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工业机器人产业的分析和发展——ABB机器人代理
Date:2019-01-29        Hits:24        Back

1.1 机器人拥有三大核心零部件


机器人本体的核心零部件包括伺服、减速器和控制器。以六轴关节型机器人为例,每台机器人标配六台伺服,六台减速器和一个控制器。


电机(axis motor)与减速器(reduction gear)在机器人内部。控制器也就是控制柜,通过电缆与机器人本体相连。


机器人本体企业的生产模式,从某种意义上说,是对零部件进行组装。


机器人的控制过程是由控制器发指令给伺服驱动,驱动伺服电机旋转,通过减速机执行动作。其中,技术门槛*高的是减速机,其次是伺服电机和驱动,再次是控制器。但这里说的门槛是指功能性的门槛,也就是做出来的门槛。


三大核心零部件的减速器、伺服和控制柜成本分别占机器人成本的 30%-50%,20%-30%,10%-20%。


1.1.1 减速器:成本占比*高,毛利*高,难度*大


减速器分类:谐波减速器和 RV 减速器。


减速器原理:把电机的转速降低,从而得到大的转矩。可以等同于汽车在上坡时需要减速的道理。


减速器成本:平均占机器人本体成本的 30%。由于减速器供应商较少,近乎垄断,故国内机器人 本体的减速机采购价格更高,减速机占本体比例可达 40%-50%。


谐波减速器,用于小型机器人或大型机器人的末端几个轴。特点是体积小、重量轻、承载能力大、运动精度高,单级传动比大。 谐波减速器的三个组件是:刚轮、柔轮、波发生器。


                             



                             


其难点在于由于柔轮要承受较大频次的形变,因而对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高,工艺复杂。


而对于机器人用谐波减速器,Harmonic Drive 几乎垄断了整个工业机器人谐波减速器领域。目前全球市场占有率高达 80%。日本是于70 年代引进美国的谐波技术,1978 年,HarmonicDrive 在尝试将谐波减速器使用到工业机器人当中时,为了满足工业机器人对于寿命、精度的极高要求,公司通过改良,将谐波齿形设计出 IH 齿形,使谐波减速器能够适应工业机器人的要求。


国内谐波减速器的产业发展中,以绿的目前走的*快,已经与部分国产机器人甚至外资机器人厂家供货试用。RV减速器适用于在重载机器人。一般应用于重载机器人的腿部腰部和肘部三个关节。


相比谐波减速器,RV 减速器具有更高的疲劳强度、刚度和寿命,不像谐波传动那样随着使用时间增长,运动精度会显著降低,其缺点是重量重,外形尺寸较大。RV 减速器的关键在于加工工艺和装配工艺。


日本的纳博特斯克(帝人)在 RV 减速器市场占有全球60%的市场份额,全球机器人销量*大的四大机器人品牌:ABB、发那科、库卡、安川都是它的客户。排名第二的日本住友占据全球约 30% 的市场份额。


国内厂家中南通振康目前在 RV 减速器国内品牌中位于前列。其他国产厂家也表现不俗,今年中大力德与伯朗特签订不低于 30000 套RV 减速机购销合同;双环传动与埃夫特签订 10000 套减速机合 同。南通振康分别向上海欢颜、埃夫**货15000 套和3000 套减速机,借助2017 年行业减速机紧缺之风,国产减速机进程明显加速.


