减速器行业深度：机器人核心部件，国产替代及应用拓宽空间广阔

减速器行业深度：机器人核心部件，国产替代及应用拓宽空间广阔 华安机械 张帆S0010522070003 华安证券版权所有发送给.龚韵.p1 2024年01月10日 华安证券研究所 证券研究报告 证券研究报告 231019 敬请参阅末页重要声明及评级说明 核心逻辑 精密减速器是机器人核心零部件：减速器是连接动力源及执行机构的中间机构，起到匹配转速及传递转矩的作用。减速器主要分为一般传动减速器和精密减速器两类。一般传动减速器主要用于满足基础的动力传输需求，控制精度较低；而精密减速器则主要用于高精度、高稳定性的应用场景，如工业机器人等。工业机器人使用的精密减速器主要有谐波减速器、RV减速器和行星减速器三类，其能够影响机器人的定位精度及重复精度等，从而直接影响到机器人的整体性能。 机器人应用扩大带动上游减速器市场扩容，多品类进口替代空间广阔： •减速器下游应用广泛，其中机器人作为主要下游之一占比达到11%。根据国家统计局数据，2023年1-11月我国工业机器人产量达到38.76万台，同比-2.8%。2021年中国工业机器人减速器总需求量为93.11万台，同比增长78.06%。其中增量需求为82.41万台，同比增长95.05%；存量替换量为10.70万台，同比增长6.57%。未来机器人应用持续拓宽，减速器市场有望持续增长。 •分产品类别来看，各类减速器进口替代空间巨大。谐波减速器全球龙头为哈默纳克，2021年在全球市场及中国市场中分别占据82%、35.5%的市占率，国内生产谐波减速器的企业实力较强的有绿的谐波、来福谐波、福德机器人、大族传动，四家企业在中国市场上的占有率之和由2020年35.9%提升至2021年41.1%。RV减速器市场中纳博特斯克占据全球及中国主要竞争地位，2020年市占率分别达到61%、55%，国内厂商中双环传动、中大力德、秦川机床等厂商市占率较高，2021年国内市占率分别达到15%、7.2%、2.6%。 人形机器人产业快速发展，持续拓宽市场空间：由于人形机器人具有复杂的运动和众多的关节，对减速器的需求也大幅增加。统计数据显示，工业机器人通常有3~6个自由度，而人形机器人自由度则更高，由此持续拓宽减速器应用空间。根据我们的测算，在保守情境下预计2030年由人形机器人推动产生的三种减速器市场规模总和有望达到182亿元，市场空间广阔。 建议关注标的：双环传动、中大力德、丰立智能、华安证券版权所秦有发送给.龚韵.p2川机床、绿的谐波 风险提示：技术开发不及预期；下游客户产品接受及产品验证不及预期；市场需求波动风险；原材料成本大幅提升影响生产成本风险；研究依据的信息更新不及时，未能充分反映公司最新状况的风险。 目录 1减速器：精密减速器是机器人核心零部件 2下游：工业机器人应用扩大带动上游减速器市场扩容，多品类进口替代空间广阔 3人形机器人：新技术新产品加快孕育，增量市场前景广阔 4建议关注标的：双环传动、中大力德、丰立智能、秦川机床、绿的谐波 5风险提示华安证券版权所有发送给.龚韵.p3 敬请参阅末页重要声明及评级说明 减速器分为一般传动减速器和精密减速器。减速器是连接动力源和执行机构的中间机构，起到匹配转速和传递转矩的作用。根据控制精度的要求，减速器分为一般传动减速器和精密减速器。 工业机器人用的精密减速器主要有三种类型。一般传动减速器通常用于满足基本的动力传输需求，其控制精度较低。工业机器人用的精密减速器主要有三种类型分别为谐波减速器、RV减速器、行星减速器。 精密减速器的性能直接决定机器人的整体性能水平。精密减速器是工业机器人最重要的基础部件，直接关系到机器人的反应速度和功能实现精度。工业机器人主要使用的精密减速器有谐波和RV两种。由于体积小巧，承载能力相对较低，谐波减速器主要用于腕部、手部和小臂等执行机构的末端位置。