是劳动力短缺持续恶化的结果。因此，工业机器人对未来制造业有关键影响。

1. 工业机器人产业链概况

工业机器人主在生产线上搬运、码垛、焊接、打磨、喷涂、组装等，广泛应用于汽车制造、3C电子、金属加工、食品饮料、半导体行业。工业机器人研发、制造、应用，是衡量国家科技创新和高端制造业水平重要标志，被誉为“制造业皇冠顶端明珠”。

相关研究起步于上世纪70年代，至今中国工业机器人国产化率较低。占成本比例较大、利润较高的核心零部件，生产制造仍由国外厂商掌握。

工业机器人产业链上游是零部件，包括核心零部件和其它零部件；中游是本体制造，按机械结构和运动方式不同分为多种类型；下游是机器人系统集成，应用于不同行业场景。

公开信息整理，图源果壳硬科技制

工业机器人成本构成，本体制造仅占22%，核心零部件占比超70%。在利润方面，本体制造仅15%，三大核心零部件利润率均高于此：减速器40%，伺服系统35%，控制器25%。

审视中国机器人产业，工业机器人下游应用国产化率较高，中上游面临明显的卡脖子现状。国内厂商在渠道、价格、服务等方面占优，主要在系统集成领域展开竞争，实现工业机器人在特定场景的应用部署。截至2020年6月，MIR DATABANK数据库共收录9456家本土工业机器人系统集成商，占据全国80%集成市场。本土集成商在电子行业竞争力较强，而在传统汽车制造领域竞争力较弱，呈现数量多、规模小的业态。

中游的国产化率很低，仅27%，本体制造十分复杂。工业机器人领域，长期被”四大家族“（发那科、安川、ABB、库卡）把持，国内仅少数厂商勉强跟随。移动机器人（AGV/AMR）、协作机器人领域，近年本土厂商竞争力不错，国产化率可观。由于这一环节利润率不高，而参与竞争的难度过大，是否国产化存在不同观点。

上游的减速器、伺服系统、控制器三种最核心零部件，国产化率仅36.53%、24.50%、31.20%。相较于复杂中游制造环节，核心零部件环节需求永远存在，是整个机器人工业的基石。若能实现上游零部件国产化，不仅解决供应链安全，也能降低工业机器人应用成本，推动工业机器人应用，提升智能制造水平。

工业机器人工作场景及构成，图源广证恒生

工业机器人核心零部件，决定了工业机器人实现自动化的精密运动，在一些生产环节中代替人力。意味着其质量对最终产品的性能有着决定性影响，是国产化进程的主攻方向。

控制器。控制器决定机器人功能性能主要部分，相当于大脑。它能控制机器人在工作空间中的位置、姿态、轨迹、操作顺序、运动时间等。控制器包括硬件、软件两部分。硬件是工业控制板卡，包括主控单元和部分信号处理电路。软件包括底层操作系统、控制算法、二次扩展开发等。

控制器接收来自传感器的检测信号，根据操作任务，经算法计算后发出指令信息，驱动机器人关节中各电机转动，实现对机器人精密控制。控制系统基本功能包括记忆、示教、坐标设置、与外围设备联系、位置伺服、故障诊断及安全保护等。

伺服系统。伺服系统是机器人的动力系统，相当于“心脏”。伺服系统接收来自控制器的信息，转换成转矩和转速以驱动控制对象。伺服系统由伺服驱动器、伺服电机、编码器组成。伺服驱动器将控制器接收到的信息分解为单个自由度系统能执行的命令，传递给伺服电机；伺服电机将收到的电信号转化为转速转矩，驱动控制对象；编码器将电机编码信号反馈给控制器，它决定了伺服系统的精度。前，工业机器人伺服系统主要是电气伺服系统中的交流伺服系统。按功率分为小型/中型/大型伺服系统。

