2019年工業機器人行業深度研究報告

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導語

從工業機器人密度來看(每萬名制造業員工),2018 年新加坡工業機器人密度最高,達到 831 臺,其次是韓國,達到 774 臺,德國、日本以及美國等發達國家工業機器人密度也均在 200 臺以上。中國是 140 臺,略高于全球平均水平。

來源:財富證券

1 工業機器人短期迎來拐點,長期空間廣闊

1.1 短期來看:工業機器人拐點已經來臨

工業機器人產量同比增速擴大,需求拐點已經來臨。受到中美貿易摩擦以及宏觀經 濟下行影響,我國工業機器人需求從 2018 年開始出現明顯放緩,2018 年 9 月至 2019 年 9 月,我國工業機器人產量都處于同比下滑的狀態。2019 年 10 月工業機器人產量同比增 長 1.7%,結束了連續 13 個月的同比下滑。2019 年 11 月我國工業機器人產量為16080 臺, 同比增長 4.30%,環比增長 11.91%,機器人需求拐點已經來臨。

我們認為2020年汽車行業對工業機器人的需求保持相對平穩,但是在5G在帶動下, 電子行業對于機器人的需求量有望明顯增加。此外,隨著食品、倉儲、光伏等行業對于 自動化率需求的不斷提升,這些行業對于機器人的需求也在逐步增加。綜合來看,2020 年工業機器人需求有望迎來復蘇。

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食品醫療、倉儲物流和汽車電子等行業對于工業機器人需求快速提升。2018 年機器 人下游應用市場中占比較大主要還是 3C 電子和汽車(汽車零部件、汽車整車和汽車電子), 其中 3C 電子的占比約為 23%,汽車應用的占比約為 36%。但是受到汽車和手機銷量下 滑的影響,2018 年我國汽車整車和 3C 電子對工業機器人的需求都出現了下滑。需求量 增長比較快的行業主要是食品醫療、倉儲物流和汽車電子等行業。2018 年食品醫療和倉 儲物流等行業機器人市場規模增速都在 30%以上。

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5G 帶動計算機、通信及其他電子設備固定資產投資增長。受益于 5G 滲透率的逐步 提升,從 2019 年 3 月份開始,計算機、通信以及其他電子設備等制造業固定資產投資逐 步回暖,計算機、通信和其他電子設備制造業固定資產投資完成額累計同比增速已提升 至 13.6%。2020 年 5G 建設將進一步加速,相應的設備需求量將顯著增加,計算機、通 信及其他電子設備固定資產投資有望進一步提升。

……

2020-2025 年新能源汽車銷量復合增速有望超過 30%。工信部就《新能源汽車產業 發展規劃(2021-2035 年)》(征求意見稿)公開征求意見?!墩髑笠庖姼濉诽岢?,到 2025 年,新能源汽車市場競爭力將明顯提高,動力電池、驅動電機、車載操作系統等關鍵技 術將取得重大突破,新能源汽車新車銷量占比將達到 25%左右。假設 2025 年我國汽車銷 量將達到 3000 萬臺,則到 2025 年新能源車銷量 600 萬輛以上。預計 2019 年新能源汽車 銷量可以達到110-120萬輛,則2020-2025年新能源車銷量年復合增速需要達到33%左右。

汽車行業業績逐步好轉。汽車銷量從 2018 年下半年開始下滑以后,汽車制造行業的利潤也出現了顯著的下滑。經過一年多的下滑后,汽車銷量下滑速度明顯收窄,行業的 業績也開始逐步好轉。從2019年三季度的情況看,汽車制造利潤總額增速已經開始回正。隨著汽車需求的逐步回暖,汽車行業的業績有望逐步好轉。

由于汽車銷量下滑,行業的盈利能力降低,下游整車廠和汽車零部件廠商都放緩了 固定資產投資。從今年 3 月份開始,汽車制造業固定資產投資完成額增速出現斷崖式的 下滑,至 2019 年 10 月,汽車制造業固定資產投資完成額累計同比增速是-0.3%,已有觸 底跡象。我們預計隨著傳統汽車銷量邊際好轉,新能源汽車在國家政策驅動下繼續保持較快增長,行業的盈利能力逐步恢復,整車及零部件廠商投資意愿有望增強,汽車制造 業固定資產投資完成額有望繼續保持增長。

1.2 長期來看:需求端+成本端+政策端驅動機器人需求增長

需求端:中國作為制造業大國,全球很多產品的主要產能都集中在中國。如全球 90% 的手機是中國制造,80%的空調和計算機是中國制造,70%的光伏電池是中國制造,60% 的彩電是中國制造。但是目前我國工業機器人產量在全球中的占比卻只有 37%左右。未 來隨著我國制造業自動化率的逐步提升,對于工業機器人的需求量將顯著提升。

此外,中國制造業面臨重大變革,以智能機器人為代表的智能裝備成為通向工業 4.0 的突破口。智能制造是新一輪科技革命和產業變革的核心,是中國制造業轉型升級的“新動能”。以工業機器人為代表的智能裝備旨在提高制造業效率、提高產品質量,從而降低 制造業的生產成本,成為制造業轉型升級,通向工業 4.0 時代的重要突破口。

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我國工業機器人密度提升空間大。從工業機器人密度來看(每萬名制造業員工擁有 的機器人數量),2018 年新加坡工業機器人密度最高,達到 831 臺,其次是韓國,達到 774 臺,德國、日本以及美國等發達國家工業機器人密度也均在 200 臺以上。中國是 140 臺,略高于全球平均水平。作為一個制造業大國,對標其他發達國家,我國工業機器人密度還有非常大的提升空間。隨著《中國制造 2025》國家戰略的穩步實施,國內制造業 轉型升級步伐將逐步加快,機器人密度將大幅增加,未來我國工業機器人市場潛力巨大。

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機器人國產化率還有很大的提升空間。目前我國工業機器人本體及核心零部件的國 產化率都較低,特別是在汽車和 3C 等對于精度和穩定性要求比較高的領域,大部分市場 份額都是被外資品牌占據,我國大部分本體都是集中碼垛、上下料以及搬運等相對低端 的領域。2018 年我國機器人本體國產化率約為 27.9%,還有非常大的提升空間。未來隨 著我國工業機器人技術的不斷加強,國產化率有望逐步提升。

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成本端:用工難、用工貴,機器人換人大勢所趨。人口紅利的逐漸消失,人工成本的不斷攀升也進一步推進了“機器人換人”的趨勢。從勞動力人口結構上來看,我國適 齡勞動力人口占比逐年下降,其中 2018 年 15-64 歲勞動人口占比為 71.2%,較 2017 年下 降了 0.62%。社科院發布的《藍皮書》指出我國在自 2020 年后十年勞動年齡人口將年均 減少 790 萬人,未來降幅將繼續增加。從制造業人力成本角度來看,我國制造業就業人 員平均工資不斷提高,截至 2018 年,制造業員工平均年薪達到了 72088 元,同比增長11.85%,人口成本不斷攀升。勞動力人口的快速下降與人工成本的大幅上升對制造企業 的生存產生嚴重威脅,倒逼企業降低生產成本,提高生產效率。

