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工業(yè)機器人短期迎來拐點，長期空間廣闊

導語從工業(yè)機器人密度來看（每萬名制造業(yè)員工），2018 年新加坡工業(yè)機器人密度最高，達到 831 臺，其次是韓國，達到 774 臺，德國、日本以及美國等發(fā)達國家工業(yè)機器人密度也均在 200 臺以上。中國是 140 臺，略高于全球平均水平。 1 工業(yè)機器人短期迎來拐點，長期空間廣闊 1.1 短期來看：工業(yè)機器人拐點已經(jīng)來臨工業(yè)機器人產(chǎn)量同比增速擴大，需求拐點已經(jīng)來臨。受到中美貿易摩擦以及宏觀經(jīng) 濟下行影響，我國工業(yè)機器人需求從 2018 年開始出現(xiàn)明顯放緩，2018 年 9 月至 2019 年 9 月，我國工業(yè)機器人產(chǎn)量都處于同比下滑的狀態(tài)。2019 年 10 月工業(yè)機器人產(chǎn)量同比增長 1.7%，結束了連續(xù) 13 個月的同比下滑。2019 年 11 月我國工業(yè)機器人產(chǎn)量為16080 臺，同比增長 4.30%，環(huán)比增長 11.91%，機器人需求拐點已經(jīng)來臨。我們認為2020年汽車行業(yè)對工業(yè)機器人的需求保持相對平穩(wěn)，但是在5G在帶動下，電子行業(yè)對于機器人的需求量有望明顯增加。此外，隨著食品、倉儲、光伏等行業(yè)對于自動化率需求的不斷提升，這些行業(yè)對于機器人的需求也在逐步增加。綜合來看，2020 年工業(yè)機器人需求有望迎來復蘇。食品醫(yī)療、倉儲物流和汽車電子等行業(yè)對于工業(yè)機器人需求快速提升。2018 年機器人下游應用市場中占比較大主要還是 3C 電子和汽車（汽車零部件、汽車整車和汽車電子），其中 3C 電子的占比約為 23%，汽車應用的占比約為 36%。但是受到汽車和手機銷量下滑的影響，2018 年我國汽車整車和 3C 電子對工業(yè)機器人的需求都出現(xiàn)了下滑。需求量增長比較快的行業(yè)主要是食品醫(yī)療、倉儲物流和汽車電子等行業(yè)。2018 年食品醫(yī)療和倉儲物流等行業(yè)機器人市場規(guī)模增速都在 30%以上。 5G 帶動計算機、通信及其他電子設備固定資產(chǎn)投資增長。受益于 5G 滲透率的逐步提升，從 2019 年 3 月份開始，計算機、通信以及其他電子設備等制造業(yè)固定資產(chǎn)投資逐步回暖，計算機、通信和其他電子設備制造業(yè)固定資產(chǎn)投資完成額累計同比增速已提升至 13.6%。2020 年 5G 建設將進一步加速，相應的設備需求量將顯著增加，計算機、通信及其他電子設備固定資產(chǎn)投資有望進一步提升。 …… 2020-2025 年新能源汽車銷量復合增速有望超過 30%。工信部就《新能源汽車產(chǎn)業(yè) 發(fā)展規(guī)劃（2021-2035 年）》（征求意見稿）公開征求意見。《征求意見稿》提出，到 2025 年，新能源汽車市場競爭力將明顯提高，動力電池、驅動電機、車載操作系統(tǒng)等關鍵技術將取得重大突破，新能源汽車新車銷量占比將達到 25%左右。假設 2025 年我國汽車銷量將達到 3000 萬臺，則到 2025 年新能源車銷量 600 萬輛以上。預計 2019 年新能源汽車銷量可以達到110-120萬輛，則2020-2025年新能源車銷量年復合增速需要達到33%左右。汽車行業(yè)業(yè)績逐步好轉。汽車銷量從 2018 年下半年開始下滑以后，汽車制造行業(yè)的利潤也出現(xiàn)了顯著的下滑。經(jīng)過一年多的下滑后，汽車銷量下滑速度明顯收窄，行業(yè)的業(yè)績也開始逐步好轉。從2019年三季度的情況看，汽車制造利潤總額增速已經(jīng)開始回正。隨著汽車需求的逐步回暖，汽車行業(yè)的業(yè)績有望逐步好轉。由于汽車銷量下滑，行業(yè)的盈利能力降低，下游整車廠和汽車零部件廠商都放緩了固定資產(chǎn)投資。從今年 3 月份開始，汽車制造業(yè)固定資產(chǎn)投資完成額增速出現(xiàn)斷崖式的下滑，至 2019 年 10 月，汽車制造業(yè)固定資產(chǎn)投資完成額累計同比增速是-0.3%，已有觸底跡象。我們預計隨著傳統(tǒng)汽車銷量邊際好轉，新能源汽車在國家政策驅動下繼續(xù)保持較快增長，行業(yè)的盈利能力逐步恢復，整車及零部件廠商投資意愿有望增強，汽車制造業(yè)固定資產(chǎn)投資完成額有望繼續(xù)保持增長。 1.2 長期來看：需求端+成本端+政策端驅動機器人需求增長需求端：中國作為制造業(yè)大國，全球很多產(chǎn)品的主要產(chǎn)能都集中在中國。如全球 90% 的手機是中國制造，80%的空調和計算機是中國制造，70%的光伏電池是中國制造，60% 的彩電是中國制造。但是目前我國工業(yè)機器人產(chǎn)量在全球中的占比卻只有 37%左右。未來隨著我國制造業(yè)自動化率的逐步提升，對于工業(yè)機器人的需求量將顯著提升。此外，中國制造業(yè)面臨重大變革，以智能機器人為代表的智能裝備成為通向工業(yè) 4.0 的突破口。智能制造是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的核心，是中國制造業(yè)轉型升級的“新動能”。以工業(yè)機器人為代表的智能裝備旨在提高制造業(yè)效率、提高產(chǎn)品質量，從而降低制造業(yè)的生產(chǎn)成本，成為制造業(yè)轉型升級，通向工業(yè) 4.0 時代的重要突破口。我國工業(yè)機器人密度提升空間大。從工業(yè)機器人密度來看（每萬名制造業(yè)員工擁有的機器人數(shù)量），2018 年新加坡工業(yè)機器人密度最高，達到 831 臺，其次是韓國，達到 774 臺，德國、日本以及美國等發(fā)達國家工業(yè)機器人密度也均在 200 臺以上。中國是 140 臺，略高于全球平均水平。作為一個制造業(yè)大國，對標其他發(fā)達國家，我國工業(yè)機器人密度還有非常大的提升空間。隨著《中國制造 2025》國家戰(zhàn)略的穩(wěn)步實施，國內制造業(yè) 轉型升級步伐將逐步加快，機器人密度將大幅增加，未來我國工業(yè)機器人市場潛力巨大。機器人國產(chǎn)化率還有很大的提升空間。目前我國工業(yè)機器人本體及核心零部件的國產(chǎn)化率都較低，特別是在汽車和 3C 等對于精度和穩(wěn)定性要求比較高的領域，大部分市場份額都是被外資品牌占據(jù)，我國大部分本體都是集中碼垛、上下料以及搬運等相對低端的領域。2018 年我國機器人本體國產(chǎn)化率約為 27.9%，還有非常大的提升空間。未來隨著我國工業(yè)機器人技術的不斷加強，國產(chǎn)化率有望逐步提升。成本端：用工難、用工貴，機器人換人大勢所趨。人口紅利的逐漸消失，人工成本的不斷攀升也進一步推進了“機器人換人”的趨勢。從勞動力人口結構上來看，我國適齡勞動力人口占比逐年下降，其中 2018 年 15-64 歲勞動人口占比為 71.2%，較 2017 年下降了 0.62%。社科院發(fā)布的《藍皮書》指出我國在自 2020 年后十年勞動年齡人口將年均減少 790 萬人，未來降幅將繼續(xù)增加。從制造業(yè)人力成本角度來看，我國制造業(yè)就業(yè)人員平均工資不斷提高，截至 2018 年，制造業(yè)員工平均年薪達到了 72088 元，同比增長11.85%，人口成本不斷攀升。勞動力人口的快速下降與人工成本的大幅上升對制造企業(yè) 的生存產(chǎn)生嚴重威脅，倒逼企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。與此同時隨著工業(yè)機器人國產(chǎn)化進程的加速帶來工業(yè)機器人價格的下降，工業(yè)機器人的生產(chǎn)效率明顯高于人，工業(yè)機器人替代人力的成本優(yōu)勢將更加突顯。一般來說，一臺工業(yè)機器人在生產(chǎn)線中可替代 3 名生產(chǎn)工人，其機器人本體與集成的價格大致相等。以一臺工業(yè)機器人使用年限為 8 年，維修費用為 1/10 工業(yè)機器人價格進行測算，可以推算出 2018/2019 年我國工業(yè)機器人成本回收期大約為3.04/2.26 年。