优势产业地位下，初探谐波减速器格局成因
　　谐波减速器是对控制系统进行降速减矩，精准调节旋转的核心零部件，在工业生产中有较为广泛的应用，主要应用领域有工业机器人、协作机器人以及数控机床等。从产品价值来看，在工业机器人中价值量占比约35%，且较其他零部件具有更高的毛利率。先发优势打造高壁垒寡头，专精赛道屏退性价比厂商。谐波减速器全球市场呈现垄断集中格局，日企成为行业寡头，哈默纳科在全球谐波减速器市场的市占率达80%以上。复盘哈默纳科成长历史可知，从无心插柳到一家独大，背后支撑的是行业属性：厚护城河、先发优势。复杂的正向数理模型可以迭代扩充专利壁垒，交变的载荷服役场景严苛要求材料、加工与装配，这些“看得见的壁垒”与“看不见的壁垒”形成重重阻碍，在动态优化和先发优势下抬升行业门槛。但是，原有市场天花板低，产业链中表现出偏重资产属性，叠加规模效应带来的毛利变化，使得其他厂商望而却步，最后形成高集中度的优质市场格局。
　　多元需求驱动，谐波减速器市场扩容
　　工业机器人是谐波减速器最主要的下游领域，在机器换人的动力下，工业机器人行业长期向好。一方面，我国十四五规划到2025年机器人产业营业收入年均增速超过20%，制造业机器人密度实现翻番。另一方面，轻负载、精密化是工业机器人未来发展方向，进一步驱动谐波减速器需求提升。根据GGII数据，2021年中国工业机器人谐波减速器需求量为55.25万台，预计在2026年国内工业机器人市场的谐波减速器需求量约为160万台，2021-2026年CAGR为23.73%。行业延拓也将带来谐波减速器的增量空间，向机床渗透是近年来新兴趋势。在机床领域，电机+谐波减速器可用于替代普通机床的直驱电机和CNC第4轴，伴随机床数控化率提升，谐波减速器在机床数控系统中的需求有望持续提升。除新增市场外，作为精密传动件和承重部件，谐波减速器的磨损、损伤、故障不可避免，存量工业机器人、数控机床等也将创造可观的零配件配套及维修需求。此外，人形机器人的潜在需求为谐波减速器提供充分想象空间。若成功实现量产，有望带动谐波减速器需求放量增长。
　　供需缺口与国产替代双机遇，国内厂商蓄势待发
　　随着试验经验逐步积累，国内加工能力渐趋成熟。中国品牌谐波减速器在国内的市场份额正在提升，国内龙头绿的谐波在2021年的销量市占率为24.7%，仅次于哈默纳科的35.5%，国产厂商在当下时点迎来市场机遇：1）需求增长带来产能缺口。在现有扩产规划下，哈默纳科产能或将无法支撑全球需求量，意味着国产厂商将面临更多的补缺机会；2）国产替代、供应链自主可控培育发展沃土。2022年国产工业机器人份额提升至33.56%，外资份额仍然较高，国产谐波减速器的市占率有望随着工业机器人的国产化进程加快而提升。目前，积极扩产成为国产突围的重要信号。近年来国产谐波减速器厂商持续增多，绿的谐波现有产能及扩产幅度最大，其2021年底产能已达30万台/年，扩产规划超100万台/年，其他企业均发力建设谐波减速器产能，随着技术进步及产品性能提升，国产谐波减速器市占率有望快速提升。
　　风险提示
　　1、行业竞争加剧的风险；
　　2、下游需求不及预期的风险。
　　

研究报告全文：行业研究丨深度报告丨机械谐波减速器TableTitle多元需求藏变局国产突围尤可期丨证券研究报告丨报告要点谐波减速器全球市场呈垄断格局日企成为行业寡头从无心插柳到一家独大背后支撑的是TableSummary行业属性厚护城河先发优势在需求侧机器换人需求机床应用延拓等助力谐波减速器市场稳定扩容人形机器人提供充分想象空间伴随着市场扩容市场格局有望迎来新变化在供给侧哈默纳科现有扩产规划或将无法支撑全球需求量国产厂商将面临更多的补缺机会此外受益于下游国产替代下游降本需要等趋势以绿的谐波为代表的国产谐波减速器厂商市占率有望快速提升积极扩产成为国产突围的重要信号分析师及联系人TableAuthor赵智勇曹小敏SACS0490517110001SACS0490521050001请阅读最后评级说明和重要声明227丨证券研究报告丨22023-02-09cj023zqdt11111-02-08机械TableTitle2行业研究丨深度报告谐波减速器多元需求藏变局国产突围尤可期TableRank投资评级看好丨维持TableStockData优势产业地位下初探TableSummary2谐波减速器格局成因市场表现对比图近12个月谐波减速器是对控制系统进行降速减矩精准调节旋转的核心零部件在工业生产中有较为广TableChart机械上证综合指数泛的应用主要应用领域有工业机器人协作机器人以及数控机床等从产品价值来看在工7业机器人中价值量占比约35且较其他零部件具有更高的毛利率先发优势打造高壁垒寡-5-17头专精赛道屏退性价比厂商谐波减速器全球市场呈现垄断集中格局日企成为行业寡头-29哈默纳科在全球谐波减速器市场的市占率达80以上复盘哈默纳科成长历史可知从无心插202222022620221020232柳到一家独大背后支撑的是行业属性厚护城河先发优势复杂的正向数理模型可以迭代资料来源Wind扩充专利壁垒交变的载荷服役场景严苛要求材料