本土机器人生存视频

以网络化、信息化和智能化为基础,以智能制造装备为核心的“第三次工业革命”即将到来,这是21世纪重大趋势。第三次工业革命将为人类带来智能制造的新时代,而机器人将是这一进程的重要组成部分。

第一次工业革命的标志是“蒸汽机+机械化”,第二次工业革命的标志是“电动力+流水线”,那么第三次工业革命的标志就是“新能源+智能化”。^[4]历届两次工业革命是将人手不断解放的过程,第三次工业革命也是如此,通过更数字化、智能化的模式解放人力,提高生产力,提升人类生活品质。在接下来的几十年里,机器人技术具备给全球未来带来革命性影响的潜力,就像当初的计算机技术一样。

机器人产业的本质是“应用催发市场、市场培育巨头”,机器人产业巨头必产生于机器人市场大国。我国机器人产业爆发三大驱动力:工业革命制造业升级是天时;内地应用需求巨大和人口红利不再的矛盾空间是地利;政策扶持与产业布局是人和。制造业升级是根本推动力,机器人人工替代和经济效益是主要驱动力,政策扶持是关键催化剂。

13.4.1　机器人的基本概念、类型及发展趋势

机器人是一种可编程和多功能的,用来搬运材料、零件、工具的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。

根据机器人的应用环境,我国的机器人专家将机器人分为两大类,即工业机器人和特种(服务与仿人型)机器人。所谓工业机器人,就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种服务机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人,包括家庭服务机器人、医疗机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中,有些分支发展很快,有独立成体系的趋势,如军用机器人、家庭服务机器人、医疗机器人、机器人化机器等。

机器人发展的历程是先工业后服务,先民用后军用。工业机器人发展比较成熟,正在向更智能化更通用化方向发展,发展目标是数字工厂,该领域日美欧占据绝对优势地位。服务机器人又主要分为军工和民用,服务机器人发展方兴未艾,刚刚兴起,各类品种情况不一,各国几乎在同一起跑线。美国的军用机器人发展迅猛,中国的军用机器人市场正处于启蒙唤醒期,预计未来5～10年会蓬勃发展。

工业机器人主要是指在工业领域中应用的机器人,是一种能模拟人的手、臂的部分动作,按照预定的程序、轨迹及其他要求,实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。它可以固定在平台上,也可以装在往复运动的小车上。工业机器人属于二次产品,一般由机器人设计制造公司将核心零部件和机械体组装成机器人本体,再由机器人系统集成商结合应用需要、生产线工艺进行编程、组装和调测,将此机器人产品与应用场景相集成,成为自动化生产线上的机器人系统解决方案。

工业机器人应用系统的解决方案,包括焊接、喷涂、涂胶、堆垛、搬运、装配、检测、分拣、包装等应用功能。可以是具有单一功能的专机,也可以是多种功能协同的集成应用解决方案。在发达国家,工业机器人已经广泛应用于汽车、电子、食品、医药、物流、陶瓷玻璃、塑料化工、五金制品、纺织皮革、航空航天和机床制造等行业。

工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展,其发展趋势主要为:结构的模块化和可重构化;控制技术的开放化、PC化和网络化;伺服驱动技术的数字化和分散化;多传感器融合技术的实用化;工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。

13.4.2　全球工业机器人市场分析及与中国的比较

全球工业机器人本体市场以中欧美日为主。2012年,日、美、德、韩、中五国存量占全球比例达71%,销量达70%。机器人消费地最大的区域东亚,日本占19%,中国、韩国占比约34%,而且中国是增速最快、潜力最大的市场。

从目前全球的发展形势来看,日本和欧洲是工业机器人生产主力,基本实现了核心零部件自主化和标准化。从产量上讲,日本是绝对意义上的机器人大国,生产全世界近2/3的机器人,并且在核心零部件领域占主导地位,也是唯一的净出口国。其代表企业有发那科、安川、那智不二越等。欧洲占据全球工业机器人22%的市场份额,代表企业有瑞典的ABB、德国的库卡、意大利的柯马等。而中国的工业机器人竞争力一般,缺乏具有全球竞争力的代表性企业,而且主要业务领域集中在经济型机器人和某些特殊应用的工业机器人,比如化工领域等。由表13.7我们可以看出我国工业机器人与国外综合实力的差距。

