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1、2022年减速器行业研究报告：特斯拉机器人孕育新机遇，国产减速器蓄势待发1、聚焦机器人核心零部件之精密减速器：其势如水，赋能百业精密减速器是连接动力源和执行机构之间的中间装置，其作用是降低伺服电机的高转速、通过齿轮减速比放大伺服电机的原始扭矩，并提供高刚性保持、高精度定位。赋能工业机器人，助力制造业自动化转型实现降本增效。精密减速机是机器人的核心零部件，成本约占工业机器人总成本的32%o根据国家统计局披露的我国工业机器人产量，按照平均一台工业机器人搭载3台谐波减速器、3台RV减速器，且谐波减速器平均单价2500元，RV减速器平均单价4000元测算，2021年我国工业机器人减速器市场规模约为71
2、亿元。精密减速器下游市场多点开花，除工业机器人外还可以应用至半导体设备、数控机床、医疗器械等对工作精度要求高的设备变速装置上，加速各行业智能化转型。精密减速器国产替代：路径清晰，曙光已现。我国工业机器人用精密减速器国产化率从2014年的11.4%上升至2021年的40.6%o在具备机器人供应链向国内转移、国际巨头发展各遇瓶颈以及国产减速器突破量产的三点核心优势下，减速器国产替代具备强确定性。我国精密减速器生态发展现状：产业生态更优，技术生态建设亟待完善。精密减速器是一个具有特定功能的机械部件，有其成套技术、成套装备和工艺，基于此生产出的减速器、电机和传感器构成了机器人的关节单元。关节单元再构成
3、机器人，最终，机器人为用户使用。因此，精密减速器的技术生态包含减速器本身的技术、减速器与关节单元协同、减速器与机器人整体性能协同的三个层次。目前，国内的研究重点放在对减速器本身技术以及与关节单元协同的研究，对于如何与机器人本体性能协同的研究几乎一片空白。国产机器人精密减速器与国外先进产品的主要差距在精度寿命、传动效率以及产品稳定性。从整体技术生态层面思考，造成差距的主要原因在于：（1）基础研究不足，尚未完全掌握正向主动设计技术与集成设计分析软件。（2）精度寿命待验证，包括失效机理及规律、高性能材料优选等研究缺乏。（3）装配质量尚未完全可控，尤其是用于精密齿轮加工的高端数控机床，基本进口自日本和
4、欧洲。（4）工程应用数据库建设不到位，导致性能跟踪的反馈与优化缺失。战略引导、政策扶持、需求倒逼的成熟产业生态。我国拥有世界上最大并将持续扩大的机器人市场需求，工业机器人是制造强国的重点领域。从我国精密减速器领域硕博论文数量节节增长可窥探出人才培养、资金投入始终在助力精密减速器产业生态发展。然而，产业发展的背后，仍需关注竞争无序、减速器企业与主机企业融合发展不够等问题对于产业生态发展持续向好的阻碍。应用于工业机器人的减速器主要分为谐波减速器、RV减速器和行星减速器三种。行星减速器因其减速比、精度较低的特点较少应用于工业以及消费类机器人。本文重点分析谐波减速器和RV减速器。1.1. 谐波减速器：
5、小而精的传动装置，日本占据优势、中国步步紧追谐波齿轮传动技术诞生于20世纪50年代，是伴随航天技术的发展而催生出的一种新型传动技术。它建立在柔性元件变形的基础上来实现运动的传递，该原理由苏联工程师OCKBHThhA.M.M.于1947年首次提出。美国工程师Musser.C.W.于1959年提出具有机械波发生器的谐波齿轮传动，提高了谐波传动的承载能力及其传递效率，获得专利并于I960年在纽约展出实物。谐波减速器是基于谐波传动原理发明的齿轮传动装置，由柔轮、钢轮、谐波发生器三部分构成。通过波发生器装配柔性轴承使柔轮产生可控弹性变形，当波发生器连续转动时，迫使柔轮不断产生变形，使刚轮和柔轮的齿轮在进
