2020年机床工具行业经济运行情况分析






















行业资讯
工业机器人较早服务于汽车工业,是目前应用范围最广、应用标准最高、应用成熟度最好的领域。随着信息技术、人工智能技术的发展,工业机器人逐步拓展至通用工业领域,其中以3C电子自动化应用较为成熟。金属加工、化工、食品制造等领域,工业机器人的使用密度逐渐提升。经初步统计,2019年我国工业机器人市场规模达到57.3亿美元,中商产业研究院预测,2021年我国工业机器人销售额将达66.3亿美元。
工业机器人行业发展困境
1.高质量专业人才培养及维持
作为技术密集型行业,智能制造装备行业对从业人员的技术水平和综合素质等要求较高,需要员工具备机械、软件、系统、精密加工与装配等方面的综合知识与经验。由于起步相对于发达国家较晚,我国智能制造装备行业在人才培养和储备方面相比之下显现不足。未来,随着我国经济由高速增长阶段转向高质量发展阶段,智能制造装备行业将是加快转变经济发展方式和提高经济整体素质及竞争力的重要战场。
2.国际头部厂商具备先发优势
中国工业机器人本体及应用技术水平长期落后于发达国家,大部分市场份额仍被国际头部厂商所占领。中国整车生产企业中自主企业仍与外资厂商、合资厂商处于长期竞争过程中,国产产品的技术积累和市场开拓需经历必要过程,国产厂商需要逐步被用户认可的过程。国产厂商需要进一步提升自身产品竞争力,以性能、可靠性、价格和本土化服务优势赢得客户信任。
工业机器人行业发展前景
1.国家政策支持智能制造装备产业
智能制造装备水平是影响我国制造业甚至整体经济发展质量高低的重要因素之一。因此,国家高度重视智能制造装备产业发展,出台了一系列产业支持政策。不断出台的利好政策显示国家对发展智能制造的决心,为智能制造装备产业提供了良好的政策环境,我国智能制造装备行业迎来大发展时期。
2.终端产品市场巨大,不断升级,拉动智能制造装备需求
自动化、智能化生产线和成套装备广泛应用于汽车制造、电子电器、轨道交通等领域,下游产品市场规模巨大。除汽车领域之外,电子电器、轨道交通等领域也不断发展。根据工业和信息化部数据,2018年,我国规模以上电子信息制造业增加值同比增长13.1%。另外,根据“十三五”规划,我国到2020年,城市轨道交通运营里程将新增约3,000公里。在上述众多下游行业发展的驱动下,智能生产线和成套装备等智能制造装备的需求将被持续拉动。
3.人口红利逐渐消失以及制造业转型升级带来市场机遇
中国的人口红利逐渐消失,人口老龄化加速,劳动力成本逐年上升。劳动力成本上升加大了制造业企业的成本压力,削弱了中国制造业的比较优势和国际竞争力。为了应对上述挑战并进一步提升经济效率,制造业将深入推进产业的转型升级,通过机器换人,不断提升制造的自动化、智能化水平,将增加对智能制造装备的需求,因此,为上游智能制造装备产业提供了良好的市场机遇。
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有调查显示,全球伺服市场中有近一半的份额是来自亚太地区,近1/4的营业额由中国市场贡献。这就意味着中国将成为全球伺服传动与运动控制领域第一大市场,全球运动控制市场重心将进一步向中国转移。
伺服系统行业属于高科技行业,我国在这方面起步晚,整体基础相对薄弱,影响了整个行业的竞争力以及国际市场的开拓。本土企业技术积累少、规模小,与国外同行相比差距仍然较大。正因为我国的伺服行业起步晚,在技术水平和可靠性上难以与国外品牌竞争。2000年以来,国内少数厂商在吸收国外先进技术基础上,才逐渐开始自主研发伺服系统并取得一定成果,在国内市场中争取了一些市场份额。
不过,我国伺服系统产品还集中在低端市场,大功率产品涉及较少,专用化产品也正在探索之中,与国外企业相比,我国伺服产品品种少、专业化程度低,而低端产品竞争较激烈。国际品牌厂商虽然主要定位于中高端市场,但也正向中低端市场延伸。随着国际品牌厂商本土化制造和服务提升,中低端市场的竞争将更加激烈,我国厂商面临压力巨大。
好在国内纺织、机械、电子、塑料等下游市场的快速增长,对伺服系统的需求增长极快。市场需求增长主要源自两方面,一是国内老旧生产设备的更新换代、升级改造的市场需求增加,二是各应用行业对伺服系统的认知程度不断提高。
反观中国市场,2019年中国通用运动控制市场表现不尽人意,受2020年新冠疫情的影响,逐渐形成了国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局。而时光迈向2021年,国内外市场依然存在着诸多不确定因素,中国伺服系统市场会有怎样的表现呢?
伺服系统市场需求萎缩明显?
2020年,复杂的经济环境和贸易战压力导致市场需求走弱,经济下行压力增大,伺服系统产品受下游OEM行业需求下降影响明显。
伺服系统主要适用于机床、电子制造设备、机械设备等OEM行业。具体表现如下:3C行业遇小年2020年手机处于生产小年,电子制造设备行业相关产线并无太大变化。从通讯维度看,电子设备虽说处于5G元年,但市场上主要还是正处于由4G向5G过度时期。机床设备生产量下滑带来了机床行业下降,除去对CNC(数控机床)产品影响外,配套伺服产品的中低端数控机床因相关下游产业(如汽车、雕刻、家具等行业)需求低迷,产品数量明显减少。当然由于去年年前口罩机的爆发,为伺服驱动器贡献了大量的订单。
当然,我们也需要认识到,在机床细分行业中,金属切削机床持续低迷,剪板和折弯类的金属成型设备体量较低,且仅在去年三四季度有部分伺服订单贡献,木工机械整体呈走低表现。需求向好的行业还主要集中在快递分拣类设备、机械手臂、采购第三方伺服的工业机器人等,但由于这些在各家业务中相对占比较少,暂时还未看到对整体市场较为明显的贡献。
到2021年,行业市场规模有望达到189亿元?
