欢迎光临~华体会体育官方网站app
华体会体育最新官方入口服务热线
华体会体育最新官方入口全国客服热线:

13813676517

公司新闻

减速器行业深度研究:从人形机器人关节设计看待减速器投资机会

发布时间:2022-09-19 14:09:08 来源:华体会体育最新官方入口 作者:华体会体育vip版

内容简介:  减速器具有降低电机高转速,提升扭矩,加强输出端负载能力的作用。按 照传动原理,减速器可分为一般齿比减速和少齿差两种。相同尺寸下的少 齿差减速器额定输出扭矩较高,主要包括行星减速器、谐波减速器、摆线 针轮减速器以及 RV 减速器等。  以少齿差减速器为例。精密行星减速器整体结构紧凑,传动比较小,可以 通过双级或多级结构提高输出扭矩;摆线针轮减速器主要为偏心传动,额 定功率下输出功率较大;RV 减速器在摆线针轮减速原理的基础上加上第一 级渐开线行星传动,在缩小尺寸和重量的同时,传动比、承载能力更大, 传动效率更高,精度更高;谐波减速器...


  减速器具有降低电机高转速,提升扭矩,加强输出端负载能力的作用。按 照传动原理,减速器可分为一般齿比减速和少齿差两种。相同尺寸下的少 齿差减速器额定输出扭矩较高,主要包括行星减速器、谐波减速器、摆线 针轮减速器以及 RV 减速器等。

  以少齿差减速器为例。精密行星减速器整体结构紧凑,传动比较小,可以 通过双级或多级结构提高输出扭矩;摆线针轮减速器主要为偏心传动,额 定功率下输出功率较大;RV 减速器在摆线针轮减速原理的基础上加上第一 级渐开线行星传动,在缩小尺寸和重量的同时,传动比、承载能力更大, 传动效率更高,精度更高;谐波减速器主要依靠柔轮传动,具有结构简单、 体积小、质量小、传动比范围大、承载能力大等特点。

  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。减速器是由多个齿轮组成的传动零部件。由于多数机械设备不适宜 用原动机直接驱动,减速器可将传动设备在高速运转时的动力,通过输入 轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮,以达到降低转速和增大扭矩的目的。

  不同于当下市场简单将减速器分为通用减速器、专用减速器和精密减速器, 我们根据其传动原理将减速器分为两类:一般齿比减速和少齿差减速。 一般齿比减速:主要依靠输入轴小齿轮和输出轴大齿轮啮合形成的减速, 大齿轮的齿数一般为小齿轮齿数的减速比倍。主要包括圆柱齿轮减速器、 蜗轮蜗杆减速器。 圆柱齿轮减速器利用输入轴小齿轮与输出轴大齿轮啮合,小齿轮带动 大齿轮运动,实现减速目的; 蜗轮蜗杆减速器是通过空间交错的蜗轮蜗杆两轴动力传动,以蜗杆为 主动件,蜗轮为被动件,利用齿轮减速。

  少齿差减速:少齿差传动中,两轮的齿数差通常为 1~4,依靠特殊的传动 结构或传动级数,达到较高传动比。少齿差减速器主要包括行星减速器、 三环减速器、摆线针轮减速器、谐波减速器、滤波减速器。行星减速器是利用驱动源启动太阳齿轮,太阳轮带动行星齿轮运转, 动力从链接行星轮的内齿轮环和出力轴输出,实现减速;RV 减速器是通过行星齿轮减速机构作为第一级减速,外加摆线针轮减 速机构作为第二级减速,通过刚性盘与输出盘连接整体机构,最终将 减速输出; 谐波减速器是靠波发生器装配上柔性轴承使柔性齿轮发生可

  少齿差减速器传动比范围更广,相同尺寸下额定输出扭矩更高。通过对当 下各类减速器具体性能指标进行汇总可以看出,一般齿比减速如圆柱减速 器、三环减速器整体传动比不高,对应单位质量输出的额定扭矩较小;而 单级行星减速器可以通过多级传动的方式来提升额定输出扭矩;RV 和谐波 减速器作为精密减速器的典型代表,其输出扭矩较大,同时重量、体积更 小;滤波减速器作为技术研究阶段产品,虽然性能较优,但整体传动效率 仍然较低,未能大面积商用。

  我们针对少齿差减速器中的精密行星减速器、摆线针轮减速器、RV 减速器、 谐波减速器的基本构成和传动原理进行了详细的分析,便于投资者深刻了 解各类少齿差减速器的特点。 综合来看,在常见传动比 50 左右的减速器中,行星减速器输出扭矩较小, 但整体传动效率较高,可以依托多级传动的方式提升传动比和增加额定输出功率;RV 减速器在额定工况下的输出扭矩大,代表其承载能力更强;相 比之下,谐波减速器整机体积较小,传动精度和传动效率更高,但整体输 出扭矩不及 RV 减速器;滤波减速器虽然整体性能更优,但目前仍未全面 推向市场。

  精密行星减速器体积较小,主要由行星轮、太阳轮和内齿圈组成。其中, 太阳轮的轴线位置固定,位于中心;行星轮的轴线变动,与太阳轮和外齿 圈同时啮合,围绕太阳轮公转的同时自转。行星轮的支持构件叫行星架, 当太阳轮受到外力转动,与行星齿轮啮合,最后通过行星架输出减速。 单级精密行星减速器结构紧凑,传动比在 10 以内。行星减速器具有高刚 性、高精度(单级可做到 1’以内)、高传动效率(单级在 97%~98%)、高 扭矩/体积比等特点,其多安装在伺服电机上用来降低转速,提升扭矩,匹 配惯量。

