精密减速器行业研究:机器人最核心零部件,有巨大想象空间

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Update time : 2024-04-15

(报告出品方/作者:东北证券,李恒光、韦松岭)

1.1. 减速器分类及精密减速器简介

减速器可分为通用减速器、精密减速器和专用减速器。减速器作用是把高速运转的 动力,通过输入轴上齿数少的齿轮啮合输出轴上齿数多的大齿轮,从而达到改变输 出转速、扭矩和承载能力的目的。减速器按用途可分为三大类:①通用减速器(一 般传动减速器)控制精度较低,可满足机械设备基本的动力传动需求;②专用减速 器主要应用于汽车、工程机械、航空航天等特定行业;③精密减速器背向间隙小、 精度高、更加可靠稳定,更加适用于机器人、数控机床等高端领域。

精密减速器是工业机器人的三大核心零部件之一,成本占比超 30%。工业机器人被 誉为“制造业皇冠顶端的明珠”,其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高 端制造业水平的重要标志。而精密减速器又是工业机器人的三大核心零部件之一, 通常精密减速器占工业机器人成本的 30%以上,成本占比最高、研发难度最大。

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精密减速器种类较多、型号各异。全球机器人领域使用的精密减速器包括 RV 减速 器、谐波减速器、精密行星减速器、摆线针轮减速器、滤波减速器等。其中 RV、谐 波减速器的市场销售数量占比大约分别为 40%、40%。

1.2. 各类精密减速器传动原理及结构特点

1.2.1. 精密行星减速器:成本低、传动效率高、承载能力强,但重量体积大、单级 减速比小

精密行星减速器主要由太阳轮、行星轮、内齿圈构成,其减速传动原理就是齿轮减 速原理。通过太阳轮输入转速与行星轮啮合,行星轮啮合自转的同时围绕中心轮公 转,最后由行星架将转速和扭矩传到输出轴上。精密行星减速器通过对重量结构精 密化,以及严格的零部件制造和装配工艺控制,获得相对普通行星减速器具备更为 优异的性能,通常配合步进电机或伺服电机应用于工业机器人关节中。

精密行星减速器优势: (1) 相对普通行星减速器体积重量小,精度高。通过对重量结构精密化,以及严 格的零部件制造和装配工艺控制,获得相对普通行星减速器更优异的性能指 标。 (2) 传动效率高。行星减速器传动结构对称,均匀分布的行星轮使得作用中心轮 与行星架轴承的反作用力相互平衡,能有效提高传动效率,单级传动效率可 达 97-98%。 (3) 承载能力强、抗冲击和振动性能好,运动平稳。多个行星轮的使用增加啮合 齿数、分担载荷,对称结构使得惯力平衡,提高了减速器的承载能力。 (4) 结构简单、成本相对谐波、RV 低。通常行星减速器价格低于 500 元。

精密行星减速器劣势: (1) 单级精密行星减速器传动比小,多级减速的长度重量限制其使用场景。精密 行星减速器单级传动减速比最小为 3,最大一般不超过 10。当一级行星齿轮 传动系统无法满足较大减速比需要时,则需 2-3 级减速来满足较大的减速比 需求。但由于增加了传动级数和齿轮数量,多级精密行星减速器的长度重量 也会有所增加,这限制了其使用场景。 (2) 需要定期维护,同时高精度、高效率等特殊要求会带来更高的制造成本。精 密行星减速器需要定期维护和保养(包括定期更换润滑油和维修传动部件 等),以确保其长期可靠性。同时对于精度、效率等的额外要求会相应增加 制造成本,例如人形机器人若要使用行星减速器则需要对电机进行扁平化设 计,同时行星减速器也需要定制成微型多级传动的形式(但不排除部分特定 场合使用定制化行星减速器仍具备经济效益)。

1.2.2. RV 减速器:体积质量较小、减速比范围大、承载能力强,但工艺复杂、成 本高

RV 减速器由摆线针轮行星传动发展而来。RV 减速器是 20 世纪 80 年代日本帝人精 机(2003 年与纳博克合并成立纳博特斯克)在传统摆线针轮减速器和行星减速器的 基础上研发的一种 2 级减速机构,结构上可以看成是由第 1 级的行星齿轮减速部分 和第 2 级的摆线针轮减速部分组合而成。其秉承了传统行星和摆线针轮减速器高刚 性、高精度等特点,同时克服了体积重量大、传动比低的问题,在工业机器人、数 控机床、医疗检测设备、卫星接收系统等领域广泛使用。

RV 减速器的传动原理: 一级减速装置为行星齿轮结构,由输入齿轮(太阳轮)和行星轮组成。 (1) 输入齿轮与电机相连同步旋转,带动 2-3 个行星轮同时转动。由于行星轮的 齿数较多、形状较大,因此行星轮的转动速度慢于输入齿轮,实现第一级减 速。 (2) 曲柄轴前后端分别与行星轮和摆线轮相连,在行星轮旋转后,曲柄轴以相同 的转速旋转。

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第二级减速装置为摆线针轮传动,主要由滚动轴承、摆线轮、针轮等结构组成。 (3) 曲柄轴上含有偏心部,偏心部与滚动轴承相连接,摆线轮在滚动轴承的作用 下随曲柄轴运动。RV 减速器通常有 2 个摆线轮,2 个摆线轮相位差为 180 度,用于抵消运动过程中的径向跳动,提升精度的同时,提高安全系数和抗 冲击强度。(4) 在外壳内侧有与摆线轮同等齿距排列的针齿,其数量比摆线轮齿数多一个。 曲柄轴旋转一圈,摆线轮与针齿接触的同时做一圈偏心运动。在针轮保持固 定的情况下,摆线轮沿着与曲柄轴的旋转方向相反的方向旋转一个齿数的距 离,实现第二级减速。 (5) 摆线轮外接输出轴,并向外实现最终传动。最终减速比为一二级减速比的乘 积。

RV 减速器具有结构紧凑、体积小质量轻、减速比大、承载能力强、寿命长、精度 稳定等一系列优点。 (1) 结构紧凑,体积小质量轻。行星传动结构与紧凑的 W 输出机构组合,使整 个摆线针轮减速装置结构十分紧凑,因此其结构体积小、质量轻。 (2) 减速比范围大,传动效率高。RV 减速器为两级传动,摆线针轮传动的减速 比大小取决于摆线针轮的齿数,齿数越多减速比越大,因此减速比较传统行 星减速器和摆线针轮减速器更高,同时传动效率可达 85%~92%。 (3) 承载能力强,传动平稳。摆线轮呈 180°相位角对称分布,使得摆线轮受力 均匀;同时啮合齿数较多,增加了减速器的传动平稳性和承载能力。另外, 采用两端支撑的输出结构,比普通的摆线减速器具有更大的刚性、更高的抗 过载冲击性能。 (4) 在正确的设计和严格的制造工艺保证下,可获得较高的传动精度。

RV 减速器的劣势: (1) 结构复杂,制造工艺和成本控制难度大。 (2) 产线投资相对其他类型精密减速器更高。 (3) 体积重量相对谐波减速器大。

1.2.3. 谐波减速器:体积质量小、减速比范围较大,但承载能力较弱、容易疲劳损 坏

谐波减速器的三个基本构件:波发生器、带有外齿圈的柔性齿轮(柔轮)、带有内齿 圈的刚性齿轮(刚轮)。三个构件可任意固定一个,其余两个一为主动、一为从动, 可实现减速或增速(固定减速比),也可变换成两个输入,一个输出,组成差动传动。