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與此同時隨著工業機器人國產化進程的加速帶來工業機器人價格的下降,工業機器人的生產效率明顯高于人,工業機器人替代人力的成本優勢將更加突顯。一般來說,一 臺工業機器人在生產線中可替代 3 名生產工人,其機器人本體與集成的價格大致相等。以一臺工業機器人使用年限為 8 年,維修費用為 1/10 工業機器人價格進行測算,可以推 算出 2018/2019 年我國工業機器人成本回收期大約為3.04/2.26 年。隨著國產工業機器人, 特別是減速器、伺服電機、控制器等核心零部件的實現國產化批量應用,將顯著拉低工 業機器人的應用門檻,工業機器人的價格將進一步下降。以 工業機器人年降價幅度為 5%, 制造業職工平均工資未來增幅 7%為估計。預期至 2020 年,工業機器人的投資回收期能 夠縮短至 2 年。

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政策端:一系列產業政策為機器人產業發展提供充分保障。工業機器人的發展離不 開國家政策的扶持。近幾年,國家陸續出臺多項政策支持機器人產業發展,尤其是 2009 年后政府明顯加快了政策措施出臺速度和力度,從頂層設計、財稅金融、示范應用、人才培養等多角度發力支持機器人產業發展,政策疊加效應為我國機器人產業營造了良好 的發展氛圍。

2 上游核心零部件分析

工業機器人產業鏈包括上游核心零部件、中游機器人本體和下游集成應用三部分。上游是控制器、伺服電機、減速器、傳感器、末端執行器等零部件的生產廠商,控制器、伺服電機和減速器是工業機器人三大核心零部件;中游是本體生產商,負責工業機器人本體的組裝和集成,即機座和執行機構,包括手臂、腕部等,部分機器人本體還包括行走結構;下游是集成應用商,負責根據不同的應用場景和用途對工業機器人進行有針對 性地系統集成和軟件二次開發。

其中,工業機器人產業鏈的關鍵環節為上游核心零部件,占據了工業機器人整機大部分的成本和利潤,也是技術上的核心和難點,是影響機器人性能最重要的部分??刂?器、伺服電機、減速器這三大核心零部件的成本占工業機器人總成本約 70%,其中減速 器占整機成本約 35%,伺服占整機成本約 20%,控制器占整機約 15%,而本體和其他部 分僅占整機分別為 15%、15%。在所有核心零部件中,減速器的毛利率最高,達到 40%, 伺服電機和控制器毛利率分別為 35%和 25%。三大核心零部件的技術水平決定了工業機 器人的工作精度、負載、壽命,以及穩定性和可靠性等重要性能指標,誰掌握了三大核 心零部件的技術和能力,誰就占領了工業機器人產業鏈的制高點,擁有很強的定價權。

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關鍵環節受制于人,嚴重制約產業健康快速發展。雖然我國機器人產業已經取得了長足進步,但與工業發達國家相比,還存在較大差距。機器人產業鏈關鍵環節缺失,核心技術創新能力薄弱。目前我國工業機器人市場上游核心零部件的供應大部分被國外廠商所占據,國內廠商大多集中在中游的機器人本體組裝和下游的系統集成,承擔系統二次開發、定制部件和售后服務等附加值低的工作,使得國內機器人市場的巨大潛力帶來 的產業紅利被國外廠商占據。國內涉及減速器研發的企業有 10 余家左右,具備量產出貨 能力的僅 5-6 家,市場幾乎被日企所壟斷??刂扑欧到y方面,國內企業有一定的自主 配套能力,國產品牌市場份額在 15%左右,高精度減速器、伺服電機和控制器等核心零 部件依賴進口導致我國高端機器人產品質量可靠性低,機器人推廣應用難,市場占有率低,企業“小、散、弱”問題突出,產業競爭力缺乏。國外工業機器人巨頭本身就是核心部件的提供商,因此他們在零部件成本上擁有先天的成本優勢和技術優勢,另外他們往往能以大的采購量和簽署排他性協議獲得比較優惠的采購價格,而國內的中小企業在進口核心零部件時,往往要以顯著高出國外廠商的價格購買減速器和伺服電機等核心零部件,這些都嚴重削弱了國產品牌機器人的市場競爭力,使得國內機器人企業難以形成 規模優勢。

2.1 控制器

2.1.1 功能:控制器是機器人的小腦,主要負責控制和協調機器人運動

控制系統是工業機器人的主要組成部分,其機能類似于人腦控制系統,支配著工業機器人按規定的程序運動,并記憶人們給予工業機器人的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間),同時按其控制系統的信息對執行機構發出指令,必要時可對工業機器人的動作進行監視,當動作有錯誤或發生故障時發出報警信號。工業機器人控制系統分為處理器和控制器兩部分,處理器用來計算機器人關節的運動、監督控制器與傳感器協調動作,其功能相當于人類大腦??刂破鲝奶幚砥髦蝎@取數據,控制驅動器的動 作,并與傳感器反饋信息一起協調機器人的運動,其功能相當于人類小腦。

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2.1.2 組成:控制器由硬件及軟件兩部分組成

控制器硬件核心在于芯片,為了保證控制系統具有足夠的計算與存儲能力,目前機 器人控制器多采用計算能力較強的 ARM 系列、DSP 系列、Intel 等系列芯片。軟件包括 操作系統和算法庫兩部分,機器人專用操作系統包括 VxWorks(嵌入式實時操作系統)、 Windows CE、嵌入式 Linux、μC/OS-Ⅱ以及通用 ROS 平臺等,其中 Windows CE、嵌入 式 Linux、μC/OS-Ⅱ以及通用 ROS 平臺為使用較多的開源操作系統。算法庫包括底層算 法庫以及應用工藝算法,底層算法庫的運動學控制算法即規劃運動點位,負責控制機器人末端執行器按照規定的軌跡達到指定地點。動力學算法負責識別每一個姿態下機身負載物的轉動慣量,使其保持最優化輸出的狀態。應用工藝算法即二次開發,針對不同行 業的應用工藝算法,只有在掌握底層算法的基礎上才能較好地實現應用工藝算法。

2.1.3 技術趨勢:驅控一體化成為輕載型機器人的主要方向

總線型控制系統越來越普遍。以太網和現場總線技術的發展為機器人提供了更快捷、穩定、有效的通信服務,基于現場總線的控制系統由控制模塊、驅動模塊和示教模塊三部分組成,三者間的信號傳輸由電纜或網線完成??偩€型控制系統三大模塊功率不受限制,具有實時性好,易于實現高速、高精度控制,易于擴散等優點,但缺點在于傳輸速度慢、硬件體積大、成本較高,因此適用于控制多個大型機器人的工業場景。發達國家總線控制方式已經發展多年,具備比較成熟的總線產品和方案。國內控制器公司處于追 趕階段,成效顯著。例如 2015 年卡洛普推出基于實時以太網的總線型機器人控制器;2018 年,雷賽智能推出 EtherCAT & RTEX 總線方案,未來總線方案的控制器使用將越來越多。

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驅控一體化成為輕載型機器人的主攻方向。相較于傳統機器人較大的落地式控制柜,“驅控一體”能夠將控制柜的體積縮小到臺式機大小,從而節省了空間。因此,“驅控一 體”設備在輕載機器人上的使用具備優勢,比如 SCARA 機器臂、并聯機器臂、桌面型 小六軸機器人。這類機器臂所用關節功率較小,在 400W 左右,容易做集成化設計。而 且這些機器臂對空間的要求也會比較高,所以“驅控一體”的優點能得到充分體現。