1.1.2 伺服:有可能实现国产化替代的零部件


所谓“伺服”,源于希腊语“奴隶”的意思。“伺服机构”就是一个得心应手的驯服工具,服从控 制信号的要求而动作。在信号来到之前,转子静止不动;信号来到之后,转子立即转动;信号消失,转子能即时自行停转。


机器人所使用的伺服电机,只占到伺服电机中很小的一部分,是伺服电机中的高端产品。这是由机器人的控制结构决定的。


                      


机器人用伺服电机要求控制器与伺服之间的总线通讯速度快;伺服的精度高;另外对基础材料有加工要求。伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性,能经受得起苛刻的运行条件,可进行十分频繁的正反向和加减速运行,并能在短时间内承受过载。


伺服中主要的三大零部件为:马达、驱动器、编码器。目前国内在马达和驱动器制造方面都有所突破,而编码器的生产制造水平还有差距。目前国内伺服市场主要以日本的松下、安川、三菱为主,三家占据40%以上市场份额。


1.1.3 控制器:机器人大脑,算法是核心


机器人控制系统是机器人的重要组成部分,用于对机器人进行控制,以完成特定的工作任务。相对于减速器,控制器市场集中度略低,四大家合计占据约 50%市场份额。


控制器的基本功能包括位臵伺服、示教、提供各种接口、坐标设臵、存储、故障诊断安全保护等。


控制器硬件部分占机器人本体成本 10%-20%,但软件部分却承担着机器人大脑的职责。可以说,外资机器人使用的硬件零部件类似,采购成本也相似。而不同品牌的机器人精度速度各有优势,究其根本原因是不同品牌的机器人对零部件的驾驭设计与控制算法的不同。这才是不同品牌 的机器人在技术层面的核心竞争力。


对国产机器人厂家而言,减速器与伺服目前难以突破的核心在于基础工业,如材料、热处理工艺、 精加工工艺等。而这些,并不是自动化厂商想要做好就能够做好的,需要整个基础工业和加工水平的提升。而这需要时间与经验的双重积累。


1.2 看好国产工业机器人从中低端突破


1.2.1 机器人分类和未来方向


工业机器人本体按照机械结构分,可分为直角坐标机器人,SCARA 机器人,关节型机器人,并联机器人及其他。


            




直角坐标机器人的三个轴的运动线性且相互独立。结构简单,控制方便,定位精度高;但运动速度低,占地面积大,密封性不好。这种机械结构较为常见,之前并没有归为机器人一类。


SCARA 机器人也叫水平多关节机器人,具有两个旋转运动轴和一个垂直运动轴,工作范围大,占 地面积小,但控制系统相对复杂。


并联机器人轻量、速度快,精度误差不会累积。多用于拾取搬运等操作关节型型机器人可以实现多方向的自由运动,工作空间大,但控制涉及复杂耦合问题。是*为通用也是*为复杂的一种机器人。一般设计为六轴或四轴。通过六个轴或者四个轴的耦合运动来完成某 项功能。


柔性机器人也称人机交互机器人,是从机器人设计角度,使机器人避免隔离,能够与人交互完成某项工作。


机器人产品未来之一:工业部件化,应用傻瓜化


工业机器人未来会成为像 PLC 一样常见的工业界的通用零部件。在这一过程中,一方面会伴随工业机器人销量的进一步增长,另一方面则会出现以简化机器人应用为目的的各类编程软件和仿真软 件。


机器人产品未来之二:跨界服务机器人


工业机器人所拥有的技术储备可以支撑其向服务机器人方向的拓展。工业机器人巨头 ABB 及 KUKA 均在去年发布了人机协作机器人。虽然其目前还是主要应用于工业领域,但已经从空间隔离到空间共享,迈出了重要的一步。


          


                    


1.2.2 全球工业机器人市场主要为关节型机器人


从全球市场看,未来 3-5 年中国市场仍是工业机器人,特别是关节型机器人的*大市场。


1.2.3 目前我国关节机器人占比较高


2016 年中国市场销售工业机器人 8.7 万台,其中国产机器人占比从 2012 年的 10%增加到 31%左右, 国内机器人企业逐渐发展,但外资品牌占比仍高达69%。从工业机器人类型来看,2016 年中国市 场机器人销量中,约 63%是关节型机器人,这一占比远高于国际平均水平。