目前国内正在使用的机床、纺织、印刷、包装、冶金以及各类生产线中许多是上世纪八十年代的设备,这些设备自动化程度低、控制精度低、能源消耗大、故障率高,迫切需要更新换代或者升级改造。
2000年以来,中国开始在工业制造领域推广应用交流伺服产品,许多国际知名品牌也大举进入国内市场。经过十多年的市场培育与铺垫,现在国内各应用行业对伺服系统的认知和接受程度已经有较大提高。
据上述报告数据统计,预计未来五年,仍将保持20%以上增速,到2021年,行业市场规模有望达到189亿元。
来源:网络
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美国供应管理协会(ISM) 12月份的商业报告显示,采购经理人指数(PMI)达到60.7%,较上月上升3.2%,这是2020年新冠肺炎疫情暴发后连续第八个月出现扩张。
ISM制造业调查委员会主席Timothy Fiore先生稍早在接受制造业电台采访时表示:”直到2020年8月,我们才真正回升,这一切都发生在6个月里。这是个令人难以置信的故事。我们现在的运营水平与2016年至2019年上一个扩张周期的运营水平相同。”
与此同时,IHS Markit公布的12月份采购经理人指数(PMI)增长了57.1%,美联储(Federal Reserve)公布的数据显示,到2020年年底,工业生产增长1.6%。然而,这两个指标仍低于大流行前的水平。
60.7%不仅是2020年的高点,也是自2018年8月以来首次超过60%。与去年同期相比,这是一个相当大的波动,当时PMI为47.8%,远低于50%的门槛。此外,根据ISM的历史PMI数据,这是近20年来最强劲的12月。
“这反映了我们如何结束了2020年,那个充满不确定性的糟糕年份,”Fiore说,“我们的表现超过了57%的预期。所有分类指数都运行得很好。”
金属制造业名列前茅
历史上,制造业一直是引领整体经济走出衰退的最重要行业,这不是什么秘密。新冠肺炎疫情时代的经济复苏也不例外。ISM的六个主要行业都出现了扩张,这些行业占制造业经济的70%左右。
“你几乎可以从理论上推断,由于人们不能把钱花在餐馆和娱乐等服务上,钱确实流向了耐用品,” Fiore说。不仅仅是耐用品,而是一般商品。尽管我们在商业航空航天和商业地产方面遇到了阻力,但其它行业正在充分弥补这一不利因素。”
尽管值得注意的是,石油/煤炭产品板块在11月急剧收缩后出现扩张,但最重要的是金属制品板块。
金属制造业连续第三个月成为表现最好的行业。
“到2021年第一季度,当前的商业前景都很强劲,”这位匿名金属制造厂专家在报告中表示。“我们预计2021年的销售额将增长20%。”
占制造业国内生产总值(GDP) 7%左右的制造业全面实现了增长。值得注意的是,制造业是生产指数中扩张幅度最大的部门,也是就业指数中仅有的三个扩张部门之一。尽管12月份新出口订单的整体增长略有放缓,但金属制成品却强劲扩张。
“该行业已连续三个月强劲扩张,” Fiore称,“新出口订单正在强劲扩张。它的产量非常好,占比在60出头,新订单也在60出头。”
但金属制造商的供货量也达到了80%。根据ISM的数据,该指数低于50%表明物流配送速度加快,高于50%则表明物流配送速度放缓。这主要归咎于钢铝供应链和价格问题。
“正如你所知,与一年前相比,钢铁产能并没有达到应有的水平,” Fiore说,“很多地方出现了钢材短缺,导致很多供应商交货问题。”
随着钢铁供应紧张和钢厂产能放缓,热轧钢价格已达到每吨1080美元的历史高位。根据《钢铁市场更新》(Steel Market Update)的数据,新产能预计要到今年晚些时候才会对市场产生影响。
来源:荣格
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综合国外媒体报道,特斯拉在其美国加州弗里蒙特工厂、得克萨斯州奥斯汀超级工厂,以及中国上海超级工厂、德国柏林工厂等4座整车工厂,都将或已经安装超大型压铸机,用于生产大型汽车底盘或车身压铸件。
近日,据外媒根据航拍视频报道称,由欧洲某知名压铸机品牌所生产的超大型压铸设备,已经开始运进特斯拉正在建设的得克萨斯州奥斯汀超级工厂,首批运进的零部件分装在两个巨型箱子中。特斯拉奥斯汀超级工厂超大型压铸机的安装,这意味着特斯拉目前已经确定的4座整车组装工厂,都将安装超大型压铸机。
2019年投产的中国上海超级工厂,系特斯拉第二座投产的整车组装工厂。2020年10月下旬,特斯拉公布2020年第三季财报时,也向外界披露了上海超级工厂的进度。其中,公布了一张上海工厂压铸车间的照片,显示其不仅已经部署了多台机器人,同时也确认3台超大型压铸机已进驻上海厂房,用于生产中国造Model Y 的车身件。
据知情人透露,特斯拉上海超级工厂部署的三台压铸机,均为中国品牌的6000T超大型压铸机,已于2020年12月底成功试产,首个压铸件也已成功下线,即将正式批量投产。
工信部近日公布数据显示,2020年1-12月,全国工业机器人完成产量237068台,同比增长19.1%;全国规模以上工业机器人制造企业营业收入531.7亿元,同比增长6.0%,实现利润总额17.7亿元,同比下降26.9%,降幅较前三季度收窄24.4个百分点。2020年12月,全国工业机器人完成产量29706台,同比增长32.4%。
2020年1-12月,全国规模以上特殊作业机器人制造企业营业收入28.8亿元,同比增长24.7%,实现利润总额1.2亿元,同比下降42.9%。
2020年1-12月,全国规模以上服务消费机器人制造企业营业收入103.1亿元,同比增长31.3%,实现利润总额0.7亿元(去年同期亏损18.1亿元)。
来源:工信部
