机器人用减速机，减速器行业深度研究:从人形机器人关节设计看待减速器投资机会分析
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|（报告撰写/作者：国金证券、满在盆、秦亚男）
1、减速机基本介绍核心视角：减速机具有降低电机高速旋转、增大扭矩、增加输出端负载能力的作用。根据传动原理的不同，减速机可分为一般减速比减速和小齿差减速两种。相同尺寸的小齿差减速机主要有较高的额定输出扭矩，如行星减速机、谐波减速机、摆线风车减速机、RV减速机。我们以小齿阶减速齿轮为例。精密行星减速机整体结构紧凑，传动比小，可采用两级或多级结构增大输出扭矩；摆线风电机组减速机以偏心传动为主，在额定功率下输出较大。 RV减速机采用摆线针轮减速原理，增加第一级渐开线行星传动，使其体积更小、重量更轻，同时传动比和承载能力更大，传动效率更高更高。马苏。精度高，谐波减速器主要依靠柔轮，传动具有结构简单、体积小、重量轻、传动比范围宽、承载能力大的特点。 1.1减速机大致分为一般减速比减速和小齿差减速两种。它们是连接动力源和执行机构的中间机构，具有匹配速度和传递扭矩的功能。减速机是由多个齿轮组成的传动部件。由于大多数机械装置不适合由原动机直接驱动，减速机在高速运转时利用传动装置的动力，通过输入轴上的小齿轮与输出轴上的大齿轮啮合，减少速度和增加扭矩。目的是增加。
目前市场上减速机简单分为普通减速机、特种减速机、精密减速机，但我们根据减速机的传动原理将减速机分为两类：普通减速比减速机和小齿差减速机。我是。一般减速比：减速主要是通过输入轴小齿轮和输出轴大齿轮的啮合来实现，大齿轮的齿数一般是小齿轮齿数的减速比的两倍。主要包括圆柱齿轮减速机和蜗轮减速机。圆柱齿轮减速机是利用输入轴上的小齿轮与输出轴上的大齿轮啮合，小齿轮带动大齿轮运动来达到减速的目的。蜗轮减速机有两个轴。一种以蜗杆为主动部分、蜗轮为从动部分的空间交织蜗轮减速动力传动装置。减少齿差：在小齿差传动中，两轮的齿数差一般为14，依靠特殊的传动结构或传动级来实现较高的传动比。小齿差减速机主要类型有行星减速机、三环减速机、摆线减速机、谐波减速机、滤波减速机等。行星减速机利用驱动源启动太阳轮，太阳轮带动行星轮运转，并通过连接内齿圈和行星轮的输出轴输出动力进行减速。采用行星齿轮减速机构作为第一级减速，附加摆线风车减速机构作为第二级减速，整个机构通过刚性板和输出板连接，最终输出减少并产生谐波。该减速器在波发生器中加入柔性轴承，以小齿差降低柔性齿轮的转速，从而拓宽了变矩器的齿数比范围，并在相同尺寸下提高了额定输出扭矩。总结一下目前各种减速机的具体性能指标，常见的齿轮减速机如圆柱减速机、三轮减速机总体传动比不高，单位质量输出对应的额定扭矩较小，我的理解是。单级行星减速机是通过多级变速来提高额定输出扭矩的减速机，RV减速机和谐波减速机是典型的精密减速机，输出扭矩大，重量和体积小，属于过滤减速器，属于技术研究产品，虽然性能有所提升，但整体传动效率仍然较低，尚未大规模商业化。 1.2 低齿差减速机的基本结构及传动原理在低齿差减速机中，我们详细讲解了精密行星减速机、摆线针轮减速机、RV减速机、谐波减速机的基本结构及传动原理。帮助投资者深入了解不同类型小差减速机的特点。综合考虑，行星减速机的输出扭矩虽然在齿数比50左右的一般减速机中较小，但整体传动效率较高，可以通过多级提高齿数比和额定输出。 RV减速机额定使用时输出扭矩大，负载能力强，而谐波减速机体积小，传动精度和效率高，但总体输出扭矩较差。尽管RV减速器、过滤减速装置的整体性能有所提高，但尚未完全推向市场。
1.2.1 精密行星减速机：小型精密传动装置，结构紧凑精密行星减速机体积小，主要由行星齿轮、太阳轮和内齿圈组成。其中，太阳轮中心有固定轴线，而行星齿轮则改变轴线，同时与太阳轮和外齿轮啮合，并绕太阳轮公转的同时自转。行星齿轮的支撑部分称为行星架，当太阳轮因外力而旋转时，与行星齿轮啮合，最终通过行星架输出减速。结构紧凑、传动比为10以下的单级精密行星减速机。行星减速机具有高刚性、高精度（每级1'以内）、高传动效率（每级97%98%）、高扭矩/体积比等特点，主要安装在伺服机中。要降低速度，请增加扭矩以匹配惯量。考虑到单级减速机的减速比限制，驱动单元可采用两级或多级传动，以增加输出扭矩。两级行星减速机包括两级太阳轮、两级行星齿轮、两级行星架和内齿圈。两级传动系统的减速比相同，因此各级行星齿轮和太阳轮可以设计成相同的模数和齿数，并且两级行星齿轮可以共用相同的内齿圈。加工和制造变得更加容易。 1.2.2 摆线风力发电机减速机：摆线针齿啮合、偏心传动摆线风力发电机减速机是利用小齿差、摆线针齿啮合的行星传动原理的传动。摆线风力机的输入部分由输入轴和偏心套组成，偏心套由两个旋转180的偏心件组成，用键与传动轴连接。