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现代交流伺服系统技术和市场发展综述(二)
广州博玮伺服科技有限公司
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市场状况

1. 欧美和国内市场规模以及基本走势

根据ARC 2001 年的报告,当年全球伺服驱动的市场规模是20.67 亿美元,01 年到06年的复合增长率在7%以上,预计全球伺服系统的市场规模在2006 年会达到29 亿美金左右(这个预测包括了交流伺服和步进电机)。现在回过头来看,恐怕已经不止这个数据,这中间经历了911 等因素造成的02、03 年的市场衰退和04 年之后的恢复性增长。预计未来几年增长率会有所提高。

国内交流伺服的市场规模2006 年估计在20 亿人民币左右,市场规模近3 年一直保持了大于25%的年复合增长率,在所有自动化产品中当属发展最快之列。而且随着世界制业加速向中国转移,国产数控装备在国家政策的扶持下快速向高性能、高附加值发展,国产交流伺服系统的性价比快速提高,交流伺服系统的市场会继续保持快速增长的势头,预计从2007 到2010 年,年平均增长率会维持在20%以上。但是平均单价也将随着竞争加剧不断下降,每年大约下降10%。

中国伺服产品的用户区域主要分布在华东、华南和华北,其中华东市场(上海、江浙和山东)占45%,以广东为主的华南和以京津为主的华北各为15%左右。华中和东北大约是10%。华东市场是伺服最大的消费市场,而且这个趋势会持续下去。伺服驱动厂商面临用户和OEM 厂家不断变化的需求的挑战,伺服驱动器的上位机可以是CNC 系统、通用运动控制器和PLC,还有各种嵌入式控制器,他们必须不断推出多样化的产品,满足所有运动控制领域的要求。从功率范围上,当前100W~2000W 是主流,大约占整个伺服市场的70%,而10KW 以下的品种占到90%。在转速范围上,大约50%的用户需要3000rpm 以内的电机,另外40%需要3000~6000 转,不到10%的人需要10000rpm 或以上转速的电机。

分析当前国内用户的购买因素,占前三位的是稳定可靠性、价格和服务。这也说明目前国内交流伺服市场还处在较低级的阶段,对性能和功能的充分利用没有摆在重要位置。从长远来看,伺服厂商的关键成功因素应该是产品的性价比、可靠性、技术含量、以及市场份额和品牌影响力。

2. 国内市场品牌竞争状况:

国内交流伺服市场当前品牌竞争情况和10 多年前的变频器市场非常类似。当时进口(主要是日本富士和三肯)产品占据了90%以上的市场份额,经过10 年的奋斗,国产变频器已经占据了中低端市场,在整个市场份额上与进口产品二分天下,并涌现了利德华福、森兰等一批有实力、也有技术的厂商,其中利德华福在大功率变频器细分市场上取得绝对的领先优势。

目前,国外品牌占据了中国交流伺服市场85%左右的份额,他们来自日本、德国和美国,日本品牌有安川、发那克(Fanuc)、三菱电机、松下、三洋、富士等;美国有罗克维尔(Rockwell Automation)、达那赫(Danaher)、帕克(Parker)等;德国有西门子(Siemens)、博世力士乐(Bosch Rexroth)、施奈德(Schneider)等。其中,日本品牌以良好的性能价格比和较高的可靠性占据了超过50%的最大市场份额,在中小型OEM 市场上尤其具有垄断优势,而且本地化生产的策略进一步增加了在价格和快速交货方面的筹码;欧美品牌在高端设备和生产线上比较有竞争力,其市场策略是高性能、高价格,以全套自动化解决方案作为卖点,总的市场占有率大约在35%,最近这些高端品牌也不断寻找本地合作伙伴力图打入中低端市场,并不甘心被日本品牌积压市场空间。

最近2、3 年来自台湾的伺服厂商在国内设厂,并加大了市场推广的力度,主要是台达和东元,其技术水平和价格水平都居于进口中端产品和国产品牌之间,在竞争中主要突出性价比优势,对国产品牌带来了新的竞争压力,市场占有率从几年前的微不足道提高到大约5%。

中国国内的品牌主要有和利时电机、华中数控、广数、兰州电机等,最近出现了南京埃斯顿、上海鄂尔多斯等厂家,粗略计算,宣称推出交流伺服产品的国产厂家不下20 个。其中和利时电机面向整个自动化产业机械市场提供步进、无刷、伺服等系列产品,在技术上和品牌上有一定优势;华中数控、广数和兰电等主要集中在数控机床行业,伴随着这几年数控行业的大发展,他们的出货量也保持了快速增长,积累了相对较强的实力;国产品牌产品功率范围多在5KW 以内,技术路线上与日系产品接近,目前总市场占有率在10%左右。

