新机器时代:工业机器人行业发展研究(图)

2019-08-05 10:54

  机器人按应用不同可分为工业机器人和服务机器人。工业机器人是一种能够通过自动控制对各种作业进行控制的工业用机械,一般由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测装置构成,是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

  工业机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表,它是集机械、电子、自动控制、计算机、传感器、人工智能、通讯与网络等多学科先进技术于一体的重要的现代制造业自动化装备。工业机器人在工业生产中能代替工人做某些单调、频繁和重复的长时间作业,或是危险、恶劣环境下的作业,例如在机械工业中的冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、零部件加工和简单装配、检测等工序上,以及在核工业、航空航天等部门中,完成有害物质的搬运或工艺操作。

  机器人在三种工况下最有发展潜力:人不能干的(如危险工况、太空深海极端环境作业等)、人干不好的(如高精度复杂工艺)和人不愿干的(如单调重复性劳动、重体力劳动等)。发达国家的制造业中,工业机器人广泛应用于不同门类的工业生产中。伴随着自动化技术的不断进步,机器人应用也从简单劳动阶段逐渐过渡到人机搭配,人机协调生产阶段。

  一、工业机器人行业概述

  工业机器人目前已经广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、物流行业等诸多领域。2014年,ABB、发那科、库卡、安川这四大家族机器人业务收入约55亿美元,占了全球工业机器人约50%的市场份额,占中国高达70%的市场份额。纵观四大家族的机器人发展历程,ABB和安川电机最早从事电力电机设备,发那科从事数控系统业务,库卡专注于焊接设备生产,在逐渐掌握了机器人本体和核心零部件的生产技术后,逐渐成为机器人行业的巨头。

  工业机器人四大家族

  近年来,我国工业机器人行业快速发展,目前已经成为全球工业机器人最重要的市场。随着工业机器人广泛应用于汽车、电子、金属和机械等领域,机器人替代人工生产是未来制造业必然的发展趋势,现阶段,美日欧机器人产业已经进入智能化时代,而中国机器人产业还处于发展孕育期,发展势头迅猛。

  我国工业机器人销量与全球工业机器人销量的对比

  二、工业机器人产业链概况

  工业机器人行业产业链由上游核心零部件、中游工业机器人本体、下游应用端系统集成组成。根据工信部《关于推进工业机器人产业发展的指导意见》,到2020年,要建立完善的智能制造装备产业体系,产业销售收入超过3万亿元,实现装备的智能化及制造过程的自动化。随着相关政策与资金的逐步落实,将有力促进我国工业机器人产业实现快速发展。

  工业机器人产业链国内外公司分布

  1、产业链上游零部件

  工业机器人的核心零部件主要包括减速器、伺服电机和控制器。机器人的工作过程是由控制器发指令给伺服机构,驱动伺服电机旋转,通过减速器执行指令动作。三大核心零部件中技术门槛最高的是减速器,其次是伺服电机,最后是控制器。从成本角度来看,减速器、伺服电机和控制器的成本占机器人总成本的比例依次降低,它们共同决定了工业机器人的性能、质量和价格。

  受制于国内基础工业的差距,国内在机器人关键零部件伺服电机、减速器、控制器等方面自主生产能力较弱,需要大量进口,因而削弱了国产机器人的整体成本优势。特别是核心零部件减速器,国内企业购买减速器的价格是国外企业的5倍左右。伺服电机、控制器等关键零部件的购买价格也高于国外同类产品。对国内机器人厂家而言,减速器与伺服电机目前难以突破的核心在于基础工业,如材料、热处理工艺、精加工工艺等。而这些并不是机器人厂商所能决定的,需要国内整个基础工业和加工水平的积累提升。

