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工业机器人:景气周期开启,智能制造先锋

发布时间: 2021-02-01 16:35   作者: 刘村阳   来源: 德邦证券

  

  工业机器人行业持续复苏 机器换人与国产替代双重驱动

  工业机器人行业拐点已到 疫情不改复苏趋势

  根据国家统计局数据,我国工业机器人产量增速从2017年年底开始逐渐放缓,自2018年9月起我国工业机器人产量进入负增长,行业持续低迷,这主要是因为工业机器人作为典型的通用设备,具有一定的周期性,受下游诸如汽车、3C等行业景气度的影响较大。但从2019年10月开始,我国工业机器人产量增速首次转正,并保持上涨趋势至今,增幅屡创新高,2020年年初虽然受到新冠肺炎疫情影响但并没有改变行业上行的趋势。

图1:中国工业机器人产量及增速

  最新数据显示,2020年11月份中国工业机器人产量为23635套,创下历史单月产量新高,同比增长31.7%,虽然相比上月38.5%的增速有所放缓,但仍是2020年第三高增速。2020年1—11月份,国内工业机器人产量累计20.68万套,同比增长22.2%,长期来看,整个工业机器人行业已经摆脱了前两年的低谷,进入新一轮的景气周期。

  从短期看,本次工业机器人行业的爆发主要是受益于两点:一是国内疫情结束后下游制造业的快速复苏,二是疫情后各生产企业自动化升级需求的进一步增强。

  首先,在其他各国因疫情影响停工停产时,中国作为目前疫情控制最为得当的国家,大量承接了来自世界各地的生产制造需求,这部分因为国外疫情而承接的订单促使国内制造业形成了一个小高峰,间接带动了工业机器人行业的增长。凭借着对新冠肺炎疫情采取的有效应对手段,国内整体经济得以快速恢复,使得中国成为目前世界主要经济体中唯一保持GDP正增长的国家。

  此外,经过本次疫情,各个生产企业在复工复产的过程中逐渐认识到自动化生产、减小人员依赖的重要性,开始尝试提高自己的自动化率,同时国家出台的各类免税政策也让这些企业有了富余资金去购买相关设备,这也是疫情以来工业机器人下游需求持续增长的重要原因之一。

图2:疫情以来中国制造业PMI运行情况

  我国疫情后制造业PMI的变动情况也有所体现。2020年11月,中国制造业PMI为52.1%,比10月上升0.7个百分点,连续9个月位于枯荣线以上,且仍在继续上升中,表明我国制造业的恢复性增长有所加快,整个工业机器人行业也有望跟随下游制造业的景气同步增长。

  政策驱动下工业机器人市场迎来迅速发展

  自德国首先于2011年提出以智能制造为核心的“工业4.0”战略之后,各国纷纷开始制定相关政策大力发展制造业,以智能化为标志的第四代工业革命正在全球范围内蓬勃展开。其中,工业机器人作为工业化和信息化的完美结合,以其天然的数字化特性,打通了单个生产设备到整个生产网络的连接,进而支撑起第四次工业革命丰富多彩的应用场景。如果说,过去二十年互联网的发展联通了我们每一个人,那么未来二十年工业互联网的发展将会联通每一台工业机器人,从而带来生产效率乃至生产方式的全面革新。

  工业机器人在国内的发展最早可追溯到科技部的863项目,对机器人相关技术研发给予扶持。2006年2月,国务院印发了《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》,智能机器人首次被纳入前沿技术中的先进制造技术,之后随着“制造强国”的提出,各级地方政府积极推进地区规划政策落实,中国工业机器人产业也迎来了迅速发展。

图3:2019年工业机器人新安装量前15名

  当前,工业机器人在汽车、3C电子、金属制品、塑料,及化工产品等行业已经得到了广泛的应用,并且随着性能不断提升,以及各种应用场景的不断明晰,我国工业机器人产业呈现出不断深化、不断扩大应用的态势,目前我国工业机器人市场约占全球市场份额的三分之一,是全球第一大工业机器人应用市场。2019年全年,全球共新增工业机器人36.5万套,亚洲地区的安装量占到了全球总安装量的三分之二,其中中国以14.05万台的安装量遥遥领先,几乎是第二名日本的三倍。

  根据中国电子学会及IFR数据统计,在2014年到2017年的4年间,我国工业机器人市场规模几乎实现了翻倍增长,年均复合增速接近30%,2018年虽然受到宏观环境的影响增速放缓至5.9%,但仍然高于全球增速5.3个百分点。此外,与发达国家相比,我国制造业自动化水平仍然比较低,我国生产制造智能化改造升级的需求日益凸显,工业机器人需求依然旺盛,预计到2023年,我国工业机器人市场规模将突破100亿美元。

