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2019年工业机器人行业深度研究报告

http://www.b2b.hc360.com 中国金属加工网 信息来源:Author发布时间:2020年01月16日浏览:71

1 工业机器人短期迎来拐点,长期空间广阔
1.1 短期来看:工业机器人拐点已经来临
工业机器人产量同比增速扩大,需求拐点已经来临。受到中美贸易摩擦以及宏观经 济下行影响,我国工业机器人需求从 2018 年开始出现明显放缓,2018 年 9 月至 2019 年 9 月,我国工业机器人产量都处于同比下滑的状态。2019 年 10 月工业机器人产量同比增 长 1.7%,结束了连续 13 个月的同比下滑。2019 年 11 月我国工业机器人产量为16080 台, 同比增长 4.30%,环比增长 11.91%,机器人需求拐点已经来临。
我们认为2020年汽车行业对工业机器人的需求保持相对平稳,但是在5G在带动下, 电子行业对于机器人的需求量有望明显增加。此外,随着食品、仓储、光伏等行业对于 自动化率需求的不断提升,这些行业对于机器人的需求也在逐步增加。综合来看,2020 年工业机器人需求有望迎来复苏。


食品医疗、仓储物流和汽车电子等行业对于工业机器人需求快速提升。2018 年机器 人下游应用市场中占比较大主要还是 3C 电子和汽车(汽车零部件、汽车整车和汽车电子), 其中 3C 电子的占比约为 23%,汽车应用的占比约为 36%。但是受到汽车和手机销量下 滑的影响,2018 年我国汽车整车和 3C 电子对工业机器人的需求都出现了下滑。需求量 增长比较快的行业主要是食品医疗、仓储物流和汽车电子等行业。2018 年食品医疗和仓 储物流等行业机器人市场规模增速都在 30%以上。


5G 带动计算机、通信及其他电子设备固定资产投资增长。受益于 5G 渗透率的逐步 提升,从 2019 年 3 月份开始,计算机、通信以及其他电子设备等制造业固定资产投资逐 步回暖,计算机、通信和其他电子设备制造业固定资产投资完成额累计同比增速已提升 至 13.6%。2020 年 5G 建设将进一步加速,相应的设备需求量将显著增加,计算机、通 信及其他电子设备固定资产投资有望进一步提升。
……
2020-2025 年新能源汽车销量复合增速有望超过 30%。工信部就《新能源汽车产业 发展规划(2021-2035 年)》(征求意见稿)公开征求意见。《征求意见稿》提出,到 2025 年,新能源汽车市场竞争力将明显提高,动力电池、驱动电机、车载操作系统等关键技 术将取得重大突破,新能源汽车新车销量占比将达到 25%左右。假设 2025 年我国汽车销 量将达到 3000 万台,则到 2025 年新能源车销量 600 万辆以上。预计 2019 年新能源汽车 销量可以达到110-120万辆,则2020-2025年新能源车销量年复合增速需要达到33%左右。
汽车行业业绩逐步好转。汽车销量从 2018 年下半年开始下滑以后,汽车制造行业的利润也出现了显著的下滑。经过一年多的下滑后,汽车销量下滑速度明显收窄,行业的 业绩也开始逐步好转。从2019年三季度的情况看,汽车制造利润总额增速已经开始回正。随着汽车需求的逐步回暖,汽车行业的业绩有望逐步好转。
由于汽车销量下滑,行业的盈利能力降低,下游整车厂和汽车零部件厂商都放缓了 固定资产投资。从今年 3 月份开始,汽车制造业固定资产投资完成额增速出现断崖式的 下滑,至 2019 年 10 月,汽车制造业固定资产投资完成额累计同比增速是-0.3%,已有触 底迹象。我们预计随着传统汽车销量边际好转,新能源汽车在国家政策驱动下继续保持较快增长,行业的盈利能力逐步恢复,整车及零部件厂商投资意愿有望增强,汽车制造 业固定资产投资完成额有望继续保持增长。
1.2 长期来看:需求端+成本端+政策端驱动机器人需求增长
需求端: 中国作为制造业大国,全球很多产品的主要产能都集中在中国。如全球 90% 的手机是中国制造,80%的空调和计算机是中国制造,70%的光伏电池是中国制造,60% 的彩电是中国制造。但是目前我国工业机器人产量在全球中的占比却只有 37%左右。未 来随着我国制造业自动化率的逐步提升,对于工业机器人的需求量将显著提升。
此外,中国制造业面临重大变革,以智能机器人为代表的智能装备成为通向工业 4.0 的突破口。智能制造是新一轮科技革命和产业变革的核心,是中国制造业转型升级的“新动能”。以工业机器人为代表的智能装备旨在提高制造业效率、提高产品质量,从而降低 制造业的生产成本,成为制造业转型升级,通向工业 4.0 时代的重要突破口。


我国工业机器人密度提升空间大。从工业机器人密度来看(每万名制造业员工拥有 的机器人数量),2018 年新加坡工业机器人密度最高,达到 831 台,其次是韩国,达到 774 台,德国、日本以及美国等发达国家工业机器人密度也均在 200 台以上。中国是 140 台,略高于全球平均水平。作为一个制造业大国,对标其他发达国家,我国工业机器人密度还有非常大的提升空间。随着《中国制造 2025》国家战略的稳步实施,国内制造业 转型升级步伐将逐步加快,机器人密度将大幅增加,未来我国工业机器人市场潜力巨大。


机器人国产化率还有很大的提升空间。目前我国工业机器人本体及核心零部件的国 产化率都较低,特别是在汽车和 3C 等对于精度和稳定性要求比较高的领域,大部分市场 份额都是被外资品牌占据,我国大部分本体都是集中码垛、上下料以及搬运等相对低端 的领域。2018 年我国机器人本体国产化率约为 27.9%,还有非常大的提升空间。未来随 着我国工业机器人技术的不断加强,国产化率有望逐步提升。


成本端:用工难、用工贵,机器人换人大势所趋。人口红利的逐渐消失,人工成本的不断攀升也进一步推进了“机器人换人”的趋势。从劳动力人口结构上来看,我国适 龄劳动力人口占比逐年下降,其中 2018 年 15-64 岁劳动人口占比为 71.2%,较 2017 年下 降了 0.62%。社科院发布的《蓝皮书》指出我国在自 2020 年后十年劳动年龄人口将年均 减少 790 万人,未来降幅将继续增加。从制造业人力成本角度来看,我国制造业就业人 员平均工资不断提高,截至 2018 年,制造业员工平均年薪达到了 72088 元,同比增长11.85%,人口成本不断攀升。劳动力人口的快速下降与人工成本的大幅上升对制造企业 的生存产生严重威胁,倒逼企业降低生产成本,提高生产效率。


与此同时随着工业机器人国产化进程的加速带来工业机器人价格的下降,工业机器人的生产效率明显高于人,工业机器人替代人力的成本优势将更加突显。一般来说,一 台工业机器人在生产线中可替代 3 名生产工人,其机器人本体与集成的价格大致相等。以一台工业机器人使用年限为 8 年,维修费用为 1/10 工业机器人价格进行测算,可以推 算出 2018/2019 年我国工业机器人成本回收期大约为3.04/2.26 年。随着国产工业机器人, 特别是减速器、伺服电机、控制器等核心零部件的实现国产化批量应用,将显著拉低工 业机器人的应用门槛,工业机器人的价格将进一步下降。以 工业机器人年降价幅度为 5%, 制造业职工平均工资未来增幅 7%为估计。预期至 2020 年,工业机器人的投资回收期能 够缩短至 2 年。


