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諧波減速器行業:多元需求藏變局,國產突圍尤可期

發布時間:2023-02-27 | 來源: | 作者:
   什么是諧波減速器?

  減速器類似于工業機械的“肌腱”,對于每一個以軸為中心轉動的機器“關節”,減速器 可以精準調節機器轉動角度。從原理上來看,關節處利用電機實現轉動,但電機功率有限,轉速很高,這帶來兩個問題:電機直接輸出的扭矩較小,無法承受負載;機器人關 節轉動不需要電機那樣的高轉速。因此,通常需要在電機的輸出端安裝減速器,從而降 低轉速,提升扭矩。同時在電機轉動精度受限的情況下,通過角速度的調節也實現了精 準控制角度的需求。 減速器可按照控制精度分為一般傳動減速器和精密減速器。減速器是連接動力源和執行 機構的中間機構,具有匹配轉速、傳遞轉矩的作用。其中一般傳動減速器控制精度相對 較低,僅僅能夠滿足機械設備基本的動力傳動需求。而精密減速器具有回程間隙小、精度較高、使用壽命長,更加可靠穩定的優點,并且已經從工業機器人領域滲透到機器人、 數控機床等高端領域。精密減速器種類較多,包括諧波減速器、RV 減速器、擺線針輪 行星減速器、精密行星減速器等,一般應用于機器人領域的精密減速器特指諧波減速器 和 RV 減速器。

  相比 RV,諧波減速器應用領域更精細。由于傳動原理和結構等技術特點差異,使得諧 波減速器與 RV 減速器在下游產品及應用領域方面各有所側重、相輔相成,應用于不同 場景和終端行業。精密減速器中,相對于 RV 減速器,諧波減速器結構更簡單,質量和 體積更小,單級傳動比和精密度更高,在機器人領域具有無可替代的地位。

  諧波減速器采用從波發生器到可以形變的柔輪,再到真正輸出功率的剛輪的傳導方式。 而從結構上來看,諧波齒輪減速器是一種靠波發生器使柔輪產生可控的彈性變形波,通 過其與剛輪的相互作用,實現運動和動力傳遞的傳動裝置,其構造主要由帶有內齒圈的 剛性齒輪(剛輪)、帶有外齒圈的柔性齒輪(柔輪)、波發生器三個基本構件組成。

  高價值量與高滲透奠定產業鏈中重要地位

  諧波減速器位于行業上游,廣泛滲透于從加工制造到終端應用場景的整個工業體系。目 前國內諧波減速器下游最大的應用場景就是工業機器人。此外非機器人領域也為諧波減 速器帶來新的需求增量,比如數控機床、光伏設備、航天器以及醫療器械等領域。

  機器人核心零部件主要包括精密減速機、交流伺服電機、控制器。精密減速器是連接動 力源和執行機構的中間機構,具有匹配轉速和傳遞轉矩的作用。伺服電機在自動控制系 統中,用作執行元件,把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。機 器人每個關節運動均需靠伺服電機驅動,以實現多自由度的運動。控制器是工業機器人 的大腦,對機器人的性能起著決定性的影響。工業機器人控制器主要控制機器人在工作 空間中的運動位置、姿態和軌跡,操作順序及動作的時間等。 核心零部件占據整機 70%左右的成本,諧波減速器技術難度與盈利能力均處于產業鏈 上游水平。三大零部件是產業鏈中技術壁壘較高、成本占比較大的環節。從技術上來看, 三大核心零部件的技術門檻由高至低依次為減速器、伺服電機和控制器;從成本上來看, 減速器占整機成本超過三分之一(約 35%),伺服約占整機成本約 23%,控制器約占整 機約 12%。從盈利水平看,諧波減速器的毛利率也相對較高,基本能夠維持在 50%以 上,高于伺服系統、控制器、機器人本體及系統集成毛利率。

  龍頭壟斷:初探諧波減速器格局成因

  從競爭格局來看,全球諧波減速器市場呈現高度集中狀態,在全球諧波減速器市場格局 中,哈默納科全球市場占有率在 82%左右,綠的諧波占比 7%,其他廠商占比約 11%。 總體上,日本在諧波減速器領域具備領先優勢,包括 ABB、發那科、庫卡等國際主流機 器人本體廠商的諧波減速器均主要由哈默納科提供。在如此高毛利和高價值量的產業鏈 地位下,我們認為壁壘高筑和先發優勢是形成高度壟斷市場格局的根本原因。