表13.7　主要机器人生产国(地区)综合竞争力分析

资料来源:作者整理。

13.4.3　我国工业机器人行业发展的基本状况

中国工业机器人市场规模不断增长,已成为世界上增长最快的市场。而中国2003年的需求仅约为1　500台,到2013年就增长到了28　200台,10年间增长了13倍。IFR预测,2015年之后将达到3.4万台,有望与日本并驾齐驱,甚至超过日本,到2016年中国将成为全球最大的工业机器人市场。根据机器人产业联盟较为准确的统计结果来计算,我国工业机器人销量从2008年的7　690台增加到2012年的25　870台,年均复合增长率达35.4%,见图13.4。

图13.4　中国工业机器人历年销量

数据来源:长城证券。

韩国、日本和德国是全球自动化程度最高的国家,机器人密度介于每一万名员工250～400台;大多数新兴经济体中,机器人密度和自动化水平仍远低于全球平均值。我国目前工业机器人使用密度仍然远远低于全球平均水平,离日本、韩国、德国等发达国家有着很大差距。韩国是全球工业机器人使用密度最高的国家,每一万名工人中拥有机器人数量396台;日本次之,339台;德国位居第三,267台;中国仅为23台,不及国际平均水平58台的一半。我国未来工业机器人市场发展潜力巨大。从图13.5可以看出,目前工业机器人的应用在我国比例为6.4%,日本为26.6%,美国为13.8%,德国为13.6%,韩国为10.8%。我国未来工业机器人市场发展潜力巨大。同时,我国是世界第五大工业机器人市场,但是存量明显不足。

近几年来,工业机器人产业发展迅猛,预计2020年我国市场规模达到千亿,未来6年总安装量的需求范围在63.8万～176万台套,保守估计为85万台;预计服务机器人产业会在5～10年开始爆发,其规模和发展速度可能是工业机器人不可比拟的。保守预测:工业机器人本体总市场在1　275亿元,系统集成市场3　825亿元;军用地面机器人340亿元,无人机460亿元,助老机器人390亿元,助残机器人243亿元,公共服务机器人10亿元左右,服务机器人市场规模共计1　443亿元。

图13.5　全球主要机器人生产国的销量与存量比较

数据来源:Wind资讯。

当下中国工业机器人市场90%依赖进口,本土企业规模小,技术水平需要提高,核心零部件依赖进口,产品成本过高,产品缺乏竞争力。本土企业利用本土工程师和本地市场,在应用集成和服务方面具有一定的优势,但是就市场份额来看,并没有完全将这些优势转化为市场竞争力。从图13.6可以看出,目前我国工业机器人市场的外资企业占有率达90%以上,其中基本为日本工业机器人企业,而我国本土企业仅有10%。这说明了我们国家工业机器人发展的滞后,同时也说明了我们本土企业有更多的市场潜力需要挖掘。在国内企业中,拥有百台以上制造能力的企业也仅有东莞启帆(台资)、安徽埃夫特、上海沃迪、广州数控、沈阳新松等几家,与外资企业上万台的销售规模差距明显。如果将沈阳新松的AGV和购买本体再做配套集成后销售的机器人系统都加入计算,本土企业市场占有率大约只有10%。在这10%的市场份额中,新松机器人公司份额最大占有5%,是国内机器人企业中最有竞争力的本土企业。

13.4.4　我国工业机器人行业的主要问题及原因

目前,我国从事工业机器人生产的企业缺乏核心竞争力,规模大、品牌响的企业还不多,在伺服系统、控制器和减速器几大关键零部件领域有竞争力的更少。与进口的工业机器人相比,本土生产的工业机器人在精度、速度等方面不如进口同类产品,不少本土工业机器人厂商的零配件依赖国外进口,这些零配件的成本占机器人单体成本的70%,占总成本的一半以上,限制了本土工业机器人厂商的竞争力。