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中国船舶工业行业协会(简称“中船协”)最新信息显示,2020年,我国船舶行业造船三大指标国际市场份额保持领先,船舶产品转型升级成效明显,修理产业实现较大增长,新型海洋工程装备快速发展,主要生产经营指标完成好于预期。但受新冠疫情全球蔓延、世界经济复苏放缓、船海市场需求不足、生产成本迅速上升等影响,我国船舶工业保持平稳健康发展仍面临严峻挑战。
船舶工业整体运行呈现三个特点,分别是:
(1)造船完工量实现增长。2020年,全国造船完工3853万载重吨,同比增长4.9%。承接新船订单2893万载重吨,同比下降0.5%。12月底,手持船舶订单7111万载重吨,同比下降12.9%。全国完工出口船同比增长2.1%,承接出口船订单同比下降9.3%。12月底,手持出口船订单同比下降13.3%。出口船舶分别占全国造船完工量、新接订单量、手持订单量的88.9%、84.5%和91.7%。
(2)企业收入增长、利润下降。2020年,全国1043家规模以上船舶工业企业,实现主营业务收入4362.4亿元,同比增长0.6%。其中,船舶制造企业主营业务收入同比下降13%,船舶配套企业主营收入同比增长2.4%,船舶修理企业主营收入同比增长13.5%。规模以上船舶工业企业实现利润总额47.8亿元,同比下降26.9%。其中,船舶制造企业利润总额同比下降84.3%,船舶配套企业利润总额同比下降25.3%,船舶修理企业利润总额同比增长13倍。
(3)船舶出口金额同比下降。2020年,我国船舶出口金额217亿美元,同比下降11.3%。出口船舶产品中,散货船、油船和集装箱船仍占主导地位,出口额占出口总额的51.4%。船舶产品出口到184个国家和地区,以亚洲地区为主。我国向亚洲、欧洲、拉丁美洲出口船舶的金额分别为123亿美元、33.6亿美元和25.8亿美元。
我国船舶工业经济运行的主要特点有:(1)统筹疫情防控和复工复产,生产经营好于预期;(2)国际市场份额领先,产业集中度保持较高水平;(3)船舶研发取得新进展,转型升级成效明显;(4)海工企业经营状况转好,新型装备表现亮眼;(5)产业链上下游协同,积极开拓国内市场;(6)修船产业逆势上涨,重点企业全部实现盈利。
中船协分析认为,2020年的经济运行中存在以下问题和困难:(1)市场有效需求仍然不足;(2)船企生产仍受疫情持续影响;(3)市场开拓受限或更加艰难;(4)船企资金压力进一步增大。
对于2021年船舶行业运行,中船协预测认为,随着全球多国已开始接种疫苗,新冠疫情可能逐步得到控制,世界经济贸易有望慢慢恢复正常。如果国际航运业和油气产业复苏,船东投资信心得以提振,被压制的市场需求可能释放。综合专家研究预测结果,认为2021年全球船海市场新订单可能出现补偿性反弹,预计我国造船完工量与2020年基本持平,新接订单量或有所增长,手持订单量将略有下降。
机床工具行业企业可关注相关领域市场变化情况,做好自身发展规划。
(资料来源:中国船舶工业行业协会 摘编整理:张芳丽)
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图1:在弗劳恩霍夫生产技术研究所的模拟机械车间,5G使得使用无线声波发射(AE)传感器检测刀具的磨损情况成为可能。
图2:采用合适的传感器硬件,5G连接和本地云就能可靠地处理安装在工件、机床内部和整个车间的传感器获得的大量数据。
可靠、近乎即时的数据交换,令增强现实和虚拟现实技术在更多制造商处产生更实用的效果。(图片来源:爱立信)
本次研究报告的核心观点:
短期看下游需求复苏。受下游诸如汽车、3C 等行业影响,自 18 年 9 月起我国工 业机器人产量进入负增长,行业持续低迷,但从 19 年 10 月开始,增速首次转正 并保持上涨趋势至今,今年年初虽受到新冠疫情影响但并没有改变这种趋势。最新 数据显示,11 月份中国工业机器人产量为 23635 套,创下历史单月产量新高。1- 11 月份,国内工业机器人产量累计 20.68 万套,同比增长 22.2%,行业已经基本 摆脱低谷,进入新一轮的景气周期。
长期看机器换人加速。根据 IFR 数据统计,2019 年我国每万名产业工人所拥有的 工业机器人数量仅为 187 台,远低于日本、德国等传统制造业强国的水平。近年 来,一方面人口红利的逐渐消失使我国人工成本的快速上升,另一方面工业机器人 产业链上国产化率的不断提升又降低了企业进行自动化改造的资金门槛,二者将共 同推动机器换人的进程,带动工业机器人行业的发展。
人机协作是行业的发展趋势。当前,工业机器人的应用场景愈加广泛,苛刻的生产 环境对机器人的体积、重量、灵活度等提出了更高的要求,工业机器人正向着小型 化、轻型化、柔性化的方向发展,类人精细化操作能力不断增强。随着机器人易用 性、稳定性以及智能水平的不断提升,机器人的应用领域逐渐由搬运、焊接、装配 等操作型任务向加工型任务拓展,人机协作成为工业机器人研发的重要方向。
工业机器人行业持续复苏,机器换人与国产替代双重驱动
工业机器人行业拐点已到,疫情不改复苏趋势
根据国家统计局数据显示,我国工业机器人产量增速从 2017 年年底开始逐 渐放缓,自 2018 年 9 月起我国工业机器人产量进入负增长,行业持续低迷,这主 要是因为工业机器人作为典型的通用设备,具有一定的周期性,受下游诸如汽车、 3C 等行业景气度的影响较大。但从 2019 年 10 月开始,我国工业机器人产量增 速首次转正,并保持上涨趋势至今,增幅屡创新高,2020 年年初虽然受到新冠疫 情影响但并没有改变行业上行的趋势。
最新数据显示,11 月份中国工业机器人产量为 23635 套,创下历史单月产量 新高,同比增长 31.7%,虽然相比上月 38.5%的增速有所放缓,但仍是今年第三 高增速。今年 1-11 月份,国内工业机器人产量累计 20.68 万套,同比增长 22.2%, 长期来看,整个工业机器人行业已经摆脱了前两年的低谷,进入新一轮的景气周 期。
