特斯拉机器人孕育新机遇国产减速器蓄势待发

1、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

2、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9%32%25%12%22%减速器 伺服系统控制系统本体其他数据来源：GGII、数据来源：哈默纳科 2019 年年报，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。图3：2021 年中国工业机器人用减速器

3、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100806040200202020212022E2023E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（%）50%40%30%20%10%0%100%外资品牌国产品牌90%80%70%60%50%40%30%20%10%0% 数据来源：Wind、数据来源：GGII、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

4、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，

5、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。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30025020015010050020052006200720082009

6、201020112012201320142015201620172018201920202021我国精密减速器领域硕博论文数量数据来源：创新我国机器人精密减速器的发展生态，石照耀著、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。减速器组成架构优点缺点表1：行星减速器因减速比较低、精度较差，少用于机器人RV 减速器谐波减速器行星齿轮减速器前级+摆线针轮减速器后级柔轮、钢轮、波发生器行星轮、太阳轮、外传动比大、刚性强、适合中、重负载传动精度高、质量轻、体积

7、小、适合小型化、低、重负载应用制造难、价格贵材料容易疲劳损坏精密行星减速器齿圈资料来源：GGII、刚性、耐磨性强减速比低、精度较差、 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。图7：谐波减速器由柔轮、钢轮、波发生器构成图8：谐

8、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

9、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

10、形。在啮合过程中，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

11、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

12、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 个谐波减速器应用领域图示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

13、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、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

14、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

15、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181614121086420201920202021120.0%100.0%80.0%60.0%40.0%20.0%0.0%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(%)数据来源：MIR、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

16、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%100806050.0%40.0%30.0%4.24%10.28%4.45%2021哈默纳科绿的来福40200202020212022E2023E20.0

17、%10.0%0.0%5.70%7.40%7.69%24.72%35.51%新宝同川大族福德其他全球工业机器人用谐波减速器市场规模(亿元）同比增速（%)数据来源：国家统计局、研究所数据来源：GGII、研究所、 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

18、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，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

19、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

20、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

21、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 70m（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、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

22、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。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

23、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。、 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

24、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。图21：RV 减

25、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

26、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

27、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。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160.0140.0120.0100.080.060.040.020.00.0202020212022E2023E50.0%40.0%30.0%20.0%10.0%0.0%工业机器人用RV减速器市场规模(亿元）同比增速（%)数据来源：IFR、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

28、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

29、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

30、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

31、 100%合格。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、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

32、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，

33、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带来的成本问题，也倾向于选择国内材料供应商。但选择国产轴承、国产原材料必然会带来产品一致性、稳定性较差的问题。当前，国产 RV 减速器在中低端领域尚可应用，但想在高端市场突围还需要国内轴承、材料厂商与 RV 减速器厂商在产品性能、功能提升上进一步研发积累。、 纳博特斯克：运动控制领域常胜将军，始于创新、恒于提升纳博特斯克（Nabtesco Corporation）是日本帝人制机公司和 NABCO. Ltd.于 2003年在液压设备业务领域建立业务伙伴关系后成立的控股公司。纳博特斯克以运动控制技术为核心，在海陆空相关的广泛业

34、务领域中全球市场占有率第一，在中大型工业机器人用 RV 减速器领域占据全球 60%的市场份额。从 1960 年到 2005 年，帝人制机 50 年工艺积累是后来者无法企及的先发优势。成立于 1944 年的帝人制机是日本著名的纺织机械、液压、包装机械等生产企业，1945年开始从事化纤、纺织机械的生产。1955 年后，开始拓航空产品、包装机械、液压等业务并于 1960 年代发明液压行走马达，应用于工程机械。80 年代初，该公司应机器人制造商的要求，对摆线针轮减速器进行了结构改进，于 1985 年发明了 RV 减速器，取得专利以及 20 年专利保护期。专利保护期间任何公司不可以生产同样结构的减速器。