驅控一體化是巧妙地將伺服驅動技術、運動控制技術和機器視覺技術融合在一臺機器上,通過內部高速并行總線進行信息交換,充分滿足細分行業的應用定制和工藝定制要求。與總線型控制系統結構不同的是,驅控一體控制系統將控制模塊與驅動模塊融合在一起,兩者以內部總線的方式進行通訊。內部總線的原理類似于數據共存,兩者間不需要任何電纜或網線進行信號傳輸??偩€型控制系統的通訊速度為毫秒級,而驅控一體控制系統能夠實現千分之一毫秒級通訊速度,在速度和精度要求極高的場景下驅控一體控制系統優勢完全凸顯。驅控一體控制系統優點在于通訊速度快、體積小、成本低,但缺點是功率受限,不適用于汽車廠大型六軸機器人等工控場景。國內控制器領先企業固 高科技早在2010 年便提出了驅控一體化的產品體系架極,并基于此承接了國家863 計劃。公司推出的拿云六軸驅控一體機囊括了工業機器人控制系統開發平臺、運動控制器和六軸伺服驅動器,具有體積小、功率密度高、集成度高等特點,提高了設備性能和可靠性。新時代子公司眾為興推出的驅控一體控制器 QC400A,具備多軸直線插補,3D 空間圓弧 插補,軌跡跟隨,平穩加減速,連續運動軌跡速度自適應功能、樣條曲線教導,振動抑 制等功能。

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受益于我國的工業機器人市場強勁需求,工業機器人控制器需求量也呈現同步增長。據 IFR 數據顯示,假設:(1)以進口工業機器人控制器和國產工業機器人控制器價格分 別為 2 萬元和 0.5 萬元;( 2)外資品牌使用進口控制器,國產機器人品牌使用國產控制器??梢源笾鹿浪愠鑫覈陙淼墓I機器人控制器市場規模,2018 年我國工業機器人控制 器市場約為 20 億元,現有空間有限,但前景廣闊。

2.1.4 控制器市場格局與國內外差距

國內工業機器人控制器市場多被日系及歐美品牌占據??刂破饕话阌蓹C器人本體廠商自主設計研發,主流的機器人廠商均有自己的控制系統與之匹配,國內工業機器人控 制器市場多被日系及歐美品牌占據。以發那科、安川、庫卡、ABB為代表的四大家族普 遍采用自產自用的生產模式,其在中國工業機器人控制器市場的占比與其在本體市場的 占比基本保持一致,達 40%以上。2018 年國內自主品牌機器人本體市場市占率達 32.3%, 而在工業機器人控制器市場僅占約 15%,國內企業控制器尚未形成市場競爭力,部分本 體生產廠家的控制器需要通過外購國外廠商,如 KEBA、TRIO 等。但在發展過程中仍然 涌現出一批具有代表性的企業,比如固高科技、匯川技術、眾為興(新時達子公司)、埃 斯頓、華中數控等企業較有優勢。

控制器硬件芯片依賴進口,軟件算法差距較大。經過多年的沉淀,國內廠商的控制器硬件方案已經達到國際性水準,但物料受到限制,底層芯片依賴進口,國內尚無研發基礎。在軟件上,國際工業機器人品牌起步較早,經驗與數據非常豐富。比如發那科在1974 年就開始進行工業機器人的生產制造,其建立的“機器人生產機器人”生產線更是 為其提供了大量的經驗與數據來改進算法。國內廠商目前在運動學控制算法領域已基本實現國外先進算法,但在動力學算法上與國外先進水平等仍有一定差距,差距體現在算法的精準性,即是否能達到效率最優狀態。另外,底層算法的差距導致國產控制器的應用工業算法受到限制,且國外機器人控制器有相當部分功能存在技術封鎖,國產品牌目前大多集中在較為簡單的搬運、碼垛領域,而且軟件的穩定性也不如國外,出現故障的 概率比進口產品高。

根據《國家機器人標準體系建設指南》,機器人控制器關鍵技術要求包括運動精度、動態性能、高速總線接口、控制軸數、插補周期、軟件性能、功能安全和可靠性等技術要求。對比主要工業機器人生產廠商的控制器產品,國產控制器硬件與軟件平臺與國外廠商基本一致,并且可控制的機器人類型齊全,其中不乏六軸、八軸機器人,不輸國外廠商,主要差距在于控制算法、安全性能以及可靠性設計等方面。安全性能差距體現在 國際廠商均已取得歐盟 CE 安全認證,并掌握多種安全功能,而國內僅有少部分廠商獲得 CE 認證。同時國際廠商的抗震、抗沖擊性能也要優于國內品牌。國內工業機器人生產廠 家的控制器主要具有價格優勢。隨著微電子技術的快速發展,處理器的性能越來越高,成本越來越低廉,高性價比的微處理器使得開發低成本、高性能的工業機器人控制器成 為可能。KUKA 控制器價格為 5.8 萬元,而固高只需 6 千元。國產控制器性價比高,可 搶占對機器人精度要求不高的、通用型機器人的市場需求。

2.2 伺服電機

2.2.1 功能:伺服電機是工業機器人主要的動力來源

伺服系統由伺服驅動器、伺服電機、編碼器三部分組成,是工業機器人主要的動力來源。伺服驅動器負責將從控制器接收到的信息分解為單個自由度系統能夠執行的命令,再傳遞給執行機構(伺服電機),伺服電機將收到的電流信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象,實現每一個關節的角度、角速度和關節轉矩的控制。編碼器作為伺服系統的反饋裝置,很大程度上決定伺服系統精度。編碼器安裝在伺服電機上,與電機同步旋轉,電機轉一圈編碼器也轉一圈,轉動的同時將編碼信號送回控制器,控制器據以判斷伺服電機的轉向、轉速、位置信息。一般來說,工業機器人的每個關節都會搭配一個伺服電 機,即一臺六軸工業機器人搭配 6 套伺服電機。

為了提高工業生產的靈活性,機器人正變得越來越輕,同時為了保證機器人的動態和精度,高功率密度伺服電機至關重要,在精加工作業領域,機器人甚至需要人手所具備的柔順性,要求電機能以“罐頭”大小實現高性能,提高生產質量和效率并保證操作 員安全。機器人對伺服電機的高要求主要有以下方面:

第一,要求伺服電機具有快速響應性。由于工業機器人一般運行在頻繁的加速、啟 停的情況下, 因此要求伺服電機具有響應能力高,調速范圍大的特點,也對伺服系統的 散熱性有一定需求。響應指令信號的時間愈短,電伺服系統的靈敏性愈高,快速響應性能愈好,一般是以伺服電機的速度環帶寬值大小來說明伺服電機快速響應的性能。第二,伺服電機的起動轉矩慣量比要大。在驅動負載的情況下,要求機器人的伺服電機的起動轉矩大,轉動慣量小。第三,為了配合機器人的體形,伺服電機必須體積小、質量小、軸向尺寸短,即功率密度大。第四,能經受得起苛刻的運行條件,具有較高的可靠性與 穩定性,可進行十分頻繁的正反向和加減速運行,并能在短時間內承受數倍過載。

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2.2.2 伺服電機應用領域及規模測算

伺服電機在工業自動化中發揮著重要作用,廣泛用于機械、冶金、電力、石油化工、船舶制造、航空航天、建筑、交通、科研試驗等多個領域。其中,機床工具、電子設備 制造和工業機器人等行業伺服應用比例較高。前瞻產業研究院數據顯示,2018 年機器人 占伺服系統下游應用的 10%,且高啟動轉矩、大轉矩、低慣量的交、直流伺服電機在工 業機器人中應用較為普及。隨著未來機器人零部件實現突破,我國工業機器人行業將迎來快速發展期,伺服系統的應用領域也將繼續向電子設備制造、工業機器人等新興領域 深入。伴隨著工業機器人、電子制造設備等產業的迅速擴張,伺服系統在國內應用規模也 增長迅速,整體市場規模增長空間較大。據前瞻產業研究院統計數據顯示,2012 年我國 伺服系統市場規模已達 52 億元,并呈現逐年穩定增長態勢。2016 年我國伺服系統市場規 模達到 71 億元,同比增長 12.7%。到了 2017 年我國伺服系統市場規模增長至 95 億元, 同比增長 33.8%。截止至 2018 年底我國伺服系統市場規模突破百億元,達到 117 億元左 右,2012 年至 2018 年年復合增長達到 14.5%,增速明顯。

