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深度专题:工业机器人核心零部件国产化的影响——产业重构,意义深远
发布日期:2018-06-12  来源:互联网  浏览次数:328
核心提示:来源:广发证券机械团队深度导读:工业机器人行业从2011年以来,销量平均保持30%的年复合增速水平,是机械行业最景气的子版块之

深度导读:工业机器人行业从2011年以来,销量平均保持30%的年复合增速水平,是机械行业最景气的子版块之一。站在当前时点,工业机器人行业相比于2-3年前,主要有两点核心变化:(1)销量提升明显,国内龙头企业2015年的销量量级大多在1000台以内,今年大部分龙头企业有望冲击5000台销量水平;(2)国产核心零部件加速突破,包括RV减速机、谐波减速机、伺服电机和运动控制等。基于这两点变化,可以引申出更多值得深思的问题:(1)为什么销量大幅提升,而国内机器人本体企业的毛利率并没有显著改善?规模效应失灵了吗?(2)核心零部件的突破,会对产业链带来哪些影响?哪些环节有利?(3)为什么越来越多的企业选择产业链一体化的路线?未来哪一类型的企业会逐步构筑核心壁垒。带着这些疑问,本篇报告从核心零部件出发,既研究产业现状,也探讨商业模式。

核心观点

现实:核心零部件突破桎梏,进口替代加速

减速器主要用于调速和传递负载,具备很高的精度,是技术壁垒最高的领域,也是制约国产机器人成本最重要的因素。目前国内产品的整体质量逐步提高,在一些核心指标上已经达到国际水平。2017年以来,国产减速器订单频传,进口替代显著加快,上海欢颜、埃夫特分别采购南通振康减速器共计18000台;伯朗特采购中大力德减速器3万台。此外,苏州绿的、中技克美、来福谐波也分别开发了系列产品,进入量产阶段。

伺服电机可以分为直流和交流,高性能的伺服系统大多采用同步交流伺服电机。目前国内的领先厂商主要有汇川技术、埃斯顿等,自有品牌率占15%。控制器方面,其本质上就是一个数据处理器,在硬件上与国外差距不大,差距主要是算法和兼容性方面。控制器国内供应商主要是固高科技、埃斯顿、广州数控等,其中埃斯顿收购TRIO,转型高端运动控制方案商。

随着零部件企业由小批量生产向大批量供货迈进,核心零部件的逐步国产化,使得真正具备竞争力的企业在价格方面具有更大的灵活性。国产化浪潮需要穿透到底层的设备行业,这也是提升产业竞争力的必经之路。

思考:核心零部件国产化对国内企业有何影响?

我们认为,机器人零部件的国产化会产生三方面的影响:(1)对于本体企业来说,首先会降低生产成本,其次是产能的扩张。国产化并非一定会带来利润率的提升,当前中国的本体企业更看重市场规模的扩张,而非利润,处于“以利润换市场”的阶段;(2)对于系统集成商来说,成本下滑会强化机器人的普及率,使得机器人能够走进更多企业。下游需求增强,也会提升集成商的产业地位,销售规模的扩张是可以预见的,从而有利于集成商的发展;(3)对商业模式的来说,有利于国内企业向一体化模式探索。从国际经验来看,四大家族均采用一体化的模式。我们认为,全产业链模式是当下工业机器人企业的发展趋势,在核心零部件有深入布局的公司,采用该模式将保障较高的盈利能力。

投资建议:国内工业机器人发展潜力带来的产业红利长期被国外厂商占据,出于自主发展的考虑,我国产业势必更加重视核心零部件的进口替代。对于机器人板块的投资逻辑,我们认为可以从三条主线着手:(1)具备自主研发能力并实现量产的全产业链布局企业;(2)重点布局核心零部件,有望率先实现技术突破的公司;(3)在下游系统集成具备规模优势,并逐步向上游延伸的企业。

风险提示:机器人产业竞争加剧;核心零部件国产化进程不及预期;宏观经济波动。

一、核心零部件对于机器人有多重要?