减速器。减速器是控制机器人运动核心部件，相当于“关节”。减速器是链接伺服系统和末端执行器的中间装置，能降低转速、增大转矩，从而驱动“关节”运动。减速器通过齿轮啮合，将电机的转速减速到各“关节”运动实际需要的转速，并输出更大的转矩，驱动“关节”运动。

减速器主要分谐波减速器和RV减速器两类。据《滚动轴承工业机器人RV减速器用精密轴承》定义，RV减速器是传统摆线针轮和行星齿轮传动装置的混合。RV减速器由多个高密度轴承和齿轮组成，应用于重载机器人全部关节，及轻载机器人部分关节，类似于“大臂”“肩膀”位置。据《机器人用谐波齿轮减速器》[定义，谐波减速器由波发生器、柔轮、钢轮三部分构成。谐波减速器结构简单，一般应用于轻载机器人部分关节，类似于“前臂”“手腕”等位置。

2. 核心零部件国产化进度？

当前中国工业机器人核心零部件国产化水平不一，差距很大。控制器进度喜人，减速器则面临较多技术难题。由此，减速器，尤其是RV减速器成为“卡脖子”的关键。

全球减速器市场，图源广证恒生

全球减速器市场被日本厂商垄断。RV减速器巨头纳博特斯克占据全球60%市场，而谐波减速器领先者哈默纳科紧随其后，占据15%市场。纳博特斯克2003年9月成立，因其“高精度、高刚性、长寿命”及“小尺寸、轻重量等特点在全球范围广受好评。哈默纳科1970年成立于，深耕谐波减速器领域50余年。而中国相关企业研发减速器时间较晚，经验积累及实践验证上难赶超日企。

相对而言，谐波减速器国产化程度较高。仅三个零部件，机械构造较简单，且哈默纳科专利于2008年到期，国内厂商开始把握学习研发机会。但哈默纳科仍然占据中国较大市场份额，紧随其后是中国的绿的谐波和来福谐波，两家企业均有十余年研发经验，谐波减速器在输出转速、传送精度等性能上与哈默纳科差距较小，但在精度保持使用寿命、传动效率方面仍有差距。

国内外减速器产品指标对比，图源 东吴证券　

RV减速器由于组成零件复杂、承载强度高，导致制造难度和产线投资规模远大于谐波减速器。RV减速器核心难点在于各项工艺精密配合，装配不够精密就会影响产品磨损及寿命。

纳博特斯克RV减速器可保持10000小时平均寿命，精度和刚度不会随使用时间增加下降。而中国产品寿命低于6000小时，使用中存在噪声发热等现象，意味着减速器内部齿轮啮合不良，有超额摩擦、磨损现象。

因此，中国在RV减速器领域与国际水平差异较大。部分龙头企业目前年产量均不足10万台。

在伺服系统方面，国产替代空间较大。当前本土伺服市场被日本、欧美、中国、中国台湾厂商占据。其中的中高端市场被欧美和日系企业垄断。

以安川电机为代表的日系伺服，经几十年技术沉淀，产品稳定性高；以西门子为代表的欧系产品，强调高度集成化，将伺服系统与上游控制系统深度结合，电机体积更小、运动控制精度更高；而以汇川为代表的国产伺服，主要依靠性价比优势，在中低端领域满足中小企业需求。

中国伺服系统市场格局，图源前瞻产业研究院

在动力输出方面，国产、日系、欧系伺服的输出功率差距较小，但在运动控制性能上，国产伺服仍然存在一定差距。

伺服电机性能比较，图源 信达证券

国产厂商正在迎头赶上。中国品牌价格平均比国外低15~30%，积极与下游企业开发定制化解决方案，凭借价格和服务逐渐占据中低端市场，目前本土伺服厂商总数超过300家。随着国产与外资产品在性能上不断接近，加上稳定性和可靠性不断验证，以汇川为首的国产厂商有机会替代外资厂商，扩大市场份额。

