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國產工業(yè)機器人沖擊中高端?問題很多

http://m.casecurityhq.com 2023-08-11 15:02 來源:虎嗅智庫

核心觀點:

  1. 國產替代集中在中低端制造業(yè),中高端市場中外資仍具有明顯優(yōu)勢;
  2. 上游核心零部件核心技術仍未突破,尤其是控制器的控制算法;
  3. 中游本體性能與外資仍有差距,下游集成市場呈現(xiàn)玩家大而不強,內卷嚴重的局面;
  4. 國產替代進程需依賴產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)關鍵技術的突破,國產廠商在未來工業(yè)機器人智能化轉型時代擁有一定先發(fā)優(yōu)勢。

自我國提出要打造自主可控的現(xiàn)代化產業(yè)體系以來,各行各業(yè)便在攻克技術難關,加快國產替代的步伐。工業(yè)機器人作為制造業(yè)領域實現(xiàn)自動化和數字化的重要組成,無疑是國產替代的重點領域。

中國市場作為全球工業(yè)機器人最大的消費市場,占據全球出貨量50%以上,但在全球最大的單一市場(國內市場)國外廠商依舊占據明顯優(yōu)勢。具體來看,附加值較低的中低端制造業(yè)國產化率較高,占據超過50%以上的市場份額,但在附加值較高的制造業(yè)國產化率維持較低水平;分類型來看,自由度高且精度控制難度較大的機器人市場占比較低;從制造業(yè)環(huán)節(jié)來看,機器人應用的主要制造環(huán)節(jié)的市場占比均未超過50%。

我國對工業(yè)機器人核心零部件的研究起步較晚,與國外技術有一定差距,造成不能完全自給自足的局面,一定程度上致使中上游生產成本居高不下,進而影響下游差異化、定制化應用集成的進程。所以,在供應鏈安全、成本可控、差異化/定制化等需求背景下,國產替代勢在必行。

虎嗅智庫將從工業(yè)機器人的上游核心零部件、中游本體和下游集成三個環(huán)節(jié)拆解國產替代的核心突破點,并對未來工業(yè)機器人國產替代路徑作出研判。

上游核心零部件技術基本盤薄弱,采取從“低端”到“高端”的逐步替代

工業(yè)機器人上游核心零部件主要有三種,分別是減速器、控制器和伺服系統(tǒng),三者合計成本占據機器人本體總成本的約60%以上,對于工業(yè)機器人成本下探和性能影響比較大。

數據顯示,工業(yè)機器人上游三大件國產化率近些年均有不同程度地上升,但國外廠商依舊占據一半以上的市場份額。具體來看,減速器的國產化率較高,且每年的滲透幅度也最為明顯,而伺服系統(tǒng)國產化進程表現(xiàn)較差。

減速器屬于高精密度產品,技術門檻高,行業(yè)壁壘大,是我國的薄弱環(huán)節(jié)之一。減速器主要分為諧波減速器和RV減速器。諧波減速器方面,國產諧波減速器易發(fā)生筒體斷裂、柔輪輸出軸扭轉剛性不足、齒面磨損等情況,其使用壽命和精度受以下四個方面因素的影響:

  • 原材料:在金屬原材料的顆粒度、剛度和硬度等指標上,我國供應的材料相較于國外有較大差距,雜質較多,影響了減速器柔輪等零部件性能;
  • 設計專利:哈默納科在減速器齒形設計和傳動結構上具有知識產權,在齒形設計方面存在較高的技術壁壘,對于新進廠商阻礙較大;
  • 加工工藝:高精度加工設備仍需進口,國內廠商缺乏經驗積累和技術儲備,加工精度、加工誤差無法得到穩(wěn)定控制;
  • 零件裝配:零件組裝標準化程度欠缺,缺乏經驗豐富的技工。

相比諧波減速器,RV減速器的結構更為復雜,由于其承載能力大等特點,對加工工藝的要求更為苛刻。目前,RV減速器仍面臨零部件定位不精準、精度標準化低、難以量產等問題。