加工与装配这些看得见的壁垒与看不见的壁垒形成重重阻碍在动态优化和先发优势下抬升行业门槛但是原有市场天花板相关研究低产业链中表现出偏重资产属性叠加规模效应带来的毛利变化使得其他厂商望而却步TableReport从海外龙头22年经营表现看国内工程机械全最后形成高集中度的优质市场格局球化展望2023-01-31多元需求驱动谐波减速器市场扩容电镀铜跟踪罗博特科与国电投携手电镀铜工业机器人是谐波减速器最主要的下游领域在机器换人的动力下工业机器人行业长期向好产业化有望提速2023-01-31一方面我国十四五规划到2025年机器人产业营业收入年均增速超过20制造业机器人密机械行业2022Q4基金持仓分析持仓占比环度实现翻番另一方面轻负载精密化是工业机器人未来发展方向进一步驱动谐波减速器比持平资金配置集中度有所回落2023-01-30需求提升根据GGII数据2021年中国工业机器人谐波减速器需求量为5525万台预计在2026年国内工业机器人市场的谐波减速器需求量约为160万台2021-2026年CAGR为2373行业延拓也将带来谐波减速器的增量空间向机床渗透是近年来新兴趋势在机床领域电机谐波减速器可用于替代普通机床的直驱电机和CNC第4轴伴随机床数控化率提升谐波减速器在机床数控系统中的需求有望持续提升除新增市场外作为精密传动件和承重部件谐波减速器的磨损损伤故障不可避免存量工业机器人数控机床等也将创造可观的零配件配套及维修需求此外人形机器人的潜在需求为谐波减速器提供充分想象空间若成功实现量产有望带动谐波减速器需求放量增长供需缺口与国产替代双机遇国内厂商蓄势待发随着试验经验逐步积累国内加工能力渐趋成熟中国品牌谐波减速器在国内的市场份额正在提升国内龙头绿的谐波在2021年的销量市占率为247仅次于哈默纳科的355国产厂商在当下时点迎来市场机遇1需求增长带来产能缺口在现有扩产规划下哈默纳科产能或将无法支撑全球需求量意味着国产厂商将面临更多的补缺机会2国产替代供应链自主可控培育发展沃土2022年国产工业机器人份额提升至3356外资份额仍然较高国产谐波减速器的市占率有望随着工业机器人的国产化进程加快而提升目前积极扩产成为国产突围的重要信号近年来国产谐波减速器厂商持续增多绿的谐波现有产能及扩产幅度最大其2021年底产能已达30万台年扩产规划超100万台年其他企业均发力建设谐波减速器产能随着技术进步及产品性能提升国产谐波减速器市占率有望快速提升风险提示1行业竞争加剧的风险更多研报请访问2下游需求不及预期的风险长江研究小程序请阅读最后评级说明和重要声明行业研究深度报告目录广渗透与高价值占据优势产业地位6什么是谐波减速器6高价值量与高渗透奠定产业链中重要地位7龙头垄断初探谐波减速器格局成因9历史复盘从无心插柳到问鼎全球9专利视角从跟跑到并跑设计-材料-加工为主11抽丝剥茧技术壁垒高筑先发优势明显13多元需求驱动谐波减速器市场扩容14核心部件工业机器人行业长期向好14场景延拓横向渗透数控机床19催化放量人形机器人打开想象空间20当前时点为何看好国内厂商22市场机遇产能缺口增大叠加工业机器人国产化提速23国产突围技术先进高性价比积极扩产竞争优势显著24图表目录图1减速器应用场景6图2减速器分类6图3谐波减速器基本构成7图4谐波减速器组合原理图7图5谐波减速器产业链8图6工业机器人成本构成8图7工业机器人产业链不同环节公司毛利率对比8图8全球谐波减速器市场空间呈现龙头垄断格局9图9第一项谐波减速器专利Strainwavegearing10图10哈默纳科的发展历程及其产品主要应用领域变化11图11哈默纳科历年营收及成长驱动因素与产品变迁格局11图12谐波减速器各国及各技术分支专利分布情况12图131955-2019年谐波减速器专利申请构成中总体结构占多数12图141955-2019年谐波减速器全球专利申请量分布情况12图15渐开线齿形及IH齿形啮合图13图16日本与国产柔轮材料微观对比14图172021财年21Q2-22Q2哈默纳科下游应用占比15图18哈默纳科分季度下游应用占比及机器人应用同比情况15图192017-2019年绿的谐波产品下游应用领域15图202021年绿的谐波产品下游应用领域15图21全球及各国工业机器人密度台万人16请阅读最后评级说明和重要声明427行业研究深度报告图22国内工业机器人销量占全球比例逐年升高17图23工业机器人销售额及增速17图242020-2022年工业机器人分行业销量及复合增速17图252018-2022年中国各类工业机器人出货量复合增速18图26中国协作机器人出货情况18图272015-2021年国内工业机器人减速器需求情况19图282021年国内工业机器人减速器需求结构台数19图292021-2026年国内工业机器人领域减速器需求量预估19图30国内新增金属切削机床的数控化率稳步提升20图31日本机床数控化率较高20图32Optimus机器人应用场景21图33特斯拉人形机器人外形与驱动机构21图34特斯拉人形机器人时间线22图35我国谐波减速器行业发展较日本推迟近50年22图36国内谐波减速器销量竞争格局2020