  考虑到单级减速器减速比限制,驱动装置中可以采用两级或多级传动来增 大输出扭矩。两级行星减速器即包括两级太阳轮、两级行星轮、两级行星 架和内齿圈等部件。两级传动系统具有相同减速比,因此各级行星轮和太 阳轮均可采用相同模数和齿数进行设计,使两级行星轮可共用同一内齿圈, 便于加工制造。

  摆线针轮减速器是采用少齿差行星式传动原理及摆线针齿啮合的传动机械。 摆线针轮输入部分由输入轴和偏心套组成,偏心套由两个互成 180°的偏 心部分组成,并用键与主动轴相联。减速部分由行星摆线轮和针轮组成, 两个奇数摆线°安装在偏心套上,与针齿啮合传动实现减速。 输出部分由输出轴和柱销组成。

  传动原理:摆线针轮行星传动时,当输入轴旋转时,通过偏心轴带动摆线轮 旋转,由于偏心轴上的摆线轮与针齿啮合限制,摆线轮旋转时既绕自身轴线 自转,又绕输入轴轴线公转,然后借助 W 输出机构,将摆线轮的低速自转 动通过销轴,传递给输出轴 ,从而获得较低的输出转速。

  RV 减速器与摆线针轮减速器同源,主要有摆线针轮和行星支架组成。RV 减速器是日本纳博特斯克最初为机器人关节手臂研发的,是在摆线针轮行 星传动基础上发展起来的一种刚性齿轮减速器。其主要结构包括输入轴、 行星轮、曲柄轴、摆线轮、针齿轮和行星架。目前 RV 减速器多采用两级 摆线针轮减速机构,由第一级渐开线行星传动和第二级摆线针轮行星传动 组成。

  传动原理:采用行星架做输出轴,针齿壳固定的方式传动。在传动过程中, 电机通过联轴器与输入轴相连,从而将电机输入的转速传递到行星齿轮机 构,进行一级减速。然后曲柄轴会带动 RV 齿轮做偏心转动,当曲柄轴转 动一周,RV 齿轮就会沿与曲柄轴相反的方向转动一个齿,并通过输出轴 输出,从而实现大减速比输出。

  相较传统摆线针轮行星减速器,RV 减速器在缩小尺寸和重量的同时,传 动比、承载能力更大,传动效率更高,精度更高。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%,具 有较高的疲劳强度、刚度和寿命,回差精度稳定,不会随着使用时间的延 长而降低运动精度。

  谐波减速器是基于柔轮的弹性变形原理的一种传动机构,由柔轮、刚轮和 波发生器三个基本构件组成。波发生器可以按照一定的变形规律,在运动 过程中产生周期行变形波;柔轮是一个薄壁构建,前段是一个带齿的圆环, 由于柔轮的内壁半径小于波形发生器的半径,当波发生器装入柔轮前段时, 会使得柔轮的前段发生变形,使得柔轮和钢轮接触。刚轮是一个内侧带齿 的结构,由于柔轮和刚轮存在齿数差,当波发生器转动时,柔轮会和刚轮 产生啮合作用。

  传动原理:利用电机带动波发生器,柔轮输出转动,依靠错齿传动实现减 速。以双波凸轮传动为例,柔轮比钢轮的齿数少 2,在实际使用的过程中, 会将波发生器作为输入构件,刚轮固定,柔轮作为输出。当波发生器转动 时,谐波减速器的齿轮处于啮合和啮出的状态不断转换之间,波发生器每 转动半圈,柔轮会往反方向转动一个齿,当波发生器完整转动一圈时,柔 轮会往反方向转动两个齿,从而达到减速作用。

  与传统一般齿比减速器相比,谐波减速器具有结构紧凑、体积小、质量轻、 传动比范围大等特点。根据资料显示,谐波减速器与具有相同传动比的圆 柱齿轮减速器相比,谐波齿轮减速器的零部件数量仅为圆柱齿轮减速器的 50%左右,体积和重量均仅为传统齿轮减速器的 2/3 左右或更小。同时, 谐波减速器在啮合过程中,柔轮和刚轮的齿侧间隙主要由波发生器的外轮 廓尺寸,以及两齿轮的齿形参数决定,因此传动回差小,最小可为 0。

  滤波减速器由偏心减速机构、滤波花键机构及三向止推轴承组成。偏心减 速机构由内齿轮、钢球、偏心轮、滚动轴承组成;滤波花键机构由钢球、 偏心轮、圆柱齿轮和内齿轮组成。滤波减速器在谐波减速器基础上省略了 柔轮,采用刚性结构。

  我们从当下人形驱动单元配置减速器的角度出发,发现除高传动比的谐波 减速器较广泛的应用在刚性驱动单元和弹性驱动单元外,在准直驱驱动单 元中,配合自身高扭矩密度的电机,更倾向于用低传动比的行星减速器, 目前行星减速器已应用于四足机器人和一些小型仿人机器人中。

  我们结合 Tesla Bot 公布的人形机器人的身高及负载等参数,参考引用《高 扭矩密度仿人机器人驱动单元研究》、《国内外双足人形机器人驱动器研究 综述》等文献中相似参数产品的关节负载实验,其测试结果表明末端负载 10kg 的手臂关节输出扭矩应≥30Nm,0.87m 的双足关节输出扭矩要求 50 ±5Nm。结合前文各类减速器额定输出扭矩情况,我们认为精密行星减速 器、谐波减速器以及 RV 减速器符合条件。