設計難度方面,在RV減速器設計過程中需要反復測試和校正零部件、齒形來實現(xiàn)高精度和高穩(wěn)定性,對數據經驗和設計精度的要求比較高。加工裝配方面,RV減速器對零部件裝配精度、齒面熱處理、成組技術等方面要求非常高,不同零部件需要保持相同的運動公差,但我國目前難以達到P4級別水平。

伺服系統(tǒng)方面,國內差距主要在于高精度伺服驅動器和編碼器的設計和工藝,這導致了高端伺服系統(tǒng)的性能、質量和穩(wěn)定性方面的差異。其背后的核心原因在于以下四個方面:

  • 驅動器芯片:與伺服驅動器相關的主控制板芯片(DSP芯片、IGBT模塊)、信號處理和通信板芯片(FPGA、存儲)等高精度、高性能的芯片被海外廠商“卡脖子”。
  • 驅動系統(tǒng)標準:多項參數標準主要依靠海外廠商定義,我國需要大量的實際測試數據來逐步達到標準。
  • 編碼器:高精度編碼器核心技術和高精度傳感器暫未突破,對伺服系統(tǒng)的定位精度影響很大,基本需要進口。
  • 原材料:國內的磁材總體性能較國外有一定差距,影響材料伸縮長度。

在控制器方面,國內外技術差距主要體現(xiàn)在軟件層面。具體來看,軟件底層算法通常是非公開的,各家企業(yè)自定參數,在底層軟件構架和核心控制算法仍有不足,這會導致在一些場景下機器人的穩(wěn)定性、運行精度會受到一定影響;控制算法和二次開發(fā)等方面的差距使得國內產品在控制平臺的易用性、響應速度等方面存在差距。

雖然,當前我國工業(yè)機器人核心零部件國產替代在逐步進行,產品基本參數表現(xiàn)已幾乎持平,但在高精度領域仍有較大差距,芯片和核心產品技術仍有待突破。從開發(fā)難度上看,減速器難度最高,伺服系統(tǒng)中上,控制器中下,三者共同構成工業(yè)機器人核心競爭力。除此之外,三者同時存在固定資產投入大、客戶實際驗證周期長等客觀因素,制約本土廠商的技術發(fā)展。

中下游停留在中低端,沖擊中高端市場面臨重重阻礙

近年來國產替代浪潮興起,國內崛起一批新興玩家,蠶食掉四大家族的部分市場份額,但仍未能撼動其市場地位。

根據MIR數據,2021年四大家族仍牢牢占據我國工業(yè)機器人市場份額前四名,合計市場份額約40%。盡管國產份額由2015年的18%提升至2021年的33%,但集中度較為分散且暫未出現(xiàn)頭部企業(yè)。

中游國產替代進程緩慢,主要受限于核心技術突破和產業(yè)環(huán)境。本土廠商產品存在“四低”——低技術、低品質、低價格、低應用等問題。

  • 技術差距:重負載機型定位精準度低,輕負載機型稍高,但仍有差距。
  • 產品中低端:技術差距致使過去幾年集中替代的主要是中低端市場,通常滿足的是一些簡單的通用性需求和應用,高端市場仍被四大家族控制。
  • 性能偏差:由于上游芯片、控制系統(tǒng)等核心零部件的“卡脖子”問題,阻礙機器人性能的突破;同時隨著制造業(yè)數字化轉型進程加速,企業(yè)對機器人運行精度、穩(wěn)定性、易用性等性能要求愈發(fā)嚴苛,中游廠商產品需要適配性能需求與應用行業(yè)或場景的變化。
  • 同質化嚴重:我國機器人產品類型和性能參數指標同質化嚴重,應用場景主攻搬運、碼垛的偏多,隨著應用場景逐漸深化,性能或功能上漸漸難以滿足企業(yè)需求。
  • 性價比不高:企業(yè)更換工業(yè)機器人會涉及設備部署、停產試機和維保等問題,試錯成本過高。目前,國內企業(yè)更多是從新建產線或停產成本較低的企業(yè)開始進行國產替代。從成本角度看,選擇嘗試國產機器人產品的意愿不強。
  • 價格戰(zhàn):在產品同質化、專攻中低端市場的背景下,行業(yè)內開始通過價格戰(zhàn)獲客,不利于良性競爭。

