深度专题:工业机器人核心零部件国产化的影响

文章正文
发布时间:2018-06-10 10:57

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

2018-06-11 00:25来源:广发机械工业/进出口/技术

原标题: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

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,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。

工作原理:1.第一减速部:伺服电机的旋转从输入齿轮传递至正齿轮,按二者的齿数比进行减速;曲轴直接与正齿轮相连,以相同的转速旋转。2.曲轴部:曲轴旋转,带动偏心部的RV齿轮进行偏心运动。3.第二减速部:另一方面,针齿数目比RV齿轮的齿数多1个;如果曲轴旋转1圈,RV齿轮与针齿接触的同时进行1圈的偏心运动,使得RV齿轮沿着相反方向旋转1个齿数的距离,并通过曲轴传递至输出轴,实现减速。而总体减速比为第一、第二减速部的减速比之积。

谐波减速器:基于行星齿轮传动发展起来,由波发生器、柔轮、刚轮和轴承组成。其工作原理在于依靠波发生器使柔轮产生可控弹性变形,而柔轮比钢轮少N个齿轮位。因此,当波发生器转一圈,柔轮移动N个齿轮位,产生了所谓的错齿运动,从而实现了主动波发生器与柔轮的运动传递。谐波减速器是通过柔轮的弹性变形来实现传动,其优势是传动比大、零部件数目少;其缺点是弹性变形回差大,这就不可避免地会影响机器人的动态特性抗冲击能力等。

从国内外产品技术指标来看,国外产品信息相对完善,每种规格对应的各技术指标都有精确的数值呈现。而国内在这方面略显欠缺,表明国内企业在检测能力方面的不足,缺少严格的质量管理体系。目前,国产减速器还存在两方面的问题:1.产品系列不健全。日本纳博具备全系列产品,基本上可以应用于所有领域,其RV-N系列产品还处于专利保护期,而国内产品系列相对残缺;2.一致性问题。国产减速器在实际使用环境下的性能,与实验室性能无法完全匹配,个别产品存在漏油、精度降低等情况,是阻碍国产减速器进军高端市场的原因之一。

从RV减速器的技术指标来看,对比纳博RV-E系列和南通振康的产品,可以看到在同一输出转速和输入功率下,二者的输出扭矩范围相当,说明国内产品在传动效率上已经可以与国外媲美。然而工艺水平是限制RV减速器发展的主要原因,例如非标特殊轴承是RV减速器的精密机构,其间隙需根据零部件加工尺寸动态调整。为了结构紧凑,薄壁角接触球轴承精度要求较高,加预紧力后轴承的游隙为零。因此,今后需要在传动精度、扭转刚度等方面加强研究。

从谐波减速器的技术指标来看,国内的苏州绿的和中技克美的减速比范围与日本哈默纳科水平相当,产品性能基本满足要求,目前已经大量应用于国产机器人。而国外产品在输出扭矩、平均寿命和一致性等技术指标上依然占据优势。

2.2 国产化进程:国内企业订单频传,加速进口替代

竞争格局:减速器的技术壁垒在核心零部件中是最高的,在一个配合精密的系统中,间隙或过盈配合的微小偏差,会造成接触刚度/啮合刚度的成倍差异,进而引发运动参数的变动。这种高壁垒,造成精密减速器技术一直由日本掌控。根据OFweek披露的数据,2015年全球精密减速器市场被日本的两家企业所垄断,其中纳博特斯克生产RV减速器,约占60%的份额,哈默纳科生产谐波减速器,约占15%的份额。

国外企业发展状况:RV减速器的主要厂家是日本纳博、住友和斯洛伐克的SPINEA,由于中国日益增长的需求,日本企业也开始加速扩充产能。根据官网披露,2017年纳博特斯克向日本津市的主力工厂和江苏常州的中国工厂(与上海机电合资)合计投入70亿日元增产减速器,产能扩大至年产84万台;2020年计划再投资190亿日元达到120万台。根据JP Morgan的数据,在中/重负荷机器人上,纳博RV减速器市场占有率高达90%。根据高工机器人网的统计,2017年纳博减速器在中国市场的出货量同比增长近30%,供货周期4个半月左右。