在控制器方面，硬件国产化差距较小。控制器是中外产品差距最小的核心零部件。成熟的工业机器人厂商通常自行开发控制器，以保证统一性、稳定性，维护技术体系。因此控制器和机器人本体市场份额保持一致。这意味着，在这一领域保持领先的仍然是传统工业机器人本体“四大家族”。

当前，埃斯顿、新松、新时达等国内机器人本体厂商均能生产控制器，但在软件算法上，还需要更多的数据、实践积累和经验沉淀，才能有所突破。

3. 行业未来发展趋势

《“十四五”机器人产业发展规划》文件，对产业发展提出的规划是：2025年，中国成为全球机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地。一批机器人核心技术和高端产品取得突破，整机综合指标达国际先进水平，关键零部件性能和可靠性达到国际同类产品水平。

而现实是，工业机器人行业只在中低端领域有所突破，高端领域仍有大量技术难题。当前的核心零部件仍然属于精密制造，日本、德国老牌工业厂商起步早，有几十年甚至上百年技术积累和实践验证。中国厂商只能后期追赶，从为国外厂商代工、研发中低端产品起步，逐步向一流产品靠近。

但国产替代仍有机会。首先，当突破较为基础技术工艺后，国产厂商能以较的价格在中低端领域站稳市场，逐渐扩大份额；其次，由于供货周期相对较短，且能为下游企业客户定制化服务，国产机器人本体制造商可能优先选择国产核心零部件。

同时，当机器人整体迈向智能化时代，中国领先“人工智能”技术将赋予工业机器人全新“头脑”。视觉传感器加入拓展了工业机器人的应用场景，视觉技术使机器人有了“眼睛”，变得更加灵活。由此带来控制算法上更新迭代，为国产厂商带来新机会。

而协作机器人发展，使机器人不再局限于固定工位操作，可柔性适应不同工作环境，实现人机协同。这一领域已涌现出许多创业型厂商并快速发展。由此，国产机器人本体厂商可能抢占传统工业机器人厂商市场，而核心零部件供应商也有机会不断成长。

当然，最重要的仍然是缩短与国外厂商间的技术差距。《“十四五”机器人产业发展规划》中提到，“补齐产业发展短板。推动用产学研联合攻关，补齐专用材料、核心元器件、加工工艺等短板，提升机器人关键零部件的功能、性能和可靠性；开发机器人控制软件、核心算法等，提高机器人控制系统的功能和智能化水平。”

在整个机器人产业链发展中都需要：强化统筹多方资源，发挥行业协会桥梁作用，加强机器人产业动态监测；加大财税金融支持，发挥政府采购作用，推动各类产业基金投入，支持符合条件企业上市；营造良好市场环境，加强支持产权保护，规范市场招标采购；健全人才保障体系，支持高校和科研院所培养高端人才；深化国际交流，鼓励国外企业设立研发机构，推进机器人产品和解决方案“走出去”。

除了具体技术问题，来自政府的政策利好、社会资本投入及下游行业支持，同样对工业机器人产业链本土化有至关重要作用。在良好内外部因素共同支持下，未来行业的优质发展可以期待。

二、地铁隧道是如何修建?盾构机原理

2022-05-27 道路瞭望等

地铁，是我们大家都很熟悉的城市中快捷便利，且相对安全的交通工具。你有没有思考过，在地下几十米甚至上百米地铁隧道，是如何挖掘出来的?

这要归功于我国自主研发的超大直径隧道盾构机。

1863年，世界上第一条地下铁路系统在英国伦敦开通，如今距离第一条地铁开通已过去了上百年时间了。地铁早已成为世界城市交通的重要组成部分，在享受地铁便利同时，大家是不是对地铁隧道的挖掘感兴趣呢。

地铁线路就像蜘蛛网一样，在地下四通八达，地铁隧道在开挖前都会先规划好线路，还要进行地质勘查，毕竟地铁是修建在地下的，只有充分了解地下世界，施工时才会有足够的底气。

