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“机器人频道|热点资讯” 未来十年国内工业机器人产业走向:金字塔形态的偏见还是远见?

发布时间: 2024-06-20 11:58:18作者: hthcom华体会

  在中国,工业机器人产业取得国家层面的战略重视。得益于政策利好,工业机器人行业将逐步发展。2021年12月,工信部发布《“十四五”机器人产业高质量发展规划》,提出重点推进工业机器人等产品的研制及应用,提高性能、质量和安全性,推动产品高端化智能化发展。2021年4月《“十四五”智能制造发展规划》亦提出,实施智能制造装备创新发展行动,百科智能立/卧式五轴加工中心、车铣复合加工中心高精度数控磨床等工作母机;智能焊接机器人、智能移动机器人、半导体(洁净)机器人等工业机器人。同时开展工业机器人创新产品发展行动,完善《工业机器人行业规范条件》,加大实施和采信力度。

  资本市场对国产机器人的关注减少主要源于产品实力相对较弱的问题。这种“弱产品”导致我国市场占有率主要被日本企业占领,反映出核心零部件仍然依赖进口的现实困境。尽管国产品牌在市场中占据了一部分份额,但我们没办法忽视一个事实,即由于工业机器人产业属于高技术壁垒的领域,行业门槛相当高。因此,大多数国内企业不得不选择在技术方面的要求相比来说较低的中下游领域发展。

  反过来看,以发那科、ABB、安川电机为代表的日本品牌,占领了中国工业机器人产业56%以上的市场占有率,并以提前入局的先发优势和领先的科研水平,占据着利润较高的高端市场,持续享受着我国“大市场”加快速度进行发展的行业红利。

  据了解,安川电机公司和发那科公司分别以5823项和4512项专利申请,位居全球前两位,而ABB有2231项、三星2016项、日立1907项。这数据进一步验证了中国工业机器人目前技术积累相对薄弱,产能偏向中低端。对于中国工业机器人产业而言,迫切地需要在技术和产品方面做优化升级。若欲在产业链上游取得突破,必须从根本上实现技术创新,这将需要更加多的耐心和资金投入。

  另据MIRDATA统计,国产工业机器人品牌在国内的出货量市占率从2020年的29%提升至2021年第一季度到第三季度的31%,已达到国产替代的临界点。临界点标志着产业生命周期线上的一个重要拐点,发展条件已经具备,有望超越上行;反之,则可能原地徘徊。这一数据表明国产工业机器人正逐渐在国内市场取得更为显著的地位,呈现出良好的发展势头。

  欧洲和日本作为工业机器人的主要供应商,其中ABB、库卡(KUKA)、发那科(FANUC)、安川电机(YASKAWA)四大企业占据着工业机器人市场的主导地位。这四大工业机器人制造商合计市场占有率达到全球总量的约50%。

  从国内各地区的机器人产业高质量发展情况来看,长三角地区仍然处于我国机器人产业的领头羊。珠三角地区的机器人应用市场相对成熟,京津冀地区慢慢地增加智能机器人的自主创造新兴事物的能力,东北地区的有突出贡献的公司表现强劲,带动着区域内产业集聚度的不断的提高。中部地区注重引入别的地方机器人产业的外溢资源,西部地区的机器人产业规模和质量也取得了显著提升,展现出明显的后发潜力。

  根据《2021中国机器人产业高质量发展报告》,2021年我国机器人市场规模预计达到839亿元,其中工业机器人占445.7亿元。预测到2023年,该市场规模将逐步扩大,超过589亿元。而截至2023年,中国工业机器人市场规模预计将超过100亿美元,相当于约638亿元人民币。

  展望2022年,虽疫情的逐渐消退,市场需求呈现出结构性分化的趋势。尽管整体不太有几率发生“爆发”式增长,但预计中国工业机器人市场全年销量增速将在15%至20%左右。国产化率稳步提升,有望在2022年超过41%。

  在工业机器人的发展过程中,最迫切的任务是跨越三项关键挑战,即克服这“三座大山”,这三座大山分别是工业机器人的核心零部件,包括减速器、伺服电机和控制器。在解决这些核心问题的过程中,我们也可以推动工业机器人技术向前迈进,并不断实现创新和升级。