减速装置由行星摆线轮和销轮组成，两个奇数摆线轮装在偏心套上，偏心套偏置180，与销轮的齿啮合，起到减速作用。输出部分由输出轴和销组成。传动原理：摆线风车行星传动中，当输入轴旋转时，通过偏心轴带动摆线轮旋转，但由于摆线轮与偏心轴销齿啮合的限制，摆线轮旋转.旋转时，绕自身轴线自转并绕输入轴公转，W输出机构将摆线车的低速旋转传递至输出轴。通过使用引脚可以获得较低的输出速度。 1.2.3 RV减速机：两级传动，结构复杂RV减速机与摆线风力机减速机同源，主要由摆线风力机和行星架组成。 RV减速器是基于摆线风力机行星传动的刚性齿轮减速器，最初由日本Nabtesco开发用于机器人关节臂。其主要结构包括输入轴、行星齿轮、曲轴、摆线轮、滚针齿轮、行星架。目前，大多数RV减速器采用两级摆线风力机减速机构，由第一级渐开线行星传动和第二级摆线风力机行星传动组成。
传动原理：以行星架为输出轴，固定小齿轮壳进行传动。在传动过程中，电机与输入轴通过联轴器连接，将电机的输入转速传递给行星齿轮机构进行初级减速。然后，RV齿轮因曲轴的驱动而偏心旋转，当曲轴旋转一周时，RV齿轮与曲轴相反方向旋转一个齿，并从输出轴输出，产生较大的减速比率输出。与传统摆线行星减速机相比，RV减速机体积更小、重量更轻，但具有更大的传动比和负载能力、更高的传动效率和更高的精度。据计算，RV减速机传动比从31到171不等，传动效率达到85%到92%，疲劳强度、刚度和使用寿命高，齿隙精度稳定，使用方便。然而，操作的准确性会随着时间的推移而降低。 1.2.4 谐波减速器：柔轮变形、交错齿传动谐波减速器是利用柔轮弹性变形原理的传动机构，由柔轮、刚轮、波发生器三个基本部分组成。波发生器在运行时能按照一定的变形规则产生周期性的变形波。柔轮是一种薄壁结构，前端有齿环。柔轮内壁半径小于波纹半径，因此当波发生器安装在柔轮前部时，柔轮前部发生变形，柔轮接触钢轮。刚性花键具有内齿结构，由于柔轮与刚轮的齿数不同，当波发生器旋转时，柔轮与刚轮啮合。
传动原理：采用电机驱动波发生器，柔轮输出旋转，通过交错齿传动实现减速。以双波凸轮传动为例，柔轮上的齿数比钢轮上的齿数少两个，实际使用中，波发生器作为输入部件，刚轮固定，并且柔轮用作输出。当波发生器旋转时，谐波减速器的齿轮不断地在啮合和啮合状态之间切换，波发生器每旋转半圈，柔轮就向相反方向旋转一个齿。当完全旋转时，柔轮通过沿相反方向旋转两个齿来减慢速度。与传统的一般减速比减速机相比，谐波减速机具有结构紧凑、体积小、重量轻、传动比范围宽等特点。据资料显示，与相同传动比的圆柱齿轮减速机相比，谐波齿轮减速机的零件数量仅为圆柱齿轮减速机的50%左右，体积和重量也仅为传统的50%左右。圆柱齿轮减速机。%是。同时，在谐波减速器的啮合过程中，柔轮与刚性链轮之间的齿侧间隙主要由波发生器的外形尺寸和两齿轮的齿形参数决定。 1.2.5 滤波减速器：滤波减速器滤除高阶旋转波并输出低频传输，由偏心减速机构、滤波花键机构、三通减速机构组成。推力轴承。偏心减速机构由内齿轮、钢球、偏心环和滚动轴承组成，过滤花键机构由钢球、偏心环、圆柱齿轮和内齿轮组成。该滤波减速机在谐波减速机的基础上，省略了柔轮，采用高刚性结构。
2、从关节设计角度看人形机器人减速机需求的核心视角：从目前由减速机组成的人形驱动装置来看，除了高传动比谐波减速机外，事实证明谐波减速机应用广泛。有刚性驱动单元和弹性驱动单元，伪直驱驱动单元通常采用低传动比的行星减速机与专有的高扭矩密度电机相结合。目前，行星减速机用于四支腿。一个机器人和一些小型人形机器人。测试结果结合了Tesla Bot公布的人形高度和负载参数，并参考了《高 扭矩密度仿人机器人驱动单元研究》、《国内外双足人形机器人驱动器研究 综述》等文献中类似参数产品的联合负载实验，表明输出扭矩较高。对于10kg的端部负载，必须至少为30Nm，并且0.87m的双足输出扭矩要求为505Nm。根据以上列出的各种减速机的额定输出扭矩，我们认为精密行星减速机、谐波减速机、RV减速机满足要求。 2.1 从仿人关节驱动装置的角度来看，高传动比减速器和低传动比减速器并用，考虑到仿人机器人关节运动的特殊特点，简单地说就是高传动比减速器。工业机器人仿人机器人关节驱动部分采用电流减速器，与目前市场复用谐波减速器、RV减速器的逻辑不同。仿人机器人的驱动单元主要有刚性驱动、弹性驱动和伪直驱三种类型，每种驱动单元安装减速器的要求不同。根据文献，仿人机器人的驱动单元主要有三种类型。这些是刚性驱动单元、弹性驱动单元和半直接驱动单元。根据电机扭矩匹配的不同，可采用大传动比减速机和小传动比减速机。刚性驱动单元一般采用高速、低扭矩电机和高传动比减速机，输出扭矩大，运行精度高，但驱动单元体积和重量较大，可能会变得过大。大，可以满足您的要求。人形机器人需要小型化和轻量化。与刚性驱动单元一样，弹性驱动单元采用高传动比的减速齿轮，与传统刚性驱动单元不同的是，它采用弹性部件连接输出端和负载，提高了关节的灵活性。但弹性元件对高频运动的响应能力较差，导致驱动单元系统带宽窄，动态性能差，无法响应现实工况复杂快速的变化。