6、行啮入、啮合、啮出、脱开的过程中不断改变各自的工作状态，产生了错齿运动，从而实现了传递运动和动力的传动。通过错齿运动完成谐波传动装置的减速功能。柔轮材料的强度和热处理工艺是决定谐波减速器寿命的关键因素。在谐波减速器运行过程中，柔轮长期承受周期性的交变应力，不断产生变形。在啮合过程中，柔轮内壁与柔性轴承外圈间磨损较严重，两轮齿之间也存在一定的磨损，磨损降低了传动效率及精度，严重的情况还会引起噪声及振动。国内的谐波减速器产品寿命普遍在3000h以内,主要的失效形式表现为齿轮磨损后导致传动精度严重下降；国外产品寿命则高达7000h,其主要失效形式为柔性轴承的破坏，而不是齿轮副磨损失效。从微观结构来分
7、析，柔轮失效的主要原因是局部微裂纹和尺寸精度的变化，其根本原因系由于热处理工艺积累薄弱造成的柔轮材料结构中晶粒和铁氧体相的不合理。在工业机器人领域，协作机器人(CO1.1.abOratiVeRobot)是搭载谐波减速器最多的机型，单台平均搭载6个谐波减速器，负载W20Kg,是一种被设计成可以安全的与人类进行直接交互/接触的机器人。与传统工业机器人不同，协作机器人拓展了机器人功能内涵中“人”的属性，使机器人具备一定的自主行为和协作能力，可在非结构的环境下与人配合完成复杂的动作和任务，结合人的智力、灵巧性和机器的体力、力量和准确性，人机协作完成诸如精密装配等工作，解决传统工业机器人应用的局限性。正
8、因如此，协作机器人的功能定位可视为介于工业机器人和人形机器人之间。协作机器人自重及负载都较小，产品安装方式及其移动部署相对灵活。因此，“机电一体”的轻量化、模块化设计概念在协作机器人上的体现尤为突出，协作机器人也更适用于柔性、灵活度和精准度要求较高的行业，如电子、医药、精密仪器等。2021年，协作机器人市场规模同比增长81.3%,达到15.7亿元。2022Q1,受疫情影响销量环比小幅下降1.2%o谐波减速器市场增量需求较大，全球竞争呈现日本领先,中国并跑的格局。根据国家统计局披露的中国工业机器人产量数据、中国占据全球工业机器人40%的产量，按照平均一台工业机器人搭载3台谐波减速器、2021年单
9、台谐波减速器价格为2500元测算，2021年，全球工业机器人用谐波减速器市场规模约为68.6亿元。从历史进程看，国内谐波减速器的发展历程与国外相似，已从跟跑进入并跑阶段。根据高工机器人数据，2021年谐波减速器的国产化率约为50%o1.2. 哈默纳科：工艺为盾、性能为矛，建立谐波减速器行业日不落帝国哈默纳科是全球谐波减速机龙头、整体运动控制的领军企业，公司主营业务为减速装置及机电一体化产品。1970年，哈默纳科的前身长谷川株式会社与美国USM公司共同出资成立哈默纳科，总部位于日本东京。2004年，公司在JASDAQ上市。自1984之后约30年间，哈默纳科逐步扩张海外版图，在美国、德国、中国、韩
10、国分设11家子公司。加工工艺精进、理论研究功底深厚，三次里程碑式产品升级夯实哈默纳科的全球谐波减速器龙头地位。哈默纳科谐波减速器推陈出新过程中有三次里程碑式突破。第一，提高柔轮材料强度。谐波传动技术引进初期，柔轮材料采用管道材料和压板材料的焊接结构，焊接结构对某轮来说强度不够，容易反复变形，并且焊接部分的质量无法得到保证。因此，哈默纳科自CS-2A系列起开始用锻造材料加工柔轮，大幅增强了柔轮的强度。第二，研发IH齿形再度提升柔轮材料的疲劳极限。20世纪80年代，当谐波减速器开始应用于工业机器人时，柔轮的齿根和杯口出现疲劳失效。通过FEM分析技术及车床的数控转换，成功研发出川齿形。相比传统渐开线
11、齿形，川齿形有效增加柔了轮齿槽的齿厚比，显著增加啮合齿数至总齿数的30%o齿底应力松弛使得柔轮的疲劳极限得到了极大的改善。同时啮合的齿数的显著增加也使扭转刚度提高了约2倍。第三，利用中空技术缩短轴向长度，提高产品紧凑性。在工业机器人中，如果驱动每个关节电机的电线能够穿透减速箱的内部，同时尽量减少布线的弯曲，提高布线的寿命，就可以使机器人更加智能。基于这种要求，哈默纳科于1986年开发了柔轮杯部向外敞开的SH型中空结构谐波减速机，但这种形状在柔轮的主体和向外延伸的膜片之间的连接处造成了很大的应力集中。90年代中期，通过应力松弛设计、数控车床进行精确减薄等途径缩短柔轮的轴向长度成为可能，从而使减速