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2.2.3 市場格局:歐美品牌占據高端市場、國產品牌聚焦低端市場

國內伺服電機的參與者眾多,可以分為日系、歐美系、臺系以及國產系四類廠商。目前我國伺服電機中高端市場主要被國外企業壟斷,進口產品在我國工業機器人伺服市 場上占有率達 70%以上。以西門子、施耐德、博世力士樂等為代表的歐美品牌產品過載 能力高,動態響應好,驅動器開放性強,但價格昂貴,體積重量大,在高端設備和生產線方面比較有競爭力。日系品牌產品以小功率和中功率為主,以松下、安川、三菱、三洋等為代表的日系品牌技術和性能水平比較符合中國用戶的需求,以良好的性價比和較 高的可靠性獲得了穩定且持續的客戶源,占據 50%以上國內市場份額。臺系以臺達電子 為代表,其性能接近日系,價格介于國產與日系之間,性價比高,在中低端市場發展較 快,市場占有率約 10%。

國產伺服電機盡管技術相對落后,產品主要在中低端領域,但國內多家企業均已開發了機器人使用的伺服電機,國產化進程加速。目前我國企業在中低端伺服領域已經可以實現大規模量產,以性價比的優勢滿足中小型和經濟型用戶的需求,例如匯川技術、埃斯頓、英威騰、華中數控、廣州數控等企業的伺服驅動器及電機產品已相繼進入批量化生產階段。盡管暫時無法像日系品牌一樣提供全功率段系統選型方案,但匯川和埃斯頓等國內伺服第一梯隊的企業都紛紛針對機器人研發了機器人用伺服電機,國產伺服品 牌的市場占有率有明顯提升。

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2.2.4 國內外差距:國產伺服電機在穩定性和工作精度等指標上存在差距

對比國內外主要伺服電機產品,我國伺服系統與日系和歐美品牌相比仍然存在不足,具體表現為快速響應性、功率密度、穩定性和工作精度等指標差距較大,電機的慣量、電流、扭矩輸出等參數往往不能做到最優化,國產機器人為了滿足最大負載和速度參數, 使用的電機都比日系選型要大,負載自重比大。

首先,在快速響應能力上,國產伺服電機與日系及歐美品牌差距明顯。伺服電機的快速響應性能由響應帶寬指標來體現,帶寬越大,快速響應性能越好。對比安川電機與 國產電機同型號低慣量系列,國產電機速度環帶寬為 1-2kHz 左右,安川電機能夠實現 3.1kHz。其次,在功率密度上,伺服系統對體積、重量要求較高,比如輕載 6kg 的桌面 型機器人手臂安裝空間非常狹小,對伺服電機的長度、質量有著嚴格要求。受限于國內廠商的設計與制造能力,國產電機外形尺寸偏大,能量密度較小,較難適應工業機器人電機狹小的安裝空間。第三,在工作精度上,伺服電機的工作精度主要由編碼器決定。編碼器相當于關節模組的神經,時刻地把關節運動的位置數據反饋給控制器,從而實現精準的控制。編碼器核心在于芯片與碼盤設計,國內主流廠商采取的做法為芯片外購,在此基礎上開發自有解碼技術,并且高精度編碼器仍然依賴進口。電機編碼器芯片依賴進口是導致國產伺服電機不能完全替代進口產品的主要原因。國產主流伺服電機編碼器 分辨率最高僅達到 23 位絕對值,而日系及歐美品牌已經突破 24 位,因此目前國產編碼 器存在一定的精度不足問題。第四,在穩定性及可靠性隱性指標上,由于伺服系統要進行十分頻繁的正反向和加減速運動,并在短時間內承受數倍過載,因此要求伺服系統必須在苛刻的運行環境下保持良好的穩定性。日系產品表現非常優秀,而部分國產產品即使初始性能優越,但當面臨過載等較為的復雜工況環境時,其性能大打折扣。國產伺服電機在實際使用環境下的性能指標與實驗室性能指標無法匹配,這是阻礙國產伺服系統 進軍高端市場的重要原因之一。

2.3 減速器

2.3.1 功能:減速器是工業機器人的關節

精密減速器決定工業機器人的精度和負載。精密減速器是連接伺服電機和執行機構之間的中間裝置,它負責把伺服電機高速運轉的動力通過輸入軸上的小齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來達到減速的目的,并傳遞更大的轉矩。精密減速器是工業機器人最重要的零部件,工業機器人運動的核心部件“關節”就是由它構成,每個關節都要用到不同的減速器產品。工業機器人對減速器的精度、負載和壽命等要求極高,其技術壁壘是工業機器人核心零部件中最高的一個,是對工業機器人本體性能影響程度最高的核心零部件。

工業機器人常用減速器分為諧波減速器和 RV 減速器兩種。諧波減速器是一種單級 的齒輪減速器,由波發生器、柔輪和剛輪組成,其工作原理是由諧波發生器使柔輪產生可控的彈性變形,同時柔輪與剛輪嚙合負責傳遞動力,以此達到減速的目的。諧波減速器具有運動精度高,傳動比大、質量小、體積小以及較小的傳動慣量等優點,常用于負 載小的工業機器人或大型機器人的小臂、腕部或手部等輕負載位置。RV 減速器是一種兩 級減速器,由一個行星減速器的前級和一個擺線針輪減速器的后級組成。它較機器人中常用的諧波減速器具有更高的耐疲勞強度、剛度和使用壽命,而且回差精度穩定,因此 多用于工業機器人的機座、大臂、肩部等重負載傳動的位置。

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2.3.2 減速器應用領域及規模測算

隨著技術的日益成熟,精密減速器越來越體現出高精度、高鋼性、高負載、傳動效率高、高速比、高壽命、低慣性、低振動、低噪音、低溫升、結構輕巧、安裝方便等優點,其應用領域涵蓋了機器人、數控機床、航空航天、醫療器械、衛浴陶瓷、新能源等 諸多領域,展示出其廣闊的發展前景。

CRIA公布的數據顯示,2018 年我國工業機器人總銷量為 13.5 萬臺,其中按類型劃分, 多關節機器人、直角坐標型、SCARA機器人和并聯機器人的銷量分別 8.05、2、2.9、0.55 萬臺。一般情況下,一套六軸多關節機器人需要 4 套 RV 減速器和 2 套諧波減速器;一 套 SCARA 機器人包含 4 套諧波減速器;一套直角坐標機器人需要 3 套 RV 減速器和 1 套 諧波減速器;DELTA機器人的電機安裝在固定基座上,需要 1 套諧波減速器。以 RV 減 速器平均價格為 0.6 萬元,諧波減速器平均價格為 0.3 萬元作為假設,可以大致估算出我 國近年來的工業機器人減速器市場規模,2018 年我國工業機器人減速器市場為30.8 億元。