隨著國產(chǎn)工業(yè)機器人，特別是減速器、伺服電機、控制器等核心零部件的實現(xiàn)國產(chǎn)化批量應用，將顯著拉低工業(yè)機器人的應用門檻，工業(yè)機器人的價格將進一步下降。以工業(yè)機器人年降價幅度為 5%，制造業(yè)職工平均工資未來增幅 7%為估計。預期至 2020 年，工業(yè)機器人的投資回收期能夠縮短至 2 年。政策端：一系列產(chǎn)業(yè)政策為機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供充分保障。工業(yè)機器人的發(fā)展離不開國家政策的扶持。近幾年，國家陸續(xù)出臺多項政策支持機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，尤其是 2009 年后政府明顯加快了政策措施出臺速度和力度，從頂層設計、財稅金融、示范應用、人才培養(yǎng)等多角度發(fā)力支持機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，政策疊加效應為我國機器人產(chǎn)業(yè)營造了良好的發(fā)展氛圍。 2 上游核心零部件分析工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)鏈包括上游核心零部件、中游機器人本體和下游集成應用三部分。上游是控制器、伺服電機、減速器、傳感器、末端執(zhí)行器等零部件的生產(chǎn)廠商，控制器、伺服電機和減速器是工業(yè)機器人三大核心零部件；中游是本體生產(chǎn)商，負責工業(yè)機器人本體的組裝和集成，即機座和執(zhí)行機構，包括手臂、腕部等，部分機器人本體還包括行走結構；下游是集成應用商，負責根據(jù)不同的應用場景和用途對工業(yè)機器人進行有針對性地系統(tǒng)集成和軟件二次開發(fā)。其中，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)鏈的關鍵環(huán)節(jié)為上游核心零部件，占據(jù)了工業(yè)機器人整機大部分的成本和利潤，也是技術上的核心和難點，是影響機器人性能最重要的部分?？刂?器、伺服電機、減速器這三大核心零部件的成本占工業(yè)機器人總成本約 70%，其中減速器占整機成本約 35%，伺服占整機成本約 20%，控制器占整機約 15%，而本體和其他部分僅占整機分別為 15%、15%。在所有核心零部件中，減速器的毛利率最高，達到 40%，伺服電機和控制器毛利率分別為 35%和 25%。三大核心零部件的技術水平?jīng)Q定了工業(yè)機器人的工作精度、負載、壽命，以及穩(wěn)定性和可靠性等重要性能指標，誰掌握了三大核心零部件的技術和能力，誰就占領了工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)鏈的制高點，擁有很強的定價權。關鍵環(huán)節(jié)受制于人，嚴重制約產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。雖然我國機器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得了長足進步，但與工業(yè)發(fā)達國家相比，還存在較大差距。機器人產(chǎn)業(yè)鏈關鍵環(huán)節(jié)缺失，核心技術創(chuàng)新能力薄弱。目前我國工業(yè)機器人市場上游核心零部件的供應大部分被國外廠商所占據(jù)，國內廠商大多集中在中游的機器人本體組裝和下游的系統(tǒng)集成，承擔系統(tǒng)二次開發(fā)、定制部件和售后服務等附加值低的工作，使得國內機器人市場的巨大潛力帶來的產(chǎn)業(yè)紅利被國外廠商占據(jù)。國內涉及減速器研發(fā)的企業(yè)有 10 余家左右，具備量產(chǎn)出貨能力的僅 5-6 家，市場幾乎被日企所壟斷?？刂扑欧到y(tǒng)方面，國內企業(yè)有一定的自主配套能力，國產(chǎn)品牌市場份額在 15%左右，高精度減速器、伺服電機和控制器等核心零部件依賴進口導致我國高端機器人產(chǎn)品質量可靠性低，機器人推廣應用難，市場占有率低，企業(yè)“小、散、弱”問題突出，產(chǎn)業(yè)競爭力缺乏。國外工業(yè)機器人巨頭本身就是核心部件的提供商，因此他們在零部件成本上擁有先天的成本優(yōu)勢和技術優(yōu)勢，另外他們往往能以大的采購量和簽署排他性協(xié)議獲得比較優(yōu)惠的采購價格，而國內的中小企業(yè)在進口核心零部件時，往往要以顯著高出國外廠商的價格購買減速器和伺服電機等核心零部件，這些都嚴重削弱了國產(chǎn)品牌機器人的市場競爭力，使得國內機器人企業(yè)難以形成規(guī)模優(yōu)勢。 2.1 控制器 2.1.1 功能：控制器是機器人的小腦，主要負責控制和協(xié)調機器人運動控制系統(tǒng)是工業(yè)機器人的主要組成部分，其機能類似于人腦控制系統(tǒng)，支配著工業(yè)機器人按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予工業(yè)機器人的指令信息（如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間），同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對工業(yè)機器人的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時發(fā)出報警信號。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)分為處理器和控制器兩部分，處理器用來計算機器人關節(jié)的運動、監(jiān)督控制器與傳感器協(xié)調動作，其功能相當于人類大腦。控制器從處理器中獲取數(shù)據(jù)，控制驅動器的動作，并與傳感器反饋信息一起協(xié)調機器人的運動，其功能相當于人類小腦。 2.1.2 組成：控制器由硬件及軟件兩部分組成控制器硬件核心在于芯片，為了保證控制系統(tǒng)具有足夠的計算與存儲能力，目前機器人控制器多采用計算能力較強的 ARM 系列、DSP 系列、Intel 等系列芯片。軟件包括操作系統(tǒng)和算法庫兩部分，機器人專用操作系統(tǒng)包括 VxWorks（嵌入式實時操作系統(tǒng)）、 Windows CE、嵌入式 Linux、μC/OS-Ⅱ以及通用 ROS 平臺等，其中 Windows CE、嵌入式 Linux、μC/OS-Ⅱ以及通用 ROS 平臺為使用較多的開源操作系統(tǒng)。算法庫包括底層算法庫以及應用工藝算法，底層算法庫的運動學控制算法即規(guī)劃運動點位，負責控制機器人末端執(zhí)行器按照規(guī)定的軌跡達到指定地點。動力學算法負責識別每一個姿態(tài)下機身負載物的轉動慣量，使其保持最優(yōu)化輸出的狀態(tài)。應用工藝算法即二次開發(fā)，針對不同行業(yè)的應用工藝算法，只有在掌握底層算法的基礎上才能較好地實現(xiàn)應用工藝算法。 2.1.3 技術趨勢：驅控一體化成為輕載型機器人的主要方向總線型控制系統(tǒng)越來越普遍。以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術的發(fā)展為機器人提供了更快捷、穩(wěn)定、有效的通信服務，基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)由控制模塊、驅動模塊和示教模塊三部分組成，三者間的信號傳輸由電纜或網(wǎng)線完成?？偩€型控制系統(tǒng)三大模塊功率不受限制，具有實時性好，易于實現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴散等優(yōu)點，但缺點在于傳輸速度慢、硬件體積大、成本較高，因此適用于控制多個大型機器人的工業(yè)場景。發(fā)達國家總線控制方式已經(jīng)發(fā)展多年，具備比較成熟的總線產(chǎn)品和方案。國內控制器公司處于追趕階段，成效顯著。