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工業(yè)機器人國產化的脖子在哪里?

2022年6月10日 13:55  果殼硬科技  

人類害怕機器,始于第一次工業(yè)革命。

由于機器的生產力遠勝人類,引發(fā)了工具對人的替代、人與技術的關系、技術決定論以及技術恐懼癥等一系列思潮,隨著工業(yè)生產對社會的全面改造,這些思考也深刻嵌入各種社會議題。這一時期,人們對機器生產可能剝奪勞動者工作崗位的焦慮,即“替代恐懼”成為社會最突出的焦慮。極端表現(xiàn)為成規(guī)模的“盧德運動”。

但是時代變了——人與機器的關系,或許會因為勞動力拐點的到來,出現(xiàn)新的故事。

冰點丨特約作者

陳悶雷丨編輯

果殼硬科技丨策劃

隨著工業(yè)化程度的不斷加深,工業(yè)生產發(fā)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,成了主要制造業(yè)國家面臨的主要矛盾。

例如我國制造業(yè)的勞動力短缺,幾乎成為常態(tài)。但工業(yè)生產的某些特質決定了,提薪招工僅是權宜之計,大多數制造業(yè)的利潤空間不太可能支持薪資持續(xù)上漲,這也是制造業(yè)向低人力成本地區(qū)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,成了制造業(yè)必然的選擇,是我國近年工業(yè)機器人行業(yè)繁榮的主要驅動力。

從市場規(guī)模看,盡管中美貿易沖突對行業(yè)造成了一定沖擊,全球范圍內的工業(yè)機器人保有量仍在穩(wěn)步增長。根據IFR(世界機器人聯(lián)盟)數據顯示,2020年的全球工業(yè)機器人保有量為301.5萬臺,較2019年增長10.4%,在10年內增長超過160%(2011年為115.3萬臺)[1]。

中國是世界上最大的工業(yè)機器人市場。且增速遠超行業(yè)平均水平。根據IFR的統(tǒng)計,2020年中國機器人的年安裝量排名第一,達到16.8萬臺,超過了第2~15名的總和,是十年前的7倍有余(2.3萬臺)[1]。

2020年全球工業(yè)機器人安裝量,圖源 | IFR

中國的繁榮并非孤例,對工業(yè)機器人的旺盛需求,也出現(xiàn)在全球供應鏈的另一個重要制造業(yè)中心,美國。根據美國自動化促進協(xié)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(xù)惡化的結果[2]。

因此,工業(yè)機器人對未來制造業(yè)有著關鍵影響。本文將從產業(yè)鏈概況開始,解析關鍵環(huán)節(jié),詳述我國工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀、主要制約因素以及行業(yè)未來發(fā)展趨勢。

工業(yè)機器人的產業(yè)鏈概況

工業(yè)機器人主要職責是在生產線上進行搬運、碼垛、焊接、打磨、噴涂、組裝等,廣泛應用于汽車制造、3C電子、金屬加工、食品飲料、半導體等多個行業(yè)。工業(yè)機器人的研發(fā)、制造、應用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志,被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”。

盡管相關研究起步于上世紀七十年代,但至今我國工業(yè)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,其高端化生產制造仍由在國外廠商掌握。

工業(yè)機器人產業(yè)鏈

工業(yè)機器人產業(yè)鏈上游是零部件,包括核心零部件和其它零部件;中游是本體制造,按照機械結構和運動方式的不同,可分為多種類型;下游是機器人系統(tǒng)集成,應用于不同行業(yè)場景。

公開信息整理 | 果殼硬科技制表

公開信息整理 | 果殼硬科技制表  

在工業(yè)機器人的成本構成中,本體制造僅占約22%,核心零部件占比超過70%。

公開信息整理  

而在利潤方面,本體制造僅有15%,三大核心零部件的利潤率均高于此:減速器40%,伺服系統(tǒng)35%,控制器25%。

公開信息整理  

若自下而上審視國產機器人產業(yè),我們會發(fā)現(xiàn),目前工業(yè)機器人下游應用端國產化率較高,但中上游則面臨明顯的卡脖子現(xiàn)狀。

國內廠商在渠道、價格、服務等方面占優(yōu),因此主要在系統(tǒng)集成領域展開競爭,實現(xiàn)工業(yè)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(yè)機器人系統(tǒng)集成商,占據了全國80%的集成市場。本土集成商在電子行業(yè)的競爭力較強,而在傳統(tǒng)的汽車制造領域競爭力較弱,呈現(xiàn)數量多,規(guī)模小的業(yè)態(tài)[3]。

