工业机器人当务之急是翻越“三座大山”

2022-03-03 09:07:18 江苏省企业技术改造协会 30

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。

在中国,工业机器人产业取得国家层面的战略重视。得益于政策利好,工业机器人行业将进一步发展。2021年12月,工信部发布《“十四五”机器人产业发展规划》,提出重点推进工业机器人等产品的研制及应用,提高性能、质量和安全性,推动产品高端化智能化发展。2021年4月《“十四五”智能制造发展规划》亦提出,实施智能制造装备创新发展行动,百科智能立/卧式五轴加工中心、车铣复合加工中心高精度数控磨床等工作母机;智能焊接机器人、智能移动机器人、半导体(洁净)机器人等工业机器人。同时开展工业机器人创新产品发展行动,完善《工业机器人行业规范条件》,加大实施和采信力度。

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。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。

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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。

我国工业机器人在全球发展情况如何?

欧洲和日本是工业机器人主要供应商,ABB、库卡(KUKA)、发那科(FANUC)、安川电机(YASKAWA)四家占据着工业机器人主要的市场份额。四大家族工业机器人占全球市场份额约50%。

从国内各地区发展情况来看,长三角地区在我国机器人产业发展中依然处于领先位置,珠三角地区机器人应用市场发展较为成熟,京津冀地区智能机器人自主创新能力持续加强,东北地区龙头企业表现强劲,带动区域产业集聚度持续提升,中部地区注重引入其他地区机器人产业外溢资源,西部地区机器人产业规模与质量实现明显提升,后发潜力巨大。

《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;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)。

2022年疫情的影响或将逐渐消退,市场的需求更多呈现结构性分化态势,依然坚持整体无“爆发”可能性的判断,预计中国工业机器人市场全年销量增速15%-20%左右,国产化率稳步提升,2022年有望超41%。

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。

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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。

伺服市场,既小又大。

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小在体量:直到2021年,中国伺服电机市场规模也只有180亿元,勉强能和当年一季度,电子商务独角兽“兴盛优选”的D轮融资金额对等。

大在玩家:既有百年豪门,如安川、松下、西门子;又有近年新锐,如汇川、禾川、台达。份额饼图上够资格报数的厂牌就有十多家,本土品牌总数不下300。外资国资,成分驳杂,各有战略,厮杀激烈。

小市场、大玩家,怪格局的成因在于,中国工业自动化正在快速发展,而伺服电机作为机械自动控制的基础元件,未来几乎所有设备都将成为下游市场。

中国设备制造业即将走进“伺服时代”——谁掌握了中国伺服市场,谁就拿捏住中国自主设备的命门。

然而,中国本土伺服品牌的突围之路,却深陷泥沼。这一次,我们的突围与垄断无关,难度却远胜垄断。伺服电机虽然与减速器同列于机器人三大核心部件,但从技术和市场的角度看,减速器更重“突变”,伺服电机则依靠“演变”。

技术端:伺服电机起源于上世纪80年代,是伴随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展,逐渐演化、集结而成,各国先发的电气厂商相继推出类似产品。

当前的伺服电机仍然没有脱出这一藩篱,只是将更先进的永磁体电机、驱动器、控制器集成为全数字控制的“电机系统”。

换句话说,伺服电机是一个国家工控、数控、电机等技术发展之下的必然产物,后发模仿的优势固然存在,但毕竟缺少逐步完善和更新的过程,标准化、一致性的产品“地基”还需时间才能打牢。

中国企业技术上的劣势在于:日系伺服品牌经过数十年技术积淀,产品稳定性稳占上风;德系的西门子,早已将伺服电机,即工业自动化元件和FCS(总线控制系统)、PLC(可编程逻辑控制器)等上位系统深度结合——这都是后发品牌需要经过长时间的研发摸索、艰难的市场竞争才可能完成的目标。