图4:中国工业机器人市场规模

  人口红利逐渐消失 倒逼自动化进程加速

  改革开放以来,大量劳动力涌入城市,以低廉的劳动力成本为特征的劳动密集型产业推动中国逐步成为世界工厂,拉动过去中国经济高速增长。然而,近年来人口红利的逐渐消失与人工成本的快速上升,对制造业未来的发展带来了极大的挑战。

  根据国家统计局数据,我国人口结构中15~64岁所占的比例自2010年以来就呈现出逐渐下降的趋势,2019年占比为70.7%,较2018年下降0.5个百分点,并且降幅还有进一步扩大的趋势。

  同时,企业的用人成本也在不断攀升,2019年制造业生产工人平均年薪达到了58356元,同比增长8.21%。劳动力人口的不断下降与人工成本的不断上升倒逼企业进行自动化改造,“机器换人”将会成为未来十年我国制造业转型升级的主旋律。

  此外,我国工业机器人的密度相比发达国家仍有较大差距。根据IFR数据,2019年我国每万名产业工人所拥有的工业机器人数量仅为187台,而韩国、日本、德国、美国、意大利等传统制造业强国的数据分别为855台、364台、346台、228台和212台。从渗透率的角度来看,相比我国世界工厂的地位,我国自动化水平还有极大的提升空间。

  从增长率来看,2019年我国每万名产业工人所拥有的工业机器人数量较2018年有33.6%的提升,大幅超过韩国、日本约10%左右的增速,而德美意等国同期的增速仅为5%左右。乐观预计,未来3~5年,随着产业转型升级与自动化进程的不断推进,我国工业机器人密度有望逐渐追平日本、德国的水平。

图5:制造业用人成本不断攀升

  工业机器人产业链一览

  工业机器人产业经过30余年的发展,已经形成了一条完整的产业链。工业机器人产业链上游是核心零部件,包括控制器、伺服系统和减速器三大部分,这三种部件是工业机器人中核心技术之所在。产业链中游是机器人本体制造,发那科、ABB、库卡、安川四大家族具有明显优势,占据了全球工业机器人市场份额的40%,而国产厂商因为起步较晚,还处在追赶阶段。下游是系统集成,目前主要集中在汽车制造和3c电子行业,二者几乎占据了整个工业机器人下游应用的半壁江山,但在食品饮料、物流、光伏、锂电等长尾市场增速较快。

  从整个产业链来看,上游核心零部件是一台工业机器人成本中占比最高的部分,约为70%左右,系统集成硬件成本较低,比较偏向服务,提供解决方案,而中游机器人本体厂商或采购核心零部件或使用自家的核心零部件,因此成本相差较大,二三线品牌因为不掌握核心零部件盈利水平较低。

  从盈利能力来看,产业链上游核心零部件、中游本体和下游集成的毛利率水平基本符合“微笑曲线”,上游、下游毛利较高,中游本体毛利最低。上游核心零部件的高毛利主要来源于技术壁垒,下游集成高毛利主要来自于品牌溢价以及获客能力壁垒。

  工业机器人核心竞争力

  工业机器人的大脑—控制器

  控制器相当于工业机器人的大脑,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”。

  工业机器人控制器的主要任务是接收来自视觉、力觉等传感器的检测信号,根据操作任务的要求驱动机械臂中的各个伺服电机,进而控制机器人在工作空间中的运动位置、运动姿态、速度、轨迹、操作顺序等,同时控制器也具有各类输入输出接口、人机交互界面等,拥有编程简单、使用方便等特点。

  控制器与机器人本体一样,一般由机器人厂家自主设计研发。目前主流机器人厂商的控制器均为在通用的多轴运动控制器平台基础上进行自主研发,各品牌机器人均有自己的控制系统与之匹配,因此控制器的市场份额基本和机器人市场份额保持一致,发那科、库卡、ABB、安川分别占据前四名,国内控制器企业尚未形成市场竞争优势,占比仅为16%左右。

  近年来,国内运动控制技术也有了较快的发展,一些传统数控机床设备的生产厂家凭借着已有的数控技术基础开始研制运动控制产品,使得通用运动控制产品开始扩展开来,其中工业机器人专用的运动控制产品也逐渐走向成熟和产业化。这类企业以广州数控、埃斯顿等为代表,他们不只开发出工业机器人专用的运动控制系统,还进一步向下游扩展,进入机器人行业,并成为国产机器人企业中的代表。

  此外,国内也诞生了一批专注于运动控制产品的企业,为无力研发自主控制器的小型工业机器人厂家提供解决方案,这类企业以固高科技为代表,固高科技是国内较早实现六轴机器人控制系统产业化的企业之一,目前主要向工业机器人集成商提供控制系统平台。

  目前国产控制器与国际先进水平相比还存在较大差距,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、故障率等关键指标不如发那科、ABB、安川、库卡“四大家族”的产品,这也和国内厂家重硬件、轻软件有关。当前工业机器人需要实现的动作愈加复杂,想要在高速运动中实现精准的控制,其背后需要的是长期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。

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