从短期看,我们认为本次工业机器人行业的爆发主要是受益于两点:一是国 内疫情结束后下游制造业的快速复苏,二是疫情后各生产企业自动化升级需求的 进一步增强。
首先,在其他各国因疫情影响停工停产时,中国作为目前疫情控制最为得当 的国家,大量承接了来自世界各地的生产制造需求,这部分因为国外疫情而承接 的订单促使国内制造业形成了一个小高峰,间接带动了工业机器人行业的增长。 凭借着对新冠疫情采取的有效应对手段,国内整体经济得以快速恢复,使得中国 成为目前世界主要经济体中唯一保持 GDP 正增长的国家。
此外,经过本次疫情,各个生产企业在复工复产的过程中逐渐认识到自动化 生产、减小人员依赖的重要性,开始尝试提高自己的自动化率,同时国家出台的 各类免税政策也让这些企业有了富余资金去购买相关设备,这也是疫情以来工业 机器人下游需求持续增长的重要原因之一。
我国疫情后制造业 PMI 的变动情况也有所体现。11 月份,中国制造业 PMI 为 52.1%,比上月上升 0.7 个百分点,连续 9 个月位于枯荣线以上,且仍在继续上升 中,表明我国制造业的恢复性增长有所加快,整个工业机器人行业也有望跟随下 游制造业的景气同步增长。
政策驱动下工业机器人市场迎来迅速发展
自德国首先于 2011 年提出以智能制造为核心的“工业 4.0”战略之后,各国 纷纷开始制定相关政策大力发展制造业,以智能化为标志的第四代工业革命正在 全球范围内蓬勃展开。其中,工业机器人作为工业化和信息化的完美结合,以其 天然的数字化特性,打通了单个生产设备到整个生产网络的连接,进而支撑起第 四次工业革命丰富多彩的应用场景。如果说,过去二十年互联网的发展联通了我 们每一个人,那么未来二十年工业互联网的发展将会联通每一台工业机器人,从 而带来生产效率乃至生产方式的全面革新。
工业机器人在国内的发展最早可追溯到科技部的 863 项目,对机器人相关技 术研发给予扶持。2006 年 2 月,国务院印发了《国家中长期科学和技术发展规划 纲要(2006-2020 年)》,智能机器人首次被纳入前沿技术中的先进制造技术,之后 随着 2015 年《中国制造 2025》战略出台并实施,各级地方政府积极推进地区规 划政策落实,中国工业机器人产业也迎来了迅速发展。
当前,工业机器人在汽车、3C 电子、金属制品、塑料及化工产品等行业已经 得到了广泛的应用,并且随着性能不断提升,以及各种应用场景的不断明晰,我 国工业机器人产业呈现出不断深化、不断扩大应用的态势,目前我国工业机器人 市场约占全球市场份额的三分之一,是全球第一大工业机器人应用市场。2019 年 全年,全球共新增工业机器人 36.5 万套,亚洲地区的安装量占到了全球总安装量 的三分之二,其中中国以 14.05 万台的安装量遥遥领先,几乎是第二名日本的三倍。
根据中国电子学会及 IFR 数据统计,在 2014 年到 2017 年的 4 年间,我国工 业机器人市场规模几乎实现了翻倍增长,年均复合增速接近 30%,2018 年虽然受 到宏观环境的影响增速放缓至 5.9%,但仍然高于全球增速 5.3 个百分点。此外, 与发达国家相比,我国制造业自动化水平仍然比较低,我国生产制造智能化改造 升级的需求日益凸显,工业机器人需求依然旺盛,预计到 2023 年,我国工业机器 人市场规模将突破 100 亿美元。
人口红利逐渐消失 倒逼自动化进程加速
改革开放以来,大量劳动力涌入城市,以低廉的劳动力成本为特征的劳动密 集型产业推动中国逐步成为世界工厂,拉动过去中国经济高速增长。然而近年来, 人口红利的逐渐消失与人工成本的快速上升对制造业未来的发展带来了极大的挑战。
根据国家统计局数据显示,我国人口结构中 15-64 岁所占的比例自 2010 年 以来就呈现出逐渐下降的趋势,2019 年占比为 70.7%,较 2018 年下降 0.5 个百 分点,并且降幅还有进一步扩大的趋势。
同时,企业的用人成本也在不断攀升,2019 年制造业生产工人平均年薪达到 了 58356 元,同比增长 8.21%。劳动力人口的不断下降与人工成本的不断上升倒 逼企业进行自动化改造,“机器换人”将会成为未来十年我国制造业转型升级的主旋律。
另一方面,我国工业机器人的密度相比发达国家仍有较大差距。根据 IFR 数 据统计,2019 年我国每万名产业工人所拥有的工业机器人数量仅为 187 台,而韩 国、日本、德国、美国、意大利等传统制造业强国的数据分别为 855 台、364 台、 346 台、228 台和 212 台,从渗透率的角度来看,相比我国世界工厂的地位,我 国自动化水平还有极大的提升空间。
从增长率来看,2019年我国每万名产业工人所拥有的工业机器人数量较2018 年有 33.6%的提升,大幅超过韩国、日本约 10%左右的增速,而德美意等国同期 的增速仅为 5%左右。乐观预计,未来 3-5 年,随着产业转型升级与自动化进程的 不断推进,我国工业机器人密度有望逐渐追平日本、德国的水平。
工业机器人产业链一览
工业机器人产业经过 30 余年的发展,已经形成了一条完整的产业链。工业机 器人产业链上游是核心零部件,包括控制器、伺服系统和减速器三大部分,这三 种部件是工业机器人中核心技术之所在。产业链中游是机器人本体制造,发那科、 ABB、库卡、安川四大家族具有明显优势,占据了全球工业机器人市场份额的 40%, 而国产厂商因为起步较晚,还处在追赶阶段。下游是系统集成,目前主要集中在 汽车制造和 3c 电子行业,二者几乎占据了整个工业机器人下游应用的半壁江山, 但在食品饮料、物流、光伏、锂电等长尾市场增速较快。
从整个产业链来看,上游核心零部件是一台工业机器人成本中占比最高的部 分,约为 70%左右,系统集成硬件成本较低,比较偏向服务,提供解决方案,而 中游机器人本体厂商或采购核心零部件或使用自家的核心零部件,因此成本相差 较大,二三线品牌因为不掌握核心零部件盈利水平较低。
