FABIE观察 | 浅析智能制造环境下工业机器人行业发展

1发布 · 2021-01-29 15:32 60


FABIE说


工业机器人是指面向工业领域,通过编程或示教方式实现自动化,同时具备拟人形态及功能的机械装置,工业机器人常见形态为多关节机械手或多自由度的机器装置,能够靠自身的动力和控制能力来实现各种功能,具有工作效率高、稳定性强、精度高等特点。

在工业化水平不断提高的背景下,中国制造业“机器换人“需求旺盛,中国工业机器人产量持续增长。根据国家统计局数据,2020年7月份,全国规模以上工业企业的工业机器人产量21170套,同比增长19.4%;1-7月全国规模以上工业企业的工业机器人产量为115976套,累计增长10.4%。未来随着5G技术的应用落地,3C电子行业将迎来进一步提升,从而带动中国工业机器人产量的进一步增长。本期FABIE将对中国工业机器人行业发展情况及市场规模等进行浅析。未来,工业机器人中人工智能属性增强,期望能促使制造业工业化智能化程度继续向前迈进。


一、中国工业机器人行业发展历程


中国工业机器人行业起步于20世纪70年代初,目前为止大致经历了以下四个发展阶段。


(1)萌芽期(20世纪70年代-20世纪80年代)

1959年,美国工程师恩格尔伯格研究出世界上第一台工业机器人。随后工业机器人开始在美国、日本推广应用,工业机器人技术逐渐成熟。中国起步较晚,1972年才开始着手研制工业机器人。在中国工业机器人行业发展初期,工业机器人主要以串联机器人为主,由于这一阶段,中国在串联机器人领域的研究较为成熟,而串联机器人具有结构简单、运动空间大、工作方式灵活度高的特点,其在各种机床、装配车间获得了成功应用。


(2)开发期(20世纪80年代-20世纪90年代)

进入20 世纪 80年代后,中国改革开放不断深入,在全球范围内高新技术浪潮的冲击下,中国工业机器人技术的研究开发得到了政府的重视与支持。1985年,工业机器人被列入中国“七五” (1986年-1990年)科技攻关计划研究重点,研究方向锁定在工业机器人基础技术、基础器件开发以及搬运、喷涂和焊接机器人五个方面。“七五”期间,中国加大资金投入力度,对工业机器人及其零部件研发进行攻关,并完成示教再现式机器人成套技术的开发,研制出喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。


(3)实用期(20世纪90年代-21世纪10年代)

20世纪90年代后,中国先后研制出了装配、喷漆、切制、包装、码垛等工业机器人,形成了一批机器人产业化基地。1992年,中国第一台SCARA装配机器人由熊猫电子集团有限公司设计制造而成,在中国“863计划”实施下,中国第一台高性能精密装配机器人于1995年问世,这是一款SCARA 4轴装配机器人,采用直接驱动技术,具有较高的运动速度和定位精度,同时配备视觉、力觉传感器以及多任务操作系统,随着中国制造业的飞速发展,制造工厂对生产效率及质量要求逐步提高,工业、制造业企业对可替代人工从事重复性,常规性、高强度劳动的工业机器人需求愈加强烈。


(4)高速发展期(21 世纪10年代至今)

这一阶段,中国工业机器人行业发展提速,智能制造在这一时期一并与机器人出现,“智能制造”、“人工智能”、“工业4.0”等词语与工业机器人基本密不可分。智能化在工业机器人身上逐渐体现。


2012年随着ABB公司Delta并联机器人专利解禁,中国的机器人企业开始研制、销售并联机器人,自2013年起,中国连续五年成为全球最大的工业机器人市场,工业机器人的发展需要理论支持,自2014年起清华大学、北京航空航天大学、东北大学、天津大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学、中国科学院沈阳自动化所等中国高等院校机构陆续开展机器人技术方面的研究,研究内容包括位置正逆解求解、工作空间分析、运动控制器设计等,2015年,中国政府正式提出“中国制造2025”战略,工业机器人被列为十大重点发展领域之一、在中国制造业智能转型升级趋势下,工业机器人的需求量呈现爆发式增长,在政策与市场的驱动下,中国机器人企业在机器人研发、设计、制造等方面取得了长足进步,减速器、伺服系统,控制器三大核心零部件的国产化进程加速,工业机器人产业链各个环节和智能化技术趋于成熟。