年22图37国内谐波减速器销量竞争格局2021年22图382021财年21Q2-22Q2哈默纳科来自各地区的营收占比23图392022年四大家族在中国工业机器人市场市占率为39624图402019-2022年中国工业机器人市场份额变化24图41P齿形齿宽大齿高低25图42柔轮刚轮轴承方面国内外互有胜负25图43国内谐波减速器企业毛利率高于哈默纳科26表1两种精密减速器在工业机器人中的应用对比6表2哈默纳科基本部件使用材料14表3十三五与十四五机器人产业发展规划对比16表4单个工业机器人所需精密减速器数量18表5哈默纳科谐波减速器扩产规划台月23表6二十大着重强调供应链安全促使谐波减速器行业需求扩张24表7国内产品各项参数指标达国际先进水平25表8国内企业谐波减速器发展情况及产能布局26请阅读最后评级说明和重要声明527行业研究深度报告广渗透与高价值占据优势产业地位什么是谐波减速器减速器类似于工业机械的肌腱对于每一个以轴为中心转动的机器关节减速器可以精准调节机器转动角度从原理上来看关节处利用电机实现转动但电机功率有限转速很高这带来两个问题电机直接输出的扭矩较小无法承受负载机器人关节转动不需要电机那样的高转速因此通常需要在电机的输出端安装减速器从而降低转速提升扭矩同时在电机转动精度受限的情况下通过角速度的调节也实现了精准控制角度的需求减速器可按照控制精度分为一般传动减速器和精密减速器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传递转矩的作用其中一般传动减速器控制精度相对较低仅仅能够满足机械设备基本的动力传动需求而精密减速器具有回程间隙小精度较高使用寿命长更加可靠稳定的优点并且已经从工业机器人领域渗透到机器人数控机床等高端领域精密减速器种类较多包括谐波减速器RV减速器摆线针轮行星减速器精密行星减速器等一般应用于机器人领域的精密减速器特指谐波减速器和RV减速器图1减速器应用场景图2减速器分类精密减速器RV减速器谐波减速器行星减速器一般传动减速器齿轮减速器资料来源苏州东茂官网长江证券研究所资料来源双环传动国贸股份绿的谐波招股说明书长江证券研究所相比RV谐波减速器应用领域更精细由于传动原理和结构等技术特点差异使得谐波减速器与RV减速器在下游产品及应用领域方面各有所侧重相辅相成应用于不同场景和终端行业精密减速器中相对于RV减速器谐波减速器结构更简单质量和体积更小单级传动比和精密度更高在机器人领域具有无可替代的地位表1两种精密减速器在工业机器人中的应用对比比较内容RV减速器谐波减速器产品外形通过柔轮的弹性变形传递运动主要由柔轮刚轮波发生器三通过多级减速实现传动一般由行星齿轮减速器的前级技术特点个核心零部件组成与RV及其他精密减速器相比谐波减速器使和摆线针轮减速器的后级组成组成的零部件较多用的材料体积及重量大幅度下降请阅读最后评级说明和重要声明627行业研究深度报告产品性能大体积高负载能力和高刚度体积小传动比高精密度高应用场景一般应用于多关节机器人中机座大壁肩部等重负载的位置主要应用于机器人小譬腕部或手部汽车运输港口码头等行业中通常使用3C半导体食品注塑模具医疗等行业中通常使用终端领域配有RV减速器的重负载机器人由谐波减速器组成的30kg负载以下的机器人价格区间5000-8000元台1000-5000元台资料来源绿的谐波招股说明书长江证券研究所谐波减速器采用从波发生器到可以形变的柔轮再到真正输出功率的刚轮的传导方式而从结构上来看谐波齿轮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其与刚轮的相互作用实现运动和动力传递的传动装置其构造主要由带有内齿圈的刚性齿轮刚轮带有外齿圈的柔性齿轮柔轮波发生器三个基本构件组成图3谐波减速器基本构成图4谐波减速器组合原理图波发生器柔轮刚轮资料来源清泽秀芳支撑机电机器人的精密减速机谐波驱动长江证券研究资料来源清泽秀芳支撑机电机器人的精密减速机谐波驱动长江证券研究所所高价值量与高渗透奠定产业链中重要地位谐波减速器位于行业上游广泛渗透于从加工制造到终端应用场景的整个工业体系目前国内谐波减速器下游最大的应用场景就是工业机器人此外非机器人领域也为谐波减速器带来新的需求增量比如数控机床光伏设备航天器以及医疗器械等领域请阅读最后评级说明和重要声明727行业研究深度报告图5谐波减速器产业链原材料与制造设备零部件下游应用工业机器协作机器人人轴承钢材检具刀具数控机床光伏设备其他医疗器械航天器等资料来源绿的谐波招股说明书长江证券研究所机器人核心零部件主要包括精密减速机交流伺服电机控制器精密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伺服电机在自动控制系统中用作执行元件把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出机器人每个关节运动均需靠伺服电机驱动以实现多自由度的运动控制器是工业机器人的大脑对机器人的性能起着决定性的影响工业机器人控制器主要控制机器人在工作空间中的运动位置姿态和