报告出品方：财通证券
以下为报告原文节选
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1精密减速器是机器人关键元件，国产技术稳步突破
1.1精密减速器是机器人关键元件
减速器又称减速机，是一种动力传达机构。减速器主要用于将电动机的高转速转变为工作机的低转速，其原理是将电动机、内燃机等高速旋转的动力源通过减速器的输入轴上齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮从而实现降低转速，提高扭矩的作用。在工业制造中，各种机械设备的运转都需要传动系统，而减速机是传动系统的重要组成部分，因此应用非常广泛。
减速器可根据传动精度、传动类型、传动级数、齿轮形状和传动布置形式等方式分类。根据传动类型的不同，通用减速器可以分为齿轮减速器、蜗杆减速器、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器等，根据传动级数的不同可以分为单级减速器和多级减速器。根据精度不同可以分为一般传动减速器和精密减速器，精密减速器具有回程间隙小、精度较高、使用寿命长、稳定性高等特点，通常在数控机床、机器人、航空航天等领域有应用，精密减速器包括谐波减速器、RV减速器、摆线针轮行星减速器、精密行星减速器等。
机器人为精密减速器最主要下游，半导体设备、数控机床和医疗器械等领域也是重要下游应用。根据观研天下数据，我国精密减速器下游包括工业机器人、半导体制造设备、平板显示制造设备、电机制造设备、机床等，其中工业机器人占比44.9%，是最大的下游应用。半导体、数控机床和医疗器械等领域作为精密减速器的下游市场，其庞大的市场规模可带动精密减速器需求的较快增长，使得精密减速器厂商下游客户多点开花，减少客户集中度，提升产品议价能力。
精密减速器是工业机器人的核心部件，成本占比0%。机器人上游核心部件主要包括是减速器、伺服系统和控制器，其中减速器占机器人成本的0%，伺服系统占成本的20%，控制器占成本的10%，减速器是价值量最大的核心部件。控制器、伺服系统和谐波减速器国内厂商已经实现突破，目前RV减速器仍然大量依靠进口。目前减速器的毛利率约40%，高于伺服系统/控制器和本体制造，且目前减速器仍然具有较高的技术壁垒。
精密减速器的核心在于寿命和精度。寿命包含精度寿命和使用寿命，其中精度寿命是指在特定的精度要求之内可使用时长，而使用寿命是产品的全生命周期时长；精度侧重于背向间隙等主要技术指标应当满足要求。作为机器人的关键零部件，精密减速器的精度决定了机器人的质量，而精密减速器的寿命决定了机器人的效率和寿命。工业机器人主要使用谐波减速器和RV减速器。根据中商产业研究院数据，全球机器人减速器市场中，RV减速器和谐波减速器分别占据40%的市场，精密行星齿轮减速器等占据20%的市场。工业机器人通常每个关节均需要配置1个减速器，以此满足精准控制的目的。谐波减速器和RV减速器是工业机器人主要应用的减速器种类，通常RV减速器会用于工业机器人的基座/大臂等部位，即用于20kg以上的机器人关节。而谐波减速器会应用在工业机器人的小臂/腕部或则手部等轻负载位置，即用于20kg以下的机器人关节或大型机器人末端的几个轴。年谐波减速器与RV减速器的市场规模比为1：1.6。从减速器需求量来看，RV减速器和谐波减速器在近年来随着工业机器人行业的发展，需求量呈现增长态势，且两者需求量差额基本维持在万台以内波动；从结构占比来看，两者基本呈现五五开局面，并无较大差异。
