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钛媒体 2021-11-30

中国机器人:速度与激情

图片来源 @视觉中国

文 | 立方知造局,作者 | 刘铮,编辑 | 唐晓园

机器人概念中,我们主要关注两类产品:服务与仿人型的智能机器人;多关节和多自由度的工业机器人。在 " 中国制造 2025" 和 " 工业 4.0" 影响下,数字化制造生态成为大趋势。工业机器人作为生产环节的发力点,成为资本火热追逐的对象。

在腾讯、高瓴等资本不断加码工业机器人的背后:中国本土工业机器人早已进入生产的方方面面。

但仅仅 8 年前,中国本土工业机器人企业还在被一个拳头大的小部件卡住脖子,挣扎于成本和利润的漩涡。

不搞定谐波减速机,中国机器人就没有明天。

2013 年,中国成为全球第一大工业机器人市场。以新松、埃夫特、埃斯顿、广数等企业为首的头部厂商已经出现。

但是,和繁荣的机器人市场相对应的,是曾经极度失衡的上游产业链。

由于核心技术的缺失,2013 年的中国本土工业机器人厂商更像是组装企业,减速机、伺服电机、控制器——工业机器人三大核心零部件,全部依赖于进口。

其中,减速机是连接动力源和执行机构的中间装置,通过利用齿轮、链条、皮带传动等减速装置,把电动机、内燃机等高速运转的动力通过输入轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的,并传递更大的转矩。

更直观地说,减速机将动力转换成精度,因此把握着工业生产最精细的命脉。

在一台常规六轴工业机器人中,往往需要用到三个 RV 减速机和三个谐波减速机。总体需求量很大。是当时中国本土工业机器人成本构成里占比 36% 的 " 独一档 ",也是产业链里最亟待突破的核心技术。

在减速机技术的细分中,谐波减速机相较 RV 减速机,结构更简单,回转精度要求较低,对于轴承、材料、热处理工艺——这些中国与国外相比工业积累比较薄弱的产业、技术环节需求更小。

RV 减速机具有高刚性和扭矩承载能力,同时体积较大,适合机器人大臂、基座等重负载超过 20kg 以上的部位;

谐波减速机的体积小,运动精度高,适合机器人小臂、腕部、手部等需要精细化操作的部位。

六轴工业机器人(图片来源:遨博机器人)

3C 电子、半导体、磨具、医疗、食品、注塑等行业的生产中,更依赖轻负载、精细化操作的工业机器人,因此谐波减速机不可或缺。

让谐波减速机能够拥有国产替代,是中国本土工业机器人核心技术突破的首要目标。

在下文中我们将为你梳理:

1、中国本土工业机器人表面风光下的隐痛

2、为什么面对机器人零部件高价垄断时束手无策?

3、一家代工厂受了什么刺激要孤注一掷搞研发?

4、什么是日本尖端技术的软肋?

5、在谐波减速机突破技术封锁,拥有中国标准之后,我们在产业链上还有哪些隐忧?

01 中国机器人的盈利危机

以中国机器人 " 长子 " 新松机器人为例。2013 年前后,新松的收入规模一直跟随市场的繁荣正向发展,但每台机器的利润越来越低,毛利率节节下滑。

原因就在于减速机等核心技术的缺失,让新松在 2012-2016 年复合增长率超过 30% 的市场环境中,利润增速 " 开倒车 "。

制图:立方知造局

面对中国异军突起的市场,外资机器人品牌没有丝毫慌乱,仍然奉行一贯的对华销售策略——通过降价普及产品,扩大市场占有率,再提供后续的服务与配件来盈利。

2003 年,外资品牌一台有效荷载 5 公斤的六轴机器人,在中国的售价为 80~90 万元;到 2013 年,已经降至 20~30 万元。

仅比外资产品价格低 10% 的中国本土工业机器人,面对前者经年制霸的市场占比,下游客户更高的品牌信任度,更大更全的营销服务网络,本土优势荡然无存。

由于每台产品的高昂造价,其时中国工业机器人行业内流传这样一个说法:"100 台起步,500 台持平,1000 台盈利 "。但纵观所有本土厂商,能够卖出 200 台的已属 " 稀缺物种 "。

国家科研院所诞生的新松,是本土品牌的大哥。在刚成为全球最大工业机器人市场的中国,这位大哥带上所有小弟,以总销量 9700 多台的成绩、26% 的市场占比,与外资对比处于极端下风。

更糟糕的是,中国本土工业机器人已经陷入 " 高端产业低端化 " 的困境,六成销量都集中在搬运和上下料领域。在汽车制造、焊接等关节机器人使用场景中,外资占比高达 92%。

