机器人系列报告（三）：核心零部件国产化对机器人行业的影响分析.pdf

识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 1 / 36 专题研究 |机械设备 2018 年 06 月 10 日 证券研究报告 Tabl e_Title 广发机械机器人系列报告 （ 三 ） 核心零部件国产化 对机器人 行业的 影响 分析 Table_Aut horHorizontal 分析师： 罗立波 S0260513050002 分析师： 代 川 S0260517080007 021-60750636 021-60750615 luolibogf daichuangf Table_Summary 核心观点： 核心零部件突破桎梏，进口替代加速 减速器主要用于调速和传递负载，具备很高的精度，是技术壁垒最高的领域， 也 是制约国产机器人成本最重要的因素 。 目前国内产品的整体质量逐步提高，在一些核心指标上已经达到国际水平。 2017 年以来，国产 减速器 订单频传，进口替代显著加快，上海欢颜、埃夫特分别采购南通振康减速器共计 18000 台；伯朗特采购中大力德减速器 3 万台。此外，苏州绿的、中技克美、来福谐波也分别开发了系列产品，进入量产阶段。 伺服电机可以分为直流和交流， 高性能的伺服系统大多采用同步交流伺服电 机。目前国内的领先厂商主要 有 汇川技术、埃斯顿等，自有品牌率占 15%。控制器 方面 ，其 本质上就是一个数据处理器，在硬件上与国外差距不大，差距主要是算法和兼容性方面。控制器国内供应商主要是固高科技、埃斯顿、广州数控等，其中埃斯顿收购 TRIO，转型高端运动控制方案商。 随着零部件企业由小批量生产向大批量供货迈进，核心零部件的逐步国产化， 使 得真正具备竞争力的企业在价格方面具有更大的灵活性。国产化浪潮需要穿透到底层的设备行业，这也是提升产业竞争力的必经之 路。 核心零部件国产化对国内企业有何影响？ 我们认为 ， 机器人零部件的国产化 会产生三方面的影响： （ 1）对于本体企业来说，首先会降低生产成本，其次是产能的扩张 。国产化并非一定会带来利润率的提升，当前中国的本体 企业更看重市场规模的扩张，而非利润，处于“以利润换市场”的阶段； （ 2） 对于系统集成商来说，成本下滑会强化机器人的普及率，使得机器人能够走进更多企业。下游需求增强，也会提升集成商的产业地位，销售规模 的扩张是可以预见的，从而有利于集成商的发展； （ 3） 对商业模式的来说，有利于国内企业向一体化模式探索。从国际经验来看，四大家族均采用一体化的模式。我们认为，全产业链模式是当下工业机器人企业的发展趋势，在核心零部件有深入布局的公司，采用该模式将保障较高的盈利能力。 投资建议： 国内工业机器人发展潜力带来的产业红利长期被国外厂商占据，出于自主发展的考虑，我国产业势必更加重视核心零部件的进口替代。对于机器人板块的投资逻辑，我们认为可以从三条主线着手：（ 1）具备自主研发 能力 并实现量产的全产业链布局企业，建议关注埃斯顿、机器人等；（ 2）重点布局核心零部件，有望率先实现技 术突破的公司，关注中大力德、上海机电 、 双环传动 、 汇川技术（ 广发 电新覆盖） 等；（ 3）在下游系统集成具备规模优势，并逐步向上游延伸的企业，建议关注拓斯达等。 风险提示： 机器人产业竞争加剧； 核心零部件 国产化进程不及预期；宏观经济波动。 Table_Report 相关研究 ： 机械设备行业周报 :服务机器人进入场景时代的产业化应用 2018-06-03 机械设备行业周报 :从减速器看工业机器人突围之路 2018-05-13 机器人行业跟踪报告 :国产减速机突破瓶颈，进口替代加速 2018-05-07 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 2 / 36 专题研究 |机械设备 目录索引 一、核心零部件对于机器人有多重要？ . 5 二、减速器：工业机器人不可或缺的明珠 . 7 2.1 技术分析： RV 与谐波减速器占据主流地位 . 7 2.2 国产化进程：国内企业订单频传，加速进口替代 . 10 2.3 需求测算：未来减速器业务有多大的空间？ . 14 三、伺服电机与控制器，相辅相成的核心零部 件 . 18 3.1 伺服电机：国产替代空间最高 . 18 3.2 控制器：与国际差距最小的零部件 . 22 四、核心零部件国产化对国内企业有何影响？ . 26 4.1 对本体企业的影响：处于“以利润换市场”的阶段 . 27 4.2 对系统集成商的影响：强化机器人的普及率 . 30 4.3 对商业模式的影响：向一体化模式探索 . 32 五、投资建议与风险提示 . 35 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 3 / 36 专题研究 |机械设备 图表索引 图 1：机器人产业链梳理 . 