机械设备行业：减速器，国产替代演绎存量市场，机器人新兴产业绑定增量空间

行业报告| 行业专题研究 证券研究报告 2023年10月10日 机械设备 减速器——国产替代演绎存量市场，机器人新兴产业绑定增量空间 作者： 分析师朱晔SAC执业证书编号：S1110522080001 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 行业评级：强于大市（维持评级）上次评级：强于大市 风险提示：下游市场扩张不及预期；政策推动效应不达预期；技术研发与技术升级替代风险；市场竞争加剧 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 2 摘要 减速器是传动核心装置，在机器人中应用广、占比重 减速器是机械设备中动力源与执行机构之间的独立传动装置，机器人用精密减速器主要为谐波、RV和精密行星减速器：1）谐波减速器主要结构为柔轮、刚轮和波发生器，特点是减速比大，精度高，但负载较低，柔轮抗冲击性较小，长期使用柔轮长时间变形导致精度下降，一般用于机器人末端、上肢等部分；2）RV减速器为摆线针轮+行星齿轮二级结构，负载高，精度高，抗冲击性较大，但结构复杂成本较高，尺寸较大，常用于机器人大臂、基座；3）精密行星减速器主要结构是行星轮、太阳轮和内齿环，传动效率高，但单级减速比较小，需要多级使用，尺寸较大，常用于轮部。三种减速器在协作机器人应用上仍存在技术路线之争，减速器是机器人的三大核心零部件之一，每个活动关节都需要配置，其价值占机器人生产成本超过30%。 机器人产业商业化进程加快，人形机器人打开减速器增量市场 减速器下游细分市场中机器人占比在50%以上，包括工业机器人、人形机器人和多足机器人。全球工业机器人年安装量预计在2025年达到69万台，其通常配置3~6个自由度，中国工业机器人年安装量已经超过其他所有国家总和，已经成为全球工业机器人最大市场，谐波减速器与RV减速器的机器人行业需求基本持平。多足机器人自由度大幅增加，小米预计，2~3年内四足机器人会呈现ToC的趋势，随着产业链的成熟，价格有望降至5000元以下；人形机器人仍在开发中，自由度可高达68，特斯拉、小米、宇树等人形机器人自由度为15~40，有望带动减速器用量大幅提升，但在具体减速机类型上，行星和谐波两种方案都有应用。 国产性能接近世界水平，国产替代在存量市场持续演绎 减速器下游主要应用于多关节机器人、协作机器人、高端数控机床等领域，2024年中国数控机床市场规模预计达到5728亿元、机器人市场规模达到110亿美元。谐波、RV减速器市场均基本由日系厂商垄断，日系全球市场份额占比约80%，国内市场份额占比约40~60%，占比靠前的国内企业有绿的谐波、来福谐波、双环传动、中大力德，目前已形成中日双寡头的局面；而行星减速器市场较为分散，国内市占率较高的企业为科峰智能、纽氏达特、精锐科技。从性能参数上来看，国产减速器性能接近世界先进水平，随着国内企业市场产量进一步提高、价格下降，减速器存量市场中国产替代空间较大。 建议关注：中大力德、昊志机电、绿的谐波、秦川机床、双环传动（中小市值和汽车团队联合覆盖）、丰立智能、精锻科技 1 减速器——机械设备传动之核心，机器人活动之关节 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明3 减速器是机械设备中动力源和执行机构之间的独立传动装置，发展历史悠久，型号、种类繁多。 机械设备输入动力源通常尺寸较小、转速较大，而输出执行机构通常负载较重、转速较小，因此需要使用减速器以达到降低转速、提高扭矩的目的。 圆柱齿形和蜗轮蜗杆减速器为较为传统的结构。外摆线行星齿轮于上世纪20年代在渐开线行星齿轮基础上发展而来，后经过日企改良大规模应用；80年代后，摆线与渐开线行星齿轮组合形成了RV、摆线针轮行星齿轮减速器。谐波减速器于上世纪50年代左右被提出并应用，其亦应用行星齿轮传动原理。 