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制造业的尽头一定是自动化,详解我国工业机器人产业链国产程度

日期:2022-06-16 来源:BG真人

随着工业化程度的不断加深,工业生产发展进步,人力成本以及人口结构的改变,劳动力短缺已经代替劳动力过剩,成了主要制造业国家面临的主要矛盾。

  例如我国制造业的劳动力短缺,几乎成为常态。但工业生产的某些特质决定了,提薪招工仅是权宜之计,大多数制造业的利润空间不太可能支持薪资持续上涨,这也是制造业向低人力成本地区转移的基本内在逻辑。

  无论是想降低人力成本,还是解决劳动力短缺,用机器人投入生产,成了制造业必然的选择,是我国近年工业机器人行业繁荣的主要驱动力。

  从市场规模看,尽管中美贸易冲突对行业造成了一定冲击,全球范围内的工业机器人保有量仍在稳步增长。根据IFR(世界机器人联盟)数据显示,2020年的全球工业机器人保有量为301.5万台,较2019年增长10.4%,在10年内增长超过160%(2011年为115.3万台)。

  中国是世界上最大的工业机器人市场。且增速远超行业平均水平。根据IFR的统计,2020年中国机器人的年安装量排名第一,达到16.8万台,超过了第2~15名的总和,是十年前的7倍有余(2.3万台)。

  中国的繁荣并非孤例,对工业机器人的旺盛需求,也出现在全球供应链的另一个重要制造业中心,美国。根据美国自动化促进协会(Association for Advancing Automation)的数据,2022年第一季度美国机器人订单增长了40%,2021年整体增长了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着关键影响。本文将从产业链概况开始,解析关键环节,详述我国工业机器人发展现状、主要制约因素以及行业未来发展趋势。

  工业机器人应用前景广阔

  从机械结构来看,工业机器人主要包括垂直多关节机器人、SCARA机器人、协作机器人及DELTA机器人。

  工业机器人被设计为不同的形态,主要是为了适应不同应用场景。据相关机构统计,2020年我国工业机器人销量中,上述四种类型的工业机器人占比分别为63%、30%、4%、3%。

  工业机器人从汽车工业起步然后渗透一般工业,2020年我国非汽车领域的应用占比超过70%。

  受劳动力成本提升、原材料价格波动等因素影响,制造业对快速生产和交付的自动化需求持续增加。在焊接行业,由于烟尘、弧光、金属飞溅及工作环境等因素影响,行业面临招工难、用工难、效率低、焊接质量不稳定等问题,自动化需求更为迫切。

  工业机器人的产业链概况

  工业机器人主要职责是在生产线上进行搬运、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、半导体等多个行业。工业机器人的研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志,被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”。

  尽管相关研究起步于上世纪七十年代,但至今我国工业机器人的国产化率仍较低。尤其是占成本比例较大、且利润较高的核心零部件,其高端化生产制造仍由在国外厂商掌握。

  工业机器人产业链

  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,按照机械结构和运动方式的不同,可分为多种类型;下游是机器人系统集成,应用于不同行业场景。

  在工业机器人的成本构成中,本体制造仅占约22%,核心零部件占比超过70%。

  而在利润方面,本体制造仅有15%,三大核心零部件的利润率均高于此:减速器40%,伺服系统35%,控制器25%。

  若自下而上审视国产机器人产业,我们会发现,目前工业机器人下游应用端国产化率较高,但中上游则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,因此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,占据了全国80%的集成市场。本土集成商在电子行业的竞争力较强,而在传统的汽车制造领域竞争力较弱,呈现数量多,规模小的业态。

  中游的本体制造环节的国产化率很低,仅为27%。不过本体制造是一个比较复杂的话题,若聚焦在工业机器人领域,行业长期被”四大家族“(发那科、安川、ABB、库卡)把持,国内仅有少数厂商可勉强跟随。但若把目光放在更宏观的机器人本体制造,在移动机器人(AGV/AMR)、协作机器人等领域,近年来本土厂商的竞争力不错,机器人本体制造的国产化率可观。

