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全球工 业机器人详细产业链梳理!

2019-08-04 10:44 性质:转载 作者:智能资讯 来源:智能资讯
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工业机 器人产业链可以分为上中下游:上游是 关键零部件生产厂商,主要是减速器、控制系统和伺服系统;中游是机器人本体,即机座和执行机构,包括手臂、腕部等,部分机 器人本体还包括...

  工业机 器人产业链可以分为上中下游:上游是 关键零部件生产厂商,主要是减速器、控制系统和伺服系统;中游是机器人本体,即机座和执行机构,包括手臂、腕部等,部分机 器人本体还包括行走结构,是机器 人的机械传统和支撑基础。按照结构形式,本体可 以划分为直角坐标、球坐标、圆柱坐标、关节坐标等类型;下游是系统集成商,根据不 同的应用场景和用途进行有针对性地系统集成和软件二次开发,国内企 业都集中在这个环节上。生产出 来的机器人只有通过系统集成之后,才能投 入到下游的汽车、电子、金属加工等产业,为终端客户所用。

  整体来看,工业机 器人的总成本中,核心零 部件的比例接近70%,其中减速器、伺服电 机和控制器占比分别为32%、22%和12%。

▲工业机 器人核心零部件及本体成本占比

▲中国工 业机器人减速器市场格局

▲中国工 业机器人伺服系统市场格局

▲中国工 业机器人控制系统市场格局

▲2017年中国 工业机器人市场格局

  核心零 部件技术是机器人本体企业的核心竞争力

  1. 减速器:工业机 器人不可或缺的明珠

  (1)技术分析:RV与谐波 减速器占据主流地位

  伺服电 机由于脉动信号的驱动,本身具备调速功能,那么机 器人为何需要减速器?

  由于工 业机器人需要重复、可靠地 完成大量工序任务,对其定 位精度和重复定位精度要求很高,因此需 要专门的减速器以保证精度。减速器 的另一作用是传递负载:当负载较大时,伺服电 机功率有限导致输出扭矩较小,此时需 要通过减速器来提高扭矩。此外,伺服电 机在低频运转下容易发热和出现低频振动,对于长 时间和周期性工作的机器人这都不利于确保其精确、可靠地运行。

  精密减 速器的存在使伺服电机在一个合适的速度下运转,并精确 地将转速降到机器人各部位需要的速度,提高机 械体刚性的同时输出更大的力矩。与通用减速器相比,机器人 关节减速器要求具有传动链短、体积小、功率大、质量轻 和易于控制等特点。

  工业机 器人用精密减速机主要分为5类,不同类 型的精密减速机在传动效率、减速比方面各不相同。衡量精 密减速机的主要指标包括:扭转刚度、传动精度、启动转矩、空程、背隙、传动误差、传动效率等。

  目前,大量应 用于多关节机器人的减速器主要有两种:RV减速器和谐波减速器。相比于谐波减速器,RV减速器 具有更高的刚度和回转精度。因此在 关节型机器人中,一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置;而将谐 波减速器放置在小臂、腕部或手部;二者之 间适用的场景不同,属于相辅相成的关系。而行星 减速器一般用在直角坐标机器人上。

RV(RotaryVector)减速器

  在摆线 针轮行星传动的基础上发展而来,结构主要分为两级:第一级 为渐开线圆柱齿轮传动,第二级 为摆线针轮行星传动,包括转臂曲柄、摆线轮、针齿壳,特点在 于承受大负载的同时保证高精度。因此,其技术 难点主要在于工艺和装配方面:1.材料成型技术。RV减速齿 轮需要具有耐磨性和高刚性,对于材 料成型过程提出了较高要求,尤其是 材料化学元素控制、表面热处理方面。2.精密加工及装配技术。RV减速器的减速比较高,具备无侧隙、微进给的特点,这就需 要特殊部件加工和精密装配技术。

▲RV减速器结构拆分

  工作原理:1.第一减速部:伺服电 机的旋转从输入齿轮传递至正齿轮,按二者 的齿数比进行减速;曲轴直 接与正齿轮相连,以相同的转速旋转。2.曲轴部:曲轴旋转,带动偏心部的RV齿轮进行偏心运动。3.第二减速部:另一方面,针齿数目比RV齿轮的齿数多1个;如果曲轴旋转1圈,RV齿轮与 针齿接触的同时进行1圈的偏心运动,使得RV齿轮沿 着相反方向旋转1个齿数的距离,并通过 曲轴传递至输出轴,实现减速。而总体减速比为第一、第二减 速部的减速比之积。

