精密减速器行业研究报告：精密减速器：人形机器人孕育下的蓝海市场

投资要点 机器人常用精密减速器包括谐波、RV、精密行星三种。工业机器人核心零部件主要包括减速器、伺服系统和控制器，从成本结构来看，减速器成本最高，占比35%。精密减速器精度较高、使用寿命长，更加可靠稳定，包括谐波减速器、RV减速器、行星减速器、摆线针轮行星减速器等，其中行星减速器结构简单，减速比和精度较低；谐波减速器结构简单，减速比高，传动精度和传动效率高，主要重在轻负载部位；RV减速器结构复杂，和谐波减速器互为补充，主要用在重负载部位。 精密减速器壁垒高，体现在材料、齿轮设计/修形、齿形加工、热处理、装配、检测、批量生产等多个环节。减速器材料一般使用合金钢；齿轮设计/修形至关重要，影响减速器的传动效率、刚度等指标；齿形加工目前常用插齿、滚齿和磨齿工艺；热处理为关键工序，目的在于增加材料硬度和韧性以便切削加工； 装配环节仍然依赖人工，直接影响减速器的精度。 人形机器人常用谐波和行星减速器方案，100万台人形机器人对应市场空间超过100亿。特斯拉、小米、小鹏等相继发布人形机器人，特斯拉旋转关节目前采用谐波减速器方案，国产人形机器人多采用谐波+行星减速器方案。谐波减速器的优势在于体积小、精度高，多用于手臂等关节，行星的方案优势在于刚性强，但是体积大、重量，多用于腿部、髋部等关节。此外，人形机器人灵巧手可以用微型谐波减速器方案，但成本是最大的制约。假设2030年乐观/中性/悲观情况下人形机器人需求量分别为200/100/50万台：1）谐波减速器-身体：假设单台机器人需求14个，对应市场空间168/84/42亿元；2）谐波减速器-手部：假设单台机器人需求30个，对应市场空间36/18/9亿元；3）行星减速器：假设单台机器人需求4个，对应市场空间16/8/4亿元。 供需缺口、技术提升、国产替代，国产减速器迎来破局时刻。按照中期人形机器人出货量100万台、单台机器人对应14个谐波减速器简单测算，减速器市场需求为1400万台，但目前市场供给不足，全球龙头哈默纳科目前产能198万台/年、国内绿的谐波当前以及规划产能共计159台万/年，供需缺口巨大，国产减速器机会到来。减速器技术壁垒高，海外头部厂商具备先发优势，国产厂商近年加速追赶且持续技术突破，绿的谐波、环动科技优秀公司涌现。同时，考虑人形机器人量产，相较于海外减速器厂商，国内供应链企业具备成本与效率显著优势，在人形机器人持续放量的远期，国内精密减速器厂商有望破局突围。 投资建议：相关标的：谐波减速器龙头绿的谐波（688017），RV减速器龙头双环传动（002472），行星减速器龙头中大力德（002896），积极布局精密减速器领域的国茂股份（603915）。 风险提示：市场竞争加剧的风险、工业机器人需求不及预期的风险、人形机器人发展不及预期的风险、行业扩产不及预期的风险等。 1减速器为工业机器人核心零部件，成本占比30% 减速器是连接动力源和执行机构的中间机构，具有匹配转速和传递转矩的作用，可以分为通用、专用两大类。通用减速器的规格以中小型为主，模块化、系列化，可广泛应用于各个行业，例如化工、橡胶、塑料等，代表公司为SEW、西门子、国茂股份、宁波东力，专用减速器规格以大型、特大型为主，多为非标、行业专用产品，例如用在机器人、工程机械、石油开采设备、环保、冶金等领域，代表公司包括中国高速传动、杭齿前进、重齿等，其中机器人领域专用精密减速器精度较高、使用寿命长，更加可靠稳定，代表公司包括哈默纳科、纳博特斯克、绿的谐波、双环传动等。 表1：减速器分类 减速器为机器人的核心零部件，价值量占比30-40%，进入壁垒高，为机器人行业的优质投资赛道。工业机器人核心零部件主要包括减速器、伺服系统和控制器，从成本结构来看，根据维科网机器人，减速器成本最高，占比35%，伺服系统占20%，控制器占15%；毛利率方面，成本占比最高的减速器毛利率也最高，毛利率高达40%，其次是伺服系统（30%）和控制器（30%）。 