工业机器人产业深度分析_3

2019-06-12 11:28

全球工业机器人年销量由 2001 年的 7.8 万台增长至 2016 年的 29.4 万台,增幅 277%,近 6 年来(2010-2016),CAGR 达 16%,行业呈现出加速发展的趋势。预计 2020 年全球功能工业机器人销售量将接近 50.9 万台。

1、多因素助推中国工业机器人发展加速

1.1产业升级,国家政策扶持增加行业确定性

近年我国关于发展智能制造及工业机器人行业的主要政策:

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1.2 工业机器人和人工成本剪刀差扩大,“机器换人”拐点到来

从 2011 年开始,我国劳动年龄人口总数逐年下滑,人口老龄化比例上升。制造业领域工人工资水平不断上升,波士顿咨询的报告《全球制造业的经济大挪移》对 2004 和 2014 年间的数据进行分析,发现中国的制造成本已经与美国相差无几。全球出口量排名前25 位的经济体,以美国为基准(100), 中国的制造成本指数是 96,双方差距已经大幅缩小,中国人口红利逐渐丧失。

而随着工业机器人产业规模的逐渐加大和部分零部件趋于标准化,最近几年,工业机器人生产成本和售价呈下降趋势。根据罗兰贝格的报告,2015 年工业机器人单位时间平均成本约20 欧元,而单位时间人力成本约18 欧元,差距较小。再考虑到工业机器人更高的操作精度,越来越多的细分行业开始加大产线中工业机器人用量。

高工资水平上升,机器人价格下行,机器换人经济性凸显:

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1.3预计2020年中国机器人年销量将达21万台,超规划预期

中国工业机器人年销量由 2001 年的 700 台增长至 2016 年的8.7 万台,增长近123 倍,CAGR 达到 了 38%;中国工业机器人年销量占全球工业机器人年销量比例也由 2010 年的12%增长至2016 年的30%,市场份额逐年扩大,自2013 年起已经成为全球工业机器人销量最大的国家。预计2020 年中国年销量约达21 万,占比超40%,大超政府规划预期。根据产业规划,若自主机器人产量2020 年达到10 万台以上,全部销售的话,国产机器人销量占比就可以达到48%。

2、工业机器人产业链三大环节分析

工业机器人按照产业链上中下游可分为核心零部件,工业机器人本体,应用端集成三个环节。

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工业机器人的核心零部件包括减速器、伺服和控制器。

工业机器人本体可以理解为一个机械手臂。不同结构的机械手臂灵活程度和擅长动作不同。机器人本体也称为机器人裸机。

机器人集成是指在上述机器人本体上加装夹具及其他配套系统完成特定功能。可以将上述机器人本体理解为一只手臂,那么系统集成就是给这只手臂安装上手(夹具),复杂的系统集成还需要集成 视觉控制、力度控制等完成相应动作及功能。

从整个产业链来看,上游核心零部件是工业机器人成本中心,占比最高。系统集成成本较低,类似于轻资产行业。

从盈利能力来看,产业链上游核心零部件、中游本体和下游集成的毛利率水平基本符合“微笑曲线” 轨迹,上游、下游毛利较高,中游本体毛利最低。上游高毛利主要来源于技术壁垒,下游高毛利主 要来自于品牌溢价及客户资源壁垒。

2.1 机器人拥有三大核心零部件

机器人本体的核心零部件包括伺服、减速器和控制器。以六轴关节型机器人为例,每台机器人标配六台伺服,六台减速器和一个控制器。

电机(axis motor)与减速器(reduction gear)在机器人内部。控制器也就是控制柜,通过电缆与机器人本体相连。

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机器人本体企业的生产模式,从某种意义上说,是对零部件进行组装。

机器人的控制过程是由控制器发指令给伺服驱动,驱动伺服电机旋转,通过减速机执行动作。其中,技术门槛最高的是减速机,其次是伺服电机和驱动,再次是控制器。但这里说的门槛是指功能性的门槛,也就是做出来的门槛。

三大核心零部件的减速器、伺服和控制柜成本分别占机器人成本的 30%-50%,20%-30%,10%-20%。

三大核心零部件是机器人成本核心:

