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全方位解析 | 中国工业机器人发展到了什么水平?
发布时间 2021-12-10 作者 领航 阅读 117次


编者按:工业机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”,对其研发、制造、应用的能力,是衡量一个国家科技创新与高端制造水平的重要标志,也是未来我们迈向制造强国的必由途径,了解我国目前工业机器人处于一个什么样的水平,与国外差距如何,又存在何等难以解决的痛点,未来的发展趋势是怎样的等等问题,才能做出更加准确的决策,让有限的资源产出最大的价值,以提高整个行业在全球的竞争力。

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工业机器人行业发展现状

1、定义

工业机器人是在工业生产中使用的机器人的总称,是一种多关节机械手或多自由度的机器装置,通过编程或示教等方式,可以拥有一定的自动性,依靠自身的动力能源和控制能力,实现各种加工制造功能,替代人类完成繁重、重复、有害等各方面的工作。

目前工业机器人一般可分为多关节机器人、协作机器人、Delta机器人和SCARA机器人四大类。从国内工业机器人市场销量来看,占比最高的是多关节机器人,在63%左右,其次分别为SCARA机器人、协作机器人和Delta机器人,分别约占30%、4%和3%。

2、我国工业机器人发展历程

我国工业机器人研究开始于20世纪70年代,直至2000年之前,行业主要以技术研究、市场探索为主,为后续的发展进行技术、人才等多方面的储备。

2000年到2010年,在汽车等主要应用领域较为低迷的情况下,国内工业机器人年均销量仅为数千台,这一阶段主要是外资在加速布局国内市场,而国内供应商主要做集成和代理。

2010年到2013年,随着下游汽车、3C等行业需求的高速增长,推动了国内工业机器人快速发展,销量开始超过万台,一些内资集成企业发展到了一定程度,开始谋求向中上游拓展。

2013年到2017年,国家对机器人的支持补贴政策密集出台,汽车、3C电子行业景气度高,长尾市场也逐渐打开,终端用户使用机器人的意愿大幅增长,5年来的年均增速达到了43%,我国工业机器人产销量呈爆发式增长。

2018年到2019年,由于国家补贴的减少以及贸易摩擦的影响,国内汽车、3C电子等机器人下游应用行业发展受限,机器人需求增速放缓。

2020年疫情爆发,整体经济受到打击,不过随着疫情得到控制,需求开始反弹,同时伴随着新能源等行业的大力发展,国内工业机器人增速再次抬头,2020年国内工业机器人产量达到了237068台,同比增长19.1%。

2021年国内工业机器人需求持续高速增长,据国家统计局数据,今年1-9月总产量达到26.87万套,同比增长57.8%,预计未来三到五年,国内工业机器人仍将保持超过35%的高速增长。

主要逻辑有:一是人口红利褪去,用工成本持续增加;二是智能制造产业升级的需求;三是工业机器人规模效应凸显,性价比提高;四是工业机器人技术更加成熟,应用领域增加;五是国产替代的加速。

3、工业机器人市场情况

全球对机器人行业的未来发展持乐观态度,此前央视财经曾报道,2020年全球机器人市场规模为250亿美元,约合人民币1600亿元,预计到2030年,该数字将扩大十倍,达到2600 亿美元,约合人民币1.7万亿元。

在今年世界机器人大会上发布的《2021中国机器人产业发展报告》显示,2021年,我国机器人市场规模预计为839亿元,其中工业机器人445.7亿元,预计到2023年,将突破589亿元;另外德邦证券研报显示,到2023年,我国工业机器人市场规模将突破100亿美元(约638亿人民币)。

从供需上看,国内工业机器人稳定增长,2015-2020年,产量由3.3万台提升至23.7万台,年均增长率达48.3%;销量从6.9万台提升至17万台,年均增长率为19.8%;出口方面,2015-2020年,国内工业机器人出口量由1.2万台提升至8.1万台,年均增长率为46.5%,出口量在全球占比由4.6%提升至20.4%,增长约16个百分点。