很多伪直驱驱动单元采用高扭矩密度的电机和低传动比的减速机，不仅输出高扭矩，而且还具有重量轻、运动性能好的优点，精度无法避免。齿轮的影响。网格播放的效果。目前谐波减速器主要应用于刚性驱动单元和弹性驱动单元。根据专利《国内外双足 人形机器人驱动器研究综述》，谐波减速器目前主要用于使用传统刚性驱动单元作为关节模块的机器人产品。目前整个刚性驱动单元的设计还很难创新，但预计未来研究将集中在电机和减速器的整体优化设计上。半直驱装置主要采用精密行星减速机。半直接驱动依赖于驱动电机的开环力控制，不依赖额外的力或扭矩传感器，使机器人能够感知外部相互作用。理想的驱动单元应该是由电机直接驱动，但以目前的电机技术和技术，电机直接驱动的扭矩密度无法满足机器人应用的需求。因此，需要电机和低速齿轮箱解决方案。目前，比率行星减速机被用作折衷解决方案。此类驱动单元目前应用于四足机器人和小型双足机器人。 2.2 从机器人关节设计角度考虑减速器的要求仿人机器人减速器选择时，要求既要轻量、紧凑，又要具有较高的额定输出扭矩。《高扭矩仿人机器人驱动单元研究》，高输出扭矩的驱动单元往往尺寸较大，但应用于多自由度、体积较小的仿人机器人时，关节体积大且笨重，对机器人的运动性能产生重大影响。由于单元扭矩密度较小，仿人机器人无法执行负载要求较高的任务，限制了机器人的应用场景。传动情况表明，减速机的选择必须考虑到高输出扭矩和小质量和尺寸的要求。
对于末端负载为10公斤的仿人机器人手臂，减速器的最大输出扭矩必须为30牛米或以上。仿人机械臂一般需要承载物体并协助操作者完成装配等任务，但根据浙江大学设计的一款仿人机械臂的结构设计，假设负载为10kg。以团队为例的样机外观尺寸为88.5mm x 35mm，总重量为0.834kg 需要摆臂往复运动经过仿真，一个运动周期的最大扭矩为25.64Nm 考虑到设计中的冗余，减速机最大输出扭矩应为30Nm以上。仿人机器人腿的结构和运动系统复杂，设计需要多自由度，这就增加了减速器的数量和性能。仿人机器人是高度复杂的运动系统，需要平衡和灵活的运动，因此腿部结构设计的运动平衡和控制尤为重要。根据Tesla Bot公布的信息，其腿部共有12个自由度，而结合相关文献，广东工业大学团队设计的机器人腿部也有12个自由度，其中3个自由度。你可以看到。髋关节有一个自由度，包括偏航关节、翻转关节和俯仰关节，膝关节有一个自由度，包括俯仰关节，踝关节有两个自由度，包括俯仰关节和翻转关节。对于与人体比例相似的腿部，关节输出扭矩至少应为505Nm。典型的仿人机器人下半身的重心往往位于膝关节处或略高于膝关节，因此为了设计低功率、高效率的腿部，需要增加腿部的高度。重心的大小。有。尽可能增加大腿质量百分比。根据《基于准力矩电机驱动的仿人机器人系统设计》列出的指标，设计的产品腿长875mm，臀宽348mm，腋下宽183mm，大腿长300mm，小腿长350mm，整体比例相似。对人体。测试获得的腿部关节输出扭矩应至少约为505Nm。结合机器人关节对重量、尺寸、输出扭矩的高要求，精密行星减速器、RV减速器、谐波减速器有望首次应用于机器人关节。圆柱减速机、三轮减速机、摆线风电减速机即使减轻重量和体积也很难满足额定输出，但传动比较低的行星减速机可以多级驱动。它采用有级传动系统来提高额定输出扭矩，并且过滤减速器具有更好的性能，但仍处于技术研发阶段，尚未大规模商业化。因此，就目前仿人机器人的关节设计而言，预计首先会采用行星减速器、谐波减速器、RV减速器。
3、仿人机器人趋势中，国内减速机厂商有望受益基本观点：在仿人机器人减速机市场中，我判断行星减速机、谐波减速机、RV减速机将首先受益。以人形机器人Tesla Bot 为例，假设一个机器人关节使用的行星减速器、谐波减速器和RV 减速器的数量分别约为25/20/3，每个关节的自由度取决于度乐观假设下，100万台Tesla Bots人形机器人预计将达到275亿的市场规模。精密减速机作为技术密集型行业，在材料、加工工艺、加工设备等方面具有较高的技术壁垒，先入者具有先发优势。因此，目前精密减速机市场仍以德国、日本品牌为主。特别是以Harmonaco为首的谐波减速齿轮市场，有望进一步向轻量化、电机一体化方向发展，而以Nabtesco为首的RV减速齿轮市场，国产化替代趋势正在加速。 3.1 仿人机器人减速器市场规模达数百亿预计仿人机器人减速器市场规模约为200亿台。假设当前全球工业机器人销量为48.7万台，假设以Tesla Bots为首的人形机器人达到大规模量产，乐观/中性/悲观情景下：假设Tesla Bot产量可达到10万台/50台/20万台将来。塔。减速器数量假设：考虑到谐波减速器和精密行星减速器本身结构紧凑，很可能用于狭窄空间的人形机器人中的关节Teslabot 的手臂自由度12 度根据公告，膝关节关节有两个自由度，每个驱动关节必须配备减速器，但假设人形机器人每个关节应使用大约20至25个行星减速器或谐波减速器。根据公开参数，人形机器人的躯干连杆有2到4个自由度。考虑到RV减速机具有更好的整体承载能力，RV减速机可能会更好。旨在用于腰部等大关节，将使用2至4个单位。该空间计算假设每个人形机器人的行星减速器/谐波减速器/RV减速器的消耗量分别为25/20/5个。