究其原因,主要源于两方面。


一方面是中国的工业自动化制造基础相对薄弱,机器人的应用往往不具备成熟的配套环境,故而在 机器人选型过程中倾向于灵活性*高的关节型机器人。


另一方面在于一部分工业机器人的*终用户对机器人各种结构未必有非常深入的了解,故而在工业 机器人解决方案的选取上未必能够找到*优性价比的组合。


2、集成商行业和工艺是门槛,看好中国企业发展壮大


2.1 集成商一般按照行业和应用划分


机器人集成可以按照应用和行业两个维度进行划分:


按应用分,可分为焊接应用,喷涂应用,搬运应用,装配应用,切割应用,打磨应用等等。

按行业分,可分为汽车工业,一般工业。一般工业中又可以分为食品饮料,石化,金属加工,医药, 3C,塑料,白家电等等。


2.2 汽车行业:机器人集成应用发展较好,自动化率稳步提升


汽车行业是全球也是我国工业机器人应用*早、应用数量*多、应用能力*强的行业。汽车生产的流水化作业适合机器人的导入;汽车企业资金雄厚,其焊接、喷涂等工艺适合采用机器人提高产品 质量并*终降低成本;汽车企业技术力量强,能够使用好机器人这种复杂的自动化产品并不断提出 新的技术需求。从产业链来看,虽然国内车企工业机器人应用水平较高,但其配套的零部件供应商的应用水平相对较低。而国外先进国家是汽车全产业链的工业机器人应用水平都高,零部件供应商和车企本身没有差距。


汽车产业系统集成对资金要求高。汽车项目普遍周期较长,从方案设计、安装调试到交钥匙往往需要半年或者一年以上,需要投入大量的人力成本。整车厂也按照项目周期采取分批付款的方式,361 或3331 较为普遍,集成商采购配套的设施却往往需要款到发货或者货到付款。对系统集成商来说流动资金是比较大的压力,缺乏资金实力难以承接汽车项目。


2.3 机器人未来发展机会在汽车行业外的一般制造业


机器人下游*终用户主要为制造业,占比 90%以上。其又可以按照行业分为:汽车工业,一般工 业。一般工业中又可以分为食品饮料,石化,金属加工,医药,3C,塑料,白家电等等。我们判 断,目前国产机器人发展机会主要在汽车以外的一般制造业。主要原因分析如下:


(1)我国一般制造业机器人密度相对汽车行业与发达国家差距更大。对比机器人密度,中国汽车 行业机器人密度为 505,而非汽车行业仅为33。与其他国家相比,韩国、德国汽车行业的机器人密度分别为中国的 2.6 和4.2 倍。韩国、德国非汽车行业的机器人密度分别为中国的14.4 和5.5 倍。 故非汽车行业与发达国家相比自动化水平更差,市场空间与增长潜能更大。


(2)汽车行业工业机器人技术要求高、客户绑定大型外资企业,市场门槛高。大部分外资整车厂 商的生产线标准及机器人选型是全球统一的。国产机器人难有机会。而在目前国产机器人技术尚未 完全成熟的情况下,国产整车厂也不敢贸然使用国产机器人完成重要工位的自动化操作。且目前主要的汽车主机厂均与外资四大工业机器人厂家绑定,长期合作,更换供应商概率小,如大众主要用KAKA,通用主要供应商为发那科,欧系品牌车企主要使用ABB。


(3)相对于汽车行业,3C 行业产业升级技术迭代频率高,自动化升级可塑性高,需求旺盛。


(4)目前我国工业机器人在一般制造业国产化率显著高于汽车行业,技术研发投入初见成效,规模扩大可期。


(5)工业机器人成本回收期缩短,人工成本上涨,机器换人经济性拉动一般制造业对工业机器人 需求。


一般制造业多属劳动力密集型产业,随着中国人口红利消失,工人平均工资逐年上涨,而工业机器 人成本逐渐下降,成本回收期缩短,机器换人经济性显现,一般制造业对工业机器人有较高需求。


综合以上因素,我们判断,未来 3-5 年,国内工业机器人企业发展机会主要看一般制造业。


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