二、中国工业机器人行业发展现状


总体而言,与工业发达国家相比,中国工业机器人在机器人设计理论、应用开发等方面的创新能力不足,导致许多技术停留在仿制层面。国际机器人“四大家族”一一发那科、ABB、安川、库卡基本垄断全球中高端工业机器人市场,占据全球工业机器人市场约60%的市场份额。近年来,这四家企业纷纷抢滩中国工业机器人市场,在中国投资建立生产基地,中国机器人企业面临极大的竞争压力,主要原因是中国在工业机器人三大核心零部件,减速器、伺服系统、控制器方面还未掌握核心关键技术,这三大核心零部件成本在整机成本中的占比在 70%左右,制约了中国工业机器人零部件核心技术的本土化。中国机器人企业大多集中在技术壁垒较低、市场竞争激烈、附加值较低的机器人集成领域,数据显示,系统集成商数量占中国机器人企业数量的90%以上,尽管中国工业机器人产量已居全球前列,但工业机器人密度仍处于落后水平。根据IFR(国际机器人联盟)数据显示,2019年工业发达国家的工业机器人密度已经普遍超过200台/万人,但中国的工业机器人密度仅为106台/万人,仍低于全球平均水平74台/万人 , 与韩国、新加坡、德国、日本等发达国家差距更加明显,显示出中国工业机器人市场仍有巨大的增量空间,未来制造业新装机器人数量有望获得持续提升。

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三、中国工业机器人行业市场规模



自2015年起,中国超越日本成为全球最大的工业机器人市场。随着中国工业转型升级步伐的加快,中国经济发展的内在动力得到进一步增强,为顺利实现产业结构调整,推进智能化生产,制造业企业纷纷加快自动化生产的步伐,中国工业机器人的下游应用领域不断扩大,从原先集中在汽车制造业、精密设备制造业逐渐发展应用于食品加工、3C 电子生产等领域。在工业化水平不断提高的背景下,中国制造业“机器换人”需求旺盛,中国工业机器人产量持续增长。根据国家统计局数据,中国工业机器人产量由2015年12,050台增长到了2019年147,683台,复合增长率达到了87.1%  , 其中,2018年3月起,受中美贸易摩擦等外部环境影响,中国出口行业关税增加,对工业机器人需求量最大的两个应用领域汽车、3C电子行业景气度下滑,使得工业机器人产量增长动力不足,未来随着5G技术的应用落地,3C电子行业将迎来新一轮发展机遇,自动化散造脚步将加快,工业机器人的需求将进一步提升,从而带动中国工业机器人产量的进一步增长,预计到2024年,中国工业机器人产量有望达到26.1万台左右。


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四、中国工业机器人行业发展趋势


(一)工业机器人智能化水平提升,人机协作更加和谐

根据中国工业机器人行业资深专家介绍:良好的人机关系并不是机器人取代人,而是融洽的人机协作关系,计算机技术的快速发展将促进工业机器人向着智能化、高控化方向发展,人机之间的协作交流、交互更加稳定。


(1)机器人编程方式由示教编程向离线编程转变,示教器是进行机器人手动操纵、程序编写、参数配置及监控用的手持装置,也是最常见的机器人控制装置。但传统的示教编程具有编程时机器人停止工作、程序需在实际系统上试验、编程质量取决于编程者经验等缺点,促使编程系统朝着离线编程方向发展。相比示教编程,离线编程可减少机器人停机时间、用CAD方法进行最佳轨迹规划,更好地调试与规划工作空间、避免出错;


(2)随着工业机器人主要应用领域3C电子行业对细微技术处理、柔性化、集成化等要求不断提高,驱控一体化将伺服驱动技术、运动控制技术和机器视觉技术融合在一台机器上,且采用分布式CPU 架构,可使各项硬件发挥各自特长,保证机器人运动更加平稳。