5 图 2：工业机器人总成本拆解 . 6 图 3：工业机器人零部件应用部位 . 6 图 4： RV 减速器结构拆分 . 8 图 5：谐波减速器结构拆分 . 8 图 6： RV 减速器工作原理 . 9 图 7： 2015 年全球减速器行业市场份额 . 10 图 8：纳博特斯克减速器业务收入 . 12 图 9：哈默纳科减速器业务收入 . 12 图 10：南通振康减速器出货量及技术指标 . 14 图 11： 2017 年中国大陆地区减速器出货量统计（台） . 14 图 12：减速器在工业机器人中的应用 . 15 图 13： 2017 年中国工业机器人市场份额（按机型） . 16 图 14：国内工业机器人用减速器需求测算（万台） . 17 图 15： 2016 年伺服系统的下游应用 . 18 图 16：伺服编码器内部结构 . 19 图 17：无刷直流电机内部构造 . 19 图 18：中国伺服电机市场规模（亿元） . 21 图 19： 2015 年中国伺服电机市场竞争格局 . 21 图 20：安川机电运动控制类收入及毛利率 . 22 图 21：汇川技术伺服系统与控制器收入及毛利率 . 22 图 22：机器人控制器硬件结构 . 23 图 23：控制器软件结构 . 23 图 24： 2015 年国内机器人控制器市场份额 . 24 图 25：中国工业机器人产量（台 /套） . 27 图 26：国内代表性企业机器人业务营业收入（百万元）及平均毛利率 . 28 图 27：工业机器人平均价格与人均可支配收入 . 30 图 28：传统通用型装备生产销售模式与拓斯达逆向生产模式对比 . 31 图 29：机器人产业链环节代表企业营业利润率对比 . 32 图 30：德国 KUKA 历史发展阶段梳理 . 33 图 31：不同商业模式盈利能力比较 . 33 图 32：埃斯顿机器人产业链布局 . 34 图 33：拓斯达涉及机器人产业链环节 . 34 表 1：不同类型精密减速器性能对比 . 7 表 2：各类减速器优缺点对比 . 7 表 3：国内外典型产品关键技术指标 . 10 表 4：国际减速器企业发展状况 . 11 表 5：近期国产减速器重大订单 . 12 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 4 / 36 专题研究 |机械设备 表 6：机器人减速器国产化进展 . 13 表 7：我国工业机器人用减速器的需求量及市场空间测算 . 16 表 8：同步型与异步型交流伺服电机性能对比 . 20 表 9：各企业代表产品性能对比 . 20 表 10：国内主要伺服电机厂商介绍（金额单位：亿元） . 21 表 11：国内控制器厂商布局（金额单位：亿元） . 24 表 12：全球运动控制十大品牌 . 25 表 13：工业机器人主要零部件生产企业梳理 . 26 表 14：搬运机器人裸机成本构成 . 29 表 15：精密减速器与机器人本体价格变化对盈利水平影响的敏感性分析 . 29 表 16：中国工业机器人回收周期测算 . 31 表 17：国内工业机器人代表性企业产业链技术掌握情况 . 34 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 5 / 36 专题研究 |机械设备 一、核心零部件对于机器人有多重要？ 工业机器人产业链可以分为上中下游，上游是关键零部件生产厂商，主要是减速器、控制系统和伺服系统。中游是机器人本体，即机座和执行机构，包括手臂、腕部等，部分机器人本体还包括行走结构，是机器人的机械传统和支撑基础。按照结构形式，本体可以划分为直角坐标、球坐标、圆柱坐标、关节坐标等类型。下游是系统集成商，根据不同的应用场景和用途进行有针对性地系统集成和软件二次开发，国内企业都集中在这个环节上。生产出来的机器人只有通过系统 集成 之后，才能投入到下游的汽车、电子、金属加工等产业，为终端客户所用。 图 1：机器人产业链梳理 数据来源 ：工业机器人分类、本体结构和技术指标 ， 杜宇著 ， 广发证券发展研究中心 整体来看 ， 工业机器人的总成本中 ，核心零部件的比例接近 70%，其中减速器、伺服电机和控制器占比分别为 32%、 22%和 12%。 具体来看 ， 控制器由硬件设计、底层软件技术和上层功能应用软件组成，通过输入程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制，相当于机器人的 “大脑” 。由于门槛较低 ， 成熟厂商会自行开发控制器 ， 以保证稳定性和匹配性 。伺服系统主要以伺服电机为主，后者是一种补助马达间接变速装置，通过将 电压信号转化为转矩和转速 来实现控制功能，相当于 机器人的“神经系统”。 