从盈利能力来看,产业链上游核心零部件、中游本体和下游集成的毛利率水 平基本符合“微笑曲线”,上游、下游毛利较高,中游本体毛利最低。上游核心零 部件的高毛利主要来源于技术壁垒,下游集成高毛利主要来自于品牌溢价及客户 资源壁垒。
工业机器人核心竞争力
工业机器人的大脑-控制器
控制器相当于工业机器人的大脑,负责控制整台机器人的运动,核心技术集 中于软件算法。控制器最能体现各个厂商的调教水平与风格,一般由机器人厂家 自主设计研发,是各个机器人厂商的“软实力”。
工业机器人控制器的主要任务是接收来自视觉、力觉等传感器的检测信号, 根据操作任务的要求驱动机械臂中的各个伺服电机,进而控制机器人在工作空间 中的运动位置、运动姿态、速度、轨迹、操作顺序及动作的时间等,同时控制器也 具有各类输入输出接口、人机交互界面等,拥有编程简单、在线操作提示、使用软 件菜单操作和使用方便等特点。
控制器与机器人本体一样,一般由机器人厂家自主设计研发。目前主流机器 人厂商的控制器均为在通用的多轴运动控制器平台基础上进行自主研发,各品牌 机器人均有自己的控制系统与之匹配,因此控制器的市场份额基本和机器人市场 份额保持一致,发那科、库卡、ABB、安川分别占据前四名,国内企业控制器尚未 形成市场竞争优势,占比仅为 16%左右。
近年来,国内运动控制技术也有了较快的发展,一些传统 CNC 设备的生产厂 家凭借着已有的数控技术基础开始研制具有运动控制特征的产品,使得通用运动 控制产品开始扩展开来。其中机器人专用运动控制产品的开发和行业应用的推广 也逐渐走向成熟和产业化,这类企业以广州数控、埃斯顿等为代表,他们不只开 发出机器人专用的控制系统,还借此进入机器人行业,并成为国产机器人企业中 的代表。
此外,国内也诞生了一批专注于运动控制产品的企业,为无力研发自主控制 器的小型工业机器人厂家提供解决方案,这类企业以固高科技为代表,固高科技 是国内较早实现六轴机器人控制系统产业化的企业之一,目前主要向工业机器人 集成商提供控制系统平台。
目前国产控制器与国际先进水平相比还存在较大差距,主要体现在核心底层 算法上,例如参数自整定,抑震算法,转矩波动补偿等等,导致国产工业机器人精 确性、稳定性、故障率和易用性等关键指标不如发那科、ABB、安川、库卡“四大 家族”的产品,这也和国内厂家重硬件、轻软件有关。当前工业机器人需要实现的 动作愈加复杂,想要在高速的运动中实现精准的控制,其背后需要的是长期的多 轴联动控制技术积累,控制器必须足够“聪明”,而先进核心算法的缺失使国产控 制器要想从“能用”到“好用”还有很长的路要走。
工业机器人的执行机构-伺服系统
当控制器发出运动指令后,需要相应的机构部件去精确执行,这就是伺服系 统的主要作用。伺服系统可以看作是工业机器人的小脑,根据控制器的命令为机 器人关节的运动提供精准的位移、速度与力矩,一个典型的伺服系统包含有伺服 驱动器和伺服电机两部分。
伺服驱动器中主要包括整流部、逆变部、控制部等部分,伺服电机一般包含 电机和编码器两个部分,编码器可以将精确测量的转子位置与电机转速反馈至驱 动器,从而形成一个完整控制回路。商用电经过整流、逆变,接收控制部得到的指 令信号与编码器的反馈信号,最终输出合适的 SPWM 波形驱动伺服电机运转。当 前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置 3 闭环控制 算法,对闭环系统的设计、调试要求都很高,这也是伺服系统中核心难点所在。
伺服系统的下游行业应用主要集中在电子及半导体制造设备、机床、工业机 器人、锂电制造设备等领域,其中在工业机器人上的应用大概占据整体应用的 9.4%,由于对位移、速度等的精度要求较高,应用在工业机器人上的多为伺服系 统中的高端产品。
从市占率来看,外资品牌占据了国内伺服系统市场的大部分份额。以三菱、 安川、松下为代表的日系伺服系统占据了市场的前三名,占比合计超过 30%,紧 随其后的是台系伺服的台达和欧系伺服的西门子,占比分别为 9.9%和 6.5%,而 以汇川技术和禾川科技为代表的国产伺服厂商虽然近年来发展十分迅速,但市占 率仍然较小,分别为 6.2%和 1.5%,还有很大的提升空间。
目前国产伺服系统与国际先进水平在动力输出功率方面大体相同,没有明显 差距,差距主要体现在响应速度、大小和稳定性等方面。在运动控制性能方面,西 门子的产品具备 2kHz 的速度环频率响应能力,安川为 1.5kHz,多摩川和汇川则 都为 1.2kHz,欧系产品优势更为明显,尤其在要求高速度和精度的领域。日系伺 服产品的稳定性较好,可以满足大部分应用领域的需求,尤其是小功率电机,优 势明显。在伺服系统大小方面,为了配合机器人的体形,伺服系统必须体积小、质 量小、轴向尺寸短,相比国产伺服系统,日系、欧系产品更加紧凑。
伺服系统的搭档-减速器
虽然有了控制器发出的指令、有了伺服系统去执行,但是这样输出到终端还 是不够。以安川的小型伺服系统为例,最高转速为 3000r/min,力矩为 0.016~ 0.16N.m,而机器人上各个轴的工作转速每分钟不过一百转左右,所需转矩却远远 超出伺服电机的工作范围,这时就需要搭配减速器使机器人每个轴的输出参数达 到所需要求。
如果工业机器人使用伺服电机直接驱动,在低频运转下容易出现发热和低频 振动,不利于其精确、可靠地运行。而减速器能够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工业机器人各部位需要的参数,提高机械体刚性的 同时输出更大的力矩。例如,使用一个减速比为 50:1 的减速器就能轻松将额定扭 矩为 0.1Nm 的电机扭矩提升到 5Nm,使其能够承受更高的负载,并且适当减小 输出转速,提高控制分辨率和闭环精度。
在工业机器人领域使用的减速器主要有 RV 减速器和谐波减速机两类。其中 RV 减速机拥有更高的精度和承载能力,但体积重量较大并且结构复杂,一般放置 在机座、大臂、肩部等重负载的位置;而谐波减速器结构简单紧凑,但承载能力不 高,多用在小型机器人和大型机器人的小臂、腕部、手部等低载荷的部位。两种减 速器使用场景不同,是互补的关系,并不存在相互替代的竞争。
