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【重磅报告】工业机器人是制造业无人化自动化的基础

2019-07-16 10:53编辑:admin人气:


  工业机器人是制造业无人化、自动化的基础

  1.1. 机器人简介

  机器人(Robot)包括一切模拟人类行为或思想与模拟其他生物的机械(如机器狗,机器猫等)。随着科技的发展,机器人所涵盖的内容越来越丰富,定义也不断充实和创新。机器人包括工业机器人和服务机器人。

  工业机器人:是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备,起源于1962年美国研制的世界上第一台工业机器人。它既可以接受人类指挥,又可以运行预先编排的程序,也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作,例如生产业、建筑业,或是危险的工作。

  服务机器人:服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员,根据Wind分类可以分为专业领域服务机器人(国防应用、场地、医疗、物流)和个人/家庭服务机器人。服务机器人的应用范围很广,主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作,在智能制造时代也将有更大的用武之地。

  自2014年以来,机器换人这一概念逐渐升温,吸引了众多饱受人工成本上升、招工困难企业的关注。2014年,全球工业机器人年销量为22.5万台,中国销量约占四分之一,是全球最大的工业机器人市场。

  1.2. 工业机器人是实现工厂自动化的基础

  工业机器人已广泛用于汽车、电子电气等领域,是实现工厂自动化、无人化的基础。现阶段,工业机器人已广泛应用于汽车、电子电气、金属和机械等领域,机器人替代人工生产是未来制造业重要的发展趋势,是实现智能制造的基础,也是未来实现工业自动化、数字化、智能化的保障。

  2.我国工业机器人景气度较高,发展前景仍广阔

  2.1. 中国已是工业机器人最大市场,但渗透率远低于发达国家

  我国已成为世界上最大的工业机器人销售市场。2010年以来,受到科技和政策驱动,中国工业机器人销量增长迅猛。2013年,我国工业机器人销量一举成为全球最高, 2014年我国工业机器人销量达到57096台,同比增长56.7%,销量第一的市场位置继续保持。从中国工业机器人销量全球占比来看,中国工业机器人销量全球占比呈逐年增长态势,已经连续三年销量全球占比超过20%。2015年,全球工业机器人销量达到了24.76万台,中国工业机器人销量为6.6万台,占比达26.66%。

  我国工业机器人的人均拥有量远低于全球平均水平,有巨大提升空间。凭借先发优势、技术积淀和环境驱动,日本、德国、美国等发达国家工业机器人技术和渗透率优势明显。2014年先进工业国家工业机器人的人均保有密度领先我国有十倍之多,这种差距也间接的显示了未来工业机器人的需求空间。

  2.2. 我国工业机器人发展的时代背景:人口红利缺失,机器换人成趋势

  参照国际经验,人口红利缺失、人力成本上升会带来工业机器人需求的大幅提升。进入二十一世纪,中国的汽车、电子等产业快速发展,与日本相似,随着劳动力成本上升和产能需求的扩大,推动工业机器人等新兴产业迅速崛起。截至2013年,中国工业机器人购买量已超过3万台,位居全球首位。

  适龄劳动力减少,人工成本上涨速度超GDP增速,人口红利拐点来临,推动工业机器人发展。过去多年,由于国内低廉劳动力的几乎无限量供应,使得国内相关行业通过人口红利取得了竞争领先地位。但随着国内劳动年龄人口连续下降,劳动力供应短缺局面可能会长期存在。根据国家统计局数据:1)劳动年龄人口占比持续降低:截至2014年底, 65岁以上人群占比为10.10%,已连续20年增长。我国已正式进入老龄化社会。2012-2014年,国内劳动年龄人数占比分别为69.2%、67.6%、67%,劳动年龄人口连续三年下降;2)劳动力工资则出现了超越GDP增速的增长趋势:2014年,国内GDP增速7.4%,城镇居民可支配收入增长9%,农民居民收入更增长了11.2%。用工成本上涨加上适龄劳动力人口减少, 使东部沿海地区出现的招工难 等现象,近年来在中西部地区也频繁出现,我国的人口红利在逐渐消失,这些成为我国工业机器人行业快速发展的主要推手。

