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机械设备 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 1/37 机械设备 2022年 08月 01日 投资评级： 看好 （ 维持 ） 行业走势图 数据 来源： 聚源 行业周报 -工程机械数据跟踪： 2022年三季度有望回暖 -2022.7.10 行业深度报告 -特斯拉机器人风起，国产供应链远航 -2022.7.8 行业周报 -HJT 电池经济性拐点临近，银浆降本路径清晰 -2022.7.3 特斯拉 机器人 孕育新机遇 ， 国产减速器蓄势待发 行业深度报告 孟鹏飞（分析师） 证书编号： S0790522060001 精密减速器是赋能机器人的核心零部件 精密减速器 被誉为 “ 工业机器人的心脏 ” 。 日企哈默纳科、纳博特斯克 独占鳌头，中国机器人本体厂商进口核心零部件成本 高企 。 2016-2018年 机器人 行业景气上行、 精密减速器 供给紧缺，行业 迎来 国产化窗口期， 以绿的谐波为代表的 国内厂商 率先 取得 突破性 进展， 打破了日 本 寡头垄断的局面。 本篇报告通过 对 机器人用精密减速器的组成架构、传动原理 进行 拆解 与分析 ， 复盘 日本机械传动龙头企业成功经验， 解释 了 当前 国产 谐波 、 RV减速器与 日本高端产品的差距所在，并从技术路径、工艺积累 、生态建设等维度 论述了 国产精密减速器厂家 如何 走好 国产替代与 迈向高端 并行 的突围之路 。 知日鉴中， 中国精密减速器全产业链 协同建设 路长道远 日企纳博特斯克占据全球 RV 减速器市场 60%的市场份额，哈默纳科占据全球谐波减速器市场约 70%的份额。 二者 产品定位中高端 ， 客户群优质 。 国产精密减速器目前仍然在中低端市场进行份额抢占 ，盈利能力有待提升。 共通原因在于国产厂家 工艺 积累尚浅、产业链尚未形成 完善 的技术生态建设。 细分来看， 谐波减速器厂商 自身的 技术路径 缺陷 ， 海外进口设备厂商交期延长限制 了其 在保障产品一致性下扩大产能规模。 RV 减速器厂商 设备 投资额相比谐波厂商更高 ， 成本摊薄受到当前 生产规模 较 小 的限制 、 利润 表现欠佳 ，而 盈利能力疲软又直接导致后续 研发投入和产线建设受阻。 国产替代与高端突围并进 ，产业供 需有望迎来新 格局 特斯拉人形机器人 具备速度慢、轻负载、关节多的特点，对核心零部件的需求聚焦于小型、轻量、集成。 根据我们 测算， 在日企扩产温和的 背景下 ，到 2027年，人形机器人 落地 或将带来数千万台谐波减速器产能缺口以及数百万台 RV减速器产能缺口。百亿市场 尽 待国内厂商填补。 产业机遇来临，从相对优势看主要国产供应商竞争实力 对于谐波减速器厂商， 我们 看好 技术路径更合理、具备整体运动控制实力、工艺积累更深并且成本管控更优的企业 。 对于 RV 减速器厂商，机加工经验丰富、具备产品集成化能力的企业更能拔得头筹。 受益标的： 国内谐波减速器后起之秀汉宇集团 ； 国内齿轮加工领导者双环传动 ； 谐波减速器国产突围先锋绿的谐波 ； 同时布局 RV、谐波减速器实现渠道复用的中大力德 ； 精密齿轮加工机床核心标的秦川机床 。 其他受益标的： 昊 志机电 、联诚精密。 风险提示： 疫情反复、 俄乌局势加剧以及其他输入性因素影响全球供应链 。 特斯拉人形 机器人销量不及预期 。 -36%-24%-12%0%12%2021-08 2021-12 2022-04机械设备 沪深 300相关研究报告 开源证券研究报告 行业深度报告 行业研究 行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 2/37 目 录 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 . 4 1.1、 谐波减速器：小而精的传动装置，日本占据优势、中国步步紧追 . 6 1.2、 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 . 11 1.3、 RV 减速器：投入大、加工难，国产替代之路行稳致远 . 14 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 . 17 2、 人形机器人题材有情绪，减速器产能缺口空间可想象 . 19 2.1、 人形机器人对零部件的核心要求在于小型、轻量、集 成 . 19 2.2、 人形机器人落地后，供少于求或将成为减速器行业的中长期格局 . 20 3、 受益标的 . 22 3.1、 汉宇集团：国内谐波减速器后起之秀，实力展现、以待良局 . 24 3.2、 双环传动：国内精密齿轮加工领导者，布局 RV、优势复制 . 27 3.3、 绿的谐波：谐波减速器国产化先锋，自主创新、谋定宏图 . 29 3.4、 中大力德：深耕机械传动二十载，首尾不懈、拾级而上 . 31 3.5、 秦川机床：精密齿轮加工机床核心标的，大国工匠、重启成长 . 32 4、 风险提示 . 35 图表目录 图 1： 工业机器人减速器占总成本的 32% . 4 图 2： 谐波减速器龙头哈默纳科下游应用广泛 . 4 图 3： 2021年中国工业机器人用减速器市场 71亿元 . 