2.3.3 減速器市場格局:日本企業占據主導地位

精密減速器制造對材料、設備、工藝等多個環節都有嚴格要求,具有明顯的投資門檻高、技術難度大等特點,行業壁壘極高。也正因此,長期以來全球工業機器人減速器 市場一直呈現高度集中狀態。其中,日本納博特斯克是生產 RV 減速器的世界巨頭,約 占 60%的全球減速器市場份額,在中/重負荷工業機器人領域,其 RV 減速器產品在全球 RV 減速器市場占有率更是高達 90%以上。哈默納科則在諧波減速器領域擁有絕對優勢, 約占 15%的全球減速器市場份額。除此之外,以住友為代表的日系 RV 減速器生產廠商 以及以新寶為代表的日系諧波減速器生產廠商合計占全球減速器市場份額也高達 10%以 上,全球減速器市場呈現出以日本企業一派獨大的高度集中化局面。納博特斯克和哈默納科在減速器領域的壟斷地位給予兩者極強的議價能力,由于國際工業機器人生產巨頭很早就開始了與這兩家企業的合作,而且采購規模極大,所以機器人四大家族能以遠低于國內廠商的價格購買其減速器產品。這對于性能上本就處于弱勢的國產機器人而言, 無異于雪上加霜。

納博特斯克是日本綜合性的機械集團,業務范圍包括組件解決方案(精密減速器、液壓機械、新能源設備)、運輸解決方案、無障礙事業、其他等四大類,其中精密減速器 業務屬于其最大業務板塊,包括 RV-N、RV-C 以及 RV-E 等主要產品系列。納博特斯克減 速器產品以高精度、高可靠、穩定性著稱,在 RV 減速器領域全球市場占有率超過 80%, 公司的精密減速器客戶主要包括工業機器人和機床,其中工業機器人客戶覆蓋全球四大家族機器人企業以及各知名機器人廠商。機床客戶主要為日本的高精度機床企業,馬扎 克 OKUMA 機床 德瑪吉森。納博特斯克擁有日本津工廠和中國常州兩個精密減速器生 產基地,2017 年總產能達 84 萬臺,預計至 2019 年達 106 萬臺,2020 年產能可增至 120 萬臺。

哈默納科是世界上最早從事諧波傳動及特種傳動技術的開發、設計、生產、銷售的專業化公司,目前已成為全球最大諧波減速器供應商。哈默納科專注于諧波減速器的研發、生產與銷售,其產品已廣泛應用于各類機器人、數控機床、航空航天、印刷機械、醫療機械、測量分析儀器、精密包裝機械等多種行業。在全球布局上,日本哈默納科在全球共設有三個分部,每個分部分別負責在全球不同區域的銷售市場,但各分部生產的諧波減速器具有很強的一致性。哈默納科在日本生產的諧波減速器只對亞洲地區銷售;哈默納科和納博特斯克在美國馬薩諸塞州成立的合資公司 Harmonic Drive L.L.C 生產的 諧波減速器只對美洲銷售;哈默納科在德國成立的 Harmonic Drive Antriebstechnik GmbH 公司(現 Harmonic Drive AG 公司)生產的諧波減速器只對歐洲、中東、非洲、印度及南美 地區銷售。哈默納科壟斷了全球機器人用諧波減速器市場約 70%的份額,2018 年其產能 接近 180 萬臺。目前幾乎所有的世界知名機器人廠商均采用其諧波減速器。

國內減速器供應商以外資品牌為主導。2018 年國產減速器出貨量占國內市場份額不 足 30%,而近 70%以上的市場份額則由外資品牌占據,哈默納科和納博特斯克分別在諧 波減速器和 RV 減速器出貨量上穩居國內市場份額第一,在國內減速器市場占有絕對領 先優勢。國產品牌起步較晚,目前已有蘇州綠的、來福諧波、南通振康、秦川機床、中大力德等多家減速器廠商實現量產,市場接受度逐年提升。

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浙江雙環傳動機械股份有限公司創建于 1980 年,并于 2010 年 9 月在深交所公開上 市。雙環傳動專注于機械傳動齒輪的研發、設計、制造與銷售,形成涵蓋車輛齒輪、非 道路齒輪、電動工具齒輪、軌道交通齒輪、RV 減速器等多個領域門類齊全的產品結構, 已經成為全球具有相當生產規模和實力的主要齒輪散件專業制造企業之一。雙環傳動自 2014 年起深耕 RV 減速器 5 年,已經逐步完成從研發階段向產業化階段的過渡,目前已 形成 RV-C、RV-E 兩大系列多種型號 RV 減速器產品,2018 年 3 月與埃夫特簽訂 1 萬臺 減速器供貨協議,供貨周期至 2019 年 6 月 30 日。截至 2018 年末,公司工業機器人 RV 減速器產業化項目投資 3.12 億元,預期實現 6 萬套工業機器人 RV 減速器的生產能力, 計劃在 2020 年建成 10 萬套/年的產能。

南通振康焊接機電有限公司創立于 1993 年,以電焊機送絲裝置生產起家。利用自身 精密加工的優勢,通過西安微電機研究所、上海交大等多所院校展開技術合作攻關,于 2015 年實現鎮康RV減速機的首批生產,成為國內較早涉足機器人用RV減速器的廠商。南通振康成功開發出 300Kg 以下機器人使用的 RV 減速器,包括 RV-E、RV-C、RD 等三 個系列 18 個產品,以超短的交貨期、極高的性價比和穩定的質量獲得越來越多機器人廠 家的青睞。目前已被包括 ABB、KUKA、發那科在內的多家國際廠商試用,并擁有近 300 家機器人制造商客戶,已被埃夫特、凱爾達、歡顏自動化等國內機器人廠商在本體生產 中采用。南通振康具備年產 3 萬臺的生產能力,2018 年 RV 減速器出貨量在5 萬臺以內。

蘇州綠的諧波傳動科技有限公司是一家專業從事精密諧波傳動裝置的研發、設計和 生產的高新技術企業。公司自 2003 年開始從事機器人用精密諧波減速器研發,目前其諧 波減速器產品在國產機器人諧波減速器市場的滲透率超過 50%,在國產諧波減速器中居 于首位,已擁有較好的品牌知名度和口碑,廣泛應用于工業機器人、人形機器人、機械 設備、航空航天、通信設施等行業。其諧波減速器產品系列包括 LCD、LCS、LCSG、LHD、 LHS、LHSG 等,其產品在精度、壽命、穩定性、噪音等方面均達到國際先進水平,通過 了 3 家國外機器人制造企業 2 萬小時壽命的精度測試。蘇州綠的下游客戶近千家,包括 新松機器人、埃夫特、新時達等國內著名機器人生產商,產品已進入 ABB供應體系,形成了年產 20 萬臺的生產能力,2018 年出貨量超過 12 萬臺。

浙江來福諧波傳動股份有限公司是一家從事高精密諧波減速器的高科技企業,專業從事工業機器人行業配套伺服運動執行機構的關鍵驅動部件——漸開線齒形和雙圓弧齒形精密諧波傳動減速器的研發制造。公司開發生產的精密諧波減速器,具有高可靠性、 高精度、高扭矩、高壽命、大速比、小體積等特性,目前其產品已有 25mm 到 200mm 的 40 余種規格。廣泛應用于機器人、航空航天設備、數控機床、半導體制造設備、精密機 械驅動控制等領域。2018 年其諧波減速器出貨量為 2-3 萬臺。