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2.1.1 减速器:成本占比最高,毛利最高,难度最大

减速器分类:谐波减速器和 RV 减速器。

减速器原理:把电机的转速降低,从而得到大的转矩。可以等同于汽车在上坡时需要减速的道理。

减速器成本:平均占机器人本体成本的 30%。由于减速器供应商较少,近乎垄断,故国内机器人 本体的减速机采购价格更高,减速机占本体比例可达 40%-50%。

谐波减速器,用于小型机器人或大型机器人的末端几个轴。特点是体积小、重量轻、承载能力大、运动精度高,单级传动比大。 谐波减速器的三个组件是:刚轮、柔轮、波发生器。

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其难点在于由于柔轮要承受较大频次的形变,因而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。

而对于机器人用谐波减速器,Harmonic Drive 几乎垄断了整个工业机器人谐波减速器领域。目前全球市场占有率高达 80%。日本是于70 年代引进美国的谐波技术,1978 年,HarmonicDrive 在尝试将谐波减速器使用到工业机器人当中时,为了满足工业机器人对于寿命、精度的极高要求,公司通过改良,将谐波齿形设计出 IH 齿形,使谐波减速器能够适应工业机器人的要求。

国内谐波减速器的产业发展中,以绿的目前走的最快,已经与部分国产机器人甚至外资机器人厂家供货试用。RV减速器适用于在重载机器人。一般应用于重载机器人的腿部腰部和肘部三个关节。

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,不像谐波传动那样随着使用时间增长,运动精度会显著降低,其缺点是重量重,外形尺寸较大。

RV 减速器的关键在于加工工艺和装配工艺。

日本的纳博特斯克(帝人)在 RV 减速器市场占有全球60%的市场份额,全球机器人销量最大的四大机器人品牌:ABB、发那科、库卡、安川都是它的客户。排名第二的日本住友占据全球约 30% 的市场份额。

国内厂家中南通振康目前在 RV 减速器国内品牌中位于前列。其他国产厂家也表现不俗,今年中大力德与伯朗特签订不低于 30000 套RV 减速机购销合同;双环传动与埃夫特签订 10000 套减速机合 同。南通振康分别向上海欢颜、埃夫特供货15000 套和3000 套减速机,借助2017 年行业减速机紧缺之风,国产减速机进程明显加速.

2.1.2 伺服:有可能实现国产化替代的零部件

所谓“伺服”,源于希腊语“奴隶”的意思。“伺服机构”就是一个得心应手的驯服工具,服从控 制信号的要求而动作。在信号来到之前,转子静止不动;信号来到之后,转子立即转动;信号消失,转子能即时自行停转。

机器人所使用的伺服电机,只占到伺服电机中很小的一部分,是伺服电机中的高端产品。这是由机器人的控制结构决定的。

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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。伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性,能经受得起苛刻的运行条件,可进行十分频繁的正反向和加减速运行,并能在短时间内承受过载。

伺服中主要的三大零部件为:马达、驱动器、编码器。目前国内在马达和驱动器制造方面都有所突破,而编码器的生产制造水平还有差距。目前国内伺服市场主要以日本的松下、安川、三菱为主,三家占据40%以上市场份额。

2.1.3 控制器:机器人大脑,算法是核心

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。相对于减速器,控制器市场集中度略低,四大家合计占据约 50%市场份额。

控制器的基本功能包括位臵伺服、示教、提供各种接口、坐标设臵、存储、故障诊断安全保护等。

控制器硬件部分占机器人本体成本 10%-20%,但软件部分却承担着机器人大脑的职责。

可以说,外资机器人使用的硬件零部件类似,采购成本也相似。而不同品牌的机器人精度速度各有优势,究其根本原因是不同品牌的机器人对零部件的驾驭设计与控制算法的不同。这才是不同品牌 的机器人在技术层面的核心竞争力。

对国产机器人厂家而言,减速器与伺服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,并不是自动化厂商想要做好就能够做好的,需要整个基础工业和加工水平的提升。而这需要时间与经验的双重积累。

2.2 看好国产工业机器人从中低端突破

2.2.1 机器人分类和未来方向

工业机器人本体按照机械结构分,可分为直角坐标机器人,SCARA 机器人,关节型机器人,并联机器人及其他。

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直角坐标机器人的三个轴的运动线性且相互独立。结构简单,控制方便,定位精度高;但运动速度低,占地面积大,密封性不好。这种机械结构较为常见,之前并没有归为机器人一类。

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。是最为通用也是最为复杂的一种机器人。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。

