工业机器人国产化的脖子在哪里?

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人类害怕机器,始于第一次工业革命。

由于机器的生产力远胜人类,引发了工具对人的替代、人与技术的关系、技术决定论以及技术恐惧症等一系列思潮,随着工业生产对社会的全面改造,这些思考也深刻嵌入各种社会议题。这一时期,人们对机器生产可能剥夺劳动者工作岗位的焦虑,即“替代恐惧”成为社会最突出的焦虑。极端表现为成规模的“卢德运动”。

但是时代变了 —— 人与机器的关系,或许会因为劳动力拐点的到来,出现新的故事。

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) [1]

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) [1]

2020 年全球工业机器人安装量,图源 | IFR

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 [2]

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。

▲ 公开信息整理 | 果壳硬科技制表

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%。

▲ 公开信息整理

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%。

▲ 公开信息整理

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 [3]

中游的本体制造环节的国产化率很低,仅为 27% [4] 。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。由于这一环节的利润率并不高,参与竞争的难度又过大,是否要国产化存在不同观点,与企业具体商业模式与发展路线密切相关,需要具体问题具体分析,本文不再赘述。

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% [5] 。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

▲ 工业机器人工作场景及构成,图源 | 广证恒生

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。

▲ 工业机器人控制器(左)及本体(右),图源 | ABB 官网

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。

▲ 伺服系统工作原理,图源 | 信达证券

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。

▲ RV 减速器轴承分类,图源 | GB / T 34897-2017

根据 GB / T 34897-2017《滚动轴承工业机器人 RV 减速器用精密轴承》 [6] 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。

▲ 谐波减速器结构,图源 | 绿的谐波招股书

根据 GB / T 30819-2014《机器人用谐波齿轮减速器》 [7] 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。

核心零部件国产化进度如何?

当前我国的工业机器人核心零部件国产化水平不一,差距很大。控制器的进度最为喜人,减速器则面临较多技术难题。

减速器:RV 减速器成为“卡脖子”的关键

▲ 全球减速器市场,图源 | 广证恒生

全球减速器市场被日本垄断多年。RV 减速器巨头纳博特斯克占据了全球 60% 的减速器市场,而谐波减速器领先者哈默纳科紧随其后,占据了 15% 的市场 [8]

纳博特斯克于 2003 年 9 月成立于日本,在 RV 减速器领域深耕近 20 年,因“高精度、高刚性、长寿命”以及“小尺寸、轻重量”等特点而在全球范围内广受好评。哈默纳科于 1970 年成立于日本,深耕谐波减速器领域长达 50 余年。而国内相关企业开始研发减速器的时间较晚,在经验积累及实践验证周期上难以赶超日企。

相对而言,谐波减速器的国产化程度较高。由于仅有三个零部件,机械构造较为简单,且哈默纳科的专利于 2008 年到期,国内厂商开始把握住学习及研发的机会。

当前,哈默纳科仍然在中国占据较大的市场份额,紧随其后的是国内厂商绿的谐波和来福谐波。这两家企业均有着十余年的研发经验,其谐波减速器产品在输出转速、传送精度等性能上与哈默纳科差距较小,但在精度保持使用寿命、传动效率等方面仍有差距。

▲ 国内外减速器产品指标对比,图源 | 东吴证券

一方面,国产谐波减速器的价格较低,且交货周期较短,因此拿下了许多国内机器人厂商的订单。例如,绿的谐波和来福谐波的同类型产品比哈默纳科低 40%~50%,平均交货周期约为 2 个月(哈默纳科为 10 个月) [8] 。绿的谐波在国内机器人厂商中的占有率预计已达 80% [9]

但另一方面,国内厂商的产能仍然较低。来福谐波在 2019 年产能刚刚迈过月产 2 万台 [10] ,绿的谐波在 2019 年的产能仅为 9 万台,而哈默纳科在 2018 年即达到 180 万台 [8]

目前减速器国产替代进程只能算刚起步,距离国际先进水平仍有不小差距。

且由于哈默纳科产品线更丰富、覆盖范围更广,且在全球范围内与机器人本体制造龙头厂商具备稳固的合作关系,为之提供的供货价更低、供货规模更大。如何打入现有供应链,建立上下游关系,也是国产制造商必须面对的挑战。

在 RV 减速器领域,由于其组成零件更复杂、承载强度更高,导致制造难度和产线投资规模都远大于谐波减速器。RV 减速器的核心难点在于各项工艺的精密配合,例如材料选择、齿面热处理、加工精度、成组技术、装配精度等,配合不够精密就会影响产品的磨损及寿命。