3.2行星减速机：由于市场集中度高，国产替代范围广，精密行星减速机行业整体进入壁垒高，产品结构复杂，制造安装难度大。精密行星减速机以渗碳钢（20CrMnTi）为主要材料制造，具有结构紧凑、回程间隙小、精度高、驱动力大、能耗低、减速范围宽、输出扭矩大、使用寿命长等优点。等特点：虽然有它的特点，但它是一种高精度产品，安装难度大，研发周期长，对企业资金、人力资源、技术水平要求较高。整个行业的进入壁垒很高。全球范围内，精密行星减速机市场主要由几家企业占据，其中德国Neugart、德国Wittenstein、德国SEW Eurodrive等德国企业占据主导地位。其他竞争激烈的公司包括住友商事株式会社等日本公司。和日本电产。行星减速机根据下游市场的需求不断释放，整体消耗量不断增加。据《2021-2025 年精密行星减速机标杆企业及竞争对手专项调研报告》统计，2020年全球精密行星减速机行业销量因传染病影响有所下降，达到约365万台，市场规模为7.5亿美元。随着全球经济的稳步复苏和市场需求的释放，全球精密行星减速机市场预计将进一步扩大，据研究报告称，2025年将达到9.2亿美元，销售收入为5.5%。预计公司规模将达到到时候100万台。 3.3 谐波减速器：积累和国产替代正在进行中3.3.1 产业化壁垒：柔轮技术是关键总体而言：谐波减速器具有基础材料、设计、加工工艺、加工设备等较高的技术壁垒。作为密集型行业，谐波减速机对于依靠工艺技术和加工经验的早期进入者来说具有先发优势。
柔轮是谐波减速器的主要部件，在谐波减速器运行过程中不断变形，容易产生疲劳失效。因此，提高柔轮精度和保持使用寿命成为柔轮设计和热处理工艺最重要的目标，而原材料、齿形设计和热处理工艺均影响其性能。疲劳断裂是柔轮的主要失效模式，决定了谐波减速器的使用寿命。谐波减速器运行过程中，柔轮作为薄壁壳体，受到波发生器和外载荷的双重影响，处于周期性弹性变形状态，同时抵抗弯曲应力和扭转应力。容易产生疲劳和故障，将直接影响谐波减速器的使用寿命。根据《谐波 减速器柔轮疲劳断裂失效分析》，移位时应力往往集中在筒体和膜片上，这会导致故障。柔轮材料和热处理工艺的选择尤为重要。日本及海外柔轮材料多采用40Cr材料，但由于晶粒和铁素体相的不均匀性，会出现局部微裂纹和尺寸精度变化，因此原板的纯度要求较高，我们选择纯度要求高的材料，包括低纯度。杂质和非金属夹杂物的含量。同时，从热处理工艺角度，应定制柔轮薄壁变形件热处理生产线，以保证材料的组织组织一致并具有合适的晶粒尺寸。日本口琴的特殊材料涵盖了20多种特定粒径和比例的金属粉末，在产品中打造了高性能护城河，无需申请专利。柔轮的各种齿形直接影响齿轮的传动性能。柔轮分为端面型、径向型和其他型式，而齿形作为齿轮的心脏，直接影响齿轮的传动性能。目前谐波减速机中最常用的柔轮是摆线齿形，它充分继承了圆弧齿形的优点，具有啮合好、承载能力强、传动精度高的特点。不同公司基于摆线开发了不同的齿形，例如Hamonac的IH齿形、Green Harmonic的P齿形、Rifle Harmonic的齿形。与变速器用渐开线齿形相比，IH齿形有效增加了柔轮齿槽的齿厚比，并显着增加了啮合齿数，达到总齿数的30%。通过齿根处的应力消除，柔轮的疲劳极限大大提高。同时，互锁齿的数量显着增加，导致扭转刚度大约增加一倍。齿形的复杂对加工技术和加工设备造成了�**４车陌谙叱菪慰梢允褂镁哂兄鼻邢魅械目鄣毒呓屑庸ぁＤ壳埃蠖嗍圃焐蹋鏗amonoko、铜川科技、来福谐波等，都使用专用刀具来加工齿形。绿色谐波使用电线。虽然是加工牙齿形状的切削加工，但这两种加工方法各有优缺点。另一方面，在加工设备方面，目前高精度加工设备必须从日本、德国等进口，这意味着制造商的设备成本高，初期投资大，出口可能会困难。其他国家的法规。在设备成本方面，主要制造商与新进入者之间的差距正在扩大。 3.3.2市场格局：厚积薄发，国产替代正在进行中国内谐波减速机市场仍以日系品牌为主，但国产品牌份额正在逐步扩大，国产化预期趋势明显。国内谐波齿轮传动技术发展相对缓慢，国内绿谐波正在引领我国谐波齿轮减速机的产业化和规模化推广。目前，国内谐波减速机市场不断涌现Lowlife、Hands等优质厂商，国产品牌份额逐步扩大。
