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當前位置: 首頁 > 新聞頻道 > 熱點聚焦 > 全球工業機器人產業深度分析
全球工業機器人產業深度分析
來源:中國數控機床網   發表時間:2019-1-17 18:09:00  瀏覽次數:
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導讀: 全球工業機器人年銷量由2001年的7.8萬臺增長至2016年的29.4萬臺,增幅277%,近6年來(2010-2016),CAGR達16%,行業呈現出加速發展的趨勢。預計2020年全球功能工業機器人銷售量將接近50.9萬臺。

 

全球工業機器人年銷量由 2001 年的 7.8 萬臺增長至 2016 年的 29.4 萬臺,增幅 277%,近 6 年來(2010-2016),CAGR 達 16%,行業呈現出加速發展的趨勢。預計 2020 年全球功能工業機器人銷售量將接近 50.9 萬臺。

1、多因素助推中國工業機器人發展加速

1.1產業升級,國家政策扶持增加行業確定性

近年我國關于發展智能制造及工業機器人行業的主要政策:

1.2 工業機器人和人工成本剪刀差擴大,“機器換人”拐點到來

從 2011 年開始,我國勞動年齡人口總數逐年下滑,人口老齡化比例上升。制造業領域工人工資水平不斷上升,波士頓咨詢的報告《全球制造業的經濟大挪移》對 2004 和 2014 年間的數據進行分析,發現中國的制造成本已經與美國相差無幾。全球出口量排名前25 位的經濟體,以美國為基準(100), 中國的制造成本指數是 96,雙方差距已經大幅縮小,中國人口紅利逐漸喪失。

而隨著工業機器人產業規模的逐漸加大和部分零部件趨于標準化,最近幾年,工業機器人生產成本和售價呈下降趨勢。根據羅蘭貝格的報告,2015 年工業機器人單位時間平均成本約20 歐元,而單位時間人力成本約18 歐元,差距較小。再考慮到工業機器人更高的操作精度,越來越多的細分行業開始加大產線中工業機器人用量。

高工資水平上升,機器人價格下行,機器換人經濟性凸顯:

1.3預計2020年中國機器人年銷量將達21萬臺,超規劃預期

中國工業機器人年銷量由 2001 年的 700 臺增長至 2016 年的8.7 萬臺,增長近123 倍,CAGR 達到 了 38%;中國工業機器人年銷量占全球工業機器人年銷量比例也由 2010 年的12%增長至2016 年的30%,市場份額逐年擴大,自2013 年起已經成為全球工業機器人銷量最大的國家。預計2020 年中國年銷量約達21 萬,占比超40%,大超政府規劃預期。根據產業規劃,若自主機器人產量2020 年達到10 萬臺以上,全部銷售的話,國產機器人銷量占比就可以達到48%。

2、工業機器人產業鏈三大環節分析

工業機器人按照產業鏈上中下游可分為核心零部件,工業機器人本體,應用端集成三個環節。

工業機器人的核心零部件包括減速器、伺服和控制器。

工業機器人本體可以理解為一個機械手臂。不同結構的機械手臂靈活程度和擅長動作不同。機器人本體也稱為機器人裸機。

機器人集成是指在上述機器人本體上加裝夾具及其他配套系統完成特定功能?梢詫⑸鲜鰴C器人本體理解為一只手臂,那么系統集成就是給這只手臂安裝上手(夾具),復雜的系統集成還需要集成 視覺控制、力度控制等完成相應動作及功能。

從整個產業鏈來看,上游核心零部件是工業機器人成本中心,占比最高。系統集成成本較低,類似于輕資產行業。

從盈利能力來看,產業鏈上游核心零部件、中游本體和下游集成的毛利率水平基本符合“微笑曲線” 軌跡,上游、下游毛利較高,中游本體毛利最低。上游高毛利主要來源于技術壁壘,下游高毛利主 要來自于品牌溢價及客戶資源壁壘。