  2.3. 政策助力,工业机器人产业加速成长

  攻关三十余载,见证工业机器人产业蓬勃兴起。机器人是衡量现代科技和高端制造业水平的重要标志,也是抢占智能社会发展先机的战略领域。我国工业机器人的研究开始于上个世纪70年代,直到80年代中期,政府开始注重对机器人的研究支持,1985 年政府将机器人列入科技攻关发展计划。随着信息化、工业化不断融合,以机器人科技为代表的智能产业也已蓬勃兴起。

  政策加码推动机器换人,无人工厂普及进行时。2013年12月30日,工信部发布关于推进工业机器人产业发展的指导意见,意见指出,工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的自动化装备,代表着未来智能装备的发展方向。无人工厂又称自动化工厂,其主要的一线生产活动均由电子计算机控制的工业机器人来完成,随着机器换人进程的推进,无人工厂也将在制造业越来越普及。

  《中国制造2025》和互联网+的顶层发展战略,将有力促进机器人新兴市场的成长。在我国人口红利逐步消失的背景下,我国实施创新驱动发展战略,大力推动互联网+和《中国制造2025》,这将有力促进机器人新兴市场的成长,创造世界上最大的机器人市场。

  一系列政策描绘出我国机器人产业的发展路线图:到2020年,我国工业机器人年销量将达到15万台,保有量达到80万台,将较十二五末新增40万台;到2025年,工业机器人年销量将达到26万台,保有量达到180万台,较十二五末增加140万台。目前我国已成为全球最大的工业机器人消费市场,未来10年机器人产业将迎来万亿市场规模。

  3.国际强者市场占有率高,国产化替代加速进行时一标题

  3.1. 四大家族占据全球50%工业机器人市场份额

  各国机器人行业各有优势。美国机器人企业主要优势在系统集成领域,主导高端机器人,如勘探、防爆灯功能机器人、医疗机器人和国防军工机器人;韩国非常重视服务类型(如教育、娱乐)机器人;瑞典的ABB代表欧洲的技术,工艺非常精湛,拥有最完整最好的产业链。日本在工业机器人、家用机器人方面优势明显,且比ABB价格便宜。

  全球工业机器人产地集中在欧洲和日本,四大家族占据全球50%市场份额。ABB、发那科(FANUC)、库卡(KUKA)和安川电机(YASKAWA)四家企业是工业机器人的主要供货商。 2013 年四大家族工业机器人收入合计约为50 亿美元,占据着全球约50%的市场份额。

  3.2. 日本机器人产业发展进程

  日本机器人产业拥有一流的技术水准并在全球市场占有举足轻重的地位。根据国际机器人(IFR)联合会2014年的一项调查,2013年日本产业机器人全球销售额超过5000亿日元,在全球市场份额占比最大。日本经济产业省2007年曾预测到2025年,日本工业机器人总数将达到100万台。

  日本机器人产业发展历程大致可以划分为四个阶段,即:幼稚期、成长期、普及期、平稳期。结合日本机器人产业的发展历程,我们认为目前中国的机器人产业正处于普及期伊始,未来工业机器人将在除汽车、电子、机械行业外得到广泛应用。