35、纳博特斯克承接帝人制机在 RV 减速器领域近 50 年的技术积淀，成就了其在 RV 减速器市场上的不败地位。图26：纳博特斯克引领 RV 减速器发展资料来源：纳博特斯克（中国）官方、创新永不止步。纳博特斯克在承接帝人集团的切割、集成加工工艺以及 Nabco公司在流体控制、气动控制技术上的积累之后，开始在表面处理、材料热处理、增材制造等加工工艺以及CAE 软件设计等方面加大研发，以具备优化全产业链工艺设计的能力。公司始终重视创新与研发，发明者比例持续增长。图27：公司内部具备浓厚的创新氛围图28：纳博特斯承接过往经验，加强全产业链研发实力80%62%43%46% 52% 53%30% 26% 3

36、2%100%80%60%40%20%公司内部可以引领创新的研发者占总员工比例0%数据来源：Nabtesco2021ValueReport、资料来源：Nabtesco2021ValueReport、产业生态建设完善，日本成熟的精密齿轮加工设备供应商为机械传动零部件企业的产品研发、优化保驾护航。池贝公司（IKEGAI）成立于 1889 年，是日本国产第一台 NC 数控机床的制造商。卡希富基创立于 1913 年，1932 年起开始正式生产和销售滚齿机，1956 年生产的滚齿机首次应用于汽车制造领域。卡希富基产品性能国际领先，产品结构涵盖数控滚齿机、数控齿轮精加工机床、齿轮研磨机，数控滚刀磨床等多种金

37、属加工机床，占据日本滚齿机市场 50%以上份额。三菱重工业公司是日本最大的综合性的重工业公司，三菱重工集团的机床业务拥有 80 年的历史（2021年被日本电产 Nidec 收购）磨齿机占据日本 60%以上份额。优质的设备厂商为精密减速器厂家提高顶尖的设备和全方位的支持和服务，从而保障产品性能持续领先，量产能力稳步增长。图29：1889 年，日本第一台国产车床由池贝公司制造图30：池贝公司于上世纪初生产的机床资料来源：GGII资料来源：GGII2、 人形机器人题材有情绪，减速器产能缺口空间可想象、 人形机器人对零部件的核心要求在于小型、轻量、集成谐波减速器柔轮需要柔性变化的特征决定了其刚度和强度

38、存在极限。因此，谐波减速器多用于工业机器人的小臂、腕部、手部等小负载部位的关节处。而 RV 减速器的结构刚性更强，在中、重负负载型机器人中用量更广，市占率约达 90%。比如 10-20KG 的机器人的J1、J2、J3、J4 的关节会用 RV 减速机；50-160KG 机器人一般六个关节都使用 RV 减速机。人形机器人更多得面向机器人渗透率较低的 To C 蓝海市场，对减速器的轻量化、集成化要求更高。因此，人形机器人中谐波减速器的用量需求更大，并且机电一体 化产品的应用会更广。图31：图中六轴机器人的 J4、J5、J6 轴使用谐波减速器图32：RV 减速器用于上臂、下臂等大惯量关节减速资料来源：

39、高工机器人资料来源：纳博特斯克（中国）官方、 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需求端测算核心假设：（1）工业机器人用精密减速器需求量。2021 年，全球工业机器人销量 48.7 万台，同比增长 27%。2022 年，疫情反复导致产业链各环节交期延长，全球工业机器人销量增速下滑，给予 10%的销量增速。根据 IFR 的指引，并考虑中国的机器人密度仍具备较大提升空间，稳健假设 2022-2026 年全球工业机器人销量 CAGR 达 22%。同时假设单台工业机器人平均搭载 3 台谐波减速器和 3台 RV 减速器，以测算全球工业机器人用精密减速器需求量。（2）人形机器人用精密减