" 垄断 " 一词,绝非虚言恫吓。

但真正阻隔中国本土工业机器人前进的壁垒,还横亘在更上游的产业链前。

02 " 特供 " 中国的高价减速机

外资厂商的机器人能够大幅降价的根本原因,在于应对上游配件时的成本掌控力。

当时,两家日本企业——哈默纳科(谐波减速机),纳博特斯克(RV 减速机),垄断全球减速机 75% 市场份额。

同样是买家,世界机器人巨头 ABB 和发那科采购一台减速机的价格却比中国企业低不少。

之所以出现巨大价格差,有两方面原因:

1、中国机器人企业的规模普遍较小,采购减速机只能以 " 小批量,多品种 " 的模式进行,非常容易形成被动局面。

反观国外机器人巨头,一方面很早就开始与哈默纳科、纳博合作;另一方面,规模化的生产带来每月上千套减速机的采购量,采购价自然就会降低。

2、外资机器人企业,特别是日企对中国工业机器人市场的抢占态势明确。2013 年甚至被人称为日本工业机器人转战中国生产 " 元年 ":

年初,不二越公司在江苏张家港开始生产机器人;6 月,世界机器人四大家族之一日本安川电机,在常州启动新工厂。

" 薄利多销 " 是小商品市场才有的慰藉,对于中国工业机器人来说,似乎连这一点 " 慰藉 " 都快要变成泡影。

再者,机器人作为 " 专精特新 " 产业,微薄的利润不仅是阻碍研发,让企业原地踏步的圈套;也是轻易就会导致 " 翻车 " 的陷阱。

但整个中国工业机器人行业毫无议价能力。不是没有破釜沉舟的勇气——在国内没有替代品的情况下,实在无法绕开壁垒。

对于担负有军工、科研任务的高端机器人企业,为了提升机器人的质量,付出高成本采购来自纳博和哈默纳科的 RV 与谐波减速机,保证质量的可靠性,是具有实际效益的。但如果有国产高质量替代品出现,无疑能为后续的产品研发和市场布局打开独立自主的新局面。

同样,中低端技术层级的自主品牌机器人厂商,在面对 " 成本大户 " 减速机时,如果能有实惠的国产替代品选择,那么他们的同级产品也将比国外品牌更具优势,利润更有保障,也更有余力去进行自身的转型与升级。

就在中国本土工业机器人企业面临来自谐波减速机的高价垄断时,也催生出不少研发减速机核心技术的企业。

但垄断谐波减速机长达半个世纪的哈默纳科,早在 1965 年就造出初代机;1970 年比较成熟的产品已经开始量产。

相隔数十年的技术鸿沟,难以复刻的精工制造体系。即使谐波减速机的结构并不复杂,也很难通过拆解后的测量进行 1:1 的仿制。就算能仿制成功,面对减速机结构紧凑的特性,以及需要毫米级精加工的制造技术,也无法立竿见影地进行量产。

自主机器人品牌的脖子,还要被卡多久 ?

03 一家代工厂商的自我救赎

转机出现在 2003 年,机器人四大家族之一瑞士 ABB,已经在中国机器人企业之前吃到日企的苦头——来自哈默纳科的谐波减速机价格连年攀升,伴随而来的却是交货周期的迟滞。

这股怨气甚至传到中国。一名 ABB 中国员工对此事的吐槽,恰巧被一个代工厂商的高管听见。

这家厂商名为恒加金属,正是后来荣获 " 专精特新 " 企业——绿的谐波的前身。当时作为 ABB 在国内的供应商之一,专门提供精密仪器代工。

谐波减速机是什么?一个日企生产的小部件怎能产生垄断?甚至让 ABB 这种国际机器人巨头如此头疼?

这个故事有很多版本:一说是机缘巧合的谈话让恒加金属的高管对谐波减速机产生兴趣,同为恒加领导层——后来的绿的谐波创始人左昱昱,专门去日本考察该项目;一说是左昱昱为了寻求恒加未来的转型,赴日调研后才发现谐波减速机这一蓝海市场。

总之,左昱昱从日本回国后,就在当时恒加金属的技术团队中抽调了 3 人,进行谐波减速机理论方向的研究。

一切好像已经开始,但又没完全开始。如果指望一个 "3 人小组 " 能打破日企几十年的垄断,未免太过异想天开。

三年后发生的一件事,成为推动恒加金属快速转型成绿的谐波的主要原因。

2006 年,恒加金属为欧洲的客户制作了一根金属轴样品。这根轴是客户离心机产品的核心润滑系统中的四个零部件之一,另外三个都已经交由恒加金属代工。恒加此举是为了向客户争取最后这个零件的代工权。

经过测试,恒加制作的样品质量和欧洲相当,报价 1000 元。而客户的欧洲供应商,报价则高达 1000 欧元。

本以为胜券在握的恒加金属最后才发现,小丑竟是自己——客户立即拒绝他们的提议,原因是如果将所有零部件交由中国代工,那么等于是将高速离心机的核心技术全都暴露给中国。

" 这个技术稍加改造后,还可以用来制作浓缩铀,这怎么得了!"