  日本工业机器人行业的巨头主要有安川电机、不二越、发那科等,这几大公司堪称日本机器人产业的基石。

  3.2.1. 安川电机机器人行业风向标

  自1915年安川电机企业创立以来,以驱动控制、运动控制、机器人和系统工程四大事业为轴心,在多个领域首屈一指。

  3.3. 中国工业机器人的市场目前被日本四大家垄断,国产化的替代空间还很大

  工业机器人工业机器人的市场集中度非常高的原因在于伺服电机、控制系统、减速机等核心零部件的技术壁垒较高。关键基础部件中,减速器控制器在国内大部分知名机器人本体制造企业均已实现自主生产,但和国际水平仍有差距;而伺服电机和减速器,仍大量依赖进口。全球减速器行业集中度很高,两家日本公司纳博特斯(Nabtesco)和哈默纳科(Harmonic Drive)控制的全球机器人减速器市场超过75%。国内机器人市场主要采购以上两家企业的减速器,高昂的生产成本和技术专利垄断是制约国内机器人企业发展的重要因素。

  核心零部件受限,国产机器人品牌市场份额较小,随着核心零部件技术的突破,国产机器人将引来巨大国产替代空间。我国工业机器人产业发展较晚,中国市场上工业机器人基本被国外机器人品牌占据着,国产机器人品牌仅占约8%的市场份额。目前我国机器人企业仍在蓄势阶段,国内大部分的机器人公司还处在产业链的低端,多数厂商承担系统二次开发、定制部件和售后服务等附加值低的工作。随着我国工业机器人市场需求的迅速扩大,国内企业的自主研发投入的不断加大,研发能力不断提升,未来几年将拉近与国际厂商的差距,国产机器人将填补巨大的替代空间。

  4.机器人产业链分析

  一个完整的机器人产业链包括上游、中游和下游。上游是核心零部件,主要的是电机、控制器、伺服系统和减速器,这相当于机器人的大脑,中游是机器人本体,就是机器人的身体,下游是系统集成商。其中,上游的核心零部件产业价值最高,最核心的部位就是控制系统,只有周密的设计经过多次试验后才能有严密的自动控制系统。

  4.1. 机器人产业链上游减速机为核心

  4.1.1. 减速机

  减速机为机器人上游产业的核心。电机高速运转需要用减速器将速度减成机器人适用的速度,它是一种精密的动力传达机构,它利用齿轮的速度转换器,将电机的回转数减速到所要的回转数,并得到较大转矩的装置,从而降低转速,增加转矩。精密减速器是工业机器人最重要的零部件,工业机器人运动的核心部件关节就是由它构成,每个关节都要用到不同的减速机产品。一般一台机器人本体上一般有6个减速机。

  我国精密减速器为起步晚,逆袭挑战重重。相比日本巨头几十年的积淀,中国的工业机器人用精密减速器研究开始较晚,技术不成熟,形成了精密减速器不能自给自足的局面,严重依赖进口。RV减速器需要传递很大的扭矩,承受很大的过载冲击,保证预期的工作寿命,因而在设计上使用了过定位结构,加工十分困难。看似简单的RV减速器,实则是对我国工业基础系统的挑战。昂贵进口的通用机床不一定能生产出精密零部件,不是仅仅引进几台进口设备就可以生产制造出来的,没有吃透相关材料、热处理、工艺等是不可能生产出精密减速器的。国内有部分公司在技术水平上取得了重大突破,目前也未形成较大的销售规模。

  4.1.2. 伺服电机

  伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置,可使控制速度,位置精度非常准确,可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。除了可以进行速度与转矩控制外,伺服系统还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。

  到目前为止,高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机,控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。

  目前国内高端市场主要被国外名企占据,主要来自日本和欧美,未来国产替代空间大。目前国外品牌占据了中国交流伺服市场近 80%的市场份额,日系产品以约 50%的市场份额居首。未来五年,我国伺服系统行业受益于产业升级的影响,将保持较快增长,国产替代空间还很大。

  中国内较大的伺服品牌市场包括上市公司埃斯顿、汇川技术、华中数控、广州数控、和利时、新时达,新三板公司北超伺服。

  国产伺服产品将重现国产变频器的光辉历程,进口替代加速迚行。起步相对较早的国产变频器已经在 OEM 市场取得较好成绩,而国产伺服产品技术正在不断进步,我们认为本土伺服产品未来有望复制国产变频器的发展路线,在 OEM 进口替代市场取得较大突破。