中游的本體制造環(huán)節(jié)的國產化率很低,僅為27%[4]。不過本體制造是一個比較復雜的話題,若聚焦在工業(yè)機器人領域,行業(yè)長期被”四大家族“(發(fā)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制造,在移動機器人(AGV/AMR)、協(xié)作機器人等領域,近年來本土廠商的競爭力不錯,機器人本體制造的國產化率可觀。由于這一環(huán)節(jié)的利潤率并不高,參與競爭的難度又過大,是否要國產化存在不同觀點,與企業(yè)具體商業(yè)模式與發(fā)展路線密切相關,需要具體問題具體分析,本文不再贅述。

在上游環(huán)節(jié),減速器、伺服系統(tǒng)、控制器此三種的最核心的零部件,國產化率僅為36.53%、24.50%、31.20%[5]。相較于復雜的中游制造環(huán)節(jié),核心零部件的邏輯更為簡單直接——無論其它環(huán)節(jié)業(yè)態(tài)如何,該環(huán)節(jié)的需求永遠存在,是整個機器人工業(yè)的基石。若能實現(xiàn)上游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(yè)機器人的應用成本,并縮短拿貨周期,進一步推動工業(yè)機器人的應用,提升智能制造水平。

工業(yè)機器人核心零部件

工業(yè)機器人工作場景及構成,圖源 | 廣證恒生

工業(yè)機器人工作場景及構成,圖源 | 廣證恒生  

工業(yè)機器人核心零部件包括控制器、減速器、伺服系統(tǒng)。此三個裝置,決定了工業(yè)機器人能夠實現(xiàn)自動化的精密運動,在一些生產環(huán)節(jié)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。

控制器

控制器是決定機器人功能和性能的主要部分相當于大腦,能控制機器人在工作空間中的位置、姿態(tài)、軌跡、操作順序、運動時間等。

工業(yè)機器人控制器(左)及本體(右),圖源 | ABB官網

工業(yè)機器人控制器(左)及本體(右),圖源 | ABB官網  

控制器主要包括硬件和軟件兩部分。硬件部分是工業(yè)控制板卡,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系統(tǒng)、控制算法、二次擴展開發(fā)等。

控制器接收來自傳感器的檢測信號,根據操作任務要求,經過算法計算后發(fā)出指令信息,驅動機器人關節(jié)中的各個電機轉動,從而實現(xiàn)對機器人的精密控制。

控制系統(tǒng)的基本功能包括記憶、示教、坐標設置、與外圍設備聯(lián)系、位置伺服、故障診斷及安全保護等等。

伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是機器人的動力系統(tǒng),相當于“心臟”。伺服系統(tǒng)接收來自控制器的信息,并轉換成轉矩和轉速以驅動控制對象。

伺服系統(tǒng)工作原理,圖源 | 信達證券

伺服系統(tǒng)工作原理,圖源 | 信達證券  

伺服系統(tǒng)由伺服驅動器、伺服電機、編碼器三部分組成。伺服驅動器將從控制器接收到的信息分解為單個自由度系統(tǒng)能夠執(zhí)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,驅動控制對象;編碼器將電機的編碼信號反饋給控制器,很大程度上決定了伺服系統(tǒng)的精度。

當前,工業(yè)機器人的伺服系統(tǒng)主要是電氣伺服系統(tǒng)中的交流伺服系統(tǒng)。按照功率大小,可以分為小型/中型/大型伺服系統(tǒng)。

減速器

減速器是控制機器人運動的核心部件,相當于“關節(jié)”。減速器是鏈接伺服系統(tǒng)和末端執(zhí)行器的中間裝置,能夠降低轉速、增大轉矩,從而驅動“關節(jié)”運動。