例如 2015 年卡洛普推出基于實時以太網(wǎng)的總線型機器人控制器；2018 年，雷賽智能推出 EtherCAT & RTEX 總線方案，未來總線方案的控制器使用將越來越多。驅控一體化成為輕載型機器人的主攻方向。相較于傳統(tǒng)機器人較大的落地式控制柜，“驅控一體”能夠將控制柜的體積縮小到臺式機大小，從而節(jié)省了空間。因此，“驅控一體”設備在輕載機器人上的使用具備優(yōu)勢，比如 SCARA 機器臂、并聯(lián)機器臂、桌面型小六軸機器人。這類機器臂所用關節(jié)功率較小，在 400W 左右，容易做集成化設計。而且這些機器臂對空間的要求也會比較高，所以“驅控一體”的優(yōu)點能得到充分體現(xiàn)。驅控一體化是巧妙地將伺服驅動技術、運動控制技術和機器視覺技術融合在一臺機器上，通過內部高速并行總線進行信息交換，充分滿足細分行業(yè)的應用定制和工藝定制要求。與總線型控制系統(tǒng)結構不同的是，驅控一體控制系統(tǒng)將控制模塊與驅動模塊融合在一起，兩者以內部總線的方式進行通訊。內部總線的原理類似于數(shù)據(jù)共存，兩者間不需要任何電纜或網(wǎng)線進行信號傳輸?？偩€型控制系統(tǒng)的通訊速度為毫秒級，而驅控一體控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)千分之一毫秒級通訊速度，在速度和精度要求極高的場景下驅控一體控制系統(tǒng)優(yōu)勢完全凸顯。驅控一體控制系統(tǒng)優(yōu)點在于通訊速度快、體積小、成本低，但缺點是功率受限，不適用于汽車廠大型六軸機器人等工控場景。國內控制器領先企業(yè)固高科技早在2010 年便提出了驅控一體化的產(chǎn)品體系架極，并基于此承接了國家863 計劃。公司推出的拿云六軸驅控一體機囊括了工業(yè)機器人控制系統(tǒng)開發(fā)平臺、運動控制器和六軸伺服驅動器，具有體積小、功率密度高、集成度高等特點，提高了設備性能和可靠性。新時代子公司眾為興推出的驅控一體控制器 QC400A，具備多軸直線插補，3D 空間圓弧插補，軌跡跟隨，平穩(wěn)加減速，連續(xù)運動軌跡速度自適應功能、樣條曲線教導，振動抑制等功能。受益于我國的工業(yè)機器人市場強勁需求，工業(yè)機器人控制器需求量也呈現(xiàn)同步增長。據(jù) IFR 數(shù)據(jù)顯示，假設：（1）以進口工業(yè)機器人控制器和國產(chǎn)工業(yè)機器人控制器價格分別為 2 萬元和 0.5 萬元；（ 2）外資品牌使用進口控制器，國產(chǎn)機器人品牌使用國產(chǎn)控制器?？梢源笾鹿浪愠鑫覈陙淼墓I(yè)機器人控制器市場規(guī)模，2018 年我國工業(yè)機器人控制器市場約為 20 億元，現(xiàn)有空間有限，但前景廣闊。 2.1.4 控制器市場格局與國內外差距國內工業(yè)機器人控制器市場多被日系及歐美品牌占據(jù)?？刂破饕话阌蓹C器人本體廠商自主設計研發(fā)，主流的機器人廠商均有自己的控制系統(tǒng)與之匹配，國內工業(yè)機器人控制器市場多被日系及歐美品牌占據(jù)。以發(fā)那科、安川、庫卡、ABB為代表的四大家族普遍采用自產(chǎn)自用的生產(chǎn)模式，其在中國工業(yè)機器人控制器市場的占比與其在本體市場的占比基本保持一致，達 40%以上。2018 年國內自主品牌機器人本體市場市占率達 32.3%，而在工業(yè)機器人控制器市場僅占約 15%，國內企業(yè)控制器尚未形成市場競爭力，部分本體生產(chǎn)廠家的控制器需要通過外購國外廠商，如 KEBA、TRIO 等。但在發(fā)展過程中仍然涌現(xiàn)出一批具有代表性的企業(yè)，比如固高科技、匯川技術、眾為興（新時達子公司）、埃斯頓、華中數(shù)控等企業(yè)較有優(yōu)勢。控制器硬件芯片依賴進口，軟件算法差距較大。經(jīng)過多年的沉淀，國內廠商的控制器硬件方案已經(jīng)達到國際性水準，但物料受到限制，底層芯片依賴進口，國內尚無研發(fā)基礎。在軟件上，國際工業(yè)機器人品牌起步較早，經(jīng)驗與數(shù)據(jù)非常豐富。比如發(fā)那科在1974 年就開始進行工業(yè)機器人的生產(chǎn)制造，其建立的“機器人生產(chǎn)機器人”生產(chǎn)線更是為其提供了大量的經(jīng)驗與數(shù)據(jù)來改進算法。國內廠商目前在運動學控制算法領域已基本實現(xiàn)國外先進算法，但在動力學算法上與國外先進水平等仍有一定差距，差距體現(xiàn)在算法的精準性，即是否能達到效率最優(yōu)狀態(tài)。另外，底層算法的差距導致國產(chǎn)控制器的應用工業(yè)算法受到限制，且國外機器人控制器有相當部分功能存在技術封鎖，國產(chǎn)品牌目前大多集中在較為簡單的搬運、碼垛領域，而且軟件的穩(wěn)定性也不如國外，出現(xiàn)故障的概率比進口產(chǎn)品高。根據(jù)《國家機器人標準體系建設指南》，機器人控制器關鍵技術要求包括運動精度、動態(tài)性能、高速總線接口、控制軸數(shù)、插補周期、軟件性能、功能安全和可靠性等技術要求。對比主要工業(yè)機器人生產(chǎn)廠商的控制器產(chǎn)品，國產(chǎn)控制器硬件與軟件平臺與國外廠商基本一致，并且可控制的機器人類型齊全，其中不乏六軸、八軸機器人，不輸國外廠商，主要差距在于控制算法、安全性能以及可靠性設計等方面。安全性能差距體現(xiàn)在國際廠商均已取得歐盟 CE 安全認證，并掌握多種安全功能，而國內僅有少部分廠商獲得 CE 認證。同時國際廠商的抗震、抗沖擊性能也要優(yōu)于國內品牌。國內工業(yè)機器人生產(chǎn)廠家的控制器主要具有價格優(yōu)勢。隨著微電子技術的快速發(fā)展，處理器的性能越來越高，成本越來越低廉，高性價比的微處理器使得開發(fā)低成本、高性能的工業(yè)機器人控制器成為可能。KUKA 控制器價格為 5.8 萬元，而固高只需 6 千元。國產(chǎn)控制器性價比高，可搶占對機器人精度要求不高的、通用型機器人的市場需求。 2.2 伺服電機 2.2.1 功能：伺服電機是工業(yè)機器人主要的動力來源伺服系統(tǒng)由伺服驅動器、伺服電機、編碼器三部分組成，是工業(yè)機器人主要的動力來源。伺服驅動器負責將從控制器接收到的信息分解為單個自由度系統(tǒng)能夠執(zhí)行的命令，再傳遞給執(zhí)行機構（伺服電機），伺服電機將收到的電流信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象，實現(xiàn)每一個關節(jié)的角度、角速度和關節(jié)轉矩的控制。編碼器作為伺服系統(tǒng)的反饋裝置，很大程度上決定伺服系統(tǒng)精度。編碼器安裝在伺服電機上，與電機同步旋轉，電機轉一圈編碼器也轉一圈，轉動的同時將編碼信號送回控制器，控制器據(jù)以判斷伺服電機的轉向、轉速、位置信息。一般來說，工業(yè)機器人的每個關節(jié)都會搭配一個伺服電機，即一臺六軸工業(yè)機器人搭配 6 套伺服電機。為了提高工業(yè)生產(chǎn)的靈活性，機器人正變得越來越輕，同時為了保證機器人的動態(tài)和精度，高功率密度伺服電機至關重要，在精加工作業(yè)領域，機器人甚至需要人手所具備的柔順性，要求電機能以“罐頭”大小實現(xiàn)高性能，提高生產(chǎn)質量和效率并保證操作員安全。機器人對伺服電機的高要求主要有以下方面：第一，要求伺服電機具有快速響應性。由于工業(yè)機器人一般運行在頻繁的加速、啟停的情況下，因此要求伺服電機具有響應能力高，調速范圍大的特點，也對伺服系統(tǒng)的散熱性有一定需求。響應指令信號的時間愈短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應性能愈好，一般是以伺服電機的速度環(huán)帶寬值大小來說明伺服電機快速響應的性能。第二，伺服電機的起動轉矩慣量比要大。在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電機的起動轉矩大，轉動慣量小。第三，為了配合機器人的體形，伺服電機必須體積小、質量小、軸向尺寸短，即功率密度大。