  在上游环节,减速器、伺服系统、控制器此三种的最核心的零部件,国产化率仅为36.53%、24.50%、31.20%。相较于复杂的中游制造环节,核心零部件的逻辑更为简单直接——无论其它环节业态如何,该环节的需求永远存在,是整个机器人工业的基石。若能实现上游零部件的国产化替代,不仅能解决供应链安全问题,也能显著降低工业机器人的应用成本,并缩短拿货周期,进一步推动工业机器人的应用,提升智能制造水平。

  工业机器人核心零部件

  工业机器人核心零部件包括控制器、减速器、伺服系统。此三个装置,决定了工业机器人能够实现自动化的精密运动,在一些生产环节中代替人力。这也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

  控制器是决定机器人功能和性能的主要部分相当于大脑,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。

  控制器主要包括硬件和软件两部分。硬件部分是工业控制板卡,包括主控单元和部分信号处理电路。软件部分主要包括底层操作系统、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,根据操作任务要求,经过算法计算后发出指令信息,驱动机器人关节中的各个电机转动,从而实现对机器人的精密控制。

  控制系统的基本功能包括记忆、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,并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、编码器三部分组成。伺服驱动器将从控制器接收到的信息分解为单个自由度系统能够执行的命令,传递给伺服电机;伺服电机再将收到的电信号转化为转速和转矩,驱动控制对象;编码器将电机的编码信号反馈给控制器,很大程度上决定了伺服系统的精度。

  当前,工业机器人的伺服系统主要是电气伺服系统中的交流伺服系统。按照功率大小,可以分为小型/中型/大型伺服系统。

  减速器

  减速器是控制机器人运动的核心部件,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,能够降低转速、增大转矩,从而驱动“关节”运动。

  减速器通过齿轮的啮合,将电机的转速减速到机器人各“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。

  工业机器人中的减速器主要是谐波减速器和RV减速器两类。

  根据GB/T 34897-2017《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,应用于重载机器人的全部关节,以及轻载机器人的部分关节,类似于“大臂”“肩膀”等位置。

  根据GB/T 30819-2014《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的部分关节中,类似于“前臂”“手腕”等位置。

  换道超车,国产替代加速

  目前汽车行业仍为国内外工业机器人供应商下游主要的应用领域;其中海外品牌下游主要应用于汽车整车,国内品牌主要提供冲压、焊接、喷涂、包装等汽车行业细分领域的机器人产品。

  埃斯顿焊接技术优势显著,2020 年完成了对领先的焊接企业Cloos 的并购重组,目前公司压焊技术已超过部分海外品牌,细分领域龙头初现;埃夫特喷涂技术优势明显,公司先后在境外收购喷涂机器人制造及系统集成商 CMA、通用工业机器人系统集成商 EVOLUT,机器人喷涂技术加速提升。

  2021 年,埃斯顿发布了与河南骏通车辆有限公司签署机器人销售合同的订单,标志着公司在专用车辆整车制造的领域获得规模性订单。我们认为,随着下游制造业需求的逐步回暖,工业机器人行业景气度有望持续提升,汽车行业作为下游主要的应用领域,市场空间广阔。

  埃斯顿规模性标杆项目的建立打开了国产工业机器人供应商在整车制造领域的市场空间,随着国内供应商技术水平不断提升、项目经验逐渐丰富,国内品牌在汽车行业的渗透率有望持续提升,国产替代加速。

  截至 2020 年,国内非汽车领域的工业机器人应用占比已由 2010 年的约 50%提升至 70%+,呈逐步递增趋势。其中 3C 领域的应用超过 30%,金属制造领域的应用超过 12%,锂电、食品领域的应用均超过 5%。随着 5G、新能源等领域的快速发展,工业机器人下游新的应用场景持续扩展;此外,随着机器人技术不断进步以及使用机器人带来的经济性的提升,工业机器人在金属制造、食品饮料等生命周期相对较短的行业的应用也在持续增加。