工业机器人需要配置多个精密减速器。每台工业机器人的关节需要配置1个精密减速器，因此一台工业机器人需要精密减速器的数量为4~6台，其中六轴多关节机器人需要6台以上减速器，其中谐波减速器2~台，RV减速器需要4台左右；SCARA机器人需要2~4个谐波减速器，DELTA机器人需要台谐波减速器，SCARA机器人和DELTA机器人基本不需要RV减速器；直角坐标机器人需要4台减速器，其中RV减速器约台。
数控机床等市场同样具有应用潜力。根据绿的谐波招股书数据，单台加工中心及数控铣床可以使用4台以上精密减速器，而数控车床/车削中心/数控磨床等可以使用台以上精密减速器，高精度数控回转台以及加工中心的四或五轴需要使用1~2台谐波减速器，国内数控机床产量在0万台左右，机床领域对精密减速器的应用潜力巨大。此外，光伏设备、医疗设备、航空航天等领域也拥有较大的应用空间。
精密减速器产业链上游包括原材料、核心零部件和生产设备三大部分。原材料的主要需求是铜和钢等金属。核心零部件的主要包括轴系部分、箱体部分、减速器附件。从原材料成本来看，直接材料与人工成本分别占成本的0%左右。精密减速器产业链中游是减速器本体制造，主要生产RV减速器和谐波减速器等。精密减速器产业链下游应用领域主要包括工业、服务和人形机器人，半导体设备，数控机床，医疗器械等。
上游议价能力有限，成本主要集中在人工成本和制造费用。减速器上游主要是铜、钢等原材料和核心零部件；而核心零部件的主要材料也集中在铜、钢等金属。在中国国内铜、钢等金属的产量高且品种丰富，其资源获取难度低，相关企业议价能力较弱。而在中游本体制造中，人工成本和制造费用是减速器成本的主要部分，分别约占总成本的0%；而其他费用主要包括外协费用等，占产品成本约10%。
1.2谐波减速器与RV减速器各有优劣，国产技术稳步突破
谐波减速器由波发生器、柔轮和刚轮三大基本零件组成。谐波减速器是一种靠波发生器使柔轮产生可控的弹性变形波，通过柔轮与刚轮的相互作用实现运动和动力传递的传动装置。谐波减速器在机器人应用中常用于小臂、腕部和手部等小关节部位。（1）波发生器：由一个组装在椭圆状凸轮的外周的薄壁滚珠轴承组成；轴承的内周固定在凸轮上，外圈通过滚珠弹性变形；通常安装在输入轴。（2）柔轮：薄壁杯状金属弹性体，开口部外周刻有齿；柔轮杯状底部称为膜片；通常安装在输出轴。（）刚轮：环状刚体，内周可有齿；齿数比柔轮多2片；通常固定在外壳。
谐波减速器使用柔性构件，利用少齿差原理实现机械传动。谐波减速器采用的是波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出的形式，当波发生器连续转动时，柔轮不断产生弹性形变，与刚轮产生了错齿运动，实现了波发生器与柔轮的运动传递。当波发生器装入柔轮内圈时，柔轮被波发生器弯曲成椭圆状，柔轮齿轮插入刚轮的轮齿槽内，在波发生器长轴处处于完全啮合状态；而波发生器短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱离状态（图14A）。固定刚轮，使波发生器按顺时针方向旋转后，柔轮发生弹性形变，且与刚轮啮合的齿轮位置顺次移动（图14B）。当波发生器向顺时针方向旋转度后，柔轮仅向逆时针方向移动1齿（图14C）。当波发生器旋转60度后，由于柔轮比刚轮减少2齿，柔轮向逆时针方向移动2齿；该动作一般被视为输出执行（图14D）。该方式突破了机械传动采用刚性构件的模式。
谐波减速器凭借其多项优点在轻负载精密减速器领域中占据主导地位，且应用广泛。除了机器人领域外，其在医疗器械、数控机床、光伏设备和半导体设备等领域均有应用前景。谐波减速器的主要优点有：