第四，能經(jīng)受得起苛刻的運行條件，具有較高的可靠性與穩(wěn)定性，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內承受數(shù)倍過載。 2.2.2 伺服電機應用領域及規(guī)模測算伺服電機在工業(yè)自動化中發(fā)揮著重要作用，廣泛用于機械、冶金、電力、石油化工、船舶制造、航空航天、建筑、交通、科研試驗等多個領域。其中，機床工具、電子設備制造和工業(yè)機器人等行業(yè)伺服應用比例較高。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示，2018 年機器人占伺服系統(tǒng)下游應用的 10%，且高啟動轉矩、大轉矩、低慣量的交、直流伺服電機在工業(yè)機器人中應用較為普及。隨著未來機器人零部件實現(xiàn)突破，我國工業(yè)機器人行業(yè)將迎來快速發(fā)展期，伺服系統(tǒng)的應用領域也將繼續(xù)向電子設備制造、工業(yè)機器人等新興領域深入。伴隨著工業(yè)機器人、電子制造設備等產(chǎn)業(yè)的迅速擴張，伺服系統(tǒng)在國內應用規(guī)模也增長迅速，整體市場規(guī)模增長空間較大。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2012 年我國伺服系統(tǒng)市場規(guī)模已達 52 億元，并呈現(xiàn)逐年穩(wěn)定增長態(tài)勢。2016 年我國伺服系統(tǒng)市場規(guī) 模達到 71 億元，同比增長 12.7%。到了 2017 年我國伺服系統(tǒng)市場規(guī)模增長至 95 億元，同比增長 33.8%。截止至 2018 年底我國伺服系統(tǒng)市場規(guī)模突破百億元，達到 117 億元左右，2012 年至 2018 年年復合增長達到 14.5%，增速明顯。 2.2.3 市場格局：歐美品牌占據(jù)高端市場、國產(chǎn)品牌聚焦低端市場國內伺服電機的參與者眾多，可以分為日系、歐美系、臺系以及國產(chǎn)系四類廠商。目前我國伺服電機中高端市場主要被國外企業(yè)壟斷，進口產(chǎn)品在我國工業(yè)機器人伺服市場上占有率達 70%以上。以西門子、施耐德、博世力士樂等為代表的歐美品牌產(chǎn)品過載能力高，動態(tài)響應好，驅動器開放性強，但價格昂貴，體積重量大，在高端設備和生產(chǎn)線方面比較有競爭力。日系品牌產(chǎn)品以小功率和中功率為主，以松下、安川、三菱、三洋等為代表的日系品牌技術和性能水平比較符合中國用戶的需求，以良好的性價比和較高的可靠性獲得了穩(wěn)定且持續(xù)的客戶源，占據(jù) 50%以上國內市場份額。臺系以臺達電子為代表，其性能接近日系，價格介于國產(chǎn)與日系之間，性價比高，在中低端市場發(fā)展較快，市場占有率約 10%。國產(chǎn)伺服電機盡管技術相對落后，產(chǎn)品主要在中低端領域，但國內多家企業(yè)均已開發(fā)了機器人使用的伺服電機，國產(chǎn)化進程加速。目前我國企業(yè)在中低端伺服領域已經(jīng)可以實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，以性價比的優(yōu)勢滿足中小型和經(jīng)濟型用戶的需求，例如匯川技術、埃斯頓、英威騰、華中數(shù)控、廣州數(shù)控等企業(yè)的伺服驅動器及電機產(chǎn)品已相繼進入批量化生產(chǎn)階段。盡管暫時無法像日系品牌一樣提供全功率段系統(tǒng)選型方案，但匯川和埃斯頓等國內伺服第一梯隊的企業(yè)都紛紛針對機器人研發(fā)了機器人用伺服電機，國產(chǎn)伺服品牌的市場占有率有明顯提升。 2.2.4 國內外差距：國產(chǎn)伺服電機在穩(wěn)定性和工作精度等指標上存在差距對比國內外主要伺服電機產(chǎn)品，我國伺服系統(tǒng)與日系和歐美品牌相比仍然存在不足，具體表現(xiàn)為快速響應性、功率密度、穩(wěn)定性和工作精度等指標差距較大，電機的慣量、電流、扭矩輸出等參數(shù)往往不能做到最優(yōu)化，國產(chǎn)機器人為了滿足最大負載和速度參數(shù)，使用的電機都比日系選型要大，負載自重比大。首先，在快速響應能力上，國產(chǎn)伺服電機與日系及歐美品牌差距明顯。伺服電機的快速響應性能由響應帶寬指標來體現(xiàn)，帶寬越大，快速響應性能越好。對比安川電機與國產(chǎn)電機同型號低慣量系列，國產(chǎn)電機速度環(huán)帶寬為 1-2kHz 左右，安川電機能夠實現(xiàn) 3.1kHz。其次，在功率密度上，伺服系統(tǒng)對體積、重量要求較高，比如輕載 6kg 的桌面型機器人手臂安裝空間非常狹小，對伺服電機的長度、質量有著嚴格要求。受限于國內廠商的設計與制造能力，國產(chǎn)電機外形尺寸偏大，能量密度較小，較難適應工業(yè)機器人電機狹小的安裝空間。第三，在工作精度上，伺服電機的工作精度主要由編碼器決定。編碼器相當于關節(jié)模組的神經(jīng)，時刻地把關節(jié)運動的位置數(shù)據(jù)反饋給控制器，從而實現(xiàn)精準的控制。編碼器核心在于芯片與碼盤設計，國內主流廠商采取的做法為芯片外購，在此基礎上開發(fā)自有解碼技術，并且高精度編碼器仍然依賴進口。電機編碼器芯片依賴進口是導致國產(chǎn)伺服電機不能完全替代進口產(chǎn)品的主要原因。國產(chǎn)主流伺服電機編碼器分辨率最高僅達到 23 位絕對值，而日系及歐美品牌已經(jīng)突破 24 位，因此目前國產(chǎn)編碼器存在一定的精度不足問題。第四，在穩(wěn)定性及可靠性隱性指標上，由于伺服系統(tǒng)要進行十分頻繁的正反向和加減速運動，并在短時間內承受數(shù)倍過載，因此要求伺服系統(tǒng)必須在苛刻的運行環(huán)境下保持良好的穩(wěn)定性。日系產(chǎn)品表現(xiàn)非常優(yōu)秀，而部分國產(chǎn)產(chǎn)品即使初始性能優(yōu)越，但當面臨過載等較為的復雜工況環(huán)境時，其性能大打折扣。國產(chǎn)伺服電機在實際使用環(huán)境下的性能指標與實驗室性能指標無法匹配，這是阻礙國產(chǎn)伺服系統(tǒng) 進軍高端市場的重要原因之一。 2.3 減速器 2.3.1 功能：減速器是工業(yè)機器人的關節(jié) 精密減速器決定工業(yè)機器人的精度和負載。精密減速器是連接伺服電機和執(zhí)行機構之間的中間裝置，它負責把伺服電機高速運轉的動力通過輸入軸上的小齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來達到減速的目的，并傳遞更大的轉矩。精密減速器是工業(yè)機器人最重要的零部件，工業(yè)機器人運動的核心部件“關節(jié)”就是由它構成，每個關節(jié)都要用到不同的減速器產(chǎn)品。工業(yè)機器人對減速器的精度、負載和壽命等要求極高，其技術壁壘是工業(yè)機器人核心零部件中最高的一個，是對工業(yè)機器人本體性能影響程度最高的核心零部件。工業(yè)機器人常用減速器分為諧波減速器和 RV 減速器兩種。諧波減速器是一種單級的齒輪減速器，由波發(fā)生器、柔輪和剛輪組成，其工作原理是由諧波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控的彈性變形，同時柔輪與剛輪嚙合負責傳遞動力，以此達到減速的目的。諧波減速器具有運動精度高，傳動比大、質量小、體積小以及較小的傳動慣量等優(yōu)點，常用于負載小的工業(yè)機器人或大型機器人的小臂、腕部或手部等輕負載位置。RV 減速器是一種兩級減速器，由一個行星減速器的前級和一個擺線針輪減速器的后級組成。它較機器人中常用的諧波減速器具有更高的耐疲勞強度、剛度和使用壽命，而且回差精度穩(wěn)定，因此多用于工業(yè)機器人的機座、大臂、肩部等重負載傳動的位置。 2.3.2 減速器應用領域及規(guī)模測算隨著技術的日益成熟，精密減速器越來越體現(xiàn)出高精度、高鋼性、高負載、傳動效率高、高速比、高壽命、低慣性、低振動、低噪音、低溫升、結構輕巧、安裝方便等優(yōu)點，其應用領域涵蓋了機器人、數(shù)控機床、航空航天、醫(yī)療器械、衛(wèi)浴陶瓷、新能源等諸多領域，展示出其廣闊的發(fā)展前景。 