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機器人產業下個十年要翻越“三座大山”
2022-02-24 15:02
  張孝榮
  “十四五”是我國機器人產業未來發展的關鍵時期。2021年12月28日,工信部等15部門聯合印發了《“十四五”機器人產業發展規劃》。規劃提出了2025年機器人密度實現翻番的目標,以及生產能力在2035年達到國際同等水平。10年后的美好前景令人激動,消息一出,A股機器人板塊集體大漲。
 
  我國工業機器人在全球發展情況如何
 
  一句話,“大市場,弱產品”。所謂“大市場”,是指中國連續多年成為全球最大的工業機器人消費國。根據國際機器人技術聯合會IFR2021年底統計,世界各國和地區,每1萬名工人使用126臺機器人,比2015年提升了兩倍。中國的情況要大大高過這數值。中國機器人密度,2020年為246臺每萬工人,幾乎是2015年的49臺每萬名工人的5倍。
  IFR主席Milton Guerry表示,機器人密度是跟蹤全球制造業自動化采用程度的晴雨表。從數據上來看,中國乃至亞洲制造業發展蓄勢待發。
  然而,樂觀背后卻藏著隱憂。這里有一個值得注意的消息,據《近十年機器人行業融資分析報告》統計,我國機器人產業從2011年起至今,累計融資事件2661件,總融資金額超1385億元。從2016年,融資達到最高峰519起后,熱度逐漸減退,2020年下降至242起。并且分輪次來看,我國機器人行業融資目前仍主要聚集于A輪及其相關(Pre-A輪/A輪/A+輪)階段。
 
  資本市場為何減少對國產機器人的關注
 
  資本市場對國產機器人關注減少的原因主要是產品實力較弱?!叭醍a品”造成了我國市場份額多被為日本企業占據,反映了核心零部件仍依賴進口的尷尬現實。打個比方,機器人產業鏈可分成上中下3個層次:上游是核心零部件,主要是減速機和控制系統,這相當于機器人的“大腦”;中游是機器人本體,即機器人的“身體”;下游則是系統集成商,依賴上游和中游的核心設備做集成品。
  雖然國產品牌占領了一定市場份額,但有一點無法否認,由于工業機器人產業屬于高技術壁壘產業,行業門檻高,因此大部分國內企業不得不選擇技術要求相對較低的中下游發展。
  反過來看,以發那科、ABB、安川電機為代表的日本品牌,占領了中國工業機器人產業56%以上的市場份額,并以提前入局的先發優勢和領先的科研水平,占據著利潤較高的高端市場,持續享受著我國“大市場”快速發展的行業紅利。
  不僅如此,工業機器人產業全球重要專利申請人中也不見中國本土企業的身影。
  據了解,日本的安川電機公司和發那科公司分別以5823項4512項專利申請位居全球前兩位,ABB有2231項、三星2016項、日立1907項。這也進一步驗證了中國工業機器人目前技術積累薄弱,產能相對偏中低端。對中國工業機器人產業而言,還需在技術和產品上優化升級。若想要進軍產業上游,那必須從本質上獲得突破,需要付出更多的耐心和投入。
  另根據MIRDATA統計,國產工業機器人品牌在國內的出貨量市占率從2020年29%提升至2021第一季度到第三季度的31%,已經達到國產替代的臨界點。臨界點產業生命周期線上的一個拐點,發展條件具備了可以超越上行,反之則原地徘徊。
 