  减速器

  减速器是工业机器人生产中最核心的部件,占了一台机器人总成本的35%之多。机器人用减速器主要分为谐波减速器和RV减速器。谐波减速器用于小型机器人或大型机器人的末端轴,其对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高,工艺复杂。日本的哈默纳科(Harmonic Drive)公司在全球谐波减速器市场占有率高达80%。RV减速器适用于重载机器人,相比谐波减速器,RV减速器具有更高的疲劳强度、刚度和寿命。日本纳博特斯克(Nabtesco)公司在RV减速器市场占有全球60%的市场份额。国内还没有能够提供规模化且性能可靠的精密减速机的企业,这导致国内机器人成本较高,精密减速器成为制约国产工业机器人成本降低的第一因素。

  机器人用伺服电机要求控制器与伺服之间的总线通讯速度快;伺服的精度高;另外对基础材料有加工要求。伺服电机的主流供应商有日本的松下、安川和欧美的倍福、伦茨等,国内汇川技术等公司也占据一定的市场份额。

  控制器

  机器人控制系统是机器人的重要组成部分,用于对机器人进行控制,以完成特定的工作任务。相对来讲控制器是三大核心零部件中开发难度最低的,控制器由软件和硬件两部分构成,软件是核心技术(如控制算法、系统构架等)。国内机器人本体厂商大多具备硬件研制技术,而软件方面与国外成熟产品仍有差距。

  2、产业链中游机器人本体

  工业机器人本体按照机械结构可以分为直角坐标机器人、SCARA机器人、关节型机器人、并联机器人等。

  直角坐标机器人的三个轴运动相互独立,结构简单,控制方便,定位精度高,但运动速度低,占地面积较大,密封性差;SCARA机器人也叫水平多关节机器人,具有两个旋转运动轴和一个垂直运动轴,工作范围大,占地面积小,但控制系统相对复杂;并联机器人轻量、速度快,精度误差不会累积,多用于拾取搬运等操作;关节型机器人可以实现多方向的自由运动,工作空间大,但控制涉及复杂耦合问题,是最通用也最复杂的一类机器人,一般设计为六轴或四轴,通过六个轴或者四个轴的耦合运动来完成某项指令功能;柔性机器人也称人机交互机器人,是从机器人设计角度,使机器人避免隔离,能够与人交互完成某项工作。

  并联机器人

  关节型机器人

  在机器人本体制造领域,ABB、发那科、库卡、安川四大家族占据我国70%的市场份额,特别是相对高端的多关节机器人和SCARA机器人,90%以上的市场份额均被外资品牌占据,而相对简单的直角坐标机器人国产品牌占比相对较高。

  不同本体机器人的全球销售情况

  3、产业链下游系统集成

  机器人系统集成是指在机器人本体上加装夹具及其他配套系统以完成特定的使用功能。目前我国众多企业集中在机器人系统集成这一块。

  从模式对标角度看,国内的机器人产业发展更接近于美国模式,即以系统集成商为主,单元产品外购或贴牌,为客户提供交钥匙工程。系统集成商要具有产品设计能力、项目经验,并在对用户行业深刻理解的基础之上,提供可适应各种不同应用领域的标准化、个性化成套装备。

  SCARA机器人

  从产业链的角度看,机器人本体(单元)是机器人产业发展的基础,而下游系统集成则是机器人商业化、大规模普及的关键。本体产品由于技术壁垒较高,具有一定垄断性,议价能力较强,利润率较高。而系统集成的壁垒相对较低,与上下游议价能力较弱,利润水平不高,但其市场规模远大于本体市场。

  直角坐标机器人

  三、国内工业机器人发展利好因素

  虽然面临国外工业机器人企业巨大的市场竞争,但国内工业机器人生产商也拥有本土的许多比较优势,包括政策支持、工程师红利、渠道优势、市场需求旺盛等诸多利好因素。

  1、政策红利

  近期国家出台了一列扶持该行业发展的重大政策,我国政府持续出台政策推动工业机器人产业发展。

  2013年12月,工信部在发布的《工信部关于推进工业机器人产业发展的指导意见》中明确提到,至2020年我国要形成较为完善的工业机器人产业体系,培育3至5家具有国际竟争力的龙头企业和8至10个配套产业集群;工业机器人行业和企业的技术创新能力和国际竟争能力明显增强,高端产品市场占有率提高到45%以上,机器人密度(每万名员工使用机器人台数)达到100以上,基本满足国防建设、国民经济和社会发展需要。