  歷史復盤:從無心插柳到問鼎全球

  獨創金屬柔性元件,開啟驅動領域新賽道。20 世紀 50 年代中期,美國發明家馬瑟在薄 殼彈性變形理論基礎上,應用金屬的撓性、彈性力學等原理提出一種新型諧波傳動技術。

  1960 年美國 USM 公司首次將諧波傳動減速器成功投入運用,1964 年,長谷川齒輪株 式會社從美國 USM 公司引進全套技術,獲得了 USM 的生產許可。1970 年 10 月,長 谷川與 USM 各出資 50%,在東京成立了 Harmonic Drive Systems Inc.,漢譯哈默納 科,專門從事諧波減速器的生產。最初諧波驅動僅應用于航空航天和國防領域,伴隨著 工業機器執行器由液壓驅動轉變為電動,諧波減速機應用領域逐漸拓寬。 20 世紀 80 年代開始日本機器人開始快速發展,日本從機器人需求大國發展為生產制造 強國,而諧波減速器獨有的結構特征使其具有回差小、運動精度高、傳動比大、體積小、 重量輕等優點,因此諧波減速機產品在日本國內需求迅速增長,諧波減速器的應用領域 也伴隨著哈默納科等公司的發展逐步拓展至工業機器人、機床、半導體等行業,后續又 滲透向醫療、環境等領域。目前為止,工業機器人仍然是哈默納科最主要的下游領域。

  先發優勢,技術升級造就高壁壘寡頭。哈默納科在公司創立的 50 年時間里,在產品、 技術方面持續投入和積累,實現了技術的不斷突破,并鑄造了行業高壁壘。1970 年至 今,哈默納科在持續推出新產品系列的同時不斷提升產品的各項性能,使其最大化滿足 下游客戶的需求,拓寬使用場景,提供使用便利。從哈默納科產品線的發展歷程來看, 諧波減速機的強度、剛度、精度、小型化、輕量化等產品基礎性能以及結構中空化、機 電一體化等產品易用性是改進的重點。 哈默納科積極通過多種途徑實現產品和技術進步,包括與客戶的長期互相指導、通過產 官學三結合進行技術開發及公司內部營業、開發、生產 3 部門團結一致發展新技術。通 過替換柔輪制作材料,公司諧波減速機的柔輪疲勞強度得到增強。從漸開線齒形到 IH 齒 形的改進使諧波減速機成功突破了扭矩容量和扭轉剛度的局限,是哈默納科產品里程碑 式的一次升級。哈默納科 1986 年所開發柔輪杯部向外敞開的 SH 型中空結構諧波減速 機,是哈默納科產品系列的又一大進步。通過改進加工設備、加入支撐軸承結構,哈默 納科有效減少了加工誤差及變形誤差,實現了產品的高精度和統一化,提高角度傳遞精 度,產品將應用于需要高定位精度或具備微小角度定位的各類裝置。

  專利視角:從跟跑到并跑,“設計-材料-加工”為主

  諧波減速器技術相關專利的申請經歷了萌芽期(1955-1976 年)、發展期(1977-2010 年) 和快速成長期(2011 年-至今),1976 年以前,專利申請國主要是美國等,但申請數量較少。在發展期,諧波減速器技術的專利申請數量呈現增長趨勢,各國對諧波減速器的 產業布局也逐漸清晰。在快速成長期,諧波減速器的市場需求伴隨著機器人產業的發展 快速擴大,專利申請數量呈現指數型高速增長態勢。

  諧波減速器技術按基本構成可分為:總體結構、波發生器、柔輪、加工制造、剛輪、凸 輪、齒形、柔性軸承、交叉滾子軸承和試驗方法等 10 個部分。其中研發重點主要在于 總體結構、發生器、柔輪和加工制造等幾個環節。 從專利壁壘的角度看,全球龍頭哈默納科的優勢明顯。1955-2019 年,哈默納科無論是 專利申請累計總數遠遠領先其余諧波減速器廠商。這更進一步說明,諧波減速器是技術 密集型行業,短期內競爭格局很難發生較大變化,國產替代是一個長期的過程。