谐波传动的原理是利用柔轮可控的弹性形变来传递运动和动力。最常见的谐波传动 模式及原理是波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出的形式。将波发生器装入柔轮内 圆中,迫使柔轮在凸轮作用下产生变形而呈椭圆状,使其长轴处柔轮齿轮插入刚轮 的轮齿槽内,成为完全啮合状态;而其短轴处两轮轮齿完全不接触,处于脱开状态, 当波发生器连续转动时,迫使柔轮不断产生变形并产生了错齿运动,从而实现波发 生器与柔轮的运动传递。

谐波传动具有传动精度高、减速比大、体积小重量轻、传动平稳、可向密封空间传 递运动等优点。 (1) 传动精度高。多齿在两个 180 度对称位置同时啮合,因此齿轮齿距误差和累 积齿距误差对旋转精度的影响较为平均,可得到极高的位置精度和旋转精度。 (2) 减速比大。单级谐波齿轮传动的减速比可达 30~500,且结构简单,3 个在同 轴上的基本零部件就可以实现高减速比。(3) 体积小、重量轻。谐波减速器结构简单零件少,与一般减速器比较,在输出 力矩相同的情况下,体积可减少 2/3,重量可减轻 1/2。 (4) 传动平稳。由于同时啮合的齿数多,齿面相对滑动速度低,使得谐波减速器 承载力高,传动平稳。 (5) 能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作。这是其他类型减速器不具备 的特征,广泛应用于军工、航空航天、船舶潜艇、宇宙飞船等领域。

谐波减速器的劣势: (1) 柔轮易发生疲劳破坏,刚性差,承载能力有限。谐波减速器是通过柔轮不断 发生变形来传递扭矩的,极易引起材料的疲劳损坏,同时随着使用时间增长 运动精度可能会显著降低。这决定了其承受大扭矩和冲击载荷的能力有限, 因此一般运用在轻负载部分。 (2) 成本相对精密行星减速器高,但低于 RV 减速器。 (3) 转动惯量和启动转矩大,不适合小功率跟踪传动。 (4) 散热条件差。

2.1. 机器人减速器选型关注多项核心指标,RV 和谐波减速器是当前主流

在进行机器人零部件选型时,需要根据机器人应用场景以及结构设计等因素选择输 出电机和减速器,通常减速器关注尺寸大小、传动精度、减速比、扭矩等核心指标。 (1) 背向间隙是衡量减速器精度等级的主要参数。减速器内部各零件之间均存 在间隙,当减速器输入轴转向改变时,输出轴滞后一定的角度才会响应。减 速器输出轴上的滞后角被定义为减速器的背隙,背隙是减速器产生振动、噪 声,和影响减速器寿命、工作精度及可靠性的重要参数。 背隙大小会对传动效率产生影响,同时会产生振动和噪音。如果背隙太大, 输出轴的运动就会出现明显的滞后,会导致传动效率降低,同时也会增加设 备的运行噪声和振动。而如果背隙太小,又会导致行星齿轮与内齿圈之间的 摩擦增加,从而使传动效率降低并缩短设备寿命。

(2) 传动效率:传动效率是指输出功率与输入功率的比值。传动效率受到背隙、 减速比、转速、负载扭矩、温度、润滑等因素影响。通常行星减速器传动效 率>RV 减速器>谐波减速器。 (3) 减速比:指减速机构中瞬时输入速度与输出速度的比值。通常用于衡量减速 器的减速性能,其数值越大,表示输出轴角速度越小,即减速效果越明显。 行星减速器由于结构原因,单级减速最小为 3,最大一般不超过 10,大减速 比行星减速器需要通过多级传动实现。RV 和谐波减速器减速比范围则远超 一级行星减速器。 (4) 额定输出转矩:指减速器长时间(连续工作制)可以加载的扭矩。减速比与 扭矩正相关,减速比越大扭矩越大,但转速越小。 (5) 扭转刚性:衡量减速器构件在扭转力矩作用下的抗变形能力。RV 减速器的 扭转刚性明显优于谐波减速器。

RV 和谐波减速器是目前机器人领域主流的两种精密减速器,高减速比行星减速器 因体积较大不适用于对零部件尺寸要求较高的部分机器人。RV 和谐波减速器的特 点是厚度薄、体积小、重量轻,同时具备较大的输出力矩(单位体积输出力矩大), 而刚性和连续运转时间则不如行星减速器。但与 RV、谐波减速器相比,相同或更高 减速比的行星减速器通常为三级或以上,因此高减速比的行星减速器一般长度较长、 体积较大,不适用于对零部件尺寸有较高要求的部分机器人。 RV 和谐波减速器在精度、扭矩、刚度、传送效率等性能指标上各有不同。RV 减速 器一般由行星齿轮减速器的前级和摆线针轮减速器的后级组成,因此具备行星减速 器和摆线针轮减速器的部分特征。相比谐波减速器,RV 减速器具有更高的刚性和扭 矩承载能力,但重量更重、外形尺寸更大。同时 RV 减速器零部件数量也较谐波减 速器更多、制造和装配难度大,不利于大规模生产,价格也较谐波减速器偏贵。

在输出力矩相同时,谐波减速器较一般减速器体积小 2/3,重量轻 1/2,但谐波减速 器负载轻,容许力矩负载在 1500Nm 以内。而 RV 减速器减速比范围比谐波减速器 大、精度较为稳定、疲劳强度较高,并具有更高的刚性和扭矩承载能力,容许力矩 负载可达 8000Nm。 RV、谐波减速器适用领域互补,不能完全相互取代。谐波减速器的负载范围限制了 其向重负载部位拓展的可能,而 RV 减速器重量、体积相对较大的特点也使其无法 向轻便、灵活的轻负载领域发展,两者适用领域不同并不能完全相互取代。通常多 关节机器人中负载较重的机座、大臂、肩部等位置使用 RV 减速器,协作机器人、 服务机器人、以及人形机器人小臂、腕部、手部等轻负载领域则是谐波减速器占据 主导地位。

2.2. 人形机器人对减速器小型化、轻量化要求高,谐波和 RV 减速器最 适配

特斯拉人形机器人一经推出就引起市场广泛关注。随着我国人口红利消退,劳动供 给减少用工成本上行,“机器换人”也成为了近年的发展新趋势。人形机器人由于接 近人体构造,工作场景适应能力强,被认为是未来替代人类从事的各类危险、重复 或无聊工作的最可能选择,发展前景广阔。 人形机器人能够与人类协同作业并完成各种生产制造任务,尤其在机械装配、高速 作业、货物分拣搬运等领域对降低工人劳动负担、提高生产效率和保障作业安全具 有重要作用。但同时,相对传统工业机器人,人形机器人对人机协作安全性要求更 高,因而不断降低体积重量、提高输出能力、改善动态性能是近年来协作型仿人机 器人领域的研究重点。 驱动单元是影响人形机器人性能的核心部件。驱动单元起到输出扭矩、驱动机器人 部件运动的作用,占据了人形机器人的大部分重量。其性能不仅直接影响机器人关 节的输出能力,也决定了机器人系统的动态性能上限。