▲RV减速器工作原理

谐波减速器

  基于行 星齿轮传动发展起来,由波发生器、柔轮、刚轮和轴承组成。其工作 原理在于依靠波发生器使柔轮产生可控弹性变形,而柔轮比钢轮少N个齿轮位。因此,当波发生器转一圈,柔轮移动N个齿轮位,产生了 所谓的错齿运动,从而实 现了主动波发生器与柔轮的运动传递。谐波减 速器是通过柔轮的弹性变形来实现传动,其优势是传动比大、零部件数目少;其缺点 是弹性变形回差大,这就不 可避免地会影响机器人的动态特性抗冲击能力等。

▲谐波减速器结构拆分

  从国内 外产品技术指标来看,国外产 品信息相对完善,每种规 格对应的各技术指标都有精确的数值呈现。而国内 在这方面略显欠缺,表明国 内企业在检测能力方面的不足,缺少严 格的质量管理体系。目前,国产减 速器还存在两方面的问题:1.产品系列不健全。日本纳博具备全系列产品,基本上 可以应用于所有领域。根据纳博官网的披露,其RV-N系列产 品还处于专利保护期,而国内 产品系列相对残缺;2.一致性问题。国产减 速器在实际使用环境下的性能,与实验 室性能无法完全匹配,个别产品存在漏油、精度降低等情况,是阻碍 国产减速器进军高端市场的原因之一。

  从RV减速器 的技术指标来看,对比纳博RV-E系列和 南通振康的产品,可以看 到在同一输出转速和输入功率下,二者的 输出扭矩范围相当,说明国 内产品在传动效率上已经可以与国外媲美。然而工艺水平是限制RV减速器 发展的主要原因,例如非标特殊轴承是RV减速器的精密机构,其间隙 需根据零部件加工尺寸动态调整。为了结构紧凑,薄壁角 接触球轴承精度要求较高,加预紧 力后轴承的游隙为零。因此,今后需要在传动精度、扭转刚 度等方面加强研究。

  从谐波减速器 的技术指标来看,国内的 苏州绿的和中技克美的减速比范围与日本哈默纳科水平相当,产品性 能基本满足要求,目前已 经大量应用于国产机器人。而国外 产品在输出扭矩、平均寿 命和一致性等技术指标上依然占据优势。

  (2)国产化进程:国内企业订单频传,加速进口替代

  国产企业布局积极,有望率先突破。减速器 是制约降低国产工业机器人成本最重要的因素,尽管目 前国产工业机器人减速器研发困难重重,但是整 体产品的质量在逐步提高,在一些 核心指标上已经达到国际水平,其高性 价比已经得到了部分国内企业的认可,例如新松机器人、埃夫特等企业 均开始使用南通振康的RV减速机产品。目前国 内公司已经开始积极布局精密减速机业务,主要上 市公司包括双环传动、秦川机床、上海机电和巨轮股份等,非上市 公司包括南通振康、中技克美、北京谐波等。

  国内企 业减速机业务推进顺利,订单频传。2017年以来,减速器 国产化进程显著加快,根据中 大力德公告的披露,公司将于2019年底之 前向伯朗特供货RV减速器不低于30000套;根据公告的披露,埃夫特将采购双环传动的RV减速器一万套;根据公司官网的披露,南通振 康将分别向上海欢颜埃夫特批量提供减速器。根据上 海机电年报的数据,旗下的纳博精机于2015年10月投产,目前已经达到10万台产能,并于2017年5月开始实现单月盈利,目标早日达到20万台的产能。除此之外,中技克 美成为国内第一家上市的谐波减速器企业,产能2万套,其中50%-60%用于军工领域。秦川机床、中大力德、来福谐 波也分别开发了系列产品,进入量产阶段。

▲2017年中国 大陆地区减速器出货量统计(台)

  (3)需求测算:未来减 速器业务有多大的空间?