  抽絲剝繭:技術壁壘高筑,先發優勢明顯

  齒形設計、柔輪強度、組合結構優化、加工制造等要素構成諧波減速器的核心技術壁壘。 總體來看:諧波減速器技術壁壘較高,要達到較高的使用精度和壽命,需要在齒形設計、 柔輪強度、組合結構優化、加工制造等方面積累深厚,要求生產企業在基礎材料、設計、 加工、設備等方面均具有較深護城河,諧波減速器作為技術密集型行業,先進入者依靠 其工藝技術和加工經驗等具備先發優勢。 在諧波齒輪傳動的過程中,齒形設計占據著柔輪和剛輪零部件的關鍵位置。諧波傳動技 術發明者馬瑟于 20 世紀 50 年代提出的齒形為直線三角齒形,壓力角 α=28.6°,由于其 忽略了因柔輪變形引起的曲率變化所導致的齒形偏轉這一因素,因而不是其真實的齒形, 同時在實踐中也給加工制造和刀具設計等帶來很大的麻煩。隨后出現了經典的 30°壓 力角漸開線齒形,雖然該齒形優于直線齒形,但由于在空載時,柔輪齒形包絡在一個不 大的區域,在負載時容易出現尖點嚙合與邊緣接觸。

  漸開線齒形的齒底彎曲應力比較集中,同時嚙合齒數僅為總齒數的 10%左右,導致諧波 減速器的強度極限不高。哈默納科進一步改良后的齒形稱為 IH 齒形,可大幅增加嚙合 齒數,同時嚙合齒數增大到總齒數的約 30%,并且齒底應力緩沖的效果也一致,大大提 高了諧波減速器的齒底疲勞極限。另外,由于同時嚙合齒數大幅度增加,拉伸剛性也改 善了約 2 倍。

  齒形、柔輪材料等影響柔輪強度,尤其柔輪材料晶粒不均勻會造成局部微裂紋以及失效。由于減 速器本身各零件的加工精度、裝配間隙、扭轉剛度等因素的影響,因此至今還沒有統一 的柔輪強度計算方法。在材料方面,傳統的柔輪材料一般為合金鋼,因而容易產生噪聲 與振動,當速度越高時,噪聲與振動越明顯。哈默納科在柔輪材料上使用疲勞強度大的 特殊鋼,并且同時嚙合齒數比例達到 30%,材料和齒形的雙優化使得每個齒輪所承受的 壓力變小、轉矩容量變高。從柔輪材料的光學顯微鏡照片可以觀察到,日本哈默納科的 柔輪材料細化程度與穩定性方面仍然優于國產。

  波發生器也是諧波減速器中的關鍵部件之一,其主要元件包括柔性薄壁軸承和波發生器 凸輪。柔性軸承是波發生器的核心部件,在工作中,柔性軸承通過其彈性變形使減速機 達到高減速比的性能要求,在循環交變載荷作用下極易發生疲勞失效,其疲勞壽命決定 著波發生器的壽命,進而決定著整個減速器的使用壽命。影響零部件疲勞性能的主要因 素包括尺寸、表面形狀、平均應力等,通常可通過材料、結構、尺寸的優化以及表面強 化處理、表面防護措施、加工方式的改進等方法進行改良。 在結構方面,哈默納科對殼體和波發生器采用了鋁等輕質合金,并且減少了剛輪的外緣 尺寸,同時對連接部件進行優化,使得整機得以輕量化,在航空航天領域得以廣泛應用。 國內綠的諧波生產的超扁平系列諧波減速器,柔輪的長徑比可達 1 /3,體積小、質量輕, 非常適合于對減速器有苛刻厚度要求的場合使用。

  在加工精度方面,在諧波傳動裝置中,柔輪與波發生器最為復雜,主要是這兩個元件的 加工相對困難。傳統的擺線齒形可以使用帶直邊切削刃的插刀進行加工,目前大部分的 廠商,例如哈默納科、同川科技、來福諧波等,采用特殊的刀具機加工齒形,而綠的諧 波則采用線切割的方式加工齒形,兩種加工方式各有優劣。目前對于柔輪、剛輪齒型的 加工方法除了傳統的滾齒和插齒外,高速滾插齒和精密慢走絲等新的加工方法也被采用。