  鉴于人形机器人关节运动的特殊性,不同于当下市场简单挪用工业机器人 高传动比谐波减速器或者 RV 减速器的观点逻辑,我们通过分析当下人形 机器人用关节驱动单元所采用的减速器情况。

  人形机器人的驱动单元主要包括了刚性驱动、弹性驱动和准直驱驱动三种, 不同驱动单元配备减速器需求有所差异。根据文献表示表示,人形机器人 的驱动单元主要有刚性驱动单元、弹性驱动单元和准直驱驱动单元三种类 型。减速器方面,根据配合的电机扭矩不同,大传动比减速器和小传动比 减速器均可使用。

  刚性驱动单元一般采用高转速、低扭矩电机配高传动比减速器,输出 扭矩大、运动精度高,但减速器较高的体积和重量导致驱动单元体积、 重量大,可能无法满足仿人机器人的小型化、轻量化需求。

  弹性驱动单元整体与刚性驱动单元一样采用高传动比减速器,与传统 刚性驱动单元的区别在于输出端和负载之间采用弹性部件连接,使机 器人关节柔顺性得到改善。然而,弹性部件对高频运动的响应性差, 导致驱动单元系统带宽低、动态性能差,无法应对实际工况的复杂快 速变化。

  准直驱驱动单元大多采用高扭矩密度电机搭配低传动比减速器,驱动 单元在输出较高扭矩的同时还具有重量轻、动态性能好等优势,但运 动精度不可避免地受到齿轮啮合回差的影响。

  当下刚性驱动单元和弹性驱动单元多采用谐波减速器。根据《国内外双足 人形机器人驱动器研究综述》,当下以传统刚性驱动单元为关节模组的机器 人产品中主要采用谐波减速器。当下刚性驱动单元整体设计方面已经较难 有创新,预计未来更多研究集中在电机和减速器整体优化设计上。

  准直驱驱动单元多采用精密行星减速器。准直驱驱动器依靠驱动器电机开 环力控,不依赖于附加力和力矩传感器,就可以本体感知机器人外界的交 互。其驱动单元最理想的是采用电机直接驱动,但受限于当前电机工艺和 技术,电机直驱驱动器的扭矩密度不能满足机器人应用需求,因此目前折 中采用电机加低传动比行星减速器方案。当下该种驱动单元已应用在四足 机器人或小型双足机器人中。

  人形机器人减速器选择应满足兼具轻小化、较高额定输出扭矩的要求。根 据《高扭矩仿人机器人驱动单元研究》,输出扭矩高的驱动单元往往外形尺 寸更大,但在面向多自由度、小体积仿人机器人应用时会导致关节庞大笨 重,严重影响机器人的运动性能;而较小体积的驱动单元其扭矩密度较小, 会导致人形机器人无法胜任负载需求较高的任务,从而限制机器人应用场 景。由驱动单元的情况可以看出对减速器选择上应兼顾输出扭矩高的同时 质量和尺寸更小的要求。

  10kg 末端负载的仿人机械臂要求其减速器最大输出扭矩不低于 30Nm。人 形机械手臂一般要求其拥有搬运货物和协助操作工完成装配等任务的功能, 根据仿人机械臂的结构设计,以浙江大学团队设计的末端负载为 10kg 的仿 人机械臂为例,样机的外形尺寸为 88.5mmx35mm,总重量为 0.834kg, 其需要做往复摆臂运动,仿真后获得单个运动周期内最大扭矩为 25.64Nm, 考虑到冗余设计,减速器最大输出扭矩应不低于 30Nm。

  人形机器人腿部结构和运动体系复杂,需要设计多个自由度,因此对减速 器数量和性能要求更大。人形机器人是一个非常复杂的运动体系,需要做 到平衡和灵活运动,因此在其腿部结构设计上的运动平衡和控制尤为重要。 根据 Tesla Bot 公布信息,其腿部一共配有 12 个自由度,结合相关文献显 示,广东工业大学团队设计的一款机器人中其腿部也包含 12 个自由度,分 别为髋关节 3 个自由度,包含偏航、翻转、俯仰关节;膝关节 1 个自由度, 包含一个俯仰关节;踝关节 2 个自由度,包含俯仰、翻转关节。

  在与人体比例相仿的腿部环节,要求关节输出扭矩至少保证 50±5Nm 左 右。常见的仿人机器人下半身质心通常在膝关节或膝关节略高一点的位置, 因此,低功耗、高效率的腿部设计应尽可能提高质心高度,提高大腿质量 占比。根据《基于准力矩电机驱动的仿人机器人系统设计》所列指数,其 设计的产品腿部长度为 875mm,胯度 348mm,侧宽 183mm,大腿长 300mm,小腿长 350mm,总体与人体比例相仿。测试得到腿部关节输出 扭矩至少要保证 50±5Nm 左右。

  结合机器人关节对于重量、尺寸以及输出扭矩的较高要求,精密行星减速 器、RV 减速器、谐波减速器有望率先用于机器人关节。圆柱减速器、三 环减速器以及摆线针轮减速器即使将重量、体积等参数做到很小,但对于 额定输出功率将很难满足要求;低传动比的行星减速器可以通过多级传动 的方式来提升额定输出扭矩;滤波减速器虽然性能较优,但由于还处于技 术研发阶段,未能大面积商用。因此,从当下人形机器人关节设计的角度 来看,行星减速器、谐波减速器以及 RV 减速器有望率先使用。

