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製造業的盡頭一定是自動化,詳解我國工業機器人產業鏈國產程度

日期:2022-06-16 來源:As电玩

隨著工業化程度的不斷加深,工業生產發展進步,人力成本以及人口結構的改變,勞動力短缺已經代替勞動力過剩,成了主要製造業國家麵臨的主要矛盾。

  例如我國製造業的勞動力短缺,幾乎成為常態。但工業生產的某些特質決定了,提薪招工僅是權宜之計,大多數製造業的利潤空間不太可能支持薪資持續上漲,這也是製造業向低人力成本地區轉移的基本內在邏輯。

  無論是想降低人力成本,還是解決勞動力短缺,用機器人投入生產,成了製造業必然的選擇,是我國近年工業機器人行業繁榮的主要驅動力。

  從市場規模看,盡管中美貿易衝突對行業造成了一定衝擊,全球範圍內的工業機器人保有量仍在穩步增長。根據IFR(世界機器人聯盟)數據顯示,2020年的全球工業機器人保有量為301.5萬台,較2019年增長10.4%,在10年內增長超過160%(2011年為115.3萬台)。

  中國是世界上最大的工業機器人市場。且增速遠超行業平均水平。根據IFR的統計,2020年中國機器人的年安裝量排名第一,達到16.8萬台,超過了第2~15名的總和,是十年前的7倍有餘(2.3萬台)。

  中國的繁榮並非孤例,對工業機器人的旺盛需求,也出現在全球供應鏈的另一個重要製造業中心,美國。根據美國自動化促進協會(Association for Advancing Automation)的數據,2022年第一季度美國機器人訂單增長了40%,2021年整體增長了21%——這也是勞動力短缺持續惡化的結果。

  因此,工業機器人對未來製造業有著關鍵影響。本文將從產業鏈概況開始,解析關鍵環節,詳述我國工業機器人發展現狀、主要製約因素以及行業未來發展趨勢。

  工業機器人應用前景廣闊

  從機械結構來看,工業機器人主要包括垂直多關節機器人、SCARA機器人、協作機器人及DELTA機器人。

  工業機器人被設計為不同的形態,主要是為了適應不同應用場景。據相關機構統計,2020年我國工業機器人銷量中,上述四種類型的工業機器人占比分別為63%、30%、4%、3%。

  工業機器人從汽車工業起步然後滲透一般工業,2020年我國非汽車領域的應用占比超過70%。

  受勞動力成本提升、原材料價格波動等因素影響,製造業對快速生產和交付的自動化需求持續增加。在焊接行業,由於煙塵、弧光、金屬飛濺及工作環境等因素影響,行業麵臨招工難、用工難、效率低、焊接質量不穩定等問題,自動化需求更為迫切。

  工業機器人的產業鏈概況

  工業機器人主要職責是在生產線上進行搬運、碼垛、焊接、打磨、噴塗、組裝等,廣泛應用於汽車製造、3C電子、金屬加工、食品飲料、半導體等多個行業。工業機器人的研發、製造、應用是衡量一個國家科技創新和高端製造業水平的重要標誌,被譽為“製造業皇冠頂端的明珠”。

  盡管相關研究起步於上世紀七十年代,但至今我國工業機器人的國產化率仍較低。尤其是占成本比例較大、且利潤較高的核心零部件,其高端化生產製造仍由在國外廠商掌握。

  工業機器人產業鏈

  工業機器人產業鏈上遊是零部件,包括核心零部件和其它零部件;中遊是本體製造,按照機械結構和運動方式的不同,可分為多種類型;下遊是機器人係統集成,應用於不同行業場景。

  在工業機器人的成本構成中,本體製造僅占約22%,核心零部件占比超過70%。

  而在利潤方麵,本體製造僅有15%,三大核心零部件的利潤率均高於此:減速器40%,伺服係統35%,控製器25%。

  若自下而上審視國產機器人產業,我們會發現,目前工業機器人下遊應用端國產化率較高,但中上遊則麵臨明顯的卡脖子現狀。

  國內廠商在渠道、價格、服務等方麵占優,因此主要在係統集成領域展開競爭,實現工業機器人在特定場景的應用部署。截至2020年6月,MIR DATABANK數據庫共收錄9456家本土工業機器人係統集成商,占據了全國80%的集成市場。本土集成商在電子行業的競爭力較強,而在傳統的汽車製造領域競爭力較弱,呈現數量多,規模小的業態。