政策端:一系列产业政策为机器人产业发展提供充分保障。工业机器人的发展离不 开国家政策的扶持。近几年,国家陆续出台多项政策支持机器人产业发展,尤其是 2009 年后政府明显加快了政策措施出台速度和力度,从顶层设计、财税金融、示范应用、人才培养等多角度发力支持机器人产业发展,政策叠加效应为我国机器人产业营造了良好 的发展氛围。
2 上游核心零部件分析
工业机器人产业链包括上游核心零部件、中游机器人本体和下游集成应用三部分。上游是控制器、伺服电机、减速器、传感器、末端执行器等零部件的生产厂商,控制器、伺服电机和减速器是工业机器人三大核心零部件;中游是本体生产商,负责工业机器人本体的组装和集成,即机座和执行机构,包括手臂、腕部等,部分机器人本体还包括行走结构;下游是集成应用商,负责根据不同的应用场景和用途对工业机器人进行有针对 性地系统集成和软件二次开发。
其中,工业机器人产业链的关键环节为上游核心零部件,占据了工业机器人整机大部分的成本和利润,也是技术上的核心和难点,是影响机器人性能最重要的部分。控制 器、伺服电机、减速器这三大核心零部件的成本占工业机器人总成本约 70%,其中减速 器占整机成本约 35%,伺服占整机成本约 20%,控制器占整机约 15%,而本体和其他部 分仅占整机分别为 15%、15%。在所有核心零部件中,减速器的毛利率最高,达到 40%, 伺服电机和控制器毛利率分别为 35%和 25%。三大核心零部件的技术水平决定了工业机 器人的工作精度、负载、寿命,以及稳定性和可靠性等重要性能指标,谁掌握了三大核 心零部件的技术和能力,谁就占领了工业机器人产业链的制高点,拥有很强的定价权。


关键环节受制于人,严重制约产业健康快速发展。虽然我国机器人产业已经取得了长足进步,但与工业发达国家相比,还存在较大差距。机器人产业链关键环节缺失,核心技术创新能力薄弱。目前我国工业机器人市场上游核心零部件的供应大部分被国外厂商所占据,国内厂商大多集中在中游的机器人本体组装和下游的系统集成,承担系统二次开发、定制部件和售后服务等附加值低的工作,使得国内机器人市场的巨大潜力带来 的产业红利被国外厂商占据。国内涉及减速器研发的企业有 10 余家左右,具备量产出货 能力的仅 5-6 家,市场几乎被日企所垄断。控制伺服系统方面,国内企业有一定的自主 配套能力,国产品牌市场份额在 15%左右,高精度减速器、伺服电机和控制器等核心零 部件依赖进口导致我国高端机器人产品质量可靠性低,机器人推广应用难,市场占有率低,企业“小、散、弱”问题突出,产业竞争力缺乏。国外工业机器人巨头本身就是核心部件的提供商,因此他们在零部件成本上拥有先天的成本优势和技术优势,另外他们往往能以大的采购量和签署排他性协议获得比较优惠的采购价格,而国内的中小企业在进口核心零部件时,往往要以显著高出国外厂商的价格购买减速器和伺服电机等核心零部件,这些都严重削弱了国产品牌机器人的市场竞争力,使得国内机器人企业难以形成 规模优势。
2.1 控制器
2.1.1 功能:控制器是机器人的小脑,主要负责控制和协调机器人运动
控制系统是工业机器人的主要组成部分,其机能类似于人脑控制系统,支配着工业机器人按规定的程序运动,并记忆人们给予工业机器人的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间),同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令,必要时可对工业机器人的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时发出报警信号。工业机器人控制系统分为处理器和控制器两部分,处理器用来计算机器人关节的运动、监督控制器与传感器协调动作,其功能相当于人类大脑。控制器从处理器中获取数据,控制驱动器的动 作,并与传感器反馈信息一起协调机器人的运动,其功能相当于人类小脑。


2.1.2 组成:控制器由硬件及软件两部分组成
控制器硬件核心在于芯片,为了保证控制系统具有足够的计算与存储能力,目前机 器人控制器多采用计算能力较强的 ARM 系列、DSP 系列、Intel 等系列芯片。软件包括 操作系统和算法库两部分,机器人专用操作系统包括 VxWorks(嵌入式实时操作系统)、 Windows CE、嵌入式 Linux、μC/OS-Ⅱ以及通用 ROS 平台等,其中 Windows CE、嵌入 式 Linux、μC/OS-Ⅱ以及通用 ROS 平台为使用较多的开源操作系统。算法库包括底层算 法库以及应用工艺算法,底层算法库的运动学控制算法即规划运动点位,负责控制机器人末端执行器按照规定的轨迹达到指定地点。动力学算法负责识别每一个姿态下机身负载物的转动惯量,使其保持最优化输出的状态。应用工艺算法即二次开发,针对不同行 业的应用工艺算法,只有在掌握底层算法的基础上才能较好地实现应用工艺算法。
2.1.3 技术趋势:驱控一体化成为轻载型机器人的主要方向
总线型控制系统越来越普遍。以太网和现场总线技术的发展为机器人提供了更快捷、稳定、有效的通信服务,基于现场总线的控制系统由控制模块、驱动模块和示教模块三部分组成,三者间的信号传输由电缆或网线完成。总线型控制系统三大模块功率不受限制,具有实时性好,易于实现高速、高精度控制,易于扩散等优点,但缺点在于传输速度慢、硬件体积大、成本较高,因此适用于控制多个大型机器人的工业场景。发达国家总线控制方式已经发展多年,具备比较成熟的总线产品和方案。国内控制器公司处于追 赶阶段,成效显著。例如 2015 年卡洛普推出基于实时以太网的总线型机器人控制器;2018 年,雷赛智能推出 EtherCAT & RTEX 总线方案,未来总线方案的控制器使用将越来越多。


驱控一体化成为轻载型机器人的主攻方向。相较于传统机器人较大的落地式控制柜,“驱控一体”能够将控制柜的体积缩小到台式机大小,从而节省了空间。因此,“驱控一 体”设备在轻载机器人上的使用具备优势,比如 SCARA 机器臂、并联机器臂、桌面型 小六轴机器人。这类机器臂所用关节功率较小,在 400W 左右,容易做集成化设计。而 且这些机器臂对空间的要求也会比较高,所以“驱控一体”的优点能得到充分体现。
驱控一体化是巧妙地将伺服驱动技术、运动控制技术和机器视觉技术融合在一台机器上,通过内部高速并行总线进行信息交换,充分满足细分行业的应用定制和工艺定制要求。与总线型控制系统结构不同的是,驱控一体控制系统将控制模块与驱动模块融合在一起,两者以内部总线的方式进行通讯。内部总线的原理类似于数据共存,两者间不需要任何电缆或网线进行信号传输。总线型控制系统的通讯速度为毫秒级,而驱控一体控制系统能够实现千分之一毫秒级通讯速度,在速度和精度要求极高的场景下驱控一体控制系统优势完全凸显。驱控一体控制系统优点在于通讯速度快、体积小、成本低,但缺点是功率受限,不适用于汽车厂大型六轴机器人等工控场景。国内控制器领先企业固 高科技早在2010 年便提出了驱控一体化的产品体系架极,并基于此承接了国家863 计划。公司推出的拿云六轴驱控一体机囊括了工业机器人控制系统开发平台、运动控制器和六轴伺服驱动器,具有体积小、功率密度高、集成度高等特点,提高了设备性能和可靠性。新时代子公司众为兴推出的驱控一体控制器 QC400A,具备多轴直线插补,3D 空间圆弧 插补,轨迹跟随,平稳加减速,连续运动轨迹速度自适应功能、样条曲线教导,振动抑 制等功能。