  人形机器人用减速器市场,我们判断行星减速器、谐波减速器以及 RV 减 速器有望率先受益,以 Tesla Bot 人形机器人为例,我们根据其各关节自由 度情况,假设其单台机器人关节处所用行星减速器/谐波减速器/RV 减速器 用量分别为 25/20/3 个左右,则在乐观假设下,100 万台 Tesla Bot 人形机 器人有望实现 275 亿市场规模。

  精密减速器作为技术密集型行业,其包括材料、加工工艺、加工设备等方 面存在较高技术壁垒,先进入者具备先发优势。因此当下精密减速器市场 仍由德日品牌主导。其中,以哈默纳科为主导的谐波减速器市场有望进一 步向轻量化、电机一体化方向发展;以纳博特斯克为主导的 RV 减速器市 场国产替代趋势正在加速。

  人形机器人用减速器的市场有望在 200 亿左右。鉴于目前全球工业机器人 的销量为 48.7 万,假设以 Tesla Bot 为首的人形机器人在实现规模化量产 后,假定在乐观/中性/悲观情况下,未来 Tesla Bot 产量可以达到 100/50/20 万台。

  减速器数量假设:考虑到谐波减速器或精密行星减速器自身结构更加紧凑, 较大可能运用在人形机器人小空间关节处,根据 Tesla Bot 公布的手臂关节 12 个自由度,腿部关节 12 个自由度,膝盖 2 个自由度,每个驱动关节需 要配备一个减速器,则假设人形机器人在颈部、手臂和腿部的关节使用到 行星减速器或谐波减速器分别为 20-25 台左右;根据公开参数,人形机器 人躯干环节 2-4 个自由度,考虑到 RV 减速器整体承载能力更优,较大可 能使用在腰部等大关节处,预计使用 2-4 台。本次空间测算中,我们假设 单台人形机器人行星减速器/谐波减速器/RV 减速器用量分别为 25/20/5 台。

  精密行星减速器整体行业进入壁垒较高,产品结构复杂,制造安装难度较 大。精密行星减速机制造是以渗碳钢(20CrMnTi)为主要材料,产品具有 结构紧凑,回程空隙小、精度较高、驱动功率高,耗能低,减速规划广、 输出扭矩大、运用寿命长等特点,但是作为高精密产品,产品安装难度较 大,研发周期长,对企业的资金、人才、技术等要求高,在生产时对企业 的工艺、品控等要求高,综合来看行业进入壁垒高。

  在全球范围内,精密行星减速机市场主要被少数几家企业所占据,德国企 业处于领先地位,如 德国纽卡特( Neugart )、 德 国 威 腾 斯 坦 (WITTENSTEIN AG)、德国赛威传动(SEW Eurodrive)等,其他竞争 力较强的还有日本企业,例如日本住友、日本电产等。

  行星减速器伴随下游市场需求不断释放,整体消费量呈增长态势。根据 《2021-2025 年精密行星减速机标杆企业及竞争对手专项调研报告》显示, 2020 年全球精密行星减速机行业销量受疫情影响有所下滑,在 365 万台左 右,市场规模 7.5 亿美元。伴随全球经济稳定复苏,以及市场需求释放,全球精密行星减速机市场规模有望进一步扩大,根据调研报告显示,预计 2025 年将达到 9.2 亿美元,届时销量也将达到 500 万台以上。

  总体来看:谐波减速器技术壁垒较高,在基础材料、设计、加工工艺、加 工设备等方面均具有较强护城河,谐波减速器作为技术密集型行业,先进 入者依靠其工艺技术和加工经验等具备先发优势。

  柔轮是谐波减速器关键部件,在谐波减速器运动中不断变形,容易发生疲 劳断裂。因此提升柔轮精度、保持寿命已然成为柔轮设计和热处理工艺最 为关键的目标,其原材料、齿轮齿形设计以及热处理工艺都会对其性能产 生影响。

  疲劳断裂作为柔轮主要失效形式,决定了谐波减速器的使用寿命。在谐波 减速器运转过程中,柔轮作为一个薄壁壳体,受波发生器和外部载荷的双 重作用,处于循环弹性变形的状态,既承受弯曲应力,又承受扭转应力, 很容易发生疲劳失效,从而直接影响谐波减速器的使用寿命。根据《谐波 减速器柔轮疲劳断裂失效分析》表示,传动过程中应力较容易集中在筒部 和膜片部位,从而发生失效。

  柔轮材料的选择和热处理工艺尤为重要。国内外柔轮材料较多使用 40Cr 材料,但晶粒和铁氧体相的不合理会导致局部微裂纹和尺寸精度的变化, 所以材料方面,选择的材料要求原始坯料的纯度较高,包含的杂质和非金 属夹杂物水平较低。同时,在热处理工艺上,针对柔轮的薄壁变形部位的 热处理产线需要定制化,保证材料的结构组织一致和晶粒度的合理。以日 本哈默纳科的专用材料涵盖二十余种金属粉末,具备特定的粒度和配比, 未申请专利的情况下,就形成了产品高性能的护城河。

  柔轮的齿形不同也会直接决定齿轮的传动性能。柔轮可分为端面、径向等 多种,齿形作为齿轮最核心的部分,直接决定着齿轮的传动性能。目前谐 波减速器中柔轮最常用的是摆线齿形,完美的继承了圆弧形齿廓的优点, 啮合性良好,承载能力强,传动精度高等特点。

