精密减速器行业深度报告：行业成长性较好，国产化替代空间巨大

精密减速器是机器人关键元件，国产技术稳步突破：减速器是用于将原动机的高转速转变为工作机的低转速的传动装置，精密减速器具有回程间隙小、精度较高、使用寿命长、稳定性高等特点，通常在数控机床、机器人、航空航天等领域有应用。机器人为精密减速器最主要下游，而精密减速机也是工业机器人的核心部件，占工业机器人成本的30%。精密减速器的精度决定了机器人的质量，而精密减速器的寿命决定了机器人的效率和寿命。近年来，以绿的谐波为首的国内厂商在谐波减速器技术实现了自主性的突破，绿的谐波跳出了传统上以willis定理为基础的渐开线齿轮设计理论，基于曲线/面的几何映射理论退出共轭齿形，并研发出“P”齿形，而来福谐波研发出了“δ”齿形，国内企业在技术上逐步突破。 行业集中度高，行业成长空间巨大：根据我们测算，我国2022年工业机器人减速器市场规模达67.5亿元，2027年我国工业机器人减速器市场规模为130亿元。日本占据主要市场，2020年Harmonic、Nabtesco、SUMITOMO的全球市占率为60%、15%和10%，三家日本企业占据全球85%的份额。Harmonic在谐波减速器中占有领先地位，Nabtesco在RV减速器领域具有竞争优势。 2020年中国劳动力人口数量占总人口比重为58.4%，劳动年龄人口的数量和比重自2015年起连续多年出现双降。同时我国出生率也持续下降，工业机器人和服务机器人将成为制造业持续发展和提升生活水平的重要工具，半导体、医疗器械等减速器下游也将保持稳定增长，精密减速器行业将持续增长。2022年特斯拉人型机器人引起了社会的广泛关注，远期来看，人形机器人可为精密减速器带来百亿以上的市场增量。 投资建议：精密减速器是机器人的核心部件，随着机器人行业的发展，以及制造业自动化水平的提升，精密减速器具有较好的成长性。全球精密减速器市场主要被外资品牌占据，国内企业具有巨大的替代空间。建议关注国内谐波减速器龙头厂商绿的谐波，国内RV减速器领先制造商双环传动，以及中大力德、秦川机床、丰立智能等精密减速器核心制造商。 风险提示：制造业恢复不及预期；国产化替代进程不及预期；行业竞争加剧。 表1：重点公司投资评级: 1精密减速器是机器人关键元件，国产技术稳步突破 1.1精密减速器是机器人关键元件 减速器又称减速机，是一种动力传达机构。减速器主要用于将电动机的高转速转变为工作机的低转速，其原理是将电动机、内燃机等高速旋转的动力源通过减速器的输入轴上齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮从而实现降低转速，提高扭矩的作用。在工业制造中，各种机械设备的运转都需要传动系统，而减速机是传动系统的重要组成部分，因此应用非常广泛。 图1.减速器概念 减速器可根据传动精度、传动类型、传动级数、齿轮形状和传动布置形式等方式分类。根据传动类型的不同，通用减速器可以分为齿轮减速器、蜗杆减速器、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器等，根据传动级数的不同可以分为单级减速器和多级减速器。根据精度不同可以分为一般传动减速器和精密减速器，精密减速器具有回程间隙小、精度较高、使用寿命长、稳定性高等特点，通常在数控机床、机器人、航空航天等领域有应用，精密减速器包括谐波减速器、RV减速器、摆线针轮行星减速器、精密行星减速器等。 表1.减速器分类 图2.精密减速器分类 机器人为精密减速器最主要下游，半导体设备、数控机床和医疗器械等领域也是重要下游应用。根据观研天下数据，我国精密减速器下游包括工业机器人、半导体制造设备、平板显示制造设备、电机制造设备、机床等，其中工业机器人占比44.9%，是最大的下游应用。半导体、数控机床和医疗器械等领域作为精密减速器的下游市场，其庞大的市场规模可带动精密减速器需求的较快增长，使得精密减速器厂商下游客户多点开花，减少客户集中度，提升产品议价能力。 图3.