从安装量上看,据国际机器人联盟(IFR)发布的数据显示,目前在中国工厂运行的工业机器人数量达到创纪录的943000台,增长了21%,并且还在持续高速增长,在2020年,全球新设工业机器人38.35万台,疫情之下也同比增加0.5%,主要得益于中国需求的大幅增加,有超过40%的新型机器人,约16.84万台被设置在中国工厂。

从营收规模上看,据工信部数据,2020年,全国规模以上工业机器人制造企业营业收入531.7亿元,同比增长6.0%,实现利润总额17.7亿元,同比下降26.9%,总体利润率较低,此外,从今年以来的数据上看,国内工业机器人企业净利润依旧在持续降低,市场增大、利润不足的情况短时间难以缓解。

从应用分类上看,近年来工业机器人应用领域在持续拓展,非汽车领域应用占比逐步增加。数据显示,汽车行业占比降到了29%,3C电子行业为23%,金属制造领域超过了12%,锂电、食品领域应用分别超过了5%。

未来工业机器人应用将继续拓展到更多行业领域,《全球工业互联网应用案例分析报告》数据显示,目前工业互联网应用企业主要集中在机械行业,占比36%,其次为能源行业,占比22%,再次是轻工业,占比11%,除此之外,其余行业的工业互联网渗透率普遍偏低,而工业互联网的前提是工业机器人等自动化设备和智能控制系统,因此从这一角度上看,未来中长期工业机器人的市场需求同样强烈,足以保持相对稳定的市场增量。

如今,在中国的内外资工业机器人企业都在努力扩产,据统计,目前四大家族在国内实现的年产能约为15万台,最晚到2025年,产能将超过50万台;而国内工业机器人主要供应商目前实现年产能约4万台,预计到2025年产能将达到25万台。

今年以来,工业机器人获得了资本的青睐,据不完全统计,今年前三季度,工业机器人领域就发生了70起融资事件,总融资额超过了125亿人民币,已经追上了去年一整年的融资金额,创下又一个融资巅峰记录。郑州领航换枪盘整理发布。

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工业机器人产业链发展概况

工业机器人产业链主要分为上游核心零部件、中游本体制造以及下游系统集成三个环节。

上游核心零部件:包括减速器、伺服系统、控制器,直接决定了工业机器人的性能、可靠性、负载能力等主要技术指标,占工业机器人总体成本的66%。

中游本体制造:涉及工业机器人整机结构设计和加工工艺,对工业机器人的稳定、精度等也有重要影响,成本占比在25%左右。

下游系统集成:面向终端用户,根据需求实现焊接、装配、检测、搬运、喷涂等工艺或功能,成本占工业机器人整体不到10%。

1、上游核心零部件

上游核心零部件是工业机器人最为关键的技术,也是国内外差距最大的领域,工业机器人大型企业往往通过掌握关键零部件技术打造核心竞争力。

减速器方面:目前全球大部分市场被日本的哈默纳科(谐波减速器)、纳博特斯克(RV 减速器)所占据,比例都在7成以上,国产化率不足30%,从分类上看,谐波减速器的国产化率相对较高,而RV减速器的技术门槛较高,国产化率相对较低。

数据显示,2020年,全球机器人减速器需求量为223万台,其中谐波减速器需求量为110万台,RV减速机需求量为113万台,如果分别按均价3000元、6500元的价格测算,则2020年全球谐波减速器市场规模为33亿元,RV减速机市场规模73.45亿元,合计为106.45亿元。

伺服系统方面:伺服系统是工业机器人主要的动力来源,也是控制设备实现精确运动与定位的必要系统,一般由伺服电机、伺服驱动器、编码器三部分组成。在工业机器人伺服系统中,电机主要采用永磁同步交流伺服电机,伺服驱动主要以总线通讯形式实现对位置、速度和转矩单元的控制,编码器主要采用多圈绝对值编码器。