2.1 機器人擁有三大核心零部件

機器人本體的核心零部件包括伺服、減速器控制器。以六軸關節型機器人為例,每臺機器人標配六臺伺服,六臺減速器和一個控制器。

電機(axis motor)與減速器(reduction gear)在機器人內部?刂破饕簿褪强刂乒,通過電纜與機器人本體相連。

機器人本體企業的生產模式,從某種意義上說,是對零部件進行組裝。

機器人的控制過程是由控制器發指令給伺服驅動,驅動伺服電機旋轉,通過減速機執行動作。其中,技術門檻最高的是減速機,其次是伺服電機和驅動,再次是控制器。但這里說的門檻是指功能性的門檻,也就是做出來的門檻。

三大核心零部件的減速器、伺服和控制柜成本分別占機器人成本的 30%-50%,20%-30%,10%-20%。

三大核心零部件是機器人成本核心:

2.1.1 減速器:成本占比最高,毛利最高,難度最大

減速器分類:諧波減速器和 RV 減速器。

減速器原理:把電機的轉速降低,從而得到大的轉矩?梢缘韧谄囋谏掀聲r需要減速的道理。

減速器成本:平均占機器人本體成本的 30%。由于減速器供應商較少,近乎壟斷,故國內機器人 本體的減速機采購價格更高,減速機占本體比例可達 40%-50%。

諧波減速器,用于小型機器人或大型機器人的末端幾個軸。特點是體積小、重量輕、承載能力大、運動精度高,單級傳動比大。 諧波減速器的三個組件是:剛輪、柔輪、波發生器。

其難點在于由于柔輪要承受較大頻次的形變,因而對柔輪材料的抗疲勞強度、加工和熱處理要求較高,工藝復雜。

而對于機器人用諧波減速器,Harmonic Drive 幾乎壟斷了整個工業機器人諧波減速器領域。目前全球市場占有率高達 80%。日本是于70 年代引進美國的諧波技術,1978 年,HarmonicDrive 在嘗試將諧波減速器使用到工業機器人當中時,為了滿足工業機器人對于壽命、精度的極高要求,公司通過改良,將諧波齒形設計出 IH 齒形,使諧波減速器能夠適應工業機器人的要求。

國內諧波減速器的產業發展中,以綠的目前走的最快,已經與部分國產機器人甚至外資機器人廠家供貨試用。RV減速器適用于在重載機器人。一般應用于重載機器人的腿部腰部和肘部三個關節。

相比諧波減速器,RV 減速器具有更高的疲勞強度、剛度和壽命,不像諧波傳動那樣隨著使用時間增長,運動精度會顯著降低,其缺點是重量重,外形尺寸較大。

RV 減速器的關鍵在于加工工藝和裝配工藝。

日本的納博特斯克(帝人)在 RV 減速器市場占有全球60%的市場份額,全球機器人銷量最大的四大機器人品牌:ABB、發那科、庫卡、安川都是它的客戶。排名第二的日本住友占據全球約 30% 的市場份額。

國內廠家中南通振康目前在 RV 減速器國內品牌中位于前列。其他國產廠家也表現不俗,今年中大力德與伯朗特簽訂不低于 30000 套RV 減速機購銷合同;雙環傳動與埃夫特簽訂 10000 套減速機合 同。南通振康分別向上海歡顏、埃夫特供貨15000 套和3000 套減速機,借助2017 年行業減速機緊缺之風,國產減速機進程明顯加速.

2.1.2 伺服:有可能實現國產化替代的零部件

所謂“伺服”,源于希臘語“奴隸”的意思!八欧䴔C構”就是一個得心應手的馴服工具,服從控 制信號的要求而動作。在信號來到之前,轉子靜止不動;信號來到之后,轉子立即轉動;信號消失,轉子能即時自行停轉。

機器人所使用的伺服電機,只占到伺服電機中很小的一部分,是伺服電機中的高端產品。這是由機器人的控制結構決定的。

機器人用伺服電機要求控制器與伺服之間的總線通訊速度快;伺服的精度高;另外對基礎材料有加工要求。伺服電動機必須具有較高的可靠性和穩定性,能經受得起苛刻的運行條件,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過載。