減速器通過齒輪的嚙合,將電機的轉速減速到機器人各“關節(jié)”運動實際需要的轉速,并輸出更大的轉矩,驅動“關節(jié)”運動。

工業(yè)機器人中的減速器主要是諧波減速器和RV減速器兩類。

RV減速器軸承分類,圖源 | GB/T 34897-2017

RV減速器軸承分類,圖源 | GB/T 34897-2017  

根據GB/T 34897-2017《滾動軸承工業(yè)機器人RV減速器用精密軸承》[6]定義,RV減速器是傳統(tǒng)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,應用于重載機器人的全部關節(jié),以及輕載機器人的部分關節(jié),類似于“大臂”“肩膀”等位置。

諧波減速器結構,圖源 | 綠的諧波招股書

諧波減速器結構,圖源 | 綠的諧波招股書  

根據GB/T 30819-2014《機器人用諧波齒輪減速器》[7]定義,諧波減速器由波發(fā)生器、柔輪、鋼輪三部分構成。諧波減速器結構簡單,一般應用于輕載機器人的部分關節(jié)中,類似于“前臂”“手腕”等位置。

核心零部件國產化進度如何?

當前我國的工業(yè)機器人核心零部件國產化水平不一,差距很大。控制器的進度最為喜人,減速器則面臨較多技術難題。

減速器:RV減速器成為“卡脖子”的關鍵

全球減速器市場,圖源 | 廣證恒生

全球減速器市場,圖源 | 廣證恒生  

全球減速器市場被日本壟斷多年。RV減速器巨頭納博特斯克占據了全球60%的減速器市場,而諧波減速器領先者哈默納科緊隨其后,占據了15%的市場[8]。

納博特斯克于2003年9月成立于日本,在RV減速器領域深耕近20年,因“高精度、高剛性、長壽命”以及“小尺寸、輕重量”等特點而在全球范圍內廣受好評。哈默納科于1970年成立于日本,深耕諧波減速器領域長達50余年。而國內相關企業(yè)開始研發(fā)減速器的時間較晚,在經驗積累及實踐驗證周期上難以趕超日企。

相對而言,諧波減速器的國產化程度較高。由于僅有三個零部件,機械構造較為簡單,且哈默納科的專利于2008年到期,國內廠商開始把握住學習及研發(fā)的機會。

當前,哈默納科仍然在中國占據較大的市場份額,緊隨其后的是國內廠商綠的諧波和來福諧波。這兩家企業(yè)均有著十余年的研發(fā)經驗,其諧波減速器產品在輸出轉速、傳送精度等性能上與哈默納科差距較小,但在精度保持使用壽命、傳動效率等方面仍有差距。

國內外減速器產品指標對比,圖源 | 東吳證券

國內外減速器產品指標對比,圖源 | 東吳證券  

一方面,國產諧波減速器的價格較低,且交貨周期較短,因此拿下了許多國內機器人廠商的訂單。例如,綠的諧波和來福諧波的同類型產品比哈默納科低40%~50%,平均交貨周期約為2個月(哈默納科為10個月)[8]。綠的諧波在國內機器人廠商中的占有率預計已達80%[9]。

但另一方面,國內廠商的產能仍然較低。來福諧波在2019年產能剛剛邁過月產2萬臺[10],綠的諧波在2019年的產能僅為9萬臺,而哈默納科在2018年即達到180萬臺[8]。

目前減速器國產替代進程只能算剛起步,距離國際先進水平仍有不小差距。

且由于哈默納科產品線更豐富、覆蓋范圍更廣,且在全球范圍內與機器人本體制造龍頭廠商具備穩(wěn)固的合作關系,為之提供的供貨價更低、供貨規(guī)模更大。如何打入現(xiàn)有供應鏈,建立上下游關系,也是國產制造商必須面對的挑戰(zhàn)。

在RV減速器領域,由于其組成零件更復雜、承載強度更高,導致制造難度和產線投資規(guī)模都遠大于諧波減速器。RV減速器的核心難點在于各項工藝的精密配合,例如材料選擇、齒面熱處理、加工精度、成組技術、裝配精度等,配合不夠精密就會影響產品的磨損及壽命。