而减速器则是技术壁垒最高的领域，往往安装于运动关节处，按照 结构不同可以分为五类：谐波齿轮减速器、摆线针轮行星减速器、 RV减速器、精密行星减速器和滤波齿轮减速器。 机器人技术的核心和难点就集中在上游零部件市场，成本和利润也都集中在这一领域，因此掌握核心零部件的企业就占领了产业高点，其议价权就相对更强。 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 6 / 36 专题研究 |机械设备 图 2： 工业 机器人总成本拆解 数据来源 ： OFweek机器人网 ，广发证券发展研究中心 图 3： 工业机器人零部件应用部位 数据来源 ： OFweek机器人网 ，广发证券发展研究中心 控制器 12% 本体 25% 伺服电机 22% 减速器 32% 其他 9% 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 7 / 36 专题研究 |机械设备 二 、 减速器 ：工业机器人不可或缺 的明珠 2.1 技术分析： RV 与谐波减速器占据主流地位 伺服电机由于脉动信号的驱动 ， 本身具备调速功能 ， 那么机器人为何需要减速器 ？ 由于工业 机器人 需要重复、 可靠地完成 大量 工序任务， 对其 定位精度和重复定位精度要求很高 ，因此 需要专门的 减速器 以保证精度 。 减速器的另一作用是传递负载：当负载较大时，伺服电机功率有限导致输出扭矩较小，此时需要通过减速器来提高扭矩。此外，伺服电机在低频运转下容易发热和出现低 频振动，对于长时间和周期性工作的 机器人这都不利于确保其精确、可靠地运行。 精密减速 器的存在使伺服电机在一个合适的速度下运转，并精确地将转速降到 机器人各部位需要的速度，提高机械体刚性的同时输出更大的力矩。 与通用减速器相比，机器人关节减速器要求具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。 工业机器人用精密减速机主要分为 5类，不同类型的精密减速机在传动效率、减速比方面各不相同。衡量精密减速机的主要指标包括：扭转刚度、传动精度、启动转矩、空程、背隙、传动误差、传动效率等。 表 1： 不同类型精密减速器性能对比 减速器类型 减速比 传动效率 输出力矩 占用空间 制造要求 刚度 传动精度 可靠性 滤波齿轮减速机 6-320 0.8-0.9 一般 小 低 一般 高 高 摆线针轮减速机 6-119（单级） 0.9-0.95（单级） 好 小 高 一般 高 一般 RV 减速机 31-171 0.85-0.92 好 较小 高 高 高 较好 谐波减速机 70-320 0.7-0.9 一般 中 高 一般 高 较好 数据来源 ： 工业机器人精密减速器综述，黄杰等著 ， 广发证券发展研究中心 表 2： 各类减速器优缺点对比 减速 器 组成构建 优点 缺点 谐波 减速器 波发生器、刚轮、柔轮 运动传动精度高、传动比大、质量小、体积小、较小的传动惯性、密闭空间传动。 材料容易疲劳损坏、损耗功率大；有回程误差，无法自锁 摆线针轮减速器 输入部分、减速部分和输出部分 单级传动比为 6-119，可代替两级普通圆柱齿轮减速器，体积可减少 1/2-2/3，质量约减少 1/3-1/2 机构复杂、制造安装精度高，转臂轴承受力大 RV 减速器 行星齿轮减速机的前级 +摆线针轮减速机的后级 体积小、质量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳 价格高 ， 在低负载环境下性能不如谐波减速器 精密行星减速 器 行星轮，太阳轮，外齿圈 高刚性，高精度、高传动效率，高的扭矩 /体积比，终身免维护等特点 - 数据来源 ： 工业机器人精密减速器综述，黄杰等著 ， 广发证券发展研究中心 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 8 / 36 专题研究 |机械设备 目前，大量应用于多关节机器人的减速器主要有两种： RV减速器和谐波减速器。 相比于谐波减速器， RV减速器具有更高的刚度和回转精度。因此在关节型机器人中，一般将 RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置；而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部； 二者之间适用的场景不同，属于相辅相成的关系。 而 行星减速器一般用在直角坐标机器人上。 RV（ Rotary Vector）减速器： 在摆线针轮行星传动的基础上发展而来， 结构主要分为两级： 第一级为渐开线圆柱齿轮 传动 ， 第二级 为 摆线针轮行星传动 ，包括转臂曲柄、摆线轮、针齿壳， 特点在于 承受大负载的同时保证高精度。因此，其技术难点主要在于工艺和装配方面： 1.材料成型技术。 RV减速齿轮需要具有耐磨性和高刚性，对于材料成型过程提出了较高要求，尤其是材料化学元素控制、表面热处理方面。 