  多元需求驅動,諧波減速器市場擴容

  核心部件:工業機器人行業長期向好

  在全球市場,機器人為諧波減速器主要下游行業。由于哈默納科在全球諧波減速器市場 占據主導地位,因此其產品下游基本可代表全球諧波減速器的應用情況。從哈默納科2021 財年營收數據來看,其產品下游 51.7%是機器人領域,另有 48.3%下游為非機器 人領域,包括半導體設備(15.0%)、車載(6.5%)、電機齒輪箱(5.4%)和機床(3.9%) 等領域。

  在國內市場,工業機器人同樣是諧波機器人最主要的應用領域。根據綠的諧波招股說明 書,其產品在 2017-2019 年的下游應用中,機器人(包括多關節機器人、協作機器人、 SCARA、DELTA、服務機器人、AGV 及巡檢機器人)應用占比達 79.4%,高端數控機 床應用占比7.5%。2021年綠的諧波在機器人行業的營業收入占總營收的比例為81.0%。 總體上,綠的諧波產品主要集中在以工業機器人為主的自動化領域,且機器人與機床的 應用占比高于哈默納科,這與國內近年來的自動化趨勢息息相關。

  隨著人口老齡化程度持續加深,企業招工越來越困難、制造業工人工資逐年增長,導致 勞動力短缺和勞動力成本上升,催生機器換人的需求。根據 IFR 數據,2021 年全球工 業機器人密度(工業機器人保有量/制造業就業人數)約為 141 臺/萬人,且處于持續上 升狀態,其中排名第一的韓國已達 1000 臺/萬人。經驗證,IFR 公布的中國工業機器人 密度明顯高于實際情況,或因未考慮私營企業和個體制造業人數,導致用于計算的制造 業就業人數偏低,經過矯正,2021 年中國工業機器人密度約為 121 臺/萬人,較韓國、 新加坡、日本、德國等國仍有不小差距,說明我國工業機器人市場發展空間較大。

  《“十四五”機器人產業發展規劃》,提出要重點解決關鍵零部件“卡脖子”問題,并不 斷提升高端供給能力,對比來看“十三五”期間總體發展目標是形成較為完善的機器人 產業體系,發展側重點上升了一個階段。《規劃》提出要推動用產學研聯合攻關,提升機 器人關鍵零部件的功能、性能和可靠性,這將繼續支撐中國工業機器人領域關鍵零部件 “卡脖子”技術的研發,提升高端供給能力。《規劃》提出到 2025 年機器人產業營業收 入年均增速超過 20%,制造業機器人密度實現翻番,將為工業機器人帶來更廣闊的市場 空間。

  中國是全球工業機器人密度增長的主要驅動市場。我國已經連續 9 年成為全球最大的工 業機器人消費國,根據中國機器人產業發展報告(2022 年),2021 年我國工業機器人 市場規模約 75 億美元(約 484 億元人民幣),占全球市場規模的 43%。2017-2021 年 國內銷售額 CAGR 約為 13%。報告預測到 2024 年,全球、中國工業機器人市場規模 可達 230、115 億美元。 銷量方面,根據 IFR 數據,中國市場工業機器人銷量占全球比例逐年升高,由 2011 年 的 13.6%提升至 2021 年的 51.8%。2021 年中國市場、全球市場工業機器人銷量分別 為 26.8 萬臺、51.7 萬臺。

  近年來工業機器人下游行業中新能源相關行業發展旺盛,20-22 年鋰電池行業復合增速 達 78.40%,已成為第二大下游行業;光伏行業復合增長 38.87%;同時新興工業市場需 求大幅增長,汽車電子、半導體、醫療用品行業復合增速分別達 61.14%、52.52%、 40.74%。隨著新能源行業趨勢向好,鋰電、光伏需求仍將保持高速增長,以及一般工業 應用領域不斷深入、非工業領域應用的拓展,工業機器人各下游行業會持續發展。