减速器的核心难点主要在于精密加工、齿面热处理、装配精度、大规模生产 与检测等工艺环节上,恰恰是我国制造业基础配套体系中最薄弱的部分,需要长 期的经验积累。与国外产品相比,国产减速器主要在使用寿命及稳定性上有较大 差距,刚刚投入使用时各项性能接近国外产品,但随着一段时间的使用后磨损加 剧,出现漏油,精度、刚度等指标有所下降,这种不稳定性使得国产减速器大多只 能应用于中低端市场,很难进入国际一线工业机器人品牌的供应链。
减速器作为纯粹的机械零件,核心技术与工业机器人并不相关,因此包括 ABB、 发那科、安川、库卡在内的工业机器人巨头也均不自研减速器,全部向外采购。目 前 RV 减速器和谐波减速器市场基本由日系厂商垄断,以纳博特斯克、住友、哈 默纳科、新宝为代表,占据了全球机器人减速器市场的大部分份额,其中纳博特 斯克与哈默纳科分别在 RV 减速器领域和谐波减速器领域处于垄断地位。
国产减速器厂商近年来有一定的进步,主要以谐波减速器领域的绿的谐波为 代表,产品性能已经和哈默纳科达到同一水平,近年来逐步开始进入国际主流机 器人厂商进行测试,有望在未来 1-2 年内实现快速放量。而在 RV 减速器领域, 由于其复杂且精密的机械结构,加工难度较大,国产 RV 减速器厂商与日系品牌 还有很大差距。
工业机器人的多应用场景
工业机器人概览
工业机器人自诞生以来,演变出越来越多样的机械结构,应用场景越来越广 泛,当前,工业机器人可以分为多关节机器人、SCARA(水平多关节)机器人、 坐标机器人、协作机器人、Delta(并联)机器人、AGV(工厂物流仓储机器人) 等。
2019 年,多关节机器人在国内工业机器人市场销量约为 10 万台,是应用最 为广泛的工业机器人,占比达到 69%,SCARA 机器人销量约为 3.5 万台,占比 23%,协作机器人销量约为 0.6 万台,占比 4%左右,并联机器人销量约为 0.5 万 台,占比约为 3.4%。
从品牌结构来看,2019 年国内工业机器人市场前四名仍然被发那科、ABB、 库卡、安川所占据,占比分别为 12%、11%、8%、7.6%,“四大家族”仍然是工 业机器人领域的第一梯队,爱普生、雅马哈、那智等二线品牌凭借着 SCARA 以 及小六轴等技术水平要求不高的机器人也抢占了一定的市场。而国产厂商虽然近 年来进步明显,但市占率仍然较低,埃斯顿作为出货量最高的国产工业机器人厂 商市占率仅为 2.4%,汇川、众为兴和埃夫特等市占率均不到 2%。
不同种类的工业机器人
多关节机器人
多关节机器人一般指六轴机器人,拥有 6 个可以自由旋转的关节,提供的 6 自由度可以使其在三维空间中自由活动,可以模拟所有人手能实现的动作,通用 性极高,应用也最为广泛,但同时控制难度也最高,价格最为昂贵。
搭配不同的末端执行器,多关节机器人可以实现不同的功能,较高的自由度 使得多关节机器人可以灵活的绕开目标进行作业,适用于包括搬运、装配、焊接、 打磨抛光、喷涂、点胶等几乎所有的制造工艺。
2019 年,国内多关节机器人市场前四名分别是发那科、ABB、库卡和安川, 市占率合计超过 50%,与其他二线品牌拉开了较大差距。国产品牌虽然也有一定 的市场份额,但除埃斯顿外产品主要集中在 20kg 以下的中小负载多关节机器人 市场,高于 20kg 的大负载多关节机器人市场还是外资品牌的天下。
从出货量上来看,由于多关节机器人凭借其强大的性能,多应用于汽车工业, 而随着传统汽车行业近年来需求逐渐触顶,固定资产投资的下滑对多关节机器人 的出货量也造成了一定影响,18 年后增速逐渐放缓。但随着未来新能源汽车需求 的崛起与小六轴机器人在一般制造业应用的不断扩展,多关节机器人的出货量增 速有望回升至 8%左右。
SCARA 机器人
SCARA 机器人,即水平多关节机器人,与多关节机器人不同的是 SCARA 机 器人一般只有 4 个可以自由活动的关节,前 3 个关节使得 SCARA 机器人只能在 二维平面内自由活动,第 4 个关节连接末端执行器,只能沿 Z 轴上下移动,提供 了受限的三维活动能力。但与此同时,较少的自由度意味着需要更少的伺服电机 和减速器,控制算法也会更加简单,体积也可以做的更加小巧,相比多关节机器 人成本得以大幅降低。
SCARA 机器人可以看作是只能处理部分限定工作的特化型机器人,比如在 平面上的挑拣、装配、点胶、锁附、贴标等,并且较小的体积也减小了生产线空间 的占用,非常适合 3C 电子等产品体积不大的行业。
从市场结构来看,2019 年国内 SCARA 机器人市场主要由爱普生和雅马哈占据,合计占比约 45%,三菱、众为兴、汇川、台达紧随其后,市占率均为 7%-8% 左右。由于 SCARA 机器人技术门槛不高,各厂商之间价格战较为激烈,毛利率 显著低于多关节机器人,因此包括 ABB、发那科、库卡和安川在内的“四大家族” 均不把 SCARA 机器人作为重点产品,市场主要由各二线机器人品牌占据。
从出货量上来看,SCARA 机器人除 2019 年受到宏观环境影响出现短暂负增 长,其余时间均保持着较快增长,并且受益于近年来 3C 行业可穿戴设备、TWS 耳机等产品的火爆,SCARA 机器人未来仍有望维持较高的增速。
并联机器人
并联机器人,可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接, 机构具有两个或两个以上自由度,且以并联方式驱动的一种闭环机构,一般以 3 轴 最为常见。并联机器人的特点为无累积误差、精度较高,驱动装置可置于定平台 上或接近定平台的位置,这样运动部分重量轻,速度高,动态响应好。 并联机器人在生产线上一般用于对轻小物件的分拣、搬运、装箱、贴标、检测 等工作,广泛应用于食品、制药、电子、日化等行业。