据华晶产业研究院统计，2021年，口琴/日本新浦市场份额下降至35.5%/7.4%，绿谐波/莱福谐波/大族传动市场份额下降至24.7%/7.7%。增加。 /4.5%，绿谐波在全球市场的份额已达到约7%。
内资企业有望加大产能投资，突破市场份额。在资金实力雄厚的日本精密减速机厂商维持逐步扩大国产化策略的同时，国产品牌整体扩产意愿强烈。以国内大型投资公司格林谐波为例，2020年上市前年产能仅为9万台，但根据该公司公告，截至2021年底产能将达到30万台。据说变成了一个摊位。产能为50万台/年，最终规划产能为50万台/年。国内品牌纷纷投入谐波减速器，预计对下游市场的渗透将加快，渗透率将提高。国内企业不断改进技术，加大资金投入，提高产品性能。格林谐波等国内企业经过多年技术创新和研发自主研发的“P齿形”，区别于海外主流齿形技术路线，提高了谐波减速机的输出效率，显着提高传动性能扭矩。可见，日本与国外同型号谐波减速机的性能指标没有明显差异。 3.3.3他山之石：展望谐波减速机未来发展趋势日本Harmonica是谐波行业的绝对领先者。追溯其起源，第一台谐波减速齿轮于1965 年在美国成功原型制作，并由日本长谷川齿轮工业公司生产。谐波产品的系列化、标准化已逐步完成，日本在全球谐波减速机市场占有绝对份额。 1970年，长谷川齿轮株式会社与USM株式会社共同成立了口琴株式会社，以制造和销售口琴减速机为目的，如今已是口琴行业的绝对领导者。虽然短期内我们的经营业绩受到外部因素的影响，但我们预计随着制造业的复苏，我们的经营业绩将恢复正常。回顾过去五年影响公司业绩的因素：2017年，工业自动化、机器人等行业快速发展带动下游需求增加，Hamonaco营收同比增长80.7%。 2019年至2020年，受中美贸易战、疫情、工业机器人行业萎缩等因素影响，公司生产进入调整期，对其经营业绩造成重大影响。销售额较上年下降44.7%，公司2020年销售额维持在约370亿日元，与2019年持平。 2021年，随着全球新冠疫情减弱、制造业重启、资本投入加大，Hamonaco营收同比快速增长54%，同时净利润逐渐回归正常，达66.4亿日元，折合人民币3.27亿元。
口琴机电一体化有望打开整个运动控制市场。机电一体化占2021年营业收入的17.3%。 Hamonaco 于1977 年通过开发精密减速机、伺服驱动器和伺服控制器开始制造和销售机电一体化产品。为了进一步缩小减速机的体积，该公司正在将精密减速机、电机、驱动器、传感器集成到基本传动单元中，以减少连接部分的体积，并正在集成谐波减速机的机电一体化。我们相信我们可以期待这样的可能性整个运动控制市场。 Harmonica的谐波减速机产品不断发展，目标是实现更高的精度、更高的扭矩、更小的尺寸和更轻的重量。 Hamonac于1988年推出的CSS系列，率先采用了该公司开发的IH齿形，实现了传统渐开线齿轮两倍以上的刚性、强度和寿命。 1991年发布的CSF系列，轴长缩短了50%，壁厚缩短了40%，最大扭矩增加了一倍。 1999年发布的CSG系列，在CSF系列的基础上，首次将产品寿命从7000小时延长至10万小时，最大扭矩也额外增加了30%。我们已将2011年发布的CSD系列的厚度减少了30%至50%，并且在当前产品CSG系列和CSF系列中已经实现了30%的重量减轻。 Harmonica 意识到多个下游应用的趋势，而机器人技术是其谐波齿轮箱的主要应用领域。 Harmonica的产品广泛应用于下游应用，其谐波减速器已从原来的机床行业逐渐扩展到工业机器人、半导体、面板、医疗、航空航天等领域。其中，下游工业机械
器人占比超过 50%，半导体设备占比达到 15%左右。哈默纳科的增长动力多样，不断拓宽下游应用领域拉动公司业绩提升。在 过去的五十年间，哈默纳科虽然不断遭受金融危机和动荡的国际局势，但 是伴随着工程机械、工业机器人、半导体制造装置、显示器、医疗器械和 航天航空的等下游领域的逐步出现与放量，公司整体的销售额保持一个上 升趋势，其中 2021 年公司销售额达 570 亿日元，同比增长 54%。 哈默纳科全球布局，产品供应覆盖全球。哈默纳科在亚日美欧“四极”体 系的确立，基本保证了产品的全球供应。目前，哈默纳科的总部设立在东 京都品川区，在日本本土，北美，欧洲都设有自己的研发、生产和销售中 心。其中日本国内以及东南亚市场由本土公司主要负责；中国市场主要由 哈默纳科（上海）商贸有限公司负责提供销售和技术服务；欧洲、非洲、 南亚、南亚、南美市场由德国子公司 Harmonic Drive SE 负责；北美市场 由美国子公司 Harmonic Drive L.L.C.负责。哈默纳科日本工厂扩张 7 万台月产能，应对下游需求。公司谐波减速器由 穗高、有明工厂，美国 Peabody 工厂以及德国 Limberg 工厂负责生产。 公司产品可以覆盖美国、欧洲、中国市场，并且在日本、美国、德国、中 国、韩国共设 11 家子公司，为全球各地的客户提供销售和服务。