  减速器市场测算逻辑:根据IFR的预测,按照类 型划分未来工业机器人需求量,进一步 按每种类型的机器人所需的RV和谐波减速器数量,来预测 总体市场需求和空间。

  2016年中国 机器人销量已接近全球市场份额的30%,连续四 年成为全球最大的工业机器人市场。根据国 际机器人产业协会IFR的预测,未来几 年中国机器人行业销量有望维持25%-30%左右的增速。我们以IFR预测下限25%的增速,以2017年14万台为基数进行测算。到2020年,我国工 作机器人销量有望达到27万台。

  另外,根据MIR公布的2017年中国 工业机器人市场份额,按类型来划分,六轴多关节机器人、SCARA机器人、关节型手臂、协作机器人和DELTA机器人的占比分别为67.8%、21.2%、6.05%、2.89%、2.05%。我们按 照各种类型工业机器人所需减速器类型和数量进行划分。一般情况下,六轴多 关节机器人需要4套RV减速器和2套谐波减速器;SCARA机器人包含4个谐波减速器;关节型 手臂和协作机器人类型较多,我们按照4轴多关节机器人计算,大约每套需要3个RV减速器和1个谐波减速器;而DELTA机器人 的电机安装在固定基座上,我们按照其需要1个谐波减速器计算。

  由此,我们可 以得出以下减速器需求量测算公式:

  RV减速器数量=六轴多关节机器人*4+(关节型手臂+协作机器人)*3;

  谐波减速器数量=六轴多关节机器人*2+(关节型手臂+协作机器人*1+SCARA机器人*4+DELTA机器人*1。

  根据我们的测算结果,到2020年RV减速器市场需求81.5万台,谐波减速器需求63.3万台,总体市 场需求量有望达到144.8万台。当前,一台RV减速器的售价约5000-6000元左右,而谐波减速器价格约2000元;而在2015年,RV减速器 和谐波减速器的平均价格分别为8000元、3000元。减速器的国产化进程,促成了 过去三年国外品牌的降价,当前价 格虽然还存在下降空间,但已经 接近其生产成本,未来价 格压缩的空间相对较小,因此我们估计未来RV和谐波 减速器的价格分别在4000元和1500元左右。根据上述计算过程,2018-2020年间,国内减 速器市场空间分别有望达到31.71、36.76、42.63亿元。

▲2017年中国 工业机器人市场份额(按机型)

▲国内工 业机器人用减速器需求测算(万台)

  2.伺服电机与控制器,相辅相 成的核心零部件

  (1)伺服电机:国产替代空间最高

  伺服系 统下游应用领域众多。在20世纪70年代,随着微处理器技术、大功率 高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展和性价比不断提高,交流伺 服系统逐渐取代直流伺服系统成为主流产品。而国产 交流伺服系统在核心技术方面已取得突破,国内外 差距已明显缩小。目前伺 服系统的应用领域主要集中于机床,但近几 年电子制造业和机器人行业的崛起,催生了大量行业需求。2016年,机器人 占伺服系统下游应用的9%。我们认为,随着未来机器人零部件实现突破,我国工 业机器人行业将迎来快速发展期,伺服系 统的应用领域也将由机床向机器人倾斜。

▲2016年伺服 系统的下游应用

  这里我 们需要强调的是,伺服电 机并不完全等于伺服系统,但后者 的运用环节能很大程度上反映伺服电机的下游应用。完整的 伺服系统包括伺服电机、伺服编 码器和伺服驱动器三个部分。

  伺服驱 动器又被称为伺服控制器,作用类 似于变频器之于交流马达,一般是通过速度环、位置环、电流环 分别对伺服电机的转速、位置、转矩进行相应控制,实现高 精度的传动系统定位。伺服编 码器是安装在伺服电机末端用来测量转角及转速的一种传感器,目前自 控领域常用的是光电编码器和磁电编码器。作为伺 服系统的信号反馈装置,编码器 很大程度上决定了伺服系统的精度。

  伺服电 机作为执行元件,作用是 将伺服控制器的脉冲信号转化为电机转动的角位移和角速度,主要由 定子和转子构成,定子上有两个绕组,励磁绕组和控制绕组。其内部 的转子是永磁铁或感应线圈,转子在 由励磁绕组产生的旋转磁场作用下转动。机器人 的关节驱动离不开伺服电机,关节越多,其柔性和精度就越高,所要求 使用的伺服电机数量就越多。机器人 对伺服电机的要求较高,必须满足快速响应、高启动转矩、动转矩惯量比大、调速范围宽,要适应 机器人的形体做到体积小、重量轻、加减速运动等条件。