相比之下，由于RV减速器的体积、质量较大但稳定性强，并拥有更大的承载能力，它通常应用于基座、肩膀、大臂等部位。对于一个拥有六个关节的机器人来说，关节A1-A3通常采用RV减速器，而末端执行关节A4-A6则主要选用谐波减速器。移动机器人的轮部可使用精密行星减速器。 谐波减速器 传动减速器 减速器 RV减速器 精密减速器 行星减速华安证券版权所器有发送给.龚韵.p4 图表1减速器分类 图表2六轴机器人活动关节与减速器配置 资料来源：工业机器人，华安证券研究所 谐波减速器 行星减速器 资料来源：绿的谐波官网，Nabtesco官网，中大力德官网，中商情报网，知网，华安证券研究所 谐波减速器是一种基于圆柱弹性壳体理论的新型齿轮传动。它通常由柔轮（Flexspline）、刚轮（CircularSpline）和波发生器（WaveGenerator）三个主要构件组成。谐波减速器的工作原理是通过柔轮的周期性波动变形，迫使柔轮与刚轮之间的少齿差内啮合，从而实现动力和运动的传递。由于柔轮和刚轮的齿数之间的差距很小，因此可以获得大的传动比。谐波减速器相对于传统减速器具有多个优点。它已从最初的航天航空装备领域迅速扩展到其他领域，包括仪器仪表、机床、仿生学（机械手、机器人、假 肢）、医疗器械、能源、光学系统和原子反应堆等。这种广泛的应用领域使得谐波减速器成为一种非常有价值的传动装置。 RV(rotatevector)减速器是由摆线针轮行星减速器发展而来，主要由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两个部分构成。比摆线行星减速器具有更紧凑的结构设计和更优越的使用性能以及更高的传动精度，被广泛用于机器人、医疗和军事等工程领域，尤其在机器人领域RV减速器占有越来越大的比重。与机器人关节常用的谐波减速器相比，RV精密减速器具有很高的疲劳强度、刚度和寿命，最大的特点是回差精度稳定，不会像谐波减速器那样随着使用时间的增加运动精度会显著降低，因此满足类似机器人关节等对运动精度要求长期稳定的传动场合。现今世界上大部分国家高精度的机器人传动多采用RV减速器作为关键零部件。随着机器人技术的发展，RV精密减速器已成为现代机器人关键技术之一，对于机器人的性能具有重要影响。 精密行星减速器是一种紧凑的减速装置，由行星轮、太阳轮和内齿圈组成。其结构相对简单，传动比通常在10以内，减速级数一般不超过3级。在精密行星减速器的运行过程中，一个太阳轮通常会驱动3个行星轮绕行星轴旋转，这使得它的体积小、质量轻，启动更加平稳。此外，精密行星减速器具有卓越的刚性、高精度和高扭矩传递能力。精密行星减速器主要应用于步进电机和伺服电机，用于减小转速并提高扭矩输出。这种减速器广泛应用于工业机器人、精密机床、医疗设备等领域。 图表3谐波减速器结构图表4RV减速器结构图表5行星减速器结构 华安证券版权所有发送给.龚韵.p5 资料来源：知网，华安证券研究所 资料来源：鑫松自动化官网，华安证券研究所 资料来源：川铭精工官网，华安证券研究所 国内谐波减速器寿命较国外更低。减速器的疲劳寿命直接决定着机器人的正常工作时长，寿命是考量减速器性能的重要指标。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。 谐波减速器齿轮设计经历了多个阶段的演进。最初齿轮的设计主要以实现齿面的简单直线接触为目标。而后渐开线齿形广泛应用，为齿轮传动提供了更高的效率和平稳性。近期圆弧齿形逐渐崭露头角，这种设计在降低应力、延长使用寿命方面表现出色。齿轮的齿形和结构是其最关键的组成部分，直接影响着齿轮的传动性能。其他方面的改进只能在齿形基础上进行局部的优化。早期的齿轮设计对于传输速度和功率的要求相对较低，因此齿廓通常采用简单的直线或不太精确的曲线。随着数学理论的不断发展和应用，齿轮的齿廓设计变得更加精确和可预测，这为齿轮传动提供了更坚实的理论基础。 