截至 2022 年 3 月，哈默纳科已经实现每月 18.5 万台的产能，根据公司公告， 2022 年 3 月至 8 月产线会依次搬入，预计产能增加 70000 台/月，其中生 产机 40000 台/月，车载 30000 台/月。按照有明工厂扩建的进度，预计 2022 年 9 月达到每月 25.5 万台的产能。3.4 RV 减速器：行将致远，国产替代加速来临3.4.1 产业化壁垒：齿轮加工工艺与设备是关键齿轮的制造误差是决定 RV 减速器传动精度的重要因素。较大的制造误差 会导致 RV 减速器出现运动精度低、寿命短、传动的静态误差较大，动态 回转误差较大等问题，为了解决这类问题，往往对齿轮的材料、机加工艺 以及热处理等提出了较高的要求。材料的工艺性能指能够适应各种加工工艺要求的能力。由于齿轮需要 经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此为了防止齿轮在加工 过程中出现较大的变形导致制造误差，往往对锻造、切削加工、淬透 性、强度等材料的工艺性能提出要求。加工过程中的误差也是制造误差的一种，其往往由于刀磨误差、刀具 安装误差、齿轮安装误差和机床自身误差导致，因此需要厂商加大制 造设备的投入，提升加工制造能力。热处理作为制造误差中最关键且复杂的因素，通过改变齿轮的表面硬 度、芯部硬度、表面深度、延展性、强度等性能并延长使用中的齿轮 寿命。但有热处理变形无法避免，因此对热处理工艺和热处理设备提 出了较高要求。RV 减速器齿形加工复杂，齿轮的修形质量以及齿廓几何精度直接决定 RV 减速器的运动精度。理论上，标准间隙的摆线齿轮和针齿无间隙啮合，但 由于制造和装配误差的存在，要求对摆线轮齿廓进行合理的修形弥补这一 误差，目前主要围绕修形方法和修形量进行研究。一方面，通过选择合适的修形方法，能够从总体上对修形后的 RV 减 速器的传动性能提供一定的保障，常见的修形方法有：等距修形，移 距修形和转角修形。另一方面，通过优化选择合理的修形量，从而最大可能地获得多齿共 轭啮合。过大的修形量将产生较大的啮合间隙，从而降低传动精度； 而过小的修形量将产生不了足够的啮合间隙，从而导致传动时发生干 涉以至于卡死等现象。轴承寿命是决定 RV 减速器寿命的重要因素。摆线轮支撑轴承位于曲柄轴 和摆线轮之间，所处空间小，润滑性差，冷却不足，受力时很容易到达轴 承承载最大值而使轴承磨损过大或破裂。因此摆线轮支撑轴承的寿命直接 影响的 RV 减速器的寿命，影响轴承寿命的因素很多，主要分为四类：材 料、制造工艺、使用条件和结构设计。 3.4.2 国内格局：日系主导，国产 RV 减速器处于追赶阶段当下 RV 减速器仍由日资主导，国产厂商正在追赶。据 MIR 数据，2021 年国内 RV 减速器市场中，纳博特斯克占据 53%份额，双环传动、中大力 德等国产企业市场份额分别达到 14%/4%。近年来国产品牌以资本及技术 加持，持续渗透 RV 市场，以双环传动和秦川机床为例，分别深耕中小负 载/大负载 RV 减速器，2021 年销售额均达 1 亿元左右，跨过盈亏平衡点。结合国内外 RV 减速器发展历程来看，我国 RV 理论起步较晚，当下正处 于追赶阶段。我国在 60 年代首次引入摆线针轮减速器，并于 80 年代末才 开始正式研究 RV 理论，相较于国外落后长达 20 年，在过去的十多年内我 国仍属于追赶阶段。内资品牌厂商产销提升快速，国产替代加速到来。当前国产减速器产能尚 未饱和，但全球机器换人节奏加快，协同如纳博特斯克等日系品牌在国内 扩产节奏缓慢等因素影响，内资品牌开始获得试机验证并批量化生产的机 会，双环传动为例当前已具备年产 6 万套 RV 减速器产能，秦川机床披露 当前减速器年产能 9 万台，设计产能 18 万台，预计未来随着下游需求增加， 国内厂商有望进一步进入下游客户供应链。坚持自主研发道路，国内外差距逐渐缩小。国内的厂商以双环传动和南通 振康为代表，从 0 到 1 自主研发，展开减速器动力学研究，在齿形设计、 传动精度、回差控制、精度保持等方面从头开始，虽然进入减速器领域较 晚。但在齿轮加工上已经积累了深厚的经验，随着厂商不断加大制造设备 的投入和检测能力的加强，国产 RV 减速器在精度、刚度和噪声上同纳博 特斯克并无明显差距，目前已经过客户的试用和认证，开始大批量供货， 国产份额开始逐渐上升。3.4.3 他山之石：从纳博特斯克看国内 RV 减速器破局之机纳博特斯克历史悠久，先发优势明显。纳博特斯克以运动控制技术为核心， 最早于 1983 年首次提出了 RV 减速器传动理论，并于 1985 年成功发明了 RV 减速器，于次年实现量产。在过去的 40 年中，纳博特斯克不断迭代更 新技术，形成垄断地位，在交通运输、工业制造、工程机械等行业传动领 域协同发展。