轨迹操作顺序及动作的时间等核心零部件占据整机70左右的成本谐波减速器技术难度与盈利能力均处于产业链上游水平三大零部件是产业链中技术壁垒较高成本占比较大的环节从技术上来看三大核心零部件的技术门槛由高至低依次为减速器伺服电机和控制器从成本上来看减速器占整机成本超过三分之一约35伺服约占整机成本约23控制器约占整机约12从盈利水平看谐波减速器的毛利率也相对较高基本能够维持在50以上高于伺服系统控制器机器人本体及系统集成毛利率图6工业机器人成本构成图7工业机器人产业链不同环节公司毛利率对比7060504030减速器3530伺服系统20控制器10机器人本体及其他0122017201820192020202123绿的谐波谐波减速器埃斯顿本体和系统集成固高科技伺服驱动器英威腾电机控制器资料来源高工机器人长江证券研究所资料来源Wind长江证券研究所请阅读最后评级说明和重要声明827行业研究深度报告龙头垄断初探谐波减速器格局成因从竞争格局来看全球谐波减速器市场呈现高度集中状态在全球谐波减速器市场格局中哈默纳科全球市场占有率在82左右绿的谐波占比7其他厂商占比约11总体上日本在谐波减速器领域具备领先优势包括ABB发那科库卡等国际主流机器人本体厂商的谐波减速器均主要由哈默纳科提供在如此高毛利和高价值量的产业链地位下我们认为壁垒高筑和先发优势是形成高度垄断市场格局的根本原因图8全球谐波减速器市场空间呈现龙头垄断格局117哈默纳科绿的谐波其他82资料来源机器人技术网长江证券研究所历史复盘从无心插柳到问鼎全球独创金属柔性元件开启驱动领域新赛道20世纪50年代中期美国发明家马瑟在薄壳弹性变形理论基础上应用金属的挠性弹性力学等原理提出一种新型谐波传动技术这种崭新构想与独特原理被马瑟以Strainwavegearing的名称发表根据专利图示最初的谐波减速器齿形为直三角锥形请阅读最后评级说明和重要声明927行业研究深度报告图9第一项谐波减速器专利Strainwavegearing资料来源美国专利局长江证券研究所1960年美国USM公司首次将谐波传动减速器成功投入运用1964年长谷川齿轮株式会社从美国USM公司引进全套技术获得了USM的生产许可1970年10月长谷川与USM各出资50在东京成立了HarmonicDriveSystemsInc汉译哈默纳科专门从事谐波减速器的生产最初谐波驱动仅应用于航空航天和国防领域伴随着工业机器执行器由液压驱动转变为电动谐波减速机应用领域逐渐拓宽20世纪80年代开始日本机器人开始快速发展日本从机器人需求大国发展为生产制造强国而谐波减速器独有的结构特征使其具有回差小运动精度高传动比大体积小重量轻等优点因此谐波减速机产品在日本国内需求迅速增长谐波减速器的应用领域也伴随着哈默纳科等公司的发展逐步拓展至工业机器人机床半导体等行业后续又渗透向医疗环境等领域目前为止工业机器人仍然是哈默纳科最主要的下游领域请阅读最后评级说明和重要声明1027行业研究深度报告图10哈默纳科的发展历程及其产品主要应用领域变化马瑟发明谐波减长谷川齿轮从USM公司引进技术应用于哈勃太空望远镜和火星探路者等外科机器人测量机和半导体生产速器并注册专利开始国内生产液压驱动转变为电动设备领域的应用迅速增加19551960196419701970s1980s1990s2000-至今NASA十分重视设立哈默纳科应用范围扩展至工业机器人和机床探索医疗环境驱动月球车的车轮生产谐波减速器装置谐波传动成为精确定位驱动等下一代产品资料来源哈默纳科官网长江证券研究所先发优势技术升级造就高壁垒寡头哈默纳科在公司创立的50年时间里在产品技术方面持续投入和积累实现了技术的不断突破并铸造了行业高壁垒1970年至今哈默纳科在持续推出新产品系列的同时不断提升产品的各项性能使其最大化满足下游客户的需求拓宽使用场景提供使用便利从哈默纳科产品线的发展历程来看谐波减速机的强度刚度精度小型化轻量化等产品基础性能以及结构中空化机电一体化等产品易用性是改进的重点哈默纳科积极通过多种途径实现产品和技术进步包括与客户的长期互相指导通过产官学三结合进行技术开发及公司内部营业开发生产3部门团结一致发展新技术通过替换柔轮制作材料公司谐波减速机的柔轮疲劳强度得到增强从渐开线齿形到IH齿形的改进使谐波减速机成功突破了扭矩容量和扭转刚度的局限是哈默纳科产品里程碑式的一次升级哈默纳科1986年所开发柔轮杯部向外敞开的SH型中空结构谐波减速机是哈默纳科产品系列的又一大进步通过改进加工设备加入支撑轴承结构哈默纳科有效减少了加工误差及变形误差实现了产品的高精度和统一化提高角度传递精度产品将应用于需要高定位精度或具备微小角度定位的各类装置图11哈默纳科历年营收及成长驱动因素与产品变迁格局CS系列CSSSHF系列CSFSHF系列CSGSHG系列CSDSHD系列FBFD系列LWGH系列产品布局引进全套技术替换柔轮材料齿形修正FEM技术数控机床柔轮形状有限元支撑轴承结构金属切割精密技术概念化标准化疲劳强度增强突破扭转局限适应新领域紧凑性便利性减少误差结构集成易组装纺织化纤钢铁造船炼化汽车机械电器微电子和IT环保医疗需求变化160020000