  在機器人細分品類中,輕型機器人增速較快,小型化趨勢明顯。在工業機器人領域,自 由度是衡量工業機器人技術水平的主要指標之一,通常每個自由度需要一個伺服電機驅 動以及一個配套減速器來傳動,以完成精確驅動的要求。工業機器人的自由度數根據其 用途與功能要求而不同,比如一般通用工業機器人有 4-6 個自由度,即每臺通用工業 機器人需要配套 4-6 個減速器,小關節數量越多,所需的諧波減速器數量就越大。歷史 上,汽車產業對于機器人的需求占比最高,其需求載荷較高,普遍在 30kg 以上;近幾年對于機器人的需求特征為輕負載、高精度,輕型化需求較為明顯。2018-2022 年,Delta 增速最慢,但協作機器人的復合增速達 56.1%,一定程度上驅動了機器人產業二次爆發。 協作機器人是一種新型工業機器人,旨在與人類共享工作空間,為全手動和全自動的生 產模式之間搭建了橋梁,能夠協助生產人員完成危險、繁重的工作,提升生產效率,相 比傳統工業機器人更小型化和輕量化。此前,工廠中的工業機器人都有安全圍欄,將它 們與人工操作隔開,但由于空間和安裝成本的要求,中小企業很難安裝工業機器人。協 作機器人得益于其較高的靈活性、安全性和易用性等技術特點,近年來呈現快速發展態 勢。此外,協作機器人價格下行加速,用戶導入門檻進一步降低,不少企業推出經濟型 協作產品,以搶占市場,資本助力協作機器人市場,進一步拉動市場發展。

  小負載機器人對于諧波減速器的需求更高。根據綠的諧波招股說明書,每臺六軸多關節 機器人需要搭配 6 臺精密減速器,其中 10kg 以下負載的機器人需要 6 個諧波減速器, 10-30kg 負載的機器人小臂、手腕關節可以采用諧波減速器,30kg 負載以上的機器人在 其輕負荷的末端關節上也能使用諧波減速器。此外,協作機器人單臺設備則需使用 6-7 臺諧波減速器;并聯機器人單臺設備需使用 3 臺諧波減速器;SCARA 機器人單臺設備 使用 2-3 臺諧波減速器。隨著諧波減速器的技術進步以及輕負載多關節機器人市場占比 提升,平均每臺設備使用諧波減速器數量也會相應增加。

  2021 年國內工業機器人領域的諧波減速器需求量為 55.25 萬臺,與 RV 減速器需求比 例為 1.46:1。GGII 數據顯示,2021 年中國工業機器人減速器總需求量為 93.11 萬臺(含 RV 和諧波),同比增長 78.06%。其中增量需求 82.41 萬臺,同比增長 95.05%;存量替 換量為 10.70 萬臺,同比增長 6.57%。細分來看,2021 年中國工業機器人諧波減速器 與 RV 減速器需求量分別為 55.25 萬臺與 37.86 萬臺,諧波減速器與 RV 減速器的需求 比例約為 59%:41%。

  根據 GGII 預測,到 2026 年國內工業機器人市場減速器總需求量有望超過 270 萬臺, 2021-2026 年 CAGR 為 23.73%。假設在諧波減速器和 RV 減速器的需求占比維持 2021 年不變的情況下,2026 年國內工業機器人市場的諧波減速器需求量約為 160 萬臺。

  場景延拓:橫向滲透數控機床

  除了工業機器人的基本盤,行業延拓也將帶來諧波減速器的增量空間,向機床滲透是近 年來新興趨勢。在數控機床領域,數控機床傳動來自于伺服電機,隨著工業技術的進步, 電機一直在朝著精密、高效、控制簡單等方向創新,但因機床本身加工,負載進給系統 條件差異頗大,需要額外附加減速器來增加扭矩,提高負載端慣量匹配。基于諧波減速 器體積小、精度高、傳動效率高的特點,高檔數控機床的生產和制造過程中開始逐漸使 用諧波減速器替代一些電驅零部件,以減輕數控機床伺服馬達負荷、降低機械故障率、 提高精密度,進而增加機械壽命。 機床數控化是機床行業的升級趨勢。根據國家統計局數據,我國 2021 年新生產金屬切 削機床的數控化率僅為 40.5%,而德美日數控化率在 70%以上,我國機床行業數控化水 平與發達國家仍存在較大差距。

  此前,行星減速器較為普遍被用于機床數控系統,與之相比,諧波減速器體積更小、質 量更小、精度更高,未來隨著數控機床的精密操作要求越來越高,諧波減速器在機床數 控系統中的需求有望持續提升。