  伺服电 机可以分为交流(AC)和直流(DC)两大类。具体来看,直流电 机又分为有刷和无刷电机,前者成本低,但会产生电磁干扰,对环境有要求。因此它 可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。而交流 伺服电机与直流电子相比,主要优点包括:(1)无电刷和换向器;(2)惯量小,快速响应;(3)适用于大力矩环境;(4)定子绕组散热方便。目前工 业机器人中使用较多的是交流伺服电机。

▲伺服编码器内部结构

▲无刷直 流电机内部构造

  交流伺 服电机也称为无刷电机,分为同步和异步电机。异步电 机负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系,有较高 的运行效率和较好的工作特性,从空载 到满载范围内接近恒速运行,能满足 大多数工农业生产机械的传动要求。而同步 电动机的功率因数可以调节,最高转动速度低,且随着 功率增大而快速降低,因而适 合做低速平稳运行的应用。在不要求调速的场合,应用同 步电动机可以提高运行效率。到目前为止,高性能 的伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机,典型生 产厂家如德国伦茨、路斯特、西门子、日本安川等公司。

  如今一 般伺服电机都追求高精度、高可靠性、高热容量、高刚度、轻量化 和高响应性等性能。国际上 主要伺服电机厂家的电机手册也一般会收录机械时间常数、电器时间常数、发热时间常数、转动惯 量和过载运动能力等参数,这些都 是伺服电机的主要参考指标。

  (2)控制器:与国际 差距最小的零部件

  控制器 是机器人的大脑,主要负 责发布和传递动作指令。其主要 任务是对机器人的运动规划,以实现 机器人的操作空间坐标和关节空间坐标的相互转换,完成高 速伺服插补运算、伺服运动控制。

  控制器 分为硬件结构和软件结构。硬件方面,目前市 场已经研发了基于多CPU的分级分层控制系统。以典型的DSP控制器为例,该控制 器采用模块化结构,以工业PC作为系统的硬件平台,通过DSP控制卡 实现对机器人多个自由度的操控,提高了 机器人控制器的运动控制性能。

  软件方面,又分为上位机PC部分和 下位机运动控制部分。其中,上位机 模块主要功能是对系统的可调参数进行设置,对机器人的正、逆运动学建模求解,并把运 动控制卡与控制程序在逻辑上连接起来。下位机 模块由主控程序、运动程 序和通讯程序构成,实现高 速伺服插补运算、伺服运动控制。

▲机器人 控制器硬件结构

▲机器人 控制器软件结构

  竞争格局:硬件差距较小,难点集中于软件。控制器 本质上就是一个数据处理器,随着半 导体技术的成熟,半导体 芯片的性价比越来越高,因此控 制器在硬件上并无太高门槛。在机器 人的核心零部件中,控制器 的技术难度是最低的,国内企 业开发的控制器产品已经可以满足大部分功能要求。但控制 器的核心在于算法要与机器人本体相匹配。目前,国外主 流机器人厂商的控制器均是基于运动控制平台进行自主研发,以保证匹配性,导致国 内企业控制器尚未形成竞争优势。可以说,国产控 制机在硬件上与国外差距不大,差距主 要是算法和兼容性方面。

▲2015年国内 机器人控制器销量市场份额

系统集 成商的核心优势在于人才及行业积累

  相较于 机器人本体供应商,机器人 系统集成供应商还要具有产品设计能力、对终端 客户应用需求的工艺理解、相关项目经验等,提供可 适应各种不同应用领域的标准化、个性化成套装备。

  系统集 成商处于机器人产业链的下游应用端,为用户提供设计方案,要具有产品设计能力、对终端 客户应用需求的工艺理解、相关项目经验等,提供可 适应各种不同应用领域的标准化、个性化成套设备。与单元 产品的供应商相比,系统集 成商还要具有产品设计能力、项目经验,并在对 用户行业深刻理解的基础之上,提供可 适应各种不同应用领域的标准化、个性化成套装备。