受益于我国的工业机器人市场强劲需求,工业机器人控制器需求量也呈现同步增长。据 IFR 数据显示,假设:(1)以进口工业机器人控制器和国产工业机器人控制器价格分 别为 2 万元和 0.5 万元;( 2)外资品牌使用进口控制器,国产机器人品牌使用国产控制器。可以大致估算出我国近年来的工业机器人控制器市场规模,2018 年我国工业机器人控制 器市场约为 20 亿元,现有空间有限,但前景广阔。
2.1.4 控制器市场格局与国内外差距
国内工业机器人控制器市场多被日系及欧美品牌占据。控制器一般由机器人本体厂商自主设计研发,主流的机器人厂商均有自己的控制系统与之匹配,国内工业机器人控 制器市场多被日系及欧美品牌占据。以发那科、安川、库卡、ABB为代表的四大家族普 遍采用自产自用的生产模式,其在中国工业机器人控制器市场的占比与其在本体市场的 占比基本保持一致,达 40%以上。2018 年国内自主品牌机器人本体市场市占率达 32.3%, 而在工业机器人控制器市场仅占约 15%,国内企业控制器尚未形成市场竞争力,部分本 体生产厂家的控制器需要通过外购国外厂商,如 KEBA、TRIO 等。但在发展过程中仍然 涌现出一批具有代表性的企业,比如固高科技、汇川技术、众为兴(新时达子公司)、埃 斯顿、华中数控等企业较有优势。
控制器硬件芯片依赖进口,软件算法差距较大。经过多年的沉淀,国内厂商的控制器硬件方案已经达到国际性水准,但物料受到限制,底层芯片依赖进口,国内尚无研发基础。在软件上,国际工业机器人品牌起步较早,经验与数据非常丰富。比如发那科在1974 年就开始进行工业机器人的生产制造,其建立的“机器人生产机器人”生产线更是 为其提供了大量的经验与数据来改进算法。国内厂商目前在运动学控制算法领域已基本实现国外先进算法,但在动力学算法上与国外先进水平等仍有一定差距,差距体现在算法的精准性,即是否能达到效率最优状态。另外,底层算法的差距导致国产控制器的应用工业算法受到限制,且国外机器人控制器有相当部分功能存在技术封锁,国产品牌目前大多集中在较为简单的搬运、码垛领域,而且软件的稳定性也不如国外,出现故障的 概率比进口产品高。
根据《国家机器人标准体系建设指南》,机器人控制器关键技术要求包括运动精度、动态性能、高速总线接口、控制轴数、插补周期、软件性能、功能安全和可靠性等技术要求。对比主要工业机器人生产厂商的控制器产品,国产控制器硬件与软件平台与国外厂商基本一致,并且可控制的机器人类型齐全,其中不乏六轴、八轴机器人,不输国外厂商,主要差距在于控制算法、安全性能以及可靠性设计等方面。安全性能差距体现在 国际厂商均已取得欧盟 CE 安全认证,并掌握多种安全功能,而国内仅有少部分厂商获得 CE 认证。同时国际厂商的抗震、抗冲击性能也要优于国内品牌。国内工业机器人生产厂 家的控制器主要具有价格优势。随着微电子技术的快速发展,处理器的性能越来越高,成本越来越低廉,高性价比的微处理器使得开发低成本、高性能的工业机器人控制器成 为可能。KUKA 控制器价格为 5.8 万元,而固高只需 6 千元。国产控制器性价比高,可 抢占对机器人精度要求不高的、通用型机器人的市场需求。
2.2 伺服电机
2.2.1 功能:伺服电机是工业机器人主要的动力来源
伺服系统由伺服驱动器、伺服电机、编码器三部分组成,是工业机器人主要的动力来源。伺服驱动器负责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,再传递给执行机构(伺服电机),伺服电机将收到的电流信号转化为转矩和转速以驱动控制对象,实现每一个关节的角度、角速度和关节转矩的控制。编码器作为伺服系统的反馈装置,很大程度上决定伺服系统精度。编码器安装在伺服电机上,与电机同步旋转,电机转一圈编码器也转一圈,转动的同时将编码信号送回控制器,控制器据以判断伺服电机的转向、转速、位置信息。一般来说,工业机器人的每个关节都会搭配一个伺服电 机,即一台六轴工业机器人搭配 6 套伺服电机。
为了提高工业生产的灵活性,机器人正变得越来越轻,同时为了保证机器人的动态和精度,高功率密度伺服电机至关重要,在精加工作业领域,机器人甚至需要人手所具备的柔顺性,要求电机能以“罐头”大小实现高性能,提高生产质量和效率并保证操作 员安全。机器人对伺服电机的高要求主要有以下方面:
第一,要求伺服电机具有快速响应性。由于工业机器人一般运行在频繁的加速、启 停的情况下, 因此要求伺服电机具有响应能力高,调速范围大的特点,也对伺服系统的 散热性有一定需求。响应指令信号的时间愈短,电伺服系统的灵敏性愈高,快速响应性能愈好,一般是以伺服电机的速度环带宽值大小来说明伺服电机快速响应的性能。第二,伺服电机的起动转矩惯量比要大。在驱动负载的情况下,要求机器人的伺服电机的起动转矩大,转动惯量小。第三,为了配合机器人的体形,伺服电机必须体积小、质量小、轴向尺寸短,即功率密度大。第四,能经受得起苛刻的运行条件,具有较高的可靠性与 稳定性,可进行十分频繁的正反向和加减速运行,并能在短时间内承受数倍过载。


2.2.2 伺服电机应用领域及规模测算
伺服电机在工业自动化中发挥着重要作用,广泛用于机械、冶金、电力、石油化工、船舶制造、航空航天、建筑、交通、科研试验等多个领域。其中,机床工具、电子设备 制造和工业机器人等行业伺服应用比例较高。前瞻产业研究院数据显示,2018 年机器人 占伺服系统下游应用的 10%,且高启动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电机在工 业机器人中应用较为普及。随着未来机器人零部件实现突破,我国工业机器人行业将迎
来快速发展期,伺服系统的应用领域也将继续向电子设备制造、工业机器人等新兴领域 深入。伴随着工业机器人、电子制造设备等产业的迅速扩张,伺服系统在国内应用规模也 增长迅速,整体市场规模增长空间较大。据前瞻产业研究院统计数据显示,2012 年我国 伺服系统市场规模已达 52 亿元,并呈现逐年稳定增长态势。2016 年我国伺服系统市场规 模达到 71 亿元,同比增长 12.7%。到了 2017 年我国伺服系统市场规模增长至 95 亿元, 同比增长 33.8%。截止至 2018 年底我国伺服系统市场规模突破百亿元,达到 117 亿元左 右,2012 年至 2018 年年复合增长达到 14.5%,增速明显。