谐波减速器方面,生产厂家主要是日本的哈默纳科和新宝。哈默纳科在2013年和2016年分别成立了深圳和重庆分公司,根据高工机器人网的披露,2017年旗下减速器在国内的出货量增长了近80%,新工厂陆续投产带来产能提升30%-40%。

日本巨头业务规模不断扩张。2003年,帝人精机和纳博克合并组成纳博特斯克,并发展为RV减速器的巨头。上世纪80年代,公司取得了精密摆线针轮RV减速机专利后,于1986年开始批量生产,为现代工业机器人的关节进行配套。哈默纳科则是整体运动控制的领军企业,其生产的HD组合型谐波减速机,除了工业机器人以外,还广泛的应用于半导体液晶生产装置、光伏设备、精密机床等各种尖端领域。2014年以来,两家企业销售收入出现了非常明显的增长。2017年,纳博特斯克减速器业务收入647.5百万美元,同比增长32.8%;哈默纳科减速器业务收入402.9百万美元,同比增长81%。近几年,中国是全球最大机器人消费国,对两大巨头的业务形成有力支撑。

国产企业布局积极,有望率先突破。减速器是制约降低国产工业机器人成本最重要的因素,尽管目前国产工业机器人减速器研发困难重重,但是整体产品的质量在逐步提高,在一些核心指标上已经达到国际水平,其高性价比已经得到了部分国内企业的认可,例如新松机器人、埃夫特等企业均开始使用南通振康的RV减速机产品。目前国内公司已经开始积极布局精密减速机业务,主要上市公司包括某齿轮传动企业、秦川机床、上海机电和巨轮股份等,非上市公司包括南通振康、中技克美、北京谐波等。

国内企业减速机业务推进顺利,订单频传。2017年以来,减速器国产化进程显著加快,中大力德将于2019年底之前向伯朗特供货RV减速器不低于30000套;埃夫特将采购某齿轮传动企业的RV减速器一万套;而南通振康将分别向上海欢颜、埃夫特批量提供减速器。根据年报的披露,上海机电旗下的纳博精机于2015年10月投产,目前已经达到10万台产能,并于2017年5月开始实现单月盈利,目标早日达到20万台的产能。除此之外,中技克美成为国内第一家上市的谐波减速器企业,产能2万套,其中50%-60%用于军工领域。秦川机床、中大力德、来福谐波也分别开发了系列产品,进入量产阶段。

国内减速器业务赢来放量。2017年,我国工业机器人产量超过13万台,同比增长81%。在下游本体出货量增长、减速机市场的全球供给缺口放大、国产技术逐步成熟等因素的推动下,国产减速机企业迎来难得的发展机遇。

在RV减速器方面,南通振康早在2010年便开始研发可用于机器人领域的RV减速装置以及系列交流伺服电机,投入批量生产,2013年产量200多台。根据高工机器人网的统计,2017年南通振康减速器出货量较去年增长约120%,达到约1.5万套,形成了“ZKRV”品牌RV-E、RV-C、RD三个系列共10种规格产品,具备年产3万台的能力。其下游客户数量从2013年的50家上升到了200多家,其中包括广州数控、新松、博实等。从技术指标来看,目前南通振康在RV减速器领域的技术水平处于国内领先,可以将齿隙精度控制在1弧分之内,传动精度也在1弧分之内,额定条件下效率超过80%。此外,力克精密月均销量700台左右,总出货量已经突破5000台。

谐波减速器方面,由于其结构相对简单,叠加哈默纳科的专利到期,国产谐波减速机跟国外相比差距不大。根据官网的披露,2016年绿的谐波销售精密谐波减速器超过6万台,在国内机器人谐波减速器市场的渗透率超过80%,市场占有率超过50%,已拥有较好的品牌知名度和口碑。在当前机器人小型化、轻便化发展的趋势下,苏州绿的2017年出货量同比增长近100%,销量已接近12万套。此外,来福谐波的出货量近10000套,来自机器人行业的订单占比约40%,2018年目标发货量50000套。

2.3 需求测算:未来减速器业务有多大的空间?