例如,纳博特斯克的 RV 减速器可保持 10000 小时的平均寿命,且精度和刚度不会随着使用时间增加而下降。而国产产品的寿命低于 6000 小时,且在使用中存在噪声和发热等不正常现象,这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 [11]

因此,我国在 RV 减速器领域与国际水平差异较大。部分龙头企业如双环传动、秦川机床、南通振康、中大力德等,目前的年产量均不足 10 万台。而据纳博特斯克估计,其 2026 年的年产量将达到 200 万台 [12]

伺服系统:国产替代空间较大

▲ 中国伺服系统市场格局,图源 | 前瞻产业研究院

当前,本土伺服市场被日本、欧美、中国大陆、中国台湾四类厂商占据 [13] 。其中,中高端市场主要被欧美和日系企业垄断。

以安川电机为代表的日系伺服,经过几十年的技术沉淀,产品稳定性高;以西门子为代表的欧系产品,强调高度集成化,将伺服系统与上游控制系统深度结合,电机体积更小、运动控制精度更高;而以汇川为代表的国产伺服,主要依靠性价比优势,在中低端领域满足国内中小企业的需求。

在动力输出方面,国产、日系、欧系伺服的输出功率(由转矩和转速决定)差距较小,但在运动控制性能上,国产伺服仍然存在一定的差距。例如,速度环频率通常能反映快速响应性能,频率越高,说明带宽越大,快速响应性能越好。由下表可知,西门子的速度环频率可以达到 2k,安川为 1.5k,而汇川仅能达到 1.2k [14]

▲ 伺服电机性能比较,图源 | 信达证券

除此之外,国产伺服还存在电机尺寸偏大、编码器精度不足、产品稳定性较低等差距。

但国产厂商正在迎头赶上。

中国品牌的价格平均比国外品牌低 15%~30%,且积极与下游企业客户合作开发定制化解决方案,凭借价格优势和服务能力逐渐占据了中低端市场 [15] 。2021 年,汇川的市占率达到 15.9%,成功领先安川、台达等厂商。而埃斯顿、广州数控等其他厂商也正在突围,目前本土伺服厂商总数超过 300 家 [16]

随着国产与外资产品在性能上的不断接近,加上稳定性和可靠性随着实践不断验证,以汇川为首的国产厂商将有机会进一步替代外资厂商,扩大市场份额。

控制器:硬件国产化差距较小

控制器是我国与国外产品差距最小的核心零部件。

成熟的工业机器人厂商通常会自行开发控制器,以保证统一性、稳定性,维护技术体系。因此,控制器和机器人本体的市场份额基本保持一致。这也就意味着,在这一领域保持领先的仍然是传统的工业机器人本体“四大家族”。

控制器分为硬件和软件两部分。由于硬件(芯片、电路等)普遍都是外购,机器人厂商之间的差距不大。但国内厂商在软件上与传统的“四大家族”差距较大,控制器从“能用”到“好用”还有较长的距离。

控制器作为工业机器人的大脑,对机器人的性能起着决定性影响。对于同样性能的伺服电机,好的控制算法能够极大地提升精度、速度、稳定性等。

例如,在小负载焊接领域,国产工业机器人的重复定位精度与“四大家族”大体相当,一般可达到 0.05mm,已经能够满足汽车焊接生产的需要,但发那科的最高精度可达 0.02mm。而在最高轴速上,“四大家族”能够达到 700°/s,国产厂商中仅有为数不多的龙头企业能够达到该水平 [17]

控制器的软件部分包括机器人操作系统、底层控制算法、二次开发的应用工艺算法等。其中,操作系统既有专用系统,也有开源操作系统。在算法层面,底层算法是基础,例如路径规划、行为决策等。国产厂商在这方面差距较大,导致在针对不同行业场景进行二次开发时,算法的精确性、稳定性、响应速度等性能不足。

当前,埃斯顿、新松、新时达等国内机器人本体厂商均能够生产控制器,但在软件算法上,还需要更多的数据、实践积累和经验沉淀,才能有所突破。

行业未来发展趋势

《“十四五”机器人产业发展规划》文件中,对产业发展提出的规划是:到 2025 年,我国成为全球机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地。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 [18]

当前的现实是,工业机器人行业只在中低端领域有所突破,高端领域仍有大量技术难题待解。当前的核心零部件本质上仍然属于精密制造,日本、德国的老牌工业厂商起步较早,有着几十年甚至上百年的技术积累和实践验证。中国厂商只能后期追赶,从为国外厂商代工、研发中低端产品起步,逐步向国际一流产品靠近。