图1：工业机器人产业链 图2：工业机器人成本结构 图3：工业机器人各环节毛利率 精密减速器主要用于机器人各个关节，负责将伺服电机输出的高速运转动力转化为低转速、高转矩的运动，决定机器人的精度和负载。一般传动减速器控制精度低，可满足机械设备基本的动力传动需求。精密减速器精度较高、使用寿命长，更加可靠稳定，应用于机器人、数控机床等高端领域，包括谐波减速器、RV减速器、行星减速器、摆线针轮行星减速器等，其中应用最广泛的是用于重负载转传动的RV减速器和用于轻负载传动的谐波减速器。评价精密减速器的技术指标包括：减速比、转矩参数、寿命、背隙、空程、传动精度、传动误差等。 表2：四种精密行星减速器对比 表3：评价精密减速器的技术指标 我国RV减速器产业化起步较晚，处于技术追赶阶段。回顾国内外RV减速器的发展历程，1926年德国的Lorenz Blanc提出针摆行星传动，经过住友引进、摆线磨床的成功研制，日本帝人精机1980年提出RV传动理论，1986年帝人精机RV减速器投入市场，并持续更新迭代，目前向轻量化、高功率密度、高性能的方向发展；我国在1960年代引入针摆传动，80年代末开始RV理论研究，21世纪初实现产业化，整体处于技术追赶的阶段。 图4：国内外RV减速器的历史演进 我国谐波减速器的发展历程相对较快，从跟跑进入并跑阶段。1955年美国发明家C.W.Musser发明谐波传动，1964年引入日本开始进行产业化研究和生产，此后不断更新迭代，实现轴向长度的缩短、负载能力的提升、重量的减少等；1961年谐波传动引入我国，1962年第一台谐波减速器研制成功，1993年后以绿的谐波为首的国产谐波减速器企业逐步实现了产业化。 图5：国内外谐波减速器的历史演进 2机器人常用精密减速器包括谐波、RV、精密行星三种 2.1精密行星减速器：结构简单，减速比较低 行星减速器结构简单，减速比较低。精密行星减速器结构较为简单，主要包括行星轮、太阳轮和内齿圈。精密行星减速器一级传动比一般在10以内，且减速级数一般不会超过3级，刚性较高，主要搭配步进电机和伺服电机，用以降低转速，提升扭矩。 从生产流程来看，行星减速器的制造流程主要包括毛坯加工、热处理、装配等，壁垒主要体现在齿形加工以及热处理环节，制造壁垒低于谐波和RV减速器。 图6：精密行星减速器结构和制造工艺流程 全球精密行星减速器市场规模12亿美元，我国5亿美元。根据QY Research，2022年全球行星减速器销量为540.1万台，销售金额为12.0亿美元，其中中国境内销量为231.9万台，销售金额为5亿美元，预计2029年全球行星减速器销售规模达22.3亿美元，中国市场规模达11.5亿美元。 根据QY Research，全球精密行星减速器市场的主要供应商包括日本新宝、纽卡特、威腾斯坦等，2022年全球市场占有率分别为12.9%、10.9%、10.7%；中国精密行星减速器市场的主要供应商包括日本新宝、科峰智能、纽氏达特等，2022年中国市场占有率分别为20.4%、11.7%、9.4%。 图7：2022年全球精密行星减速器市场格局 图8：2022年我国精密行星减速器市场格局 2.2谐波减速器：结构简单，减速比高，传动精度和传动效率高 谐波减速器主要由3个基本部件构成：刚轮、柔轮、谐波发生器。可固定其中的任意一个，其余2个可分别连接输入（主动）、输出（从动），以实现减速或增速。 刚轮：是一个加工有连接孔的刚性内齿圈，其齿数比柔轮略多（一般多2齿或4齿）。 通常用于减速器安装和固定，在超薄形或微型减速器上，刚轮一般与交叉滚子轴承设计成一体，构成减速器单元。 柔轮：是一个可产生较大变形的薄壁金属弹性体，有水杯、礼帽、薄饼等形状。柔轮通过外齿圈与刚轮啮合，通常用来连接输出轴。谐波减速器中波发生器转动一周时，柔轮向相反方向转过两个齿的角度。 谐波发生器：其内侧是一个椭圆形的凸轮，凸轮的外圆套有一个能弹性变形的柔性薄壁轴承，轴承外圈与柔轮外齿圈的内侧接触。