（1）传动精度高：多齿在两个度对称位置同时啮合，使得齿轮齿距误差和累计齿距误差对旋转精度的影响较为平均，可得到极高的位置精度和旋转精度。（2）传动比大：单级谐波齿轮传动的传动比可达0-，且结构简单，三个在同轴上的基本零部件就可实现高减速比。（）承载能力强：在谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高。（4）体积小、重量轻：相比普通的齿轮装置，该齿轮结构体积和重量可以大幅降低，实现小型化、轻量化。在输出力矩相同的前提下，相较一般减速器，其体积可减少2/，重量可减轻1/2。国际巨头Harmonic在技术专利申请量上仍处于领先地位，但国产厂商大有后来居上之势。谐波减速器技术专利可分为：总体结构、波发生器、加工制造、柔轮、试验方法、凸轮、齿形、刚轮、柔性轴承和交叉滚子轴承等10个部分。其中直接影响产品性能的研发重点是总体结构、波发生器、柔轮和加工制造。从全球谐波减速器技术专利申请量来看，Harmonic的技术专利申请量比第2至第15名之和还要多出一些。而从中国谐波减速器技术专利申请量来看，Harmonic的技术专利申请量与第2和第名之和基本相当，近几年，虽然Harmonic的技术专利申请量仍存在断层领先，但绿的谐波和来福谐波等国内厂商，一直扮演着较为强劲的追赶者角色。
国产谐波减速器技术自主化能力逐步增强。中国国内的技术发展之路通常是基于国外相关产品进行逆向工程研究，从而了解产品所需技术并进行突破。近年来，以绿的谐波为首的国内厂商在谐波减速器技术实现了自主性的突破。以专利技术中的齿形为例，国际Harmonic采用的“S”齿形是在空载条件下基本实现了连续接触，突破了传动齿形只有在负载条件下才能实现多齿啮合的连续接触的状况；来福谐波研发出“δ”齿形；而绿的谐波跳出了传统上以willis定理为基础的渐开线齿轮设计理论，基于曲线/面的几何映射理论退出共轭齿形，并研发出“P”齿形；国内部分高校也有新型齿形设计，但目前应用范围较为狭窄。
绿的谐波的“P”齿形，与国内外同类产品相比有诸多优势。“P”齿形克服了“S”齿形的当轮齿数较少时误差会增大的特点。与国外同类产品相比，“P”齿形具有如下优势：（1）齿高较低：无需很深的啮合距离就可以获得较大的啮合量，可承受较大的扭矩，极限载荷优于国外产品；（2）齿宽较大：齿根弧度增大，减少发生断裂失效的风险；（）寿命长：因所需柔轮变形量较小，柔轮寿命得到提高，产品极限载荷寿命是国外产品的4倍以上；（4）齿面比压较小：多达20-0%的齿参与啮合。与国内同类产品相比，“P”齿形具有如下优势：（1）承载扭矩大幅提升，是国内同类产品的2倍以上；（2）体积小、重量轻，体积是国内同类产品的1/2以下；（）高效率、低背隙，可实现零误差精确传动，产品出厂时背隙≤10arcsec(绝大多数产品均为0背隙)，空程误差≤40arcsec。
RV减速器结构复杂，主要三大零部件为中心轮和行星轮、摆线轮和曲柄轴。RV减速器，全称旋转矢量(RotaryVector)减速器，与摆线针轮减速器同源，由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减速机的后级组成，因此内部结构会比谐波减速器更加复杂。RV减速器在机器人应用中常用于转矩大的腿部、腰部和肘部等关节部位。（1）中心轮和行星轮：中心轮一般采用渐开线齿轮，可做成齿轮轴或通过花键结构与输入轴链接；行星轮与曲柄轴固连，一般在中心轮外周均匀分布2-个，从而对称分流功率。（2）摆线轮：也称为RV齿轮，是最为核心零部件，其齿廓曲线精度对摆线针轮的接触状态影响很大。一般在曲柄轴上安装2个完全相同的摆线轮，且两轮偏心位置互成度，使得在摆线轮传动时实现径向力的平衡。（）曲柄轴：一端连接减速器输出轮，另一端装配行星轮，中间部分支撑摆线轮。曲柄轴转动时，可以带动摆线轮产生公转，且支撑摆线轮的自转。