但国产替代仍有机会。

首先,当突破了较为基础的技术工艺后,国产厂商能以较低的价格在中低端领域站稳市场,再逐渐扩大份额;其次,由于供货周期相对较短,且能为下游企业客户提供定制化服务,国产机器人本体制造商将可能优先选择国产核心零部件。

同时,当机器人整体迈向智能化时代,中国领先的“人工智能”技术将赋予工业机器人全新的“头脑”。例如,视觉传感器的加入拓展了工业机器人的应用场景。通过机器视觉技术使机器人有了“眼睛”,变得更加灵活。由此会带来控制算法上的更新迭代,为国产厂商带来新的机会。

而协作机器人的发展,使机器人不再局限于固定工位的操作,可以柔性地适应不同工作环境,从而实现人机协同。在这一领域,已涌现出许多创业型厂商并快速发展。由此,国产机器人本体厂商将可能抢占传统工业机器人厂商的市场,而核心零部件供应商也有机会随之不断成长。

当然,最重要的仍然是缩短与国外厂商之间的技术差距。《“十四五”机器人产业发展规划》中提到,要“补齐产业发展短板。推动用产学研联合攻关,补齐专用材料、核心元器件、加工工艺等短板,提升机器人关键零部件的功能、性能和可靠性;开发机器人控制软件、核心算法等,提高机器人控制系统的功能和智能化水平。” [18]

具体而言,在整个机器人产业链发展过程中都需要:

强化统筹多方资源,发挥行业协会的桥梁作用,加强机器人产业动态监测等;

加大财税金融支持,发挥政府采购作用,推动各类产业基金投入,支持符合条件的企业上市等;

营造良好市场环境,加强支持产权保护,规范市场招标采购等;

健全人才保障体系,支持高校和科研院所培养高端人才;

深化国际交流,鼓励国外企业在华设立研发机构,推进机器人产品和解决方案“走出去”等等 [18]

除了具体技术问题,来自政府层面的政策利好、社会资本的投入以及下游行业的支持,同样对工业机器人产业链的本土化有着至关重要的作用。在良好的内外部因素共同支持下,未来行业的优质发展可以期待。

References:

  • [1] IFR presents World Robotics 2021 reports: https://ifr.org/ifr-press-releases/news/robot-sales-rise-again

  • [2] 财联社:“用工荒”下机器人涌入工厂 美国一季度机器人订单飙升 40%, https://www.cls.cn/ detail / 1028822

  • [3] MIR Databank: https://mp.ofweek.com/robot/a145693428986

  • [4] IFR weighs in on China’s five-year plan for robotics: https://www.therobotreport.com/ifr-weighs-in-on-chinas-five-year-plan-for-robotics/

  • [5] 高工机器人: https://www.gg-robot.com/ art-72180.html

  • [6] 国家标准全文公开系统 GB / T 34897-2017: http://c.gb688.cn/ bzgk / gb / showGb?type=online&hcno= 15F4A7AAF63678C34CD431195691A834

  • [7] 国家标准全文公开系统 GB / T 30819-2014: http://c.gb688.cn/ bzgk / gb / showGb?type=online&hcno= CAE1AB20359DEC83D5241A4A9D1DE325

  • [8] 《绿的谐波:突出重围的机器人核心零部件国产龙头》,东吴证券,2020.11.25

  • [9] 《绿的谐波专题研究报告:撬动中国机器人的支点》,招商证券,2021.06.17

  • [10] 《来福谐波:迈过月产 2 万台的“坎”》: https://www.gg-robot.com/ art-67131.html

  • [11] 《短期机器人有望迎来拐点,中长期国产化率提升》,财富证券,2020.01.06

  • [12] 纳博特斯克官网: https://www.nabtesco.com/ en/

  • [13] 《未来十年国内工业机器人产业走向金字塔:偏见?远见?》 https://mp.weixin.qq.com/ s / MsqKzIF1Ko8dKUpErUGSLg

  • [14] 《智能工业基础零部件之三:伺服系统》,信达证券,2021.03.07

  • [15] 《2019 年中国工业机器人行业深度报告》,头豹研究院

  • [16] 《中国伺服的机会主义》立方知造局: https://www.jiemian.com/ article / 7116189.html

  • [17] 《国产汽车工业机器人市场规模、应用领域及性能指标对比(2021 年)》

  • [18] 工信部等十五部门:《“十四五”机器人产业发展规划》 http://www.gov.cn/ zhengce / zhengceku / 2021-12/28 / content_5664988.htm

本文来自微信公众号: 果壳硬科技 (ID:guokr233) ,作者:冰点  编辑:陈闷雷

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