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机器人产业下个十年要翻越“三座大山”
2022-02-24 15:02
  张孝荣
  “十四五”是我国机器人产业未来发展的关键时期。2021年12月28日,工信部等15部门联合印发了《“十四五”机器人产业发展规划》。规划提出了2025年机器人密度实现翻番的目标,以及生产能力在2035年达到国际同等水平。10年后的美好前景令人激动,消息一出,A股机器人板块集体大涨。
 
  我国工业机器人在全球发展情况如何
 
  一句话,“大市场,弱产品”。所谓“大市场”,是指中国连续多年成为全球最大的工业机器人消费国。根据国际机器人技术联合会IFR2021年底统计,世界各国和地区,每1万名工人使用126台机器人,比2015年提升了两倍。中国的情况要大大高过这数值。中国机器人密度,2020年为246台每万工人,几乎是2015年的49台每万名工人的5倍。
  IFR主席Milton Guerry表示,机器人密度是跟踪全球制造业自动化采用程度的晴雨表。从数据上来看,中国乃至亚洲制造业发展蓄势待发。
  然而,乐观背后却藏着隐忧。这里有一个值得注意的消息,据《近十年机器人行业融资分析报告》统计,我国机器人产业从2011年起至今,累计融资事件2661件,总融资金额超1385亿元。从2016年,融资达到最高峰519起后,热度逐渐减退,2020年下降至242起。并且分轮次来看,我国机器人行业融资目前仍主要聚集于A轮及其相关(Pre-A轮/A轮/A+轮)阶段。
 
  资本市场为何减少对国产机器人的关注
 
  资本市场对国产机器人关注减少的原因主要是产品实力较弱。“弱产品”造成了我国市场份额多被为日本企业占据,反映了核心零部件仍依赖进口的尴尬现实。打个比方,机器人产业链可分成上中下3个层次:上游是核心零部件,主要是减速机和控制系统,这相当于机器人的“大脑”;中游是机器人本体,即机器人的“身体”;下游则是系统集成商,依赖上游和中游的核心设备做集成品。
  虽然国产品牌占领了一定市场份额,但有一点无法否认,由于工业机器人产业属于高技术壁垒产业,行业门槛高,因此大部分国内企业不得不选择技术要求相对较低的中下游发展。
  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%以上的市场份额,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”快速发展的行业红利。
  不仅如此,工业机器人产业全球重要专利申请人中也不见中国本土企业的身影。
  据了解,日本的安川电机公司和发那科公司分别以5823项4512项专利申请位居全球前两位,ABB有2231项、三星2016项、日立1907项。这也进一步验证了中国工业机器人目前技术积累薄弱,产能相对偏中低端。对中国工业机器人产业而言,还需在技术和产品上优化升级。若想要进军产业上游,那必须从本质上获得突破,需要付出更多的耐心和投入。
  另根据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29%提升至2021第一季度到第三季度的31%,已经达到国产替代的临界点。临界点产业生命周期线上的一个拐点,发展条件具备了可以超越上行,反之则原地徘徊。
 
  需要具备什么条件才能突破临界点上行
 
  发展工业机器人当务之急是翻越“三座大山”,这“三座大山”是工业机器人的核心零部件,分别是减速器,伺服电机和控制器。
  从机器人成本构成来看,这三部件成本占70%左右,即减速器占成本构成35%左右,伺服电机占23%左右,控制器占12%左右,而机械加工本体约占20%左右,其他10%则是应用。如前文提及,三大核心零部件被国外品牌所控制。国内工业机器人市占率已经达到了31%的临界点,但其中约85%的减速器、70%的伺服电机、超过80%的控制器,仍然需要依赖进口。
  第一,伺服电机竞争激烈,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。伺服电机主要分为步进、交流和直流,机器人行业应用最多的是交流伺服,约占65%伺服电机与控制器关联紧密。目前国产伺服系统与国际先进水平在动力输出功率方面大体相同,没有明显差距,差距主要体现在响应速度、大小和稳定性等方面。
  目前国内伺服电机市场仍然是以国外品牌为主,主要是来自日本、德国和美国品牌,日本品牌在中小型OEM市场上尤其具有垄断优势;欧美品牌在高端设备和生产线比较有竞争力。在运动控制性能方面,欧系产品优势更为明显,尤其在要求高速度和精度的领域。日系伺服产品的稳定性较好,可以满足大部分应用领域的需求,尤其是小功率电机,优势明显。
  我国伺服系统自主配套能力已现雏形,较大规模的伺服品牌有20余家。国产产品功率范围多在22kW以内,技术路线上与日系产品接近。相比之下,国产伺服品牌起步较晚,多是以原步进产品的供应商及数控产品提供商发展而来,以低端市场为主要竞争格局,近几年国产伺服产品销售业绩也是处在逐步上升的态势。
  第二,减速机市场垄断程度较高,国产减速机无法实现全面进口替代。减速机用来精确控制机器人动作,传输更大的力矩。分为两种,安装在机座、大臂、肩膀等重负载位置的RV减速机和安装在小臂、腕部或手部等轻负载位置的谐波减速机。
  减速机在三大核心部件中的制造难度最高,核心难点主要在于精密加工、齿面热处理、装配精度、大规模生产与检测等工艺环节上,这恰恰是我国制造业基础配套体系中最薄弱的部分,需要长期的经验积累。
  与国外产品相比,国产减速器尤其是大中型减速器,在使用寿命及稳定性上有较大差距,刚刚投入使用时各项性能接近国外产品,但随着一段时间的使用后磨损加剧,出现漏油,以及精度、刚度等指标有所下降,这种不稳定性使得国产减速器大多只能应用于中低端市场,很难进入国际一线工业机器人品牌的供应链。
  减速器作为纯粹的机械零件,核心技术与工业机器人并不相关,因此包括ABB、发那科、安川、库卡在内的工业机器人巨头均不自研减速器,全面依赖对外采购。目前市场常见的两大类RV减速器和谐波减速器市场,主要由日系厂商供货,其中纳博特斯克与哈默纳科两家日本公司分别在RV减速器领域和谐波减速器领域处于高度垄断地位。
  国产减速器厂商近年来有一定的进步,近年来逐步开始进入国际主流机器人厂商进行测试,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。
  第三,控制器国内外差距相对较小。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调教水平与风格,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。控制器的问题在于,由于其“神经中枢”的地位和门槛相对较低,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。因此控制器的市场份额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。与国际先进水平相比,国产控制器还存在较大差距,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。
  当前工业机器人需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,控制器必须足够“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”还有很长的路要走。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,此外还有材料、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高。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,我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?这是一个非常值得期待解决的问题。
  END
  来源:本刊原创文章
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