减速器在工业机器人中的应用。对于多关节工业机器人来说,由于负载不同,配套的减速器类型可能产生差别,但每一个关节部位都需要配套一台精密减速器。因此,一台通用机器人需要的减速器个数为4-6套。另外,对于已保有的工业机器人,减速器本身有额定的工作寿命,需要定期更换;而工业机器人的工作寿命一般为8-10年,期间减速器作为传动、承重部件,磨损是不可避免的。因此,我国当前保有工业机器人维修保养也需大量的减速器。

减速器市场测算逻辑:根据IFR的预测,按照类型划分未来工业机器人需求量,进一步按每种类型的机器人所需的RV和谐波减速器数量,来预测总体市场需求和空间。

2016年中国机器人销量已接近全球市场份额的30%,连续四年成为全球最大的工业机器人市场。根据国际机器人产业协会IFR的预测,未来几年中国机器人行业销量有望维持25%-30%左右的增速。我们以IFR预测下限25%的增速,以2017年14万台为基数进行测算。到2020年,我国工作机器人销量有望达到27万台。

另外,根据MIR公布的2017年中国工业机器人市场份额,按类型来划分,六轴多关节机器人、SCARA机器人、关节型手臂、协作机器人和DELTA机器人的占比分别为67.8%、21.2%、6.05%、2.89%、2.05%。我们按照各种类型工业机器人所需减速器类型和数量进行划分。一般情况下,六轴多关节机器人需要4套RV减速器和2套谐波减速器;SCARA机器人包含4个谐波减速器;关节型手臂和协作机器人类型较多,我们按照4轴多关节机器人计算,大约每套需要3个RV减速器和1个谐波减速器;而DELTA机器人的电机安装在固定基座上,我们按照其需要1个谐波减速器计算。

由此,我们可以得出以下减速器需求量测算公式:

RV减速器数量=六轴多关节机器人*4+(关节型手臂+协作机器人)*3;

谐波减速器数量=六轴多关节机器人*2+(关节型手臂+协作机器人)*1+SCARA机器人*4+DELTA机器人*1。

根据我们的测算结果,到2020年RV减速器市场需求81.5万台,谐波减速器需求63.3万台,总体市场需求量有望达到144.8万台。当前,一台进口的RV减速器的售价约7000元左右,而国产减速器的价格要低30%-50%左右,我们按照5000元一台的价格计算;而谐波减速器价格按照一台2000元价格计算。考虑到国产化的进程,国内外减速器价格均在持续走低,以纳博特斯克RV401产品为例,目前的价格可能是4年前的一半,一定程度上挤压了未来价格的降幅空间,我们以每年价格下跌4%左右测算。根据上述计算过程,2018-2020年间,国内减速器市场空间分别有望达到30.24、36.29、43.54亿元。

三、伺服电机与控制器,相辅相成的核心零部件

3.1 伺服电机:国产替代空间最高

伺服系统下游应用领域众多。在20世纪70年代,随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展和性价比不断提高,交流伺服系统逐渐取代直流伺服系统成为主流产品。而国产交流伺服系统在核心技术方面已取得突破,国内外差距已明显缩小。目前伺服系统的应用领域主要集中于机床,但近几年电子制造业和机器人行业的崛起,催生了大量行业需求。2016年,机器人占伺服系统下游应用的9%。我们认为,随着未来机器人零部件实现突破,我国工业机器人行业将迎来快速发展期,伺服系统的应用领域也将由机床向机器人倾斜。

这里我们需要强调的是,伺服电机并不完全等于伺服系统,但后者的运用环节能很大程度上反映伺服电机的下游应用。完整的伺服系统包括伺服电机、伺服编码器和伺服驱动器三个部分。