目前市场上仿人机器人的驱动单元主要有三种类型:传统驱动单元、串联弹性驱动 单元和准直驱驱动单元。 (1) 传统驱动单元:一般采用高转速、低扭矩电机搭配高传动比减速器,输出扭矩 大、运动精度高。但人形机器人小型化、轻量化需求对减速器的体积和重量要 求极高,目前主要使用谐波减速器及少部分 RV 减速器,高减速比精密行星减 速器仍存在一定使用障碍。 (2) 串联弹性驱动单元:其与传统驱动单元的区别在于输出端和负载之间采用弹性 部件连接,优势是弹性部件提高了驱动单元的柔度,使机器人关节柔顺性得到改善。但弹性部件对高频运动的响应性差,导致驱动单元系统带宽低、动态性 能差,无法应对实际工况的复杂快速变化。

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(3) 准直驱驱动单元:大多采用高扭矩密度电机搭配低减速比行星齿轮减速器,驱 动单元在输出较高扭矩的同时还具有重量轻、动态性能好等优势。但高扭矩密 度电机通常体积较大,同时对机器人电源输出功率要求高,运动精度也不可避 免地受到齿轮啮合回差的影响。参考特斯拉人形机器人,其设计电池容量 2.3kWh,电压 52V,全身供 28 个电机关节,同时考虑驱动单元体积重量、输 出功率以及续航问题,高扭矩密度电机+低减速比行星齿轮减速器并不适合作 为主要驱动方案。

特斯拉人形机器人的结构设计及性能定位使得传统驱动方案成为重要的选择之一。 目前特斯拉人形机器人的使用场景仍在不断开发,同时驱动方案也仍在不断改进。 但从设计理念与其“协作型仿人机器人”的产品定位来看,传统“电机+减速器”的 驱动方式仍然是较为契合的技术路线。

自 2021 年特斯拉首次公布人形机器人项目以来,“擎天柱”的进步肉眼可见。在 2023 年 5 月的特斯拉股东大会上,特斯拉人形机器人更是展现了不少精准操作的能力, 产品落地并实现产业化似乎渐行渐近。未来特斯拉人形机器人能否能实现马斯克 “大规模生产、且售价低于 2 万美元”的目标,我们认为技术进步与降本是核心。 那么精密减速器作为传统驱动单元的最核心部件,就要朝轻量化、集成化、产业化 (低成本)的方向发展。

3.1. 国内企业快速追赶,谐波减速器国产替代如火如荼

哈默纳科是全球谐波减速器市场的绝对龙头,2020 年全球市占率超 82%。谐波减 速器是 20 世纪 50 年代由美国发明家 C Walt MUSSER首先提出,经日本引入后开 始快速产业化。经过多年的技术沉淀和积累,以哈默纳科为代表的日本企业在谐波 减速器的研发、设计与制造方面也一直处于绝对领先地位,国内企业与之尚存在一 定的差距。2020 年哈默纳科在全球谐波减速器市场占有率高达 82%,绿的谐波占比 7%。

谐波减速器核心技术主要为谐波传动理论及生产加工技术两方面,从产品设计开始, 到材料分析处理、精密加工设备、制造装配工艺及综合性能测试等多个环节都有严 格要求,行业壁垒极高。 (1) 技术壁垒:①齿形设计难度较大;②专用谐波减速器润滑方案具有独特性, 通常高度保密;③波发生器、柔轮的生产加工工艺控制要求极高;④生产流 程长,制造、装配等各环节的生产工艺需要长时间积累,才能生产出高质量、 高一致性的产品。 (2) 品牌和客户壁垒:下游客户选择供应商经过多道程序,通常不会轻易更换, 尤其是工业机器人领域的“四大家族”对头部精密减速器企业依赖度极高, 国产企业客户突破难度极大。 (3) 资金壁垒:前期研发投入高,生产环节需要设计专用工装夹具,采用高精度 综合性能检测仪等专业检测设备及包括机床在内的生产线等配套生产设备, 因此必须拥有强大的资本规模和资金筹措能力方能进行谐波传动减速器的 研发及批量生产。

目前国内谐波减速器和国外产品的差距主要体现在: (1) 产品精度和精度保持能力差。影响精度的因素主要为刚轮、柔轮及波发生器 的加工误差和装配误差。精度保持方面,主要受材料配方和热处理工艺影响。 国产谐波减速器往往在使用初期能与国外产品一较高下,但随着使用时间推 移,其磨损加剧就会造成减速器失效,从而影响重复定位精度。 (2) 生产设备落后、产品种类单一,不能与国际产品体系接轨。 (3) 企业规模偏小,研发人员和投入严重不足,缺乏核心理论支持等。 但近年国内厂商进步极快,与进口产品差距在快速缩小。

(1) 产品质量方面:相较于哈默纳科,绿的谐波的产品的精度、寿命虽仍有一定 差距,但已基本达到的相同水平。同时,根据绿的谐波《2022 年度向特定对 象发行 A 股股票募集说明书》披露,本次募集产品性能相对 2020 年 IPO 募 集产品又有明显提升:①产品寿命较前次使用寿命更长,可提升产品的精度 保持寿命 30%以上;②前募产品重复定位精度≤10 arcsec,本募产品重复定 位精度≤5 arcsec,可进一步应用于更高端机械设备中;③本次募投产品较 前次产品扭转刚度提升 2 倍以上,极大拓宽了产品应用场景,可应用于高端 机床、半导体制造设备等领域。

(2) 产能规模方面:近年在下游行业需求持续增长的背景下,谐波减速器企业产 能持续扩张,哈默纳科自 2019 年开始日本、德国、美国工厂均有产能增加, 截至 2023 年 3 月其谐波减速器产品产能已达 198 万台。而国内厂商在产品 经历多轮迭代积累后,产销规模也在快速追赶。以绿的谐波为例,2018 年 公司谐波减速器产销仅为 9 万台左右,而到 2022 年绿的谐波减速器产能已 达 33 万台,全年销量 25.7 万台。同时,到 2027 年公司规划产能可达 159 万台,与全球龙头企业的规模差距在快速缩小。

(3) 研发人员与研发投入方面:绿的谐波持续增加研发投入,研发人员数量从 2019 年的 89 人增加至 2022 年的 113 人,人员数量与人数占比已接近哈默 纳科。但受公司销售体量影响,研发投入规模仍与哈默纳科有较大差距,2022 年哈默纳科研发投入规模 6.38 亿元,而绿的研发投入规模仅为 4586 万。

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(4) 从专利情况来看:美国是研究谐波减速器技术最早的国家,日本的技术实力 最强。我国虽然专利申请方面起步较晚,但近年在谐波减速器领域的研发成 果颇丰,目前专利申请量仅次于日本。但需要注意的是,从申请机构来看, 哈默纳科技术实力仍遥遥领先,专利申请量稳居第一,我国谐波减速器专利 申请量虽有明显增加,但较为分散。

国产品牌在国内市场占有率持续提升,已基本可以实现国产替代。自绿的谐波率先 打破国际品牌对谐波减速器的垄断并实现规模化生产以来,国内其他企业也处于快 速追赶的状态,近年国产品牌在国内市场占有率不断提升。2021 年绿的谐波国内市 占率 24.7%,较 2020 年提升 3.7pct;而日本的哈默纳科、新宝占比则有所下降。整 体上目前国产谐波减速器已基本可以实现国产替代,在减速比、输出转速、传动精 度等当面和海外品牌差距明显缩小。