5 图 4： 工业机器人用精密减速器国产率逐年上升 . 5 图 5： 精密减速器具备成套的技术、装备和工艺 . 5 图 6： 精密减速器硕博论文数量持续增长体现出我国减速器领域人才队伍扩大 . 6 图 7： 谐波减速器由柔轮、钢轮、波发生器构成 . 7 图 8： 谐波减速器最早用于航天领域 . 7 图 9： 谐波减速器通过错 齿运动完成减速 . 7 图 10： 光学显微镜下，国产材料（ b、 c）组织粗大不均 . 7 图 11： 协作机器人可以按照协作程度与安全性要求分类 . 10 图 12： 协作机器人市场规模自 2020年起增幅较明显 . 10 图 13： 国内谐波减速器产业发展历程与日本相似 . 11 图 14： 2021年全球工业机器人用谐波减速器市场 68.6亿元 . 11 图 15： 谐波减速器国产化率 50% . 11 图 16： IH齿形保持了使用渐开线齿形时的流畅性，并提高了精度、刚性、寿命 . 12 图 17： 柔轮（ F/S）齿底疲劳极限改善 . 13 图 18： 疲劳极限扭矩增加一倍 . 13 图 19： 提高刚度、缩小体积、机电一体是哈默纳科产品迭代趋势 . 13 图 20： 减速器、电机及驱动器、传感器、控制器以及其他元件协同进行运动控制 . 14 图 21： RV 减速器的结构相较谐波减速器更复杂 . 15 图 22： 结构 6同时作为二级传动输出结构和一级传动行星架，从而构成 RV 减速器的两级闭式反馈 . 15 图 23： 2021年全球工业机器人用 RV 减速器市场规模 109亿元 . 16 图 24： 我国 RV 减速器起步较晚，处于技术追赶阶段 . 16 图 25： RV 减速器中主要有四类精密轴承 . 17 行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 3/37 图 26： 纳博特 斯克引领 RV 减速器发展 . 18 图 27： 公司内部具备浓厚的创新氛围 . 18 图 28： 纳博特斯承接过往经验，加强全产业链研发实力 . 18 图 29： 1889年，日本第一台国产车床由池贝公司制造 . 19 图 30： 池贝公司于上世纪初生产的机床 . 19 图 31： 图中六轴机器人的 J4、 J5、 J6轴使用谐波减速器 . 20 图 32： RV 减速器用于上臂、下臂等大惯量关节减速 . 20 图 33： 纳博特斯克产能扩张温和 . 21 图 34： 尼得科（新宝）月产能 10万台 . 21 图 35： 哈默纳科净利率水平较低 . 22 图 36： 手工检查零部件性能 . 22 图 37： 研发谐波减速器首先进行技术路径的选择 . 23 图 38： 国内机器人本体厂商毛利率水平较低 . 24 图 39： 日本池贝公司的未完成订单占比呈上升态势 . 24 图 40： 谐波减速器厂商毛利率水平高于 RV 厂商 . 24 图 41： 2022Q1固定资产对比， RV 减速器厂商投入更大 . 24 图 42： 同川科技自 2015开始研发谐波减速器至今，已具备较强的产品实力 . 25 图 43： 齿轮加工流程从初加工到热处理以及精加工 . 25 图 44： 车齿工艺相比滚齿、插齿加工效率更高 . 25 图 45： 球墨铸铁具备易于精密加工、轻量、刚度强等性能优势 . 26 图 46： 海伯森六维传感器可应用于工业机械臂中 . 27 图 47： 2011-2021年累计资本开支超 61亿元 . 28 图 48： 2021年，折旧与营收之比迎来拐点 . 28 图 49： 2021年，毛利率、净利率均同比提升 . 29 图 50： 2018-2021年，减速器业务营收 CAGR=43% . 29 图 51： 绿的谐波产品技术路径设计环环相扣 . 30 图 52： 2018年公司营收、净利润实现较大增长 . 31 图 53： 日本机器人年产值周期性变化 . 31 图 54： 公司自 2000年成立以来产品版图不断拓宽 . 31 图 55： 中大力德 2018-2021年营收复合增速 16.7% . 32 图 56： 毛利率同比改善 . 32 图 57： 从四个角度分析中大力德的竞争优势 . 32 图 58： 2020年实现扭亏为盈，但目前利润水平仍较低 . 33 图 59： RV 减速器工艺流程，需用到非标磨齿机 . 33 图 60： 秦川机床同时布局 RV 减速器和磨齿机产生协同效应 . 34 表 1： 行星减速器因减速比较低、精度较差，少用于机器人 . 6 表 2： 除机器人外，谐波减速器在光伏、航天、半导体等领域有广泛应用 . 8 表 3： 人形机器人落地后，精密减速器市场有望扩容 . 20 表 4： 中观情境下谐波减速器产能缺口有望达数千万台 , RV减速器产能缺口有望达数百万台 . 22 表 5： 公司齿轮加工设备功能先进，保障加工效率和精度 . 28 表 6： 公司齿轮加工机床制造积累深厚 . 33 表 7： 公司磨齿机设备定位中低端，价格更低 . 34 表 8： 受益标的为在谐波、 RV 减速器领域各具优势的厂商 . 34 行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 4/37 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%。 