伺服中主要的三大零部件為:馬達、驅動器、編碼器。目前國內在馬達和驅動器制造方面都有所突破,而編碼器的生產制造水平還有差距。目前國內伺服市場主要以日本的松下、安川、三菱為主,三家占據40%以上市場份額。

2.1.3 控制器:機器人大腦,算法是核心

機器人控制系統是機器人的重要組成部分,用于對機器人進行控制,以完成特定的工作任務。相對于減速器,控制器市場集中度略低,四大家合計占據約 50%市場份額。

控制器的基本功能包括位臵伺服、示教、提供各種接口、坐標設臵、存儲、故障診斷安全保護等。

控制器硬件部分占機器人本體成本 10%-20%,但軟件部分卻承擔著機器人大腦的職責。

可以說,外資機器人使用的硬件零部件類似,采購成本也相似。而不同品牌的機器人精度速度各有優勢,究其根本原因是不同品牌的機器人對零部件的駕馭設計與控制算法的不同。這才是不同品牌 的機器人在技術層面的核心競爭力。

對國產機器人廠家而言,減速器與伺服目前難以突破的核心在于基礎工業,如材料、熱處理工藝、 精加工工藝等。而這些,并不是自動化廠商想要做好就能夠做好的,需要整個基礎工業和加工水平的提升。而這需要時間與經驗的雙重積累。

2.2 看好國產工業機器人從中低端突破

2.2.1 機器人分類和未來方向

工業機器人本體按照機械結構分,可分為直角坐標機器人,SCARA 機器人,關節型機器人,并聯機器人及其他。

直角坐標機器人的三個軸的運動線性且相互獨立。結構簡單,控制方便,定位精度高;但運動速度低,占地面積大,密封性不好。這種機械結構較為常見,之前并沒有歸為機器人一類。

SCARA 機器人也叫水平多關節機器人,具有兩個旋轉運動軸和一個垂直運動軸,工作范圍大,占 地面積小,但控制系統相對復雜。

并聯機器人輕量、速度快,精度誤差不會累積。多用于拾取搬運等操作關節型型機器人可以實現多方向的自由運動,工作空間大,但控制涉及復雜耦合問題。是最為通用也是最為復雜的一種機器人。一般設計為六軸或四軸。通過六個軸或者四個軸的耦合運動來完成某 項功能。

柔性機器人也稱人機交互機器人,是從機器人設計角度,使機器人避免隔離,能夠與人交互完成某項工作。

機器人產品未來之一:工業部件化,應用傻瓜化

工業機器人未來會成為像 PLC 一樣常見的工業界的通用零部件。在這一過程中,一方面會伴隨工業機器人銷量的進一步增長,另一方面則會出現以簡化機器人應用為目的的各類編程軟件和仿真軟 件。

機器人產品未來之二:跨界服務機器人

工業機器人所擁有的技術儲備可以支撐其向服務機器人方向的拓展。工業機器人巨頭 ABB 及 KUKA 均在去年發布了人機協作機器人。雖然其目前還是主要應用于工業領域,但已經從空間隔離到空間共享,邁出了重要的一步。

2.2.2 全球工業機器人市場主要為關節型機器人

從全球市場看,未來 3-5 年中國市場仍是工業機器人,特別是關節型機器人的最大市場。

2.2.3 目前我國關節機器人占比較高

2016 年中國市場銷售工業機器人 8.7 萬臺,其中國產機器人占比從 2012 年的 10%增加到 31%左右, 國內機器人企業逐漸發展,但外資品牌占比仍高達69%。從工業機器人類型來看,2016 年中國市 場機器人銷量中,約 63%是關節型機器人,這一占比遠高于國際平均水平。