这时恒加金属的高管们真正感觉到," 垄断 " 离自己并不远。要想在行业内站稳脚跟,就必须拥有属于自己的核心技术。而且国内代工商市场已成红海,继续突围不仅困难,回报也并不丰厚。

就此," 夕阳产业 " 里的恒加金属摇身一变,成为 " 专精特新 " 的绿的谐波。潜心进行三年理论研发的谐波减速机项目,成为一家代工厂商转型时孤注一掷的最终选择。

刚进入 21 世纪的中国,代工厂商林立,所接触的资源也大同小异,与绿的谐波几乎同时期注意到谐波减速机这一蓝海市场的企业有十多家。

绿的谐波作为其中一员并且转型成功,是减速机领域 " 专精特新 " 民企很好的研究标本。

接下来,我们从中国企业的视角,看看谐波减速机的自主研发,到底怎样绕过日企立下的技术壁垒。

04 壁垒之下—— " 精密 " 的破绽

坚固的堡垒往往都是从内部被攻破,哈默纳科作为掌握尖端技术的巨头也无法免俗。

在市场上,因为垄断才让世界机器人行业苦 " 日 " 久矣,进而催生出如绿的谐波的一众 " 反抗 " 企业。

在技术上,当时哈默纳科的谐波减速机仍然以 60 年代日本科学家依托渐开线齿轮建立的理论作为基础。

谐波减速机的基本原理,是依靠齿轮的形变产生转动差,获得减速比。由柔轮、刚轮、谐波发生器三部分组成。

在工作状态下,随着谐波发生器的转动,柔轮与刚轮的轮齿会依次啮合。由于柔轮比刚轮更大,因此相对于后者,与谐波发生器会产生反方向的微小转动。

以齿数 100 的刚轮和齿数为 98 的柔轮组合为例,随着谐波发生器每转动一周就会产生 2/100 的转动差,从而获得较大的减速比。

谐波减速机齿轮原理

谐波减速机的特点,就是结构紧凑,减速比大,承载能力强,传动精度、效率高。其中,谐波发生器自身转动惯性大,如果制造精密度和材料使用不到位,就极易出现噪声大、震动强、扭转刚度不足的情况。

哈默纳科早期产品使用渐开线齿轮理论,大概在 90 年代时,独创的 IH 齿形技术已经成熟。但 IH 齿形仍然在渐开线齿轮的范畴之内,只是在精度、强度、刚性、使用寿命方面实现革新。

日本以 " 精 " 为纲要的企业文化,导致日企即使在尖端科技产业上,仍然保持 " 不率先创新,但是把细节做到极致 " 的特点。

日企的流程体系和人才培养机制极端严谨,所带来的弊端就是,新生代的专家想要革新或推翻资历更高的 " 老师傅 " 创立的成法,光凭专业能力是不够的,还得苦熬 " 工龄 "。

体现在谐波减速机上:渐开线理论,并不是日本人的原创,而是来自英国科学家 Willis。但在取得这项技术专利后,哈默纳科等企业迅速吃透,在短时间内就能以领先的工艺开始量产,迅速占领市场。

哈默纳科虽然早早完成专利垄断和市场占有,但由于以上种种原因,前代专家的理论在几十年中一直被奉为圭臬,产品的更新换代并不频繁。

擅长从无到有、自主突破的中国企业,从日企的 " 精耕细作 " 中找到了破绽。

05 跨越鸿沟——等时与造势

谐波减速机本质上就是齿轮传动技术,如果决定从基础研发开始突破,那么将主要聚焦于齿轮的啮合方式。

但在 2006 年,绿的谐波减速机研发组的带头人毕业于低温物理专业,最初成立的研发团队中,连一个齿轮技术专家都没有。

仅有的资料,是哈默纳科的产品——一个结构精密紧凑,将所有细节和制造工艺啮合在一起的技术黑箱。

仅有的优势,是多年精密仪器代工制造,积累下的实践经验和机床设备。

这是当时绝大部分开始自主研发谐波减速机的中国企业,所遇到的共同困境。

刚起步的几年,绿的谐波从钻研谐波减速机齿轮啮合原理入手,用计算机制作模型进行测试,同时拆解哈默纳科的产品以了解细节。

哈默纳科谐波减速机拆解图

2008 年,哈默纳科专利年限到期,成为公开性技术,有了大量可供参考的资料。绿的谐波迅速吃透 IH 齿形背后的渐开线齿轮原理,结合之前对谐波减速机长达 6 年的深入研究,最后跳出渐开线齿轮理论,自成一派地建立拥有完全自主知识产权的齿形设计模型—— P 型齿。