  各家公司在摆线的基础上开发了不同的齿形,例如哈默纳科的 IH 齿形、绿 的谐波的 P 齿形以及来福谐波的δ 齿形。相比传动渐开线齿形,IH 齿形有 效增加柔轮齿槽的齿厚比,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。

  齿形的复杂造就加工工艺和加工设备上壁垒。传统的摆线齿形可以使用带 直边切削刃的插刀进行加工,目前大部分的厂商,例如哈默纳科、同川科 技、来福谐波等,采用特殊的刀具机加工齿形,而绿的谐波则采用线切割 的方式加工齿形,两种加工方式各有优劣。同时加工设备方面,当下高精 度的加工设备需要从日、德等国家进口,对于厂商而言,设备价格高,初 期投入大,还可能面临其他国家的出口管控。在设备成本上,领先厂商也 与新进入的厂商拉开了差距。

  当下国内谐波减速器市场虽仍由日系主导,但内资品牌市场份额逐步提升, 国产期待趋势明显。国内谐波齿轮传动技术发展相对较晚,内资绿的谐波 率先在国内实现了谐波减速器的产业化和规模化。当前国内谐波减速器市 场已涌现如来福、大族等优质厂商,内资品牌市场份额正在逐步提升。根 据华经产业研究院统计,2021 年哈默纳科/日本新宝的市占率已降低至 35.5%/7.4% ,而绿的谐波 / 来福谐波 / 大族传动的市占率提升至 24.7%/7.7%/4.5%,绿的谐波在全球市场上的占有率也达到了 7%左右。

  内资企业加投产能,有望突破市场份额。资金实力较强的日系精密减速器 厂商在国内扩产策略保持温和,相比之下,内资品牌整体扩产意愿更强。 以内资龙头绿的谐波为例,2020 年上市前产能仅为 9 万台/年,根据公司 公告披露,截至 2021 年年底,公司产能为 30 万台/年,最终产能计划为 50 万台/年。内资品牌纷纷加投谐波减速器,有望加速渗透下游市场,提 高渗透率。

  国产企业技术不断提升,设备投入不断加大,产品性能提升。国内企业以 绿的谐波为代表,经过多年的技术创新和研发积累,自主研发了“P 齿形”, 与国外主流齿形技术路线实现差异化,并大幅提升了谐波减速器的输出效 率和承载扭矩。可以看出国内外同型号谐波减速器性能指标上已无明显差 异。

  日系龙头哈默纳科为谐波行业绝对领导者。追本溯源,第一台谐波减速器 由美国率先试制成功,1965 年由日本长谷川齿轮公司生产了谐波齿轮减速 器。在逐步完成谐波产品的系列化和标准化后,日本在全球谐波减速器市 场占据绝对市场份额。1970 年长谷川齿轮与美国 USM 合资成立哈默纳科, 专注于谐波减速器的生产和销售,当下哈默纳科已经成为谐波行业的绝对 领导者。

  公司业绩短期受外部因素影响,预计随着制造业复苏,公司有望恢复至正 常状态。回顾公司近五年业绩影响因素:2017 年工业自动化和机器人等行 业快速发展带动下游需求提升,哈默纳科的营收同比提升 80.7%。2019- 2020 年中美贸易战、疫情和工业机器人行业收缩使得公司生产进入调整期, 对公司的业绩产生了较大的影响,2019 年其营收同比降低 44.7%,2020 年公司营收水平与 2019 年相当,只有 370 亿日元左右。2021 年全球新冠 疫情减弱,制造业复工,设备投资增加,哈默纳科的营收快速增长,同比 提升 54%,同时净利润逐渐恢复到正常状态,达到 66.4 亿日元,折合人 民币 3.27 亿元。

  哈默纳科打造机电一体化有望开拓整体运动控制市场。2021 年机电一体化 已经营收占比 17.3%,哈默纳科早在 1977 年便开始生产销售机电一体化 产品,通过对精密减速器、伺服驱动器、伺服控制器的部署。公司为了进 一步缩小减速器的尺寸,将精密减速器、电机及驱动器、传感器组成一个 基本的传动单元,从而实现对关节体积的缩小,我们认为谐波减速器机电 一体化有望打开整体运动控制市场。

  哈默纳科谐波减速器产品持续迭代进化,向高精度、高转矩容量、小型化 和轻量化发展。哈默纳科于 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 传统渐开线 年推出的 CSF 系列轴向长度缩短 50%,厚度缩减 40%,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%。:2011 年推出 的 CSD 系列厚度缩小 30%~50%,目前 CSG 和 CSF 系列产品的重量已 轻 30%。

  哈默纳科把握下游多个应用风口,机器人板块为公司谐波减速器主要应用 领域。哈默纳科产品下游应用广泛,其谐波减速器从最初的机床行业逐步 拓展到工业机器人、半导体、面板、医疗和航空航天等多个领域。其中, 下工业机器人占比超过 50%,半导体设备占比达到 15%左右。

  哈默纳科的增长动力多样,不断拓宽下游应用领域拉动公司业绩提升。在 过去的五十年间,哈默纳科虽然不断遭受金融危机和动荡的国际局势,但 是伴随着工程机械、工业机器人、半导体制造装置、显示器、医疗器械和 航天航空的等下游领域的逐步出现与放量,公司整体的销售额保持一个上 升趋势,其中 2021 年公司销售额达 570 亿日元,同比增长 54%。

