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智能制造产业全球研究分析报告

发布日期:2017-03-31    来源:技术交易平台

世界智能制造

产业主要技术研究分析报告

 

新华通讯社新闻信息中心

 

世界智能制造

产业主要技术研究分析报告

目录

一、总体发展态势. 3

(一)工业机器人、3D打印高速发展. 3

(二)数控机床和智能控制系统增长放缓. 3

二、工业机器人. 4

(一)关键先进技术. 4

(二)领先优势企业. 5

三、数控机床. 10

(一)关键先进技术. 11

(二)领先优势企业. 12

四、(工业)智能控制系统. 16

(一)关键先进技术. 16

(二)领先优势企业. 17

五、3D打印设备. 22

(一)关键先进技术. 22

(二)领先优势企业. 23

 

 

 

国家工程院院长周济教授提出了“智能制造是一个大系统工程,要从产品、生产、模式、基础四个维度系统推进”重要观点,参考以上相关维度,结合对《中国制造2025》关于“智能制造工程”有关阐述以及对有关重点领域与项目的规划阐述,我们重点聚焦工业机器人、数控机床、智能控制系统、3D打印设备等产业领域。

一、总体发展态势

(一)工业机器人、3D打印高速发展

近年来,工业机器人、3D打印一直保持高速发展势头。据国际机器人联合会(IFR)发布的数据显示,2015年全球工业机器人销量达24.8万台,比上年增长12%,再创历史新高,销量达到2009年(6万台)的4倍。3D打印作为一种全新的快速成形制造方式,尽管目前整个产业仍处于起步阶段,规模相对较小,但是在全球范围内受到了广泛关注,正处于高速增长阶段,且潜力巨大。2015年全球3D打印产业市场规模约为51.65亿美元,比2014年增长超过10亿美元,同比增长高达25.9%。

(二)数控机床和智能控制系统增长放缓

2003-2008年,世界机床产值和消费持续快速增长。受全球金融危机影响,2009年机床产值和消费出现急剧下降(降幅高达35%),但是2010年和2011年快速反弹,2011年机床产值和消费均飙升至历史最高水平。随后世界机床产值和消费同时开始逐年收缩,2015年世界机床产值和消费分别为802亿美元和791亿美元,分别较上年下降11.8%和11.9%。

2014年世界智能控制系统产业快速发展,增速为6.2%。2015年产业规模约为221亿美元,增幅仅为1%,预计2016-2019年产业发展继续呈现放缓趋势。

二、工业机器人

(一)关键先进技术

1.主要发展趋势

当前工业机器人发展的主要趋势方向,可概括为智能化、高性能化、融合化与安全环保:

(1)智能化——指工业机器人自动化、自主化操作能力,以及满足不同应用场景个性化需求能力的提升。

(2)高性能化——指工业机器人在速度、精度、强度以及柔性等方面的提升。

(3)融合化——指工业机器人现有相关技术应用与物联网、云计算、新兴通讯计算、计算技术与控制技术的融合。

(4)安全环保——安全即工业机器人的安全性,环保指工业机器人本身单位能耗的降低,以及所伴随的相关成本的降低。

2.重要关键技术

     工业机器人,广义上来说,按照产品形式、业务开展与用户应用需求来划分,可分为机器人本体以及与机器人应用系统集成。从系统构成角度,工业机器人系统通常由三大部分六个子系统组成。即机械部分、传感部分、控制部分等三大部分,以及驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人—环境交互系统、人—机交互系统、控制系统等六个子系统。目前,涉及的核心关键技术包括伺服系统、控制器、核心算法、精密减速器、应用和集成技术等。从成本角度来看,三大关键零部件减速器、运动控制器和电机占工业机器人整体成本的65%-75%。

3.技术发展展望

工业机器人未来技术发展,重点领域包括机械手臂、高端传感器、处理器与软件、人工智能等。

(1)机械手臂——从传统的单手臂机器人大规模向双手臂机器人转变,同时,手臂的强度与精度大幅度提高。

(2)高端传感器——传统的物理传感器升级、视觉、声学传感器的优化普及等。

(3)处理器与软件——更强、跟高端的CPU计算能力,更高性能的控制系统、集成系统。

(4)人工智能——更优秀的人机交互能力、自动化、自主化操作能力、自我学习能力。

(二)领先优势企业

1.全球范围内

     ABB、库卡、发那科与安川,四家公司占据了全球范围内工业机器人50%的市场份额,是传统的工业机器人优势企业,被称为工业机器人领域的“四大家族”。而近年以来,以Google为代表的互联网高科技企业,也在通过不断收购的方式来快速提升自身在相关领域的竞争力。