工业机器人产业链可以分为上中下游,上游是关键零部件生产厂商,主要是减速器、控制系统和伺服系统。中游是机器人本体,即机座和执行机构,包括手臂、腕部等,部分机器人本体还包括行走结构,是机器人的机械传统和支撑基础。按照结构形式,本体可以划分为直角坐标、球坐标、圆柱坐标、关节坐标等类型。下游是系统集成商,根据不同的应用场景和用途进行有针对性地系统集成和软件二次开发,国内企业都集中在这个环节上。生产出来的机器人只有通过系统集成之后,才能投入到下游的汽车、电子、金属加工等产业,为终端客户所用。

整体来看,工业机器人的总成本中,核心零部件的比例接近70%,其中减速器、伺服电机和控制器占比分别为32%、22%和12%。

具体来看,控制器由硬件设计、底层软件技术和上层功能应用软件组成,通过输入程序对驱动系统和执行机构发出指令信号,并进行控制,相当于机器人的“大脑”。由于门槛较低,成熟厂商会自行开发控制器,以保证稳定性和匹配性。伺服系统主要以伺服电机为主,后者是一种补助马达间接变速装置,通过将电压信号转化为转矩和转速来实现控制功能,相当于机器人的“神经系统”。而减速器则是技术壁垒最高的领域,往往安装于运动关节处,按照结构不同可以分为五类:谐波齿轮减速器、摆线针轮行星减速器、RV减速器、精密行星减速器和滤波齿轮减速器。

机器人技术的核心和难点就集中在上游零部件市场,成本和利润也都集中在这一领域,因此掌握核心零部件的企业就占领了产业高点,其议价权就相对更强。

机器人技术的核心和难点就集中在上游零部件市场,成本和利润也都集中在这一领域,因此掌握核心零部件的企业就占领了产业高点,其议价权就相对更强。

二、减速器:工业机器人不可或缺的明珠

2.1 技术分析:RV与谐波减速器占据主流地位

伺服电机由于脉动信号的驱动,本身具备调速功能,那么机器人为何需要减速器?

由于工业机器人需要重复、可靠地完成大量工序任务,对其定位精度和重复定位精度要求很高,因此需要专门的减速器以保证精度。减速器的另一作用是传递负载:当负载较大时,伺服电机功率有限导致输出扭矩较小,此时需要通过减速器来提高扭矩。此外,伺服电机在低频运转下容易发热和出现低频振动,对于长时间和周期性工作的机器人这都不利于确保其精确、可靠地运行。

精密减速器的存在使伺服电机在一个合适的速度下运转,并精确地将转速降到机器人各部位需要的速度,提高机械体刚性的同时输出更大的力矩。与通用减速器相比,机器人关节减速器要求具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。

工业机器人用精密减速机主要分为5类,不同类型的精密减速机在传动效率、减速比方面各不相同。衡量精密减速机的主要指标包括:扭转刚度、传动精度、启动转矩、空程、背隙、传动误差、传动效率等。

目前,大量应用于多关节机器人的减速器主要有两种:RV减速器和谐波减速器。相比于谐波减速器,RV减速器具有更高的刚度和回转精度。因此在关节型机器人中,一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置;而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部;二者之间适用的场景不同,属于相辅相成的关系。而行星减速器一般用在直角坐标机器人上。

RV(Rotary Vector)减速器:在摆线针轮行星传动的基础上发展而来,结构主要分为两级:第一级为渐开线圆柱齿轮传动,第二级为摆线针轮行星传动,包括转臂曲柄、摆线轮、针齿壳,特点在于承受大负载的同时保证高精度。因此,其技术难点主要在于工艺和装配方面:1.材料成型技术。RV减速齿轮需要具有耐磨性和高刚性,对于材料成型过程提出了较高要求,尤其是材料化学元素控制、表面热处理方面。2.精密加工及装配技术。RV减速器的减速比较高,具备无侧隙、微进给的特点,这就需要特殊部件加工和精密装配技术。

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