014001800001600001200140000100012000080010000060080000600004004000020020000001991199219931994199519961997199819992000200120022003200420052006200720082009201020112012201320142015201620172018201920202021哈默纳科营业收入百万元哈默纳科资本支出百万元日本机器人销售额百万元右轴日本半导体设备销售额百万元右轴资料来源BloombergWind哈默纳科官网哈默纳克年报支撑机电机器人的精密减速机谐波驱动清泽秀芳长江证券研究所专利视角从跟跑到并跑设计-材料-加工为主谐波减速器技术相关专利的申请经历了萌芽期1955-1976年发展期1977-2010年和快速成长期2011年-至今1976年以前专利申请国主要是美国等但申请数量请阅读最后评级说明和重要声明1127行业研究深度报告较少在发展期谐波减速器技术的专利申请数量呈现增长趋势各国对谐波减速器的产业布局也逐渐清晰在快速成长期谐波减速器的市场需求伴随着机器人产业的发展快速扩大专利申请数量呈现指数型高速增长态势图12谐波减速器各国及各技术分支专利分布情况萌芽期1954-1976发展期1977-2010快速成长期资料来源原誉桐谐波减速器技术专利分析研究长江证券研究所谐波减速器技术按基本构成可分为总体结构波发生器柔轮加工制造刚轮凸轮齿形柔性轴承交叉滚子轴承和试验方法等10个部分其中研发重点主要在于总体结构发生器柔轮和加工制造等几个环节从专利壁垒的角度看全球龙头哈默纳科的优势明显1955-2019年哈默纳科无论是专利申请累计总数远远领先其余谐波减速器厂商这更进一步说明谐波减速器是技术密集型行业短期内竞争格局很难发生较大变化国产替代是一个长期的过程图131955-2019年谐波减速器专利申请构成中总体结构占多数图141955-2019年谐波减速器全球专利申请量分布情况411总体结构5哈默纳科315波发生器绿的谐波425来福谐波38柔轮捷太格特35上银科技25加工制造638鑫君传动21莫斯科鲍曼21刚轮USM2011凸轮鑫拓机械17住友机械16齿形帝人制机16中技克美1514试验方法爱信精机1415美国联合机器14柔性轴承南京信工大学13050100150200250300350交叉滚子轴承资料来源原誉桐谐波减速器技术专利分析研究长江证券研究所资料来源原誉桐谐波减速器技术专利分析研究长江证券研究所请阅读最后评级说明和重要声明1227行业研究深度报告抽丝剥茧技术壁垒高筑先发优势明显齿形设计柔轮强度组合结构优化加工制造等要素构成谐波减速器的核心技术壁垒总体来看谐波减速器技术壁垒较高要达到较高的使用精度和寿命需要在齿形设计柔轮强度组合结构优化加工制造等方面积累深厚要求生产企业在基础材料设计加工设备等方面均具有较深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在谐波齿轮传动的过程中齿形设计占据着柔轮和刚轮零部件的关键位置谐波传动技术发明者马瑟于20世纪50年代提出的齿形为直线三角齿形压力角286由于其忽略了因柔轮变形引起的曲率变化所导致的齿形偏转这一因素因而不是其真实的齿形同时在实践中也给加工制造和刀具设计等带来很大的麻烦随后出现了经典的30压力角渐开线齿形虽然该齿形优于直线齿形但由于在空载时柔轮齿形包络在一个不大的区域在负载时容易出现尖点啮合与边缘接触渐开线齿形的齿底弯曲应力比较集中同时啮合齿数仅为总齿数的10左右导致谐波减速器的强度极限不高哈默纳科进一步改良后的齿形称为IH齿形可大幅增加啮合齿数同时啮合齿数增大到总齿数的约30并且齿底应力缓冲的效果也一致大大提高了谐波减速器的齿底疲劳极限另外由于同时啮合齿数大幅度增加拉伸刚性也改善了约2倍图15渐开线齿形及IH齿形啮合图压力角30渐开线齿形IH齿形渐开线齿形啮合IH齿形啮合资料来源清泽秀芳支撑机电机器人的精密减速机谐波驱动长江证券研究所齿形柔轮材料等影响柔轮强度尤其柔轮材料晶粒不均匀会造成局部微裂纹以及失效由于减速器本身各零件的加工精度装配间隙扭转刚度等因素的影响因此至今还没有统一的柔轮强度计算方法在材料方面传统的柔轮材料一般为合金钢因而容易产生噪声与振动当速度越高时噪声与振动越明显哈默纳科在柔轮材料上使用疲劳强度大的特殊钢并且同时啮合齿数比例达到30材料和齿形的双优化使得每个齿轮所承受的压力变小转矩容量变高从柔轮材料的光学显微镜照片可以观察到日本哈默纳科的柔轮材料细化程度与稳定性方面仍然优于国产请阅读最后评级说明和重要声明1327行业研究深度报告图16日本与国产柔轮材料微观对比国产柔轮哈默纳科柔轮资料来源解恒鹏谐波减速器特殊钢材质柔轮的组织和力学性能分析长江证券研究所波发生器也是谐波减速器中的关键部件之一其主要元件包括柔性薄壁轴承和波发生器凸轮柔性轴承是波发生器的核心部件在工作中柔性轴承通过其弹性变形使减速机达到高减速比的性能要求在循环交变载荷作用下极易发生疲劳失效其疲劳寿命决定着波发生