(1)  ABB

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ABB国际机器人联合会主席,来自瑞典,是世界领先的工业机器人本体供应商之一,截至目前,在全球安装机器人超过25万台。同时,ABB还提供相关软件、模块化制造单元及集成应用等相关服务。其产品与技术优势,主要包括机器人本体的刚性、精确性、可维护性等,以及面向机器人整个产品生命周期的软件服务等。从其在华专利申请的角度来看,其技术优势主要在于电机与控制器。

(2)  库卡(KUKA)

KUKA.png

库卡是来自德国的机器人公司,是世界上第一台机电驱动的6轴机器人的研发者,目前在全球安装机器人超过15万台。除了覆盖范围广的机器人本体产品线之外,基于PC的控制系统以及驱动技术是其重要特色。从其在华专利申请的角度来看,其技术优势主要在于控制器。值得一提的是,2016年5月19日,美的宣布通过自愿要约收购增加对德国库卡公司持股比例,从目前间接拥有库卡13.5%股权增加至30%以上。体现了国内企业国家化的机器人战略布局趋势。

(3)  发那科(FANUC)

发那科.png

作为来自日本的机器人与数控系统公司,发那科是世界上最大的数控系统提供商。截至目前,在全球机器人销售超过40万台,市场份额领先。其产品优势主要在于控制系统,提供视觉集成系统是其重要特色之一。从其在华专利申请的角度来看,其技术优势主要在于电机与控制器。

(4)  安川(Yaskawa)

安川.png

安川电机也是来自日本的机器人公司,是将工业机器人应用到半导体生产领域的最早的厂商之一,截至2014年,其在全球机器人出货量超过30万台。其主要特色是综合性、全方位的服务,即机器人本体与运动控制、生产控制信息系统融合,提供一揽子解决方案。其技术优势主要在于频器、伺服电机、控制器等方面。

(5)  谷歌(Google)

谷歌.png

需要注意的是,作为全球领先的互联网企业,谷歌近年以来收购了多家机器人公司,包括波士顿动力、Schaff、Industrial Perception与Redwood Robotics等。涉及领域包括人工智能、机械手臂、软件等。体现出互联网企业对于全球工业机器人以至于机器人发展趋势的解读。

2.国内

(1)新松机器人((SIASUN)

新松机器人.png

新松是位于沈阳的,以机器人、智能装备及自动化技术为核心,致力于数字化高端装备制造的高技术企业,在工业机器人方面主要产品与服务是机器人本体与相关集成服务,现已成为中国最大的机器人产业化基地。在国内厂商中,新松在控制器方面的技术专利优势明显。

(2)广州数控

广州数控.png

广州数控是国内领先的成套数控系统提供商,已成为我国南方最重要的数控装备生产基地之一,其产品涵盖数控系统、数控机床与工业机器人等。广州数控在伺服器、伺服电机以及驱动装置等方面在国内同行业中具有较强的领先优势。

(3)(南京)埃斯顿

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埃斯顿是定位于高端智能制造装备设计研发与生产的高科技企业,主要产品与服务包括以工业机器人为核心的智能制造系统服务(解决方案),以及智能制造有关零部件等。埃斯顿在伺服电机、驱动装置以及控制器方面具备国内领先水平。

三、数控机床

从现阶段相关应用发展来看,尽管机器人的需求与产业发展的势头要好于数控机床等生产装备,但是,从整体应用现状而言,机床仍是生产线上最主要的生产装备,工业机器人仍处于相对辅助的地位,成本占比也相对较低,机床仍是真正的工业母机。

(一)关键先进技术

1.主要发展趋势

目前,高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化已成为数控机床发展的趋势和方向。

(1)高速化与高精度化

高速化指主轴最高转速、进给率与运算速度的高速发展;高精度化包括机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿等。

(2)功能复合化

复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。而加工过程的复合化也导致机床向模块化、多轴化发展。

(3)控制智能化

包括加工过程自适应控制、 加工参数的智能优化与选择、智能故障自诊断与自修复、智能化交流伺服驱动等。

(4)驱动并联化

通过多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能的实现,满足复杂特种零件的加工,具备模块化程度高、重量轻和速度快等优点。