  4.1.3. 控制器

  控制器(英文名称:controller)是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成,它是发布命令的决策机构,即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。

  控制器的市场份额基本和机器人保持一致,国内企业控制器尚未形成较大市场份额

  在中国工业机器人领域,精密减速机、控制器、伺服系统以及高性能驱动器等机器人核心零部件大部分依赖进口,而这些零部件占到整体生产成本70%以上。现阶段国内机器人厂商在高端领域不能直接与国外企业竞争,国内机器人的成功之道在于打通上下游产业链,生产经济型机器人本体,尤其要突破减速机等关键零部件。

  未来几年中国国产机器人将得到快速发展,国产机器人控制器应用市场面临较好的发展契机,尤其是在运动控制领域深耕多年的企业。随着中国工业机器人的快速发展,具有较强研发能力的公司会具备更强的竞争优势。

  4.2. 机器人产业链中游国产经济型本体企业突围

  工业机器人产业链的中游是本体企业。本体企业设计本体、编写软件,采购通过代理商销售给系统集成商,而系统集成商直接面向终端客户。有的本体企业和代理商也会兼做系统集成商。机器人本体企业包括新松机器人、软控股份、广州数控、南京埃斯顿等。

  工业机器人按本体结构可分为四类,多关节机器人具备高效、精度高、灵活性强等优势,是运用最为广泛的机器人。工业机器人按照结构可分为四类:直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人和多关节机器人。其中多关节机器人以自由度高的特点广泛应用于焊接、喷涂、汽车、电子、食品等行业。

  2014年我国工业机器人本体市场规模84亿,预计2018 年机器人本体市场规模为300 亿,还有2.7倍的空间。

  国内本体市场份额以四大家族为主,经济型本体是国产机器人本体的发展方向。在汽车领域,国内机器人企业短期不能和国外企业竞争。开发应用于汽车产业以外一般制造业的经济型机器人是国产机器人本体现阶段的发展方向。经济型本体包括低成本的六轴通用机器人和三、四轴专用机器人。

  4.3. 机器人产业链下游制造业为核心,应用领域广泛

  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。只有机器人裸机是不能完成任何工作的,需要通过系统集成之后才能为终端客户所用。系统集成方案解决商处于机器人产业链的下游应用端,为终端客户提供应用解决方案,其负责工业机器人软件系统开发和集成,是工业机器人自动作业的重要构成。在我国,系统集成商多是从国外购置机器人整机,根据不同行业或客户的需求,制定符合生产需求的解决方案。

  中国的机器人公司多集中在机器人系统集成领域,普遍规模较小,年产值不高,面临强大的竞争压力。 根据高工产研机器人研究院(GGII)的数据显示,截至2014年9月,中国机器人相关企业428家,其中系统集成商就占88%,并且从相关市场数据来看,现阶段国内集成商规模都不大,销售收入1个亿以下的企业占大部分,能做到5个亿的就是行业的佼佼者,10个亿以上的全国范围屈指可数。由于硬件产品价格逐年下降、利润也越来越薄,仅靠项目带动硬件产品的销售模式已经成为过去时,同时进入系统集成这个领域的门槛越来越低,竞争就更为激烈。系统集成的壁垒相对较低,与上下游议价能力较弱,毛利水平不高,但其市场规模要远远大于本体市场。

  机器人下游客户众多,应用领域广泛,目前我国机器人主要应用在金属机械、电子和汽车领域。

  近年来国内还是涌现一批工业机器人系统集成行业领军者。国内涉足下游集成应用领域的上市公司包括新松机器人、博实股份、天奇股份、广州数控、埃斯顿等,其中新松机器人为国内最大的系统集成商,主要从事工业机器人及自动化成套装备系统的研发、制造。新三板公司有伯朗特、林克曼、拓斯达等。

(来源:未知)

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