筒体壁厚 柔轮筒长 轮齿齿宽 图表6各参数对寿命的影响 参数对寿命的影响 在满足柔轮强度设计的前提下减小筒体壁厚，可有效降低柔轮的最大应力值，进而延长柔轮的疲劳寿命 在一定范围内，随着柔轮筒长增加，柔轮的最大应力值随筒长增加而降低;筒长过长时，筒体所受的最大扭转量随之增大，导致轮齿之间的啮合状况恶化，出现应力集中的现象。 当齿宽稍大于波发生器的宽度时，可降低柔轮的最大应力值。 齿形 优势 缺点 直线齿形 满足了定传动比传动，实现了轮齿间的面接触，通过将柔轮中性层变形的工作段曲线当做阿基米德螺线处理，得到定传动比。 无法保证曲线上点的法线方向与阿基米德螺线的矢径的夹角为恒值，即无法保证刚轮与柔轮共轭啮合，产生的传动比误差较大 渐开线齿形 当柔轮齿数较多时，渐开线齿廓则可近似为直线齿廓，且拥有比直线齿廓更好的传递性能 在空载状态下，只有少数几对轮齿同时参与啮合；在负载状态下，由于轮齿及筒体的变形，同时啮合的齿对数增多，但大部分轮齿均处于边缘啮合状态，难以在轮齿间形成油膜；共轭区间相对狭小，承载能力有限 圆弧齿形 圆弧齿形能有效地改善柔轮齿根处的应力状况，同时能提高其传动的啮合质量，且圆弧齿形在啮合过程中存在楔形空间，有利于油膜的形成，减小轮齿之间的摩擦。 加工复杂且需使用特种刀具，导致加工成本高昂 摆线齿形 该齿形可使用带直边切削刃的插刀进行加工，且完美地继承了圆弧齿廓所具有的优点 设计较为复杂困难，制造误差和装配误差会严重影响谐波传动的精度，且保持啮合时准确的中心距比较困难 “S”齿形 相比于渐开线齿形，在相同传动效率的情况下，同时参与啮合齿数加倍，齿根处的圆角半径增大，使柔轮轮齿的抗疲劳强度能力提升1倍，扭转刚度也提高了70%~100%。 “S”齿形对柔轮的加工工艺要求非常高，生产过程很复杂，这大大地增加了生产的成本。当轮齿数较少时，误差增大，因而，该齿形的理论基础还不够坚实。 “P”齿形 华安证券版权所有发送给.龚韵.p6 绿的谐波自主知识产权的“P”齿形的齿高较低，能承载更大的转矩；齿宽较大，降低了齿根断裂的风险；柔轮变形量较小，柔轮的疲劳寿命得到提高；20%～30%的齿同时参与啮合，齿面比压较小。 谐波减速机运行过程中降低了传动精度 “δ”齿形 浙江来福谐波传动推出的“δ”齿形，寿命提高超过30%，转矩容量提升超过30%，传动的平稳性得到显著提高。在振动与噪声方面得到了较大的改善。 在一定范围内增加啮合齿对数时，可将柔轮所受的整 图表7谐波减速器齿形种类 啮合齿对数分析体弯曲应力分散到更多的轮齿上，从而降低了单个轮 齿的应力值。 最大径向变形量柔轮的径向变形量决定了柔轮的变形规律，柔轮筒体 分析 柔轮扭转刚度 的弯曲应力与其最大变形量呈线性正相关;较大的变形量会减少柔轮的疲劳寿命。 柔轮扭转刚度的大小影响减速器运行过程中的滞后性;增加扭转刚度的措施有减小最大径向变形量、减小长径比、增加筒体壁厚；但刚度的增加会使轮齿的接触应力增加，降低了柔轮的疲劳寿命。 资料来源：知网，华安证券研究所资料来源：知网，华安证券研究所 度及重复精度等 1.3精密减速器性能影响机器人定位精 精密减速器的传动误差与扭转特性对工业机器人的定位精度和重复精度影响明显。RV减速器和谐波减速器的主要性能指标有：额定输出转矩、额定输出转速、额定输入功率、额定寿命、回差（背隙）、滞回特性、扭转刚度、角度传递误差、转动惯量、传动比、启停允许转矩、瞬时最大转矩、重量、噪声等。其中额定参数、允许参数、转动惯量 和传动比等主要为设计制造时确定的静态指标。 在工业机器人领域为了保证机器人减速器的动态特性、使用寿命、保证工作的稳定性及可靠性，以及降低运转中的噪声等，对减速器的技术指标有一定检测及计量需求。精密减速器的传动误差与扭转特性对工业机器人的定位精度和重复精度影响明显，同时扭转刚性和动态特性与机器人的动态性能关系紧密。 图表8不同类型机器人减速器需求量 图表9工业机器人与精密减速器性能密切相关 机器人分