  中遊的本體製造環節的國產化率很低,僅為27%。不過本體製造是一個比較複雜的話題,若聚焦在工業機器人領域,行業長期被”四大家族“(發那科、安川、ABB、庫卡)把持,國內僅有少數廠商可勉強跟隨。但若把目光放在更宏觀的機器人本體製造,在移動機器人(AGV/AMR)、協作機器人等領域,近年來本土廠商的競爭力不錯,機器人本體製造的國產化率可觀。

  在上遊環節,減速器、伺服係統、控製器此三種的最核心的零部件,國產化率僅為36.53%、24.50%、31.20%。相較於複雜的中遊製造環節,核心零部件的邏輯更為簡單直接——無論其它環節業態如何,該環節的需求永遠存在,是整個機器人工業的基石。若能實現上遊零部件的國產化替代,不僅能解決供應鏈安全問題,也能顯著降低工業機器人的應用成本,並縮短拿貨周期,進一步推動工業機器人的應用,提升智能製造水平。

  工業機器人核心零部件

  工業機器人核心零部件包括控製器、減速器、伺服係統。此三個裝置,決定了工業機器人能夠實現自動化的精密運動,在一些生產環節中代替人力。這也意味著其質量對最終產品的性能有著決定性影響,是國產化進程的主攻方向。

  控製器

  控製器是決定機器人功能和性能的主要部分相當於大腦,能控製機器人在工作空間中的位置、姿態、軌跡、操作順序、運動時間等。

  控製器主要包括硬件和軟件兩部分。硬件部分是工業控製板卡,包括主控單元和部分信號處理電路。軟件部分主要包括底層操作係統、控製算法、二次擴展開發等。

  控製器接收來自傳感器的檢測信號,根據操作任務要求,經過算法計算後發出指令信息,驅動機器人關節中的各個電機轉動,從而實現對機器人的精密控製。

  控製係統的基本功能包括記憶、示教、坐標設置、與外圍設備聯係、位置伺服、故障診斷及安全保護等等。

  伺服係統

  伺服係統是機器人的動力係統,相當於“心髒”。伺服係統接收來自控製器的信息,並轉換成轉矩和轉速以驅動控製對象。

  伺服係統由伺服驅動器、伺服電機、編碼器三部分組成。伺服驅動器將從控製器接收到的信息分解為單個自由度係統能夠執行的命令,傳遞給伺服電機;伺服電機再將收到的電信號轉化為轉速和轉矩,驅動控製對象;編碼器將電機的編碼信號反饋給控製器,很大程度上決定了伺服係統的精度。

  當前,工業機器人的伺服係統主要是電氣伺服係統中的交流伺服係統。按照功率大小,可以分為小型/中型/大型伺服係統。

  減速器

  減速器是控製機器人運動的核心部件,相當於“關節”。減速器是鏈接伺服係統和末端執行器的中間裝置,能夠降低轉速、增大轉矩,從而驅動“關節”運動。

  減速器通過齒輪的齧合,將電機的轉速減速到機器人各“關節”運動實際需要的轉速,並輸出更大的轉矩,驅動“關節”運動。

  工業機器人中的減速器主要是諧波減速器和RV減速器兩類。

  根據GB/T 34897-2017《滾動軸承工業機器人RV減速器用精密軸承》定義,RV減速器是傳統擺線針輪和行星齒輪傳動裝置的混合。RV減速器由多個高密度軸承和齒輪組成,應用於重載機器人的全部關節,以及輕載機器人的部分關節,類似於“大臂”“肩膀”等位置。

  根據GB/T 30819-2014《機器人用諧波齒輪減速器》定義,諧波減速器由波發生器、柔輪、鋼輪三部分構成。諧波減速器結構簡單,一般應用於輕載機器人的部分關節中,類似於“前臂”“手腕”等位置。

  換道超車,國產替代加速

  目前汽車行業仍為國內外工業機器人供應商下遊主要的應用領域;其中海外品牌下遊主要應用於汽車整車,國內品牌主要提供衝壓、焊接、噴塗、包裝等汽車行業細分領域的機器人產品。

  埃斯頓焊接技術優勢顯著,2020 年完成了對領先的焊接企業Cloos 的並購重組,目前公司壓焊技術已超過部分海外品牌,細分領域龍頭初現;埃夫特噴塗技術優勢明顯,公司先後在境外收購噴塗機器人製造及係統集成商 CMA、通用工業機器人係統集成商 EVOLUT,機器人噴塗技術加速提升。

  2021 年,埃斯頓發布了與河南駿通車輛有限公司簽署機器人銷售合同的訂單,標誌著公司在專用車輛整車製造的領域獲得規模性訂單。我們認為,隨著下遊製造業需求的逐步回暖,工業機器人行業景氣度有望持續提升,汽車行業作為下遊主要的應用領域,市場空間廣闊。