  目前国内工业机器人供应商在中低端市场地位稳固,海外工业机器人供应商主要集中在高端市场,因此海外品牌在汽车整车和仓储物流行业中市场份额较大,而国内品牌在以中低端市场为主和技术难度相对较低的汽车电子、汽车零部件、金属加工等行业中市场份额较大;其他行业中,如食品饮料、医疗用品等行业,由于定制化程度高,价值量相较于汽车行业低,外资品牌难以全面顾及,因此主要由国内工业机器人供应商所覆盖。

  随着工业机器人下游应用领域的逐步拓宽,国内工业机器人增量市场空间广阔,国内工业机器人企业有望凭借自身优势逐步实现换道超车。

  在对国内外工业机器人进行精度比较时,一般采用埃斯顿负载分类标准:小负载(0-30kg)、中负载(30-100kg)、大负载(100-350kg)和超大负载(>350kg)。

  在小负载焊接领域,国产工业机器人的重复定位精度、臂展距离与“四大家族”产品相近,但在最大速度上仍与海外品牌存在一定差距。重复定位精度方面,国内主要供应商的小负载焊接机器人可达 0.05-0.08mm,与海外四大家族工业机器人(0.05-0.08mm)大体相当;臂展方面,国内主要供应商的小负载焊接机器人最大工作距离可达 1400mm 以上,与海外品牌平齐;最大速度方面,国内主要供应商的小负载焊接机器人达 125-175mm,相比海外品牌相比仍有一定进步空间(180-260mm)。

  中小负载折弯领域,国产机器人重复定位精度、臂展距离以及最大速度参数与“四大家族”产品接近。国内主要供应商的中小负载焊接机器人重复定位精度约为 0.03-0.1mm,接近四大家族产品精度(0.04-0.07mm); 臂展方面,国内主要供应商的中小负载焊接机器人最大工作距离能达到 2500mm 以上,与四大家族差距较小(2600mm);最大速度方面,国内主要供应商的中小负载焊接机器人达 110-175mm,与四大家族基本一致(110-170mm)。

  在大负载冲压机器人领域,国产机型精度已经与部分海外四大家族产品精度相当。国内工业机器人龙头的重复定位精度为 0.2mm,与四大家族部分产品已基本相同(均达 0.2mm),然而相比四大家族中部分精度达 0.03-0.05mm 的产品仍有一定的提升空间。在小负载冲压领域,埃夫特于 2017 年推出重复定位精度达 0.07mm 的冲压机器人,国产工业机器人正不断向高精度冲压领域发展。

  综合来看目前国产工业机器人的加工精度与四大家族的差距逐步缩小,部分精度仍有一定的进步空间。随着国内工业机器人供应商不断通过“自主研发+外延并购”完善技术体系,国产工业机器人的加工精度将持续优化,在国产替代趋势下有望加速追赶海外工业机器人品牌。

  2020 年,四大家族在国内机器人售价高于同类型国产工业机器人售价约 40%以上。目前国产工业机器人整体规模仍较小,未来随着行业的快速发展以及国产品牌渗透率的持续提升,国内供应商规模优势将逐步体现,成本端仍有下降空间。

  中长期来看,国产工业机器人可提升的市场份额仍然较大,在部分细分赛道优势明显。国产品牌的主要优势包括:

  1)本土化优势:国产工业机器人供应商在国内拥有完善的营销网络和售后服务体系,客户享有更高效、便捷的服务;

  2)成本控制优势:海外供应商在进口关税和经销商布局等方面成本仍较高;此外,国内品牌逐渐形成规模效应后,对上游议价能力增强,成本控制能力有望进一步提升;

  3)全产业链优势:国内工业机器人供应商不断通过“自主研发+外延并购”完善技术体系、提升核心零部件自制率,逐步形成全产业链优势。

  综合来看,受益于下游制造业升级,叠加新兴应用领域打开市场空间,工业机器人行业景气度持续提升;国内工业机器人企业与海外巨头错位竞争,同时发挥自身价格、成本控制、本土化以及全产业链等优势,加速进行国产替代。