2.2.3 市场格局:欧美品牌占据高端市场、国产品牌聚焦低端市场
国内伺服电机的参与者众多,可以分为日系、欧美系、台系以及国产系四类厂商。目前我国伺服电机中高端市场主要被国外企业垄断,进口产品在我国工业机器人伺服市 场上占有率达 70%以上。以西门子、施耐德、博世力士乐等为代表的欧美品牌产品过载 能力高,动态响应好,驱动器开放性强,但价格昂贵,体积重量大,在高端设备和生产线方面比较有竞争力。日系品牌产品以小功率和中功率为主,以松下、安川、三菱、三洋等为代表的日系品牌技术和性能水平比较符合中国用户的需求,以良好的性价比和较 高的可靠性获得了稳定且持续的客户源,占据 50%以上国内市场份额。台系以台达电子 为代表,其性能接近日系,价格介于国产与日系之间,性价比高,在中低端市场发展较 快,市场占有率约 10%。
国产伺服电机尽管技术相对落后,产品主要在中低端领域,但国内多家企业均已开发了机器人使用的伺服电机,国产化进程加速。目前我国企业在中低端伺服领域已经可以实现大规模量产,以性价比的优势满足中小型和经济型用户的需求,例如汇川技术、埃斯顿、英威腾、华中数控、广州数控等企业的伺服驱动器及电机产品已相继进入批量化生产阶段。尽管暂时无法像日系品牌一样提供全功率段系统选型方案,但汇川和埃斯顿等国内伺服第一梯队的企业都纷纷针对机器人研发了机器人用伺服电机,国产伺服品 牌的市场占有率有明显提升。


2.2.4 国内外差距:国产伺服电机在稳定性和工作精度等指标上存在差距
对比国内外主要伺服电机产品,我国伺服系统与日系和欧美品牌相比仍然存在不足,具体表现为快速响应性、功率密度、稳定性和工作精度等指标差距较大,电机的惯量、电流、扭矩输出等参数往往不能做到最优化,国产机器人为了满足最大负载和速度参数, 使用的电机都比日系选型要大,负载自重比大。
首先,在快速响应能力上,国产伺服电机与日系及欧美品牌差距明显。伺服电机的快速响应性能由响应带宽指标来体现,带宽越大,快速响应性能越好。对比安川电机与 国产电机同型号低惯量系列,国产电机速度环带宽为 1-2kHz 左右,安川电机能够实现 3.1kHz。其次,在功率密度上,伺服系统对体积、重量要求较高,比如轻载 6kg 的桌面 型机器人手臂安装空间非常狭小,对伺服电机的长度、质量有着严格要求。受限于国内厂商的设计与制造能力,国产电机外形尺寸偏大,能量密度较小,较难适应工业机器人电机狭小的安装空间。第三,在工作精度上,伺服电机的工作精度主要由编码器决定。编码器相当于关节模组的神经,时刻地把关节运动的位置数据反馈给控制器,从而实现精准的控制。编码器核心在于芯片与码盘设计,国内主流厂商采取的做法为芯片外购,在此基础上开发自有解码技术,并且高精度编码器仍然依赖进口。电机编码器芯片依赖进口是导致国产伺服电机不能完全替代进口产品的主要原因。国产主流伺服电机编码器 分辨率最高仅达到 23 位绝对值,而日系及欧美品牌已经突破 24 位,因此目前国产编码 器存在一定的精度不足问题。第四,在稳定性及可靠性隐性指标上,由于伺服系统要进行十分频繁的正反向和加减速运动,并在短时间内承受数倍过载,因此要求伺服系统必须在苛刻的运行环境下保持良好的稳定性。日系产品表现非常优秀,而部分国产产品即使初始性能优越,但当面临过载等较为的复杂工况环境时,其性能大打折扣。国产伺服电机在实际使用环境下的性能指标与实验室性能指标无法匹配,这是阻碍国产伺服系统 进军高端市场的重要原因之一。
2.3 减速器
2.3.1 功能:减速器是工业机器人的关节
精密减速器决定工业机器人的精度和负载。精密减速器是连接伺服电机和执行机构之间的中间装置,它负责把伺服电机高速运转的动力通过输入轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的,并传递更大的转矩。精密减速器是工业机器人最重要的零部件,工业机器人运动的核心部件“关节”就是由它构成,每个关节都要用到不同的减速器产品。工业机器人对减速器的精度、负载和寿命等要求极高,其技术壁垒是工业机器人核心零部件中最高的一个,是对工业机器人本体性能影响程度最高的核心零部件。
工业机器人常用减速器分为谐波减速器和 RV 减速器两种。谐波减速器是一种单级 的齿轮减速器,由波发生器、柔轮和刚轮组成,其工作原理是由谐波发生器使柔轮产生可控的弹性变形,同时柔轮与刚轮啮合负责传递动力,以此达到减速的目的。谐波减速器具有运动精度高,传动比大、质量小、体积小以及较小的传动惯量等优点,常用于负 载小的工业机器人或大型机器人的小臂、腕部或手部等轻负载位置。RV 减速器是一种两 级减速器,由一个行星减速器的前级和一个摆线针轮减速器的后级组成。它较机器人中常用的谐波减速器具有更高的耐疲劳强度、刚度和使用寿命,而且回差精度稳定,因此 多用于工业机器人的机座、大臂、肩部等重负载传动的位置。