(二)细分领域-并联机器人占比提升

中国制造业企业大多停留在工业2.0或者工业3.0自动化的早期阶段,以粗放型发展模式为主,机器人承担部分体力劳动,大多数制造业企业自主创新能力弱,产品附加值低,产品稳定性也有较大改进空间。随着工业4.0时代开启,生产信息正朝着数据化、智慧化方向发展,而生产模式高度灵活,势必将推动工业领域产生重大变革,工业4.0解决方案的硬件包括工业机器人及其高端零部件,该解决方案对工业机器人的基础技术、产品技术和系统技术升级需求巨大。未来,中国制造业产业将朝着集约化、智能化的方向进行产业升级,有望推动机器人制造商加强工业机器人在下游应用领域的可靠性与实用性。


从销量上来看,2019年中国市场并联机器人销量为3,500台,而工业机器人销量超过15.6万台,在工业机器人领域的销量占比小,仅为2.2%,这是由于并联机器人的应用范围小所导致的。其中,3C电子行业是并联机器人重要的下游应用领域,其中装配检测、包装分拣等环节对并联机器人的需求较大。据中国国家工信部数据显示,2014年至2017年,中国电子信息制造业市场规模从9.3万亿元增长至13.6万亿元,年复合增长率达10.0%,预计到达2021年市场规模能够达到17.3万亿元。近年来3C电子行业发展迅速,随着人工成本逐步上升,自动化改造需求也将随之提高,3C电子行业将成为未来并联机器人市场主要增长点。现阶段,应用于电子制造环节的工业机器人类型包括轻载串联机械臂、直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、并联机器人等,并联机器人具备重量轻、运动速度快、定位精确、效率高等特点,未来随着机器人生产成本的进一步降低,并联机器人有望扩大在3C电子行业的应用规模,提升在工业机器人中的占比。

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五、中国工业机器人核心细分行业分析




(一)SCARA机器人

定义:SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm,即选择顺应性装配机械手臂)机器人是一种平面关节型工业机器人,其构造共有4个关节,包括3个互相平行的旋转关节,用于平面上对物体进行定位与定向,还有1个垂直于平面的移动关节,用于完成机器人末端件在垂直平面内的运动。SCARA机器人在X、Y轴方向上具有顺从性,在Z轴方向具有良好的刚性,可在有限空间中作业然后收回,主要应用在3C电子、半导体、食品、医药等相关行业的装配、物料搬运等环节。


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(1)中国SCARA机器人发展现状

2012年起,中国SCARA机器人行业开始集中发展,国产机器人企业如众为兴、台达、天太、李群自动化等在吸收、消化国外技术后,开始自主研发SCARA  机器人,促进SCARA机器人向高精度、智能化方向发展。SCARA机器人的特点是负载小、速度快,主要应用在快速分拣、精密装配等领域。SCARA机器人应用最多的行业为3C电子行业、半导体行业、食品行业、医药行业等,其中3C电子行业对SCARA机器人的消费量最大,一条电子产品生产线所需的SCARA机器人可达上百台,3C电子行业大约占据60%的SCARA机器人消费量,在劳动成本逐步上涨趋势下,食品、医药行业对使用机器人解放人力的需求愈发强烈,有望进一步刺激SCARA机器人市场容量释放。


(2)中国SCARA机器人市场规模

在制造业转型升级、智能制造战略实施过程中,工业机器人是实现制造业转型升级的重要工具,其发展状况得到市场重点关注。2015至2019年期间,得益于汽车零部件、3C电子、食品等劳动力密集型行业对“机器人替人”需求不断释放,中国SCARA机器人市场规模由2015年的3.0亿元迅速上升至2019年的14.7亿元,年复合增长率达到48.8%,始终保持着快速增长势头。横向来看,SCARA机器人发展增速远超六轴工业机器人增速(约30%左右),这是因为SCARA机器人拥有同步精度高、效率快等优点,同时与其他工业机器人相比具有成本优势。预计在5G的带动作用下,5G移动端、PC端等新型电子装备生产制造将推动自动化设备采购需求,为SCARA机器人发展增添新动能中国SCARA机器人市场规模有望达到59.8亿元。