机器人产品未来之一:工业部件化,应用傻瓜化

工业机器人未来会成为像 PLC 一样常见的工业界的通用零部件。在这一过程中,一方面会伴随工业机器人销量的进一步增长,另一方面则会出现以简化机器人应用为目的的各类编程软件和仿真软 件。

机器人产品未来之二:跨界服务机器人

工业机器人所拥有的技术储备可以支撑其向服务机器人方向的拓展。工业机器人巨头 ABB 及 KUKA 均在去年发布了人机协作机器人。虽然其目前还是主要应用于工业领域,但已经从空间隔离到空间共享,迈出了重要的一步。

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2.2.2 全球工业机器人市场主要为关节型机器人

从全球市场看,未来 3-5 年中国市场仍是工业机器人,特别是关节型机器人的最大市场。

2.2.3 目前我国关节机器人占比较高

2016 年中国市场销售工业机器人 8.7 万台,其中国产机器人占比从 2012 年的 10%增加到 31%左右, 国内机器人企业逐渐发展,但外资品牌占比仍高达69%。从工业机器人类型来看,2016 年中国市 场机器人销量中,约 63%是关节型机器人,这一占比远高于国际平均水平。

究其原因,主要源于两方面。

一方面是中国的工业自动化制造基础相对薄弱,机器人的应用往往不具备成熟的配套环境,故而在 机器人选型过程中倾向于灵活性最高的关节型机器人。

另一方面在于一部分工业机器人的最终用户对机器人各种结构未必有非常深入的了解,故而在工业 机器人解决方案的选取上未必能够找到最优性价比的组合。

2.2.4 国产厂商从易至难,看好从中低端机器人放量突围

根据国际机器人联合会公布的数据,2016 年我国进口工业机器人均价为1.68 万美元,远高于出口均价0.52 万美元,这说明我国工业机器人产品仍以低价格的中低端产品为主。 从国内市场工业机器人类型来看,直角坐标机器人、并联机器人和圆柱坐标机器人国产占比较高。

非关节机器人方面,国产机器人市场份额占比超一半,原因主要有两点:

一来是非关节型机器人的技术门槛相对较低。

二来是中低端市场较为分散,是主流外资机器人品牌防守较为薄弱的区域。

而国产机器人厂商,也可以借此机会从易至难逐步攻克技术难题。

2.3 较强的集成商将先于本体制造企业发展

工业机器人系统集成方案解决商处于智能设备的下游应用端,为终端客户提供应用解决方案,负责工业机器人软件系统开发和集成。目前我国工业机器人系统集成商多是从国外购买机器人整机,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。业务形式主要以大型项目(关键设备生 产线的集成,如机器人工作岛)和工厂的产线技术改造为载体,对现有设备进行升级和联网,提供 工业控制、传动、通讯、生产与管理信息等方面的系统设计、系统成套、设备集成及EPC 工程等服务。

2.3.1 工业系统集成成为推动智能制造快速发展最核心的产业

系统集成具有应用范围广的特征,目前主要应用领域为工业、制造业、金融等多个行业;工业智能 制造是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合,贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节,具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式。工业智 能制造的快速发展离不开工业系统集成等多方式的整合。特别在中国 2025、德国 4.0 等全球推动 智能化生产环境中,传统制造业升级改造、新兴产业蓬勃兴起,工业系统集成成为推动智能制造快 速发展最核心的产业,其中工业系统集成的核心在于工业机器人系统集成,工业机器人系统集成行业属于技术密集型产业,核心技术的积累和技术创新是推动其取得竞争优势的关键因素。

2.3.2 看好集成商先于本体制造企业发展

中国市场产业链齐全,行业细分众多,各种细分领域越来越明显,系统集成商的细分也越来越细化, 不仅仅表现在细分行业的系统集成,甚至有些系统集成商开始专注于某一个工艺,比如喷涂、焊接、 注塑、搬运、冲压、装配这些工艺,目前是很多系统集成商重点布局的领域。相比国外企业,国内 集成商企业更了解行业和工艺,从而具有较强的竞争优势。

相比于机器人本体,系统集成的壁垒相对较低,毛利水平不高,但其市场规模要远远大于本体市场。 一般来讲,系统集成市场规模一般可达机器人本体市场规模的两到四倍。2016 年我国机器人集成市场规模接近千亿。根据IFR 预计,2020 年中国工业机器人市场销量有望达到21 万台,按均价20 万测算,2020 年机器人本体市场规模可达 420 亿左右,则系统集成市场规模则有望达到 1680 亿 元左右,市场空间巨大。