12、器更加紧凑。哈默纳科谐波减速器产品演进的重点聚焦于刚度、强度、轻量等性能指标的提升。于1988年推出的CSS系列产品首次使用公司研发的IH齿形，产品刚性、强度、寿命比CS系列提升2倍以上。1991年推出的CSF系列轴向长度缩短1/2,厚度缩减为3/5,最大转矩提升2倍。1999年推出的CSG系列首次将产品寿命从7000小时提升至100000小时，最大转矩在CSF系列基础上再次提升30%o2000年以来，哈默纳科以独立研发的模数0.042mm的极小齿轮的高精度切削加工技术与70m（S1.单位）的薄壁切削加工技术不断开发更轻量、高转矩、高精度的谐波减速装置。哈默纳科致力打造成为整体运动控制领域的领
13、军企业，将开拓整体运动控制技术的未来。所谓整体运动控制，亦可称为“机电一体化”，是指将精密减速器、电机及驱动器、传感器进行组装形成一个基本传动单元，再通过控制器控制这个高度集成化的传动关节以实现对本体的运动控制。哈默纳科自1977年开始生产销售机电一体化产品，通过布局谐波减速器、交流伺服电动机和驱动器、中空复合驱动机构、光学扫描仪和驱动器、线型驱动机构等一系列产品实现整体运动控制方案。国内企业绿的谐波也在初步布局其提供整体运动控制方案的能力。江苏开璇智能科技有限公司系绿的谐波100%控股的子公司，主营EtherCAT总线型伺服驱动器、结构紧凑型伺服电机、无框力矩电机旋转执行器、谐波减速模组等产
14、品。公司自动化生产线年产能超过10万套。苏州麻雀智能科技有限公司是绿的谐波控股70%的子公司，致力于非标自动化设备、机器人应用集成、高精密检测设备、工业视觉系统、人机交互系统、MES、SCADA等智能制造全方位解决方案的开发与应用。1.3. RV减速器：投入大、加工难，国产替代之路行稳致远RV减速器由普通摆线针轮减速器发展而来，它由两级行星齿轮传动系统组成。第一级为渐开线外啮合行星齿轮传动，第二级为摆线针轮行星传动。经过两级传动系统耦合，组成两级同轴式减速机构，简称RV传动机构。渐开线行星传动部分包括齿轮轴和行星轮；摆线针轮传动部分包括曲柄轴、摆线轮、针轮、针齿壳、行星架等。RV减速器刚性好、
15、抗冲击能力强、传动平稳、精度高,适合中、重载荷的应用。但是，RV减速器需要传递很大的扭矩，承受很大的过载冲击，保证预期的工作寿命，因而在设计上使用了相对复杂的过定位结构，制造工艺和成本控制难度较大。我国RV减速器产业化起步晚于日本二十多年,过去十多年的发展处于技术追赶阶段，目前国产化率仍然较低，仅约为20%-30%,国产替代空间广阔。对比当前中日RV减速器厂商差距，我们认为，以公差分配为代表的零部件加工工艺积累薄弱、国产轴承稳定性较差，原材料纯度低且热处理水平欠缺是造成国产RV减速器市占率始终较低的核心原因。工业机器人重复定位精度直接由RV减速器的回差决定，故控制RV减速器的回差极为重要，其关
16、键零部件公差设计是研发过程中的一大难点。回差是指输入轴反向转动时，由于存在间隙和制造、装配误差等原因，输出轴在运动上滞后于输入轴所对应的转角。由于材料密度变化、加工刀具磨损、机床弹性变化等原因，公差必然存在，关键是设计出合理的公差范围，保证每个零部件的公差都在规定范围之内。公差分配工艺决定RV减速器的精度。在RV减速器的实际设计过程中往往是给出减速器回差的设计要求（通常1arcmin）,要求工程师对RV减速器零部件进行公差分配。公差分配就是要把1arcmin的许用回差合理地分配到各回差影响因素中，实现对关键零部件公差的初步分配以及后续优化。由于RV减速器内部有超过200个零部件，在Iarcmi
17、n的公差范围内进行分配时，很容易由于分配不当造成轴承与安装孔之间产生缝隙或者轴承无法插入安装孔内，从而降低RV减速器的精度。轴承是RV减速器的薄弱环节，受力时很容易突破轴承受力极限而导致轴承异常磨损或破裂。在高速运转时这个问题更突出，所以RV减速机的额定扭矩随输入转速下降非常明显。RV减速器用精密轴承主要包括主轴承、摆线轮支承轴承、偏心轴支承轴承及太阳轮支承轴承。对于RV减速器，轴承的外形结构、精密定位是其结构紧凑、刚性优良、传动精密关键因素，因此对轴承的材料、热处理工艺等都具有较高要求。主轴承：主轴承几乎承受了RV减速器的全部外载荷，因此需要具有高承载、高刚性及运转平稳性。日本住友精密RV减