并联机器人问世之初的应用 对象主要是大型乳企以及液体袋装药和药片的生产药企,大多负载都在 3kg 以下, 后续的增长主要来源于乳制品行业之外的食品行业,如糖果、巧克力、月饼等生 产企业,以及医药、3C 电子、印刷以及其他轻工行业。
2013 年及以前,国内并联机器人市场主要由 ABB、发那科等少数几个品牌开 拓,但随着 2012 年 ABB 公司 Delta 并联机器人专利解禁,国内市场上涌现出 了一大批并联机器人企业,基本都直接开拓市场,并且涉及众多应用行业,较大 程度拓宽了市场应用范围。从市场结构来看,2019 年国内并联机器人市场主要由 ABB、天津晨星、上海勃肯特和发那科占据,占比分别为 16.8%、11%、10%和 9%,国产并联机器人厂商市占率较高。
从出货量上来看,相对于多关节型工业机器人,国内并联机器人当前市场需 求明显偏小,占整个工业机器人市场的出货量不足 5%。预计 2020 年并联机器人 全年出货量可以达到五千余台,随着下游应用细分行业的进一步扩展以及使用场 景的进一步丰富,未来两年并联机器人行业年均增速预计可达 10%左右。
AGV 机器人
AGV (Automated Guided Vehicle) 机器人,一般称为 AGV 搬运机器人或 AGV 小车,是以电池为动力源的一种自动操纵行驶的工业车辆。区别于固定安装 在流水线旁的传统工业机器人,AGV 机器人主要功能集中在自动物流搬转运,通 过特殊地标导航自动将物品运输至指定地点,因此要实现自主移动,导航系统是 AGV 机器人的关键,常见的引导方式为磁条引导,激光引导,磁钉导航、惯性导 航等。
AGV 机器人的应用可以实现高柔性和可拓展性的自动化物流,从而达到降低 成本、提高效率、缩短产品生产周期的效果。AGV 机器人无需人的参与,就可以 实现 24 小时连续运转,大大提高产品物料等的搬运效率,并且 AGV 系统可与工 厂内部现有 MES、ERP 等系统对接,实现全数字化管理,有效规避人为因素,提 高生产质量水平。
随着工厂自动化、计算机集成制造系统技术逐步发展、以及柔性制造系统、 自动化立体仓库的广泛应用,AGV 作为联系和调节离散型物流管理系统使其作业 连续化的必要自动化搬运装卸手段,其应用范围和技术水平得到了迅猛的发展。
从下游行业应用分布来看,随着近年来智能仓储物流的兴起,京东、亚马逊、 阿里巴巴、申通、顺丰等电商巨头和快递业龙头对分拣机器人、AGV、无人仓等 大幅度加码,智慧物流已成为物流行业的大势所趋。电商快递是 AGV 机器人的第 一大应用行业,占比 34.5%,汽车、家电行业分列二、三名,占比分别为 21.2% 和 18.5%。
近年来,AGV 机器人正处于市场繁荣期,其行业的快速发展带来了与之相关 的整个产业链的竞相涌入,传统叉车厂商、物流系统集成商、其他类别的工业机 器人企业乃至应用企业都进入了 AGV 行业。
2019 年,国内 AGV 机器人市场集中度较低,北京极智嘉、上海快仓、华晓 精密、杭州海康、沈阳新松等出货量排在市场前列,并且由于 AGV 机器人核心技 术与传统工业机器人并不一样,技术门槛不高,国内外技术水品无明显差距,因 此国内 AGV 机器人市场大多都被国产品牌所占据。
从出货量上来看,近年来国内 AGV 机器人增长速度较快,15 年到 19 年的 4 年间的年均复合增速达 57.7%,即使是 19 年整个工业机器人行业遇冷 AGV 机器 人也保持了 16.7%的增速。在中国制造 2025、智慧物流等各项政策的保驾护航, 以及电商快递、新能源、医疗等新兴行业市场需求的持续释放下,未来两年我国 AGV 机器人销售量预计仍将维持接近 20%的增长速度。
长尾市场将成为未来工业机器人的增长点
按应用行业分,汽车行业仍然是工业机器人下游应用占比最高的行业,约占 整个工业机器人市场出货量的 35%,其中在汽车零部件和汽车整车中的应用分别 占比 23%和 12%。3C 电子行业紧随其后,占比 23%,排在第二位。金属加工行 业排在第三位,占整个市场出货量的 12.2%。工业机器人在食品饮料行业、锂电 行业、家电行业、光伏行业等长尾市场的占比仍然较小,分别只有 5.9%、5.6%、 5%和 3.1%,但他们的增速远高于汽车、3C 电子这些较为成熟的市场,随着下游 行业应用场景的进一步丰富,这些长尾市场未来将有更大的增长空间。
从行业占比变动来看,2019 年工业机器人在汽车行业的应用占比同比下滑 0.8%,这主要是因为汽车行业近年来市场需求逐渐触顶,造成行业固定资产投资 降低,从而影响了工业机器人在汽车行业的出货量,虽然汽车行业目前仍然是工 业机器人的第一大应用行业,但其已经趋于一个存量市场,不再会像过去十年一 样成为工业机器人行业的增长点。
2019 年工业机器人在 3C 电子行业的应用占比同比略微上升约 0.4%,与汽 车行业相似,3C 电子行业的下游需求也出现了饱和的趋势。以行业内最主要的产 品智能手机为例,跟随着移动互联浪潮不断普及,智能手机高速增长的阶段已经 过去,近年来国内市场智能手机的出货量也呈现出下滑的趋势,工业机器人在 3C 行业中的应用增速也逐渐放缓。
2019 年我国工业机器人下游行业应用中占比增长较快的行业分别是食品饮 料、光伏和锂电,同比增速分别为 127%、55%和 24%。对食品饮料行业来说, 随着近年来图像识别和抓取等技术有了进一步的发展,使得机器人逐渐具备了处 理精致而多样化产品的能力,在食品行业中使用机器人进行挑拣、包装和检测越 来越常见。此外,随着食品安全的要求越来越严格,使用机器人替代人工,降低生 产过程中的人为干扰也可以降低污染的风险。
随着近年来国家新能源战略的逐步推进,光伏和锂电行业逐渐受益,预计十 四五期间我国将以更大的决心、力度和举措推进能源革命,加快构建清洁低碳、 安全高效的能源体系。2020 年中国光伏发电累计装机预计将达 2.4 亿千瓦,保守 估计未来五年年均光伏新增装机规模也将在 0.7 亿千瓦左右。2020 年前 11 个月, 我国新能源汽车产量仅占汽车总产量的 5.1%,而根据规划,到 2025 年新能源汽 车新车销售量将达到汽车新车销售总量的 20%。光伏和锂电行业的持续景气将释 放更多的自动化需求,带动未来工业机器人的进一步增长。