  哈默纳科全球布局,产品供应覆盖全球。哈默纳科在亚日美欧“四极”体 系的确立,基本保证了产品的全球供应。目前,哈默纳科的总部设立在东 京都品川区,在日本本土,北美,欧洲都设有自己的研发、生产和销售中 心。其中日本国内以及东南亚市场由本土公司主要负责;中国市场主要由 哈默纳科(上海)商贸有限公司负责提供销售和技术服务;欧洲、非洲、 南亚、南亚、南美市场由德国子公司 Harmonic Drive SE 负责;北美市场 由美国子公司 Harmonic Drive L.L.C.负责。

  哈默纳科日本工厂扩张 7 万台月产能,应对下游需求。公司谐波减速器由 穗高、有明工厂,美国 Peabody 工厂以及德国 Limberg 工厂负责生产。 公司产品可以覆盖美国、欧洲、中国市场,并且在日本、美国、德国、中 国、韩国共设 11 家子公司,为全球各地的客户提供销售和服务。截至 2022 年 3 月,哈默纳科已经实现每月 18.5 万台的产能,根据公司公告, 2022 年 3 月至 8 月产线会依次搬入,预计产能增加 70000 台/月,其中生 产机 40000 台/月,车载 30000 台/月。按照有明工厂扩建的进度,预计 2022 年 9 月达到每月 25.5 万台的产能。

  齿轮的制造误差是决定 RV 减速器传动精度的重要因素。较大的制造误差 会导致 RV 减速器出现运动精度低、寿命短、传动的静态误差较大,动态 回转误差较大等问题,为了解决这类问题,往往对齿轮的材料、机加工艺 以及热处理等提出了较高的要求。

  材料的工艺性能指能够适应各种加工工艺要求的能力。由于齿轮需要 经过锻造、切削加工和热处理等几种加工,因此为了防止齿轮在加工 过程中出现较大的变形导致制造误差,往往对锻造、切削加工、淬透 性、强度等材料的工艺性能提出要求。

  加工过程中的误差也是制造误差的一种,其往往由于刀磨误差、刀具 安装误差、齿轮安装误差和机床自身误差导致,因此需要厂商加大制 造设备的投入,提升加工制造能力。

  热处理作为制造误差中最关键且复杂的因素,通过改变齿轮的表面硬 度、芯部硬度、表面深度、延展性、强度等性能并延长使用中的齿轮 寿命。但有热处理变形无法避免,因此对热处理工艺和热处理设备提 出了较高要求。

  RV 减速器齿形加工复杂,齿轮的修形质量以及齿廓几何精度直接决定 RV 减速器的运动精度。理论上,标准间隙的摆线齿轮和针齿无间隙啮合,但 由于制造和装配误差的存在,要求对摆线轮齿廓进行合理的修形弥补这一 误差,目前主要围绕修形方法和修形量进行研究。

  一方面,通过选择合适的修形方法,能够从总体上对修形后的 RV 减 速器的传动性能提供一定的保障,常见的修形方法有:等距修形,移 距修形和转角修形。

  另一方面,通过优化选择合理的修形量,从而最大可能地获得多齿共 轭啮合。过大的修形量将产生较大的啮合间隙,从而降低传动精度; 而过小的修形量将产生不了足够的啮合间隙,从而导致传动时发生干 涉以至于卡死等现象。

  轴承寿命是决定 RV 减速器寿命的重要因素。摆线轮支撑轴承位于曲柄轴 和摆线轮之间,所处空间小,润滑性差,冷却不足,受力时很容易到达轴 承承载最大值而使轴承磨损过大或破裂。因此摆线轮支撑轴承的寿命直接 影响的 RV 减速器的寿命,影响轴承寿命的因素很多,主要分为四类:材 料、制造工艺、使用条件和结构设计。

  当下 RV 减速器仍由日资主导,国产厂商正在追赶。据 MIR 数据,2021 年国内 RV 减速器市场中,纳博特斯克占据 53%份额,双环传动、中大力 德等国产企业市场份额分别达到 14%/4%。近年来国产品牌以资本及技术 加持,持续渗透 RV 市场,以双环传动和秦川机床为例,分别深耕中小负 载/大负载 RV 减速器,2021 年销售额均达 1 亿元左右,跨过盈亏平衡点。

  结合国内外 RV 减速器发展历程来看,我国 RV 理论起步较晚,当下正处 于追赶阶段。我国在 60 年代首次引入摆线 年代末才 开始正式研究 RV 理论,相较于国外落后长达 20 年,在过去的十多年内我 国仍属于追赶阶段。

  内资品牌厂商产销提升快速,国产替代加速到来。当前国产减速器产能尚 未饱和,但全球机器换人节奏加快,协同如纳博特斯克等日系品牌在国内 扩产节奏缓慢等因素影响,内资品牌开始获得试机验证并批量化生产的机 会,双环传动为例当前已具备年产 6 万套 RV 减速器产能,秦川机床披露 当前减速器年产能 9 万台,设计产能 18 万台,预计未来随着下游需求增加, 国内厂商有望进一步进入下游客户供应链。

  坚持自主研发道路,国内外差距逐渐缩小。国内的厂商以双环传动和南通 振康为代表,从 0 到 1 自主研发,展开减速器动力学研究,在齿形设计、 传动精度、回差控制、精度保持等方面从头开始,虽然进入减速器领域较 晚。但在齿轮加工上已经积累了深厚的经验,随着厂商不断加大制造设备 的投入和检测能力的加强,国产 RV 减速器在精度、刚度和噪声上同纳博 特斯克并无明显差距,目前已经过客户的试用和认证,开始大批量供货, 国产份额开始逐渐上升。