2.重要关键技术

数控机床(CNC机床)目前设计研发与生产涉及关键技术,主要包括电主轴技术、驱动技术、测量技术等部件技术以及智能化数控技术等控制技术。

(1)电主轴技术

即高频主轴或直接传动主轴,该技术解决数控机床的传动问题,用以实现数控机床的主传动链“零传动”(指主传动链传动距离为零)。

(2)驱动技术

典型的先进驱动技术,包括直接驱动技术与重心驱动技术。其中,前者是相对于传统的驱动技术,即常规的伺服电机要通过传动部件与负载相连接,而直接驱动技术令驱动电机直接与负载相连接,从而降低机床的维护难度,提高机床精度。后者是通过在构件两端平均施力,减少构件振动,缩短加工时长。

(3)测量技术

高精度的测量技术是数控机床保证高精度、高效率的关键技术,单场扫描光栅尺、绝对式光栅尺等技术在近年以来的数控机床应用越来越广泛。

(4)智能化数控技术

包括运动控制与数据处理技术的不断升级优化,涵盖驱动模块、监控模块、现场总线等方面内容。较为典型的是近年以来,随着计算技术与“物联网”的高速发展,开放式数控系统研究与应用的发展。相对于传统的数控系统,开放式数控系统具有模块化、标准化、可移植性、可多次开发、网络化等特点。

(二)领先优势企业

1.全球范围内

    世界范围内的知名机床(数控机床)品牌众多,在此我们选取应用相对大众或在某些专业领域应用处于领先地位的品牌予以介绍。

(1)德国通快(TRUMPF)

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通快集团是一家超过90年历史的老牌制造业企业,除机床外,业务还涵盖激光、电子与医疗技术、电动工具等。其核心业务为柔性与精密高速钣金加工,主要技术优势体现为在钣金加工领域的世界领先地位,是世界上最大的数控钣金机床制造商。主要应用行业包括汽车制造、飞机制造与机械工业等。

(2)德国舒勒(Schuler)

舒勒集团是全球范围内金属成形业技术和与市场处于领导与领先地位的厂商,主要客户覆盖汽车制造的整个产业链,以及锻造、能源、电气与家电等行业。其典型的产品与技术优势体现在冲压方面,如高压成形装置、冲压线、压力自动化装置等。

(2)德国埃马(Emag)

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埃马克是高度自动化数控车床领域世界范围内的技术领先者。产品涵盖加工装置零配件、车床,激光焊接机以及加工中等各个领域与层次。1992年,埃马克在世界范围内率先推出了倒置式车床,随后又在此基础上推出了倒置式生产中心。埃马克的产品与服务主要覆盖石油工业、汽车制造、机械制造和航空航天等行业大部分领域。

(3)日本山崎马扎克(mazak)

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山崎马扎克因其丰富全面的产品线与高速度、高精度在全球业内著称。主要产品包括数控机床、加工中心、激光系统、柔性生产系统、CAD/CAM系统、CNC装置和生产支持软件等。产品素以高速度、高精度而在行业内著称,产品遍及机械工业的各个行业。

(4)日本森精机(MORI SEIK

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 森精机是最早提出“高速高精度加工”概念的企业之一,产品以数控机床与加工中心为主,以其机床的匹配性、刚性与精度而著称。其产品在高速精密模具加工、光学、医疗器械、通讯产品等领域有着广泛而深入的应用。

2.国内

(1)沈阳机床

沈阳机床集团主导的数控机床类产品包括数控车床、立式加工中心、卧式加工中心、激光切割机、及各种数控专用机床和数控刀架等; 多年以来,其中高档数控机床大量应用于汽车、国防军工、航空航天等重点行业,在以轨道交通、航空航天为代表相关领域的产品应用已达国际先进水平。

(2)大连机床

大连机床集团在高速数控机床、高速加工中心、柔性生产线和数控功能部件的设计、制造等方面已达到国内领先、世界先进水平。 其产品较为广泛应用于复杂模具加工、汽车制造、机械加工等领域。

(3)秦川机床

秦川机床集团是我国机床产业龙头企业之一,是我国精密机床重要的研发制造基地。其数控机床及相关产品主要包括数控机床、加工中心、数控系统、精密仪器仪表以及有关零配件等。

四、(工业)智能控制系统

(一)关键先进技术

1.全球范围内

(工业)智能控制系统,指的是相对于传统工业控制系统的智能化发展与升级,所涉及产品领域即工业控制产品领域,包括变频器、工控机、仪器仪表、电源、总线等零配件以及在此基础上的集散控制系统(DCS)与可编程控制器(PLC)等。