展望未来,随着伺服价格的不断下降、交流伺服的市场接受度不断上升,中低端市场有非常大的增长空间,因此本土厂商仍将有很大作为;同时台湾、日本厂商也将在整个市场的扩大中获益,欧美品牌的市场占有率将逐渐下降,但仍将保持很高的毛利水平。根据机械工业研究院产业与市场研究所05 年做的市场调查,目前国内市场上覆盖面最广的10 个品牌分别是:西门子、三菱、安川、兰电、松下、Fanuc、华中数控、ABB,和利时电机和AB(属于Rockwell Automation)。其中西门子和三菱品牌覆盖率在30%以上,AB 在3.7%,其他品牌均在10~20%之间。调查显示国产企业比如和利时电机、华中数控、兰州电机等企业,经过多年的研发推广,在这个市场中做的有声有色,在产品覆盖面上占有一席之地,但是国产品牌的客户忠诚度和影响力明显不如进口品牌。用户选择进口品牌和国产品牌的比例为大约4:1,国产品牌没有进入用户首选品牌的前5 名。虽然和利时电机和华中数控分列未来需求品牌的第6 位和第7 位,但是面临日本和台湾产品本地化生产之后日益激烈的竞争,中小功率通用伺服产品价格持续下降,利润率越来越低。国产品牌不仅在产品的性能、质量与品种上都有所欠缺,在技术储备、生产能力和资本实力上的巨大差距更不是一两天可以弥补。国产品牌要想突围,除了需要耐心和持续投入之外,还需要在竞争策略方面走差异化路线。总之,中国品牌厂商同时面临巨大的挑战和发展机会,任重而道远。

3. 交流伺服的行业应用

现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域,比如火炮、雷达控制。逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械,比如纺织机械、印刷机械、包装机械、医疗设备、半导体设备、邮政机械、冶金机械、自动化流水线、各种专用设备等。其中伺服用量最大的行业依次是:机床、食品包装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械,合计超过75%。

i. 在数控机床中使用永磁无刷伺服电机代替步进电机做进给已经成为标准,部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。在主轴传动中采用高速永磁交流伺服取代异步变频驱动来提高效率和速度也成为热点。90 年代以来,欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床, 高速电主轴单元转数在30000rpm~100000rpm,工作台的进给速度在分辨率为1μm 时达到100m/min,甚至200m/min 以上, 在分辨率为0.1μs 时,在24m/min 以上。当今数控机床突出高速、高精、高动态、高刚性的特点,对位置系统的要求包括:定位速度和轮廓切削进给速度;定位精度和轮廓切削精度;精加工的表面粗糙度;在外界干扰下的稳定性。这些要求的满足主要取决于伺服系统的静态、动态特性。

我们已经看到国产伺服系统比如广数的产品在经济型数控机床上的广泛应用,但是在中高档数控机床上采用国产伺服系统仍然面临困难,性能是一个重要方面,还有就是稳定性和可靠性,或许品牌效应也是难以短时间逾越的障碍。

ii. 在机器人领域,无刷永磁伺服系统得到大量应用。工业机器人拥有多个自由度,每台工业机器人需要的电机数量在10 台以上。目前世界范围内工业机器人拥有量超过100 万台,机器人的需求量年增长在30%以上。国际上工业机器人采用的伺服系统属专用系统,多轴合一,模块化,特殊的散热结构,特殊的控制方式,对可靠性要求极高。国际机器人巨头都有自己的专属伺服系统配套,比如安川、松下和ABB,这方面国内差距明显。国产工业机器人厂家仍然在采用标准的进口交流伺服系统,国产伺服系统想进入工业机器人配套领域,就更加遥远。不过,我们也看到在一些特殊机器人领域,比如反恐防爆机器人、矿井救灾机器人等轻便移动机器人,采用了国产基于低压直流供电的微型无刷伺服系统,比如和利时电机的蜂鸟系列就获得了成功。当然,在更广泛的机器人领域,需要的不仅仅是交流伺服电机,还包括各种其他微特电机,如直流伺服电机、直线电机、测速发电机、旋转变压器、力矩电机等。

iii. 纺织行业当前应用伺服的比例很低,但却是未来交流伺服大批量应用的重要行业之一。从90 年代初期至今已经15 年,纺织行业技术进步主要是依靠变频化、PLC 化。只有少量纺织机械采用了高档伺服技术,用于提高精度和效率,目前已有高档梳棉机、带自调匀整的并条机、新型粗纱机、数控细纱机、分条整经机、浆纱机、园网印花机等设备应用了交流伺服。无梭织机上已经开始采用带交流伺服的电子送经和电子卷取,印染设备上也要用到伺服系统。这些设备每年的伺服用量在2、3 万套左右,且几乎全部是进口产品,如Lenze、Danaher、Siemens 和Baumuller,还有三菱和松下等。价格是制约交流伺服大面积普及的主要因素,国产产品虽然在价格上有一定竞争优势,但是性能指标、可靠性和环境适应性等方面存在欠缺,还需要在品牌塑造、服务、交货期等方面不断改进。在如下两个方面,我们可以看到国产伺服厂家的成功案例,一个是在工业缝纫机上,近几年国产伺服控制器逐渐取代台湾和其他进口品牌变成市场主流,凭借低成本的电机、简单的低线数编码器,以及集成控制和驱动,在解决了批量稳定性之后,象上海鲍麦克斯这样的国内品牌获得了成功。每年数十万台的产量,这可能是未来几年里,低档伺服最大的市场了。另外一个紧密结合用户需求进行创新开发的案例,可以举和利时电机开发的络丝机控制系统。“络丝机”是属于织造前工序的精密工艺设备,将各种天然丝络成各种规格的柱状、宝塔形、双锥形筒子,供用于染色、整经、针织等后道工序。该公司充分利用自己在步进、无刷、伺服、运动控制、网络通讯等方面的综合技术,通过和国内最大纺机集团的密切合作,开发成功了精密络丝机控制系统,其核心是利用高动态的伺服横动电机以及数字卷绕技术,取代传统的机械传动而实现单锭化和数字化,每锭之间依靠CAN 总线联系,是无轴技术应用的典范。该产品的研发成功充分体现了国内厂商的竞争能力,为国产伺服厂商开辟了参与市场竞争的新路。