国内厂商未来仍需继续提升的方面: (1) 继续加强谐波减速器核心部件的研发。选择合适的核心零部件匹配参数对 谐波减速器的性能至关重要,目前国内在刚轮、凸轮、齿形、柔性轴承、交 叉滚子轴承等核心部件上仍有较多技术空白点,后续仍需加强研究填补专利 空白。 (2) 推进谐波减速器小型化、轻量化的同时提升其他性能指标。人形机器人对减 速器小型化、轻量化提出更高要求,国内企业可尝试通过柔轮形状优化、采 用特种材料等途径,在实现减速器小型化、轻量化的同时,提升其刚度、精 度等指标。 (3) 通过总体结构设计进一步延长谐波减速器的使用寿命。哈默纳科一直尝试 通过总体结构设计来延长谐波减速器的使用寿命,并在我国布局了相关专利。(4) 加强驱动、传动一体化的谐波减速器设计。驱控一体化尤其适合对物理空间 集成度要求极高的场合,这对未来国内厂商配套特斯拉人形机器人至关重要。

3.2葡萄新京. 国内企业优势在于性价比和服务,后续降本核心在于高效规模化

产品性价比和服务是国产谐波减速器的主要优势。性价比方面,对于同型号谐波减 速器,得益于国内劳动力成本和设备成本较低,国内产品通常较日本 HD 产品价格 低 20%-50%左右。同时头部企业产品性能正快速接近进口同类产品水平。服务方面, 除了及时的售后服务响应外,订单交期及定制化开发等都是国内企业的优势。 与传统工业机器人行业类似,当前谐波减速器高昂的价格也是阻碍人形机器人产业 化的核心瓶颈之一。未来特斯拉人形机器人要实现售价低于 2 万美元的目标,那么 谐波减速器的成本和售价必然要大幅下降。纵观全球,中国完善的产业链配套和较 低的人力成本将是能够满足特斯拉人形机器人低价产业化的核心。

近年谐波减速器均价下降与市场竞争情况以及产品规格变化有关。以绿的谐波为例, 2017-2019 年其产品均价整体呈下降趋势。均价下降除了受下游需求及市场竞争情 况影响以外,同时也与小规格谐波减速器销量占比提升有关。2019 年其产品整体单 价较 2018 年下降 253.19 元,其中销量结构变化影响 84.88 元,产品单价下降影响 168.31 元。

单位成本下降则主要得益于制造工艺进步以及规模效应提升,规格变化影响相对较 小。绿的谐波减速器成本构成包括:直接材料占比 34.85%、直接人工占比 24.25%、 制造费用占比 26.93%、外协费用占比 13.97%。从直接材料成本变化来看,2019 年 其小规格产品销量较 2018 年大幅提升,但材料成本变化不大,由此可知产品规格的 变化对成本端的影响相对较小。成本下降主要是得益于公司生产工艺进步及规模效 应带来的制造成本下降。而外协费用主要与需要外协制造的比重有关,若通过自建 产线生产则会相应增加人工费用和制造费用,因此影响也相对较小。

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生产、制造端仍是未来降本的核心方向。 (1) 生产工艺方面:以柔轮的加工工艺最为复杂,主要涉及材料选择、热处理、 毛坯加工及制齿工艺。制造柔轮的几个关键生产工艺都会影响到谐波减速器 的使用寿命、使用精度以及成本控制。 材料的选定:国内外的谐波减速器柔轮材料基本为 40Cr 合金钢,但国 外提纯工艺更好,材料杂质相比国内少,目前国内基本依赖进口。 齿轮齿形的设计:通过齿形结构设计可以提高谐波减速器的精度、承 载能力、使用寿命,降低温升,同时特殊的齿形设计也能降低生产设备 要求,提高生产效率。 热处理工艺:薄壁变形部位经过特殊的旋压工艺、热处理,可以使材料 的耐磨性和塑性达到平衡,有效提升柔轮的抗拉强度和冲击韧性,提 升柔轮使用寿命。 毛坯加工及制齿:哈默纳科运用其工艺已经可以实现一分钟加工多个 刚齿轮工件,而国内的谐波减速器企业大部分还采用传统的慢走丝或 滚齿、插齿工艺,效率低,量产难。

整体上看目前日本哈默纳科的生产工艺最为成熟先进,国内则良莠不齐, 各厂商通常根据齿形设计采取不同的工艺路线,但容易存在几个误区: 在不掌握工艺的情况下盲目追求高大上,妄图以高精密的设备填补工 艺的匮乏,使用高精度数控设备却仍然做不好加工。 重视齿轮工艺加工,忽视热处理及车工艺加工。日本关键减速机加工 已经不标精度等级(默认关键尺寸 2—3μ),但没有成熟稳定的热处理 及车工艺,齿加工也将毁于一旦。 没有严格的生产工艺流程,部分关键工艺的使用不合理,导致无法实 现量产。

(2) 规模制造方面:目前国外领先企业已全面采用现代化流水线作业,而国内头 部厂商现有厂房仍主要使用工作站模式进行生产,生产布局为离散型作业模 式,生产效率相对于流水线作业较低。同时,国外领先企业测试及应用端也 拥有 50 多年的数据积累,而国内龙头绿的谐波在 2013 年才开始有谐波减 速器产品上市销售,在设计、材料、装配工艺等方面的积累仍然较少,这在 一定程度上也影响了企业效率。

国内企业与国外头部厂商相比在生产效率方面仍有较大提升空间广阔。2022 年绿的 谐波的员工人数为 920 人(其中研发人员数量 113 人),全球龙头哈默纳科员工人数 大约 1324 人(其中研发人员数量 137 人),国内头部厂商与国外领先企业在人员规 模方面已逐渐接近。但在人均产值方面差距巨大,2022 年哈默纳科人均创收 279 万 元,而绿的谐波人均创收仅为 48 万元,未来提升空间广阔。在我国人力成本持续上 升背景下,国内企业可以通过提升自动化水平来提升生产效率,同时进一步减少直 接人工费用的支出。

总结:生产工艺方面,目前国内厂商的加工工艺仍需进一步打磨优化,不断提高产 品性能和生产效率,维持国内产品的性价比优势。同时,在规模制造方面,目前国 外厂商在生产、装配、检测等环节都已实现部分或全部自动化,而国内企业仍有大 量员工用于简单的重复性工作,未来有必要进一步提升自动化水平来提高人员效率, 进一步降低生产成本。 目前绿的谐波减速器单位成本为 600 元左右,未来完全有可能通过工艺提升及高效 规模制造进一步降低生产成本,为人形机器人的产业化扫清障碍。

4.1. 纳博特斯克引领全球 RV 减速器市场,政策引导下国产替代初显成 效

纳博特斯克是全球 RV 减速器龙头,其精密减速器在全球市占率超 60%。RV 减速 器是纳博特斯克的主流产品,其作为世界上最大的精密摆线针轮减速机制造商,占 全球精密减速器市场超 60%份额,尤其在中/重负荷工业机器人领域,纳博特斯克的 RV 减速器全球市占率更是超过 90%,发那科、安川、库卡、ABB 等国际知名工业 机器人企业主要都选用纳博特斯克生产的 RV 减速器作为关节传动机构。