2.3.4 減速器國內外差距與原因

諧波減速器方面,在基本性能指標上,國產品牌與哈默納科相差無幾,部分指標能夠超越世界先進水平。但在壽命、可靠性與穩定性、噪音與發熱等重要隱形指標上,國 產諧波減速器與哈默納科差距較大。哈默納科諧波減速器產品物理壽命超過 12000 小時, 并且能夠做到在 8000 小時內精度幾乎不會下降,而國產產品難以在如此長的時間內保證 精度。同時在產品可靠性與穩定性方面,國產產品在面臨過載等較為復雜工況環境時, 其性能大打折扣。

RV 減速器方面,國內廠商介入機器人 RV 減速器市場的時間較短,技術少有突破,整體競爭力均弱于國外品牌。在基本性能指標上,國產減速器主要表現在空程與背隙、 啟動轉矩,以及扭轉剛度等指標與國外產品差距明顯,這表明國產 RV 減速器在扭轉力 矩的作用下,國產產品工作精度與抗扭轉變形的能力要劣于世界先進水平,即齒形設計 以及負載能力有待加強。同時,國產 RV 減速器產品物理壽命、穩定性、以及發熱和噪 音等隱性指標也與納博特斯克差距甚遠。納博特斯克 RV 減速器產品的平均壽命一般可 達 10000 小時以上,在設定的工作壽命時間內可嚴格保持精度和剛度不下降,而國產產品均低于 6000 小時,這是 RV 減速器的重要差距之一。在產品噪音和發熱上,國產品牌 的噪聲和發熱量明顯高于國外品牌。噪聲和發熱意味著減速器內部存在齒輪嚙合不良,有超額摩擦磨損現象,即減速器不是在一種正常的工況下進行工作,對減速器機械壽命 將產生不良影響,這也一直是國產RV減速器被下游應用廠商拒之門外的重要原因之一。

高精度、高可靠性、高穩定性、一致性好的精密減速器的生產出是一項系統性工程,設計、仿真、材料、精密加工、精密裝配、檢測等每個環節都有若干個因素對產品最終性能產生影響,任何一個環節的一個因素處理不好,都會像木桶出現短板一樣,導致整 體性能與先進水平相差甚遠。

從設計上看,世界領先的減速器廠商如納博特斯克和哈默納科在其產品的齒形設計、傳動機理方面已申請專利,其它廠商不得使用其專利產品類似的齒形設計和傳動機理,只能研發自有獨特的齒形設計和傳動機理。兩家廠商的先發優勢使得其占據特殊齒形設計的有利地位,而齒形設計及傳動機理對精密減速器產品的工作精度、傳動效率等性能至關重要,我國廠商作為后來者,避開專利限制去設計性能同樣優良的齒形面臨更高難度。

從材料上看,我國材料工藝相對落后,以諧波減速器為例,據國產機器人本體廠商 透露,目前國內外諧波柔輪材料基本為 40Cr 合金鋼,雖然材料種類相同,但國外提純技 術較高,因而材料相比國內雜質少,以致目前國產諧波減速器的柔輪材料基本依賴進口。國內外企業使用的鋼輪材料則有所差異,國內廠商一般使用調質鋼,而日本哈默納科多年來使用的材料均為球墨鑄鐵,其產品壽命已獲得長時間的驗證,是保證減速器壽命的最佳選擇,因此國內一些減速器廠商也開始使用這類材料。當前日本、德國等國家能生產并供應較高等級的諧波減速器原材料,國內雖能提供相應的材料,但由于材料的顆粒度、剛度、硬度等指標不足,相較國外高端材料具有較大差距,對生產出的諧波減速器的產品一致性和壽命等性能均會帶來不利影響。而日本哈默納科的專用材料配方涵蓋二十余種金屬粉末,具備特定的粒度和配比,且未申請專利,在一定程度上筑就了其產品 高性能的護城河。

從加工工藝上看,減速器對加工精度要求極高,加工誤差需要控制在 1 微米以內。高精度加工設備需要從日、德等國家進口,設備價格高、投入大,并且一、二級設備還面臨出口管制問題,獲取困難。同時由于國內減速器產量小導致設備采購量小,因而推高了設備采購單價,使國內減速器生產廠商在設備采購成本上同樣也被國外廠商拉開了差距。即使買回來國外最先進的設備,加工工藝相比國外仍有很大差距。納博特斯克和哈默納科在諧波減速器領域已經深耕了數十年,積累了非常豐富的加工經驗,比如如何控制機床運行溫度、濕度、如何規劃流程、如何調試以實現最優加工,這些方面,國內 廠商仍然處于探索期。

從裝配上看,減速器的裝配效果對產品性能有決定性的影響。裝配過程并不是將合格零件簡單地進行連接,而是根據各部裝和總裝的技術要求,通過校正、調整、平衡、配作及試驗來保證產品質量合格的過程。高精度的裝配技術也是決定減速器精度核心技術之一。目前國內減速器的裝配仍然以手工流水線作業的方式為主,其裝配效果完全依賴于工人的技術和經驗。由于國內減速器廠商起步晚,經驗積累少,國內高水平的減速器裝配工人資源匱乏,造成減速器裝配效果有限,而日本哈默納科與納博特斯克企業擁有大批從業十多年以上的高品質“匠人”,能夠將減速器裝配效果發揮到極致,導致國產 減速器難以與國外高精密減速器匹敵。

3 中游本體制造分析

工業機器人一般由機械本體(機械手)、驅動系統和控制系統三個基本部分組成。本體即機座和執行機構,包括臂部、腕部和手部,部分機器人還有行走機構。大多數工業 機器人有 3-6 個自由度,其中腕部通常有 1-3 個自由度;驅動系統包括動力裝置和傳動機 構,用以使執行機構產生相應的動作;控制系統是按照輸入的程序對驅動系統和執行機構發出指令信號,并進行控制;工業機器人還安裝有內外傳感器,包括視覺傳感器、聽覺傳感器以及嗅覺傳感器等,用來檢測機器人自身工作狀態和探測外部工作環境,類似 于人的眼睛、耳朵、鼻子等感知器官。

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3.1 多關節與SCARA 機器人國產替代空間大

工業機器人本體按照坐標形式可分為直角坐標型、SCARA 型、多關節型、并聯型等。在各種類型工業機器人中,多關節型與 SCARA 型用量最大,應用領域最為廣泛,技術 難度較高且國產化率最低,是當前國產品牌重點攻克的方向。

從市場結構看,多關節機器人和 SCARA 機器人占工業機器人銷量的主要份額,其 中多關節機器人的銷量占比為 59.64%,SCARA 機器人的銷量占比為 21.48%。2018 年坐 標機器人銷量同比略有下降,并聯機器人在 2017 年低基數的基礎上實現增長。從國產化率看,基于 2018 年市場數據,多關節型機器人國產化率約 17.5%,SCARA 型機器人國 產化率約為 26%,是國產化率最低的兩類機器人,有較大的國產替代空間。

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3.1.1“四大家族”占據多關節機器人主要份額

多關節機器人是指臂部有多個轉動關節的機器人,一般由立柱和大小臂組成。多關 節機器人的軸數(關節)越多,自由度越高,超過 6 軸為冗余自由度,其中以 4~6 軸最 常見。多關節機器人主要有兩個特點:一是負載范圍大,從 1KG 以下到 2~3 噸不等,能 夠滿足多種任務的負載要求;二是作業范圍大,可以適合于幾乎任何軌跡或角度的工作。正是基于這兩個特點,多關節機器人被廣泛應用到多個行業及領域,其中,在汽車制造中的焊接、噴涂等環節基本只能夠使用多關節機器人,此外,隨著多關節機器人的小型 化,其在 3C 等行業應用也越來越廣泛。