2.精密加工及装配技术。 RV减速器的减速比较高，具备无侧隙、微进给的特点，这就需要特殊部件加工和精密装配技术。 工作原理： 1.第一减速部： 伺服电机的旋转从输入齿轮传递至正齿轮，按二者的齿数比进行减速；曲轴直接与正齿轮相连，以相同的转速旋转。 2.曲轴部： 曲轴旋转，带动偏心部的 RV齿轮进行偏心运动。 3.第二减速部： 另一方面，针齿数目比 RV齿轮的齿数多 1个；如果曲轴旋转 1圈， RV齿轮与针齿接触的同时进行 1圈的偏心运动，使得 RV齿轮沿着相反方向旋转 1个齿数的距离，并通过曲轴传递至输出轴，实现减速。而总体减速比为第一、第二减速部的减速比之积。 谐波减速器： 基于行星齿轮传动 发展起来 ，由波发生器、柔轮、 刚轮 和轴承 组 成。其工作原理在于 依靠波发生器使柔轮产生可控弹性变形， 而柔轮比钢轮 少 N个齿轮位 。因此，当波发生器转一圈，柔轮 移动 N个齿轮位 ， 产生了所谓的错齿运动，从而实现了 主动波发生器与柔轮的运动传递。 谐波减速器是通过柔轮的弹性变形来实现传动 ，其优势是传动比大、零部件数目少；其缺点 是弹性变形回差 大，这就不可避免地会影响机器人的动态特性抗冲击能力等 。 图 4： RV减速器结构拆分 图 5： 谐波减速器结构拆分 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 9 / 36 专题研究 |机械设备 数据来源： OFweek机器人， 广发证券发展研究中心 数据来源： OFweek机器人， 广发证券发展研究中心 图 6： RV减速器工作原理 数据来源 ： 电子工程世界 ，广发证券发展研究中心 从国内外产品技术指标来看，国外产品信息相对完善，每种规格对应的各技术指标都有精确的数值呈现。而国内在这方面略显欠缺，表明国内企业在检测能力方面的不足，缺少 严格的质量管理体系。 目前，国产减速器还存在两方面的问题： 1.产品系列不健全。 日本纳博具备全系列 产品，基本上可以应用于所有领域。根据纳博官网的披露， 其 RV-N系列产品还处于专利保护期，而国内产品系列相对残缺 ； 2.一致性问题 。 国产减速器 在实际使用环境下的性能，与实验室性能 无法完全 匹配，个别产品 存在 漏油、精度降低等情况， 是阻碍国产减速器进军高端市场的原因之一。 从 RV减速器的技术指标 来看 ， 对比 纳博 RV-E系列和南通振康 的产品 ， 可以看到 在同一输出转速和输入功率下， 二者的输出扭矩范围相当，说明国内产品在传动效率上已经可以与国外媲美。然而工艺水平是限制 RV减速器发展的主要原因，例如非标特殊轴承是 RV减速器的 精密机构 ，其间隙需根据零部件加 工尺寸动态调整。为了结构紧凑，薄壁角接触球轴承精度要求较高， 加预紧力后轴承的游隙为零。 因此 ，今后需要 在传动精度、扭转刚度等方面加强研究。 从 谐波减速器的技术指标 来看 ， 国内的苏州绿的和中技克美的减速比范围与日本哈默纳科水平相当，产品性能基本满足要求，目前已经大量应用于国产机器人。而国外产品在输出扭矩、平均寿命和一致性等技术指标上依然占据优势。 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 10 / 36 专题研究 |机械设备 表 3： 国内外典型产品关键技术指标 减速比范围 输出转速(r/min) 输入功率 /kW 输出扭矩 /Nm 传动精度 空程 背隙 传动效率 /% 平均寿命 /h 超载能力 /倍 哈默纳科 CSG系列 50-160 20 - 10/31/53/87/178/459/611/905/1236 0.5-2 1-3 3“-60“ 65-85 50000 - 纳博特斯克 RV-E系列 30-191 25 1.23 353 10000 工作时1.5 倍 绿的谐波 LCS系列 30-160 20 - 7.4/23/38/64/130/252/335/446 - 80 5500 2.5 数据来源 ： 工业机器人精密减速器综述，黄杰等著 ， 广发证券发展研究中心 2.2 国产化进程 ：国内企业订单频传，加速进口替代 竞争格局 ： 减速器的技术壁垒在核心零部件中是最高的，在一个配合精密的系统中，间隙或 过盈配合 的微小偏差，会造成 接触刚度啮合刚度 的成倍差异，进而引发运动参数的变动 。 这种高壁垒，造成精密减速器技术一直由日本掌控。 根据 OFweek披露 的数据， 2015年全球精密减速器市场被日本的两家企业所垄断，其中纳博特斯克生产 RV减速器，约占 60%的份额，哈默纳科生产谐波减速器，约占 15%的份额。 图 7： 2015年全球减速器 销量 行业市场份额 数据来源 ： OFweek机器人网 ，广发证券发展研究中心 纳博 60% 哈默纳科 15% 住友 10% SPINEA 5% 其他 10%