40、速器需求量。本报告中，我们调整在特斯拉机器人风起，国产供应链远航报告中对关键零部件需求量的测算。假设 2023 年Demo 机落地后，当年销量 5 万台， 2024 年销量 10 万台。2025 年规模化量产后，谨慎估算销量为 30 万台，乐观情境下销量 50 万台。量产后实现产线复制，扩产速度加快，假设 2026 年实现销量 100 万台，2027 年销量 150 万台。我们按照单台特斯拉机器人搭载 20 个谐波减速器、3 个 RV 减速器估算减速器需求量。表3：人形机器人落地后，精密减速器市场有望扩容20222023E2024E2025E2026E2027E谨慎乐观特斯拉机器人销量(万台)

41、05103050100150谐波需求量0150240720110020003000RV 需求量0153090150300450全球工业机器人销量（万台）53.564.380.3100.4120.5144.6工业机器人谐波需求（万台）160.5192.9240.9301.2361.5433.8工业机器人 RV 需求（万台）160.5192.9240.9301.2361.5433.8谐波减速器总需求（万台）160.5342.9480.91021.21401.22361.53433.8RV 减速器总需求（万台）160.5207.9270.9391.2451.2661.5883.8数据来源：IFR、

42、注：根据现有的人形机器人生产制造对供应链的要求，通常在早期阶段，对关键零部件的备货需要多 50% 当销量规模处于 10 万-50 万台之间时，对零部件备货需多 10%-20%供给端分析：我们观察到，资金实力更强的日系精密减速器厂商扩产策略温和，相比之下，国内厂商扩产意愿更强。纳博特斯克在 2018-2020 三个财年间仅共扩产14 万台减速器，2020-2022 财年以年增 9 万台速度扩产。根据 2021 年财报披露，公司计划到 2026 年达到年产 200 万台 RV 减速器。尼得科（新宝）在 2021 年财报中披露其产能计划为保持月产 10 万台。绿的谐波 2020 年上市前产能仅为 9

43、 万台/年，在投资者交流纪要中披露截至 2021 年年底产能为 30 万台/年，最终产能计划为 50 万台/年。RV 减速器厂商秦川机床在投资者交流中披露当前减速器年产能 9 万台，设计产能 18 万台。图33：纳博特斯克产能扩张温和图34：尼得科（新宝）月产能 10 万台20070848484951062502001501005002017 2018 2019 2020 2021 2022 2026E年产能（万台）数据来源：纳博特斯克 2021 年年报、研究所资料来源：日本电产 2021 年年报我们从以下六点原因分析哈默纳科为何扩产谨慎：第一，预订单水平高企。公司在 2022 年 5 月的投

44、资者交流会中表示，2021财年公司的预订单水平较高，预计后续财年订单水平会降低。第二，管理层对本体厂商潜在砍单可能的担忧。上一轮机器人上行周期减速器供给紧张，本体厂商普遍加大备货力度，但目前公司的渠道信息显示，本体厂商不缺减速器而是缺其他部件和材料。第三，与本体厂商生产计划的紧密配合。哈默纳科和主要本体客户联系密切，有本体厂商 3 个月的生产规划，公司会较为严格得根据本体厂商的生产节奏来规划自己的产能。第四，中国大陆的疫情管控政策。全球超过 35%的机器人在中国销售，欧洲重要本体厂商也在中国建厂，2022 年上海封闭期间港口海运受到较大影响。在此情况下，哈默纳科会对资本开支保持更加谨慎的态度。

45、第五，日系企业稳健的经营风格。哈默纳科历年财报中显示，公司每三年会制定一个涵盖经营目标、产能建设等的中期计划。在这三个财年期间，即使计划提前或延后实现，也不会更改计划，以方便在下一个周期开始前对比过去的执行表现。本轮中期计划从 2021 财年执行到 2023 财年结束，产能基本稳定在 200 万台/年。第六，后端装配成本高企，盈利水平较低。不同于纳博特斯克在中国常州建厂以降低生产成本，哈默纳科的三个重要生产基地分别在日本、美国和德国（美、德主要生产交叉滚子轴承）。哈默纳科坚持在最后一道装配线中靠技术精湛的老师傅手工完成，以保障产品质量。因此，产线的自动化程度较低，对检测人员需求较大。在美德日三