市场端:伺服电机面对的是,设备,不加任何定语的设备——机床、机器人、纺织机械、造纸设备、印刷设备……以及这些设备延申而出的无数细分赛道。比如机床有镗铣磨削,机器人有工业、服务两大板块和从中衍生的各个变种。

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中国伺服,需要“投机”。

中国本土伺服品牌从早期发展,到2013年后积极进取、2015年后技术追赶,不可避免会一点点蚕食原本日系、德系的客户和市场。在一系列过程中,外资品牌却仿佛集体哑火,并没有在技术垄断或是价格战上,给本土品牌的扩张带来大麻烦。这其中,一方面是本土品牌的确有着不可阻挡的优势,另一方面则是外资品牌由于各自的远见或偏见,形成两极分化的应对态度,为本土品牌创造了生存空间。

外资伺服品牌里,在中国市场最有代表性和影响力的是四巨头:日系安川、松下、三菱,德系是西门子。

四巨头最后殊途同归在对于中国设备市场、本土品牌的“重点关照”,这势必会让本土伺服未来的爬坡之路,行进得更加困难——机会的蛹壳再一次包围中国伺服——但外资品牌的远见与偏见,已经指明了破茧的方向。

远见代表着本土品牌的优势:在未来,中国新兴设备产业提供的原动力将持续存在,本土伺服所要做的,是在新兴市场继续打好“本末倒置、投机取巧、人海战术”三板斧,如此才能跟上中国设备迭代的步伐,进而完成在技术和市场上的自我升级。

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。

无论是基于原理、技术创新的正向研发还是逆向工程,国产厂商绞尽脑汁地想要实现减速机的国产化替代,至于哪条道路能够通向成功,尚需验证。

在机器人的全球应用中,精密减速器主要可分为RV减速机、谐波减速机和SPINEA 减速机,三者的市场销售数量占比约为40%、40%、20%。从应用占比来看,RV减速机、谐波减速机作为关键核心零部件,基本掌握了工业机器人的“命脉”,将对未来机器人竞争格局的走向产生深远影响。

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据国家统计局数据显示,2021年1-7月工业机器人累计产量为205094套,同比增长64.6%。在中国机器人产销两旺的大背景下,减速器的供货正在面临着较大的不确定性。

据六环传动副总经理李涛表示,在需求高涨的当下,受贸易、技术、管理等问题影响,日本减速器出现了供货周期延后的现象,有些长的供货周期已经达到6个月以上。以纳博特斯克为例,其供货周期已经由原来的2-3个月延长到现在的4-6个月,大概率将对国产机器人供应链产生波动。

在时势背景影响下,减速机的国产化替代迫在眉睫。

相较于RV减速器攻克的高难度,国产谐波减速器目前无论是在技术还是应用方面,都已经打开了突破口,培育了具有一定影响力的国产厂商,RV减速器则显得有些任重道远。

李涛指出,RV减速器需要传递大扭矩,承受较大的过载冲击,为了保证其达到预期工作寿命,一般在设计上采用过定位结构,使其精密加工异常困难。看似只是一个小小的RV减速器,实则是对我国工业基础系统的挑战。这不仅仅是依靠引进昂贵的精加工设备就可以完成生产制造,没有吃透相关材料、热处理、工艺等基础科学是很难批量生产出稳定可靠的精密减速器。

因此,如果依旧在日本等厂商主导的老路上追赶,成效如何尚且不论,时间成本也是非常高昂的。

此外,RV减速器也同样存在自身难以克服的缺陷。李涛表示,从原理上来讲,RV减速器并不是一个具备非常高精度、高刚度、高灵敏性的产品,但工业机器人的发展是朝着高精度、高刚度、高灵敏方向递进的。不管是用更好的产品来弥补RV减速机现有不足还是布局未来技术升级,李涛认为:“唯有另辟蹊径,从根本原理上突破,用一种更为先进的产品进行迭代,才能使我们国家机器人行业走向自主创新的道路。”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。

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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。

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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。


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