  纳博特斯克历史悠久,先发优势明显。纳博特斯克以运动控制技术为核心, 最早于 1983 年首次提出了 RV 减速器传动理论,并于 1985 年成功发明了 RV 减速器,于次年实现量产。在过去的 40 年中,纳博特斯克不断迭代更 新技术,形成垄断地位,在交通运输、工业制造、工程机械等行业传动领 域协同发展。RV 减速器领域实现全球市占率第一,根据公司公告,占据全 球机器人用 RV 减速器 60%市场份额。

  纳博特斯克减速器业务贴紧下游需求,根据纳博特斯克年报,2021 年公司 实现销售收入 2998 亿日元(约 147 亿元人民币),近 5 年营收 CAGR 为 9.9%,其中精密减速器业务订单量和销售额均有所增长,根据年报披露, 2021 年精密减速器销售收入 775 亿日元,占比 25%。

  纳博特斯克长期占据 RV 减速器行业领先地位,我们认为主要系:1)公司 产品性能指标优异,种类多样,可满足客户多样性需求;2)公司长期绑 定下游核心客户资源;3)公司产能稳定扩大,以满足下游市场需求。高 的要求。

  纳博特斯克产品性能优异,种类繁多,应用领域广泛。纳博特斯克的 RV-E 产品由于其高精度、振动小、抗冲击性强以及较长的使用寿命深 受厂商喜爱,并在此基础上开发了 RV-C 和 RV-N 系列,采用新技术, 在实现减重的同时,紧凑结构设计,提升产品扭转刚度。除此之外, 纳博特斯还针对并联坐标机器人开发了 RF 系列,针对机床开发了 RD、 RA、GH 系列,针对焊接工作台和变位机开发了 RVP、RS、RD 系列。

  纳博特斯克长期绑定核心客户,下游资源粘性强。根据纳博特斯克年 报表示,其工业机器人主要包括发那科、安川电机、川崎重工、KUKA Roboter、以及 ABB ,公司彼此保持长期合作关系。机床方面,公司 客户包括 Yamazaki、Okuma 和 OMG 等。

  纳博特斯克长期绑定核心客户,下游资源粘性强。根据纳博特斯克年 报表示,其工业机器人主要包括发那科、安川电机、川崎重工、KUKA Roboter、以及 ABB ,公司彼此保持长期合作关系。机床方面,公司 客户包括 Yamazaki、Okuma 和 OMG 等。

  结论:我们认为,可以通过机加工工艺积累、产品集成化能力两点判断 RV 减速器厂商的相对竞争实力。由于 RV 减速器的加工难度更大,对设 备的要求更高,机加工艺领先的厂商会在 RV 减速器的赛道上占据优势。 目前国内厂商的机加设备大多外购,一方面需要花费大量的时间去学习如 何使用设备,另一方面还需要等待海外设备交付,等待时间较长,有机加 积累的企业能够很快上手,并开始规模制造 RV 减速器,抢先占据市场, 制造出高性能、高质量的产品。

  绿的谐波作为国内较早切入精密传动装置的龙头企业,其产品主要包括谐 波减速器、机电一体化执行器及精密零部件,被广泛用于工业机器人、服 务机器人、数控机床、医疗器械、半导体生产设备、新能源装备等高端制 造领域。

  受益于下游市场的持续扩张,公司营收开启高增长。我国谐波减速器行业 处于成长期阶段,市场成长迅速,当下我国虽然已成为全球最大的工业机 器人市场,但以精密谐波减速器产品为代表的核心零部件总体供给量存在 较大缺口,随着行业内企业规模化生产的实现与下游工业机器人等产业的 快速发展,整体来看,公司营收和归母净利润持续高速增长,2021 年同比 分别增长 110.48%、130.56%。

  绿的谐波产能扩张有序推进,盈利能力突出。根据公司公告,截至 2021 年底,公司产能约 30 万台,2022 年全年来看,公司计划将产能进一步提 升至 50 万台或以上,将进一步提升公司接单能力。同时,公司盈利能力较 为稳定,整体毛利率基本维持在 47%-53%之间,公司产品在市场上具有较 强竞争实力。

  公司技术独特性提高减速器产品竞争优势。在国内谐波减速器领域公司打 破哈默那科的技术封锁,初步实现国产替代,其设计的“P”型齿的改进 使得齿轮可承受较大扭矩、减少断裂失效风险、提高寿命,提高减速器的 性能和可靠性;同时公司在基础工艺件设计方面具有较深厚积累,其前身 恒加金属从事精密机械加工 20 余年,包括热处理、锻造等,为减速器大 规模量产奠定技术基础。当前绿的谐波在国内谐波减速器市占率已上升至 25%左右。

  双环传动为齿轮传动部件龙头企业,精密齿轮及减速器业务贡献其主要营 收。21 年公司齿轮业务收入占比达 80.4%,包括乘用车齿轮、商用车齿轮、 工程机械齿轮、电动工具齿轮以及摩托车齿轮。其中,乘用车齿轮占比较 高,21 年实现营收 24.39 亿元,占比 45.25%。公司产品矩阵丰富,涉及 分类多样。其车辆齿轮可应用于纯电、混动、商用发动机、摩托车、沙滩 车等;工业齿轮应用在高铁、地铁、电动工具角磨机等领域。