46、地劳动力成本较高的情况下，哈默纳科的净利率水平仅保持在 15%左右，远低于国内谐波减速器厂商。为了保障一定的盈利能力，管理层不会进行激进的扩产政策。图35：哈默纳科净利率水平较低图36：手工检查零部件性能60.0%40.0%20.0%0.0%-20.0%毛利率（%）净利率（%）数据来源：Bloomberg、资料来源：日本 JAXA 新事业促进部基于以上分析假设，我们得出 2022-2027 年产业链供需格局预测结论：人形机器人落地后，中观情境下谐波减速器产能缺口达数千万台，RV 减速器产能缺口达数百万台，百亿级市场空间静待国内减速器厂商填补。此外，我们观察到国内市场也2022E2023E202

47、4E2025E2026E2027E谨慎乐观供给（万台） 162.9304.3369.3475.3475.3501.5511.5需求（万台）160.5342.9480.91021.21401.22361.53433.8缺口（万台）(2.4)38.7111.7546925.918602922.3供给（万台）156.8158.4196.2229.5229.5265.5297需求（万台）160.5207.9270.9391.2451.2661.5883.8缺口（万台）3.849.574.7161.7221.7396586.8存在逐步布局人形机器人的玩家，市场规模扩容或更乐观。表4：中观情境下谐波减速器

48、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谐波减速器RV 减速器数据来源：Wind、IFR、 注：正数为缺口，负数为供过于求3、 受益标的对于谐波减速器生产商，我们判断，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会率先实现产品一致性较强的规模化量产，并受益于消费级机器人放量后带来的中长期减速器供给缺口。具体分析如下：第一，生产一台谐波减速器，从数理模型设计、材料热处理理解到设备选择、加工工艺等环环相扣。具体过程是：首先设计柔轮齿型，柔轮的齿形决定加工设备的选择，而设备的选择又决定钢轮使用哪种制造材料。在柔轮材料的选择上，目前国内外均使用 40Cr

49、MoNiA、40CrA 等碳合金钢，国内企业的材料热处理水平相差不大，但总体低于国外水平。因此，钢轮加工技术路径的差异直接决定国内谐波减速器厂商产能释放的快慢以及生产成本的高低。图37：研发谐波减速器首先进行技术路径的选择资料来源：研究所第二，哈默纳科以不断精进的整体运动控制实力树立行业标杆，长期来看，构建更高水准的整体运动控制方案是谐波减速器厂商的竞争焦点。哈默纳科自 1977 年开始生产销售机电一体化产品，陆续布局谐波减速器、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。如今，哈默纳科正将长期积累的精密加工技术和控制技术作为基础，以更高层次的定位精度为

50、目标，努力构建整体运动控制。目前，国内厂商在整体运动控制领域布局较少，绿的谐波紧跟哈默纳科引领的行业趋势，开始在整体运动控制领域进行初步布局。同川科技通过参股高端传感器企业海伯森加强其机电一体化实力，在整体运动控制领域具备较强优势。我们认为，哈默纳科作为引领谐波减速器行业多年的龙头企业，其产业布局方案是判断行业趋势的风向标。同时，人形机器人对关节小型、轻量的要求也在对机电一体化产品有更高的需求。因此，整体运动控制实力是谐波减速器厂商需要建立的核心竞争力。第三，坚持以正向研发的方式深耕加工工艺是决定企业能否规模化量产出性能稳定产品的最根本要素。国内厂商生产齿轮的设备大多从海外进口，设备自身的性能