CRIA公布的數(shù)據(jù)顯示，2018 年我國工業(yè)機器人總銷量為 13.5 萬臺,其中按類型劃分，多關節(jié)機器人、直角坐標型、SCARA機器人和并聯(lián)機器人的銷量分別 8.05、2、2.9、0.55 萬臺。一般情況下，一套六軸多關節(jié)機器人需要 4 套 RV 減速器和 2 套諧波減速器；一套 SCARA 機器人包含 4 套諧波減速器；一套直角坐標機器人需要 3 套 RV 減速器和 1 套諧波減速器；DELTA機器人的電機安裝在固定基座上，需要 1 套諧波減速器。以 RV 減速器平均價格為 0.6 萬元，諧波減速器平均價格為 0.3 萬元作為假設，可以大致估算出我國近年來的工業(yè)機器人減速器市場規(guī)模，2018 年我國工業(yè)機器人減速器市場為30.8 億元。 2.3.3 減速器市場格局：日本企業(yè)占據(jù)主導地位精密減速器制造對材料、設備、工藝等多個環(huán)節(jié)都有嚴格要求，具有明顯的投資門檻高、技術難度大等特點，行業(yè)壁壘極高。也正因此，長期以來全球工業(yè)機器人減速器市場一直呈現(xiàn)高度集中狀態(tài)。其中，日本納博特斯克是生產(chǎn) RV 減速器的世界巨頭，約占 60%的全球減速器市場份額，在中/重負荷工業(yè)機器人領域，其 RV 減速器產(chǎn)品在全球 RV 減速器市場占有率更是高達 90%以上。哈默納科則在諧波減速器領域擁有絕對優(yōu)勢，約占 15%的全球減速器市場份額。除此之外，以住友為代表的日系 RV 減速器生產(chǎn)廠商以及以新寶為代表的日系諧波減速器生產(chǎn)廠商合計占全球減速器市場份額也高達 10%以上，全球減速器市場呈現(xiàn)出以日本企業(yè)一派獨大的高度集中化局面。納博特斯克和哈默納科在減速器領域的壟斷地位給予兩者極強的議價能力，由于國際工業(yè)機器人生產(chǎn)巨頭很早就開始了與這兩家企業(yè)的合作，而且采購規(guī)模極大，所以機器人四大家族能以遠低于國內廠商的價格購買其減速器產(chǎn)品。這對于性能上本就處于弱勢的國產(chǎn)機器人而言，無異于雪上加霜。納博特斯克是日本綜合性的機械集團，業(yè)務范圍包括組件解決方案（精密減速器、液壓機械、新能源設備）、運輸解決方案、無障礙事業(yè)、其他等四大類，其中精密減速器業(yè)務屬于其最大業(yè)務板塊，包括 RV-N、RV-C 以及 RV-E 等主要產(chǎn)品系列。納博特斯克減速器產(chǎn)品以高精度、高可靠、穩(wěn)定性著稱，在 RV 減速器領域全球市場占有率超過 80%，公司的精密減速器客戶主要包括工業(yè)機器人和機床，其中工業(yè)機器人客戶覆蓋全球四大家族機器人企業(yè)以及各知名機器人廠商。機床客戶主要為日本的高精度機床企業(yè)，馬扎克 OKUMA 機床德瑪吉森。納博特斯克擁有日本津工廠和中國常州兩個精密減速器生產(chǎn)基地，2017 年總產(chǎn)能達 84 萬臺，預計至 2019 年達 106 萬臺，2020 年產(chǎn)能可增至 120 萬臺。哈默納科是世界上最早從事諧波傳動及特種傳動技術的開發(fā)、設計、生產(chǎn)、銷售的專業(yè)化公司，目前已成為全球最大諧波減速器供應商。哈默納科專注于諧波減速器的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售，其產(chǎn)品已廣泛應用于各類機器人、數(shù)控機床、航空航天、印刷機械、醫(yī)療機械、測量分析儀器、精密包裝機械等多種行業(yè)。在全球布局上，日本哈默納科在全球共設有三個分部，每個分部分別負責在全球不同區(qū)域的銷售市場，但各分部生產(chǎn)的諧波減速器具有很強的一致性。哈默納科在日本生產(chǎn)的諧波減速器只對亞洲地區(qū)銷售；哈默納科和納博特斯克在美國馬薩諸塞州成立的合資公司 Harmonic Drive L.L.C 生產(chǎn)的諧波減速器只對美洲銷售；哈默納科在德國成立的 Harmonic Drive Antriebstechnik GmbH 公司(現(xiàn) Harmonic Drive AG 公司)生產(chǎn)的諧波減速器只對歐洲、中東、非洲、印度及南美地區(qū)銷售。哈默納科壟斷了全球機器人用諧波減速器市場約 70%的份額，2018 年其產(chǎn)能接近 180 萬臺。目前幾乎所有的世界知名機器人廠商均采用其諧波減速器。國內減速器供應商以外資品牌為主導。2018 年國產(chǎn)減速器出貨量占國內市場份額不足 30%，而近 70%以上的市場份額則由外資品牌占據(jù)，哈默納科和納博特斯克分別在諧波減速器和 RV 減速器出貨量上穩(wěn)居國內市場份額第一，在國內減速器市場占有絕對領先優(yōu)勢。國產(chǎn)品牌起步較晚，目前已有蘇州綠的、來福諧波、南通振康、秦川機床、中大力德等多家減速器廠商實現(xiàn)量產(chǎn)，市場接受度逐年提升。浙江雙環(huán)傳動機械股份有限公司創(chuàng)建于 1980 年，并于 2010 年 9 月在深交所公開上市。雙環(huán)傳動專注于機械傳動齒輪的研發(fā)、設計、制造與銷售，形成涵蓋車輛齒輪、非道路齒輪、電動工具齒輪、軌道交通齒輪、RV 減速器等多個領域門類齊全的產(chǎn)品結構，已經(jīng)成為全球具有相當生產(chǎn)規(guī)模和實力的主要齒輪散件專業(yè)制造企業(yè)之一。雙環(huán)傳動自 2014 年起深耕 RV 減速器 5 年，已經(jīng)逐步完成從研發(fā)階段向產(chǎn)業(yè)化階段的過渡，目前已形成 RV-C、RV-E 兩大系列多種型號 RV 減速器產(chǎn)品，2018 年 3 月與埃夫特簽訂 1 萬臺減速器供貨協(xié)議，供貨周期至 2019 年 6 月 30 日。截至 2018 年末，公司工業(yè)機器人 RV 減速器產(chǎn)業(yè)化項目投資 3.12 億元，預期實現(xiàn) 6 萬套工業(yè)機器人 RV 減速器的生產(chǎn)能力，計劃在 2020 年建成 10 萬套/年的產(chǎn)能。南通振康焊接機電有限公司創(chuàng)立于 1993 年，以電焊機送絲裝置生產(chǎn)起家。利用自身精密加工的優(yōu)勢，通過西安微電機研究所、上海交大等多所院校展開技術合作攻關，于 2015 年實現(xiàn)鎮(zhèn)康RV減速機的首批生產(chǎn)，成為國內較早涉足機器人用RV減速器的廠商。南通振康成功開發(fā)出 300Kg 以下機器人使用的 RV 減速器，包括 RV-E、RV-C、RD 等三個系列 18 個產(chǎn)品，以超短的交貨期、極高的性價比和穩(wěn)定的質量獲得越來越多機器人廠家的青睞。目前已被包括 ABB、KUKA、發(fā)那科在內的多家國際廠商試用，并擁有近 300 家機器人制造商客戶，已被埃夫特、凱爾達、歡顏自動化等國內機器人廠商在本體生產(chǎn) 中采用。南通振康具備年產(chǎn) 3 萬臺的生產(chǎn)能力，2018 年 RV 減速器出貨量在5 萬臺以內。蘇州綠的諧波傳動科技有限公司是一家專業(yè)從事精密諧波傳動裝置的研發(fā)、設計和生產(chǎn)的高新技術企業(yè)。公司自 2003 年開始從事機器人用精密諧波減速器研發(fā)，目前其諧波減速器產(chǎn)品在國產(chǎn)機器人諧波減速器市場的滲透率超過 50%，在國產(chǎn)諧波減速器中居于首位，已擁有較好的品牌知名度和口碑，廣泛應用于工業(yè)機器人、人形機器人、機械設備、航空航天、通信設施等行業(yè)。其諧波減速器產(chǎn)品系列包括 LCD、LCS、LCSG、LHD、 LHS、LHSG 等，其產(chǎn)品在精度、壽命、穩(wěn)定性、噪音等方面均達到國際先進水平，通過了 3 家國外機器人制造企業(yè) 2 萬小時壽命的精度測試。蘇州綠的下游客戶近千家，包括新松機器人、埃夫特、新時達等國內著名機器人生產(chǎn)商，產(chǎn)品已進入 ABB供應體系，形成了年產(chǎn) 20 萬臺的生產(chǎn)能力，2018 年出貨量超過 12 萬臺。浙江來福諧波傳動股份有限公司是一家從事高精密諧波減速器的高科技企業(yè)，專業(yè)從事工業(yè)機器人行業(yè)配套伺服運動執(zhí)行機構的關鍵驅動部件——漸開線齒形和雙圓弧齒形精密諧波傳動減速器的研發(fā)制造。