图：动力源、减速器与执行设备连接示意图 圆柱一般齿轮齿形传动原理减速 器 斜面正交传动原理 摆线针轮减速器（K-H-V） 精密摆线针轮行星减速器 （K-H-V） 精密行星减速器（2K-H）RV减速器（2K-V） 行星齿轮传动原理 （渐开线）行星齿轮减速器 （2K-H） 谐波减速器 资料来源：伍勒斯精密机械官网，林江海等《工业机器人用精密减速器研究现状》，科峰智能招股书，黄兴等《工业机器人精密减速 器综述》，马可波罗网，绿的谐波招股书等，天风证券研究所 4 减速器 蜗轮蜗杆减速器 图：主流减速器类型发展历程 资料来源：各公司官网，各公司公告，黄兴等《工业机器人精密减速器综述》、官浩《空间谐波减速器性能退化与寿命分析研究》 等，天风证券研究所 5 减速器应用场景十分广泛，减速比、传动精度、输出扭矩、传动效率和使用寿命是其较为核心的技术指标。负载较大、精度要求不高的工业场景主要采用圆柱齿形、蜗轮蜗杆和摆线针轮减速器，摆线针轮减速器在绝大多数场景下可以替代前两种减速器。精 度要求高的机器人、数控机床、航空航天等领域主要采用精密行星减速器、谐波减速器和RV减速器。 谐波减速器RV减速器精密行星减速器行星齿轮减速器摆线针轮减速器蜗杆蜗轮减速器圆柱齿轮减速器 传动原理 行星齿轮传动 斜面正交传动 一般齿轮传动 结构特征 柔性内轮、刚性外轮、波发生器 行星轮前级、摆线针轮后级 太阳轮、行星轮、内齿圈 摆线轮、针齿轮、 偏心轴 蜗轮、蜗杆 传动轴、多级直齿轮 减速比 单级50-500 单级11-87 双级121-7500 单级2.8-12.5双级14-160 单级6-119 双级121-7569 单级8-80 单级1-5 双级3-30 输出扭矩 一般 高 一般 高 低 低 传动效率 0.7-0.9 0.9-0.94 0.8-0.95 0.9-0.95 0.7-0.9 0.6-0.9 刚度 一般 一般 一般 一般 一般 一般 传动精度 高 高 高 一般 高 一般 低 使用寿命 ＞8000h ＞6000h ＞20000h，免保养 - - - - 可靠性 一般 一般 一般 一般 差 一般 振动噪音 ≤60dB ≤70dB ≤65dB - - - - 重量体积 小 中 中，径向长度大 中 大 很大 制造要求 高 较高 高 较高 高 一般 成本(元/台) 1000-5000元 5000-8000元 200-2000元 - - - - 适用场景 较低负载、高精度场景：工业机器人、仿生机器人、智慧物流、数控机床、航空航天、医疗器械、半导体、新能源 较高负载、低精度场景：工程建设、市政环境、石油化工、能源、工程机械、地质钻探、港口码头、船舶交运、林业设备、纺织印染、食品药品 机器人腕部、手部、小臂 机器人基座、大臂、肩膀 移动机器人；集成于步进、伺服电机 主要厂商 哈默纳科（日）、尼得科（日，原新宝）、绿的谐波、中技克美、大族传动、来福谐波、中大力德、双环传动、昊志机电、丰立智能等 纳博特斯克（日）、威腾斯坦（德）、南通振康、双环传动、秦川机床、南高齿（中国传动）、中大力德、昊志机电等 住友、SEW（德）、ABB、尼得科、纽氏达特、中大力德、科峰智能、昊志机电、丰立智能等 住友、Dojen（美）、Spinea（斯洛伐克）、浙江恒丰泰、泰星减速器、国茂股份、秦川机床等 表：主流减速器技术指标与应用场景对比 谐波减速器体积小、传动比大，适用于机器人小臂、手部、腕部等部分。 结构特点：主要由柔轮、刚轮和波发生器组成；柔轮是一个薄壁圆柱外齿轮，刚轮是一个刚性环状内齿轮；波发生器是安装在椭圆凸轮上的薄壁滚子轴承，椭圆的长径略大于柔轮 内径。谐波减速器结构较为简单，因此质量体积较小。 运动特点：一般将波发生器作为主动轴，其旋转带动柔轮产生周期性椭圆形弹性形变，长轴与刚轮啮合、短轴脱开。连续转动时柔轮变形错齿运动。输入旋转一圈，输出端仅转动 柔轮和刚轮齿数差的角度，因此减速比范围大。 