凸轮装入轴承内圈后，轴承、柔轮均变成椭圆形，并使椭圆长轴附近的柔轮齿与刚轮齿完全啮合，短轴附近的柔轮齿与刚轮齿完全脱开。凸轮通常与输入轴连接，旋转时可使柔轮齿与刚轮齿的啮合位置不断改变。 谐波减速器传动原理：通过具有柔性的薄壁外齿轮产生弹性变形后与刚性的内齿轮进行内啮合来实现传动。其通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式，当波发生器装入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，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。 图9：谐波减速器结构示意图 图10：谐波减速器运行示意图 根据《ABB工业机器人应用技术全集》，谐波减速器的主要特点： 1）承载能力较强，传动精度高。谐波齿轮传动装置有两个180°对称方向的部位同时啮合，其同时啮合齿数可达30%以上，齿距误差和累积齿距误差可得到较好的均化，传动误差比普通齿轮传动装置小。 2）减速比大，传动效率较高。谐波齿轮传动的基本减速比为30-320，额定负载输出时的传动效率可达65%-96%，均大于普通齿轮传动装置。 3）结构简单，体积小，重量轻，寿命长。只有3个基本部件，体积、重量大致为普通齿轮传动装置的1/3左右。此外，在传动过程中，柔轮齿只进行均匀的径向移动，齿间相对滑移速度只有普通渐开线齿轮传动的1%左右。加上啮合的齿数多、轮齿单位面积的载荷小、运动无冲击，因此齿磨损较小，使用寿命可长达7000h以上。 4）传动平稳，无冲击，噪声小。可通过特殊的齿形设计使柔轮和刚轮的啮合、退出过程实现连续渐进、渐出，齿面滑移速度无突变，其传动平稳，啮合无冲击，运行噪声小。 5）间隙小，安装调整方便。谐波减速器的柔轮和刚轮啮合间隙可通过微量改变谐波发生器的外径调整，做到无侧隙啮合。 谐波减速器生产的关键在于柔轮，柔轮转动过程中会发生椭圆变形，对材料和制造工艺要求高。谐波减速器内部的柔轮将会在转动的过程中每转发生两次椭圆变形，椭圆变形的存在将使得柔轮极易发生疲劳损坏且损耗功率较大，因而谐波减速器对材料的材质、抗疲劳强度及加工精度、热处理的要求均很高，制造工艺较复杂。 图11：谐波减速器制造工艺流程 表4：谐波减速器生产流程的主要环节和主要功能 2.3RV减速器：减速比高，结构复杂，主要用于重负载部位 RV减速器是以摆线针轮行星传动为基础发展而来的。RV减速器主要包括两级传动装置，分别为渐开线行星齿轮传动和摆线针轮行星传动。行星齿轮传动机构中包括行星齿轮、偏心轴和中心轮，摆线针轮行星传动机构中包括摆线轮、偏心轴、针齿和行星架。 图12：RV减速器结构示意图 图13：RV减速器结构示意图 根据《ABB工业机器人应用技术全集》，RV减速器的主要特点： 1）减速比范围大，传动效率高。RV减速器采用两级传动结构，故其传动比的范围较其他结构的减速器更大，传动效率更高。根据测算，RV减速器的传动比可在31-171范围内浮动，同时传动效率可达85%-92%。 2）平稳性好，承载能力强。RV减速器低速级摆线轮结构为180°对称分布，使得摆线轮的结构受力均匀、啮合次数增加，提高了减速器传动的平稳性和减速器的承载能力。 3）刚性好，传动精度高。RV减速器采用两端支撑的输出结构，相比普通的摆线减速器，其刚性和耐过载冲击性能得到大幅度提升，传动精度与传动误差得到大幅优化。 相比于谐波减速器来说，RV减速器结构复杂，零部件种类和数量更多，更考验零部件的加工工艺和装配能力。 图14：RV减速器制造工艺流程 谐波减速器主要用于工业机器人轻负载部位，RV减速器主要用于重负载部位，互为补充。在工业机器人领域，谐波减速器一般在机器人小臂、腕部、手部等部件具有较强优势。 RV减速器具有更高的刚性和扭矩承载能力，在机器人大臂、机座等重负载部位拥有优势。 表5：谐波减速