  根據綠的諧波招股說明書,單臺加工中心及數控銑床可使用 4 臺以上精密減速器,數控 車床及車削中心、數字磨床及放電加工機等可使用 3 臺以上精密減速器。目前,高精度 數控回轉臺和加工中心的四或五軸需要使用 1-2 臺諧波減速器,雕刻機的分度回轉裝置 以及義齒加工機等也需要使用諧波減速器。總體上,以機床為代表的非機器人領域在國 內諧波減速器市場的應用占比呈升高趨勢,將逐漸趨近全球諧波減速器需求結構。 隨著工業機器人、數控機床等下游行業的不斷發展,減速器的市場需求不斷增長。除上 述新增市場外,作為精密傳動件和承重部件,諧波減速器的磨損、損傷、故障不可避免, 存量工業機器人、數控機床等也將創造可觀的零配件配套及維修需求。

  催化放量:人形機器人打開想象空間

  2021 年 8 月 20 日,馬斯克在首屆特斯拉人工智能日(AI DAY)上首次發布特斯拉人 形機器人(Tesla Bot)計劃,正式宣布進軍機器人領域。2022 年 10 月 1 日,特斯拉 AI Day 上,人形機器人的第一批生產打算用于那些危險、無聊、重復以及人們不情愿去做 的工作,比如在特斯拉工廠周圍移動部件,或用扳手給汽車安裝螺栓。并且表示,起碼 在兩年內可以生產出有實際用途的產品,且價格預計比制造一輛車的價格更便宜。按照 馬斯克的設想,未來機器人還可以用于家庭、做飯、修剪草坪和照顧老人,乃至成為人 類的“伙伴”或伴侶。

  特斯拉 Optimus 主要由機械部分和電子部分組成,機械部分包含 28 個執行器和雙手; 電子部分包含大腦和軀干(冷卻系統、電池包)。Optimus 全身的執行器一共有 6 種設 計,其中包含 3 種不同負載的旋轉執行器和 3 種不同負載的直線執行器,其中的旋轉執 行器采用諧波減速器的結構。由于人形機器人關節較多,且更加小型化、精密化,因此 預計其對諧波減速器的需求量較大。根據馬斯克訪談,人形機器人有望于 23 年底交付, 若成功實現量產,有望帶動諧波減速器需求放量增長。

  當前時點為何看好國內廠商?

  從當前市場格局來看,全球絕大部分市場份額仍被日本企業占據。但需要說明的是,我 國諧波減速器行業發展較日本推遲近 50 年,當前市場格局是由過去因發展較晚帶來的 一系列例如技術壁壘、品牌壁壘等問題所導致的,并不表征未來發展方向。要判斷在未 來的增量市場里國內廠商如何參與分成,仍需立足當下研判當前國內外企業博弈形勢及 行業環境的邊際變化。

  在國內市場,中國品牌諧波減速器的市場份額正在提升。國內龍頭綠的諧波在 2021 年 的銷量市占率為 24.7%,較 2020 年 21.0%的市占率有所增長,并且市占率僅次于全球 龍頭哈默納科,同時其他國產廠商如來福、同川、大族等的市場份額也在提升。此外, 日系企業哈默納科、新寶的市場份額正在縮減,二者合計市占率由 2020 年的 46.0%降 至 2021 年的 42.9%。

  市場機遇:產能缺口增大,疊加工業機器人國產化提速

  需求端陡增,全球龍頭將面臨較大產能缺口。日本企業普遍擴產較為謹慎,且哈默納科 存在大量外協,難以協調各工廠迅速擴產,疊加需求端放量增長,預計哈默納科現有產 能及擴產規劃難以補足下游需求缺口。根據前文,即使在不考慮人形機器人的需求情況 下,至 2026 年僅國內工業機器人市場的諧波減速器需求量便可達 160 萬臺左右,假設 2026年國內非工業機器人市場的諧波減速器需求占比為18%,則國內總需求量約為195 萬臺,幾乎等于哈默納科擴產后的全部年產能(不含車載),而哈默納科 2021 財年來自 中國的營收占比僅 9.3%,其主要產能仍需用于日本本土。顯然,在現有擴產規劃下, 哈默納科產能將無法支撐全球需求量,意味著國產廠商將面臨更多的補缺機會。