究其原因,主要源于兩方面。

一方面是中國的工業自動化制造基礎相對薄弱,機器人的應用往往不具備成熟的配套環境,故而在 機器人選型過程中傾向于靈活性最高的關節型機器人。

另一方面在于一部分工業機器人的最終用戶對機器人各種結構未必有非常深入的了解,故而在工業 機器人解決方案的選取上未必能夠找到最優性價比的組合。

2.2.4 國產廠商從易至難,看好從中低端機器人放量突圍

根據國際機器人聯合會公布的數據,2016 年我國進口工業機器人均價為1.68 萬美元,遠高于出口均價0.52 萬美元,這說明我國工業機器人產品仍以低價格的中低端產品為主。 從國內市場工業機器人類型來看,直角坐標機器人、并聯機器人和圓柱坐標機器人國產占比較高。

非關節機器人方面,國產機器人市場份額占比超一半,原因主要有兩點:

一來是非關節型機器人的技術門檻相對較低。

二來是中低端市場較為分散,是主流外資機器人品牌防守較為薄弱的區域。

而國產機器人廠商,也可以借此機會從易至難逐步攻克技術難題。

2.3 較強的集成商將先于本體制造企業發展

工業機器人系統集成方案解決商處于智能設備的下游應用端,為終端客戶提供應用解決方案,負責工業機器人軟件系統開發和集成。目前我國工業機器人系統集成商多是從國外購買機器人整機,根 據不同行業或客戶的需求,制定符合生產需求的解決方案。業務形式主要以大型項目(關鍵設備生 產線的集成,如機器人工作島)和工廠的產線技術改造為載體,對現有設備進行升級和聯網,提供 工業控制、傳動、通訊、生產與管理信息等方面的系統設計、系統成套、設備集成及EPC 工程等服務。

2.3.1 工業系統集成成為推動智能制造快速發展最核心的產業

系統集成具有應用范圍廣的特征,目前主要應用領域為工業、制造業、金融等多個行業;工業智能 制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合,貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節,具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能的新型生產方式。工業智 能制造的快速發展離不開工業系統集成等多方式的整合。特別在中國 2025、德國 4.0 等全球推動 智能化生產環境中,傳統制造業升級改造、新興產業蓬勃興起,工業系統集成成為推動智能制造快 速發展最核心的產業,其中工業系統集成的核心在于工業機器人系統集成,工業機器人系統集成行業屬于技術密集型產業,核心技術的積累和技術創新是推動其取得競爭優勢的關鍵因素。

2.3.2 看好集成商先于本體制造企業發展

中國市場產業鏈齊全,行業細分眾多,各種細分領域越來越明顯,系統集成商的細分也越來越細化, 不僅僅表現在細分行業的系統集成,甚至有些系統集成商開始專注于某一個工藝,比如噴涂、焊接、 注塑、搬運、沖壓、裝配這些工藝,目前是很多系統集成商重點布局的領域。相比國外企業,國內 集成商企業更了解行業和工藝,從而具有較強的競爭優勢。

相比于機器人本體,系統集成的壁壘相對較低,毛利水平不高,但其市場規模要遠遠大于本體市場。 一般來講,系統集成市場規模一般可達機器人本體市場規模的兩到四倍。2016 年我國機器人集成市場規模接近千億。根據IFR 預計,2020 年中國工業機器人市場銷量有望達到21 萬臺,按均價20 萬測算,2020 年機器人本體市場規?蛇_ 420 億左右,則系統集成市場規模則有望達到 1680 億 元左右,市場空間巨大。

總結來說,相對于國外的系統集成商來說,國內系統集成商擁有本土的許多比較優勢,包括渠道優 勢、價格優勢、工程師紅利等。其中最重要的是工程師,也就是對行業和工藝的理解,是國內集成 商企業的核心競爭力,相對于國外企業對高端本體的技術壟斷,國內集成商企業形成了自己的壁壘, 所以國內集成商企業的發展將比本體制造企業更快。機器人系統集成商專注于某一行業的工藝,有 助于將機器人集成模塊化、功能化、進而作為標準設備來提供。行業細分化帶來的一個結果就是在 某一個細分領域,在一個區域內未來將有可能出現“獨角獸”