RV 减速器产品结构和技术工艺较谐波减速器复杂,我国对于 RV 减速器的核心技 术仍未完全掌握。近年在国家政策引导支持下,部分企业已具备一定的 RV 减速器 批量生产能力。近年我国先后出台了系列相关文件,并从国家自然科学基金、国家 863 计划、国家科技重大专项等不同渠道对 RV 减速器等相关项目给予了政策和经 费等方面的大力支持,吸引更多有志于改变高端减速器严重依赖进口现状的单位加 入到 RV 减速器的研究工作中来。在国家政策的大力支持下,经过高校和企业的密 切合作,目前我国已拥有一批具备批量生产 RV 减速器的企业。

精密减速器行业研究:机器人最核心零部件,有巨大想象空间(图6)


RV 减速器国产替代初显成效,2021 年国产化率已经达到 30%左右。经过国内企业 多年摸索,RV 减速器的国产替代已初显成效。①技术方面,近年国内围绕 RV 减速 器的工作原理、结构优化、齿廓修形与优化、传动精度等设计理论、零部件制造与 装配工艺、性能检测等方面展开的研究已获得一定成果。②配套设备方面,国内相 关配套设备的研制亦有所突破。如北二机床厂研制的随动式 RV 减速器偏心轴磨床、 郑州高端装备与信息产业技术研究院联合河南科技大学研制的 RV 减速器摆线轮成 形砂轮磨齿机床,对 RV 减速器国产化也起到了积极作用。 目前国内 RV 减速器生产规模较大的厂商主要有双环传动、中大力德、南通振康、 秦川机床等,国产品牌市占率持续提升,但与纳博特斯克相比差距仍较大。2021 年 纳博特斯克国内市占率为 51.8%,较 2020 年下降 3pct;双环传动国产品牌市占率排 名第一,2021 年占比 15.1%,较 2020 年提升 5.8pct。

但从产能规模来看,国内企业与纳博特斯克仍然有很大差距。目前国内排名前列的 双环传动、中大力德、秦川机床等厂商 RV 减速器产能规模与纳博特斯克差距较大。 2022 年双环传动 RV 减速器年产能仅为 10 万台;而纳博特斯克近年持续扩充产能, 2022 年产能规模达 106 万台,且公司规划未来将继续扩产,预计 2024 年产能 148 万台,2030 年产能规模达 234 万台。

4.2. 技术工艺仍需积累,产品体系有待完善

RV 减速器设计结构复杂、工艺流程繁琐,影响其动态性能的因素很多,导致国产 替代进度缓慢。结构设计、材料选择、热处理、机加工、装配检测等等各环节均会 影响到产品最终性能。同时,各相关因素之间通常还存在耦合关系,零件间受力十 分复杂,具有多自由度和强非线性的特点,要建立全面而精准的动力学模型难度很 大,需在生产种积累经验然后不断改进,这也是导致 RV 减速器国产替代进度缓慢 的核心原因。

国内产品与进口产品的差距主要体现在精度、刚度、噪音、寿命、稳定性及一致性 等方面。目前国内头部企业在精度、刚度、噪音等方面都已取得一定进步,而在产 品批量的稳定性及实际负载寿命方面差距仍较为明显。 (1) 精度:传动误差是衡量 RV 减速器精度的重要指标,RV 减速器传动误差可 分为静态传动误差、动态传动误差和检测误差 3 种。静态和动态误差与结构 设计、参数选择、制造工艺、装配、零部件柔性变形等多种因素有关,且组 合形式多样。检测误差则与检测技术、检测方法和检测设备有关。 (2) 刚度:刚度衡量减速器的承载能力和抗变形能力。减速器内各类轴承的支撑 刚度是影响整机扭转刚度的主要因素,同时针轮齿数、针轮半径和针齿半径 都会影响减速器的扭转刚度。 (3) 寿命和稳定性:减速器寿命和精度保持能力是现阶段国产减速器与国外产品 差距所在,主要受材料选择、加工工艺、润滑、摩擦磨损等因素影响。日本 企业的质量管理严格,贯穿原材料、生产、装配到测试各个生产环节。而我 国存在检测能力差、质量检查不严格、生产环节不规范等问题。 (4) 批量一致性:装配和机加工工艺很大程度上决定了 RV 减速器的批量一致性, 是 RV 减速器的核心技术之一,也是目前我国精密减速器制造的短板。日本 依托强大的重工业实力,高端数控加工中心和齿轮磨床产品丰富。而我国则 受限于超高精度加工装备产业的发展,需要加速国产精密数控加工中心和磨 床设备的研发。

国内厂商设计制造经验较少,对比海外企业技术工艺仍需积累。整体来看,我国 RV 减速器产业化较纳博特斯克晚 20-30 年,纳博特斯克在 RV 减速器的设计、制造、 装配水平在全球处于绝对领先地位。尽管近年我国在理论研究、相关制造、检测设 备的研制等方面取得不错进展,但由于技术保密、封锁等原因,并没能完全掌握 RV 减速器的核心技术,更多是仿制日本产品,正向设计研究工作较少,这也导致我国 精密减速器产业一直扮演追赶者的角色。对于材料、热处理、关键零件精密加工工 艺、整机装配工艺、精密机床和检测仪器等诸多环节和相关核心技术,我国仍需继 续积累,国产替代任重道远。

同时,国内企业还需进一步完善产品体系,拓宽产品下游应用范围。纳博特斯克、 住友等厂家深耕 RV 减速器几十年,在实际应用中积累了大量经验,除了技术稳定之 外,产品规格系列也更为完善。而目前国内普遍存在产品种类单一,尺寸型号较少 等问题,未来仍需加大投入,继续针对不同应用场景开发升级不同系列和型号的产 品。 总结:RV 减速器产品结构和技术工艺复杂,我国产业积累时间尚短。近年在相关政 策引导支持下,国内相继出现一批具备批量生产能力的企业,但与国际头部厂商差 距仍然较大,未来仍需在各个生产制造环节继续打磨,同时进一步完善产品体系, 拓宽产品下游应用范围。

5.1. 精密减速器下游应用广泛,2021 年全国谐波和 RV 减速器市场规模 达 58 亿元

精密减速器下游应用广泛,除了机器人领域外,自动化、数控机床、光伏设备、医 疗器械、航空航天、半导体设备等领域也是精密减速器重要应用领域: (1) 工业机器人:精密减速机是机器人的核心零部件,在工业机器人结构设计中, 1 台机器人一般至少需要 4-6 台精密减速器。 (2) 数控机床:单台加工中心及数控铣床可使用 4 台以上精密减速器;数控车床 及车削中心、数字磨床及放电加工机等可使用 3 台以上精密减速器;高精度 数控回转台和加工中心的四或五轴需要使用 1-2 台精密减速器;雕刻机的分 度回转装置以及义齿加工机等也需要使用精密减速器。 (3) 光伏设备:精密减速器一般应用于光伏智能制造设备以及光伏发电设备中太 阳能跟踪系统中的自动化组件,太阳能跟踪系统可调节电池板与太阳的角度, 保持太阳光垂直射电池板,提高光伏组件的发电效率; (4) 航空航天:精密减速器可用于航天卫星及其他各类航天器的各种驱动机构、 高精度指向结构和天线展开结构上得到广泛应用; (5) 医疗设备:精密减速器主要用于放射治疗设备、检测设备、医疗器械自动加 工设备、医疗机器人、外骨骼机器人、康复机器人等。 (6) 半导体:主要用于氧化炉、涂胶显影设备、光刻机、刻蚀机、离子注入机、 清洗设备、质量检测设备、电学检测设备、CMP 设备、CVD 设备、PVD 设 备等。