中国精密减速器下游应用占比 图4.2017-2022年中国半导体设备市场规模(亿元) 图5.2017-2022年中国数控机床市场规模(亿元) 图6.2017-2023年中国医疗器械市场规模(亿元) 精密减速器是工业机器人的核心部件，成本占比30%。机器人上游核心部件主要包括是减速器、伺服系统和控制器，其中减速器占机器人成本的30%，伺服系统占成本的20%，控制器占成本的10%，减速器是价值量最大的核心部件。控制器、伺服系统和谐波减速器国内厂商已经实现突破，目前RV减速器仍然大量依靠进口。目前减速器的毛利率约40%，高于伺服系统/控制器和本体制造，且目前减速器仍然具有较高的技术壁垒。 图7.工业机器人成本占比（做轴）及毛利率（右轴） 图8.国内工业机器人核心零部件技术情况 精密减速器的核心在于寿命和精度。寿命包含精度寿命和使用寿命，其中精度寿命是指在特定的精度要求之内可使用时长，而使用寿命是产品的全生命周期时长； 精度侧重于背向间隙等主要技术指标应当满足要求。作为机器人的关键零部件，精密减速器的精度决定了机器人的质量，而精密减速器的寿命决定了机器人的效率和寿命。 工业机器人主要使用谐波减速器和RV减速器。根据中商产业研究院数据，全球机器人减速器市场中，RV减速器和谐波减速器分别占据40%的市场，精密行星齿轮减速器等占据20%的市场。工业机器人通常每个关节均需要配置1个减速器，以此满足精准控制的目的。谐波减速器和RV减速器是工业机器人主要应用的减速器种类，通常RV减速器会用于工业机器人的基座/大臂等部位，即用于20kg以上的机器人关节。而谐波减速器会应用在工业机器人的小臂/腕部或则手部等轻负载位置，即用于20kg以下的机器人关节或大型机器人末端的几个轴。2021年谐波减速器与RV减速器的市场规模比为1：1.6。从减速器需求量来看，RV减速器和谐波减速器在近年来随着工业机器人行业的发展，需求量呈现增长态势，且两者需求量差额基本维持在3万台以内波动；从结构占比来看，两者基本呈现五五开局面，并无较大差异。 图9.工业机器人机械结构 图10.精密减速器在工业机器人的应用位置 图11.谐波减速器与RV减速器市场规模比 图12.2014-2020中国精密减速器需求量(万台) 图13.全球机器人精密减速器占比 表2.精密减速器对比 工业机器人需要配置多个精密减速器。每台工业机器人的关节需要配置1个精密减速器，因此一台工业机器人需要精密减速器的数量为4~6台，其中六轴多关节机器人需要6台以上减速器，其中谐波减速器2~3台，RV减速器需要4台左右； SCARA机器人需要2~4个谐波减速器，DELTA机器人需要3台谐波减速器，SCARA机器人和DELTA机器人基本不需要RV减速器；直角坐标机器人需要4台减速器，其中RV减速器约3台。 表3.各类工业机器人对精密减速器的需求量(台) 数控机床等市场同样具有应用潜力。根据绿的谐波招股书数据，单台加工中心及数控铣床可以使用4台以上精密减速器，而数控车床/车削中心/数控磨床等可以使用3台以上精密减速器，高精度数控回转台以及加工中心的四或五轴需要使用1~2台谐波减速器，国内数控机床产量在30万台左右，机床领域对精密减速器的应用潜力巨大。此外，光伏设备、医疗设备、航空航天等领域也拥有较大的应用空间。 表4.数控机床对精密减速器的需求量(台) 精密减速器产业链上游包括原材料、核心零部件和生产设备三大部分。原材料的主要需求是铜和钢等金属。核心零部件的主要包括轴系部分、箱体部分、减速器附件。从原材料成本来看，直接材料与人工成本分别占成本的30%左右。精密减速器产业链中游是减速器本体制造，主要生产RV减速器和谐波减速器等。精密减速器产业链下游应用领域主要包括工业、服务和人形机器人，半导体设备，数控机床，医疗器械等。 图14.机器人减速器产业链 上游议价能力有限，成本主要集中在人工成本和制造费用。减速器上游主要是铜、钢等原材料和核心零部件；而核心零部件的主要材料也集中在铜、钢等金属。在中国国内铜、钢等金属的产量高且品种丰富，其资源获取难度低，相关企业议价能力较弱。