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。 图 1： 工业机器人 减速器占总成本的 32% 图 2： 谐波减速器龙头哈默纳科下游应用广泛 数据 来源： GGII、 开源证券研究所 数据 来源： 哈默纳科 2019年年报， 开源证券研究所 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%。 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。 32%22%12%25%9% 减速器伺服系统控制系统本体其他行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 5/37 图 3： 2021年 中国 工业机器人用 减速器市场 71亿元 图 4： 工业机器人用精密减速器国产率逐年上升 数据 来源： Wind、 开源证券研究所 数据 来源： GGII、 开源证券研究所 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。 图 5： 精密减速器 具备成套的技术、装备和工艺 资料来源： 创新我国机器人精密减速器的发展生态 ， 石照耀 著 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。 0%10%20%30%40%50%0204060801002020 2021 2022E 2023E中国工业机器人产量（万台）工业机器人减速器市场规模 (亿元）市场规模增速（ %）0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%外资品牌 国产品牌行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 6/37 图 6： 精密减速器硕博论文数量持续增长体现出我国减速器领域人才队伍扩大 数据 来源： 创新我国机器人精密减速器的发展生态 ， 石照耀 著 、开源证券研究所 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。 表 1： 行星减速器因减速比较低、精度较差，少用于机器人 减速器 组成架构 优点 缺点 RV减速器 行星齿轮减速器前级 +摆线针轮减速器后级 传动比大、刚性强、适合中、重负载 制造难、价格贵 谐波减速器 柔轮、钢轮、波发生 器 传动精度高、质量轻、体积小、 适合小型化、低、重负载应用 材料容易疲劳损坏 精密行星减速器 行星轮、太阳轮、外 齿圈 刚性、耐磨性强 减速 比 低、精度较差 资料来源： GGII、 开源证券研究所 1.1、 谐波减速 器 ：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 O.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 1960年在纽约展出实物。 05010015020025030020052006200720082009201020112012201320142015201620172018201920202021我国精密减速器领域硕博论文数量行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 7/37 图 7： 谐波减速器由柔轮、钢轮、波发生器构成 图 8： 谐波减速器最早用于航天领域 资料来源： 工业机器人由入门到应用，龚仲华著 资料来源： USM官网 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。 如图 10所示，波发生器一般作为输入端，而柔轮一般作为输出端。假设从某一时刻开始，当波发生器转动 0时，柔轮与波发生器长轴接触部分的轮齿与钢轮轮齿处于啮合状态，而与波发生器短轴接触部分则与钢轮脱离；在波发生器顺时针转动过程中，由于长轴位置不断发生变化，柔轮各齿与钢轮各齿不断重复啮入啮出这一过程。当波发生器顺时针转动 180时，由于柔轮齿数比钢轮齿数少 2 齿，柔轮轮齿会相对钢轮轮齿逆时针错开 1 齿；正是这一错齿运动，便将输入端的高速转动转变为输出端的低速转动。 图 9： 谐波减速器 通过错齿运动完成减速 图 10： 光学显微镜下，国产材料（ b、 c）组织粗大不均 资料来源： 哈默纳科产品手册 资料来源： 谐波减速器特殊钢材质柔轮的组织和力学性能分析 ，张朝磊 等 著 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，行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 8/37 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。 由谐波减速器的结构和原理可见，与其他传动装置相比，其主要特点为： 传动精度高 ， 齿轮传动装置的传动精度与其同时啮合的齿数密切相关 。 多齿同时啮合可起到减小单位面积载荷、均化误差从而提高传动精度的作用。谐波减速器有两个 180对称 方向的部位同时啮合，固其齿距误差和累积齿距误差可以得到较好的均化，传动精度相较普通传动装置提高 4倍。 