3、集成商行業和工藝是門檻,看好中國企業發展壯大

3.1 集成商一般按照行業和應用劃分

機器人集成可以按照應用和行業兩個維度進行劃分:

按應用分,可分為焊接應用,噴涂應用,搬運應用,裝配應用,切割應用,打磨應用等等。

按行業分,可分為汽車工業,一般工業。一般工業中又可以分為食品飲料,石化,金屬加工,醫藥, 3C,塑料,白家電等等。

3.2 機器人從高滲透率行業向低滲透率擴散

機器人是一個標準產品,而機器人的具體應用主要通過系統集成商來完成,中國制造業工業機器人滲透率低,自動化改造有非常大的空間。我國制造業自動化水平較低,從使用密度(每萬名工人對 應工業機器人數)看,我國與國外成熟市場相比仍處于較低水平。2016 年中國工業機器人使用密 度僅為68 臺/萬人,落后于國際平均水平 74 臺/萬人。橫向對比發達國家,韓國的工業機器人使 用密度為631 臺/ 萬人,日本為 303 臺/萬人,德國為 309 臺/萬人。發達國家工業機器人使用 密度遠高于中國,中國制造業的工業機器人滲透率仍有提升空間。目前我國制造業自動化改造的發 展趨勢正從較高滲透率的汽車行業向 3C 行業和其他一般制造業擴散。

3.3 汽車行業:機器人集成應用發展較好,自動化率穩步提升

汽車行業是全球也是我國工業機器人應用最早、應用數量最多、應用能力最強的行業。汽車生產的流水化作業適合機器人的導入;汽車企業資金雄厚,其焊接、噴涂等工藝適合采用機器人提高產品 質量并最終降低成本;汽車企業技術力量強,能夠使用好機器人這種復雜的自動化產品并不斷提出 新的技術需求。從產業鏈來看,雖然國內車企工業機器人應用水平較高,但其配套的零部件供應商的應用水平相對較低。而國外先進國家是汽車全產業鏈的工業機器人應用水平都高,零部件供應商和車企本身沒有差距。

汽車產業系統集成對資金要求高。汽車項目普遍周期較長,從方案設計、安裝調試到交鑰匙往往需要半年或者一年以上,需要投入大量的人力成本。整車廠也按照項目周期采取分批付款的方式,361 或3331 較為普遍,集成商采購配套的設施卻往往需要款到發貨或者貨到付款。對系統集成商來說流動資金是比較大的壓力,缺乏資金實力難以承接汽車項目。

我國汽車行業機器人應用發展較好,但仍與發達地區應用水平存在差距,從密度上看,仍有提升空 間,2013-2016 年汽車行業機器人保有量符合增長 10.8%,我們預計仍然將汽車行業自動化率仍將穩步提升。

3.4 3C 行業:機器人滲透率仍低,處快速提升階段

汽車產業格局穩定,面臨商務關系、技術和資金三重壁壘,國內企業難以進一步拓展,3C 行業系統集成是機會。3c 行業里,國內系統集成企業具有優勢。中國是全球最大的3C 制造基地,自動化升級需求強勁,有望超過汽車行業成為第一大機器人市場;3C 行業機器人應用多樣,外資品牌難以復制在汽車產業的經驗,國內企業已實現部分反超,是拉近差距的最好機會。

我國 3C 行業機器人滲透率仍處于低位。高工產研機器人研究所(GGII)數據顯示,中國 3C 電子制造業在全球占比 70%,同時 3C 行業對機器人需求旺盛,目前 3C 行業的工業機器人銷量為 4.85 萬臺,保有量為 12.65 萬臺,行業機器人使用密度為 15 臺/萬人,僅為韓國 1/75,中國機器人密 度遠遠不夠,行業空間廣闊。3C 行業是典型的勞動密集型,人工成本的大幅上升與勞動力人口的快速下降對行業的影響較深,從而倒逼行業內的企業降低生產成本,提高生產效率。