而在中游本体制造中，人工成本和制造费用是减速器成本的主要部分，分别约占总成本的30%；而其他费用主要包括外协费用等，占产品成本约10%。 图15.机器人减速器成本构成 1.2谐波减速器与RV减速器各有优劣，国产技术稳步突破 谐波减速器由波发生器、柔轮和刚轮三大基本零件组成。谐波减速器是一种靠波发生器使柔轮产生可控的弹性变形波，通过柔轮与刚轮的相互作用实现运动和动力传递的传动装置。谐波减速器在机器人应用中常用于小臂、腕部和手部等小关节部位。 （1）波发生器：由一个组装在椭圆状凸轮的外周的薄壁滚珠轴承组成；轴承的内周固定在凸轮上，外圈通过滚珠弹性变形；通常安装在输入轴。 （2）柔轮：薄壁杯状金属弹性体，开口部外周刻有齿；柔轮杯状底部称为膜片； 通常安装在输出轴。 （3）刚轮：环状刚体，内周可有齿；齿数比柔轮多2片；通常固定在外壳。 图16.谐波减速器结构图 谐波减速器使用柔性构件，利用少齿差原理实现机械传动。谐波减速器采用的是波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出的形式，当波发生器连续转动时，柔轮不断产生弹性形变，与刚轮产生了错齿运动，实现了波发生器与柔轮的运动传递。当波发生器装入柔轮内圈时，柔轮被波发生器弯曲成椭圆状，柔轮齿轮插入刚轮的轮齿槽内，在波发生器长轴处处于完全啮合状态；而波发生器短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱离状态（图14A）。固定刚轮，使波发生器按顺时针方向旋转后，柔轮发生弹性形变，且与刚轮啮合的齿轮位置顺次移动（图14B）。当波发生器向顺时针方向旋转180度后，柔轮仅向逆时针方向移动1齿（图14C）。当波发生器旋转360度后，由于柔轮比刚轮减少2齿，柔轮向逆时针方向移动2齿；该动作一般被视为输出执行（图14D）。该方式突破了机械传动采用刚性构件的模式。 图17.谐波减速器工作原理 谐波减速器凭借其多项优点在轻负载精密减速器领域中占据主导地位，且应用广泛。除了机器人领域外，其在医疗器械、数控机床、光伏设备和半导体设备等领域均有应用前景。谐波减速器的主要优点有： （1）传动精度高：多齿在两个180度对称位置同时啮合，使得齿轮齿距误差和累计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）传动比大：单级谐波齿轮传动的传动比可达30-500，且结构简单，三个在同轴上的基本零部件就可实现高减速比。 （3）承载能力强：在谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高。 （4）体积小、重量轻：相比普通的齿轮装置，该齿轮结构体积和重量可以大幅降低，实现小型化、轻量化。在输出力矩相同的前提下，相较一般减速器，其体积可减少2/3，重量可减轻1/2。 国际巨头Harmonic在技术专利申请量上仍处于领先地位，但国产厂商大有后来居上之势。谐波减速器技术专利可分为：总体结构、波发生器、加工制造、柔轮、试验方法、凸轮、齿形、刚轮、柔性轴承和交叉滚子轴承等10个部分。其中直接影响产品性能的研发重点是总体结构、波发生器、柔轮和加工制造。从全球谐波减速器技术专利申请量来看，Harmonic的技术专利申请量比第2至第15名之和还要多出一些。而从中国谐波减速器技术专利申请量来看，Harmonic的技术专利申请量与第2和第3名之和基本相当，近几年，虽然Harmonic的技术专利申请量仍存在断层领先，但绿的谐波和来福谐波等国内厂商，一直扮演着较为强劲的追赶者角色。 图18.谐波减速器相关技术专利分布(项) 图19.全球谐波减速器技术专利申请量(项) 图20.中国谐波减速器技术专利申请量(项) 国产谐波减速器技术自主化能力逐步增强。中国国内的技术发展之路通常是基于国外相关产品进行逆向工程研究，从而了解产品所需技术并进行突破。近年来，以绿的谐波为首的国内厂商在谐波减速器技术实现了自主性的突破。以专利技术中的齿形为例，国际Harmonic采用的“S”齿形是在空载条件下基本实现了连续