伺服驱动器又被称为伺服控制器,作用类似于变频器之于交流马达,一般是通过速度环、位置环、电流环分别对伺服电机的转速、位置、转矩进行相应控制,实现高精度的传动系统定位伺服编码器是安装在伺服电机末端用来测量转角及转速的一种传感器,目前自控领域常用的是光电编码器和磁电编码器。作为伺服系统的信号反馈装置,编码器很大程度上决定了伺服系统的精度。

伺服电机作为执行元件,作用是将伺服控制器的脉冲信号转化为电机转动的角位移和角速度,主要由定子和转子构成,定子上有两个绕组,励磁绕组和控制绕组。其内部的转子是永磁铁或感应线圈,转子在由励磁绕组产生的旋转磁场作用下转动。机器人的关节驱动离不开伺服电机,关节越多,其柔性和精度就越高,所要求使用的伺服电机数量就越多。机器人对伺服电机的要求较高,必须满足快速响应、高启动转矩、动转矩惯量比大、调速范围宽,要适应机器人的形体做到体积小、重量轻、加减速运动等条件。

伺服电机可以分为交流(AC)和直流(DC)两大类。具体来看,直流电机又分为有刷和无刷电机,前者成本低,但会产生电磁干扰,对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。而交流伺服电机与直流电子相比,主要优点包括:(1)无电刷和换向器;(2)惯量小,快速响应;(3)适用于大力矩环境;(4)定子绕组散热方便。目前工业机器人中使用较多的是交流伺服电机。

交流伺服电机也称为无刷电机,分为同步和异步电机。异步电机负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系,有较高的运行效率和较好的工作特性,从空载到满载范围内接近恒速运行,能满足大多数工农业生产机械的传动要求。而同步电动机的功率因数可以调节,最高转动速度低,且随着功率增大而快速降低,因而适合做低速平稳运行的应用。在不要求调速的场合,应用同步电动机可以提高运行效率。到目前为止,高性能的伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机,典型生产厂家如德国伦茨、路斯特、西门子、日本安川等公司。

如今一般伺服电机都追求高精度、高可靠性、高热容量、高刚度、轻量化和高响应性等性能。国际上主要伺服电机厂家的电机手册也一般会收录机械时间常数、电器时间常数、发热时间常数、转动惯量和过载运动能力等参数,这些都是伺服电机的主要参考指标。

竞争格局:国内品牌占据一定市场份额。根据产业信息网的数据,我国伺服电机市场随着工业机器人的发展而不断扩张。2016年我国伺服电机市场规模102.6亿元,同比增长11.16%,2007-2016年复合增长率为21.6%。

国产品牌主要集中在中低端,高端产能和技术水平不足,因此主要依赖进口。根据《工业机器人产业竞争情报分析》论文公布的数据,我国伺服电机以日系、欧美系等品牌为主导,自有品牌率占15%,未来有望实现伺服电机的进口替代。

面对国外的竞争压力,国内企业在细分市场的突破成为差异化竞争的主要方式,在伺服电机领域也体现了这一思路。目前,国内的领先厂商包括汇川技术、埃斯顿、华中数控、英威腾等,这些企业原本是液压行业、包装机械、注塑机械伺服电机的龙头企业,凭借着原有业务的技术积累,开始向机器人专用伺服电机突破。

我们对比了国内外伺服电机的龙头企业安川机电与汇川技术。从业务规模来看,汇川技术伺服系统的体量较小但增速较快,逐步实现全系统零部件的自主化生产。2017年伺服类产品营业收入接近12亿元,体量不到安川机电的十分之一。因此,国内公司的增长空间较高。

从产品结构来看,安川机电该类产品主要是伺服电机、控制器和驱动器等,而汇川技术的产品种类更加丰富,包含了控制器、伺服电机、驱动器和编码器,较全的产品系列也保障了盈利能力,汇川的毛利率要高于安川机电近13个百分点。在产品性能提升的背景下,成本优势的凸显将打开市场豁口,有望实现国产化突破。

3.2 控制器:与国际差距最小的零部件

控制器是机器人的大脑,主要负责发布和传递动作指令。其主要任务是对机器人的运动规划,以实现机器人的操作空间坐标和关节空间坐标的相互转换,完成高速伺服插补运算、伺服运动控制。