RV 减速器领域实现全球市占率第一，根据公司公告，占据全 球机器人用 RV 减速器 60%市场份额。 纳博特斯克减速器业务贴紧下游需求，根据纳博特斯克年报，2021 年公司 实现销售收入 2998 亿日元（约 147 亿元人民币），近 5 年营收 CAGR 为 9.9%，其中精密减速器业务订单量和销售额均有所增长，根据年报披露， 2021 年精密减速器销售收入 775 亿日元，占比 25%。纳博特斯克长期占据 RV 减速器行业领先地位，我们认为主要系：1）公司 产品性能指标优异，种类多样，可满足客户多样性需求；2）公司长期绑 定下游核心客户资源；3）公司产能稳定扩大，以满足下游市场需求。高 的要求。纳博特斯克产品性能优异，种类繁多，应用领域广泛。纳博特斯克的 RV-E 产品由于其高精度、振动小、抗冲击性强以及较长的使用寿命深 受厂商喜爱，并在此基础上开发了 RV-C 和 RV-N 系列，采用新技术， 在实现减重的同时，紧凑结构设计，提升产品扭转刚度。除此之外， 纳博特斯还针对并联坐标机器人开发了 RF 系列，针对机床开发了 RD、 RA、GH 系列，针对焊接工作台和变位机开发了 RVP、RS、RD 系列。纳博特斯克长期绑定核心客户，下游资源粘性强。根据纳博特斯克年 报表示，其工业机器人主要包括发那科、安川电机、川崎重工、KUKA Roboter、以及 ABB ，公司彼此保持长期合作关系。机床方面，公司 客户包括 Yamazaki、Okuma 和 OMG 等。纳博特斯克长期绑定核心客户，下游资源粘性强。根据纳博特斯克年 报表示，其工业机器人主要包括发那科、安川电机、川崎重工、KUKA Roboter、以及 ABB ，公司彼此保持长期合作关系。机床方面，公司 客户包括 Yamazaki、Okuma 和 OMG 等。 结论：我们认为，可以通过机加工工艺积累、产品集成化能力两点判断 RV 减速器厂商的相对竞争实力。由于 RV 减速器的加工难度更大，对设 备的要求更高，机加工艺领先的厂商会在 RV 减速器的赛道上占据优势。 目前国内厂商的机加设备大多外购，一方面需要花费大量的时间去学**如 何使用设备，另一方面还需要等待海外设备交付，等待时间较长，有机加 积累的企业能够很快上手，并开始规模制造 RV 减速器，抢先占据市场， 制造出高性能、高质量的产品。 4. 重点公司分析4.1 绿的谐波：谐波减速器龙头，产品技术优势明显绿的谐波作为国内较早切入精密传动装置的龙头企业，其产品主要包括谐 波减速器、机电一体化执行器及精密零部件，被广泛用于工业机器人、服 务机器人、数控机床、医疗器械、半导体生产设备、新能源装备等高端制 造领域。受益于下游市场的持续扩张，公司营收开启高增长。我国谐波减速器行业 处于成长期阶段，市场成长迅速，当下我国虽然已成为全球最大的工业机 器人市场，但以精密谐波减速器产品为代表的核心零部件总体供给量存在 较大缺口，随着行业内企业规模化生产的实现与下游工业机器人等产业的 快速发展，整体来看，公司营收和归母净利润持续高速增长，2021 年同比 分别增长 110.48%、130.56%。绿的谐波产能扩张有序推进，盈利能力突出。根据公司公告，截至 2021 年底，公司产能约 30 万台，2022 年全年来看，公司计划将产能进一步提 升至 50 万台或以上，将进一步提升公司接单能力。同时，公司盈利能力较 为稳定，整体毛利率基本维持在 47%-53%之间，公司产品在市场上具有较 强竞争实力。 公司技术独特性提高减速器产品竞争优势。在国内谐波减速器领域公司打 破哈默那科的技术封锁，初步实现国产替代，其设计的“P”型齿的改进 使得齿轮可承受较大扭矩、减少断裂失效风险、提高寿命，提高减速器的 性能和可靠性；同时公司在基础工艺件设计方面具有较深厚积累，其前身 恒加金属从事精密机械加工 20 余年，包括热处理、锻造等，为减速器大 规模量产奠定技术基础。当前绿的谐波在国内谐波减速器市占率已上升至 25%左右。4.2 双环传动： RV 减速器技术厚积薄发，有望打开成长空间双环传动为齿轮传动部件龙头企业，精密齿轮及减速器业务贡献其主要营 收。21 年公司齿轮业务收入占比达 80.4%，包括乘用车齿轮、商用车齿轮、 工程机械齿轮、电动工具齿轮以及摩托车齿轮。其中，乘用车齿轮占比较 高，21 年实现营收 24.39 亿元，占比 45.25%。公司产品矩阵丰富，涉及 分类多样。其车辆齿轮可应用于纯电、混动、商用发动机、摩托车、沙滩 车等；工业齿轮应用在高铁、地铁、电动工具角磨机等领域。公司在建工程逐步完工，产能释放，业绩迈入增长期。2016-2021 年，公 司营收从 17.43 亿元增至 53.91 亿元，期间 CAGR 为 20.71%；同期归母 净利润从 1.8 亿元增长至 3.26 亿元，期间 CAGR 为 10.41%。