2.3.2 减速器应用领域及规模测算
随着技术的日益成熟,精密减速器越来越体现出高精度、高钢性、高负载、传动效率高、高速比、高寿命、低惯性、低振动、低噪音、低温升、结构轻巧、安装方便等优点,其应用领域涵盖了机器人、数控机床、航空航天、医疗器械、卫浴陶瓷、新能源等 诸多领域,展示出其广阔的发展前景。
CRIA公布的数据显示,2018 年我国工业机器人总销量为 13.5 万台,其中按类型划分, 多关节机器人、直角坐标型、SCARA机器人和并联机器人的销量分别 8.05、2、2.9、0.55 万台。一般情况下,一套六轴多关节机器人需要 4 套 RV 减速器和 2 套谐波减速器;一 套 SCARA 机器人包含 4 套谐波减速器;一套直角坐标机器人需要 3 套 RV 减速器和 1 套 谐波减速器;DELTA机器人的电机安装在固定基座上,需要 1 套谐波减速器。以 RV 减 速器平均价格为 0.6 万元,谐波减速器平均价格为 0.3 万元作为假设,可以大致估算出我 国近年来的工业机器人减速器市场规模,2018 年我国工业机器人减速器市场为30.8 亿元。
2.3.3 减速器市场格局:日本企业占据主导地位
精密减速器制造对材料、设备、工艺等多个环节都有严格要求,具有明显的投资门槛高、技术难度大等特点,行业壁垒极高。也正因此,长期以来全球工业机器人减速器 市场一直呈现高度集中状态。其中,日本纳博特斯克是生产 RV 减速器的世界巨头,约 占 60%的全球减速器市场份额,在中/重负荷工业机器人领域,其 RV 减速器产品在全球 RV 减速器市场占有率更是高达 90%以上。哈默纳科则在谐波减速器领域拥有绝对优势, 约占 15%的全球减速器市场份额。除此之外,以住友为代表的日系 RV 减速器生产厂商 以及以新宝为代表的日系谐波减速器生产厂商合计占全球减速器市场份额也高达 10%以 上,全球减速器市场呈现出以日本企业一派独大的高度集中化局面。纳博特斯克和哈默纳科在减速器领域的垄断地位给予两者极强的议价能力,由于国际工业机器人生产巨头很早就开始了与这两家企业的合作,而且采购规模极大,所以机器人四大家族能以远低于国内厂商的价格购买其减速器产品。这对于性能上本就处于弱势的国产机器人而言, 无异于雪上加霜。
纳博特斯克是日本综合性的机械集团,业务范围包括组件解决方案(精密减速器、液压机械、新能源设备)、运输解决方案、无障碍事业、其他等四大类,其中精密减速器 业务属于其最大业务板块,包括 RV-N、RV-C 以及 RV-E 等主要产品系列。纳博特斯克减 速器产品以高精度、高可靠、稳定性著称,在 RV 减速器领域全球市场占有率超过 80%, 公司的精密减速器客户主要包括工业机器人和机床,其中工业机器人客户覆盖全球四大家族机器人企业以及各知名机器人厂商。机床客户主要为日本的高精度机床企业,马扎 克 OKUMA 机床 德玛吉森。纳博特斯克拥有日本津工厂和中国常州两个精密减速器生 产基地,2017 年总产能达 84 万台,预计至 2019 年达 106 万台,2020 年产能可增至 120 万台。
哈默纳科是世界上最早从事谐波传动及特种传动技术的开发、设计、生产、销售的专业化公司,目前已成为全球最大谐波减速器供应商。哈默纳科专注于谐波减速器的研发、生产与销售,其产品已广泛应用于各类机器人、数控机床、航空航天、印刷机械、医疗机械、测量分析仪器、精密包装机械等多种行业。在全球布局上,日本哈默纳科在全球共设有三个分部,每个分部分别负责在全球不同区域的销售市场,但各分部生产的谐波减速器具有很强的一致性。哈默纳科在日本生产的谐波减速器只对亚洲地区销售;哈默纳科和纳博特斯克在美国马萨诸塞州成立的合资公司 Harmonic Drive L.L.C 生产的 谐波减速器只对美洲销售;哈默纳科在德国成立的 Harmonic Drive Antriebstechnik GmbH 公司(现 Harmonic Drive AG 公司)生产的谐波减速器只对欧洲、中东、非洲、印度及南美 地区销售。哈默纳科垄断了全球机器人用谐波减速器市场约 70%的份额,2018 年其产能 接近 180 万台。目前几乎所有的世界知名机器人厂商均采用其谐波减速器。
国内减速器供应商以外资品牌为主导。2018 年国产减速器出货量占国内市场份额不 足 30%,而近 70%以上的市场份额则由外资品牌占据,哈默纳科和纳博特斯克分别在谐 波减速器和 RV 减速器出货量上稳居国内市场份额第一,在国内减速器市场占有绝对领 先优势。国产品牌起步较晚,目前已有苏州绿的、来福谐波、南通振康、秦川机床、中大力德等多家减速器厂商实现量产,市场接受度逐年提升。