器的寿命进而决定着整个减速器的使用寿命影响零部件疲劳性能的主要因素包括尺寸表面形状平均应力等通常可通过材料结构尺寸的优化以及表面强化处理表面防护措施加工方式的改进等方法进行改良在结构方面哈默纳科对壳体和波发生器采用了铝等轻质合金并且减少了刚轮的外缘尺寸同时对连接部件进行优化使得整机得以轻量化在航空航天领域得以广泛应用国内绿的谐波生产的超扁平系列谐波减速器柔轮的长径比可达13体积小质量轻非常适合于对减速器有苛刻厚度要求的场合使用在加工精度方面在谐波传动装置中柔轮与波发生器最为复杂主要是这两个元件的加工相对困难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目前对于柔轮刚轮齿型的加工方法除了传统的滚齿和插齿外高速滚插齿和精密慢走丝等新的加工方法也被采用表2哈默纳科基本部件使用材料基本部件使用材料刚轮FCD80球墨铸铁柔轮SNCM439合金钢波形轴承SUJ2号轴承钢波形插座45C碳钢轴承承托玻璃纤维增强尼龙66资料来源丰飞空间高精度谐波减速器的应用及其发展趋势长江证券研究所多元需求驱动谐波减速器市场扩容核心部件工业机器人行业长期向好在全球市场机器人为谐波减速器主要下游行业由于哈默纳科在全球谐波减速器市场占据主导地位因此其产品下游基本可代表全球谐波减速器的应用情况从哈默纳科请阅读最后评级说明和重要声明1427行业研究深度报告2021财年营收数据来看其产品下游517是机器人领域另有483下游为非机器人领域包括半导体设备150车载65电机齿轮箱54和机床39等领域图172021财年21Q2-22Q2哈默纳科下游应用占比图18哈默纳科分季度下游应用占比及机器人应用同比情况1001609012080机器人7080148半导体设备604065500平板显示设备403930-40电机制造用齿轮箱2051710-8054机床工具0-12029150车载18Q118Q218Q318Q419Q119Q219Q319Q420Q120Q220Q320Q421Q121Q221Q321Q422Q122Q222Q3其他机器人半导体设备平板显示设备电机制造用齿轮箱机床工具车载其他机器人同比右轴资料来源哈默纳科官网长江证券研究所资料来源哈默纳科官网长江证券研究所在国内市场工业机器人同样是谐波机器人最主要的应用领域根据绿的谐波招股说明书其产品在2017-2019年的下游应用中机器人包括多关节机器人协作机器人SCARADELTA服务机器人AGV及巡检机器人应用占比达794高端数控机床应用占比752021年绿的谐波在机器人行业的营业收入占总营收的比例为810总体上绿的谐波产品主要集中在以工业机器人为主的自动化领域且机器人与机床的应用占比高于哈默纳科这与国内近年来的自动化趋势息息相关图192017-2019年绿的谐波产品下游应用领域图202021年绿的谐波产品下游应用领域多关节机器人101008103220协作机器人530332SCARA40AGV及巡检机器人10109服务机器人机器人7520362DELTA机械装备高端数控机床数控机床31医疗器械47非标自动化医疗器械半导体设备810其他行业324工业机械手光伏制造设备航空航天其他资料来源绿的谐波招股说明书长江证券研究所资料来源Wind长江证券研究所随着人口老龄化程度持续加深企业招工越来越困难制造业工人工资逐年增长导致劳动力短缺和劳动力成本上升催生机器换人的需求根据IFR数据2021年全球工业机器人密度工业机器人保有量制造业就业人数约为141台万人且处于持续上升状态其中排名第一的韩国已达1000台万人经验证IFR公布的中国工业机器人密度明显高于实际情况或因未考虑私营企业和个体制造业人数导致用于计算的制造业就业人数偏低经过矫正2021年中国工业机器人密度约为121台万人较韩国新加坡日本德国等国仍有不小差距说明我国工业机器人市场发展空间较大请阅读最后评级说明和重要声明1527行业研究深度报告图21全球及各国工业机器人密度台万人100080060040020002015201620172018201920202021韩国新加坡日本德国瑞典美国斯洛文尼亚瑞士丹麦中国矫正后全球资料来源IFR长江证券研究所十四五机器人产业发展规划提出要重点解决关键零部件卡脖子问题并不断提升高端供给能力对比来看十三五期间总体发展目标是形成较为完善的机器人产业体系发展侧重点上升了一个阶段规划提出要推动用产学研联合攻关提升机器人关键零部件的功能性能和可靠性这将继续支撑中国工业机器人领域关键零部件卡脖子技术的研发提升高端供给能力规划提出到2025年机器人产业营业收入年均增速超过20制造业机器人密度实现翻番将为工业机器人带来更广阔的市场空间表3十三五与十四五机器人产业发展规划对比十三五机器人产业发展规划十四五机器人产业发展规划时间2016-20202021-2025形成较为完善的机器人产业体系技术创新能力和一批机器人核心技术和高端产品取得突破整机综合指标达到国际先国际竞争能力较为明显增强产品性能和质量进水平关键零部件性能和可靠性达到国际同类产品水平达到国际同类水平关键零部件取得重大突破实现自