  政策支持:有望充分受益于國產化率提升與供應鏈安全要求。“十四五”與“二十大”再 次強調供應鏈安全問題與國產化問題,對于諧波減速器行業的影響渠道有二,1)下游 產品國產化率提升,使得國內諧波減速器的需求總量提升;2)要求供應鏈安全,實現關鍵零部件自主可控,使得國內機器人產品的單體國產減速器用量增多,共同使得國內廠 商面臨的市場空間增大。

  需要注意的是,哈默納科與機器人四大家族深度綁定,其產能也將優先滿足四大家族的 供貨。一方面,2022 年四大家族在中國工業機器人市場市占率為 39.6%,換言之,在 四大家族之外的 60.4%中國工業機器人市場,國產諧波減速器產能仍有較大發揮空間; 另一方面,國產工業機器人的份額由 2019 年的 27.9%提升至 2022 年的 33.6%,仍有 較大提升空間,國產諧波減速器的市占率有望隨著工業機器人的國產化進程加快而提升。

  國產突圍:技術先進+高性價比+積極擴產,競爭優勢顯著

  技術突破&齒型設計,產品性能迎頭趕上。齒形設計是諧波減速器較為關鍵、技術壁壘 較高的環節,因國內企業發展較晚,研發時面臨較多的專利壁壘,長期以來整個行業幾 乎被日本企業的 IH 齒形產品所壟斷,但隨著近年來國內廠商加大研發投入,目前已有 以綠的諧波 P 齒形為代表的多種國產齒形設計登陸市場,該齒形跳出了以 Willis 定理為 基礎的漸開線齒輪設計。 技術層面來看,P 齒形與 IH 齒形不存在相互迭代的關系,二者為兩種不同的設計思路, 均為國際先進水平。P 齒形齒高低,可用較淺的咬合距離獲得較大咬合量,輸出扭矩較 大,同時齒寬大,齒根弧度增大,減少發生斷裂失效風險,所需柔輪變形量較小,可使柔輪壽命顯著提升,另外,多達 20%~30%的齒參與嚙合,齒面比壓較小;但同時相比 IH 齒形有著精度稍遜的劣勢。 除齒形外,柔輪、剛輪與交叉滾子軸承同樣壁壘較高。目前國內剛輪采用 ADI 材料,性 能優于國外企業所使用的球墨鑄鐵;柔輪則在提純工藝上較國外企業稍遜。相比柔輪和 剛輪受到國外出口的嚴格限制,交叉滾子軸承則相對受限較少,采用進口產品僅需考慮 成本較高的問題,同時目前國內洛陽森奧等交叉滾子軸承企業也可提供成熟的解決方案。

  整體來看,國內產品已實現在技術層面的突破,以綠的諧波為代表,其產品各項參數與 國外領先企業產品同達國際先進水平;細分環節來看,不同環節技術水平國內外互有勝 負。

  國內諧波減速器領先企業具有顯著成本優勢,綠的諧波毛利率較哈默納科高 10%以上。 由于技術路線不同及國內外人工費用差異,綠的諧波的諧波減速器單位成本遠低于哈默納科。受益于成本上的巨大優勢,使綠的諧波即使是在產品均價遠低于哈默納科、規模 遠小于哈默納科的情況下,其毛利率在近三年仍高于哈默納科 10%以上。

  國產廠商相繼布局,積極擴產提市占。過去五年,國產減速器廠商進步明顯,國內入局 者持續增多。GGII 統計數據顯示,目前中國市場超 100 家本土企業涉足精密減速器的 生產,其中,RV 減速器企業近 50 家,諧波減速器企業超 50 家,且技術在逐步提升, 部分廠商已經實現量產并逐步推向市場,在精密減速器國產化的道路上進步明顯。 總體上,在產能方面,目前國內企業以綠的諧波現有產能及擴產幅度為最大,其 2021 年底產能已達 30 萬臺/年,約為哈默納科未擴產前產能的 1/3。此外,綠的諧波于 2022 年發起定增,計劃新增諧波減速器產能 100 萬臺/年、機電一體化執行器 20 萬套/年。國 內其他企業近年來均發力建設諧波減速器產能,隨著技術進步及產品性能提升,結合國 產性價比優勢和產能快速擴張,國產諧波減速器市占率有望快速提升。

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