浙江双环传动机械股份有限公司创建于 1980 年,并于 2010 年 9 月在深交所公开上 市。双环传动专注于机械传动齿轮的研发、设计、制造与销售,形成涵盖车辆齿轮、非 道路齿轮、电动工具齿轮、轨道交通齿轮、RV 减速器等多个领域门类齐全的产品结构, 已经成为全球具有相当生产规模和实力的主要齿轮散件专业制造企业之一。双环传动自 2014 年起深耕 RV 减速器 5 年,已经逐步完成从研发阶段向产业化阶段的过渡,目前已 形成 RV-C、RV-E 两大系列多种型号 RV 减速器产品,2018 年 3 月与埃夫特签订 1 万台 减速器供货协议,供货周期至 2019 年 6 月 30 日。截至 2018 年末,公司工业机器人 RV 减速器产业化项目投资 3.12 亿元,预期实现 6 万套工业机器人 RV 减速器的生产能力, 计划在 2020 年建成 10 万套/年的产能。
南通振康焊接机电有限公司创立于 1993 年,以电焊机送丝装置生产起家。利用自身 精密加工的优势,通过西安微电机研究所、上海交大等多所院校展开技术合作攻关,于 2015 年实现镇康RV减速机的首批生产,成为国内较早涉足机器人用RV减速器的厂商。南通振康成功开发出 300Kg 以下机器人使用的 RV 减速器,包括 RV-E、RV-C、RD 等三 个系列 18 个产品,以超短的交货期、极高的性价比和稳定的质量获得越来越多机器人厂 家的青睐。目前已被包括 ABB、KUKA、发那科在内的多家国际厂商试用,并拥有近 300 家机器人制造商客户,已被埃夫特、凯尔达、欢颜自动化等国内机器人厂商在本体生产 中采用。南通振康具备年产 3 万台的生产能力,2018 年 RV 减速器出货量在5 万台以内。
苏州绿的谐波传动科技有限公司是一家专业从事精密谐波传动装置的研发、设计和 生产的高新技术企业。公司自 2003 年开始从事机器人用精密谐波减速器研发,目前其谐 波减速器产品在国产机器人谐波减速器市场的渗透率超过 50%,在国产谐波减速器中居 于首位,已拥有较好的品牌知名度和口碑,广泛应用于工业机器人、人形机器人、机械 设备、航空航天、通信设施等行业。其谐波减速器产品系列包括 LCD、LCS、LCSG、LHD、 LHS、LHSG 等,其产品在精度、寿命、稳定性、噪音等方面均达到国际先进水平,通过 了 3 家国外机器人制造企业 2 万小时寿命的精度测试。苏州绿的下游客户近千家,包括 新松机器人、埃夫特、新时达等国内著名机器人生产商,产品已进入 ABB供应体系,形成了年产 20 万台的生产能力,2018 年出货量超过 12 万台。
浙江来福谐波传动股份有限公司是一家从事高精密谐波减速器的高科技企业,专业从事工业机器人行业配套伺服运动执行机构的关键驱动部件——渐开线齿形和双圆弧齿形精密谐波传动减速器的研发制造。公司开发生产的精密谐波减速器,具有高可靠性、 高精度、高扭矩、高寿命、大速比、小体积等特性,目前其产品已有 25mm 到 200mm 的 40 余种规格。广泛应用于机器人、航空航天设备、数控机床、半导体制造设备、精密机 械驱动控制等领域。2018 年其谐波减速器出货量为 2-3 万台。
2.3.4 减速器国内外差距与原因
谐波减速器方面,在基本性能指标上,国产品牌与哈默纳科相差无几,部分指标能够超越世界先进水平。但在寿命、可靠性与稳定性、噪音与发热等重要隐形指标上,国 产谐波减速器与哈默纳科差距较大。哈默纳科谐波减速器产品物理寿命超过 12000 小时, 并且能够做到在 8000 小时内精度几乎不会下降,而国产产品难以在如此长的时间内保证 精度。同时在产品可靠性与稳定性方面,国产产品在面临过载等较为复杂工况环境时, 其性能大打折扣。
RV 减速器方面,国内厂商介入机器人 RV 减速器市场的时间较短,技术少有突破,整体竞争力均弱于国外品牌。在基本性能指标上,国产减速器主要表现在空程与背隙、 启动转矩,以及扭转刚度等指标与国外产品差距明显,这表明国产 RV 减速器在扭转力 矩的作用下,国产产品工作精度与抗扭转变形的能力要劣于世界先进水平,即齿形设计 以及负载能力有待加强。同时,国产 RV 减速器产品物理寿命、稳定性、以及发热和噪 音等隐性指标也与纳博特斯克差距甚远。纳博特斯克 RV 减速器产品的平均寿命一般可 达 10000 小时以上,在设定的工作寿命时间内可严格保持精度和刚度不下降,而国产产品均低于 6000 小时,这是 RV 减速器的重要差距之一。在产品噪音和发热上,国产品牌 的噪声和发热量明显高于国外品牌。噪声和发热意味着减速器内部存在齿轮啮合不良,有超额摩擦磨损现象,即减速器不是在一种正常的工况下进行工作,对减速器机械寿命 将产生不良影响,这也一直是国产RV减速器被下游应用厂商拒之门外的重要原因之一。
高精度、高可靠性、高稳定性、一致性好的精密减速器的生产出是一项系统性工程,设计、仿真、材料、精密加工、精密装配、检测等每个环节都有若干个因素对产品最终性能产生影响,任何一个环节的一个因素处理不好,都会像木桶出现短板一样,导致整 体性能与先进水平相差甚远。
从设计上看,世界领先的减速器厂商如纳博特斯克和哈默纳科在其产品的齿形设计、传动机理方面已申请专利,其它厂商不得使用其专利产品类似的齿形设计和传动机理,只能研发自有独特的齿形设计和传动机理。两家厂商的先发优势使得其占据特殊齿形设计的有利地位,而齿形设计及传动机理对精密减速器产品的工作精度、传动效率等性能至关重要,我国厂商作为后来者,避开专利限制去设计性能同样优良的齿形面临更高难 度。
从材料上看,我国材料工艺相对落后,以谐波减速器为例,据国产机器人本体厂商 透露,目前国内外谐波柔轮材料基本为 40Cr 合金钢,虽然材料种类相同,但国外提纯技 术较高,因而材料相比国内杂质少,以致目前国产谐波减速器的柔轮材料基本依赖进口。国内外企业使用的钢轮材料则有所差异,国内厂商一般使用调质钢,而日本哈默纳科多年来使用的材料均为球墨铸铁,其产品寿命已获得长时间的验证,是保证减速器寿命的最佳选择,因此国内一些减速器厂商也开始使用这类材料。当前日本、德国等国家能生产并供应较高等级的谐波减速器原材料,国内虽能提供相应的材料,但由于材料的颗粒度、刚度、硬度等指标不足,相较国外高端材料具有较大差距,对生产出的谐波减速器的产品一致性和寿命等性能均会带来不利影响。而日本哈默纳科的专用材料配方涵盖二十余种金属粉末,具备特定的粒度和配比,且未申请专利,在一定程度上筑就了其产品 高性能的护城河。
从加工工艺上看,减速器对加工精度要求极高,加工误差需要控制在 1 微米以内。高精度加工设备需要从日、德等国家进口,设备价格高、投入大,并且一、二级设备还面临出口管制问题,获取困难。同时由于国内减速器产量小导致设备采购量小,因而推高了设备采购单价,使国内减速器生产厂商在设备采购成本上同样也被国外厂商拉开了差距。即使买回来国外最先进的设备,加工工艺相比国外仍有很大差距。纳博特斯克和哈默纳科在谐波减速器领域已经深耕了数十年,积累了非常丰富的加工经验,比如如何控制机床运行温度、湿度、如何规划流程、如何调试以实现最优加工,这些方面,国内 厂商仍然处于探索期。
从装配上看,减速器的装配效果对产品性能有决定性的影响。装配过程并不是将合格零件简单地进行连接,而是根据各部装和总装的技术要求,通过校正、调整、平衡、配作及试验来保证产品质量合格的过程。高精度的装配技术也是决定减速器精度核心技术之一。目前国内减速器的装配仍然以手工流水线作业的方式为主,其装配效果完全依赖于工人的技术和经验。由于国内减速器厂商起步晚,经验积累少,国内高水平的减速器装配工人资源匮乏,造成减速器装配效果有限,而日本哈默纳科与纳博特斯克企业拥有大批从业十多年以上的高品质“匠人”,能够将减速器装配效果发挥到极致,导致国产 减速器难以与国外高精密减速器匹敌。
3 中游本体制造分析
工业机器人一般由机械本体(机械手)、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。本体即机座和执行机构,包括臂部、腕部和手部,部分机器人还有行走机构。大多数工业 机器人有 3-6 个自由度,其中腕部通常有 1-3 个自由度;驱动系统包括动力装置和传动机 构,用以使执行机构产生相应的动作;控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号,并进行控制;工业机器人还安装有内外传感器,包括视觉传感器、听觉传感器以及嗅觉传感器等,用来检测机器人自身工作状态和探测外部工作环境,类似 于人的眼睛、耳朵、鼻子等感知器官。


3.1 多关节与SCARA 机器人国产替代空间大
工业机器人本体按照坐标形式可分为直角坐标型、SCARA 型、多关节型、并联型等。在各种类型工业机器人中,多关节型与 SCARA 型用量最大,应用领域最为广泛,技术 难度较高且国产化率最低,是当前国产品牌重点攻克的方向。
从市场结构看,多关节机器人和 SCARA 机器人占工业机器人销量的主要份额,其 中多关节机器人的销量占比为 59.64%,SCARA 机器人的销量占比为 21.48%。2018 年坐 标机器人销量同比略有下降,并联机器人在 2017 年低基数的基础上实现增长。从国产化率看,基于 2018 年市场数据,多关节型机器人国产化率约 17.5%,SCARA 型机器人国 产化率约为 26%,是国产化率最低的两类机器人,有较大的国产替代空间。