  从机器人成本构成来看,这三大核心零部件的成本合计占比约为70%左右,其中减速器占35%左右,伺服电机占23%左右,控制器占12%左右。相较之下,机械加工本体的成本约占20%左右,而其他10%则涉及到应用领域。然而,有必要注意一下的是,正如前文所提及,这三大核心零部件仍然主要受到国外品牌的控制。尽管国内工业机器人市占率已达到了31%的临界点,但约85%的减速器、70%的伺服电机以及超过80%的控制器仍然需要依赖进口。

  第一,伺服电机竞争非常激烈,国外品牌掌握话语权。伺服电机在机器人中用作执行单元,是影响机器人工作性能的主要因素。

  小在体量:截至2021年,中国伺服电机市场规模仅为180亿元,勉强相当于当年一季度电子商务独角兽“兴盛优选”D轮融资金额。

  大在玩家:机器人产业中既有百年豪门,如安川、松下、西门子;又有近年新锐企业,如汇川、禾川、台达。在市场占有率饼图上,有资格报数的品牌就有十多家,而本土机器人品牌的总数不少于300家。这一些企业涵盖了外资和国资,具有多元的战略取向,彼此间竞争激烈。

  小市场、大玩家,怪格局的成因在于,中国工业自动化正在加快速度进行发展,而伺服电机作为机械自动控制的基础元件,未来几乎所有设备都将成为下游市场。

  中国设备制造业即将走进“伺服时代”——谁掌握了中国伺服市场,谁就拿捏住中国自主设备的命门。

  然而,中国本土伺服品牌的突围之路,却深陷泥沼。这一次,我们的突围与垄断无关,难度却远胜垄断。伺服电机虽然与减速器同列于机器人三大核心部件,但从技术和市场的角度看,减速器更重“突变”,伺服电机则依靠“演变”。

  技术端:伺服电机起源于上世纪80年代,是伴随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展,逐渐演化、集结而成,各国先发的电气厂商相继推出类似产品。

  当前的伺服电机仍然没有脱出这一藩篱,只是将更先进的永磁体电机、驱动器、控制器集成为全数字控制的“电机系统”。

  换句话说,伺服电机是一个国家工控、数控、电机等技术发展之下的必然产物,后发模仿的优势固然存在,但毕竟缺少逐步完善和更新的过程,标准化、一致性的产品“地基”还需时间才能打牢。

  中国企业技术上的劣势在于:日系伺服品牌经过数十年技术积淀,产品稳定性稳占上风;德系的西门子,早已将伺服电机,即工业自动化元件和FCS(总线控制管理系统)、PLC(可编程逻辑控制器)等上位系统深度结合——这都是后发品牌需要经过长时间的研发摸索、艰难的市场竞争才可能完成的目标。

  市场端:伺服电机面对的是,设备,不加任何定语的设备——机床、机器人、纺织机械、造纸设备、印刷设备……以及这些设备延申而出的无数细分赛道。比如机床有镗铣磨削,机器人有工业、服务两大板块和从中衍生的各个变种。

  中国本土伺服品牌从早期发展,到2013年后积极进取、2015年后技术追赶,不可避免会一点点蚕食原本日系、德系的客户和市场。在一系列过程中,外资品牌却仿佛集体哑火,并没有在技术垄断或是价格战上,给本土品牌的扩张带来烦。这其中,一种原因是本土品牌的确有着不可阻挡的优势,另一方面则是外资品牌由于各自的远见或偏见,形成两极分化的应对态度,为本土品牌创造了生存空间。

  外资伺服品牌里,在中国市场最有代表性与影响力的是四巨头:日系安川、松下、三菱,德系是西门子。

  四巨头最后殊途同归在对于中国设备市场、本土品牌的“重点关照”,这势必会让本土伺服未来的爬坡之路,行进得更加困难——机会的蛹壳再一次包围中国伺服——但外资品牌的远见与偏见,已经指明了破茧的方向。

  远见代表着本土品牌的优势:在未来,中国新兴设备产业提供的原动力将持续存在,本土伺服所要做的,是在新兴市场继续打好“本末倒置、投机取巧、人海战术”三板斧,如此才能跟上中国设备迭代的步伐,进而完成在技术和市场上的自我升级。

  无论是基于原理、技术创新的正向研发还是逆向工程,国产厂商绞尽脑汁地想要实现减速机的国产化替代,至于哪条道路能够通向成功,尚需验证。

  在机器人的全球应用中,精密减速器主要可分为RV减速机、谐波减速机和SPINEA 减速机,三者的市场销售数量占比约为40%、40%、20%。从应用占比来看,RV减速机、谐波减速机作为关键核心零部件,基本掌握了工业机器人的“命脉”,将对未来机器人竞争格局的走向产生深远影响。