1.主要发展趋势

一方面,集散控制系统(DCS)向综合化、智能化方向发展。其中,综合化指以开放式大规模系统为服务目标,DCS与各种单(多)回路调节器、PLC、工业控制计算机等工控设备的综合; 智能化是指以人工智能、微处理器、传感器等技术为基础,以对接企业管控与决策系统为目的,自我优化、智能诊断等功能在DCS各级实现。

另一方面,可编程控制器(PLC)向高性能、网络化方向发展。其中,高性能指PLC由简单逻辑运算,向模拟量处理,以及浮点数运算、比例积分微分(PID)调节、报表统计等高端运算处理功能发展;网络化指向开放式系统发展以及与现场智能化设备的连接。

2.重要关键技术

集散控制系统与可编程控制器的关键技术包括系统安全技术、系统可靠性技术、大规模网络集成技术、数据集成技术、系统设计技术、设备管理技术、通讯技术、人机交互技术以及近年以来逐渐发展起的可视化、虚拟化技术。

(二)领先优势企业

欧美与日本等发达国家的相关厂商,长期占据世界范围内(工业)智能控制系统的市场领导与技术领先地位。知名厂商包括ABB、霍尼韦尔(Honeywell)、艾默生(Emerson)、西门子(Siemens)、施耐德(Schneider)日本横河电机(Yokogawa)、欧姆龙(Omron)日立(Hitachi)等等。

(1)ABB

 

ABB除了前面介绍的工业机器人等产品之外,在(工业)智能控制系统方面也在全球占据领先地位,特别是集散控制系统,多年保持市场份额第一。其典型优势譬如工厂内部的过程控制、过程电气化、能源管理整合等,对石油和天然气、公用事业、造纸、冶金等以电力为代表的能源需求大的行业,应用效果油气明显。

(2)abb.png
霍尼韦尔(Honeywell)

作为全球范围内的多元化高科技企业与制造企业,霍尼韦尔是最早推出分布控制系统(可视作DCS的前身)的企业之一,经过多年发展,已形成全球领先、高端而成熟的工业控制领域一揽子解决方案服务能力。在企业运营及产品生命周期解决方案、现场工程解决方案、现场产品等技术与服务处于领先地位。其最新的增强版分布式控制系统(PlantCruise by Experion)很好地体现了工业过程控制的定制化特征与互联网化、虚拟化的发展趋势,为特殊化学品、生物燃料、电力、制药、矿业、水和废水处理等多个垂直行业提供了稳健而高效的解决方案。

(3)西门子(Siemens)

 西门子.png

西门子作为全球电子电气工程领域的重要领导者之一,其工业控制系统,以可编程控制器为代表,因其稳定性、耐用性、良好的人机交互与高性能性著称。其产品的主要应用领域包括印刷、冶金、化工与水处理等众多行业。

(4)艾默生(Emerson)

 

艾默生.png 

来自美国的艾默生是世界上最重要的能源与自动化服务提供商之一,工业自动化是其核心业务之一。其集散控制系统与可编程控制器均在全球范围内占据重要的市场地位。其技术与服务的主要特征优势在于输配自动化以及能源管理,相关产品在化工、石油和天然气、造纸、电力、水和废水处理、矿业和冶金、食品和饮料等领域有着广泛的应用。

(5)

日本横河电机(Yokogawa)


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横河电机也是世界上最早的分布控制系统提供商之一(与霍尼韦尔同一时期),目前主营核心业务包括测量、工业自动化控制和信息系统三大部分。其中,在集散控制系统的产品与技术方面处于世界领先水平。典型产品包括基于网络的高性能控制系统,在保证可靠性、安全性的前提下,有效降低了通信等方面的成本。其产品主要应用于石油,天然气,电力等大型工厂。

(6)欧姆龙(Omron)

 

同样是日本企业的欧姆龙,在工业自动化控制方面以紧凑型可编程控制器等产品著称。其产品的技术优势在于紧凑而高性能,同时具备很好的可升级性、较大的存储性,以及与西门子类似的基于PC系统的开放结构(windows系统下的编程能力)。

2.国内

(1)浙江中控(supcon)

中控是国内领先的自动化与信息化解决方案提供商,其工控方面的产品与服务主要包括面向流程工业的自动化整体解决方案,在集散控制系统及有关仪器仪表、阀门等零配件方面在国内处于领先水平。


(2)和利时Holly Sys

 