图13.6　2012年我国工业机器人市场占有率情况

数据来源:Wind资讯。

本土机器人无法整合产业链,处于价值链低端。在产业链里,利润主要集中在核心零部件、本体集成和系统应用。其中,上游核心零部件价值最高,本体集成成本毛利率受制于核心零部件和企业规模,上游和中游已经被国际巨头们垄断。而下游企业又比较分散,中国95%的企业集中在下游,导致下游企业缺乏话语权,生产成本过高。国际巨头因技术优势和先发优势,拥有大部分专利和市场;同时产品性能好,价格也高,而又因为其多年积累的规模优势,可以降低零件采购成本和摊薄高昂的研发成本,进一步加大了自身的利润空间。在中国,具备一定竞争优势的子行业在于非核心零部件生产、中低端机器人本体集成和机器人系统集成应用。特别是机器人系统集成应用,因为本土企业由于贴近细分行业、服务响应速度和工程师红利(低成本)等优势,相比国际巨头的巨大优势下的其他本土企业,一直是比较能赢利的子领域。可以通过《中国制造2025》战略的实施,培养出一批具有国际竞争力和话语权的智能制造本土企业,同时本土企业沿产业链向上攀升,提高产品附加值。

我国机器人在研发水平、市场培育、人才培养和产业化等方面与世界先进水平有着较大的差距,尚处于追赶阶段。我国机器人产学研脱节现象较为严重。研究主要集中在高校和少数研究所,企业新型产品设计制造创新能力有限。创新体系建设尚处于起步阶段。国内关键技术并不成熟,服务机器人专用零配件市场也不健全,导致机器人智能化不高,价格偏高;同时,国内对服务机器人的消费观念还需要培育。

我国的工业机器人自主研发能力落后于世界先进水平。在基础技术和关键技术研发方面,我国大多属于跟踪研究,但经过几十年的研究,已经具备比较坚实的技术积累;在关键零部件领域,我国还主要依赖进口,有十几家企业努力攻关伺服电机和减速机等领域,取得了不错的成绩,如广州数控的伺服电机,新时达刚收购的众为兴研发的减速机等,都具有产业化的能力。不过受制于我国的工艺水平,在性能上还不如国际巨头,伺服电机的散热性与动态性能、驱动器的体积以及减速机的传动精度与效率等,都不占优势。

制约本土工业机器人行业落后于国际巨头的原因有三:一是技术,二是成本,三是品牌。技术主要是核心零部件和设计与集成能力;同样的原材料,我国的核心零件的性能就是不如国外,主要受制于工业体系整体误差累计和技术工人工艺落后。成本上是因为核心零部件受制于人和总体规模没上来。核心零部件几乎全靠进口,又缺乏规模导致议价能力不强,平均要比国际巨头贵3～5倍;总体规模小,导致整体研发设计成本无法有效摊销;总成本高导致无法形成竞争优势,上不去规模,恶性循环;盈利空间小进而导致研发和市场投入不足,生产工艺和产品质量上不去,无法形成品牌。

本土机器人企业发展关键是降低本土机器人价格。本土企业依赖进口核心零部件,由于缺乏核心技术和规模优势,导致竞价能力弱,其总成本占机器人本体的70%以上,使得机器人单体市场价格与国外企业差不多;无法形成价格优势,也没有品牌优势,导致本土机器人企业竞争力弱。要降低价格,一靠核心零部件本土化,二靠产业集群形成规模化和互补,三靠政府财税补贴和扶持。

随着机器人在制造业的应用范围越来越广阔,其性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),单机价格持续下降,同时标准化模块化系统和智能机器人装备成为产业热点,全自动的数字工厂是未来的发展方向。

13.4.5　国内工业机器人龙头企业介绍——沈阳新松机器人股份有限公司

公司2000年注册成立,目前业务基本为机器人和自动化相关业务,为国内最纯粹的机器人公司,也是目前中国唯一一家被认可的军用机器人供应商。公司大股东是中科院沈阳自动化所,在机器人研究领域可以源源不断地为公司提供技术支持和人才。2013年度,公司新签订约25亿元,同比增长56.25%;公司营业收入为13.19亿元,同比上升26.3%;归属母公司所有者的净利润为2.50亿元,同比上升20.12%。

新松机器人的工业机器人主要产品是自动导引车(AGV),AGV服务机器人及相关产品一度贡献公司利润达60%以上。其他工业机器人的关键零部件进口后进行集成,每年销售额在本土企业中位居前列。2012年销售共1　200台,2013年订单同比增长108%。公司新开发的具有视觉自动定位系统的新一代工业机器人,能够自动对操作空间中工件的类别、安装或制造的误差进行管理;第二代智能巡检机器人产品,可应用于变电站、地下隧道等危险工作环境。