  2015年5月,《中国制造2025》发布,国务院明确将工业机器人列入大力推动突破发展的十大重点领域之一,以促进机器人产业迅速发展。

  2015年7月,国务院发布的《国务院关于积极推进互联网+行动的指导意见》指出要大力发展智能制造。以智能工厂为发展方向,开展智能制造试点示范,加快推动云计算、物联网、智能工业机器人等技术在生产过程中的应用,推进生产装备智能化升级、工艺流程改造和基础数据共享。

  2、转型升级的需要

  中国已经成为汽车、消费电子、通讯终端、家电电器等产品的世界级制造中心,未来发展必然要向高技术含量和高附加值的产业进行转型升级,这就需要以工业机器人为代表的更加精密的加工与制造手段来满足国内工业制造企业转型升级的迫切需要。

  3、劳动力短缺带来的需求

  中国正面临着人口老龄化加速,劳动力成本不断上升,劳动力人口绝对数量迅速下降,表现在制造业方面,就是以操作工人为代表的劳动力严重短缺。人口红利的消失,未来劳动力的短缺将是一个中长期现象,制造业自动化程度提高十分迫切,制造业进入机器人时代已是大势所趋。另外,我国制造领域也备受高成本的劳动力制约,我国劳动者的平均薪资相比10年前已上涨三倍左右,在劳动力成本不断攀升的情况下,大规模使用工业机器人转型智能制造成为必然发展趋势,也是我国未来制造业的重大发展战略。

  4、工业机器人行业概述工程师红利

  我国本土机器人厂商的一大优势在于工程师红利,即我国拥有充裕的工程师供给和较低的工程师价格。欧美日机器人行业工程师平均年薪为40万元人民币,中国机器人行业工程师平均年薪仅为10万人民币。工程师红利优势集中体现在机器人售前售后服务和配套软硬件开发的成本优势。

  5、本土优势

  立足现实国情,国内机器人厂商更熟悉各行业特殊需求。我国制造业中大量的中小微企业存在工业机器人改造需求,却无法负担国外机器人厂商的高额费用,我国机器人厂商依托本土优势可以着力开发中小微企业市场,有望在中低端市场占据较大优势。

  四、我国工业机器人行业发展趋势

  未来一段时期,工业机器人的规模化应用是我国重塑全球制造业竞争力和全面推进智能制造的重要抓手,更是加快我国工业转型升级的必然选择。

  机器人使用密度空间巨大

  目前我国工业机器人使用密度仍然远远低于全球平均水平,离日本、韩国、德国等更是有很大差距。韩国是全球工业机器人使用密度最高的国家,每一万名工人中拥有机器人数量395台、日本339台、德国274台、中国仅为23台,不及国际平均水平58台的一半,未来我国工业机器人市场增长空间巨大。

  机器人使用成本不断降低

  与此同时,在人力成本逐步上升的同时,机器人的成本却在逐年下降。由于科学技术的不断进步以及规模化的生产,近年来,机器人成本年均下降幅度达到5%左右,机器人成本的下降,也使得制造成本回收周期大幅缩短,回收周期的缩短将有助于机器人逐步替代劳动力人口。

  中国工业机器人销量预测(万台)

  据估计,2020年我国工业机器人年销售量将达到19.17万台,2015年至2020年五年内,我国机器人市场的销售总规模将近1500亿元。面对每年增长率30%左右的国内工业机器人市场,我国工业机器人产业发展应统筹全局,从政策、资金、技术、人才等各方面综合自身优势,全力突破关键技术壁垒,在全球激烈竞争的智能制造领域争取一席之地。

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