主品牌工业机器人年产量达到10万台机器人产业营业收入年均增速超过20六轴及以上工业机器人年产量达到5万台以上发展目标培育3家以上具有国际竞争力的龙头企业形成一批具有国际克争力的领军企业及一大批创新能力强成长性好打造5个以上机器人配套产业集群的专精特新小巨人企业建成35个有国际影响力的产业集群完成30个以上典型领域机器人综合应用解决方案并形成相应的标准和规范实现机器人在重点行业的制造业机器人密度实现翻番规模化应用机器人密度达到150以上推进重大标志性产品率先突破大力发展机器人关键零部件提高产业创新能力夯实产业发展基础增加高端产品供给拓展应主要任务强化产业创新能力着力推进应用示范积极培育龙头企业用深度广度优化产业组织结构资料来源国家发改委工信部长江证券研究所中国是全球工业机器人密度增长的主要驱动市场我国已经连续9年成为全球最大的工业机器人消费国根据中国机器人产业发展报告2022年2021年我国工业机器人市场规模约75亿美元约484亿元人民币占全球市场规模的432017-2021年国内销售额CAGR约为13报告预测到2024年全球中国工业机器人市场规模可达230115亿美元销量方面根据IFR数据中国市场工业机器人销量占全球比例逐年升高由2011年的136提升至2021年的5182021年中国市场全球市场工业机器人销量分别为268万台517万台请阅读最后评级说明和重要声明1627行业研究深度报告图22国内工业机器人销量占全球比例逐年升高图23工业机器人销售额及增速600602503050050200204004015010300301000200201001050-10000-2020112012201320142015201620172018201920202021201720182019202020212022E2023E2024E全球年度销量千台中国年度销量千台全球亿美元中国亿美元中国销量占比右轴全球-增速右轴中国-增速右轴资料来源IFR长江证券研究所资料来源中国机器人产业发展报告2022年长江证券研究所近年来工业机器人下游行业中新能源相关行业发展旺盛20-22年锂电池行业复合增速达7840已成为第二大下游行业光伏行业复合增长3887同时新兴工业市场需求大幅增长汽车电子半导体医疗用品行业复合增速分别达611452524074随着新能源行业趋势向好锂电光伏需求仍将保持高速增长以及一般工业应用领域不断深入非工业领域应用的拓展工业机器人各下游行业会持续发展图242020-2022年工业机器人分行业销量及复合增速电子1101汽车零部件3142锂电池7840汽车整车2449金属制品2756食品饮料2599光伏38872022家用电器50502020仓储物流1187汽车电子6114医疗用品4074化学制品3089半导体5252其他1787资料来源MIR长江证券研究所在机器人细分品类中轻型机器人增速较快小型化趋势明显在工业机器人领域自由度是衡量工业机器人技术水平的主要指标之一通常每个自由度需要一个伺服电机驱动以及一个配套减速器来传动以完成精确驱动的要求工业机器人的自由度数根据其用途与功能要求而不同比如一般通用工业机器人有4-6个自由度即每台通用工业机器人需要配套4-6个减速器小关节数量越多所需的谐波减速器数量就越大历史上汽车产业对于机器人的需求占比最高其需求载荷较高普遍在30kg以上近几请阅读最后评级说明和重要声明1727行业研究深度报告年对于机器人的需求特征为轻负载高精度轻型化需求较为明显2018-2022年Delta增速最慢但协作机器人的复合增速达561一定程度上驱动了机器人产业二次爆发协作机器人是一种新型工业机器人旨在与人类共享工作空间为全手动和全自动的生产模式之间搭建了桥梁能够协助生产人员完成危险繁重的工作提升生产效率相比传统工业机器人更小型化和轻量化此前工厂中的工业机器人都有安全围栏将它们与人工操作隔开但由于空间和安装成本的要求中小企业很难安装工业机器人协作机器人得益于其较高的灵活性安全性和易用性等技术特点近年来呈现快速发展态势此外协作机器人价格下行加速用户导入门槛进一步降低不少企业推出经济型协作产品以抢占市场资本助力协作机器人市场进一步拉动市场发展图252018-2022年中国各类工业机器人出货量复合增速图26中国协作机器人出货情况25000120DeltaCAGR9520000100协作型机器人CAGR5618015000SCARACAGR238601000040大六轴机器人CAGR2325000CAGR17120小六轴机器人0002000040000600008000010000012000020172018201920202021202220182022中国协作机器人出货量台同比增长右轴资料来源MIR长江证券研究所资料来源MIR长江证券研究所小负载机器人对于谐波减速器的需求更高根据绿的谐波招股说明书每台六轴多关节机器人需要搭配6台精密减速器其中10kg以下负载的机器人需要6个谐波减速器10-30kg负载的机器人小臂手腕关节可以采用谐波减速器30kg负载以上的机器人在其轻负荷的末端关节上也能使用谐波减速器此外协作