  埃斯頓規模性標杆項目的建立打開了國產工業機器人供應商在整車製造領域的市場空間,隨著國內供應商技術水平不斷提升、項目經驗逐漸豐富,國內品牌在汽車行業的滲透率有望持續提升,國產替代加速。

  截至 2020 年,國內非汽車領域的工業機器人應用占比已由 2010 年的約 50%提升至 70%+,呈逐步遞增趨勢。其中 3C 領域的應用超過 30%,金屬製造領域的應用超過 12%,鋰電、食品領域的應用均超過 5%。隨著 5G、新能源等領域的快速發展,工業機器人下遊新的應用場景持續擴展;此外,隨著機器人技術不斷進步以及使用機器人帶來的經濟性的提升,工業機器人在金屬製造、食品飲料等生命周期相對較短的行業的應用也在持續增加。

  目前國內工業機器人供應商在中低端市場地位穩固,海外工業機器人供應商主要集中在高端市場,因此海外品牌在汽車整車和倉儲物流行業中市場份額較大,而國內品牌在以中低端市場為主和技術難度相對較低的汽車電子、汽車零部件、金屬加工等行業中市場份額較大;其他行業中,如食品飲料、醫療用品等行業,由於定製化程度高,價值量相較於汽車行業低,外資品牌難以全麵顧及,因此主要由國內工業機器人供應商所覆蓋。

  隨著工業機器人下遊應用領域的逐步拓寬,國內工業機器人增量市場空間廣闊,國內工業機器人企業有望憑借自身優勢逐步實現換道超車。

  在對國內外工業機器人進行精度比較時,一般采用埃斯頓負載分類標準:小負載(0-30kg)、中負載(30-100kg)、大負載(100-350kg)和超大負載(>350kg)。

  在小負載焊接領域,國產工業機器人的重複定位精度、臂展距離與“四大家族”產品相近,但在最大速度上仍與海外品牌存在一定差距。重複定位精度方麵,國內主要供應商的小負載焊接機器人可達 0.05-0.08mm,與海外四大家族工業機器人(0.05-0.08mm)大體相當;臂展方麵,國內主要供應商的小負載焊接機器人最大工作距離可達 1400mm 以上,與海外品牌平齊;最大速度方麵,國內主要供應商的小負載焊接機器人達 125-175mm,相比海外品牌相比仍有一定進步空間(180-260mm)。

  中小負載折彎領域,國產機器人重複定位精度、臂展距離以及最大速度參數與“四大家族”產品接近。國內主要供應商的中小負載焊接機器人重複定位精度約為 0.03-0.1mm,接近四大家族產品精度(0.04-0.07mm); 臂展方麵,國內主要供應商的中小負載焊接機器人最大工作距離能達到 2500mm 以上,與四大家族差距較小(2600mm);最大速度方麵,國內主要供應商的中小負載焊接機器人達 110-175mm,與四大家族基本一致(110-170mm)。

  在大負載衝壓機器人領域,國產機型精度已經與部分海外四大家族產品精度相當。國內工業機器人龍頭的重複定位精度為 0.2mm,與四大家族部分產品已基本相同(均達 0.2mm),然而相比四大家族中部分精度達 0.03-0.05mm 的產品仍有一定的提升空間。在小負載衝壓領域,埃夫特於 2017 年推出重複定位精度達 0.07mm 的衝壓機器人,國產工業機器人正不斷向高精度衝壓領域發展。

  綜合來看目前國產工業機器人的加工精度與四大家族的差距逐步縮小,部分精度仍有一定的進步空間。隨著國內工業機器人供應商不斷通過“自主研發+外延並購”完善技術體係,國產工業機器人的加工精度將持續優化,在國產替代趨勢下有望加速追趕海外工業機器人品牌。

  2020 年,四大家族在國內機器人售價高於同類型國產工業機器人售價約 40%以上。目前國產工業機器人整體規模仍較小,未來隨著行業的快速發展以及國產品牌滲透率的持續提升,國內供應商規模優勢將逐步體現,成本端仍有下降空間。

  中長期來看,國產工業機器人可提升的市場份額仍然較大,在部分細分賽道優勢明顯。國產品牌的主要優勢包括:

  1)本土化優勢:國產工業機器人供應商在國內擁有完善的營銷網絡和售後服務體係,客戶享有更高效、便捷的服務;

  2)成本控製優勢:海外供應商在進口關稅和經銷商布局等方麵成本仍較高;此外,國內品牌逐漸形成規模效應後,對上遊議價能力增強,成本控製能力有望進一步提升;