3.1.1“四大家族”占据多关节机器人主要份额
多关节机器人是指臂部有多个转动关节的机器人,一般由立柱和大小臂组成。多关 节机器人的轴数(关节)越多,自由度越高,超过 6 轴为冗余自由度,其中以 4~6 轴最 常见。多关节机器人主要有两个特点:一是负载范围大,从 1KG 以下到 2~3 吨不等,能 够满足多种任务的负载要求;二是作业范围大,可以适合于几乎任何轨迹或角度的工作。正是基于这两个特点,多关节机器人被广泛应用到多个行业及领域,其中,在汽车制造中的焊接、喷涂等环节基本只能够使用多关节机器人,此外,随着多关节机器人的小型 化,其在 3C 等行业应用也越来越广泛。
从多关节机器人市场整体竞争情况来看,头部外资机器人企业出货量排名相对稳定, 前 5 家企业排名保持不变,依次为发那科、ABB、安川、库卡和川崎重工,“四大家族” 合计占外资品牌多关节机器人市场份额的 80%以上,市场集中度高。四大家族在战略布 局上多集中于高端应用领域,发那科多关节机器人是通用集团指定全球唯一的机器人供应品牌,是大众、本田指定的两家机器人供应品牌之一,也是众多中国汽车公司的供应商;库卡从焊机系统的制造商起步,通过焊机业务与一些知名汽车生产商建立了合作关 系,目前是奔驰、宝马生产线上多关节机器人的核心供应商。
相比而言,国产厂商市场份额较为分散,单个厂商出货量小,尚未形成规模效应。此外,单纯统计国产厂商多关机机器人出货量意义也不是很大,因为部分国产厂商以低价策略,销售的都是很低端的多关节机器人。我们认为如果只是采用价格上的销售策略,而不是注重机器人的质量,销量增长是难以维系的。目前国产机器人本体厂商中,埃斯顿和埃夫特等企业本体销量在国产厂商中相对较高,并且质量的认可度也较高。未来随 着国产机器人性能的不断提升,有望抢占更多的市场份额。
3.1.2 SCARA 机器人分析
SCARA是 Selective Compliance Assembly Robot Arm 的缩写,意思是一种应用于装配 作业的机器人手臂,具有一个移动关节和两个转动关节,在水平方向具有柔顺性,垂直 方向具有很强的刚性。在操作中,SCARA 机器人能够在保持高速运行的同时保持高精度 定位,特别适用于装配环节,目前已广泛应用于 3C 电子电气等行业。
2018 年我国SCARA机器人总销量约为2.9 万台,国内市场销量份额 CR5 排名不变, 其中爱普生、雅马哈继续领跑,随后为众为兴(新时达子公司)、三菱和东芝。与 2017 年销量数据相比,2018 年国产 SCARA 机器人销量增速迅猛,国产化率有所提升,其出 货量排名前十的国产品牌分别是众为兴、台达(台湾)、图灵、埃斯顿、慧灵、李群自动化、 凯宝、华盛控、天太机器人、本润。目前,众为兴、图灵、埃斯顿等厂商均有新厂在建, 预计投产后国产品牌 SCARA 机器人市场份额将进一步上升。
国内市场 SCARA 机器人国产化率由 2016 年的 13%提升到了 2018 年的 26%以上, 如此快的提升速度主要有以下几点原因:一是国内 SCARA 机器人市场分散,客户以中 小型制造业企业为主,单个客户订单金额低,外资品牌厂商难以全面兼顾,这就给国内 厂商留下了机会;二是国产 SCARA 机器人的性能正不断提升,与国外品牌的差距在不 断缩小,部分国产 SCARA 机器人在负载、速度、重复定位精度等核心指标方面已经达 到甚至超越了外资品牌的水平。
综合而言,尽管国产机器人本体跟国外四大家族比,在技术、性能、可靠性、品牌等方面还是存在一定的差距。但是埃斯顿、埃夫特等企业通过自主研发和外延并购等方 式,不断加大对于核心零部件及本体的研制,目前在相对低端的多轴机器人和 SCARA 机器人性能上已经和进口品牌不相上下。未来随着国产机器人本体企业技术实力的进一 步提升,机器人本体国产替代指日可待。
3.2 我国工业机器人本体销量有望逐步提升
2020-2022年全球机器人出货量复合增速有望超过10%。根据国际机器人联合会(IFR) 最新发布的《全球机器人 2019-工业机器人》报告数据,2018 年全球工业机器人出货量 42.2 万台,比上年增长 6%。年销售额达到 165 亿美元,创新纪录。预计 2019 年全球机 器人销量保持相对稳定,2020 年至 2022 年全球机器人出货量有望继续保持两位数以上的 增长。


据 CRIA与 IFR 统计,2018 年中国工业机器人市场累计销售工业机器人 15.6 万台, 同比下降 1.73%(注:IFR 调整了上年同期数),市场销量出现同比下降。其中,自主品牌 机器人销售 4.36 万台,同比增长 16.2%;外资机器人销售 11.3 万台,同比下降 7.2%。与 上年相比,自主品牌工业机器人销售增速虽有放缓,但依然保持了较为稳定的增长水平;外资品牌销售大幅下滑,增速骤然放缓,销量由 2017 年超 70%的增速,回落至 2018 年 的同比下降。自主品牌机器人在市场总销量中的比重为 27.88%,比上年提高 4.3 个百分 点。
根据上文叙述,2019 年 10 月和 11 月,我国工业机器人产量同比都恢复了正增长, 且增速有加快的迹象。此外,12 月份,制造业PMI 为 50.2%,与上月持平,连续两个月 位于荣枯线以上,制造业有回暖迹象。我们认为机器人需求的拐点已经来了,明年机器 人需求有望保持正增长。增长的动力主要来自于二个方面:(1)在 5G 带动下,电子等行 业固定资产投资有望增加。2020 年 5G 手机有望迎来换机潮,此外,TWS 耳机和电子 手表等电子产业都可能迎来快速增长,因此电子行业有望带动自动化设备需求的增长。( 2) 传统行业及新行业自动化率的提升。如近几年,新能源汽车,光伏,食品饮料,仓储物流等行业自动化率的逐步提升,带动了自动化设备需求的发展。所以我们认为在主要是 在上述二个方面的需求的拉动下,2020 年工业机器人有望迎来增长。


4 下游系统集成分析
工业机器人系统集成负责根据不同的应用场景和用途,对机器人本体进行有针对性地二次开发,并配套周边设备,实现工业化应用。只有机器人本体是不能完成任何工作的,需要通过系统集成之后才能为终端客户所用(从获取订单到项目工程师根据订单要求进行方案设计,再到安装调试人员到客户现场进行安装调试,最后交给客户使用)。按 照应用行业划分,工业机器人系统集成主要分布在汽车制造、3C 电子电气、金属加工、 塑料及化学制品等行业;按照应用领域划分,工业机器人系统集成主要应用在搬运码垛、 焊接、装配、喷涂等领域。
4.1 系统集成呈现“小、散、弱”的局面
系统集成主要集中在汽车制造与 3C 电子电气两大行业。目前我国工业机器人系统 集成应用大部分集中在汽车制造、3C 电子电气两大行业,而在金属加工、塑料及化学制 品、食品饮料等众多行业虽有应用,但数量相对较少,近几年开始出现应用增长的趋势。具体而言,2018 年国产工业机器人已服务于国民经济 37 个行业大类,102 个行业中类,2018 年国内工业机器人系统集成应用中,汽车行业的占比达到 32.0%,电子行业的占比 达到 21.5%,二者合计占比 53.5%,集中度较高。除去汽车、3C 电子电气两大行业外, 食品饮料、金属加工、塑料等余下 35 个行业占比仅为 42.7%,剩余行业应用较为分散, 呈现“长尾化”特点。