51、可以得到保障，但由于国内企业的工艺积累仍良莠不齐，生产效率也会出现较大差异。哈默纳科董事长在 2022 年的投资者交流会中多次强调，过去 50 年发展不断试错改进带来的对加工工艺的深刻理解铸就了哈默纳科最稳固的护城河。加工工艺决定产品是否能在更长的寿命内稳定、一致地运行，进而增强客户粘性、巩固市场地位。哈默纳科董事长称“对比两台新谐波减速器好坏的时间不是当下，而是 5 年后”。第四，机器人本体厂商盈利能力下降挤压上游零部件商利润、产品同质化竞争造成谐波减速器价格持续下探，成本管控良好的企业具备较强资金实力保障扩产。由于机器人本体的硬件技术已经趋于成熟，外资巨头的优势逐渐向软件转移。国内本体厂商

52、在软件和智能技术应用上的能力仍有较大欠缺，盈利能力较差，因此对于零部件的价格较为敏感。买方市场环境下，国内减速器厂商议价权较弱。此外，谐波减速器产品迭代速度较慢，先发者的非对称竞争优势容易受到技术、人才，工艺等要素扩散的影响而转化为对称性竞争优势，进而降低其盈利能力。国内谐波减速器平均单价逐年降低，以行业龙头绿的谐波为例，其谐波减速器单价由 2017 年的1920 元降至 2019 年的 1631 元。同时，主要数控机床厂商交期不断延长也阻碍着国内企业的扩产进度。我们认为，以更低的价格、更短的交期购入加工设备的渠道优势是公司成本管控实力的核心，成本管控实力强的企业更能够在行业低价竞争中保障盈利

53、能力和稳定的现金流，从而保障扩产。图38：国内机器人本体厂商毛利率水平较低图39：日本池贝公司的未完成订单占比呈上升态势60.0%50.0%40.0%30.0%20.0%10.0%0.0%201920202021埃斯顿毛利率（%）拓斯达毛利率（%）埃夫特毛利率（%）50040030020010002013201420152016201720182019未完成订单（百万美元）已接收订单（百万美元）数据来源：Wind、数据来源：Bloomberg、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 减速器厂商相对竞争实力。第一，RV 减速器设备投入更大，制造难度更高，需要企业具备较强的

54、机加工实力支撑产品大规模生产,以实现规模效应降低成本。国内 RV 企业的毛利率、净利率水平普遍低于谐波厂家。原因系前期设备投入大，且 RV 减速器制造难度大、量产规模化程度不够，成本无法摊薄。同时，海外设备的交期延长对 RV 减速器厂商影响低于谐波。由于 RV 减速器扩产速度相对谐波更慢，且设备已经有了前期积累，稳定扩产情况下对新设备需求不会骤然上升，海外设备厂商交期延长对于 RV 减速器厂商的扩产进度影响较小。第二，具备产品集成化能力。RV 减速器相对谐波减速器体积、质量更大。而消费级机器人需要使用相对轻量化的零部件以保证其运动的灵活性。我们判断，具备机电一体的产品集成化能力更有利于国内 R

55、V 减速器厂商受益于消费级机器人带来的市场需求。图40：谐波减速器厂商毛利率水平高于 RV 厂商图41：2022Q1 固定资产对比，RV 减速器厂商投入更大60.0%40.0%20.0%0.0%2019202020212022Q1绿的谐波毛利率（%）秦川机床毛利率（%）中大力德毛利率（%）30.025.020.015.010.05.00.0绿的谐波秦川机床2021年底固定资产账面额（亿元）数据来源：Wind、数据来源：Wind、 汉宇集团：国内谐波减速器后起之秀，实力展现、以待良局同川科技系汉宇集团控股 60%的子公司，于 2012 年成立，2015 年开始逐步投入研发谐波减速器。公司谐波减速