公司在控制器研发方面具有优势,同时还是国家重点科研项目承接单位。在“863”重点项目《机器人模块化技术的典型行业应用示范项目》中,公司负责机器人模块化和核心技术方向突破,完成了6kg、50kg、165kg、210kg等多种关节机器人产品的开发,其模块化工业机器人逐步进入汽车及汽车零部件、工程机械、电力电子、数码印刷等行业,取得了良好的示范应用与市场推广效果。“863”《工业机器人控制器开发项目》,新型控制器已经在165kg点焊机器人和300kg重载搬运机器人上配套应用。新松公司是国内唯一能够提供具有自主知识产权的商品化工业机器人控制器的企业。另外,公司还承接了十余项国家级重点机器人研发项目,在服务机器人和核心零部件方面进行拓展性研究。在机器人系统集成应用方面,新松走在前列;数字工厂是机器人系统集成的最终结果,新松的印刷数字化车间水平基本与同类国际公司相当,堪称国产数字化车间应用的领先者。

图13.7　2014年新松机器人公司主营业务收入构成

数据来源:机器人上市公司年报。

目前,公司形成了以自主研发技术为核心,关键零部件、领先产品及行业系统解决方案为一体的完整产业链,并将产业战略提升到涵盖产品全生命周期的数字化、智能化制造全过程。主营之一的机器人产品线涵盖工业机器人、洁净(真空)机器人、移动机器人、特种机器人及智能服务机器人五大系列;主营之二的高端智能装备方面已形成智能物流、自动化成套装备、洁净装备、激光技术装备、轨道交通、节能环保装备、能源装备、特种装备产业群组化发展。

工业机器人:实施“集成+本体”并列发展模式,在制造业升级压力和人口红利消失的情况下,导致机器人成本下降、人工成本上升的“剪刀差”现象,“机器换人”的刚性需求有望推动该领域放量。此外,控制器、减速器等核心零部件进口替代不断推进及上下游整合,都将有利于赢利能力提升。

服务机器人:已开始布局万亿美元服务机器人蓝海市场。同时,再获军品订单,成为军事自动化设备及系统供应商。一旦新品放量,公司业绩有望呈现爆发式增长。新松机器人开发了多款搬运、存储、重载等军用服务机器人,预计后续将大量赢利。新松是当前国内唯一的军用机器人供应商,所以仍将可能在军用机器人需求爆发中获益更多。公司开发了洁净、助老助残医疗、电站巡检服务机器人等产品,布局宽阔。公司背靠沈阳重工业基地,是辽宁省政府重点支持的高新技术企业之一;有丰富的行业应用下游。沈阳抚顺新城正在大力建设机器人产业园,形成机器人产业链集群,有利于公司进一步发展。在上海机器人工业区和杭州等地,公司都有工厂,有利于渗透长三角市场。

参考文献

[1]中国机械工程学会:《中国机械工程技术路线图》,中国科学技术出版社2011年版。

[2]杰里米·里夫金:《第三次工业革命》,中信出版社2012年版。

[3]彼得·马什:《新工业革命》,中信出版社2012年版。

[4]“Manu Cloud”,http://www.manu-cloud-project.eu/,2014-3-1.

[5]James T.“Smart Factories”,Engineering and Technology,2012,7(6).

[6]宋慧欣:《“工业4.0”制造业未来之路》,《自动化博览》,2013年第10期。

[7]何瑾:《智能制造装备业万亿市场蓝图初现》,《科技智囊》,2013年第8期。

[8]杜品圣:《智能工厂——德国推进工业4.0战略的第一步(上)》,《自动化博览》,2014年第1期。

[9]杜品圣:《智能工厂——德国推进工业4.0战略的第一步(下)》,《自动化博览》,2014年第1期。

[10]Evans P.C.and Annunziata M.:《工业互联网——打破智慧与机器的边界》,机械工业出版社2013年版。

(本章主持与执笔:葛鹏)

【注释】

[1]此处第四次工业革命为德国学术界和产业界提倡的“工业4.0”概念,即是以智能制造为主导的第四次工业革命,或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通信技术和网络空间虚拟系统——信息物理系统(cyber-physical system)相结合的手段,将制造业向智能化转型。

[2]傅建中:《智能制造装备的发展现状与趋势》,《机电工程》,2014年第8期,第959～962页。

[3]Evans P.C.and Annunziata M.:《工业互联网——打破智慧与机器的边界》,机械工业出版社2013年版。

[4]杰里米·里夫金著,张体伟译:《第三次工业革命》,中信出版社2012年版。