绿的谐波的投入不可谓不大,六年研发耗资 4000 多万,相当于之前代工业务十年的全部利润。

很多同期的企业正是因为巨大的投资,迟迟无法从市场获得回报,不得不放弃谐波减速机的研发;还有一些厂商选择以 " 皮尺 " 代替研发,最终因为制造工艺的落后,专利的限制等等原因而失败;此外,还有通过合资引进技术,走上另一条道路的企业……

他们对中国谐波减速机技术发展做出的贡献,同样不可忽视。

2009 年底,绿的谐波生产出第一台采用 P 型齿的谐波减速机样机。从这里开始,国产、能用于工业机器人的谐波减速机真正从理论意义上破开了垄断的阴云。

在送检国内外权威机构,对样机进行反复测试并修改后。2010 年,绿的谐波减速机的各项性能指标就已经达到日企同类产品的标准,甚至在某些参数上还有所超越。

早期研发时,绿的谐波对于哈默纳科的产品进行过细致的拆解钻研,因此最后跳出日系框架,拥有独特 P 型齿的谐波减速机,不仅是自主的,也是创新的。

最初样机的设计上,通过降低齿高、增大齿宽和齿根弧度,减小柔轮的变形量,从而极大提升柔轮的使用寿命和承受扭矩;

在性能参数上,P 型齿谐波减速机的极限荷载也优于国外同类产品,极限荷载下的使用寿命是国外产品的 4 倍。

仅有当时国内其他产品 1/2 体积的特性,带来超稳定的低频输出,搭配低误差的精确传动,已经非常适合有精密点位控制和稳定性要求的工业机器人使用。

绿的谐波减速机产品(图片来源:绿的谐波产品册)

2012 年,绿的谐波减速机先后通过库卡和 ABB 的 "20000 小时寿命精度测试 ",而当时行业设定的及格线仅 6000 小时。

随后,绿的谐波开始尝试将产品推向市场端,甫一发售便有数百台的销量;2015 年达到收支平衡。核心技术的突破最终得到市场的回报。

绿的谐波的崛起之势,让哈默纳科在中国谐波减速机市场节节败退,谐波减速机价格快速下降了 30%~40%。

06 专精特新——制定中国标准

2008 年哈默纳科专利到期后,谐波减速机领域入门门槛降低。从原先无人问津,到大量资本涌入,市场竞争逐渐变得激烈。

如何让产业快速规范化,成为当时谐波减速机领域的头号难题。

2014 年,技术基本成熟的绿的谐波作为主导,与哈工大、上海交大、大连理工等科研院校,新松、埃夫顿等中国机器人厂商共同合作,组件研发团队,编制中国机器人领域的第一个标准——《机器人用谐波齿轮减速机》。

2018 年,同样由减速机企业、机器人企业、科研院校起草的《机器人用精密齿轮传动装置试验方法》开始实施。

中国谐波减速机产业,终于有属于自己的设计、制造、测试、实验评价技术体系。凭借绿的谐波、秦川机床等谐波与 RV 减速机头部厂商产品的性能参数,给后来国产减速机提供技术参考,在研究过程中有据可依,以领先国际水平的标准提高减速机性能。

从 " 标准 " 开始,国产减速机在谐波领域的盲区彻底突破,被国外公司垄断的减速机市场以及市场定价权有了让中国企业重新夺回的机会。

以上种种,都是中国的机器人、减速机等核心部件行业能否持续健康发展的关键所在。

07 转机后的危机,来自产业链的隐患

技术的突破,规范的出台,中国谐波减速机行业似乎已经走出被垄断的阴霾,但来自产业链的隐患浮现,开始影响到初具规模的厂商。

1、高端机床,自动化设备

虽然号称仅次于哈默纳科的谐波减速机厂商,但绿的谐波的产能却只有对方的 1/10,2020 年产量 11 万台。

根据绿的谐波招股书,UR 机器人 2019 年的订单销售额 2890.71 万元,成为绿的谐波第一大客户。

当前 UR 对谐波减速机的年需求量超过 10 万台,在绿的谐波的产能分配中有极高占比,产量分配中有绝对优先级。这将会引发其他客户对于绿的谐波供货量和时效性的担忧。