例如,納博特斯克的RV減速器可保持10000小時的平均壽命,且精度和剛度不會隨著使用時間增加而下降。而國產產品的壽命低于6000小時,且在使用中存在噪聲和發(fā)熱等不正,F(xiàn)象,這意味著減速器內部存在齒輪嚙合不良,有超額摩擦、磨損現(xiàn)象[11]。

因此,我國在RV減速器領域與國際水平差異較大。部分龍頭企業(yè)如雙環(huán)傳動、秦川機床、南通振康、中大力德等,目前的年產量均不足10萬臺。而據納博特斯克估計,其2026年的年產量將達到200萬臺[12]。

伺服系統(tǒng):國產替代空間較大

中國伺服系統(tǒng)市場格局,圖源 | 前瞻產業(yè)研究院

中國伺服系統(tǒng)市場格局,圖源 | 前瞻產業(yè)研究院  

當前,本土伺服市場被日本、歐美、中國大陸、中國臺灣四類廠商占據[13]。其中,中高端市場主要被歐美和日系企業(yè)壟斷。

以安川電機為代表的日系伺服,經過幾十年的技術沉淀,產品穩(wěn)定性高;以西門子為代表的歐系產品,強調高度集成化,將伺服系統(tǒng)與上游控制系統(tǒng)深度結合,電機體積更小、運動控制精度更高;而以匯川為代表的國產伺服,主要依靠性價比優(yōu)勢,在中低端領域滿足國內中小企業(yè)的需求。

在動力輸出方面,國產、日系、歐系伺服的輸出功率(由轉矩和轉速決定)差距較小,但在運動控制性能上,國產伺服仍然存在一定的差距。例如,速度環(huán)頻率通常能反映快速響應性能,頻率越高,說明帶寬越大,快速響應性能越好。由下表可知,西門子的速度環(huán)頻率可以達到2k,安川為1.5k,而匯川僅能達到1.2k[14]。

伺服電機性能比較,圖源 | 信達證券

伺服電機性能比較,圖源 | 信達證券

除此之外,國產伺服還存在電機尺寸偏大、編碼器精度不足、產品穩(wěn)定性較低等差距。

但國產廠商正在迎頭趕上。

中國品牌的價格平均比國外品牌低15%~30%,且積極與下游企業(yè)客戶合作開發(fā)定制化解決方案,憑借價格優(yōu)勢和服務能力逐漸占據了中低端市場[15]。2021年,匯川的市占率達到15.9%,成功領先安川、臺達等廠商。而埃斯頓、廣州數控等其他廠商也正在突圍,目前本土伺服廠商總數超過300家[16]。

隨著國產與外資產品在性能上的不斷接近,加上穩(wěn)定性和可靠性隨著實踐不斷驗證,以匯川為首的國產廠商將有機會進一步替代外資廠商,擴大市場份額。

控制器:硬件國產化差距較小

控制器是我國與國外產品差距最小的核心零部件。

成熟的工業(yè)機器人廠商通常會自行開發(fā)控制器,以保證統(tǒng)一性、穩(wěn)定性,維護技術體系。因此,控制器和機器人本體的市場份額基本保持一致。這也就意味著,在這一領域保持領先的仍然是傳統(tǒng)的工業(yè)機器人本體“四大家族”。

控制器分為硬件和軟件兩部分。由于硬件(芯片、電路等)普遍都是外購,機器人廠商之間的差距不大。但國內廠商在軟件上與傳統(tǒng)的“四大家族”差距較大,控制器從“能用”到“好用”還有較長的距離。

控制器作為工業(yè)機器人的大腦,對機器人的性能起著決定性影響。對于同樣性能的伺服電機,好的控制算法能夠極大地提升精度、速度、穩(wěn)定性等。

例如,在小負載焊接領域,國產工業(yè)機器人的重復定位精度與“四大家族”大體相當,一般可達到0.05mm,已經能夠滿足汽車焊接生產的需要,但發(fā)那科的最高精度可達0.02mm。而在最高軸速上,“四大家族”能夠達到700°/s,國產廠商中僅有為數不多的龍頭企業(yè)能夠達到該水平[17]。