人机协作与小型化是未来工业机器人的发展趋势
当前,工业机器人的应用场景愈加广泛,苛刻的生产环境对机器人的体积、 重量、灵活度等提出了更高的要求,工业机器人正向着小型化、轻型化、柔性化的 方向发展,类人精细化操作能力不断增强。此外,随着机器人易用性、稳定性以及 智能水平的不断提升,机器人的应用领域逐渐由搬运、焊接、装配等操作型任务 向加工型任务拓展,人机协作也成为工业机器人研发的重要方向。
传统的工业机器人必须远离人类,一般在保护围栏或者其他屏障之后安装部 署,以避免人类受到伤害,这极大的限制了工业机器人的应用效果,在很多需要 人类介入的工作中就无法采用机器人来实现较高程度的自动化。人机协作将人的 认知能力与机器人的效率结合在一起,从而使人可以安全、简便的与工业机器人 进行配合,达到 1+1>2 的效果。
协作机器人是近年来兴起的一种新型工业机器人,从多关节机器人的基础上 发展而来,最早的协作机器人仅仅是在传统多关节机器人外部包裹一圈柔软材料, 以减小对人体的伤害。随着技术的发展和相关规范的完善,协作机器人慢慢转向 了区别于传统机器人的外形设计,并且借助表面力感知器、关节力矩传感器、电 流估算力反馈模型等方式搭配特殊的安全算法,协作机器人可以在碰到人体后自 动停止,大幅增强了工业机器人的安全性,使人机协作变为可能。
从市场结构来看,2019 年国内协作机器人市场主要由优傲(Universal Robots) 和傲博占据,市占率分别为 32%和 23%,合计占比超过 50%。其中 Universal Robots 是全球范围内的协作机器人霸主,08 年推出全球首款协作型机器人,全球 累计销售达 5 万台,傲博作为国产厂商,是中国首家实现全国产化的协作机器人 研发企业,是国产协作机器人龙头。
从出货量上来看,近年来国内协作机器人实现了爆发性的增长,16 年到 18 年的两年间年均复合增速高达 93%。不同于其他工业机器人的是,协作机器人因 为要与人进行配合,2020 年受疫情影响较其他工业机器人更为严重,出现了较大 的负增长,但随着全球疫情逐渐受到控制,生产逐渐恢复,协作机器人仍然有望 凭借人机协作的进一步加深实现快速增长。
当前,工业机器人的应用场景愈加广泛,苛刻的生产环境对机器人的体积、 重量、灵活度等提出了更高的要求。除了人机协作以外,工业机器人正朝着更小、 更轻、更灵活的方向发展。
以六轴机器人为例,六轴机器人最开始是大规模应用在汽车行业,多以负载 大于 20kg 的重负载型号为主,而随着近年来六轴机器人逐渐向 3C 电子、金属加 工、食品饮料、新能源等行业扩展,负载小于 20kg 的小六轴越来越受到市场的偏 爱。
2016 年至今,小六轴机器人的增速一直高于大六轴机器人,尤其是近两年在 大六轴机器人负增长的情况下,这种差距还有进一步扩大的趋势。可以看到,小 六轴在六轴机器人中的占比一路上升,预计 2020 年小六轴机器人出货量的占比 将接近 60%,而小六轴机器人技术门槛低于大六轴机器人,这也将利好国产机器 人厂商,削弱外资工业机器人厂商的优势。
相关公司分析(详见报告原文)
上游核心零部件-绿的谐波
中游本体-埃斯顿
下游集成-拓斯达
风险提示
下游行业景气度下降风险
工业机器人所处行业与制造业的发展和国家宏观经济运行趋势的关联较为紧密,因此,工业机器人行业景气度将受到宏观经济波动以及下游行业周期性变化 的影响。2017 年至 2019 年,我国国内生产总值(GDP)增长率分别为 6.9%、 6.6%及 6.1%,宏观经济增速有所放缓,制造业的固定资产投资受到一定影响。如 果未来汽车、3C 电子等行业景气度下降,将会对工业机器人行业造成较大影响。
行业竞争加剧风险
随着整个工业机器人产业链的国产化进程推进,国内外工业机器人核心零部 件差距逐渐缩小,技术门槛进一步降低,越来越多的国产工业机器人厂商加入到 市场竞争中来,我国工业机器人市场集中度或将更加分散,无序竞争现象可能会 更加明显,行业整体面临竞争加剧的风险,价格战等因素或将对整个工业机器人 行业的利润造成一定的负面影响。
疫情控制不及预期的风险
从去年年初开始的新冠疫情在全球范围内仍在持续,将会对全球经济带来怎 样的连锁反应仍然难以预计,如果未来全球疫情控制仍然得不到控制、国内外宏 观经济出现较大的波动或下游行业的复苏不及预期,将会对工业机器人市场需求 造成一定的影响,导致工业机器人行业景气度出现下滑的风险。
本文来源:www.industrysourcing.cn
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三大造船指标
2020年1-12月,我国造船完工量3853万载重吨,同比增长4.9%,其中海船为1082万修正总吨;新承接船舶订单量2893万载重吨,同比下降0.5%,其中海船为969万修正总吨。截至2020年12月底,手持船舶订单量7111万载重吨,同比下降12.9%,其中海船为2502万修正总吨,出口船舶占总量的91.7%。
国际市场份额
2020年,我国造船三大指标国际市场份额以载重吨计和修正总吨计都保持世界领先,造船完工量、新接订单量、手持订单量以载重吨计分别占世界总量的43.1%、48.8%和44.7%。
产业集中度
2020年,我国造船产业集中度保持在较高水平,造船完工量前10家企业占全国70.6%,新接船舶订单前10家企业占全国74.2%,手持船舶订单前10家企业占全国68%。
(资料来源:中国船舶工业行业协会 责编:张芳丽)
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