工业机器人是精密减速器最主要的下游应用领域。其中多关节机器人是国内销量最 高的机型,占到国内市场总销量的 60%以上,SCARA 机器人和坐标机器人销量排 名第二、三位。

精密减速器行业研究:机器人最核心零部件,有巨大想象空间(图7)


不同种类工业机器人对于精密减速器的需求量有所差异,2021 年我国工业机器人领 域谐波和 RV 减速器需求分别为 67.13 和 50.33 万台。 (1) 六轴多关节机器人为最常见的多关节机器人,其通常需要搭配 6 台精密减 速器。小负载关节主要使用谐波减速器,大负载关节则使用 RV 减速器,我 们假设每台多关节机器人平均使用 3 台谐波减速器和 3 台 RV 减速器。 (2) 坐标机器人成本低廉、结构简单,可以灵活组装成单轴到多轴的机械手,或 者作为专业自动化机械中的直线定位系统,被广泛应用于点胶、注塑、上下 料、装配等工业生产领域,通常选择使用行星减速器。(3) SCARA 机器人具有 4 个轴 4 个运动自由度,其特点是结构轻便、响应速度 快,运动速度可比一般关节机器人快数倍,能进行装配、装卸、固定、涂层、 粘结等工作,其旋转关节一般使用 2-3 台谐波减速器。 (4) DELTA 机器人是实际工业中应用最广泛的一种少自由度并联机器人,其基 座可以看作 1 个安装大平板与 3 个 120 度均分的减速器安装平面组成,采 用的减速器大部分为行星减速器,但使用谐波减速器可以使得抓取更平滑、 精度更高,我们假设 DELTA 机器人平均使用 1 个谐波减速器。

我们根据近年中国市场不同种类工业机器人的销量,以及各类型机器人装配所需精 密减速器经验数量,估计国内工业机器人领域对谐波减速器和 RV 减速器的需求规 模。测算 2021 年我国工业机器人领域谐波减速器需求量为 67.13 万台,RV 减速器 需求量为 50.33 万台。

由此对应 2021 年国内工业机器人领域谐波、RV 减速器需求金额分别为 14.06 亿元 和 22.84 亿元。根据绿的谐波招股说明书披露,谐波减速器单价为 1000-5000 元, RV 减速器单价 5000-8000 元,我们结合上市公司产品均价及行业情况,假设 2014 年谐波减速器均价为 3000 元,RV 减速器市场均价为 6000 元。同时,根据近年市 场竞争情况,假设谐波减速器和 RV 减速器均价以每年 5%的速度下降,到 2021 年 均价分别为 2100 元和 4500 元左右。测算 2021 年国内工业机器人领域谐波减速器 和 RV 减速器分别对应市场规模约为 14.06 亿元和 22.84 亿元。葡萄新京

叠加其他领域需求,我们测算 2021 年全国谐波减速器和 RV 减速器总需求分别为 103.27 和 75.11 万台左右,对应市场规模分别为 23.44 亿和 34.61 亿。 (1)谐波减速器:国产谐波减速器龙头绿的谐波 2017-2019 年其谐波减速器产品在 机器人领域销售占比大约为 75.32%;全球谐波减速器龙头哈默纳科 2022 年收入结 构中减速器业务占比 87.8%,谐波减速器相关收入占比约 81.9%,其下游销售领域 划分中,机器人领域占比 49.5%。我们综合哈默纳科和绿的谐波产品下游应用领域 占比,假设谐波减速器下游应用领域中工业机器人占比 65%左右,测算 2021 全国 谐波减速器需求量为 103.27 万台左右,对应金额 23.44 亿元。 (2)RV 减速器:RV 减速器和谐波减速器特征相似,适用领域互补。根据 GGII 信 息,在 RV 减速器的下游应用中,工业机器人占比在 2/3 左右,其余 1/3 的应用于自 动化、机床等等领域,我们测算 2021 年全国 RV 减速器需求量为 75.11 万台,对应 金额 34.61 亿元。

5.2. 多元需求推动行业持续成长,人形机器人带来巨大想象空间

国家加快推进机器人应用拓展目标明确,工业机器人行业有望保持高速增长,市场 潜力巨大。2021 年我国制造业机器人密度为 322 台/万人,较新加坡、韩国等制造业 发达国家仍有较大差距。同时,我国劳动力市场又面临着成本上升和结构性矛盾等 问题,在制造业转型升级背景下,国家对于加快推进机器人应用拓展目标明确。2023 年 1 月 18 日工业和信息化部等十七部门印发《“机器人+”应用行动实施方案》,提 出到 2025 年,制造业机器人密度较 2020 年实现翻番。中国工业机器人市场有望保 持高速增长,市场潜力巨大。

同时,精密减速器下游需求多元,随着技术进步以及产品价格下降,精密减速器有 望凭借其优异的性能应用在更多领域。以哈默纳科为例,随着精密减速器产品下游 应用领域不断拓宽,其在不同时期的业绩驱动都有所差异,公司销售规模在过去几 十年都保持着快速增长。

人形机器人对精密减速器使用量远大于工业机器人,想象空间巨大。特斯拉人形机 器人全身包含 28 个执行器,分旋转执行器和线性执行 器 2 大类型 6 种规格。其中旋转执行器采用“电机+精密减速器”结构,线性执行器 采用“电机+滚柱丝杠结构”。整体上看对减速器的需求要远高于多关节机器人 6-7 个的需求量。

根据各个关节所处位置和相应的输出特征,我们判断特斯拉人形机器人使用 14 个 旋转关节和 14 个直线关节。特斯拉以所处位置和输出特征对 28 个执行器进行命名,分 yaw、pitch、roll 三种。欧拉角 yaw、pitch、roll 是表达旋转的一种方式,其反应 了载体相对基准面的姿态。以肩关节为例,roll 为翻转角,可对应到的动作为手掌的 翻覆;pitch 为绕俯仰角,可对应到的动作为手臂的上下摆动;yaw 为偏航角,可对 应到的动作为手臂左右摆动。我们根据关节位置及输出形式判断,特斯拉人形机器 人中:肩关节使用 3 个旋转执行器;轴关节使用 1 个线性执行器;腕关节使用 1 个 旋转执行器和 2 个线性执行器;髋关节使用 2 个旋转执行器和 1 个线性执行器;膝 关节使用 1 个线性执行器;踝关节使用 2 个线性执行器;躯干使用 2 个旋转执行器。

精密减速器行业研究:机器人最核心零部件,有巨大想象空间(图8)


虽然目前特斯拉人形机器人技术方案仍未完全确定,但谐波和 RV 减速器作为最适 配特斯拉机器人的精密减速器之一,具备体积小、重量轻、输出力矩较大等优点。 我们认为未来特斯拉有可能会根据下游应用领域不同,选择搭配不同负载的谐波或 RV 减速器。从已知技术方案来看,我们假设特斯拉人形机器人全部使用谐波减速 器,测算 2025、2030、2035 年在悲观、中性、乐观三种情况下,特斯拉人形机器人 对精密减速器的需求增量。同时,我们假设减速器价格随着产业规模扩大持续下降, 假设 2025 年谐波减速器均价为 1300 元并以此为基准,年均下降 5%,则到 2030 年 均价约为 1006 元,2035 年均价约为 778 元。