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总结来说,相对于国外的系统集成商来说,国内系统集成商拥有本土的许多比较优势,包括渠道优 势、价格优势、工程师红利等。其中最重要的是工程师,也就是对行业和工艺的理解,是国内集成 商企业的核心竞争力,相对于国外企业对高端本体的技术垄断,国内集成商企业形成了自己的壁垒, 所以国内集成商企业的发展将比本体制造企业更快。机器人系统集成商专注于某一行业的工艺,有 助于将机器人集成模块化、功能化、进而作为标准设备来提供。行业细分化带来的一个结果就是在 某一个细分领域,在一个区域内未来将有可能出现“独角兽”

3、集成商行业和工艺是门槛,看好中国企业发展壮大

3.1 集成商一般按照行业和应用划分

机器人集成可以按照应用和行业两个维度进行划分:

按应用分,可分为焊接应用,喷涂应用,搬运应用,装配应用,切割应用,打磨应用等等。

按行业分,可分为汽车工业,一般工业。一般工业中又可以分为食品饮料,石化,金属加工,医药, 3C,塑料,白家电等等。

3.2 机器人从高渗透率行业向低渗透率扩散

机器人是一个标准产品,而机器人的具体应用主要通过系统集成商来完成,中国制造业工业机器人渗透率低,自动化改造有非常大的空间。我国制造业自动化水平较低,从使用密度(每万名工人对 应工业机器人数)看,我国与国外成熟市场相比仍处于较低水平。2016 年中国工业机器人使用密 度仅为68 台/万人,落后于国际平均水平 74 台/万人。横向对比发达国家,韩国的工业机器人使 用密度为631 台/ 万人,日本为 303 台/万人,德国为 309 台/万人。发达国家工业机器人使用 密度远高于中国,中国制造业的工业机器人渗透率仍有提升空间。目前我国制造业自动化改造的发 展趋势正从较高渗透率的汽车行业向 3C 行业和其他一般制造业扩散。

3.3 汽车行业:机器人集成应用发展较好,自动化率稳步提升

汽车行业是全球也是我国工业机器人应用最早、应用数量最多、应用能力最强的行业。汽车生产的流水化作业适合机器人的导入;汽车企业资金雄厚,其焊接、喷涂等工艺适合采用机器人提高产品 质量并最终降低成本;汽车企业技术力量强,能够使用好机器人这种复杂的自动化产品并不断提出 新的技术需求。从产业链来看,虽然国内车企工业机器人应用水平较高,但其配套的零部件供应商的应用水平相对较低。而国外先进国家是汽车全产业链的工业机器人应用水平都高,零部件供应商和车企本身没有差距。

汽车产业系统集成对资金要求高。汽车项目普遍周期较长,从方案设计、安装调试到交钥匙往往需要半年或者一年以上,需要投入大量的人力成本。整车厂也按照项目周期采取分批付款的方式,361 或3331 较为普遍,集成商采购配套的设施却往往需要款到发货或者货到付款。对系统集成商来说流动资金是比较大的压力,缺乏资金实力难以承接汽车项目。

我国汽车行业机器人应用发展较好,但仍与发达地区应用水平存在差距,从密度上看,仍有提升空 间,2013-2016 年汽车行业机器人保有量符合增长 10.8%,我们预计仍然将汽车行业自动化率仍将稳步提升。

3.4 3C 行业:机器人渗透率仍低,处快速提升阶段

汽车产业格局稳定,面临商务关系、技术和资金三重壁垒,国内企业难以进一步拓展,3C 行业系统集成是机会。3c 行业里,国内系统集成企业具有优势。中国是全球最大的3C 制造基地,自动化升级需求强劲,有望超过汽车行业成为第一大机器人市场;3C 行业机器人应用多样,外资品牌难以复制在汽车产业的经验,国内企业已实现部分反超,是拉近差距的最好机会。