  据国家统计局多个方面数据显示,2021年1-7月工业机器人累计产量为205094套,同比增长64.6%。在中国机器人产销两旺的大背景下,减速器的供货正在面临着较大的不确定性。

  据六环传动副总经理李涛表示,在需求高涨的当下,受贸易、技术、管理等问题影响,日本减速器出现了供货周期延后的现象,有些长的供货周期已达到6个月以上。以纳博特斯克为例,其供货周期已经由原来的2-3个月延长到现在的4-6个月,大概率将对国产机器人供应链产生波动。

  相较于RV减速器攻克的高难度,国产谐波减速器目前无论是在技术还是应用方面,都已经打开了突破口,培育了具有一定影响力的国产厂商,RV减速器则显得有些任重道远。

  李涛指出,RV减速器需要传递大扭矩,承受较大的过载冲击,为了能够更好的保证其达到预期工作寿命,一般在设计上采用过定位结构,使其精密加工异常困难。看似只是一个小小的RV减速器,实则是对中国工业基础系统的挑战。这不仅仅是依靠引进昂贵的精加工设施就能够实现生产制造,没有吃透相关材料、热处理、工艺等基础科学是很难批量生产出稳定可靠的精密减速器。

  因此,如果依旧在日本等厂商主导的老路上追赶,成效如何尚且不论,时间成本也是非常高昂的。

  此外,RV减速器也同样存在自身难以克服的缺陷。李涛表示,从原理上来讲,RV减速器并不是一个具备非常高精度、高刚度、高灵敏性的产品,但工业机器人的发展是朝着高精度、高刚度、高灵敏方向递进的。不管是用更好的产品来弥补RV减速机现有不足还是布局未来技术升级,李涛认为:“唯有另辟蹊径,从根本原理上突破,用一种更为先进的产品做迭代,才能使我们的祖国机器人行业走向自主创新的道路。”国产减速器厂商近年来有一定的进步,近年来逐步开始步入国际主流机器人厂商来测试,有望在未来1-2年内实现快速放量。而在RV减速器领域,由于其复杂且精密的机械结构,加工难度较大,国产RV减速器厂商与日系品牌还有很大差距。

  控制器是机器人的大脑,负责控制整台机器人的运动,核心技术集中于软件算法。控制器最能体现各个厂商的水平与风格,一般由机器人厂家自主设计研发,是各个机器人厂商的“软实力”。

  对于硬件和软件两部分:硬件就是工业控制板卡,包括一些主控单元、信号处理部分等电路,国产品牌已经掌握;软件部分主要是控制算法、二次开发等,国产品牌在稳定性、响应速度、易用性等还有差距。控制器的问题就在于,由于其“神经中枢”的地位和门槛相比来说较低,成熟机器人厂商一般自行开发控制器,以保证稳定性和维护技术体系。因此控制器的市场占有率基本跟机器人本体一致。

  国内部分知名的机器人制造企业均已实现了控制器的自主生产。与国际领先水平相比,国产控制器还存在比较大差距,主要体现在核心底层算法上,例如参数自整定,抑震算法,转矩波动补偿等,导致国产工业机器人精确性、稳定性、故障率和易用性等关键指标不如国外产品。

  当前工业机器人要实现的动作愈加复杂,想要在高速的运动中实现精准的控制,其背后需要的是长期的多轴联动控制技术积累,控制器必须充足“聪明”,而先进核心算法的缺失使国产控制器要想从“能用”到“好用”还有非常长的路要走。形象地讲,如果工业机器人是一片连绵的山脉,“三座大山”仅仅是其中几个山头,除此以外还有材料、工艺、软件、算法等诸多“险峰”。如果我们看得更长远些,还有核心部件的核心部件、关键制造设备、以及使用关键设备的工艺与技术等一系列难题均需攻克。

  《“十四五”机器人产业高质量发展规划》指出,虽然我国机器人产业发展迅速,但由于起步晚且技术积累不足,机器人产业总体依然处于发展的初期阶段,很多关键核心技术仍然有待进一步突破,高端供给仍然不足,行业应用水平有待进一步提升。我国机器人从无到有发展了两个10年,从2000年萌芽到现如今茁壮发展,每10年就上一个台阶。

  现今到2035年还有10余年时间,下一个10年,中国工业机器人能否再上一个台阶,全面跨越诸座大山达到国际同等水平?这是一个很值得期待解决的问题。

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