控制器分为硬件结构和软件结构。硬件方面,目前市场已经研发了基于多CPU的分级分层控制系统。以典型的DSP控制器为例,该控制器采用模块化结构,以工业PC作为系统的硬件平台,通过DSP控制卡实现对机器人多个自由度的操控,提高了机器人控制器的运动控制性能。

软件方面,又分为上位机PC部分和下位机运动控制部分。其中,上位机模块主要功能是对系统的可调参数进行设置,对机器人的正、逆运动学建模求解,并把运动控制卡与控制程序在逻辑上连接起来。下位机模块由主控程序、运动程序和通讯程序构成,实现高速伺服插补运算、伺服运动控制。

竞争格局:硬件差距较小,难点集中于软件。控制器本质上就是一个数据处理器,随着半导体技术的成熟,半导体芯片的性价比越来越高,因此控制器在硬件上并无太高门槛。在机器人的核心零部件中,控制器的技术难度是最低的,国内企业开发的控制器产品已经可以满足大部分功能要求。

但控制器的核心在于算法要与机器人本体相匹配。目前,国外主流机器人厂商的控制器均是基于运动控制平台进行自主研发,以保证匹配性,导致国内企业控制器尚未形成竞争优势。根据OFweek机器人网的数据,2015年国内控制器市场中,发那科、安川、ABB占据53%的份额,爱普生、OTC等二线企业占据23%的份额。可以说,国产控制机在硬件上与国外差距不大,差距主要是算法和兼容性方面。

机器人控制器的主要供应商包括国外的几大厂商和国内的固高科技、埃斯顿、广州数控等企业。从目前的技术来看,国内企业在该领域的布局已经看到了国产突破的希望,其中固高科技的控制器已经涵盖了从三轴到八轴各类型号机器人,技术难度最大的八轴机器人控制系统实现批量生产。根据高工机器人网统计的数据,固高科技在PCbased控制器领域市占率接近50%。另外,埃斯顿也收购了英国TRIO,借此转型高端运动控制方案商,后者是全球运动控制十大品牌之一。根据年报的披露,2017年埃斯顿运动控制及交流伺服系统业务收入同比增长57%,基于TRIO的运动控制完整解决方案在机械手、3C电子制造设备等行业已经具备了一定影响力。市场规模方面,根据高空机器人网的数据,2015年中国控制器市场规模达23.2亿元,同比增长19%,机器人控制器约3.9亿元,占比17%。

国产核心零部件的缺失会抬高国内工业机器人成本,产业长期以来通过压缩本体利润空间的方式,补贴了高昂的零部件进口成本。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,这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。产业的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。

四、核心零部件国产化对国内企业有何影响?

产业发展初期,国产企业大多集中在中游的本体组装和下游的系统集成,导致前期国内工业机器人发展潜力带来的产业红利被国外厂商占据。目前,国产企业也开始向核心零部件领域进军,诞生了一批真正拥有自主产权的企业,上市公司主要包括新松机器人、新时达、埃斯顿、华中数控等,非上市公司主要是广州数控、雷赛智能、南通振康、苏州绿的等。

这些国内优秀公司若真正能在零部件技术上实现突破,我们认为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,特别是2017年零部件紧缺对机器人厂商产能的扩张形成一定制约。国产化并非一定会带来利润率的提升,当前国内本体厂商最重要的是扩张市场,处于“以利润换市场”的阶段。

2.对于系统集成商来说,成本下滑会推广机器人的应用,使得机器人能够走进更多企业。下游需求增强,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.对于商业模式来说,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。

4.1 对本体企业的影响:处于“以利润换市场”的阶段

从国际经验来看,各国机器人产业发展的模式存在差异。美国本土不生产机器人,通常由公司进口,再自行设计外围设备;日本的零部件技术突出,形成全产业链进行设计-开发-生产过程;德国以培育龙头企业为核心,进行产业规模化生产。中国前期的产业模式与美国相近,更多集中于系统集成;而当下核心零部件国产化进程加速,对本体企业的影响是两方面的:

1.生产成本下滑。核心零部件占总成本的比例高达70%,国产化会推动本体生产成本的下滑。一方面,国产零部件的售价相对较低;另一方面,国产技术的突破势必也会带动外资品牌的降价浪潮。以165kg六轴多关节机器人为例,3年前,该机型配套的6台减速器国外主流企业的购买价格在2-5万左右,而国内的进口成本约在7-12万,平均每台减速器约1.2-2万元。而当前,国外领先企业RV401型号的减速机售价在5000元左右,国内零部件企业的售价还要再低20%以上。由于本体企业减速器一般采用外购形式,零部件价格的下滑也会推动本体生产成本的下降。

2.产能的扩张。实际上,2017年由于下游需求的持续扩大,工业机器人需求量加速上涨。而核心零部件的紧缺,特别是减速器环节,对本体厂商产能的扩张形成一定的制约。随着减速机的国产化,零部件对于本体产能的桎梏将会放宽,机器人厂商的产能有望进一步扩张。

那么,生产成本的下滑,是否一定意味着盈利水平的提升呢?

我们选取了机器人、拓斯达和埃斯顿作为国内企业的代表,以机器人业务的平均毛利率来衡量盈利水平。从过去几年的数据来看,组合中机器人业务的毛利率出现了一定程度的下滑,由高点的36.7%下降到2017年的33.0%,反映出盈利能力并没有显著提升。我们认为,当下的中国市场与韩国一定程度上类似,韩国曾经推广“以市场换技术”政策,强化工业机器人的应用普及率。而当前,中国的本体企业更看重市场规模的扩张,而非利润,通过产销规模的扩张提升国产企业在机器人市场的份额。从规模来看,三家企业2017年机器人业务总体收入16.9亿元,同比增长57%;如果去除较为成熟的新松机器人,拓斯达和埃斯顿的合计收入增速达到117%。可以说,当前国内机器人企业处于“以利润换市场”的阶段。

我们认为可以从几个角度来解释当前企业更看重市场规模的做法:(1)企业竞争加剧。随着“机器换人”浪潮的来临,从事机器人行业的企业数量在持续提升,诞生了一批诸如拓斯达、埃斯顿等的优秀企业,这些企业之间竞争在加剧,同时还要面对外资企业的降价风险;(2)市场份额的扩张往往具有逆周期性。当前机器人下游需求充足,在市场环境较好时,国产企业通过一定程度的价格折让能够获得更多的市场份额,通过规模的提高维持利润水平是相对理性的做法。

我们以精密减速器为例,进一步测算了核心零部件成本与机器人本体价格变化对盈利能力的敏感性分析。

具体来看,我们详细拆解了适用于上下料和搬运的工业机器人裸机成本。机器人裸机是指一台完整能动作的机器人,包括了伺服电机及控制系统,但未包含相应的周边夹治具或辅助设备。该机型裸机的总成本为13.8万元。

减速器方面,该机型J1-J3轴使用日本帝人(纳博特斯克)RV减速器,剩余三轴使用HD谐波减速器。伺服电机方面,J1和J6轴的伺服电机不带刹车。减速器、伺服电机、控制器占成本的比例分别为26%、18%、17%。不同型号的负载能力、应用场景不同,对于零部件能力的要求不同,导致成本构成存在一定差异。例如,码垛类、搬运机器人则对负载能力要求比较高,应用于电子行业较多的SCARA机器人则对精度和速度要求比较高。该机型核心零部件的占比依然超过60%。

零部件国产化带来成本的下降,但本体的价格也会出现下滑。从我们的测算结果来看,在机器人本体价格下滑5%的情况下,减速器价格下跌20%时,盈利能力几乎不变,而减速器价格下跌40%时,则毛利率会提升5.72个pct。如果本体价格不变,减速器价格下滑40%,则会使盈利水平提升10.44个pct。