公司開發(fā)生產(chǎn)的精密諧波減速器，具有高可靠性、高精度、高扭矩、高壽命、大速比、小體積等特性，目前其產(chǎn)品已有 25mm 到 200mm 的 40 余種規(guī)格。廣泛應用于機器人、航空航天設備、數(shù)控機床、半導體制造設備、精密機械驅動控制等領域。2018 年其諧波減速器出貨量為 2-3 萬臺。 2.3.4 減速器國內外差距與原因諧波減速器方面，在基本性能指標上，國產(chǎn)品牌與哈默納科相差無幾，部分指標能夠超越世界先進水平。但在壽命、可靠性與穩(wěn)定性、噪音與發(fā)熱等重要隱形指標上，國產(chǎn)諧波減速器與哈默納科差距較大。哈默納科諧波減速器產(chǎn)品物理壽命超過 12000 小時，并且能夠做到在 8000 小時內精度幾乎不會下降，而國產(chǎn)產(chǎn)品難以在如此長的時間內保證精度。同時在產(chǎn)品可靠性與穩(wěn)定性方面，國產(chǎn)產(chǎn)品在面臨過載等較為復雜工況環(huán)境時，其性能大打折扣。 RV 減速器方面，國內廠商介入機器人 RV 減速器市場的時間較短，技術少有突破，整體競爭力均弱于國外品牌。在基本性能指標上，國產(chǎn)減速器主要表現(xiàn)在空程與背隙、啟動轉矩，以及扭轉剛度等指標與國外產(chǎn)品差距明顯，這表明國產(chǎn) RV 減速器在扭轉力矩的作用下，國產(chǎn)產(chǎn)品工作精度與抗扭轉變形的能力要劣于世界先進水平，即齒形設計以及負載能力有待加強。同時，國產(chǎn) RV 減速器產(chǎn)品物理壽命、穩(wěn)定性、以及發(fā)熱和噪音等隱性指標也與納博特斯克差距甚遠。納博特斯克 RV 減速器產(chǎn)品的平均壽命一般可達 10000 小時以上，在設定的工作壽命時間內可嚴格保持精度和剛度不下降，而國產(chǎn)產(chǎn)品均低于 6000 小時，這是 RV 減速器的重要差距之一。在產(chǎn)品噪音和發(fā)熱上，國產(chǎn)品牌的噪聲和發(fā)熱量明顯高于國外品牌。噪聲和發(fā)熱意味著減速器內部存在齒輪嚙合不良，有超額摩擦磨損現(xiàn)象，即減速器不是在一種正常的工況下進行工作，對減速器機械壽命將產(chǎn)生不良影響，這也一直是國產(chǎn)RV減速器被下游應用廠商拒之門外的重要原因之一。高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性、一致性好的精密減速器的生產(chǎn)出是一項系統(tǒng)性工程，設計、仿真、材料、精密加工、精密裝配、檢測等每個環(huán)節(jié)都有若干個因素對產(chǎn)品最終性能產(chǎn)生影響，任何一個環(huán)節(jié)的一個因素處理不好，都會像木桶出現(xiàn)短板一樣，導致整體性能與先進水平相差甚遠。從設計上看，世界領先的減速器廠商如納博特斯克和哈默納科在其產(chǎn)品的齒形設計、傳動機理方面已申請專利，其它廠商不得使用其專利產(chǎn)品類似的齒形設計和傳動機理，只能研發(fā)自有獨特的齒形設計和傳動機理。兩家廠商的先發(fā)優(yōu)勢使得其占據(jù)特殊齒形設計的有利地位，而齒形設計及傳動機理對精密減速器產(chǎn)品的工作精度、傳動效率等性能至關重要，我國廠商作為后來者，避開專利限制去設計性能同樣優(yōu)良的齒形面臨更高難度。從材料上看，我國材料工藝相對落后，以諧波減速器為例，據(jù)國產(chǎn)機器人本體廠商透露，目前國內外諧波柔輪材料基本為 40Cr 合金鋼，雖然材料種類相同，但國外提純技術較高，因而材料相比國內雜質少，以致目前國產(chǎn)諧波減速器的柔輪材料基本依賴進口。國內外企業(yè)使用的鋼輪材料則有所差異，國內廠商一般使用調質鋼，而日本哈默納科多年來使用的材料均為球墨鑄鐵，其產(chǎn)品壽命已獲得長時間的驗證，是保證減速器壽命的最佳選擇，因此國內一些減速器廠商也開始使用這類材料。當前日本、德國等國家能生產(chǎn)并供應較高等級的諧波減速器原材料，國內雖能提供相應的材料，但由于材料的顆粒度、剛度、硬度等指標不足，相較國外高端材料具有較大差距，對生產(chǎn)出的諧波減速器的產(chǎn)品一致性和壽命等性能均會帶來不利影響。而日本哈默納科的專用材料配方涵蓋二十余種金屬粉末，具備特定的粒度和配比，且未申請專利，在一定程度上筑就了其產(chǎn)品高性能的護城河。從加工工藝上看，減速器對加工精度要求極高，加工誤差需要控制在 1 微米以內。高精度加工設備需要從日、德等國家進口，設備價格高、投入大，并且一、二級設備還面臨出口管制問題，獲取困難。同時由于國內減速器產(chǎn)量小導致設備采購量小，因而推高了設備采購單價，使國內減速器生產(chǎn)廠商在設備采購成本上同樣也被國外廠商拉開了差距。即使買回來國外最先進的設備，加工工藝相比國外仍有很大差距。納博特斯克和哈默納科在諧波減速器領域已經(jīng)深耕了數(shù)十年，積累了非常豐富的加工經(jīng)驗，比如如何控制機床運行溫度、濕度、如何規(guī)劃流程、如何調試以實現(xiàn)最優(yōu)加工，這些方面，國內廠商仍然處于探索期。從裝配上看，減速器的裝配效果對產(chǎn)品性能有決定性的影響。裝配過程并不是將合格零件簡單地進行連接，而是根據(jù)各部裝和總裝的技術要求，通過校正、調整、平衡、配作及試驗來保證產(chǎn)品質量合格的過程。高精度的裝配技術也是決定減速器精度核心技術之一。目前國內減速器的裝配仍然以手工流水線作業(yè)的方式為主，其裝配效果完全依賴于工人的技術和經(jīng)驗。由于國內減速器廠商起步晚，經(jīng)驗積累少，國內高水平的減速器裝配工人資源匱乏，造成減速器裝配效果有限，而日本哈默納科與納博特斯克企業(yè)擁有大批從業(yè)十多年以上的高品質“匠人”，能夠將減速器裝配效果發(fā)揮到極致，導致國產(chǎn) 減速器難以與國外高精密減速器匹敵。 3 中游本體制造分析工業(yè)機器人一般由機械本體（機械手）、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。本體即機座和執(zhí)行機構，包括臂部、腕部和手部，部分機器人還有行走機構。大多數(shù)工業(yè) 機器人有 3-6 個自由度，其中腕部通常有 1-3 個自由度；驅動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構，用以使執(zhí)行機構產(chǎn)生相應的動作；控制系統(tǒng)是按照輸入的程序對驅動系統(tǒng)和執(zhí)行機構發(fā)出指令信號，并進行控制；工業(yè)機器人還安裝有內外傳感器，包括視覺傳感器、聽覺傳感器以及嗅覺傳感器等，用來檢測機器人自身工作狀態(tài)和探測外部工作環(huán)境，類似于人的眼睛、耳朵、鼻子等感知器官。 3.1 多關節(jié)與SCARA 機器人國產(chǎn)替代空間大工業(yè)機器人本體按照坐標形式可分為直角坐標型、SCARA 型、多關節(jié)型、并聯(lián)型等。在各種類型工業(yè)機器人中，多關節(jié)型與 SCARA 型用量最大，應用領域最為廣泛，技術難度較高且國產(chǎn)化率最低，是當前國產(chǎn)品牌重點攻克的方向。從市場結構看，多關節(jié)機器人和 SCARA 機器人占工業(yè)機器人銷量的主要份額，其中多關節(jié)機器人的銷量占比為 59.64%，SCARA 機器人的銷量占比為 21.48%。2018 年坐標機器人銷量同比略有下降，并聯(lián)機器人在 2017 年低基數(shù)的基礎上實現(xiàn)增長。從國產(chǎn)化率看，基于 2018 年市場數(shù)據(jù)，多關節(jié)型機器人國產(chǎn)化率約 17.5%，SCARA 型機器人國產(chǎn)化率約為 26%，是國產(chǎn)化率最低的兩類機器人，有較大的國產(chǎn)替代空間。 3.1.1“四大家族”占據(jù)多關節(jié)機器人主要份額多關節(jié)機器人是指臂部有多個轉動關節(jié)的機器人，一般由立柱和大小臂組成。多關節(jié)機器人的軸數(shù)（關節(jié)）越多，自由度越高，超過 6 軸為冗余自由度，其中以 4~6 軸最常見。多關節(jié)機器人主要有兩個特點：一是負載范圍大，從 1KG 以下到 2~3 噸不等，能夠滿足多種任務的負載要求；二是作業(yè)范圍大，可以適合于幾乎任何軌跡或角度的工作。