  工业机器人行业趋势预测

  1、工业机器人市场预测

  预计2022年疫情的影响将逐渐消退,市场的需求更多呈现结构性分化态势,依然坚持整体无“爆发”可能性的判断,预计中国工业机器人市场全年销量增速15%-20%左右,国产化率稳步提升,2022年有望超41%。

  2、国家政策支持机器人产业发展

  12月28日,工业和信息化部、国家发展改革委、科技部等15部门正式印发《“十四五”机器人产业发展规划》提出,“十四五”期间,将推动一批机器人核心技术和高端产品取得突破,整机综合指标达到国际先进水平,关键零部件性能和可靠性达到国际同类产品水平;机器人产业营业收入年均增速超过20%;形成一批具有国际竞争力的领军企业及一大批创新能力强、成长性好的专精特新“小巨人”企业,建成3到5个有国际影响力的产业集群;制造业机器人密度实现翻番。

  3、工业机器人共融为未来技术突破要点

  目前我国工业机器人主要在结构化环境汇总执行确定性任务,在复杂动态环境中作业的情况并不足够灵活,主要是因为工业机器人在与环境的共融、与其他机器人之间协同方面感知能力较弱。随着传统工业机器人在机器视觉、智能传感与云技术等技术的发展下,未来工业机器人将更智能化,柔性化,即由传统机器人向共融机器人优化。

  4、工业机器人产品幅度提升

  1、多关节机器人:中大负载(≥20kg)产品开始放量,搬运及拆码垛应用需求将延续增长态势,尤其是搭载3D视觉的占比将大幅提升。

  2、协作机器人:国产的市场地位进一步巩固,同时,协作机器人的产品形态将持续丰富,涵盖从负载、臂展、轴数、力控、传感器等多个维度的创新将持续发生,不可避免的是国产厂商之间的竞争也将进入白热化阶段,此外,越来越多的国产厂商在海外市场将有质的突破。

  3、SCARA机器人:SCARA的主赛道开始从原来的3C行业开始转变为3C行业与新能源行业,并且,GGII认为,市场格局的更大变数会来自于新能源行业,3C行业既有的优势或难以直接复制到新能源行业,其间对于具备高负载能力、高性价比与定制化开发能力的玩家将形成利好。

  4、并联机器人:2022年中国市场销量有望破万台,其中国产占比超过75%。

  5、机器视觉(主要指3D视觉):入局者持续增加,领域热度延续,大部分厂商还处于投入期,个别厂商的开始在细分领域形成优势与标签,如拆码垛、物流拣选、汽车检测等,准头部效应显现。同时,机器视觉真正进入算法时代,软件算法的能力(或通用性)或将是各家厂商着力提升和补足的板块之一。

  5、工业机器人在医疗领域的应用潜力有待挖掘

  目前工业机器人主要应用于汽车行业,随着汽车行业工业机器人应用的饱和,工业机器人的应用正在向其他领域逐步拓展。在疫情驱动下部分工业机器人厂商随即布局医疗领域的工业机器人,例如利用工业机器人组装医用注射器或或用于填充和关闭小瓶等。

  6、多行业拉动工业机器人市场发展

  随着经济的发展,越来越多的行业开始使用工业机器人,一同拉动工业机器人的发展,使其摆脱了过度依赖单一产业的局面。第一、新能源的爆发成为工业机器人发展的重要动力。第二、电子行业投资旺盛,将为工业机器人的增长提供持续动力。第三、受疫情的影响,还有不少行业在加快机器换人的速度,比如金属加工、医疗用品、食品饮料、家用电器等。

  现如今制造业产业升级已是大势所趋,工业机器人替代效应愈发明显,各行各业“机器换人”几乎势在必行,让整个工业机器人市场呈现多元化持续扩张的趋势,同时推动着我国工业机器人市场规模快速增长,未来十年,或许不仅仅只是扩大十倍。


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