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摘要

工业机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”,在智能制造领域,工业机器人作为集智能化、数字化、自动化等多种先进技术于一体的工业自动化装备,在数字工厂、智能工厂等现代工业自动化生产体系中扮演重要角色。在我国社会人口结构老龄化、人力成本上升等多种因素的影响下,推动智能制造转型升级是工业发展的必然趋势和必要举措,制造企业对工业机器人的旺盛需求是长期趋势。提高工业机器人的研发制造水平和实现工业机器人的大规模应用既是未来实现工业自动化、数字化、智能化的保障,也是推动制造业转型升级、构建现代产业体系的重要环节。

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工业机器人产业链分析

图1:工业机器人产业链图谱

来源:火石创造根据公开资料整理

工业机器人是应用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人依靠自身动力能源和定位控制能力来实现各种工业加工制造功能,能够代替人工完成部分繁重、单调体力劳动或有害作业环境下工作。工业机器人产业链分为上中下游。上游是工业机器人的核心零部件,中游工业机器人本体制造,下游为工业机器人的系统集成和主要应用领域。

(一)工业机器人核心零部件

在工业机器人产业链中,上游零部件是工业机器人技术核心与难点,是工业机器人成本最高和产业利润最厚的环节。其中,工业机器人最核心的三大零部件分别是控制器、伺服系统、减速机,共占据工业机器人整体生产成本的70%以上。除三大核心零部件之外,工业机器人主要零部件还包括传感器与末端执行器。

1.控制器

控制器被称为“工业机器人的大脑”,由控制柜、示教柜等硬件坨和控制算法、编程程序等软件构成。控制器主要任务是接受并处理工业机器人工作过程的全部信息,根据操作任务的要求驱动机械臂中的各个伺服电机,引导机器人按照要求的每个动作的位置、姿态和轨迹实现其运动。

2.伺服系统

伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统,常被视为“工业神经系统”。在工业机器人中,伺服系统通过接受并精确执行控制器发出的运动指令,完成工业机器人的多轴运动控制。在构成方面,伺服系统由伺服电机、伺服驱动器、伺服编码器三部分组成。其中,伺服电机是执行机构,用于驱动机器人的关节从而实现运动。为与机器人体型相匹配并满足机器人的运行性能需求,工业机器人伺服电机须具备小体积集成和大功率的应用的技术能力。伺服驱动器是接收控制器发出的指令,并驱动电机工作的装置。伺服编码器是伺服系统的反馈装置,用来反馈伺服电机的信号并依此精确调速,控制伺服电机达到最佳工作状态,从而提升伺服系统精度。目前国内伺服系统市场的高端市场由日本和欧美等国外品牌占据较大市场份额,国产品牌的竞争力正逐步提升。

3.减速器

减速器是一种精密的动力传达机构,作用在于降低转速、传递更大的扭矩,满足工业机器人在重复执行相同的动作时的定位精度和重复定位精度,确保机器人平稳精确运行。由于减速器决定工业机器人的精度和负载,工业机器人对减速器性能的要求很高,所使用的减速器都是高精密减速器,其中RV减速器和谐波减速器是工业机器人主流使用的减速器。精密减速器制造对材料、设备、工艺等多个环节都有严格要求,具有很高的技术壁垒和投资成本,在工业机器人零部件中占据最大成本份额。日本的纳博特斯克和哈默纳科两家公司在该领域技术积累雄厚,先发优势明显,包括我国在内的全球工业机器人用精密减速器长期为日企所垄断。

4.传感器

工业机器人使用各式各样传感器来理解和测量周围环境中物体的几何和物理特性。传感技术的应用能帮助机器人能够精准感知、敏捷运动、自主决策,实现更大的操作灵活性,更好的胜任各种任务。工业机器人常见的传感器可分为内部传感器和外部传感器,内部传感器用于获取机器人自身状态信息,然后为控制单元反馈信息,例如视觉传感器、位移传感器、角度传感器、速度传感器、位置传感器等;外部传感器主要获取机器人所外部环境信息以及自身与环境之间的相互信息,常见的外部传感器有距离传感器、接近传感器、视觉传感器等。

5.末端执行器

工业机器人末端执行器又被称为机械手,是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件,是机器人与环境相互作用的最后环节,被称为机械臂的“业务端”。常用的专用末端执行器根据工业机器人的应用领域来定制设计成特定的构成形状,实现对对圆盘类、长轴类、不规则形状、金属板类等不同形状、大小和重量的各类工件的抓取、搬运、上下料等工作。

(二)工业机器人本体

工业机器人本体是工业机器人的机座和执行机构,即工业机器人的原样和自身,主要由传动部件、机身及行走机构、臂部、手部五部分构成。工业机器人本体一般不能直接使用,需要下游系统集成厂商根据不同应有场景和用途进行二次开发才能投入到最终的工业生产中去。根据机械结构的不同,本体可分为多关节机器人、水平多关节机器人(SCARA)、并联机器人、协作机器人、直角坐标型机器人。工业机器人本体分类介绍如下表所示。

表1:工业机器人本体分类介绍

来源:火石创造根据公开资料整理

(三)工业机器人系统集成与应用

工业机器人下游包括工业机器人系统集成和工业机器人的应用行业两大部分。工业机器人系统集成商负责将标准机器人(本体)变为应用机器人,应用于焊接、喷涂、上下料 、搬运、机械加工等工业自动化领域。系统集成厂商也需要根据终端客户面对复杂工业场景的具体需求进行针对性的产品设计和定制化开发,为客户提供可适应各种不同应用领域的标准化、个性化成套装备。经过系统集成商开发后的机器人成为终端产品应用市场,根据应用行业的不同可划分为汽车制造、电子电气、金属加工、食品饮料、仓储物流等领域。