iv. 无轴(电子轴)传动技术在印刷机上应用,也是目前全球印刷企业和机械制造商的焦点。无轴传动就是用多个单独的伺服电机取代传统的机械传动链,伺服驱动器之间依靠高速现场总线进行联系,通过软件保证各伺服轴对内部的虚拟数字电子轴保持严格同步。采用无轴传动技术为印刷机的生产制造、为印刷业服务革命带来了最佳解决方案,目前欧洲50%的凹印机采用了无轴技术,日本也有30%以上采用。其他采用无轴传动的机械包括卷筒纸印刷机、柔印机、上光机、烫金机、模切机等各类印刷设备。这一领域最顶级的伺服控制解决方案提供商是来自德国的博世力士乐、伦茨、日本的住友和奥地利的贝加莱。国内目前仅有北人和松德等个别厂家进行无轴传动印刷机的开发,部分规格的性能指标接近国际水平,但是其采用的电子轴传动伺服系统和套准控制系统均来自日本和欧洲,国内相关伺服厂家还鲜有涉足。国产伺服和控制系统要达到这个领域的要求,需要顶级的技术水平和对这个行业的透彻理解,看来还有漫长的路要走。

v. 包装设备上,采用伺服控制可以提高单位时间的产量、提高资源利用率、增加品种适应性和提高产品质量,因此交流伺服在包装机械上的广泛使用只是时间问题。采用数字伺服技术的电子齿轮和电子凸轮将代替传统机械部件,随着价格的下降,成本也逐渐接近纯机械的方案。欧洲有个Elau 公司专门针对包装机械设计开发数字伺服和运动控制解决方案,在大型连续包装设备方面居于领先地位,而我国尚没有出现如此专业的解决方案提供商。

vi. 这几年出现的新型电梯曳引机,采用永磁同步伺服电机做无齿轮直接驱动,取代变频异步驱动,具有更高的控制精度、动态特性、高效率、低噪声,已经成为国际和国内主要电梯厂的热点产品,促进了电梯产业的革命。国内已有宁波申菱、沈阳博林特等电梯厂家研制出了自己的曳引机电机产品,配进口矢量控制变频器或伺服驱动器。

4. 国内外市场发展趋势

i. 国际交流伺服市场处于恢复性增长状态,而国内市场在未来3~5 年仍将维持高速增长。

ii. 国外运动控制厂商通过购并和联盟迅速扩大自己的实力,谋求一站式解决方案提供商的地位,比如Danaher 自从1995 年以来连续收购了超过40 家运动控制厂商,包括我们非常熟悉的一些品牌,如Kollmorgen, API, Pacific Scientific,Superior Electric, Dover, NEAT, Thomson, Giddings # Lewis, Warner Motion,InMotion, Bautz, Micron 和Siedel 等。Parker 也按照相同的思路在扩展,最近的例子是收购了Bayside,而Schneider 收购了Berger Lahr。许多新生的小企业具备独特的技术或其他核心能力,也会找到属于自己的生存空间,并因此得到更多投资。

iii. 国际范围内,政府和国际标准的不断发展给伺服产业带来深远影响,比如美国的能源法案EPactII 对电机系统能效的规定,美国的UL、NEC(NFPA)标准对安全的规定,欧盟的RoHS、WEEE 和CE 标准对环保和安全的规定等。

iv. 交流伺服系统的市场范围不断扩大,越来越多取代机械传动、液压和气动传动系统;交流伺服不断取代直流伺服的市场份额,导致直流伺服在整个伺服市场的占有率从目前的不到15%每年大约下降0.5%;同时交流伺服成本和尺寸不断缩小,也在蚕食高端步进电机的市场,但是步进电机本身也在不断提高自己的竞争能力,不断延伸市场空间,因此在收到冲击的同时市场也在扩大,只是速度可能不如交流伺服这么快而已。我们相信,在中国交流伺服市场发展的过程中,一定会出现强势的国产品牌,国际厂商也必然从中获益;在诸强博弈中让广大客户受益,最终促进整个行业的成熟.


 

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