從多關節機器人市場整體競爭情況來看,頭部外資機器人企業出貨量排名相對穩定, 前 5 家企業排名保持不變,依次為發那科、ABB、安川、庫卡和川崎重工,“四大家族” 合計占外資品牌多關節機器人市場份額的 80%以上,市場集中度高。四大家族在戰略布 局上多集中于高端應用領域,發那科多關節機器人是通用集團指定全球唯一的機器人供應品牌,是大眾、本田指定的兩家機器人供應品牌之一,也是眾多中國汽車公司的供應商;庫卡從焊機系統的制造商起步,通過焊機業務與一些知名汽車生產商建立了合作關 系,目前是奔馳、寶馬生產線上多關節機器人的核心供應商。

相比而言,國產廠商市場份額較為分散,單個廠商出貨量小,尚未形成規模效應。此外,單純統計國產廠商多關機機器人出貨量意義也不是很大,因為部分國產廠商以低價策略,銷售的都是很低端的多關節機器人。我們認為如果只是采用價格上的銷售策略,而不是注重機器人的質量,銷量增長是難以維系的。目前國產機器人本體廠商中,埃斯頓和埃夫特等企業本體銷量在國產廠商中相對較高,并且質量的認可度也較高。未來隨 著國產機器人性能的不斷提升,有望搶占更多的市場份額。

3.1.2 SCARA 機器人分析

SCARA是 Selective Compliance Assembly Robot Arm 的縮寫,意思是一種應用于裝配 作業的機器人手臂,具有一個移動關節和兩個轉動關節,在水平方向具有柔順性,垂直 方向具有很強的剛性。在操作中,SCARA 機器人能夠在保持高速運行的同時保持高精度 定位,特別適用于裝配環節,目前已廣泛應用于 3C 電子電氣等行業。

2018 年我國SCARA機器人總銷量約為2.9 萬臺,國內市場銷量份額 CR5 排名不變, 其中愛普生、雅馬哈繼續領跑,隨后為眾為興(新時達子公司)、三菱和東芝。與 2017 年銷量數據相比,2018 年國產 SCARA 機器人銷量增速迅猛,國產化率有所提升,其出 貨量排名前十的國產品牌分別是眾為興、臺達(臺灣)、圖靈、埃斯頓、慧靈、李群自動化、 凱寶、華盛控、天太機器人、本潤。目前,眾為興、圖靈、埃斯頓等廠商均有新廠在建, 預計投產后國產品牌 SCARA 機器人市場份額將進一步上升。

國內市場 SCARA 機器人國產化率由 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幾點原因:一是國內 SCARA 機器人市場分散,客戶以中 小型制造業企業為主,單個客戶訂單金額低,外資品牌廠商難以全面兼顧,這就給國內 廠商留下了機會;二是國產 SCARA 機器人的性能正不斷提升,與國外品牌的差距在不 斷縮小,部分國產 SCARA 機器人在負載、速度、重復定位精度等核心指標方面已經達 到甚至超越了外資品牌的水平。

綜合而言,盡管國產機器人本體跟國外四大家族比,在技術、性能、可靠性、品牌等方面還是存在一定的差距。但是埃斯頓、埃夫特等企業通過自主研發和外延并購等方 式,不斷加大對于核心零部件及本體的研制,目前在相對低端的多軸機器人和 SCARA 機器人性能上已經和進口品牌不相上下。未來隨著國產機器人本體企業技術實力的進一 步提升,機器人本體國產替代指日可待。

3.2 我國工業機器人本體銷量有望逐步提升

2020-2022年全球機器人出貨量復合增速有望超過10%。根據國際機器人聯合會(IFR) 最新發布的《全球機器人 2019-工業機器人》報告數據,2018 年全球工業機器人出貨量 42.2 萬臺,比上年增長 6%。年銷售額達到 165 億美元,創新紀錄。預計 2019 年全球機 器人銷量保持相對穩定,2020 年至 2022 年全球機器人出貨量有望繼續保持兩位數以上的增長。

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據 CRIA與 IFR 統計,2018 年中國工業機器人市場累計銷售工業機器人 15.6 萬臺, 同比下降 1.73%(注:IFR 調整了上年同期數),市場銷量出現同比下降。其中,自主品牌 機器人銷售 4.36 萬臺,同比增長 16.2%;外資機器人銷售 11.3 萬臺,同比下降 7.2%。與 上年相比,自主品牌工業機器人銷售增速雖有放緩,但依然保持了較為穩定的增長水平;外資品牌銷售大幅下滑,增速驟然放緩,銷量由 2017 年超 70%的增速,回落至 2018 年 的同比下降。自主品牌機器人在市場總銷量中的比重為 27.88%,比上年提高 4.3 個百分點。

根據上文敘述,2019 年 10 月和 11 月,我國工業機器人產量同比都恢復了正增長, 且增速有加快的跡象。此外,12 月份,制造業PMI 為 50.2%,與上月持平,連續兩個月 位于榮枯線以上,制造業有回暖跡象。我們認為機器人需求的拐點已經來了,明年機器 人需求有望保持正增長。增長的動力主要來自于二個方面:(1)在 5G 帶動下,電子等行 業固定資產投資有望增加。2020 年 5G 手機有望迎來換機潮,此外,TWS 耳機和電子 手表等電子產業都可能迎來快速增長,因此電子行業有望帶動自動化設備需求的增長。( 2) 傳統行業及新行業自動化率的提升。如近幾年,新能源汽車,光伏,食品飲料,倉儲物流等行業自動化率的逐步提升,帶動了自動化設備需求的發展。所以我們認為在主要是 在上述二個方面的需求的拉動下,2020 年工業機器人有望迎來增長。

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4 下游系統集成分析

工業機器人系統集成負責根據不同的應用場景和用途,對機器人本體進行有針對性地二次開發,并配套周邊設備,實現工業化應用。只有機器人本體是不能完成任何工作的,需要通過系統集成之后才能為終端客戶所用(從獲取訂單到項目工程師根據訂單要求進行方案設計,再到安裝調試人員到客戶現場進行安裝調試,最后交給客戶使用)。按 照應用行業劃分,工業機器人系統集成主要分布在汽車制造、3C 電子電氣、金屬加工、 塑料及化學制品等行業;按照應用領域劃分,工業機器人系統集成主要應用在搬運碼垛、 焊接、裝配、噴涂等領域。

4.1 系統集成呈現“小、散、弱”的局面

系統集成主要集中在汽車制造與 3C 電子電氣兩大行業。目前我國工業機器人系統 集成應用大部分集中在汽車制造、3C 電子電氣兩大行業,而在金屬加工、塑料及化學制 品、食品飲料等眾多行業雖有應用,但數量相對較少,近幾年開始出現應用增長的趨勢。具體而言,2018 年國產工業機器人已服務于國民經濟 37 個行業大類,102 個行業中類,2018 年國內工業機器人系統集成應用中,汽車行業的占比達到 32.0%,電子行業的占比 達到 21.5%,二者合計占比 53.5%,集中度較高。除去汽車、3C 電子電氣兩大行業外, 食品飲料、金屬加工、塑料等余下 35 個行業占比僅為 42.7%,剩余行業應用較為分散, 呈現“長尾化”特點。