马斯克曾在采访中表示,未来特斯拉人形机器人的产量将达百万台。更远期来看, 如果技术成熟、成本进一步下降,届时人形机器人数量可能会比人类还多,需求规 模将达到百亿级别,那么精密减速器面对的市场将是星辰大海。而国内厂商凭借较 为完善的产业链配套和较低的人工成本,有望成为特斯拉人形机器人实现低成本产 业化的核心力量,而拥有一体化能力,并具备技术、成本、规模优势的企业或将受 益更多。

6.1. 哈默纳科:全球谐波减速器龙头,致力于推动谐波减速器精巧化

哈默纳科是全球谐波减速器行业龙头,主营业务为高精谐波减速器和机电一体化产 品。1953 年美国 C.W.Musser 教授发明制造了第一台谐波齿轮减速机,1964 年哈默 纳科前身长谷川齿轮在和美国 USM 公司的技术合作下,首次在日本引进谐波减速 器并实现商业化。1970 年,哈默纳科由长谷川齿轮和 USM 公司各出资 50%成立。 经过多年发展,哈默纳科已发展成全球整体运动控制的领军企业,提供谐波减速器 +减速器组件、行星减速器、机电一体化产品。公司生产的谐波减速机被广泛应用于 工业机器人、半导体光伏设备、精密机床等尖端领域,在全球市场占有率超 80%。

致力于开发“更小型更轻量”产品,一直推动谐波减速器的精巧化,同时亦通过不 断积累的加工工艺,持续提升产品强度和性能。公司产品定位高精尖、并持续迭代 进化,与 1981 年的 CS 系列相比,目前的主力产品 CSF 系列厚度降至 3/5,传动能 力亦提升 2 倍。新一代的 CSD 系列更是将厚度缩减至只有 CS 系列的 1/3、CSF 系 列的 1/2,并兼具高扭矩和高传动精度的优异性能。目前公司拥有 31 种形状、扭矩 从 0.5Nm~9180Nm 的丰富产品类型,可满足不同客户不同应用场景的使用需求。

2022 年公司营收 715.27 亿日元(约合 36.97 亿 RMB),净利润 75.96 亿日元(约合 3.93RMB)。收入结构中,谐波减速器相关业务占比 81.9%(其中谐波减速器组件占 比 16.4%)。综合毛利率 36.05%,综合净利率 10.62%。

精密减速器行业研究:机器人最核心零部件,有巨大想象空间(图9)

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机器人和半导体设备是公司产品主要下游行业,亚洲地区是最大的销售市场。公司 产品最大的下游应用领域为机器人行业,2022 年机器人行业收入占比达 49.50%, 其次为半导体设备行业占比 17.5%。分销售区域来看,2022 年公司在亚洲地区实现 销售收入 384.31 亿日元,占比 53.7%排名第一,其次是欧洲占比 21.3%,北美洲占 比 15.2%。

目前公司通用谐波减速器产能 198 万台/年,全球最大。目前公司减速器产能 306 万 台/年,其中汽车行业专用减速器产能 108 万台/年,通用减速器产能 198 万台/年。

公司中长期发展规划: (1) 释放日本Ariake工厂的产能,并通过提升自动化程度提升工厂的生产效率; (2) 针对机器人等领域开发超小型执行器,提供更多有价值的服务和产品; (3) 提高产品效率、探索新材料新技术、验证量产超小型产品的可行性、确保产 品生产消费本地化; (4) 长期愿景:追求全面的运动控制能力,并通过公司的运动控制技术为行业和 社会的创新做出贡献。

6.2. 纳博特斯克:RV 减速器缔造者,独特资产塑造难以复刻的竞争优势

RV 减速器缔造者,运动控制领先企业。RV 减速器的起源可以追溯到 1980 年,帝 人精机对油压挖掘机使用的行走马达的开发。此后在日本机器人产业急速发展的背 景下,帝人精机为解决当时工业机器人行业面临的减速器破损、振动消除等问题, 于 1986 年推出了高精度、高刚性、低振动 RV 减速器,使其成为行业主流成品。 2003 年,帝人精机(Teijin Seiki)和纳博克(Nabco)合并成立纳博特斯克(Nabtesco)。 纳博特斯克以运动控制技术为核心,致力于 RV 减速器的技术迭代与产业化推进, 现已成为全球最大的机器人精密减速器制造商,RV 减速器市场占有率达 60%。同时,凭借强大的运动控制能力,纳博特斯克在液压设备、铁路车辆设备等业务在全 球亦是领先地位。

纳博特斯克推动 RV 精密减速器持续创新升级,引领工业机器人行业发展。纳博特 斯克不断开发各系列产品以满足客户需求,引领行业发展。1988 年的 RV-A 系列通 过主轴承内置化,大大缩短了机器人的安装工时;1992 年中空型 RV-C 系列通过减 速机的中空设计,实现对电缆的简洁化处理,再次为机器人的进化添上精彩的一笔; 1996 年 RV-E 系列与上一代产品相比负载容量提升 20%,使得机器人本体结构得以 从平行连杆进化为独立多关节;2005 年中空型 RV-CA 系列采用无中心齿轮的创新 设计,实现减速机的结构紧凑化,非常适合工业机器人的旋转轴上使用;2006 年 RV-N 系列将外形进一步缩小,解决了对生产线的空间限制和灵活应对产线定制化的新 需求。

近 40 年 RV 减速器研发制造经验,造就了纳博特斯克难以复刻的竞争优势。帝人 精机近 80 年的切割技术和装配技术+纳博克近 100 年的流体控制技术和气动控制技 术,造就了纳博特斯克全球领先的运动控制能力。同时,二者的合并将使得双方拥 有比以往更强的表面处理和热处理技术,以及 CAE 分析、AM 技术和基础模型开发 等先进的开发方法。叠加近 40 年的 RV 减速器研发制造方案,公司的竞争优势几乎 难以复刻。

精密减速器是公司核心业务,营收占比 29%,但利润占比达到 2/3 左右。2022 年公 司精密减速器业务收入规模897亿日元(约合45亿RMB),约占公司总营收的29%。 利润方面,公司将精密减速器业务和液压设备联合统计为零部件业务(Component Solution Segment:CMP),2022 年 CMP 业务营业利润 159 亿日元(约合 8 亿 RMB),占到公司营业利润的 87.84%。我们根据 CMP 业务的营业利润率推测减速器业务利 润或占到公司营业利润的 2/3 左右,是公司的最大的利润来源。

日本和中国是主要销售市场。2022 年公司在日本地区销售占比 53%,销售额 1627 亿日元;其次是中国占比 17%,销售额 531 亿日元。相比 2021 年,2022 年公司的 销售增长主要来自于北美洲和亚洲其他国家。

精密减速器行业研究:机器人最核心零部件,有巨大想象空间(图10)


精密减速器行业研究:机器人最核心零部件,有巨大想象空间(图11)