扩张产能并非易事。虽然绿的谐波减速机的核心零件都能自己研发生产,但使用的加工设备、自动化机床却要从国外进口,对日企的依赖仍然很高。

机床设备动辄百万级的投资成本,还会因为参数调试降低产品一致性——这就是国内很多减速机厂商不愿轻易扩产的原因。更遑论高档数控机床本身就是国外垄断并限制出口中国的设备。

2、产业覆盖

打破技术垄断的乐观过后,中国谐波减速机企业发现:自己刚刚走出百层巨塔的地下室,而哈默纳科已经在向最高的天台发起冲刺。

谐波减速机覆盖领域非常广泛。除工业机器人外,在航空航天、半导体、医疗设备、光伏发电等 " 专精特新 " 产业上,都有大量应用。

随着中国企业对减速机的研发越来越深入,哈默纳科 " 瞻之在前忽焉在后 " 的身影也越发让他们感到压力。

每年研发投入超过 10% 的绿的谐波,尽管逐年增加研发费用,也仅能维持自身在对比国内其他公司中所拥有的领先优势。

哈默纳科之所以在工业机器人市场被中国品牌后来居上,深层次的原因就是其产品不止供给机器人行业,因此交货响应才会非常迟滞。

在哈默纳科 2019 年全球下游市场营收分布中,工业机器人虽然占比仍然最高,但数值上仅有 44.9%,半导体制造设备(21.7%)和其他高端应用领域共同占比接近 40%。

2019 年哈默纳科全球下游市场营收占比(来源:广发证券)

在中国市场,相比竞争对手,哈默纳科在半导体设备等高端市场已有客户积累,优势明显。

反观绿的谐波产品的下游应用,工业机器人占比达到 3/4,半导体设备等高端应用占比都在小个位数上徘徊。

2020 年谐波减速机品牌中国市场下游终端应用(来源:觅途咨询数据库)

即使绿的谐波最值得夸耀、击退哈默纳科的工业机器人领域,在细分市场的应用占比仍然暴露出严重问题。

SCARA 机器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm,水平多关节机器人),主要应用于装配印刷电路板和电子零部件。2019 年中国电子制造业的市场规模达到 11 万亿元,对于 SCARA 机器人的需求也在持续上涨。

但绿的谐波输送给 SCARA 机器人的产品,却只占总销量的 4.72%。

近年热度高涨的 DELTA(协作机器人)和服务机器人加起来不到总销量的 3%。

在中国不断取得突破的航空航天领域,绿的谐波也只有 0.83% 的销售业绩。

尾声

一条循环往复、螺旋上升的健康产业链正在形成。

" 上海节卡 " 研发的节卡小助协作机器人,2020 年开始为一个特殊的客户提供服务,生产由柔轮、刚轮、谐波发生器等部件组成的谐波减速机。这个客户,就是绿的谐波。

" 使用绿的谐波减速机的机器人,正在帮助绿的谐波生产机器人用的谐波减速机。"

套娃似的玩笑话,其实代表着中国本土工业机器人在摆脱成本危机后,已经向更高端的技术发展。与此同时,这些技术正在反哺备受产能困扰的中国谐波减速机厂商,降低他们对于国外自动化技术的依赖。

谐波减速机产线上的本土工业机器人(图片来源:节卡机器人)

庞大市场下复杂的风口把控,绝不是一家企业的突破或一个产业联盟的影响所主导。国家的宏观推动,也绝非 " 补贴 "、" 政策倾斜 " 就能解释清楚:

第一步:开放竞争与保存实力。中国一方面引进外资品牌坐大工业机器人市场,缓解市场需求,推动本土企业市场洗牌,催生更有竞争力的专精特新企业;另一方面,利用军工订单维系国企生存,保持高端技术的研发。

第二步:保护核心部件国产替代。中国本土工业机器人利润不断被压缩的关头,竞争力和市场占比更小的日本新宝在中国建厂投产,而哈默纳科的中国工厂始终未获批准。因此绿的谐波等企业在技术突破后,才能够快速占领市场。

第三步:制定标准,直面竞争。部分企业取得技术突破,行业拥有国产替代品后,国家牵头企业与科研院所制定赛道标准,提高门槛,淘汰技术落后的产能。同时 " 专精特新 " 政策精准扶持,快速催生头部企业。进而和外资品牌正面竞争。

《大国重器》中,工业机器人与高铁、大飞机、火箭并列。在中国制造业从落后、追赶到领先的过程中,谐波减速机一样的 " 小 " 突破正在迸发出巨大的力量。

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