和利时也是国内处于领先地位的自动化控制系统平台和行业解决方案提供商,在工控系统方面,包含了过程自动化、离散自动化和矿山自动化三个方向。其中,在化工自动化方面,和利时是全球最大的化工企业德国巴斯夫公司的控制系统供应商。

五、3D打印设备

(一)关键先进技术

1.主要发展趋势

3D打印正处于高速增长阶段,自从80年代后期,商业3D打印诞生以来,在过去20多年,3D全球3D打印行业的复合年均增长率超过20%。但从产业发展的生命周期曲线来看,其仍处于成长期,到产业成熟还有较长的路要走。未来3D打印的主要发展趋势包括成本大幅降低、材料优化、打印技术升级等。首先,根据Gartner预计,随着3D打印的普及以及技术的进展,到2016年,企业级3D打印机的价格将会降低到2000美元。其次,随着与3D打印深度融合的新材料技术的发展,新型的3D打印材料,不仅将拓展3D打印应用,而且还将有助于降低应用成本;而以金属材料为代表的非塑料打印材料的增长可能会是新的热点。第三,打印技术的进步将有效推动3D打印设备与应用的发展。例如利用喷墨打印技术制造出液体合金设备、利用新型多头材料打印浓缩、粘性材料等。

2.重要关键技术

3D 打印涉及的技术包括计算机设计建模(CAD等)、测量技术、软件与数控技术、精密仪器与机械、激光、材料科学等。按照打印材料对象与工艺的不同,又可分为光固化打印(SLA)、选择性激光烧结打印(SLS)、熔融沉积打印(FDM)与3D打印(狭义)等。


(二)领先优势企业

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1.全球范围内

(1)3DSystems(美国)

 

3DSystems是全球范围内3D打印的鼻祖之一,由3D打印的发明者之一Chuck Hull联合创立。率先发明了立体平版印刷快速建模系统, 3DSystems 还率先发明了光固化成型解决方案,优势产品线包括SLA光固化成型系列、SLS可选激光烧结系列、MJM 多喷头模型系列,是当下行业里使用SLA技术(光固化成型法)占比最大的公司,是固体成像产品、服务的顶级供应商。业务包括3D打印机,打印材料,线上按需定制零部件服务和3D端到端解决方案等产品。

(2)Stratasys(美国)


Stratasys.png 

当前的Stratasys是由Stratasys和以色列初创公司Objet合并建立而成,并在两国都设有总部。企业业务涵盖制造3D打印设备以及打印材料,应用遍布工业制造,教育,工程设计,艺术设计等领域。旗下的3D打印技术以FDM技术与PolyJet技术最为著称,前者是唯一使用生产级别热塑性塑料的专业 3D 打印技术,后者是是唯一支持从橡胶到坚硬材料、从透明到不透明材料等多种材料的技术。Stratasys创始人之一,斯科特·克伦普正是FDM技术的发明人。

(3)德国EOS

 

EOS以专注粉末激光烧结技术在业内闻名,在这个领域处于世界领先的地位,尤其是在塑料类材料的粉末烧结成型领域。在3D打印精度和打印质量方面居于行业领先的位置。其设备主要涉及3D打印的光固化工艺和选区激光烧结工艺,其服务的产品涵盖了汽车、飞机、发动机、医疗、机电设备、工业工具等众多领域。

(5)    HP与GE

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作为老牌的计算机、打印机以及电气企业的代表,HP与GE通过设立专门部门,收购3D打印公司等方式,积极布局进军3D打印产业。惠普正式发布了其最新的集成了整个"3D打印生态系统"的台式电脑Sprout,并且联合行业各大软件巨头和相关公司组建了一个3D打印联盟。GE则将3D打印技术,深入应用于其飞机引擎制造等相关重要核心业务之中,据悉,其今期测试的一款飞机引擎,35%的零件都是3D打印而成。

2.国内

(1)北京太尔时代

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其桌面级3D打印机UP!在国际上颇负盛名;2012年,被美国Make杂志评选为“最佳用户体验”3D打印机。此外,太尔时代的产品还有Inspire 系列工业级快速成型机,以及国内居于领先地位的智能三维扫描系统等。


(2)湖南华曙高科

湖南华曙高科是继美国3DSYSTEMS公司、德国EOS公司后世界上第三家高端选择性激光烧结尼龙设备制造商。其成功研制出选择性激光烧结尼龙材料,成为继德国Evonik公司后世界上第二家该类材料制造商。其多元化、全面的发展模式——既制造设备,又生产材料,还从事终端产品加工服务,独立构成了选择性激光烧结技术完整产业链。

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