地铁线网规划是在城市发展战略、总体规划、土地利用规划的基础上，根据客流预测分析，充分考虑交通与城市发展之间的关系，选择方便市民出行、能适应城市可持续发展的布局。当这些准备工作做完后，地铁就可以开挖了，目前地铁隧道的修建方式，绝大部分都是采用盾构法进行的。

盾构法的核心就是一种被称为钢铁蚯蚓的隧道盾构机，它可以像蚯蚓一般，在地底下畅通无阻。这是一台长148米重1000吨的巨型机器，盾构机的头部是一个可旋转的刀盘。世界上最大的盾构机刀盘直径20米，相当于7层楼高，每天20米深挖掘速度比人类提高了几十倍。

盾构机内部有着庞大的精密电气设备和中央控制室，如此巨物在地下穿梭，能精准到达指定位置。这归功于它的自动定位导向系统，该系统能保证挖掘方向误差不超过30毫米，头部的刀盘上安装着许多金刚刀头。在液压缸推力下，刀头每转动一圈，就可以削下大量泥土和岩石。

盾构机在漆黑的地下掘进会迷路吗？当然不会，先进的盾构机安装了高精度的测量系统，能够动态显示当前位置相对于隧道设计轴线的位置偏差，操作人员可及时调整掘进状态，使盾构机沿着正确的方向掘进。盾构机是只能前进不能后退的，它会挖到下一个地铁站或竖井，完成任务后吊出地面。

内部的盘形洗刀和辅助切割工具会将黏土等材料打碎，被传送带运输到地面上，隧道接触面被多个压力传感器监测着。这些传感器可持续监测盾构机的数据，保证盾构机停留位置准确度不超过1毫米，隧道盾构机工作第二阶段就是环形搭建，完整的隧道环是由多块弓型部件组成。工型部件由指定高精度工厂制造，搭载铁路平板车运输到隧道内部，利用真空隙摆放到指定位置，设备布置了多个可伸缩的液压缸。这些工型部件的安装精度达到了毫米级别，随着新型拱顶石插入，整个隧道环安装就算完成了。

当地铁隧道与市政道路合建过江时，聪明的工程师想出了一种工法——“沉管法”。将岸上预制好的一节节隧道管段沉到江底拼装，形成隧道。有时候，地铁跑着跑着，突然就到地面高处了，这就采用了高架法施工。由架桥机将预制好的一段段梁片依次进行拼接，形成高架桥。

设备操作人员可在中央控制室监控屏上，读取所有设备运行数据。从总体上来说，地铁隧道修建不容易，涉及40多个技术专业，需花好几年时间才能建成。10多年前盾构机关键技术被国外垄断，国内使用盾构机严重依赖进口。经多年探索努力，中国研发团队突破核心技术封锁，2008年研发制造了中国第一台具有自主知识产权的盾构机。

隧道完工后，要铺设轨道、电缆、通信等设施。 隧道、轨通、电通是地铁建设三个关键节点。基础设施都建完啦，是不是就可以去坐地铁了呢？还不行！我们还要装修车站、安装机电设备、系统联调、验收和试运行。机电设备是各种机械和电气设备的总称，为列车正常安全运行和乘客便利舒适搭乘地铁提供综合保障。

列车不能一直跑，它也需要休息和养护的。我们要给它们建一个“家”——车辆段。车辆段是对地铁车辆进行运营管理、停放、维修及保养的场所。

地铁是如何做到安全、准点、快捷、舒适地运行呢？因为它有一个聪明的“大脑”——地铁控制指挥中心。控制指挥中心是对全线列车运行、电力供应、车站设备运行、防火报警、环境监控、票务管理及乘客服务等，全程进行调度、指挥和监控的“中枢”。

从开始建造一直到开通之后，我们还要持续不断地进行地铁保护工作，防止其它工程建设影响地铁。

目前，无论是盾构机的销量还是产量，中国均位列世界第一。曾经的盾构机受制于人，现在实现了弯道超车，盾构机成为了中国的新名片，截止2021年中国已经有近50个城市开通了地铁。

 (改写编辑：未平) 

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