  公司在建工程逐步完工,产能释放,业绩迈入增长期。2016-2021 年,公 司营收从 17.43 亿元增至 53.91 亿元,期间 CAGR 为 20.71%;同期归母 净利润从 1.8 亿元增长至 3.26 亿元,期间 CAGR 为 10.41%。2021 年开 始,公司凭借在高端齿轮领域的持续深耕,营收高速增长。且随着在建工 程逐步完工,产能大量释放,归母净利润快速上升。

  公司借助高精度齿轮优势,持续迭代 RV 减速器系列产品。公司 2012 年开 始布局工业机器人 RV 减速器业务,对标全球龙头纳博特斯克,不断提升 国内市场份额,当前公司 RV 减速器已初步实现国产替代,市占率达 14%, 排名仅次纳博特斯克。2020 年公司设立子公司环动科技,并将机器人减速 器业务划归其下运营,目前公司已逐步实现 6-1000kg 工业机器人所需精密 减速器的全覆盖。

  公司 RV 减速器营收持续增长。2012 年公司借助高精度齿轮技术布局工业 机器人 RV 减速器产品,2016 年起实现小批量量产,当下公司 RV 减速器 产销量、市占率均居于国产 RV 前列,年产能约 6 万台。2021 年减速器业 务实现营收 2.67 亿元,占比 4.95%,毛利率达 42.6%。

  中大力德是国内综合性精密减速器厂商,产品包括各类减速器、减速电机 以及智能执行单元。2000 年开始研制齿轮电机,2006 年正式成立中大力 德,开发生产小型齿轮减速电机,2008 年开始生产伺服电机用高精度行星 齿轮减速器,2012 年开发工业机器人用 RV 减速器,2016 年开始研制谐 波减速器。其产品包括机器人使用的各类减速器、减速电机及智能执行单 元,其精密减速器包括行星减速器、RV 减速器与谐波减速器,公司产品系 齐全。

  公司 2018-2021 年营收复合增长率为 16.7%,22H1 受疫情影响,业绩短 期承压。从产品结构来看,行星减速器在减速器业务板块的收入贡献最大。 公司减速器业务板块在保证行星减速器稳增长的同时,战略重心逐渐向谐 波减速器和 RV 减速器倾斜。2021 年公司实现营业收入 9.53 亿元,同比 增长 25%;归母净利润 0.81 亿元,同比增长 16%,其中减速器收入 2.54 亿元,占比 27%。

  公司进口高端精密加工设备,21 年已实现 RV 减速器 3 万台出货。公司从 美国、日本、德国等国家进口精密加工设备和检测设备,RV 减速器的性能 与质量得到有效提高,且已形成 RVE、 RVC、RVA 三大系列若干谱系, 21 年 RV 减速器产品出货 3 万台,产能充足,在下游需求的拉动下出货量 有望快速提升。

  公司为通用减速机龙头,产品线丰富,对应下游应用领域广泛。公司聚焦 齿轮减速机、摆线针轮减速机两大业务条线,通用产品矩阵丰富,目前有 3 万多种零部件类别,已生产出的产品型号达 15 万种以上。其中,齿轮减 速机根据功率不同分为模块化减速机和大功率减速机。

  公司营收短期承压,自动化行业复苏有望带动公司业绩向好。公司 2021 年实现营收 29.44 亿元,同比增长 34.81%,公司 21 年产品提价对冲原材 料成本上涨,齿轮减速机实现销量 36.5 万台。22 年 H1 受疫情影响,营收 为 13.47 亿元,同比增速降至-9.09%。2021 年归母净利润为 4.62 亿元, 同比增长 28.66%。预计 22 年短期承压后,受益通用自动化行业复苏,公 司 23 年营收同比增速有望回升。

  公司横向布局精密传动业务,目前已具备谐波减速器月产 2500 台产能。 2021 年 11 月 17 日,国茂股份成立国茂精密传动(常州)有限公司,该公 司收购安徽聚隆机器人减速器有限公司、安徽聚隆启帆精密传动有限公司 与减速器有关的部分业务及业务资产。国茂精密布局精密减速器板块,主 营谐波减速器、RV 减速器的研发、生产和销售。据公司公告,国茂精密目 前已具备谐波减速器月产 2500 台产能。

  公司并购莱克斯诺部分业务,进军高端减速机市场。高端减速机方面, 2020 年,公司全资子公司捷诺收购常州莱克斯诺在中国与齿轮箱有关的部分业务及业务资产,以“GNORD”品牌开拓高端减速机市场。2021 年捷 诺实现快速放量,销量迅速突破万台,营收规模达到 1.65 亿元。捷诺传动 目前的主要产品系列为 S4 系列齿轮马达、CZ 齿轮箱及 ABB 机器人专用 齿轮箱,主要应用于新能源、制药、橡塑、化工等领域。

  高端减速机扩建项目达产后有望实现产约 9 万台,带动业绩增量。2021 年 3 月,公司根据当前经营情况及未来发展情况,以现金出资方式向子公司 捷诺传动增资 2 亿元。当前,捷诺传动正稳步推进高端减速机扩建项目, 基建主体预计 2023 年一季度完工,后继设备将陆续进厂,项目达产后, 预计将形成年产约 9 万台高端减速机产能。随着下游需求趋于高端化和国 产替代进程加快,捷诺将助力公司逐鹿高端市场。

  (本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)