18、速器选用薄壁圆锥滚子轴承作为主轴承。主轴承材料的加工难点在于：套圈热处理后的椭圆、套圈精磨后的平面翘曲以及接触角测量及偏差的控制非常困难。前两者可以通过工艺优化以及采用工序能力指数较高的加工设备改善，后者则需在产品设计及工艺制订时就进行轴承套圈匹配优化，以实现加工过程中接触角偏差100%合格。摆线轮支承轴承：承摆线轮圆周运动的作用，多选用M形金属保持架和圆柱滚子组件。轴承在实际应用过程中最突出的问题是保持架脱落金属屑和轴承窜动导致摆线轮卡死，主要原因系车制、压膜后的处理不当以及保持架方形兜孔被加工成了菱形造成轴向分力。偏心轴支承轴承与太阳轮支承轴承：由于偏心轴的受力复杂，两端需要受到支承轴承作
19、用。太阳轮支承轴承安装于RV减速器行星架的刚性盘内，主要起精确定位减速器太阳轮位置的作用。应用过程中需严格控制太阳轮支承轴承的径向游隙。轴承钢材：我国的轴承钢氧含量虽然可以控制到接近世界先进水平，但是在夹杂物的组成、数量、尺寸以及分布等方面不能够得到稳定控制，这会直接导致钢材的疲劳性能低、服役时间短。此外，我国轴承钢在品种和规格方面并不完善，且生产的多是低档次轴承钢，钢材的质量、稳定性及外观较差，达不到较高的专业化生产，成本降低效果不明显。技术无捷径，全产业链玩家需要坚持难而正确的自主研发道路，以助力国产RV减速器早日突破高端。虽然海外轴承厂商的产品在性能上明显优于国内，但由于一台RV减速器需
20、要配备975套轴承，若全部采用海外产品则成本较大，甚至会存在入不敷出的情况，因此国内RV减速器厂商大多选择国产轴承供应商。在材料供应商选择方面，不同于谐波减速器厂商外购海外柔轮材料，RV减速器厂商受限于零部件数量多带来的成本问题，也倾向于选择国内材料供应商。但选择国产轴承、国产原材料必然会带来产品一致性、稳定性较差的问题。当前，国产RV减速器在中低端领域尚可应用，但想在高端市场突围还需要国内轴承、材料厂商与RV减速器厂商在产品性能、功能提升上进一步研发积累。1.4. 纳博特斯克：运动控制领域常胜将军，始于创新、恒于提升纳博特斯克(NabteSCoCorPoratiOn)是日本帝人制机公司和NA
21、BCO.1.td.于2003年在液压设备业务领域建立业务伙伴关系后成立的控股公司。纳博特斯克以运动控制技术为核心，在海陆空相关的广泛业务领域中全球市场占有率第一，在中大型工业机器人用RV减速器领域占据全球60%的市场份额。从1960年到2005年，帝人制机50年工艺积累是后来者无法企及的先发优势。成立于1944年的帝人制机是日本著名的纺织机械、液压、包装机械等生产企业，1945年开始从事化纤、纺织机械的生产。1955年后，开始拓航空产品、包装机械、液压等业务并于1960年代发明液压行走马达，应用于工程机械。80年代初，该公司应机器人制造商的要求，对摆线针轮减速器进行了结构改进，于1985年发明
22、了RV减速器，取得专利以及20年专利保护期。专利保护期间任何公司不可以生产同样结构的减速器。纳博特斯克承接帝人制机在RV减速器领域近50年的技术积淀，成就了其在RV减速器市场上的不败地位。创新永不止步。纳博特斯克在承接帝人集团的切割、集成加工工艺以及Nabco公司在流体控制、气动控制技术上的积累之后，开始在表面处理、材料热处理、增材制造等加工工艺以及CAE软件设计等方面加大研发，以具备优化全产业链工艺设计的能力。公司始终重视创新与研发，发明者比例持续增长。2、人形机器人题材有情绪，减速器产能缺口空间可想象2.1、 人形机器人对零部件的核心要求在于小型、轻量、集成谐波减速器柔轮需要柔性变化的特征