2021 年开 始，公司凭借在高端齿轮领域的持续深耕，营收高速增长。且随着在建工 程逐步完工，产能大量释放，归母净利润快速上升。 公司借助高精度齿轮优势，持续迭代 RV 减速器系列产品。公司 2012 年开 始布局工业机器人 RV 减速器业务，对标全球龙头纳博特斯克，不断提升 国内市场份额，当前公司 RV 减速器已初步实现国产替代，市占率达 14%， 排名仅次纳博特斯克。2020 年公司设立子公司环动科技，并将机器人减速 器业务划归其下运营，目前公司已逐步实现 6-1000kg 工业机器人所需精密 减速器的全覆盖。公司 RV 减速器营收持续增长。2012 年公司借助高精度齿轮技术布局工业 机器人 RV 减速器产品，2016 年起实现小批量量产，当下公司 RV 减速器 产销量、市占率均居于国产 RV 前列，年产能约 6 万台。2021 年减速器业 务实现营收 2.67 亿元，占比 4.95%，毛利率达 42.6%。4.3 中大力德：多产品布局，精密减速器领头企业中大力德是国内综合性精密减速器厂商，产品包括各类减速器、减速电机 以及智能执行单元。2000 年开始研制齿轮电机，2006 年正式成立中大力 德，开发生产小型齿轮减速电机，2008 年开始生产伺服电机用高精度行星 齿轮减速器，2012 年开发工业机器人用 RV 减速器，2016 年开始研制谐 波减速器。其产品包括机器人使用的各类减速器、减速电机及智能执行单 元，其精密减速器包括行星减速器、RV 减速器与谐波减速器，公司产品系 齐全。公司 2018-2021 年营收复合增长率为 16.7%，22H1 受疫情影响，业绩短 期承压。从产品结构来看，行星减速器在减速器业务板块的收入贡献最大。 公司减速器业务板块在保证行星减速器稳增长的同时，战略重心逐渐向谐 波减速器和 RV 减速器倾斜。2021 年公司实现营业收入 9.53 亿元，同比 增长 25%；归母净利润 0.81 亿元，同比增长 16%，其中减速器收入 2.54 亿元，占比 27%。公司进口高端精密加工设备，21 年已实现 RV 减速器 3 万台出货。公司从 美国、日本、德国等国家进口精密加工设备和检测设备，RV 减速器的性能 与质量得到有效提高，且已形成 RVE、 RVC、RVA 三大系列若干谱系， 21 年 RV 减速器产品出货 3 万台，产能充足，在下游需求的拉动下出货量 有望快速提升。4.4 国茂股份：国内通用减速器龙头，进军精密领域公司为通用减速机龙头，产品线丰富，对应下游应用领域广泛。公司聚焦 齿轮减速机、摆线针轮减速机两大业务条线，通用产品矩阵丰富，目前有 3 万多种零部件类别，已生产出的产品型号达 15 万种以上。其中，齿轮减 速机根据功率不同分为模块化减速机和大功率减速机。公司营收短期承压，自动化行业复苏有望带动公司业绩向好。公司 2021 年实现营收 29.44 亿元，同比增长 34.81%，公司 21 年产品提价对冲原材 料成本上涨，齿轮减速机实现销量 36.5 万台。22 年 H1 受疫情影响，营收 为 13.47 亿元，同比增速降至-9.09%。2021 年归母净利润为 4.62 亿元， 同比增长 28.66%。预计 22 年短期承压后，受益通用自动化行业复苏，公 司 23 年营收同比增速有望回升。公司横向布局精密传动业务，目前已具备谐波减速器月产 2500 台产能。 2021 年 11 月 17 日，国茂股份成立国茂精密传动（常州）有限公司，该公 司收购安徽聚隆机器人减速器有限公司、安徽聚隆启帆精密传动有限公司 与减速器有关的部分业务及业务资产。国茂精密布局精密减速器板块，主 营谐波减速器、RV 减速器的研发、生产和销售。据公司公告，国茂精密目 前已具备谐波减速器月产 2500 台产能。公司并购莱克斯诺部分业务，进军高端减速机市场。高端减速机方面， 2020 年，公司全资子公司捷诺收购常州莱克斯诺在中国与齿轮箱有关的部分业务及业务资产，以“GNORD”品牌开拓高端减速机市场。2021 年捷 诺实现快速放量，销量迅速突破万台，营收规模达到 1.65 亿元。捷诺传动 目前的主要产品系列为 S4 系列齿轮马达、CZ 齿轮箱及 ABB 机器人专用 齿轮箱，主要应用于新能源、制药、橡塑、化工等领域。 高端减速机扩建项目达产后有望实现产约 9 万台，带动业绩增量。2021 年 3 月，公司根据当前经营情况及未来发展情况，以现金出资方式向子公司 捷诺传动增资 2 亿元。当前，捷诺传动正稳步推进高端减速机扩建项目， 基建主体预计 2023 年一季度完工，后继设备将陆续进厂，项目达产后， 预计将形成年产约 9 万台高端减速机产能。随着下游需求趋于高端化和国 产替代进程加快，捷诺将助力公司逐鹿高端市场。（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】。系统发生错误