传动比大，传动效率高。 传动效率与 减速比、负载、温度等因素相关。齿差为 1的行星齿轮传动效率 约为 0.85-0.9，而谐波齿轮传动的传动效率可达0.65-0.96。 体积小、质量轻。 谐波减速器只有 3 个基本部件，和相同传动比的普通齿轮传动相比，其零件数可减少 50%左右。 运行噪声小， 使用寿命长。 齿形设计可以使得柔轮和钢轮的啮合、退出过程实现连续渐进、渐出 ，啮合时齿面 相对滑移速度 小且无突变，因此其运行噪声小。 加之其同 时啮合的齿数多，齿轮单位面积载荷小，因此齿的磨损较小，传动装置寿命可达 7000-10000小时。 谐波减速器的应用领域广泛。 下游应用覆盖工业机器人、服务机器人、半导体液晶生产装置、光伏设备、光学仪器、医疗设备、精密机床等尖端领域。 表 2： 除机器人外，谐波减速器在光伏、航天、半导体等领域有广泛应用 行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 9/37 应用领域 图示 采光板追踪太阳光，聚集太 阳能。该装置的驱动部分安 装谐波减速器 红外线望远镜在主镜部背侧装配了264个谐波减速器 为油田和天然气产业提供的操舵挖掘系统，在下降孔挖掘机的操舵系统中安装谐波减速器可获得准确的挖掘孔和挖掘速度 ， 从而提高了油井和天然气井的生产效率 德、法、英三国的联合企业空中客机公司。其飞机导航系统（惯性导航系统）也使用谐波减速器以保证飞机安全飞行。 手术系统对动作精确度的要求高 。 波减速器保证了卓越精度的定位控制。 半导体晶片搬运机器人。 太阳电池板的位置和姿势控制系统，其驱动部分中起重要作用的就是 谐波减速器，以 保证在宇宙 空间的恶劣环境中长期使用 。 资料来源： 哈默纳科 公司介绍手册 、开源证券研究所 在工业机器人领域，协作机器人（ Collaborative Robot） 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 20Kg， 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行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 10/37 的局限性。 正因如此，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% 图 11： 协作机器人 可以按照协作程度与安全性要求分类 资料来源： 2021中国工业机器人产业发展白皮书 图 12： 协作机器人市场规模自 2020年 起增幅较明显 数据 来源： MIR、开源证券 研究所 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0.0%20.0%40.0%60.0%80.0%100.0%120.0%0246810121416182019 2020 2021协作机器人国内销量（万台） 协作机器人国内市场规模（亿元 )销量 yoy(%) 市场规模 yoy(%)行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 11/37 高工机器人数据， 2021年 谐波 减速器 的国产化率约为 50% 。 图 13： 国内谐波减速器产业发展历程与日本相似 资料来源： 创新我国机器人精密减速器的发展生态 ，石照耀著 图 14： 2021 年全球工业机器人用谐波减速器市场 68.6 亿元 图 15： 谐波减速器国产化率 50% 数据 来源： 国家统计局 、开源证券研究所 数据 来源： GGII、开源证券研究所 1.2、 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，焊接结构对柔轮来说强度不够，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，0.0%10.0%20.0%30.0%40.0%50.0%0204060801002020 2021 2022E 2023E全球工业机器人用谐波减速器市场规模 (亿元）同比增速（ %)35.51%24.72%7.69%7.40%5.70%4.45%4.24% 10.28%2021 哈默纳科绿的来福新宝同川大族福德其他行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 12/37 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 IH 齿形。相比传统渐开线齿形， IH 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%。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，从而使减速器更加紧凑。 图 16： IH齿形保持了使用渐开线齿形时的流畅性，并提高了精度、刚性、寿命 资料来源： 哈默纳科产品手册 行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 13/37 图 17： 柔轮（ F/S） 齿底疲劳极限 改善 图 18： 疲劳极限扭矩增加一倍 资料来源： 支精密減速機 、 清澤芳秀著 资料来源： 支精密減速機，清澤芳秀 著 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%。 