  3)全產業鏈優勢:國內工業機器人供應商不斷通過“自主研發+外延並購”完善技術體係、提升核心零部件自製率,逐步形成全產業鏈優勢。

  綜合來看,受益於下遊製造業升級,疊加新興應用領域打開市場空間,工業機器人行業景氣度持續提升;國內工業機器人企業與海外巨頭錯位競爭,同時發揮自身價格、成本控製、本土化以及全產業鏈等優勢,加速進行國產替代。

  工業機器人行業趨勢預測

  1、工業機器人市場預測

  預計2022年疫情的影響將逐漸消退,市場的需求更多呈現結構性分化態勢,依然堅持整體無“爆發”可能性的判斷,預計中國工業機器人市場全年銷量增速15%-20%左右,國產化率穩步提升,2022年有望超41%。

  2、國家政策支持機器人產業發展

  12月28日,工業和信息化部、國家發展改革委、科技部等15部門正式印發《“十四五”機器人產業發展規劃》提出,“十四五”期間,將推動一批機器人核心技術和高端產品取得突破,整機綜合指標達到國際先進水平,關鍵零部件性能和可靠性達到國際同類產品水平;機器人產業營業收入年均增速超過20%;形成一批具有國際競爭力的領軍企業及一大批創新能力強、成長性好的專精特新“小巨人”企業,建成3到5個有國際影響力的產業集群;製造業機器人密度實現翻番。

  3、工業機器人共融為未來技術突破要點

  目前我國工業機器人主要在結構化環境匯總執行確定性任務,在複雜動態環境中作業的情況並不足夠靈活,主要是因為工業機器人在與環境的共融、與其他機器人之間協同方麵感知能力較弱。隨著傳統工業機器人在機器視覺、智能傳感與雲技術等技術的發展下,未來工業機器人將更智能化,柔性化,即由傳統機器人向共融機器人優化。

  4、工業機器人產品幅度提升

  1、多關節機器人:中大負載(≥20kg)產品開始放量,搬運及拆碼垛應用需求將延續增長態勢,尤其是搭載3D視覺的占比將大幅提升。

  2、協作機器人:國產的市場地位進一步鞏固,同時,協作機器人的產品形態將持續豐富,涵蓋從負載、臂展、軸數、力控、傳感器等多個維度的創新將持續發生,不可避免的是國產廠商之間的競爭也將進入白熱化階段,此外,越來越多的國產廠商在海外市場將有質的突破。

  3、SCARA機器人:SCARA的主賽道開始從原來的3C行業開始轉變為3C行業與新能源行業,並且,GGII認為,市場格局的更大變數會來自於新能源行業,3C行業既有的優勢或難以直接複製到新能源行業,其間對於具備高負載能力、高性價比與定製化開發能力的玩家將形成利好。

  4、並聯機器人:2022年中國市場銷量有望破萬台,其中國產占比超過75%。

  5、機器視覺(主要指3D視覺):入局者持續增加,領域熱度延續,大部分廠商還處於投入期,個別廠商的開始在細分領域形成優勢與標簽,如拆碼垛、物流揀選、汽車檢測等,準頭部效應顯現。同時,機器視覺真正進入算法時代,軟件算法的能力(或通用性)或將是各家廠商著力提升和補足的板塊之一。

  5、工業機器人在醫療領域的應用潛力有待挖掘

  目前工業機器人主要應用於汽車行業,隨著汽車行業工業機器人應用的飽和,工業機器人的應用正在向其他領域逐步拓展。在疫情驅動下部分工業機器人廠商隨即布局醫療領域的工業機器人,例如利用工業機器人組裝醫用注射器或或用於填充和關閉小瓶等。

  6、多行業拉動工業機器人市場發展

  隨著經濟的發展,越來越多的行業開始使用工業機器人,一同拉動工業機器人的發展,使其擺脫了過度依賴單一產業的局麵。第一、新能源的爆發成為工業機器人發展的重要動力。第二、電子行業投資旺盛,將為工業機器人的增長提供持續動力。第三、受疫情的影響,還有不少行業在加快機器換人的速度,比如金屬加工、醫療用品、食品飲料、家用電器等。

  現如今製造業產業升級已是大勢所趨,工業機器人替代效應愈發明顯,各行各業“機器換人”幾乎勢在必行,讓整個工業機器人市場呈現多元化持續擴張的趨勢,同時推動著我國工業機器人市場規模快速增長,未來十年,或許不僅僅隻是擴大十倍。


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