RV减速器是一种两级减速机构，由渐开线行星齿轮传动和摆线针轮传动构成，属于曲柄式封闭差动轮系。RV减速器采用的少齿差工作原理与谐波减速器工作原理基本一致。RV减速器的运动转递过程为：驱动力由输入轴传给行星轮，行星轮与曲轴旋转中心通过花键固连，从而带动曲轴自转，曲轴因其不同轴段的偏心结构，将运动传递给摆线轮，摆线轮绕其回转中心以曲轴偏心距为半径做公转运动，摆线轮轮回转带动与行星架固连的输出端，从而完成运动的输出。
RV减速器作为工业机器人关节的高精密减速传动装置具有多项优点且应用广泛。除了机器人领域外，其在医疗检测设备、机床和卫星接收系统等领域均有应用广泛应用。RV减速器的主要优点有：
（1）传动效率高：摆线针轮行星减速装置中的传动零件刚度高、接触应力小，零件加工和安装精度易于实现高精度。（2）体积小、质量轻：行星传动结构与紧凑的W输出结构组合，使得整个摆线针轮减速装置结构十分紧凑。（）传动比大：采用一齿差或少齿差传动，摆线针轮传动的传动比大小摆线针轮的齿数，齿数越多，传动比越大。（4）承载能力强：摆线针轮传动同时啮合的齿数要比渐开线外齿传动同时啮合的齿数多。（5）寿命长：摆线轮和针轮的轮齿均淬硬、精磨，比渐开线少齿差传动中内齿轮的加工性能更好、齿面硬度更高。Nabtesco的研发能力全球领先。从截至年的全球RV减速器技术专利申请量来看，前10名中除了第8名的SPINEA和第九名的ZF来自欧洲地区外，其他8家机构均来自日本，日本机构在RV减速器领域有着全方位的领先优势；而且国际巨头Nabtesco以近项的专利申请量，远超其他机构，拥有强大的技术实力。从截至年的中国RV减速器技术专利申请量来看，中国自年起有RV减速器技术专利以来，国内相关技术专利申请活跃度较低，整体专利申请量处在较低水准，相较国际巨头仍存在较大的技术差距。
国内外研究实力具有明显差异。RV减速器技术专利分类可分为结构、制造加工、润滑冷却、降噪和材料等方面，其中直接影响产品性能的研发重点是齿轮传动装置、轴和电机本体。对比截至年的国内外技术专利分布来看，国外在三大研发重点中投入研发力度最大，而国内除了齿轮传动装置外，主要侧重了产品工艺方面，比如平衡测试等。由此可见，当前RV减速器的核心技术专利方面，国内机构与国外机构之间仍存在较大差距。
RV减速器结构复杂，在各项性能指标和流程工艺上要求较高。RV减速器在以传动精度、传动效率、刚度回差、启动力矩、工作平稳性和寿命等主要性能指标上要求较高，以确保RV减速器能实现高负荷和大传动比的功能要求。为了确保各项主要性能指标更高达标甚至超标，RV减速器需要流程工艺方面的密切配合，包含齿形设计、齿面热处理、加工精度和成组技术等。流程工艺的高要求作为RV减速器的核心难点，其主要目的是减少因零部件众多导致的误差累积，从而避免RV减速器在不同工况使用过程中出现加速磨损和寿命缩减等异常情况出现。
RV减速器和谐波减速器在主流技术指标上存在差异。RV减速器传动比范围大、精度较为稳定、疲劳强度较高，容许的力矩负载可达Nm，具有较强的刚性和扭矩承载力。而谐波减速器单级传动比大、运动精度高并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作，其容许的力矩负载在1Nm以内。以容许力矩负载差异为例，RV减速器凭借高负载和重量重、尺寸较大等特性，在大型机器人领域拥有优势；而谐波减速器凭借负载轻、精密度高等特性，在轻便、灵活的轻负载领域拥有优势。以减速器传动效率为例，在同等额定扭矩的情况下，RV减速器相比谐波减速器的传动效率更高；而效率差额随着扭矩的增大而减小，但仍有15%以上的差额存在，因此RV减速器的传动效率比谐波减速器更具优势。
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