控制器的軟件部分包括機器人操作系統(tǒng)、底層控制算法、二次開發(fā)的應用工藝算法等。其中,操作系統(tǒng)既有專用系統(tǒng),也有開源操作系統(tǒng)。在算法層面,底層算法是基礎,例如路徑規(guī)劃、行為決策等。國產廠商在這方面差距較大,導致在針對不同行業(yè)場景進行二次開發(fā)時,算法的精確性、穩(wěn)定性、響應速度等性能不足。

當前,埃斯頓、新松、新時達等國內機器人本體廠商均能夠生產控制器,但在軟件算法上,還需要更多的數據、實踐積累和經驗沉淀,才能有所突破。

行業(yè)未來發(fā)展趨勢

《“十四五”機器人產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》文件中,對產業(yè)發(fā)展提出的規(guī)劃是:到2025年,我國成為全球機器人技術創(chuàng)新策源地、高端制造集聚地和集成應用新高地。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[18]。

當前的現(xiàn)實是,工業(yè)機器人行業(yè)只在中低端領域有所突破,高端領域仍有大量技術難題待解。當前的核心零部件本質上仍然屬于精密制造,日本、德國的老牌工業(yè)廠商起步較早,有著幾十年甚至上百年的技術積累和實踐驗證。中國廠商只能后期追趕,從為國外廠商代工、研發(fā)中低端產品起步,逐步向國際一流產品靠近。

但國產替代仍有機會。

首先,當突破了較為基礎的技術工藝后,國產廠商能以較低的價格在中低端領域站穩(wěn)市場,再逐漸擴大份額;其次,由于供貨周期相對較短,且能為下游企業(yè)客戶提供定制化服務,國產機器人本體制造商將可能優(yōu)先選擇國產核心零部件。

同時,當機器人整體邁向智能化時代,中國領先的“人工智能”技術將賦予工業(yè)機器人全新的“頭腦”。例如,視覺傳感器的加入拓展了工業(yè)機器人的應用場景。通過機器視覺技術使機器人有了“眼睛”,變得更加靈活。由此會帶來控制算法上的更新迭代,為國產廠商帶來新的機會。

而協(xié)作機器人的發(fā)展,使機器人不再局限于固定工位的操作,可以柔性地適應不同工作環(huán)境,從而實現(xiàn)人機協(xié)同。在這一領域,已涌現(xiàn)出許多創(chuàng)業(yè)型廠商并快速發(fā)展。由此,國產機器人本體廠商將可能搶占傳統(tǒng)工業(yè)機器人廠商的市場,而核心零部件供應商也有機會隨之不斷成長。

當然,最重要的仍然是縮短與國外廠商之間的技術差距!丁笆奈濉睓C器人產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提到,要“補齊產業(yè)發(fā)展短板。推動用產學研聯(lián)合攻關,補齊專用材料、核心元器件、加工工藝等短板,提升機器人關鍵零部件的功能、性能和可靠性;開發(fā)機器人控制軟件、核心算法等,提高機器人控制系統(tǒng)的功能和智能化水平!盵18]

具體而言,在整個機器人產業(yè)鏈發(fā)展過程中都需要:

強化統(tǒng)籌多方資源,發(fā)揮行業(yè)協(xié)會的橋梁作用,加強機器人產業(yè)動態(tài)監(jiān)測等;

加大財稅金融支持,發(fā)揮政府采購作用,推動各類產業(yè)基金投入,支持符合條件的企業(yè)上市等;

營造良好市場環(huán)境,加強支持產權保護,規(guī)范市場招標采購等;

健全人才保障體系,支持高校和科研院所培養(yǎng)高端人才;

深化國際交流,鼓勵國外企業(yè)在華設立研發(fā)機構,推進機器人產品和解決方案“走出去”等等[18]。

除了具體技術問題,來自政府層面的政策利好、社會資本的投入以及下游行業(yè)的支持,同樣對工業(yè)機器人產業(yè)鏈的本土化有著至關重要的作用。在良好的內外部因素共同支持下,未來行業(yè)的優(yōu)質發(fā)展可以期待。(果殼硬科技)

編 輯:章芳
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