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(3)中国SCARA机器人行业典型企业


1.图灵机器人


上海图灵智造机器人有限公司(简称“图灵机器人”)是由上海交通大学于2007年出资组建的高新科技企业,旗下拥有创建于1978年的意大利RRRobotica子公司,已研发出多款工业化图灵机器人。


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竞争优势:


a.研发优势

图灵机器人的机器人软件控制研发主要由上海交通大学教授和博士学术带头人牵头,核心研发人员均拥有硕士以上学历及十年的运动控制算法开发经验。图灵机器人机械本体研发团队由知名外资机器人公司的研发骨干组建而成。通过高校科研成果转化与成熟产品沉淀,并通过研发优势进一步保障了产品的稳定性和可靠性。


b.产品优势

图灵机器人通过独立自主研发核心零部件--机器人控制器和驱动软件,一方面降低了机器人控制器成本。另一方面,图灵机器人可根据用户需求进行定制化开发或联合开发。


2.李群自动化


李群自动化技术有限公司(简称“李群自动化”)成立于2011年,是一家从事轻量型工业机器人研发、生产、销售与应用的高新技术企业。李群自动化于2013年研发出全球首台驱控一体并联机器人,2014年推出自主品牌SCARA机器人,2017年推出新一代分布式驱控一体智能机器人控制器。除了提供机器人产品、服务与整体解决方案外,李群自动化还可以为企业构建自动化生产系统及过程。


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竞争优势:


a.产品优势

李群自动化拥有自主品牌并联一体机、SCARA一体机、六轴一体机,是除全球机器人巨头ABB外第二家拥有全品类工业机器人产品的企业,除了机器人本体外,李群自动化还将应用软件平台和智能解决方案纳入产品体系。产品面广,灵活响应市场。


b.客户优势

李群自动化联合多行业的领先企业开展自动化生产线设计与定制,2015年完成为月饼生产厂家利口福定制了中国业内第一条全机器人自动化月饼包装线,节省了80%的人力成本、50%的工程占地。2018年联合足球制造企业硕科推出首条足球自动化生产线,帮助硕科提升近10倍生产效率。


(二)并联机器人

定义:根据《机器人与机器人装备词汇》GB/T 12643-2013国家标准,并联机器人是工业机器人的细分品类,指手臂含有组成闭环结构杆件的机器人。并联机器人由动平台、静平台和至少两个独立的运动支链构成,有两个或两个以上的自由度。每条运动支链分别有移动副、转动副、滚珠丝杆、连杆、滑鞍、支链体和伺服电机等部件组成。


与传统串联机器人的开发式结构不同,并联机器人其中一个轴的运动不会改变另一个轴的坐标原点,驱动单元与末端执行器之间连杆等结构形成多闭环,驱动单元全部布置在一段,能量从驱动单元输入,经过支链传递到末端执行器,最终通过末端执行器如刀具、抓手等做功。


特点:运动速度快、刚度大、精度高等。能在应用上与串联机器人可形成互补,常用于集成机械设备及生产线中的高速分拣及包装环节。


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(1)中国并联机器人发展现状


Delta机器人:具备3个空间自由度和1个转动自由度的并联机器人,业内被称为“3+1轴并联机器人”。


从产品结构上来看,Delta系列并联机器人赞助并联机器人市场60%-70%的比重,二自由度并联机器人占据20%的比重,其余并联机器人类型还未实现规模化生产。


相较其他的工业机器人类型,并联机器人体量较小,2019年在工业机器人领域销量占比仅为2.2%,但发展势头迅猛,2019年行业销量平均增速达50%左右。近年来,国产并联机器人企业不断追赶国际领先并联机器人企业,基础实力得到充分提升,中国并联机器人龙头企业如阿童木机器人在2019年销量增速达到200%-300%.现阶段,国产并联机器人所占市场比重已经超过40%,外资并联机器人品牌市场比重呈现下降趋势。但整体而言,并联机器人正面临造价过高,而导致应用规模无法扩大的问题。与串联机器人相比,Delte机器人造价普遍在10万元上下,而国产串联机器人中水平关节机器人单价为2-3万元,进口的水平关节机器人单价在5万元左右。