机器人单台设备则需使用6-7台谐波减速器并联机器人单台设备需使用3台谐波减速器SCARA机器人单台设备使用2-3台谐波减速器随着谐波减速器的技术进步以及轻负载多关节机器人市场占比提升平均每台设备使用谐波减速器数量也会相应增加表4单个工业机器人所需精密减速器数量机器人类型谐波减速器单位用量小六轴机器人3-6台大六轴机器人0-3台SCARA2-3台Delta3台协作型机器人6-7台资料来源绿的谐波招股说明书长江证券研究所2021年国内工业机器人领域的谐波减速器需求量为5525万台与RV减速器需求比例为1461GGII数据显示2021年中国工业机器人减速器总需求量为9311万台含RV和谐波同比增长7806其中增量需求8241万台同比增长9505存量替换量为1070万台同比增长657细分来看2021年中国工业机器人谐波减速器与RV减速器需求量分别为5525万台与3786万台谐波减速器与RV减速器的需求比例约为5941请阅读最后评级说明和重要声明1827行业研究深度报告图272015-2021年国内工业机器人减速器需求情况10090901070808070706060505010044010124011568958241303013072020887422510319637283521101743213500-102015201620172018201920202021增量需求万台存量替换需求万台总需求量增速右轴资料来源GGII长江证券研究所根据GGII预测到2026年国内工业机器人市场减速器总需求量有望超过270万台2021-2026年CAGR为2373假设在谐波减速器和RV减速器的需求占比维持2021年不变的情况下2026年国内工业机器人市场的谐波减速器需求量约为160万台图282021年国内工业机器人减速器需求结构台数图292021-2026年国内工业机器人领域减速器需求量预估30027025020041150谐波减速器9311100RV减速器5950020212026E中国工业机器人市场减速器需求万台资料来源GGII长江证券研究所资料来源GGII长江证券研究所场景延拓横向渗透数控机床除了工业机器人的基本盘行业延拓也将带来谐波减速器的增量空间向机床渗透是近年来新兴趋势在数控机床领域数控机床传动来自于伺服电机随着工业技术的进步电机一直在朝着精密高效控制简单等方向创新但因机床本身加工负载进给系统条件差异颇大需要额外附加减速器来增加扭矩提高负载端惯量匹配基于谐波减速器体积小精度高传动效率高的特点高档数控机床的生产和制造过程中开始逐渐使用谐波减速器替代一些电驱零部件以减轻数控机床伺服马达负荷降低机械故障率提高精密度进而增加机械寿命机床数控化是机床行业的升级趋势根据国家统计局数据我国2021年新生产金属切削机床的数控化率仅为405而德美日数控化率在70以上我国机床行业数控化水平与发达国家仍存在较大差距请阅读最后评级说明和重要声明1927行业研究深度报告此前行星减速器较为普遍被用于机床数控系统与之相比谐波减速器体积更小质量更小精度更高未来随着数控机床的精密操作要求越来越高谐波减速器在机床数控系统中的需求有望持续提升图30国内新增金属切削机床的数控化率稳步提升图31日本机床数控化率较高100508000084804083600006030834020400008220108220000008108119992000200120022003200420052006200720082009201020112012201320142015201620172018201920202021201920202021数控金属切削机床产量万台金属切削机床产量万台日本机床产量台日本数控机床产量台数控化率右轴日本机床数控化率产量口径资料来源国家统计局长江证券研究所资料来源日本机床工业协会长江证券研究所根据绿的谐波招股说明书单台加工中心及数控铣床可使用4台以上精密减速器数控车床及车削中心数字磨床及放电加工机等可使用3台以上精密减速器目前高精度数控回转台和加工中心的四或五轴需要使用1-2台谐波减速器雕刻机的分度回转装置以及义齿加工机等也需要使用谐波减速器总体上以机床为代表的非机器人领域在国内谐波减速器市场的应用占比呈升高趋势将逐渐趋近全球谐波减速器需求结构随着工业机器人数控机床等下游行业的不断发展减速器的市场需求不断增长除上述新增市场外作为精密传动件和承重部件谐波减速器的磨损损伤故障不可避免存量工业机器人数控机床等也将创造可观的零配件配套及维修需求催化放量人形机器人打开想象空间2021年8月20日马斯克在首届特斯拉人工智能日AIDAY上首次发布特斯拉人形机器人TeslaBot计划正式宣布进军机器人领域2022年10月1日特斯拉AIDay上人形机器人的第一批生产打算用于那些危险无聊重复以及人们不情愿去做的工作比如在特斯拉工厂周围移动部件或用扳手给汽车安装螺栓并且表示起码在两年内可以生产出有实际用途的产品且价格预计比制造一辆车的价格更便宜按照马斯克的设想未来机器人还可以用于家庭做饭修剪草坪和照顾老人乃至成为人类的伙伴或伴侣请阅读最后评级说明和重要声明2027