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系統集成廠商呈現“小、散、弱”特點,主要集中在低端領域。我國工業機器人系 統集成商數量眾多,但是系統集成商的規模大多較小且主要集中在低端領域。據 MIR DATABANK 統計,截至 2017 年底,中國工業機器人相關廠商 3500 余家,其中系統集成 商數量超過 3000 家,占比超過 80%。但是大部分國內集成商規模小、實力弱,且市場較 為分散,在 3000 余家系統集成商中,企業營收規模超過 5 億元的不超過 10 家,并且主 要集中于汽車領域,營收超過 1 億元的不足 100 家,絕大部分企業系統集成業務營收不 超過 3000 萬元;國內品牌營收最高的前 10 大企業市場占有率不足 20%,市場集中度較 低;另外,絕大多數系統集成廠商缺少核心技術,多集中在以搬運和上下料為主的中低端機器人,無法進入高端市場,并且缺少自主知識產權,需要品牌授權才能開展業務, 具有較高的對外依賴度。

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造成國內系統集成廠商“小、散、弱”特點的主要原因有以下幾個方面:(1)系統 集成項目是非標準化的,項目之間無法完全復制,每一個項目都需要重復投入人力物力,因此難以形成規模效應;(2)系統集成項目通常采用”3331″付款模式,即圖紙通過審核 后、發貨完成后以及安裝調試后分別拿到 30%的資金,最后剩余的 10%為質保金,一般 在產線平穩運行 1-2 年后獲得。按照這種付款流程,系統集成商通常需要墊資經營,因 此限制了其同時實施項目的數量及規模;(3)系統集成商的核心競爭力是人才,其中, 最為核心的是銷售人員、項目工程師和現場安裝調試人員,銷售人員負責拿訂單,項目工程師根據訂單要求進行方案設計,安裝調試人員到客戶現場進行安裝調試,并最終交付客戶使用。銷售人員、項目工程師和安裝調試人員才是其核心資產,因此,系統集成商也較難通過并購等方式實現規模擴張;(4)相較于機器人核心零部件與本體業務,系 統集成是一個技術壁壘較低的領域,行業進入較為容易,在近年市場爆發增長的情況下, 誕生了一大批中小微系統集成商,低端重復建設,市場更加分散。

4.2 非汽車行業機器人自動化率有望逐步提升

汽車行業屬于工業機器人高端應用領域,市場主要由外資品牌把控。整車廠有四大核心工序,分別是沖壓、焊接、噴涂和總裝,其工藝復雜、技術難度高,是工業機器人 應用的高端應用領域,例如在汽車車身焊接工序中,整車約有 3000-4000 個焊點,需要 數十個焊接機器人在 60-75s 的時間內協同完成,因此對每個點焊工位上的機器人本體性 能要求極高,并且針對不同車型還需要單獨開發控制和操作系統,以及開發相匹配的夾 具、檢具、供電系統、電腦網絡系統、自動檢測系統等。年產能 20 萬輛車的焊接車間中, 通常會使用 300-400 臺機器人(由于自動化程度不同,機器人數量差距較大),包括點焊 機器人(完成約 60%的焊接點)、弧焊機器人(完成約 40%焊接點)以及小部分涂膠機器人。

受制于技術水平等因素,國內汽車廠商使用的機器人以外資品牌為主,其中 ABB、 庫卡、發那科、安川“四大家族”市場占有率合計超過 80%,此外,意大利的柯馬、日 本的那智不二越、川崎重工以及韓國的現代重工也有一定市場。

此外,國內只有少數系統集成商研發和技術實力能夠隨著項目經驗的積累逐漸形成較強的實力和一定的規模,進而搶奪國際汽車行業系統集成商的市場份額。比如埃夫特將其多種類型機器人大量應用于奇瑞汽車生產過程中,包括用于汽車總成件點焊、弧焊、涂膠和搬運,前擋風玻璃裝配以及大燈等零部件的上下料、沖壓、打磨、噴涂等環節。埃夫特本體除用在奇瑞汽車廠外,在江淮汽車廠等國產廠商也有少量應用。但總體而言,汽車領域仍由外資品牌壟斷,特別是合資車廠商,大部分外資整車廠商的生產線標準及 機器人選型是全球統一的,幾乎只采用外資品牌機器人。

國內集成廠商難以打入汽車制造核心領域,究其原因,主要為汽車集成行業作為資金和技術密集型行業,存在項目經驗壁壘,客戶對供應商的選擇往往會基于其是否具有實施類似項目的經驗、是否具有項目實施能力、是否具有良好的售后服務、是否在行業內具有良好的聲譽等,整車制造商與國外廠商通常有長達幾十年穩定合作,國產廠商起步晚,欠缺項目經驗以及高效的售后服務體系,往往達不到高效維修解決故障問題的能力。

非汽車領域的空間巨大,成為我國工業機器人密度提升的新增長點。截至 2017 年, 我國汽車工業機器人密度已達到 634 臺/萬員工,自動化率程度較高。相較而言,非汽車 領域自動化率普遍偏低,以 3C 行業為例,3C 行業已連續兩年成為我國工業機器人應用 的首要行業,但目前其機器人密度僅約不到 40 臺/萬員工,自動化率普遍偏低,即便是加 工廠龍頭富士康代工手機的自動化率也僅為 30%左右,最高也尚未突破 50%,日韓國家 的機器人密度早已超過 1200 臺/萬員工,差距巨大。相對于應用漸趨飽和的汽車市場,作 為萬億級產業體量的 3C 市場,工業機器人在此領域存在巨大的發展空間。

現階段我國作為全球3C制造業的中心,集中了全球70%的 3C產能,居于全球首位。3C 產業作為目前發展最為迅速的產業,產品更新快但智能化制造不夠成熟的情況下,生 產線換線頻繁、招工困難、自動化率的逐漸提升均會促進機器人銷量的增長,使得 3C 領 域成為機器人企業未來競爭主戰場之一,這也將給國產廠商帶來機會。高增長新興領域的全自動產線需求帶來新的增量。新興領域包括新能源汽車、汽車零部件中的三電、新能源和倉儲物流等,這些領域未來對于系統集成應用的需求將持續增長,國產化替代進 程有望加速。

整體而言,自動化需求正持續擴散,3C、新能源、金屬制造、陶瓷、家電、物流等 領域自動化應用市場前景依然廣闊,未來國產系統集成商差異化的競爭機會主要在中低端市場和新興領域。四大家族產品更偏向于標準化和通用化,深度的行業應用需要結合實際產業工藝進行二次開發,這也給中國的機器人廠商提供了卡位下游的發展機遇。相比國外品牌,國內系統集成商的優勢體現在其服務與價格兩個方面。國外廠商盡管有先進的機器人制造技術,但往往不能直接用到加工生產環節,而需要根據不同的需求做不同程度的定制。進口廠商雖然可以滿足部分機器人改造,但也無暇顧及國內大批小廠商的個性化定制化需求,而國內廠商則在此方面優勢突出,能夠深挖多種應用場景,為制造商提供各類適配性機器人,并且提供全生命周期服務。另外,國產機器人與國外相比 價格較低,國產機器人的高性價比可以將其回本期縮短至 2 年左右,大幅降低應用廠商 使用機器人所面臨的成本風險,使應用廠商有更大動力去“機器換人”。國產系統集成商 有望在中低端與新興領域做深做強,細分子領域的龍頭企業有望憑借其資金、技術以及行業理解深度上的優勢從中脫穎而出,實現與國外品牌的差異化競爭。新興領域包括新能源汽車、光伏、食品飲料和倉儲物流等,這些領域未來對于國產本體應用的需求將持 續增長,國產化替代進程有望加速。

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