目前公司精密减速器产能较为紧张为 106 万台/年,日本新工厂预计于 2023 年底投 产。近年公司整体产能较为紧张,截至 2022Q4 公司日本 Tsu 工厂产能 89 万台/年, Q4 产能利用率 110%;常州工厂产能规模较小为 19 万台/年,22Q4 产能利用率 100%。 新工厂 Hamamatsu 预计将于 2023Q4 投产,预计到 2024 年底公司产能可达 148 万 台/年,2030 年可达 234 万台/年。

中长期发展规划(2030 年愿景):努力通过改革、创新、全球化来“改变自己”和 “改变世界”,成为“创新领袖”。 (1) 改善财务状况、进行管理改革; (2) 推进智能制造,提高生产能力; (3) 开发新技术、新产品、新业务。

6.3. 绿的谐波:深耕谐波传动领域 20 年,国产谐波减速器行业领军企业

深耕谐波传动领域 20 年,全新齿形结构助力谐波减速器实现国产替代。绿的谐波 成立于 2011 年正式成立,专业从事谐波减速器的研发、设计、生产和销售,产品包括谐波减速器、机电一体化执行器及精密零部件。但早在 2003 年,公司核心团队就 已从事机器人用精密谐波减速器理论基础的研究,并在传统谐波传动的理论基础上 提出了基于曲面几何映射的非共轭谐波啮合齿形设计方法,发明了全新的“P 型齿” 结构,与国外主流齿形技术路线实现了差异化,并大幅提升了谐波减速器的输出效 率和承载扭矩。从 2009 年制造出第一台谐波减速器,到 2022 年实现销售 25.7 万 台,公司已发展成国产谐波减速器龙头,在国内率先实现了谐波减速器的工业化生 产和规模化应用,是实现谐波减速器国产替代的中坚力量。

公司业务结构与哈默纳科相似,聚焦谐波减速器、机电一体化产品。除了精密行星 减速器暂未涉及,公司收入构成与哈默纳科基本相似。2022 年公司总营收 4.46 亿 元,谐波减速器及金属部件占比 93.42%,机电一体化产品占比 5.76%。2022 年实现 毛利 2.17 亿元,谐波减速器及金属部件占比 93.60%,机电一体化产品占比 5.01%。

以国内销售为主,机器人领域收入占比近 8 成。公司谐波减速器在经过多家机构及 客户认证使用后,得到国内客户高度认可,在国内市场已逐步实现进口替代。终端 应用领域主要为机器人行业,经过多年发展公司已积累了包括机器人、新时达、埃 夫特、埃斯顿等一大批优质龙头客户,在国内市场竞争优势竞争优势。2022 年公司 国内销售占比达 85%,海外方面,公司受到了 Universal Robots A/S 等国际协作机器 人客户的认可,已连续多年批量供货。

产能快速扩张,规模优势明显。近年公司产能持续扩张,截至 2022 年,公司谐波减 速器产能 33 万台/年,远超国内同业竞争对手规模优势明显。预计随着 IPO 项目产 能继续释放,到 2023 年底公司产能规模将达 59 万台/年。同时,公司于 2022 年发 布定增公告,拟新建谐波减速器产能 100 万台/年用于生产新一代谐波减速器,项目 预计 2027 年达产,届时公司将拥有两代谐波减速器产能合计 159 万台/年。

受益产能释放及下游需求强劲,收入利润持续增长,盈利能力维持高位。在公司 IPO 项目产能释放背景下,得益于下游行业的快速增长,以及疫情期间近口产品交付受 限,公司凭借优异的产品性能获得了国内客户高度认可,公司产品市场需求旺盛, 带动收入利润快速提升。2018-2022 年公司营收 CAGR19.32%,归母净利率 CAGR24.27%。公司盈利水平仍维持高位,表明行业壁垒高,公司市场竞争能力强。

精密减速器行业研究:机器人最核心零部件,有巨大想象空间(图12)

精密减速器行业研究:机器人最核心零部件,有巨大想象空间(图13)


6.4. 双环传动:深耕高精度齿轮行业,同步布局 RV 和谐波减速器

专注齿轮业务 40 余年,适时拓展布局 RV 减速器。双环传动成立于 1980 年,1998 年开始正式生产摩托车齿轮,2010 年在深交所上市。上市时公司产品主要围绕涵盖 乘用车齿轮、商用车齿轮、摩托车齿轮和工程机械齿轮等。近年公司及时精准地把 握行业发展脉络,在专注原有业务的同时,于 2013 年左右开始研发布局 RV 减速 器。2015 年公司获得科技部“863 计划”的经费支持,同年募集资金 3 亿元用于 RV 减速器的进一步研发。2020 年公司将与机器人减速器业务相关的资产、负债、知识 产权及人员独立以加强业务开发,设立全资子公司“环动科技”。目前,公司开发的 系列化高精密关节减速器已广泛应用于国内众多主流机器人产品中。

2022 年传统主业齿轮收入占比近 80%,减速器及其他营收 4.57 亿元占比 6.69%。 2022 年公司营收 68.38 亿元,其中传统主业齿轮收入 53.58 亿元,占比 78.38%,按 照应用领域还可进一步细分为乘用车齿轮、工程机械齿轮、商用车齿轮等。减速器 及其他是公司未来重要的增长点,2022 年实现营收 4.57 亿元,占比 6.69%。

RV 减速器产能国内领先,生产加工实力强大。根据公司公告,目前公司约有 RV 减 速器产能 10 万台/年,是国内产能规模排名前列的 RV 减速器生产商,同时也仍在 做新一轮产能扩张规划。环动科技秉承双环传动强大的加工制造能力,拥有两万平 米的机器人精密减速机恒温加工车间,数条专业化高精度智能制造产线和装配线, 高精密加工及高精度检测设备达 60 余台。拥有专业的材料性能分析、热处理实验、 强度寿命实验室,以及功能完善的机器人精密减速机整机综合性能和寿命实验室。 目前环动科技生产的 RV 减速器在技术上已经打破了同类产品由日欧品牌垄断的局 面,进入批量化生产与应用的商业化阶段,产品已基本覆盖国内主流机器人客户。

6.5. 其他相关公司

中大力德(行星、RV、谐波减速器):公司是目前国内唯一能同时提供 RV 减速器、 谐波减速器、行星减速器、电机、伺服驱动、机电一体化产品的企业。2021 年公司 可转债发行说明书披露,智能执行单元生产基地项目达产后预计可形成约 30 万台 精密减速器(叠加此前拥有的 25 万台精密减速器产能,达产后产能达 55 万台/年)、 18 万台伺服电机及 30 万台驱动器的生产能力,并根据市场需求,组合成个性化的 智能执行单元形成销售。 秦川机床(RV 减速器):根据公司 2022 年 8 月 26 日投资者关系活动记录表披露, 公司是国内做 RV 减速器最早的企业之一,能够供应 5-800Kg 全系列 RV 减速器产 品,特别在中大规格领域优势明显,产品技术参数指标已达到和国际品牌相当的水 平。2020 年公司投入的工业机器人关节减速器项目已投入使用,一期设计产能 6-9 万套,未来将根据下游市场的需求情况决定新的扩产计划。2021 年公司 RV 减速器 产销量超 3 万台,2022 年规划产销 5-6 万台。 其他:汉宇集团(谐波减速器)、中技克美(谐波减速器)、南通振康(RV 减速器、 谐波减速器)等。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库】。「链接」


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