23、决定了其刚度和强度存在极限。因此，谐波减速器多用于工业机器人的小臂、腕部、手部等小负载部位的关节处。而RV减速器的结构刚性更强，在中、重负负载型机器人中用量更广，市占率约达90%o比如10-2OKG的机器人的J1、J2、J3、J4的关节会用RV减速机；50-160KG机器人一般六个关节都使用RV减速机。人形机器人更多得面向机器人渗透率较低的ToC蓝海市场，对减速器的轻量化、集成化要求更高。因此，人形机器人中谐波减速器的用量需求更大，并且机电一体化产品的应用会更广。2.2、 人形机器人落她后，供少于求或将成为减速器行业的中长期格局需求端测算核心假设：（1）工业机器人用精密减速器需求量。2021年
24、，全球工业机器人销量48.7万台，同比增长27%o2022年，疫情反复导致产业链各环节交期延长，全球工业机器人销量增速下滑，给予10%的销量增速。根据IFR的指引，并考虑中国的机器人密度仍具备较大提升空间，稳健假设2022-2026年全球工业机器人销量CAGR达22%o同时假设单台工业机器人平均搭载3台谐波减速器和3台RV减速器，以测算全球工业机器人用精密减速器需求量。（2）人形机器人用精密减速器需求量。本报告中，我们调整在特斯拉机器人风起，国产供应链远航报告中对关键零部件需求量的测算。假设2023年Demo机落地后,当年销量5万台，2024年销量10万台。2025年规模化量产后，谨慎估算销量
25、为30万台，乐观情境下销量50万台。量产后实现产线复制，扩产速度加快，假设2026年实现销量100万台，2027年销量150万台。我们按照单台特斯拉机器人搭载20个谐波减速器、3个RV减速器估算减速器需求量。供给端分析：我们观察到，资金实力更强的日系精密减速器厂商扩产策略温和，相比之下，国内厂商扩产意愿更强。纳博特斯克在2018-2020三个财年间仅共扩产14万台减速器，2020-2022财年以年增9万台速度扩产。根据2021年财报披露，公司计划到2026年达到年产200万台RV减速器。尼得科（新宝）在2021年财报中披露其产能计划为保持月产10万台。绿的谐波2020年上市前产能仅为9万台/年
26、，在投资者交流纪要中披露截至2021年年底产能为30万台/年，最终产能计划为50万台/年。RV减速器厂商秦川机床在投资者交流中披露当前减速器年产能9万台，设计产能18万台。我们从以下六点原因分析哈默纳科为何扩产谨慎：第一，预订单水平高企。公司在2022年5月的投资者交流会中表示，2021财年公司的预订单水平较高，预计后续财年订单水平会降低。第二，管理层对本体厂商潜在砍单可能的担忧。上一轮机器人上行周期减速器供给紧张，本体厂商普遍加大备货力度，但目前公司的渠道信息显示，本体厂商不缺减速器而是缺其他部件和材料。第三，与本体厂商生产计划的紧密配合。哈默纳科和主要本体客户联系密切，有本体厂商3个月的生
27、产规划，公司会较为严格得根据本体厂商的生产节奏来规划自己的产能。第四，中国大陆的疫情管控政策。全球超过35%的机器人在中国销售，欧洲重要本体厂商也在中国建厂，2022年上海封闭期间港口海运受到较大影响。在此情况下，哈默纳科会对资本开支保持更加谨慎的态度。第五，日系企业稳健的经营风格。哈默纳科历年财报中显示，公司每三年会制定一个涵盖经营目标、产能建设等的中期计划。在这三个财年期间，即使计划提前或延后实现，也不会更改计划，以方便在下一个周期开始前对比过去的执行表现。本轮中期计划从2021财年执行到2023财年结束，产能基本稳定在200万台/年。第六，后端装配成本高企，盈利水平较低。不同于纳博特斯克
28、在中国常州建厂以降低生产成本，哈默纳科的三个重要生产基地分别在日本、美国和德国（美、德主要生产交叉滚子轴承）。哈默纳科坚持在最后一道装配线中靠技术精湛的老师傅手工完成，以保障产品质量。因此，产线的自动化程度较低，对检测人员需求较大。在美德日三地劳动力成本较高的情况下，哈默纳科的净利率水平仅保持在15%左右，远低于国内谐波减速器厂商。为了保障一定的盈利能力，管理层不会进行激进的扩产政策。基于以上分析假设，我们得出2022-2027年产业链供需格局预测结论：人形机器人落地后，中观情境下谐波减速器产能缺口达数千万台，RV减速器产能缺口达数百万台,百亿级市场空间静待国内减速器厂商填补。此外，我们观察到国内市场也存在逐步布局人形机器人的玩家，市场规模扩容或更乐观。