  需要具備什么條件才能突破臨界點上行
 
  發展工業機器人當務之急是翻越“三座大山”,這“三座大山”是工業機器人的核心零部件,分別是減速器,伺服電機和控制器。
  從機器人成本構成來看,這三部件成本占70%左右,即減速器占成本構成35%左右,伺服電機占23%左右,控制器占12%左右,而機械加工本體約占20%左右,其他10%則是應用。如前文提及,三大核心零部件被國外品牌所控制。國內工業機器人市占率已經達到了31%的臨界點,但其中約85%的減速器、70%的伺服電機、超過80%的控制器,仍然需要依賴進口。
  第一,伺服電機競爭激烈,國外品牌掌握話語權。伺服電機在機器人中用作執行單元,是影響機器人工作性能的主要因素。伺服電機主要分為步進、交流和直流,機器人行業應用最多的是交流伺服,約占65%伺服電機與控制器關聯緊密。目前國產伺服系統與國際先進水平在動力輸出功率方面大體相同,沒有明顯差距,差距主要體現在響應速度、大小和穩定性等方面。
  目前國內伺服電機市場仍然是以國外品牌為主,主要是來自日本、德國和美國品牌,日本品牌在中小型OEM市場上尤其具有壟斷優勢;歐美品牌在高端設備和生產線比較有競爭力。在運動控制性能方面,歐系產品優勢更為明顯,尤其在要求高速度和精度的領域。日系伺服產品的穩定性較好,可以滿足大部分應用領域的需求,尤其是小功率電機,優勢明顯。
  我國伺服系統自主配套能力已現雛形,較大規模的伺服品牌有20余家。國產產品功率范圍多在22kW以內,技術路線上與日系產品接近。相比之下,國產伺服品牌起步較晚,多是以原步進產品的供應商及數控產品提供商發展而來,以低端市場為主要競爭格局,近幾年國產伺服產品銷售業績也是處在逐步上升的態勢。
  第二,減速機市場壟斷程度較高,國產減速機無法實現全面進口替代。減速機用來精確控制機器人動作,傳輸更大的力矩。分為兩種,安裝在機座、大臂、肩膀等重負載位置的RV減速機和安裝在小臂、腕部或手部等輕負載位置的諧波減速機。
  減速機在三大核心部件中的制造難度最高,核心難點主要在于精密加工、齒面熱處理、裝配精度、大規模生產與檢測等工藝環節上,這恰恰是我國制造業基礎配套體系中最薄弱的部分,需要長期的經驗積累。
  與國外產品相比,國產減速器尤其是大中型減速器,在使用壽命及穩定性上有較大差距,剛剛投入使用時各項性能接近國外產品,但隨著一段時間的使用后磨損加劇,出現漏油,以及精度、剛度等指標有所下降,這種不穩定性使得國產減速器大多只能應用于中低端市場,很難進入國際一線工業機器人品牌的供應鏈。
  減速器作為純粹的機械零件,核心技術與工業機器人并不相關,因此包括ABB、發那科、安川、庫卡在內的工業機器人巨頭均不自研減速器,全面依賴對外采購。目前市場常見的兩大類RV減速器和諧波減速器市場,主要由日系廠商供貨,其中納博特斯克與哈默納科兩家日本公司分別在RV減速器領域和諧波減速器領域處于高度壟斷地位。
  國產減速器廠商近年來有一定的進步,近年來逐步開始進入國際主流機器人廠商進行測試,有望在未來1-2年內實現快速放量。而在RV減速器領域,由于其復雜且精密的機械結構,加工難度較大,國產RV減速器廠商與日系品牌還有很大差距。
  第三,控制器國內外差距相對較小??刂破魇菣C器人的大腦,負責控制整臺機器人的運動,核心技術集中于軟件算法??刂破髯钅荏w現各個廠商的調教水平與風格,一般由機器人廠家自主設計研發,是各個機器人廠商的“軟實力”。
  對于硬件和軟件兩部分:硬件就是工業控制板卡,包括一些主控單元、信號處理部分等電路,國產品牌已經掌握;軟件部分主要是控制算法、二次開發等,國產品牌在穩定性、響應速度、易用性等還有差距??刂破鞯膯栴}在于,由于其“神經中樞”的地位和門檻相對較低,成熟機器人廠商一般自行開發控制器,以保證穩定性和維護技術體系。因此控制器的市場份額基本跟機器人本體一致。
  國內部分知名的機器人制造企業均已實現了控制器的自主生產。與國際先進水平相比,國產控制器還存在較大差距,主要體現在核心底層算法上,例如參數自整定,抑震算法,轉矩波動補償等,導致國產工業機器人精確性、穩定性、故障率和易用性等關鍵指標不如國外產品。
  當前工業機器人需要實現的動作愈加復雜,想要在高速的運動中實現精準的控制,其背后需要的是長期的多軸聯動控制技術積累,控制器必須足夠“聰明”,而先進核心算法的缺失使國產控制器要想從“能用”到“好用”還有很長的路要走。形象地講,如果工業機器人是一片連綿的山脈,“三座大山”僅僅是其中幾個山頭,此外還有材料、工藝、軟件、算法等諸多“險峰”。如果我們看得更長遠些,還有核心部件的核心部件、關鍵制造設備、以及使用關鍵設備的工藝與技術等一系列難題均需攻克。
  《“十四五”機器人產業發展規劃》指出,雖然我國機器人產業發展迅速,但由于起步晚且技術積累不足,機器人產業總體依然處于發展的初期階段,很多關鍵核心技術仍然有待進一步突破,高端供給仍然不足,行業應用水平有待進一步提高。我國機器人從無到有發展了兩個10年,從2000年萌芽到現如今茁壯發展,每10年就上一個臺階。
  現今到2035年還有10余年時間,下一個10年,我國工業機器人能否再上一個臺階,全面跨越諸座大山達到國際同等水平?這是一個非常值得期待解決的問題。
  END
  來源:本刊原創文章
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