正是基于這兩個特點，多關節(jié)機器人被廣泛應用到多個行業(yè)及領域，其中，在汽車制造中的焊接、噴涂等環(huán)節(jié)基本只能夠使用多關節(jié)機器人，此外，隨著多關節(jié)機器人的小型化，其在 3C 等行業(yè)應用也越來越廣泛。從多關節(jié)機器人市場整體競爭情況來看，頭部外資機器人企業(yè)出貨量排名相對穩(wěn)定，前 5 家企業(yè)排名保持不變，依次為發(fā)那科、ABB、安川、庫卡和川崎重工，“四大家族” 合計占外資品牌多關節(jié)機器人市場份額的 80%以上，市場集中度高。四大家族在戰(zhàn)略布局上多集中于高端應用領域，發(fā)那科多關節(jié)機器人是通用集團指定全球唯一的機器人供應品牌，是大眾、本田指定的兩家機器人供應品牌之一，也是眾多中國汽車公司的供應商；庫卡從焊機系統(tǒng)的制造商起步，通過焊機業(yè)務與一些知名汽車生產(chǎn)商建立了合作關系，目前是奔馳、寶馬生產(chǎn)線上多關節(jié)機器人的核心供應商。相比而言，國產(chǎn)廠商市場份額較為分散，單個廠商出貨量小，尚未形成規(guī)模效應。此外，單純統(tǒng)計國產(chǎn)廠商多關機機器人出貨量意義也不是很大，因為部分國產(chǎn)廠商以低價策略，銷售的都是很低端的多關節(jié)機器人。我們認為如果只是采用價格上的銷售策略，而不是注重機器人的質量，銷量增長是難以維系的。目前國產(chǎn)機器人本體廠商中，埃斯頓和埃夫特等企業(yè)本體銷量在國產(chǎn)廠商中相對較高，并且質量的認可度也較高。未來隨著國產(chǎn)機器人性能的不斷提升，有望搶占更多的市場份額。 3.1.2 SCARA 機器人分析 SCARA是 Selective Compliance Assembly Robot Arm 的縮寫，意思是一種應用于裝配作業(yè)的機器人手臂，具有一個移動關節(jié)和兩個轉動關節(jié)，在水平方向具有柔順性，垂直方向具有很強的剛性。在操作中，SCARA 機器人能夠在保持高速運行的同時保持高精度定位，特別適用于裝配環(huán)節(jié)，目前已廣泛應用于 3C 電子電氣等行業(yè)。 2018 年我國SCARA機器人總銷量約為2.9 萬臺，國內市場銷量份額 CR5 排名不變，其中愛普生、雅馬哈繼續(xù)領跑，隨后為眾為興（新時達子公司）、三菱和東芝。與 2017 年銷量數(shù)據(jù)相比，2018 年國產(chǎn) SCARA 機器人銷量增速迅猛，國產(chǎn)化率有所提升，其出貨量排名前十的國產(chǎn)品牌分別是眾為興、臺達(臺灣)、圖靈、埃斯頓、慧靈、李群自動化、凱寶、華盛控、天太機器人、本潤。目前，眾為興、圖靈、埃斯頓等廠商均有新廠在建，預計投產(chǎn)后國產(chǎn)品牌 SCARA 機器人市場份額將進一步上升。國內市場 SCARA 機器人國產(chǎn)化率由 2016 年的 13%提升到了 2018 年的 26%以上，如此快的提升速度主要有以下幾點原因：一是國內 SCARA 機器人市場分散，客戶以中小型制造業(yè)企業(yè)為主，單個客戶訂單金額低，外資品牌廠商難以全面兼顧，這就給國內廠商留下了機會；二是國產(chǎn) SCARA 機器人的性能正不斷提升，與國外品牌的差距在不斷縮小，部分國產(chǎn) SCARA 機器人在負載、速度、重復定位精度等核心指標方面已經(jīng)達到甚至超越了外資品牌的水平。綜合而言，盡管國產(chǎn)機器人本體跟國外四大家族比，在技術、性能、可靠性、品牌等方面還是存在一定的差距。但是埃斯頓、埃夫特等企業(yè)通過自主研發(fā)和外延并購等方式，不斷加大對于核心零部件及本體的研制，目前在相對低端的多軸機器人和 SCARA 機器人性能上已經(jīng)和進口品牌不相上下。未來隨著國產(chǎn)機器人本體企業(yè)技術實力的進一步提升，機器人本體國產(chǎn)替代指日可待。 3.2 我國工業(yè)機器人本體銷量有望逐步提升 2020-2022年全球機器人出貨量復合增速有望超過10%。根據(jù)國際機器人聯(lián)合會（IFR）最新發(fā)布的《全球機器人 2019-工業(yè)機器人》報告數(shù)據(jù)，2018 年全球工業(yè)機器人出貨量 42.2 萬臺，比上年增長 6%。年銷售額達到 165 億美元，創(chuàng)新紀錄。預計 2019 年全球機器人銷量保持相對穩(wěn)定，2020 年至 2022 年全球機器人出貨量有望繼續(xù)保持兩位數(shù)以上的增長。據(jù) CRIA與 IFR 統(tǒng)計，2018 年中國工業(yè)機器人市場累計銷售工業(yè)機器人 15.6 萬臺，同比下降 1.73%(注：IFR 調整了上年同期數(shù))，市場銷量出現(xiàn)同比下降。其中，自主品牌機器人銷售 4.36 萬臺，同比增長 16.2%；外資機器人銷售 11.3 萬臺，同比下降 7.2%。與上年相比，自主品牌工業(yè)機器人銷售增速雖有放緩，但依然保持了較為穩(wěn)定的增長水平；外資品牌銷售大幅下滑，增速驟然放緩，銷量由 2017 年超 70%的增速，回落至 2018 年的同比下降。自主品牌機器人在市場總銷量中的比重為 27.88%，比上年提高 4.3 個百分點。根據(jù)上文敘述，2019 年 10 月和 11 月，我國工業(yè)機器人產(chǎn)量同比都恢復了正增長，且增速有加快的跡象。此外，12 月份，制造業(yè)PMI 為 50.2%，與上月持平，連續(xù)兩個月位于榮枯線以上，制造業(yè)有回暖跡象。我們認為機器人需求的拐點已經(jīng)來了，明年機器人需求有望保持正增長。增長的動力主要來自于二個方面：（1）在 5G 帶動下，電子等行業(yè)固定資產(chǎn)投資有望增加。2020 年 5G 手機有望迎來換機潮，此外，TWS 耳機和電子手表等電子產(chǎn)業(yè)都可能迎來快速增長，因此電子行業(yè)有望帶動自動化設備需求的增長。（ 2）傳統(tǒng)行業(yè)及新行業(yè)自動化率的提升。如近幾年，新能源汽車，光伏，食品飲料，倉儲物流等行業(yè)自動化率的逐步提升，帶動了自動化設備需求的發(fā)展。所以我們認為在主要是在上述二個方面的需求的拉動下，2020 年工業(yè)機器人有望迎來增長。 4 下游系統(tǒng)集成分析工業(yè)機器人系統(tǒng)集成負責根據(jù)不同的應用場景和用途，對機器人本體進行有針對性地二次開發(fā)，并配套周邊設備，實現(xiàn)工業(yè)化應用。只有機器人本體是不能完成任何工作的，需要通過系統(tǒng)集成之后才能為終端客戶所用（從獲取訂單到項目工程師根據(jù)訂單要求進行方案設計，再到安裝調試人員到客戶現(xiàn)場進行安裝調試，最后交給客戶使用）。按照應用行業(yè)劃分，工業(yè)機器人系統(tǒng)集成主要分布在汽車制造、3C 電子電氣、金屬加工、塑料及化學制品等行業(yè)；按照應用領域劃分，工業(yè)機器人系統(tǒng)集成主要應用在搬運碼垛、焊接、裝配、噴涂等領域。 4.1 系統(tǒng)集成呈現(xiàn)“小、散、弱”的局面系統(tǒng)集成主要集中在汽車制造與 3C 電子電氣兩大行業(yè)。目前我國工業(yè)機器人系統(tǒng) 集成應用大部分集中在汽車制造、3C 電子電氣兩大行業(yè)，而在金屬加工、塑料及化學制品、食品飲料等眾多行業(yè)雖有應用，但數(shù)量相對較少，近幾年開始出現(xiàn)應用增長的趨勢。具體而言，2018 年國產(chǎn)工業(yè)機器人已服務于國民經(jīng)濟 37 個行業(yè)大類，102 個行業(yè)中類，2018 年國內工業(yè)機器人系統(tǒng)集成應用中，汽車行業(yè)的占比達到 32.0%，電子行業(yè)的占比達到 21.5%，二者合計占比 53.5%，集中度較高。除去汽車、3C 電子電氣兩大行業(yè)外，食品飲料、金屬加工、塑料等余下 35 個行業(yè)占比僅為 42.7%，剩余行業(yè)應用較為分散，呈現(xiàn)“長尾化”特點。系統(tǒng)集成廠商呈現(xiàn)“小、散、弱”特點，主要集中在低端領域。我國工業(yè)機器人系統(tǒng)集成商數(shù)量眾多，但是系統(tǒng)集成商的規(guī)模大多較小且主要集中在低端領域。