56、器产品性能位列国内第一梯队，主要应用于工业机器人，具备年产十万台级的量产能力。目前公司在积极拓展海内外机器人本体客户，产品结构向谐波减速器进一步聚焦，并持续拓展其整体运动控制能力。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资料来源：汉宇集团投资者交流纪要同川科技创立初期，通过多次赴日调研谐波减速器相关设备和技术，在数理模型搭建、技术路径选择以及加工工艺研究方面打下了坚实的基础，对机电一体化设计有较深理解。日系企业的技术路径以哈默那科为主，即，钢轮材料选用球墨铸铁，采用插齿机、滚齿机等数控机床进行加工。由于齿轮在不同构件之间实现动力的传递，其加工质量直接影响其实际

57、工作状况，包括传动精度、振动噪声、疲劳寿命等。通常的齿轮加工工艺流程中，齿坯经过滚、插、车、剃等加工，以及热处理后为了消除存留的齿形误差而进行的以磨齿、强力珩齿为主的精加工。车齿工艺较插齿、滚齿具备成形精度更高的优势。滚齿是齿轮加工中生产率较高、应用最广的加工方法之一，滚齿工艺可以加工不同类型的齿轮，且可以获得较高运动精度，但相对表面粗糙度较差。插齿加工齿形精度和粗糙度较好，但齿轮运动精度较差，插齿主要适用于齿轮的内齿加工以及一些受结构干涉的外齿加工。车齿主要利用齿轮型刀具与工件之间进行强制啮合，按空间展成法切制齿轮齿面，具有材料去除率高、成形精度好等优点，近期应用和发展较快。图43：齿轮加工

58、流程从初加工到热处理以及精加工图44：车齿工艺相比滚齿、插齿加工效率更高资料来源：齿轮精密制造关键工艺、机床及数控系统韩江等著资料来源：齿轮精密制造关键工艺、机床及数控系统韩江等著以哈默纳科为主的企业钢轮材料选择球磨铸铁，具备强度高、抗腐蚀性强，加工成本低的核心优势。碳含量在 2.7%以上的铁碳合金称为铸铁。铸铁内的碳以游离石墨薄片形式存在，这种石墨薄片通过特殊的处理方法变化成微小的球体，从而使得球墨铸铁相比铸铁和钢具有更加良好的展延性和抗冲击性。由于球墨铸铁的球状石墨微观结构，协助减弱振动的能力更强，因此更加有利于降低应力。球墨铸铁是通过铸造工艺完成的合金，铸造技术可以使得复杂产品一次成形，

59、无需后续加工，从而提高材料利用率并降低加工成本。因此，球墨铸铁的价格也是金属材料中最低。图45：球墨铸铁具备易于精密加工、轻量、刚度强等性能优势资料来源：高工机器人、国内精密铸造行业市场竞争较分散，其中，联诚精密是国内实力较强的专注于铁、铝等金属铸件产品制造的厂商。公司创始人及董事长郭元强具备较强的专业技术背景，先后于清华大学攻读机械工程系铸造专业、于上海交通大学攻读材料科学系复合材料专业。1992 年加入上海工程技术激光所工作，1995 年创办公司前身山东联诚集团。公司铸铁件产品由球墨铸铁和灰铸铁构成，产品实力较强。公司产品广泛应用于乘用车、商用车、工程机械、商用压缩机、液压机械、新能源等多

60、种行业或领域。凭借较强的产品力，已成功立足于通用、福特、克莱斯勒、德国大众、通用电气、康明斯、菲亚特、沃尔沃、卡特彼勒等国际知名厂商的全球采购体系。目前，公司减速类产品主要应用于工程机械的液压行走马达和旋转马达，机器人相关零部件市场正在积极开拓中。同川科技参股海伯森技术有限公司 6.05%的股份以布局传感单元，延伸公司机电一体化能力。传感器是机电一体化系统的首脑，机器人需要通过内部和外部的各种传感器来感知自身、操作对象和作业环境的状态，以实现精准的位置控制。海博森是国产高端智能传感器专业研发制造商，2021 年，海伯森 HPS-FT 系列六维力传感器获得全球协作机器人大厂丹麦优傲（univer