因此,零部件国产化能否提升本体企业的盈利能力,还要取决于本体厂商对于售价的折让程度,其本质还是产品竞争力和市场份额的演化。从另一个角度来说,只有零部件国产化,配合产销规模的提升,才会使国产企业在价格方面具有更大的灵活性。

4.2 对系统集成商的影响:强化机器人的普及率

系统集成处于整个机器人产业链的下游,为终端客户提供应用解决方案,负责机器人二次开发和周边自动化配套设备的集成。工业机器人的应用需要结合具体的行业需求,只有机器人本体是无法投入到产线中的,需要通过系统集成之后才能为终端客户所用。相较于本体商,系统集成商还要具有产品设计能力、对个性化需求的工艺理解、相关项目经验等。从产业链的角度来看,机器人本体是产业的基础,而下游系统集成则是机器人商业化、大规模普及的关键。

投资回收期往往是企业投资机器人的重要指标,我们可以根据机器人价格来测算回收周期。根据国家统计局和IFR的数据,我们以销售额除以销量计算平均售价,由此可以计算出工业机器人人均销售价格由29万/台下降到了2016年的24.6万/台,价格的年均复合变化为-4.18%。若保持4%左右的降幅,2019年工业机器人的售价有望突破22万元。

根据国家统计局的数据,我国人均可支配收入的年均增速在8%左右;而工业机器人售价降幅在4%左右,我们假设未来几年保持现有的增速,则机器人的回收周期有望下降到1.81年。在劳动力成本上升和机器人制造成本下降形成的“剪刀差”之下,机器人的投资回收期还将进一步缩短,企业也存在提升管理和生产效率的内部动力。

目前来看,2.5年以内的投资回收期对于下游客户的吸引力会显著提升。对于系统集成商来说,成本下滑会推广机器人的应用,使得机器人能够走进更多企业,有利于集成商的发展。

以拓斯达为例,公司选择以系统集成为入口切入机器人产业,这种方式最大的优势在于掌握大量终端客户的数据,有利于向上游延伸。由于下游客户涉及行业众多,其定制化的解决方案往往是非标准品。公司通过提炼非标业务中的通用工艺,形成标准化模块,将定制化的产品模块化、标准化,从而减少每次为客户提供服务中的非标部分设计时间,提高了的综合服务效率和质量。这种高性价比的集成方案也有利于提升机器人的普及率。

集成商自身可以消化机器人,其核心竞争力在于对工艺的理解。零部件国产化会强化机器人的普及率,从而提升集成商的产业地位,销售规模的扩张是可以预见的。

4.3 对商业模式的影响:向一体化模式探索

从产业链各环节来看,上游环节利润最高,本体企业利润微薄。上游核心零部件的性能直接决定了机器人的整体性能,具有技术含量高、易形成垄断的特点,也是整个产业链中利润最高的环节。而本体环节,通过采购零部件,自行设计制造非核心部件(基座、机身、机械臂、传动部件等)完成本体组装。外资品牌并不会把本体作为利润的中心,而是一个承上启下的环节。另一方面,单一本体厂商在市场推广方面会较为依赖系统集成商的支持,发展空间受到牵制。

我们以纳博和哈默纳科做零部件企业代表,以喷涂领域的杜尔集团作为系统集成商的代表。根据Bloomberg数据,纳博和哈默纳科的平均营业利润率分别为24%和10%,而杜尔集团的平均营业利润率为7%。零部件业务才是整个机器人产业链最核心的利润中心。

从全球范围来看,较为成功的大厂商一般都采用零部件+本体+集成的全产业链模式。以德国库卡为例,库卡以下游的汽车领域系统集成为切入口,最终实施产业链一体化模式。

汽车工业的特点就是快节奏的流水线式生产,这种制造方式有利于将每个环节分解成很基本的标准化工序,而库卡受益于德国巴伐利亚的产业集群,通过运用美国Unimation五轴机器人汽车产业提供焊接与汽车侧板加工系统,随后自主研发了全球第一台六轴机器人Famulus。1996年,KUKA拆分为机器人公司与焊接设备公司,机器人业务成为独立企业,并成长为国际四大家族之一。