據(jù) MIR DATABANK 統(tǒng)計，截至 2017 年底，中國工業(yè)機器人相關廠商 3500 余家，其中系統(tǒng)集成商數(shù)量超過 3000 家，占比超過 80%。但是大部分國內集成商規(guī)模小、實力弱，且市場較為分散，在 3000 余家系統(tǒng)集成商中，企業(yè)營收規(guī)模超過 5 億元的不超過 10 家，并且主要集中于汽車領域，營收超過 1 億元的不足 100 家，絕大部分企業(yè)系統(tǒng)集成業(yè)務營收不超過 3000 萬元；國內品牌營收最高的前 10 大企業(yè)市場占有率不足 20%，市場集中度較低；另外，絕大多數(shù)系統(tǒng)集成廠商缺少核心技術，多集中在以搬運和上下料為主的中低端機器人，無法進入高端市場，并且缺少自主知識產(chǎn)權，需要品牌授權才能開展業(yè)務，具有較高的對外依賴度。造成國內系統(tǒng)集成廠商“小、散、弱”特點的主要原因有以下幾個方面：（1）系統(tǒng) 集成項目是非標準化的，項目之間無法完全復制，每一個項目都需要重復投入人力物力，因此難以形成規(guī)模效應；（2）系統(tǒng)集成項目通常采用"3331"付款模式，即圖紙通過審核后、發(fā)貨完成后以及安裝調試后分別拿到 30%的資金，最后剩余的 10%為質保金，一般在產(chǎn)線平穩(wěn)運行 1-2 年后獲得。按照這種付款流程，系統(tǒng)集成商通常需要墊資經(jīng)營，因此限制了其同時實施項目的數(shù)量及規(guī)模；（3）系統(tǒng)集成商的核心競爭力是人才，其中，最為核心的是銷售人員、項目工程師和現(xiàn)場安裝調試人員，銷售人員負責拿訂單，項目工程師根據(jù)訂單要求進行方案設計，安裝調試人員到客戶現(xiàn)場進行安裝調試，并最終交付客戶使用。銷售人員、項目工程師和安裝調試人員才是其核心資產(chǎn)，因此，系統(tǒng)集成商也較難通過并購等方式實現(xiàn)規(guī)模擴張；（4）相較于機器人核心零部件與本體業(yè)務，系統(tǒng)集成是一個技術壁壘較低的領域，行業(yè)進入較為容易，在近年市場爆發(fā)增長的情況下，誕生了一大批中小微系統(tǒng)集成商，低端重復建設，市場更加分散。 4.2 非汽車行業(yè)機器人自動化率有望逐步提升汽車行業(yè)屬于工業(yè)機器人高端應用領域，市場主要由外資品牌把控。整車廠有四大核心工序，分別是沖壓、焊接、噴涂和總裝，其工藝復雜、技術難度高，是工業(yè)機器人應用的高端應用領域，例如在汽車車身焊接工序中，整車約有 3000-4000 個焊點，需要數(shù)十個焊接機器人在 60-75s 的時間內協(xié)同完成，因此對每個點焊工位上的機器人本體性能要求極高，并且針對不同車型還需要單獨開發(fā)控制和操作系統(tǒng)，以及開發(fā)相匹配的夾具、檢具、供電系統(tǒng)、電腦網(wǎng)絡系統(tǒng)、自動檢測系統(tǒng)等。年產(chǎn)能 20 萬輛車的焊接車間中，通常會使用 300-400 臺機器人（由于自動化程度不同，機器人數(shù)量差距較大），包括點焊機器人（完成約 60%的焊接點）、弧焊機器人（完成約 40%焊接點）以及小部分涂膠機器人。受制于技術水平等因素，國內汽車廠商使用的機器人以外資品牌為主，其中 ABB、庫卡、發(fā)那科、安川“四大家族”市場占有率合計超過 80%，此外，意大利的柯馬、日本的那智不二越、川崎重工以及韓國的現(xiàn)代重工也有一定市場。此外，國內只有少數(shù)系統(tǒng)集成商研發(fā)和技術實力能夠隨著項目經(jīng)驗的積累逐漸形成較強的實力和一定的規(guī)模，進而搶奪國際汽車行業(yè)系統(tǒng)集成商的市場份額。比如埃夫特將其多種類型機器人大量應用于奇瑞汽車生產(chǎn)過程中，包括用于汽車總成件點焊、弧焊、涂膠和搬運，前擋風玻璃裝配以及大燈等零部件的上下料、沖壓、打磨、噴涂等環(huán)節(jié)。埃夫特本體除用在奇瑞汽車廠外，在江淮汽車廠等國產(chǎn)廠商也有少量應用。但總體而言，汽車領域仍由外資品牌壟斷，特別是合資車廠商，大部分外資整車廠商的生產(chǎn)線標準及機器人選型是全球統(tǒng)一的，幾乎只采用外資品牌機器人。國內集成廠商難以打入汽車制造核心領域，究其原因，主要為汽車集成行業(yè)作為資金和技術密集型行業(yè)，存在項目經(jīng)驗壁壘，客戶對供應商的選擇往往會基于其是否具有實施類似項目的經(jīng)驗、是否具有項目實施能力、是否具有良好的售后服務、是否在行業(yè)內具有良好的聲譽等，整車制造商與國外廠商通常有長達幾十年穩(wěn)定合作，國產(chǎn)廠商起步晚，欠缺項目經(jīng)驗以及高效的售后服務體系，往往達不到高效維修解決故障問題的能力。非汽車領域的空間巨大，成為我國工業(yè)機器人密度提升的新增長點。截至 2017 年，我國汽車工業(yè)機器人密度已達到 634 臺/萬員工，自動化率程度較高。相較而言，非汽車領域自動化率普遍偏低，以 3C 行業(yè)為例，3C 行業(yè)已連續(xù)兩年成為我國工業(yè)機器人應用的首要行業(yè)，但目前其機器人密度僅約不到 40 臺/萬員工，自動化率普遍偏低，即便是加工廠龍頭富士康代工手機的自動化率也僅為 30%左右，最高也尚未突破 50%，日韓國家的機器人密度早已超過 1200 臺/萬員工，差距巨大。相對于應用漸趨飽和的汽車市場，作為萬億級產(chǎn)業(yè)體量的 3C 市場，工業(yè)機器人在此領域存在巨大的發(fā)展空間。現(xiàn)階段我國作為全球3C制造業(yè)的中心，集中了全球70%的 3C產(chǎn)能，居于全球首位。3C 產(chǎn)業(yè)作為目前發(fā)展最為迅速的產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品更新快但智能化制造不夠成熟的情況下，生產(chǎn)線換線頻繁、招工困難、自動化率的逐漸提升均會促進機器人銷量的增長，使得 3C 領域成為機器人企業(yè)未來競爭主戰(zhàn)場之一，這也將給國產(chǎn)廠商帶來機會。高增長新興領域的全自動產(chǎn)線需求帶來新的增量。新興領域包括新能源汽車、汽車零部件中的三電、新能源和倉儲物流等，這些領域未來對于系統(tǒng)集成應用的需求將持續(xù)增長，國產(chǎn)化替代進程有望加速。整體而言，自動化需求正持續(xù)擴散，3C、新能源、金屬制造、陶瓷、家電、物流等領域自動化應用市場前景依然廣闊，未來國產(chǎn)系統(tǒng)集成商差異化的競爭機會主要在中低端市場和新興領域。四大家族產(chǎn)品更偏向于標準化和通用化，深度的行業(yè)應用需要結合實際產(chǎn)業(yè)工藝進行二次開發(fā)，這也給中國的機器人廠商提供了卡位下游的發(fā)展機遇。相比國外品牌，國內系統(tǒng)集成商的優(yōu)勢體現(xiàn)在其服務與價格兩個方面。國外廠商盡管有先進的機器人制造技術，但往往不能直接用到加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)，而需要根據(jù)不同的需求做不同程度的定制。進口廠商雖然可以滿足部分機器人改造，但也無暇顧及國內大批小廠商的個性化定制化需求，而國內廠商則在此方面優(yōu)勢突出，能夠深挖多種應用場景，為制造商提供各類適配性機器人，并且提供全生命周期服務。另外，國產(chǎn)機器人與國外相比價格較低，國產(chǎn)機器人的高性價比可以將其回本期縮短至 2 年左右，大幅降低應用廠商使用機器人所面臨的成本風險，使應用廠商有更大動力去“機器換人”。國產(chǎn)系統(tǒng)集成商有望在中低端與新興領域做深做強，細分子領域的龍頭企業(yè)有望憑借其資金、技術以及行業(yè)理解深度上的優(yōu)勢從中脫穎而出，實現(xiàn)與國外品牌的差異化競爭。新興領域包括新能源汽車、光伏、食品飲料和倉儲物流等，這些領域未來對于國產(chǎn)本體應用的需求將持續(xù)增長，國產(chǎn)化替代進程有望加速。

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工業(yè)機器人短期迎來拐點，長期空間廣闊

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