2000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 70 m（ SI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 。 图 19： 提高刚度、缩小体积、机电一体是哈默纳科产品迭代趋势 资料来源： 哈默纳科产品手册 、 开源证券研究所 哈默纳科 致力打造成为整体运动控制领域的领军企业 ， 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。 行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 14/37 图 20： 减速器、电机及驱动器、传感器、控制器以及其他元件协同进行运动控制 资料来源： 哈默纳科 官 方介绍手册 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 Ether CAT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。 齿轮轴：作为输入轴与中心轮构成齿轮轴并作为功率输入端与行星齿轮啮合传动。 行星轮：行星轮和齿轮轴相啮合并将运动传递到摆线针轮传动部分，与齿轮轴构成了一级减速部分。 曲柄轴： 曲柄轴的一端与渐开线行星轮相连接且运动状态与行星轮完全相同；另一端与行星架相连接并使摆线轮自转的同时绕着针齿轮中心公转。 摆线轮：两个相同的摆线轮对称安装并与针轮啮合来达到平衡径向力目的，在传动过程中由曲柄轴带动做偏心运动。 针齿轮：针齿轮包括针齿与针齿壳且通常是固定不动的，针齿安装在均匀分布的针齿沟槽内并与摆线轮啮合。 行星架：行星架的输出机构主要由前支撑机构与后支撑机构构成并通过内六角圆柱头螺钉连接，一般用于 RV 减速器与外部从动件相接；行星架与曲柄轴通过支承轴承连接且曲柄轴孔均匀分布在行星架上。 行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 15/37 图 21： RV减 速器 的 结构相较谐波减速器更复杂 图 22： 结构 6 同时作为二级传动输出结构和一级传动行星架，从而构成 RV减速器的 两 级闭式反馈 资料来源： RV 减速器关键零部件公差设计方法研究 ，曹代佳著 资料来源： RV 减速器关键零部件公差设计方法研究， 曹代佳著 RV减速器的 两级闭式反馈 传动原理： 如图 21， 在 RV 减速器传递运动时，力与运动从输入齿轮轴 1输入，通过齿轮啮合均匀传递给多个行星齿轮 2，进行第一级减速。行星齿轮 2与曲轴 7固定连接 后 ，组成多个“行星轮 -曲轴”固连构件，将行星齿轮 2的运动通过曲轴 7传递给摆线轮 5。 由于两片摆线轮 180布置、多根曲轴平行布置，因此构成摆线针轮行星传动的平行四边形输入，使两片摆线轮产生偏心平动。两片摆线轮同时与针轮 4 啮合产生绕其几何中心的自转运动，此运动又通过曲轴 7 传递给输出行星架 6实现等速转动输出。 由于输出构件 6同时作为第一级行星传动的行星架，输出构件 6 的运动也将通过曲轴 7反馈给第一级行星传动形成运动封闭。故整体而言， RV传动机构可称为两级闭式反馈机构。 两级减速 机制使得 RV减速器的传动比更大，即，减速程度更大。 RV 减速器刚性好、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 。 行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 16/37 图 23： 2021 年 全球 工业机器人用 RV 减速器市场规模109亿元 图 24： 我国 RV减速器起步较晚， 处于技术追赶阶段 数据 来源： IFR、 开源证券研究所 资料来源： 创新我国机器人精密减速器的发展生态，石照耀著 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 1arcmin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。 0.0%10.0%20.0%30.0%40.0%50.0%0.020.040.060.080.0100.0120.0140.0160.02020 2021 2022E 2023E工业机器人用 RV减速器市场规模 (亿元）同比增速（ %)行业深度报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 17/37 图 25： RV减速器中 主要有四类精密轴承 资料来源： 工业机器人 V减速器专用精密轴承技术分析 ， 王东峰 等著 、开源证券研究所 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减速器需要配备 9-15 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
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