表2:工业机器人应用分类介绍

来源:火石创造根据公开资料整理

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中国工业机器人市场分析

(一)中国工业机器人应用市场分析

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中国在2011年-2021年工业机器人年度安装量总体呈现大幅增长趋势,十年间安装量增长超过5倍,年均增长率达142%。尤其是在2017年我国工业机器人年安装量大幅跃升,并在之后的年份持续维持高位,即使在2020年面临疫情等复杂严峻的外部形势下工业机器人安装数量仍能逆势增长,并于2021年安装数量达26.8万台,上升到新的高度。通过分析工业机器人安装量增长态势可以看出我国工业自动化智能化水平在2017年开始提速,企业高质量生产高质量发展进程加快,即使面临疫情等外部不利因素冲击下仍工业机器人仍表现出强劲的需求水平,彰显制造业在智能制造体系下快速复工复产、转产扩展的勃勃生机,显现我国工业发展的强大韧性和活力。

图2:2011年-2021年中国工业机器人年安装量(万台)

来源:国际机器人协会(IFR)

从近三年我国工业机器人分应用行业安装量来看,电子/电气行业是工业机器人应用最多的领域,工业自动化排名第二,金属和机械领域位列第三,橡胶和塑料、食品、医药和化妆品领域工业机器人安装量相对较少。根据《2021中国工业机器人产业发展白皮书》显示,工业机器人已在37个国民经济行业大类, 102 个行业中类中得到应用。汽车制造业是工业机器人应用领域最宽泛、应用成熟度最好的领域。我国新能源汽车产业蓬勃发展,汽车的需求量不断增大与汽车制造的技术转型升级催生了汽车制造厂对工业机器人的大量需求。汽车车身的薄零件的焊接与装配、汽车车身表面的喷漆、汽车灯具的涂胶、汽车轮胎组装需要用到不同类型的工业机器人,汽车整车生产中大量冲压、焊接、涂胶、激光检测等工序大多也是由工业机器人完成。中国是3C制造大国,计算机类、通信类和消费类电子产品占据全球70%产能,3C电子产品是工业机器人另一大主要应用市场。

图3:2019年-2021年中国工业机器人分应用行业年度安装量(万台)

来源:国际机器人协会(IFR)

全球范围内,2021年工业机器人年度安装量排名前五的市场分别是中国、日本、美国、韩国和德国。其中,中国工业机器人年度安装量达26.8台,遥遥领先于世界其它主要工业国家,是全球最大的工业机器人采用国。

图4:2021年工业机器人安装量最多的15个国家排名(万台)  

来源:国际机器人协会(IFR)

全球工业机器人安装量五年内增幅超过60%。受新冠疫情影响全球安装量在2019、2020连续两年下降后,于2021年复苏强劲,全球安装总量在2021年超过50万台,创造历史新高。我国工业机器人安装量在五年内大幅增加,全球占比也迅速攀升,2021年中国工业机器人安装量占比全球超过半数,当之无愧地成为全球工业机器人最大市场。

图5:2015年-2021年中国与世界其他国家(地区)工业机器人安装量对比(万台)  

来源:国际机器人协会(IFR)

(二)中国工业机器人市场品牌竞争力分析

从中国工业机器人市场的品牌结构来看,目前我国工业机器人由外资品牌占据市场较大份额,发那科、ABB、库卡、安川电机等工业机器人四大家族以及爱普生、雅马哈等品牌凭借长期的技术沉淀和高性能的产品在中国市场销量领先。我国国产工业机器人品牌近些年来发展迅速,在近年来国家强调自主创新的推动作用下竞争力明显提升,以埃斯顿、博时股份、汇川技术为代表,已具备一定规模和实力,许多科技巨头、制造业龙头企业也纷纷入局,加快在核心零部件、本体制造等领域的技术攻关,缩小与国外工业机器人头部企业的差距,国产机器人替代进程加快。

图6:2020中国工业机器人市场竞争格局

来源:火石创造根据公开资料整理

表3:2021年中国工业机器人企业排行榜(前10名)

来源:火石创造根据公开资料整理

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观点小结

(一)发展工业机器人产业将有力推动中国从制造大国向制造强国转变

在我国原有制造业成本比较优势逐步削弱、新的产业竞争优势尚未形成的新旧交替期,发展工业机器人能够实现更高层次的工业能力,更好应对人口老龄化和工业生产中用工成本上升的不利因素,助力我国制造业从规模、速度的发展轨道转向质量、效益的发展轨道,推动产业结构向中高端迈进。

(二)工业机器人未来会更多在高精度工业场景落地应用

随着制造业转型升级进程的不断加速,工业领域的自动化转型和新兴领域涌现出的产品加工进一步引致对工业机器人大量需求。因此,我国机器人产业未来发展重点在于面向汽车、高端装备、精密仪器、半导体等高端领域开发工业机器人本体和关键零部件系列化产品,推动国产工业机器人在高精度工业场景产业化应用。

(三)新兴技术推动工业机器人加速创新发展、升级换代

随着新一代信息技术、新材料技术与工业机器人开发深度融合,工业机器人智能化、数字化水平程度大幅提高并且设备更加安全可靠。工业机器人不再依赖固定的外界环境做劳动力代替的重复性工作,适应力强、灵敏度高、支持和人在同一场景协同精准工作的人机协作机器人能极大提高工作效率,成为工业机器人应用场景的革新者与破局者,引领工业机器人发展新潮流。

—END—

作者 | 火石创造 李佩  审核 | 火石创造 冯雷 殷莉

       原文标题 : 产研发布 | 我国工业机器人产业链全景分析

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