在伺服系统里面,伺服电机最难掌握,目前超过90%需要依赖进口,典型生产厂家有安川、西门子、三菱、松下、伦茨、路斯特等,国产的电机在技术标准、设计选料、制造工艺等多方面与国外先进水平都有较大差距,这些导致国产电机在稳定性、持久性、噪音、功率等方面都有所不足,只能用于一些低端产品。

控制器方面:控制器是根据反馈信号控制机器人的执行机构,相当于工业机器人的“大脑”。在三大部件中,控制器的技术难度相对较低,且成本占比不高,但对机器人的工作能力、操作精度、稳定性等关键指标同样有着决定性的作用。

控制器分为硬件和软件两部分,在硬件上国内外差距并不大,但在软件算法和二次开发上依然有较大差距,并且软件算法最重要的是和机器人本体相匹配,而国内大多数企业并没有完整的产业链,这就导致了国内控制器企业难以形成竞争优势,所以国产控制器的差距主要是算法和兼容性方面。

2、中游本体制造

中游本体制造负责工业机器人本体的组装和集成,即机座和执行机构,包括手臂、腕部等,部分还包括行走结构。

目前中游工业机器人本体制造商依然以国外“四大家族”为代表的龙头企业占据领先地位,国内相关企业体量相对较小,此前国际机械设备统计机构数据显示,全球工业机器人前十大生产商中,我国仅有埃斯顿一家入围,排名第八位,占据3.26%的市场份额。

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不过在趋势上,中游环节已呈现国产替代加速的大势,MIR数据显示,国内工业机器人企业占国内市场的份额已从2018年的18%提升至2020年的29%。并且从内外资品牌出货量增长率上也可以看出这点,2021年上半年,内资同比增长109.5%,外资同比增长71%。

主要因素包括:一是本土企业价格更为灵活,性价比高且更懂国内企业需求;二是下游行业细分领域众多,市场分散、需求多样,外资企业优势并不明显;三是国内用户对国产工业机器人接受程度提高,在用工成本上升推动的“机器换人”进程中,拥有强烈的降本增效需求。

3、下游系统集成

机器人系统集成是连接机器人本体企业和应用端的“桥梁”,为终端客户提供应用解决方案,负责工业机器人应用的二次开发,以及周边自动化配套设备的集成,是工业机器人自动化应用的重要组成部分。

得益于我国拥有全球最完善的制造业产业类别,系统集成是机器人行业最大的市场,并随着机器人应用领域的拓展而不断增大,数据统计显示,我国机器人系统集成商已经超过了3500家,市场规模也超过了600亿元。

不过值得注意的是,机器人系统集成的技术门槛较低,竞争十分激烈,导致议价能力较弱,且在不同行业之间横向拓展困难,企业发展存在一定的瓶颈,目前国内集成商企业规模偏小,营收过亿的仅有百家左右,想要突破十分困难。

综合来看,我国的工业机器人产业链在中低端已经有一定的优势,并借此提高国产化率,同时在发展的过程中,突破工业机器人关键技术的研发应用,实现从低端向高端的渗透替代。

此外,从应用领域上看,在汽车、3C等传统行业,工业机器人的应用已经过了大规模发展的阶段,自动化程度相对较高,规模虽大需求量却较小,且大部分被国外龙头企业垄断,难以进入。反而是一般工业领域,由于企业普遍体量较小,对工业机器人的需求呈现订单分散、价格敏感、标准化低的特点,这种“长尾客户”并不是国外龙头企业的客户,反而国内工业机器人企业拥有性价比高、服务及时等本土优势,更能解决这些客户的需求,是一个相对较好的切入点。

工业机器人行业痛点分析与发展趋势

1、工业机器人行业痛点

一是人才极度缺乏。经过多年的努力发展,如今我国制造业已经跨过了第一阶段的劳动密集型产业、第二阶段的资本密集型产业,来到了第三阶段的智力密集型产业,也就是高端制造,在这一阶段,行业对人才的定位已经改变了,也就是说现今的大多数人才,与接下来行业的需求并不匹配,导致出现人才极度缺乏的状况。