在运动速度上,并联机器人虽占优势,但水平关节机器人进度更高,且具备价格优势,下有附加值较低的行业,如食品行业,对水平关节企业仍的接受度更高。

未来并联机器人企业还需进一步寻求降低生产成本途径,以刺激下游应用企业释放需求。


(2)中国并联机器人市场规模

随着全球制造业格局重大调整,劳动力成本不断上升,中国大力引导和支持并联机器人行业的发展。在中国制造业产业转型升级和工业4.0智能制造的大背景下,下游制造行业对并联机器人的需求正不断释放。中国并联机器人销量从2014年的625台增长至2019年的5800台,年复合增长率达到53.8%。预计在2023年有望超过2万台,未来五年的年复合增长率将达到42.0%,有望成为工业机器人细分领域中增长速度最快的机器人产品。



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(3)中国并联机器人行业典型企业

1.阿童木机器人


阿童木机器人是辰星(天津)自动化设备有限公司旗下品牌,成立于2013年,主要从事并联机器人的研发、生产和销售。2019年阿童木机器人销量相较于2018年实现了300%的增长,其中30-40%的增长份额来新增客户,其销量在中国并联机器人行业仅次于ABB公司。


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竞争优势:


a.研发技术优势

阿童木机器人具备良好的技术基础和研发实力,经过多年技术积累,已经完成对控制系统和视觉系统的自主研发,旗下并联机器人产品实现了结构优化、模组标准化,系统搭建可靠性和稳定性较高,提高了并联机器人在复杂、高速使用环境下的速度和效率。


b.市场优势

阿童木机器人的产品覆盖食品、制药、电子、日化等行业,累计服务客户超过300家,在业内处于第一梯队机器人企业。在过去两年内,阿童木机器人发展了200余家集成商客户,持续扩大终端应用规模。



2.翼菲自动化


济南翼菲自动化科技有限公司(简称“翼菲自动化”)成立于2012年,总部位于山东省济南市高新开发区,在美国硅谷、深圳、上海设有分公司,是一家集工业机器人研发和制造、控制系统开发、视觉系统开发、OEM配套、自动化系统集成于一体的综合型自动化企业。


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竞争优势:


a.技术优势

翼菲自动化旗下产品迅翼机器人搭配了翼菲自动化自主研发的机器人专用控制系统,大幅提高了运动的速度和加速度。在标准行程下,机器人工作节拍最快可以达到0.3秒以内,充分满足了高速生产的要求,重复定位精度可以达到0.08毫米,适用于高精度工作环节。


b.应用优势

迅翼并联机器人可广泛应用于食品、医药、日化、3C电子、新能源以及物流行业。以食品行业为例,迅翼并联机器人可用于各种包装情况(袋装、盒装、瓶装等)的食品搬运、整理、分拣、装盒和装箱等工序。迅翼并联机器人平均瓶体自动装箱速度能够达到126瓶/分钟,在一次性完成一整箱产品包装同时,还可以兼容多种产品,既节约了人力,也提高了生产效率。


五、FABIE观点


工业机器人在制造业的应用相当广泛,在汽车、3C电子、金属加工、塑料及化学制品、食品饮料、生物制药等行业日常生产制造过程中皆得到了不同程度的应用。工业机器人可代替人从事重复性、常规性、高危性工作,从而提高工作效率。


《制造2025》的出台,标志着制造业智能化将会进一步提升。如今,智能已经成为绕不开的关键词,AI产品更是层出不穷。人工智能将是大势所趋,中国工业机器人更需要紧贴智能化发展,工业机器人的智能化属性增强,为人工智能提供更多的应用场景,进一步扩大智能制造,带动传统产业转型升级。

标签:  
人工智能先进制造机器人

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