在汽車行業滲透率已經較高,滲透速度放緩的情況下,3C 行業正成為機器人主要發力滲透的領域,從銷量占比看,3C 行業的機器人安裝量占總安裝量比重已經從 2013 年的 18%上升到 2016 年的 34%,2013 年到 2016 年 3C 行業機器人保有量增長率約為 18.6%,增速已經超過汽車行業。

3.5 機器人未來發展機會在汽車行業外的一般制造業

機器人下游最終用戶主要為制造業,占比 90%以上。其又可以按照行業分為:汽車工業,一般工 業。一般工業中又可以分為食品飲料,石化,金屬加工,醫藥,3C,塑料,白家電等等。我們判 斷,目前國產機器人發展機會主要在汽車以外的一般制造業。主要原因分析如下:

(1)我國一般制造業機器人密度相對汽車行業與發達國家差距更大。對比機器人密度,中國汽車 行業機器人密度為 505,而非汽車行業僅為33。與其他國家相比,韓國、德國汽車行業的機器人密度分別為中國的 2.6 和4.2 倍。韓國、德國非汽車行業的機器人密度分別為中國的14.4 和5.5 倍。 故非汽車行業與發達國家相比自動化水平更差,市場空間與增長潛能更大。

(2)汽車行業工業機器人技術要求高、客戶綁定大型外資企業,市場門檻高。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。國產機器人難有機會。而在目前國產機器人技術尚未 完全成熟的情況下,國產整車廠也不敢貿然使用國產機器人完成重要工位的自動化操作。且目前主要的汽車主機廠均與外資四大工業機器人廠家綁定,長期合作,更換供應商概率小,如大眾主要用KAKA,通用主要供應商為發那科,歐系品牌車企主要使用ABB。

(3)相對于汽車行業,3C 行業產業升級技術迭代頻率高,自動化升級可塑性高,需求旺盛。

3C 行業市場集中度較高,目前家電領域競爭激烈,新產品推陳出新快,電子行業蘋果技術路線更 新帶動產業升級加速,新產線布局需求旺盛。且 3C 產品半成品規格月零配件重量適中,標準化程 度相對較高,利用工業機器人等通用型智能設備進行自動化改造的可塑性高。

全球電子/電氣行業工業機器人銷量從2013 年的24.4 萬臺增加至2016 年的40.7 萬臺,CAGR 達到19%;而中國市場電氣/電子行業工業機器人數量從 6725 臺增加至2016 年29979 臺,CAGR 更是 達到了 65%。這主要得益于近年來半導體等行業生產基地從歐洲向大陸轉移且我國的光伏、鋰電 等行業興起,拉動工業機器人需求。

(4)目前我國工業機器人在一般制造業國產化率顯著高于汽車行業,技術研發投入初見成效,規模擴大可期。

從工業機器人的國產化角度來看,相較于國際成熟廠商在汽車領域的絕對優勢,國內廠商的產品更 多地應用于消費電子等相關領域,我國金屬制造和化工等領域對工業機器人需求已經達到60%-70%的國產化率,

相比而言汽車制造國產化率僅為 16.8%,電子產品國產化率 35.1%,我國工業機器人咋一般工業市 占率遠高于汽車行業,更有發展機會。國內企業大多走中低端產品路線。

相對于汽車行業使用較多的六軸多關節機器人等高端工業機器人,一般制造業對坐標機器人、并聯 機器人等中低端機器人需求較高。國產化率來看,我國坐標機器人國產化率近70%,并聯機器人 國產化率近 47%,遠高于其他類型。

(5)工業機器人成本回收期縮短,人工成本上漲,機器換人經濟性拉動一般制造業對工業機器人 需求。

一般制造業多屬勞動力密集型產業,隨著中國人口紅利消失,工人平均工資逐年上漲,而工業機器 人成本逐漸下降,成本回收期縮短,機器換人經濟性顯現,一般制造業對工業機器人有較高需求。

綜合以上因素,我們判斷,未來 3-5 年,國內工業機器人企業發展機會主要看一般制造業。

 
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