  系统集 成商具有市场渠道优势,可快速 加入机器人研发及生产行列。与国内 本体厂商面对国外企业强大的竞争不同,国内系 统集成商拥有本土的许多优势,包括渠道优势、价格优势、工程师红利等。系统集 成商以往是从国外或者少部分从国内购臵机器人整机,根据不 同行业或客户的需求,制定解决方案。

  非标项目,不能批量复制。系统集 成项目是非标准化的,每个项目都不一样,不能100%复制,因此比较难上规模。能上规 模的一般都是可以复制的,比如研发一个产品,定型之后就很少改了,每个型号产品都一样,通过生 产和销售就能大量复制上规模。而且由于需要垫资,集成商 通常要考虑同时实施项目的数量及规模。

  要熟悉相关行业工艺。由于机 器人集成是二次开发产品,需要熟 悉下游行业的工艺,要完成重新编程、布放等工作。国内系统集成商,如果聚焦于某个领域,通常可 以获得较高行业壁垒,生存没问题。但是同 样由于行业壁垒,很难实 现跨行业拓展业务,通过并购也行不通,因此规模做大很难。机器人 系统集成商本来就该是小的,起码现 阶段国内集成商规模都不大。

  系统集 成商的核心竞争力是人才,其中,最为核 心的是销售人员、项目工 程师和现场安装调试人员,销售人员负责拿订单,项目工 程师根据订单要求进行方案设计,安装调 试人员到客户现场进行安装调试,并最终交付客户使用。几乎每 个项目都是非标的,不能简单复制上量。

  因此系 统集成商实际是轻资产的订单型工程服务商,核心资产是销售人员、项目工 程师和安装调试人员,因此,系统集 成商很难通过并购的方式扩张规模。

  产业链 布局完善才能做大做强

  四大家 族在工业机器人行业从上游零部件、中游本 体到下游系统集成均有布局。像KUKA机器人 业务分为本体和系统集成两大块,发那科通过外 延并购布局系统集成业务。工业机器人是载体,具体行业应用是焦点,两者兼具的话,本体和 系统集成形成联动,渠道相互促进,有望提 升产品在行业的影响力,分到更大的市场份额。

  国内本 体企业在产业链上布局是做大做强的唯一途径。2017年国产 品牌机器人销量为3.78万台,按平均单价10万计算,市场规模仅37.8亿。排名靠前的埃夫特、埃斯顿等机器人销量才2000多台,销售额 远低于四大家族企业,即使未 来几年销量翻番,销售额 也较难做到很大。同时具 体行业自动化解决方案是机器人的落脚点,是当前 各家抢夺的焦点。系统集 成注重售后服务,本土企业响应快,服务强度大,竞争优势比较明显。根据我们前面的测算,系统集 成是本体市场规模的3倍左右,因此系 统集成业务有助于快速提升销售额,打开下游市场,提升品牌影响力。2018年工业 机器人本体和系统集成市场总和将突破千亿规模。国内上市公司如埃斯顿新松、快克股 份等注重产业链布局,有望在竞争中突围。

  系统集 成商向本体或零部件延伸能够提升行业竞争力,有效改善利润率。四大因 素决定集成商规模小。系统集 成项目是非标准化的,每个项目都不一样,不能100%复制,所以比较难上规模,能上规 模的都是可以复制的,比如研发一个产品,定型后就很少改了,每个型号产品都一样,通过生 产和销售就能大量复制上规模。而且由于需要垫资,集成商 通常要考虑同时实施项目的数量及规模。

  但近年 来系统集成商也走到了一个“分水岭”,由于硬 件产品价格逐年下降、利润也越来越薄,仅靠项 目带动硬件产品的销售模式已经成为过去时。同时,进入系 统集成这个领域的门槛越来越低,竞争随之就更为激烈,利润逐年下降。大部分 系统集成商自身只是设计、组装生产线,而生产 线上所需机器人本体、传感器、伺服系统、控制系统等90%以上的 原材料均是外购,这样整 体产线价格相比同行很难有竞争力。因此部 分核心部件自制能够有效的降低成本,提升自身竞争力,打造行业的护城河。

  因此国 内公司要想做大做强,可以选 择自上而下或者自下而上的发展模式,产业链 布局完善的企业有望享有更多的行业红利,分到更大的蛋糕。

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