在本體下游的集成方面,我國內資集成商占比約80%,但其中大部分的業(yè)務處于中低端或體量較小的細分領域,玩家呈現(xiàn)出數量多、規(guī)模小、工藝偏中低端的現(xiàn)狀。在汽車整車、電子電器和器材制造等體量大、高端工藝的領域,相較于“四大家族”等海外服務商,自主品牌的優(yōu)勢并不明顯。

產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)阻礙逐個擊破,加速國產化進程

工業(yè)機器人產業(yè)鏈冗長,涉及的技術環(huán)節(jié)眾多,僅靠單一環(huán)節(jié)的優(yōu)化提升無法產生質變。

工業(yè)機器人的核心價值是幫助企業(yè)創(chuàng)造更多的業(yè)務價值,提升企業(yè)的綜合運營管理能力,這種價值導向的發(fā)展路徑需要產業(yè)鏈上中下游的協(xié)同發(fā)展,從技術、產品、行業(yè)等多因素共同驅動技術的應用廣度與深度,實現(xiàn)全產業(yè)鏈條的互惠共贏,推動工業(yè)機器人國產化格局產生質變。

上游核心零部件:控制算法突破,加速國產工業(yè)機器人智能化進程,形成差異化競爭力,以推動國產替代進程

上文中提到上游三大件的核心差距所在,而其中控制器的控制算法尤為被國內企業(yè)重視。

控制算法方面的優(yōu)化迭代和機器視覺的加持將驅動工業(yè)機器人產品走向智能化,是形成國產機器人廠商差異化競爭力的關鍵路徑??刂扑惴ǖ華I算法將從內部優(yōu)化機器人運動精度、運動規(guī)劃和智能決策等能力,推動伺服系統(tǒng)和控制器的智能化以及軟硬件工藝的成熟。

目前,我國在機器視覺算法上具備一定的優(yōu)勢,因此在控制算法取得突破后,國產廠商必然能夠在機器人智能化時代具備比較強的競爭力,從而實現(xiàn)進一步的國產替代。

中游本體:攻克高附加值制造業(yè)場景,需彌補本體產品類型的短板,六軸機器人性能提升成攻克重點

中游本體制造廠商將聚焦大六軸機器人等當前較為薄弱的領域。目前,大六軸機器人主要用于下游對機器人載重、精度、穩(wěn)定性等性能要求較高的場景。該產品技術壁壘較高,目前也主要被“四大家族”所壟斷。

根據IFR數據,我國2022年大六軸機器人的國產化率僅為17%,遠低于其他類型機器人。在邁向國產化的路徑中,產品性能要不斷精進,由小規(guī)模走向大體量,由低端走向高端,大六軸機器人的國產替代勢在必行。

下游集成:利用本土優(yōu)勢,實現(xiàn)應用集成標準化,部分領域彎道超車

就前文所述,集成商普遍面臨應用非標的問題,形成開發(fā)成本與滿足客戶訴求之間的矛盾。

解決上述問題有兩種路徑可選。第一種是扎根于某一個或某幾個行業(yè)領域,不斷深耕,通過項目案例的積累來覆蓋掉絕大多數的定制化場景,將這些定制化需求“標準化”;第二種則是將各個行業(yè)的基礎性、通用性能力“標準化”,并以此覆蓋更多行業(yè)及場景,有助于實現(xiàn)解決方案快速部署,降低成本的同時,降低開發(fā)應用門檻,僅對特定行業(yè)訴求進行定制化開發(fā)。

從實際成本和商業(yè)模式來看,更多廠商選擇第二種方式來降低工業(yè)領域應用的復雜性和多樣性,在定制化中逐漸提煉出“4S”(性能、穩(wěn)定性、安全性、智能性)等標準化內容,以降低集成商方案開發(fā)和客戶使用的門檻。在標準化達到一定程度后,國產廠商會在各個領域快速擴張,加速國產化率。

另外,近年來,鋰電、光伏等新能源行業(yè)興起,同時國外又發(fā)展緩慢,對于此類行業(yè),外資品牌的優(yōu)勢并不大,國產品牌有望利用本土化的服務與資源優(yōu)勢,彌補在技術或產品性能上的不足,在鋰電、光伏等行業(yè)實現(xiàn)彎道超車。

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