从最基本的操作和编程,到整个机器人系统的复杂调试、维护,我们在研究人才、工程人才、操作人才等全方位存在稀缺痛点,然而相应的人才教育培训体系却没有建立起来,导致人才问题将成为未来工业机器人发展的最大阻碍。

《制造业人才发展规划指南》指出,到2025年,高档数控机床和机器人有关领域人才缺口将达450万人,同时还指出,2020年制造业十大重点领域人才短缺将超过1900万,在2025年这个数字将近3000万。

二是核心技术太过弱势。我国是最大的工业机器人市场,但国内企业却相当弱势,这主要是缺乏核心技术的积累,同时配套能力也不够强,如高端芯片、操作系统、控制器、减速机、电机、精密加工技术等等都需要依赖进口,这些导致产品成本过高,利润不足,于是大量工业机器人企业举步艰难,发展缓慢。工信部数据显示,2020年全国规模以上工业机器人制造企业营业收入531.7亿元,利润总额17.7亿元,利润率仅3.3%。

三是产业投资太少。包括机器人企业和投资机构,各方面对工业机器人产业的投资都太少,导致产业发展缓慢,对比当年千亿万亿的资金进入互联网和移动增值行业的风潮,目前进入机器人行业的资金太少了,也就是在去年和今年才堪堪超过了百亿级别,没有资金,导致人才稀少,然后研发缓慢,由此进入恶性循环,资金缺少是工业机器人发展缓慢的一个关键点。

2、工业机器人发展趋势

一是提高工业机器人的智能化技术。工业机器人是先进制造业的代表,提高智能化程度可以提高工业机器人的工作能力和使用性能,推动制造业向着真正无人化、自动化的目标前进,智能化将是机器人发展的大趋势,事实上目前行业内一直在推进这方面的研究,比如将人工智能与机器人结合,还有云化机器人及工业机器人云平台等方式。

二是协作机器人成为工业机器人的重要创新方向。制造业网络化、智能化发展趋势显著,在更加复杂的离散型场景中,安全的人机协作需求不断增长,以完成更精确、更灵活的工作。传统的工业机器人需要在隔离环境中作业,极大地限制了工业机器人的应用效果和应用场景,随着技术的成熟,工业机器人的生产力和可靠性大幅提升,将会推动更加适应智能制造应用场景的协作机器人产业发展。

结语

我国是制造业大国,制造业增加值已连续11年位居世界第一,并且是全球唯一一个拥有联合国产业分类中所列全部工业门类41个工业大类、207个中类、666个小类的国家,具有世界上最为健全的工业体系。

正是得益于此,我国工业机器人才发展迅速,占据了全球市场的四成份额,在此前制定的“中国制造2025”中,2025年工业机器人的目标产量是26万台,而今年的前三季度工业机器人产量就已达到了268694台,提前四年就超额完成了数量指标,可见发展速度之快,远超预期。

但另一方面,我国制造业也好,工业机器人也罢,都是大而不强,面临诸多挑战,如核心技术难以突破,被供应链卡脖子,企业盈利能力不足,研发资金、人才短缺问题,另外还有人口红利不再、用工成本增加、原材料价格上涨、客户需求多样化、产品周期缩短等等客观问题,都在阻碍着机器人产业的进一步发展。

综上所述,对于工业机器人发展的预期,在市场规模上,我国工业机器人发展的速度会比预期快,未来几年依然会继续保持高速增长;在技术积累上,门槛较低、浅层次的技术,发展也会比预期的快,深层次的、需要产学研合作攻克的核心技术,发展则会比预期的慢。

在这种情况下,想要工业机器人产业长久健康发展,必须加大研发投入,突破技术壁垒,提高盈利能力,缓和产业链发展不平衡的矛盾,坚定走“技工贸”的路线,开发新技术、新产品,以获得高利润,从而带动整个工业机器人产业的正向循环发展。

关键词: 工业机器人
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