系统集成厂商呈现“小、散、弱”特点,主要集中在低端领域。我国工业机器人系 统集成商数量众多,但是系统集成商的规模大多较小且主要集中在低端领域。据 MIR DATABANK 统计,截至 2017 年底,中国工业机器人相关厂商 3500 余家,其中系统集成 商数量超过 3000 家,占比超过 80%。但是大部分国内集成商规模小、实力弱,且市场较 为分散,在 3000 余家系统集成商中,企业营收规模超过 5 亿元的不超过 10 家,并且主 要集中于汽车领域,营收超过 1 亿元的不足 100 家,绝大部分企业系统集成业务营收不 超过 3000 万元;国内品牌营收最高的前 10 大企业市场占有率不足 20%,市场集中度较 低;另外,绝大多数系统集成厂商缺少核心技术,多集中在以搬运和上下料为主的中低端机器人,无法进入高端市场,并且缺少自主知识产权,需要品牌授权才能开展业务, 具有较高的对外依赖度。


造成国内系统集成厂商“小、散、弱”特点的主要原因有以下几个方面:(1)系统 集成项目是非标准化的,项目之间无法完全复制,每一个项目都需要重复投入人力物力,因此难以形成规模效应;(2)系统集成项目通常采用"3331"付款模式,即图纸通过审核 后、发货完成后以及安装调试后分别拿到 30%的资金,最后剩余的 10%为质保金,一般 在产线平稳运行 1-2 年后获得。按照这种付款流程,系统集成商通常需要垫资经营,因 此限制了其同时实施项目的数量及规模;(3)系统集成商的核心竞争力是人才,其中, 最为核心的是销售人员、项目工程师和现场安装调试人员,销售人员负责拿订单,项目工程师根据订单要求进行方案设计,安装调试人员到客户现场进行安装调试,并最终交付客户使用。销售人员、项目工程师和安装调试人员才是其核心资产,因此,系统集成商也较难通过并购等方式实现规模扩张;(4)相较于机器人核心零部件与本体业务,系 统集成是一个技术壁垒较低的领域,行业进入较为容易,在近年市场爆发增长的情况下, 诞生了一大批中小微系统集成商,低端重复建设,市场更加分散。
4.2 非汽车行业机器人自动化率有望逐步提升
汽车行业属于工业机器人高端应用领域,市场主要由外资品牌把控。整车厂有四大核心工序,分别是冲压、焊接、喷涂和总装,其工艺复杂、技术难度高,是工业机器人 应用的高端应用领域,例如在汽车车身焊接工序中,整车约有 3000-4000 个焊点,需要 数十个焊接机器人在 60-75s 的时间内协同完成,因此对每个点焊工位上的机器人本体性 能要求极高,并且针对不同车型还需要单独开发控制和操作系统,以及开发相匹配的夹 具、检具、供电系统、电脑网络系统、自动检测系统等。年产能 20 万辆车的焊接车间中, 通常会使用 300-400 台机器人(由于自动化程度不同,机器人数量差距较大),包括点焊 机器人(完成约 60%的焊接点)、弧焊机器人(完成约 40%焊接点)以及小部分涂胶机器 人。
受制于技术水平等因素,国内汽车厂商使用的机器人以外资品牌为主,其中 ABB、 库卡、发那科、安川“四大家族”市场占有率合计超过 80%,此外,意大利的柯马、日 本的那智不二越、川崎重工以及韩国的现代重工也有一定市场。
此外,国内只有少数系统集成商研发和技术实力能够随着项目经验的积累逐渐形成较强的实力和一定的规模,进而抢夺国际汽车行业系统集成商的市场份额。比如埃夫特将其多种类型机器人大量应用于奇瑞汽车生产过程中,包括用于汽车总成件点焊、弧焊、涂胶和搬运,前挡风玻璃装配以及大灯等零部件的上下料、冲压、打磨、喷涂等环节。埃夫特本体除用在奇瑞汽车厂外,在江淮汽车厂等国产厂商也有少量应用。但总体而言,汽车领域仍由外资品牌垄断,特别是合资车厂商,大部分外资整车厂商的生产线标准及 机器人选型是全球统一的,几乎只采用外资品牌机器人。
国内集成厂商难以打入汽车制造核心领域,究其原因,主要为汽车集成行业作为资金和技术密集型行业,存在项目经验壁垒,客户对供应商的选择往往会基于其是否具有实施类似项目的经验、是否具有项目实施能力、是否具有良好的售后服务、是否在行业内具有良好的声誉等,整车制造商与国外厂商通常有长达几十年稳定合作,国产厂商起步晚,欠缺项目经验以及高效的售后服务体系,往往达不到高效维修解决故障问题的能 力。
非汽车领域的空间巨大,成为我国工业机器人密度提升的新增长点。截至 2017 年, 我国汽车工业机器人密度已达到 634 台/万员工,自动化率程度较高。相较而言,非汽车 领域自动化率普遍偏低,以 3C 行业为例,3C 行业已连续两年成为我国工业机器人应用 的首要行业,但目前其机器人密度仅约不到 40 台/万员工,自动化率普遍偏低,即便是加 工厂龙头富士康代工手机的自动化率也仅为 30%左右,最高也尚未突破 50%,日韩国家 的机器人密度早已超过 1200 台/万员工,差距巨大。相对于应用渐趋饱和的汽车市场,作 为万亿级产业体量的 3C 市场,工业机器人在此领域存在巨大的发展空间。
现阶段我国作为全球3C制造业的中心,集中了全球70%的 3C产能,居于全球首位。3C 产业作为目前发展最为迅速的产业,产品更新快但智能化制造不够成熟的情况下,生 产线换线频繁、招工困难、自动化率的逐渐提升均会促进机器人销量的增长,使得 3C 领 域成为机器人企业未来竞争主战场之一,这也将给国产厂商带来机会。高增长新兴领域的全自动产线需求带来新的增量。新兴领域包括新能源汽车、汽车零部件中的三电、新能源和仓储物流等,这些领域未来对于系统集成应用的需求将持续增长,国产化替代进 程有望加速。
整体而言,自动化需求正持续扩散,3C、新能源、金属制造、陶瓷、家电、物流等 领域自动化应用市场前景依然广阔,未来国产系统集成商差异化的竞争机会主要在中低端市场和新兴领域。四大家族产品更偏向于标准化和通用化,深度的行业应用需要结合实际产业工艺进行二次开发,这也给中国的机器人厂商提供了卡位下游的发展机遇。相比国外品牌,国内系统集成商的优势体现在其服务与价格两个方面。国外厂商尽管有先进的机器人制造技术,但往往不能直接用到加工生产环节,而需要根据不同的需求做不同程度的定制。进口厂商虽然可以满足部分机器人改造,但也无暇顾及国内大批小厂商的个性化定制化需求,而国内厂商则在此方面优势突出,能够深挖多种应用场景,为制造商提供各类适配性机器人,并且提供全生命周期服务。另外,国产机器人与国外相比 价格较低,国产机器人的高性价比可以将其回本期缩短至 2 年左右,大幅降低应用厂商 使用机器人所面临的成本风险,使应用厂商有更大动力去“机器换人”。国产系统集成商 有望在中低端与新兴领域做深做强,细分子领域的龙头企业有望凭借其资金、技术以及行业理解深度上的优势从中脱颖而出,实现与国外品牌的差异化竞争。新兴领域包括新能源汽车、光伏、食品饮料和仓储物流等,这些领域未来对于国产本体应用的需求将持 续增长,国产化替代进程有望加速

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