使用特点：由于啮合的齿数比例为30%且为180°啮合，啮合误差平均效应使传动精度较高；啮合齿面相对滑动位移小，因此传动效率较高、磨损较低。但柔轮长时间挤压变形容易 出现疲劳断裂的情况。 图：谐波减速器结构图图：中技克美XB谐波减速器产品图 图：谐波减速器运行示意图 资料来源：中技克美官网，张宗鑫《谐波减速器磨损性能及磨粒类型辨识研究》，天风证券研究所 6 0°90°180°360° RV减速器体积小、负载大、传动比大，适用于机器人基座、大臂、肩膀等部分。 结构特点：由渐开线行星齿轮前级加一个摆线针轮后级组成，结构紧凑，体积较小，但对零件、装配要求高，因此价格较高。 运动特点：输入轴的运动经由渐开线行星齿轮系的太阳轮传递给行星轮，完成一级减速运动；曲柄轴安装在直齿轮上，转速相同，摆线轮产生绕针齿壳的公转运动和绕自身轴线的自转运动，通过输出盘输出，达到二级减速。减速比为两级乘积，其减速比较大。 使用特点：摆线针轮同时啮合的齿数比行星齿轮多，承载能力强；相较于谐波其回差精度稳定，疲劳强度大。 图：RV减速器结构图 支撑法兰摆线轮 一级：行星齿轮结构 二级：摆线针轮结构 图：RV减速器运行示意图 输出座 输入轴 曲柄轴 针齿壳 资料来源：Nabtesco官网，秦园《RV减速器关键性能指标检测方法研究》，黄兴等《工业机器人精密减速器综述》，天风证券 研究所 7 图：NabtescoRV减速器产品图 曲柄轴旋转角度0° 旋转角度360° 资料来源：尼得科官网，Li等《DynamicAnalysisofaNovelGearedInfinitelyVariableTransmission》，黄兴等《工业机器人精密减速 器综述》，黄祖顺《行星齿轮转动在工程机械中的应用及传动比的计算》，天风证券研究所 8 精密行星减速器传动效率高、免保养，常用于移动机器人轮部或集成于伺服电机、步进电机中。 结构特征：由太阳轮、行星轮、行星架、内外齿等机构组成，载荷均匀分布，减少了齿轮断裂的可能、提升了传动效率。 运动特征：太阳轮、行星齿轮和内齿轮绕中心轴旋转，任选二者作为输入轴和输出轴，则另一构件强制制动使其运动受到约束，从而实现减速。改变行星齿轮的连接方式可以得到多种传递方案，能够满足机械变速、换向和切断动力的要求。 使用特征：行星齿轮单级减速一般不超过10，一般会多级使用以提高减速比。行星齿轮还有终身免维护的特点。 太阳轮 电机 内齿环 行星轮 行星减速器 行星轮 内齿环 外太阳轮 内太阳轮 车轮 太阳轮 输入轴行星轴 图：（双级）行星齿轮减速器结构图图：尼得科AGV机器人轮部机电一体化设计图：尼得科伺服行星齿轮减速机 减速器是工业机器人活动关节的重要组成部分。工业机器人使用的精密减速器主要是谐波和RV减速器，前者因体积小、负载较低被用于腕部、手部和小臂等执行机构末端，后者体积质量较大、稳定性强、负载较大，通常用于基座、肩膀和大臂。一个六轴机器人的A1~A3关节一般使用RV，末端执行关节A4和A5主要使用谐波减速器。移动机器人轮部可使用精密行星减速器。 减速器占工业机器人生产成本比重较大，本土量产后价格降幅大。精密减速器成本占工业机器人总成本的36%。根据绿的谐波招股书，2017至2019年，其谐波减速器产量提高了29%，均价由1923元降至1632元，降幅15%，后续成本有望随着产量提升进一步降低而实现更广泛的普及。 图：工业机器人组成部分成本占比图：六轴机器人活动关节与减速器配置 图：RV减速器工业机器人使用场景 6% 12% % 谐波减速器 RV减速器 36% 22 24% 精密减速器伺服系统本体控制系统其他 资料来源：Nabtesco官网，绿的谐波招股书，安阳《基于多源数据的RV减速器载荷谱构建》，李佳怡《正弦齿轮少齿差行星 减速器研究》，天风证券研究所9 人形机器人运动复杂、关节多，对减速器的需求大幅增加。 协作机器人与人类的接触压力对其安全性、灵活性提出了较高要求。据我们统计，工业机器人大多有3~6自由度，而人形机器人可高达68，特斯拉、小米、宇树等人形机器人自由度为15~40。