我们对比了不同商业模式的盈利能力。全产业链的代表生产企业包括国际机器人四大家族,系统集成的代表性企业为杜尔集团和拓斯达。从毛利率水平来看,发那科盈利能力领先,这主要来源于两个方面:1.伺服系统、控制系统与机床产生协同效应;2.软件业务毛利较高。而库卡整体毛利率被系统板块拖了后腿,机器人业务的毛利率可达到35%左右。单一的系统集成商杜尔集团毛利率水平较之四大家族最低,徘徊在20%左右。因此,从毛利率角度看,单一系统集成商的盈利能力并不如全产业链形式的四大家族。

德国库卡从最初的汽车焊接,到本体制造,再到后期的控制器、伺服电机自制,已经走出了一条从下游系统集成向上游核心零部件的发展道路。从国内代表性企业对机器人产业链技术的掌握情况来看,埃夫特主要采用“本体+系统集成”模式,近年也开始进行核心零部件的研发,逐步向全产业链模式转型。

拓斯达和埃斯顿能够真正实现零部件的自主化。其中,拓斯达由下游系统集成向本体、零部件延伸,已经掌握了控制器和配合控制器的伺服驱动两类核心零部件;而埃斯顿则依托原有主业,向下游拓展,目前已能实现控制器和伺服系统完全自主生产,以及多关节机器人中的手腕关节(5-6轴)的减速器生产(根据年报的披露,公司自主研发了双曲面齿轮减速装置,其他关节高精度的精密减速器主要采购自日本的纳博特斯克)。

核心零部件的加速突破,有利于国内企业向一体化模式探索。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,集团将任务拆解、分工,各个环节转化为企业内部生产,使生产过程更加稳定,从而保障较高的盈利能力。

五、投资建议与风险提示

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,建议关注埃斯顿、机器人等;(2)重点布局核心零部件,有望率先实现技术突破的公司,关注某齿轮传动企业、中大力德、上海机电等;(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,建议关注拓斯达等。

1.机器人产业竞争加剧。人口红利拐点来临,“机器换人”浪潮的兴起导致大量本土企业进入机器人行业;同时,国际四大家族在中国市场布局完善。机器人本体面临降价风险,市场竞争更加激烈。

2.核心零部件国产化不及预期。当前,以减速器为首的国产核心零部件订单频频出现,零部件进口替代有望加速。但是当前国产零部件除了价格和寿命外,还存在产品系列不健全和一致性问题。部分产品在实际使用环境下的性能,与实验室性能不匹配,阻碍国产化进程。

3.宏观经济波动。在工程师红利发酵的背景下,中国工业机器人展现出很强的弹性,顺周期属性凸显。当前中国经济正处于“高速”向“高质量”发展的换挡期,宏观经济的波动、下游需求的变化,都会扰动机器人行业的发展。

法律声明 (请滑动以查看完整法律声明)

完整的投资观点应以广发证券研究所发布的完整报告为准。完整报告所载资料的来源及观点的出处皆被广发证券认为可靠,但广发证券不对其准确性或完整性做出任何保证,报告内容亦仅供参考。

本微信号及其推送内容的版权归广发证券所有,广发证券对本微信号及其推送内容保留一切法律权利。未经广发证券事先书面许可,任何机构或个人不得以任何形式翻版、复制、刊登、转载和引用,否则由此造成的一切不良后果及法律责任由私自翻版、复制、刊登、转载和引用者承担。

G

最前沿的基础研究、最深度的产业调研、最及时的公司跟踪。2017年新财富最佳分析师第三名,2016年新财富最佳分析师第二名,2017年IMAC最受欢迎分析师第一名 ,2017年金牛奖最佳分析师第一名,2017年水晶球最佳分析师第二名。始终坚守价值挖掘,做值得信赖的卖方品牌!返回搜狐,查看更多

责任编辑:

声明:该文观点仅代表作者本人,搜狐号系信息发布平台,搜狐仅提供信息存储空间服务。

阅读 ()

文章评论
—— 标签 ——
首页
评论
分享
Top