我国 3C 行业机器人渗透率仍处于低位。高工产研机器人研究所(GGII)数据显示,中国 3C 电子制造业在全球占比 70%,同时 3C 行业对机器人需求旺盛,目前 3C 行业的工业机器人销量为 4.85 万台,保有量为 12.65 万台,行业机器人使用密度为 15 台/万人,仅为韩国 1/75,中国机器人密 度远远不够,行业空间广阔。3C 行业是典型的劳动密集型,人工成本的大幅上升与劳动力人口的快速下降对行业的影响较深,从而倒逼行业内的企业降低生产成本,提高生产效率。

在汽车行业渗透率已经较高,渗透速度放缓的情况下,3C 行业正成为机器人主要发力渗透的领域,从销量占比看,3C 行业的机器人安装量占总安装量比重已经从 2013 年的 18%上升到 2016 年的 34%,2013 年到 2016 年 3C 行业机器人保有量增长率约为 18.6%,增速已经超过汽车行业。

3.5 机器人未来发展机会在汽车行业外的一般制造业

机器人下游最终用户主要为制造业,占比 90%以上。其又可以按照行业分为:汽车工业,一般工 业。一般工业中又可以分为食品饮料,石化,金属加工,医药,3C,塑料,白家电等等。我们判 断,目前国产机器人发展机会主要在汽车以外的一般制造业。主要原因分析如下:

(1)我国一般制造业机器人密度相对汽车行业与发达国家差距更大。对比机器人密度,中国汽车 行业机器人密度为 505,而非汽车行业仅为33。与其他国家相比,韩国、德国汽车行业的机器人密度分别为中国的 2.6 和4.2 倍。韩国、德国非汽车行业的机器人密度分别为中国的14.4 和5.5 倍。 故非汽车行业与发达国家相比自动化水平更差,市场空间与增长潜能更大。

(2)汽车行业工业机器人技术要求高、客户绑定大型外资企业,市场门槛高。大部分外资整车厂 商的生产线标准及机器人选型是全球统一的。国产机器人难有机会。而在目前国产机器人技术尚未 完全成熟的情况下,国产整车厂也不敢贸然使用国产机器人完成重要工位的自动化操作。且目前主要的汽车主机厂均与外资四大工业机器人厂家绑定,长期合作,更换供应商概率小,如大众主要用KAKA,通用主要供应商为发那科,欧系品牌车企主要使用ABB。

(3)相对于汽车行业,3C 行业产业升级技术迭代频率高,自动化升级可塑性高,需求旺盛。

3C 行业市场集中度较高,目前家电领域竞争激烈,新产品推陈出新快,电子行业苹果技术路线更 新带动产业升级加速,新产线布局需求旺盛。且 3C 产品半成品规格月零配件重量适中,标准化程 度相对较高,利用工业机器人等通用型智能设备进行自动化改造的可塑性高。

全球电子/电气行业工业机器人销量从2013 年的24.4 万台增加至2016 年的40.7 万台,CAGR 达到19%;而中国市场电气/电子行业工业机器人数量从 6725 台增加至2016 年29979 台,CAGR 更是 达到了 65%。这主要得益于近年来半导体等行业生产基地从欧洲向大陆转移且我国的光伏、锂电 等行业兴起,拉动工业机器人需求。

(4)目前我国工业机器人在一般制造业国产化率显著高于汽车行业,技术研发投入初见成效,规模扩大可期。

从工业机器人的国产化角度来看,相较于国际成熟厂商在汽车领域的绝对优势,国内厂商的产品更 多地应用于消费电子等相关领域,我国金属制造和化工等领域对工业机器人需求已经达到60%-70%的国产化率,

相比而言汽车制造国产化率仅为 16.8%,电子产品国产化率 35.1%,我国工业机器人咋一般工业市 占率远高于汽车行业,更有发展机会。国内企业大多走中低端产品路线。

相对于汽车行业使用较多的六轴多关节机器人等高端工业机器人,一般制造业对坐标机器人、并联 机器人等中低端机器人需求较高。国产化率来看,我国坐标机器人国产化率近70%,并联机器人 国产化率近 47%,远高于其他类型。

(5)工业机器人成本回收期缩短,人工成本上涨,机器换人经济性拉动一般制造业对工业机器人 需求。

一般制造业多属劳动力密集型产业,随着中国人口红利消失,工人平均工资逐年上涨,而工业机器 人成本逐渐下降,成本回收期缩短,机器换人经济性显现,一般制造业对工业机器人有较高需求。

综合以上因素,我们判断,未来 3-5 年,国内工业机器人企业发展机会主要看一般制造业。

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