机械行业证券研究报告：谐波减速器 -多元需求藏变局国产突围尤可期

，国产突，积极扩产成为国产突围的重要信号。分析师及联系人SACS0500012/2/27产业地位下，初探谐波减速器格局成因打造高壁垒寡，插板步，成高集中度的优质市场格局。器域，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放量增长。缺口与国产替代双机遇，国内厂商蓄势待发其，扩产规划超100万台/年，其他企业均发力建设谐波减速器产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。后评级说明和重要声明-0投资评级看好丨维持 机械上证综合指数%%2022/22022/62022/102023/2研究•《从海外龙头22年经营表现看国内工程机械全球化展望》2023-01-31•《电镀铜跟踪：罗博特科与国电投携手，电镀铜产业化有望提速》2023-01-31•《机械行业2022Q4基金持仓分析：持仓占比环比持平，资金配置集中度有所回落》2023-01-30行业研究|深度报告4/4/27 器基本构成 7 7 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——Strainwavegearing 10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13：1955-2019年谐波减速器专利申请构成中，总体结构占多数 12图14：1955-2019年谐波减速器全球专利申请量分布情况 12 图16：日本与国产柔轮材料微观对比 14图17：2021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 152017-2019年绿的谐波产品下游应用领域 15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) 165/5/27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24：2020-2022年工业机器人分行业销量及复合增速 17图25：2018-2022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27：2015-2021年国内工业机器人减速器需求情况 19图28：2021年国内工业机器人减速器需求结构(台数) 19图29：2021-2026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38：2021财年(21Q2-22Q2)哈默纳科来自各地区的营收占比 23图39：2022年四大家族在中国工业机器人市场市占率为39.6% 24图40：2019-2022年中国工业机器人市场份额变化 24P 5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 266/6/27广渗透与高价值占据优势产业地位RV资料来源：苏州东茂官网，长江证券研究所密精密速减速器RV减速器谐波减速器行星减速器齿轮减速器资料来源：双环传动，国贸股份，绿的谐波招股说明书，长江证券研究所V无可替代的地位。容器减速器产品外形技术特点通过多级减速实现传动，一般由行星齿轮减速器的前级和摆线针轮减速器的后级组成，组成的零部件较多。通过柔轮的弹性变形传递运动，主要由柔轮、刚轮、波发生器三材料、体积及重量大幅度下降。行业研究|深度报告7/7/27产品性能大体积、高负载能力和高刚度体积小、传动比高、精密度高应用场景重负载的位置。。终端领域汽车、运输、港口码头等行业中通常使用RV。C导体、食品、注塑、模具、医疗等行业中通常使用由谐波减速器组成的30kg负载以下的机器人。价格区间00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。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。波发生器波发生器柔轮资料来源：清泽秀芳《支撑机电机器人的精密减速机“谐波驱动”》，长江证券研究所资料来源：清泽秀芳《支撑机电机器人的精密减速机“谐波驱动”》，长江证券研究所器械等领域。行业研究|深度报告8\8\S7下游应用零部件原材料与制造设备下游应用零部件原材料与制造设备工业机工业机器人协作机器协作机器人数数控机床光伏设备器械航天器等资料来源：绿的谐波招股说明书，长江证券研究所链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%，控制器约占整以0%3%5%速器伺服系统控制器机器人本体及其他资料来源：高工机器人，长江证券研究所60%50%40%30%20%10% 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：Wind，长江证券研究所9/9/27哈默纳科哈默纳科绿的谐波其他龙头垄断：初探谐波减速器格局成因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%。场格局的根本原因。间呈现龙头垄断格局 %82%资料来源：机器人技术网，长江证券研究所心插柳到问鼎全球为直三角锥形。10/10/27—Strainwavegearing资料来源：美国专利局，长江证券研究所SM谷川与USM各出资50%，在东京成立了HarmonicDriveSystemsInc.，汉译哈默纳波减速机应用领域逐渐拓宽。11/11/27 CS系列CSS/SHF系列CSF/SHF系列CSG/SHG系列CSD/SHD系列FB/FD系列LW/GH系列需求变化微电子和IT铁、造船、炼化织化纤保、医疗 CS系列CSS/SHF系列CSF/SHF系列CSG/SHG系列CSD/SHD系列FB/FD系列LW/GH系列需求变化微电子和IT铁、造船、炼化织化纤保、医疗马瑟发明谐波减速器并注册专利长谷川齿轮从USM公司引进技术开始国内生产应用于哈勃太空望远镜和火星探路者等液压驱动转变为电动外科机器人、测量机和半导体生产设备领域的应用迅速增加19551960196419701970s1980s1990s2000-至今NASA十分重视驱动月球车的车轮设立哈默纳科生产谐波减速器装置应用范围扩展至工业机器人和机床谐波传动成为精确定位驱动探索医疗、环境等下一代产品资料来源：哈默纳科官网，长江证券研究所下游客户的需求，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，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产品布局产品布局FEM技术+数控机床适应新领域替FEM技术+数控机床适应新领域替换柔轮材料疲劳强度增强支撑轴承结构减少误差齿形修正突破扭转局限柔轮形状+有限元紧凑性、便利性金属切割精密技术结构集成易组装概念化、标准化机械、电器000000180000160000001400000080008006001000008000060000400400002002002000001991199219931994199519961997199819992000200120022003200420052006200720082009201020112012201320142015201620172018201920202021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：Bloomberg，Wind，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)1976年以前，专利申请国主要是美国等，但申请数量12/12/27发展期(1977-2010)萌芽期(1954-1976)发展期(1977-2010)萌芽期(1954-1976)支专利分布情况快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》，长江证券研究所柔轮和加工制造等几个环节。过程。4%4%1%总体结构波发生器柔轮加工制造%%%3%齿形试验方法试验方法柔性轴承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》，长江证券研究所况 31542383525 13绿的谐波来福谐波捷太格特上银科技鑫君传动莫斯科鲍曼USM鑫拓机械住友机械帝人制机中技克美爱信精机美国联合机器南京信工大学50000502505000050250300350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13/13/27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HIHIH齿形IH齿形啮合压力角30°渐开线齿形渐开线齿形啮合资料来源：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14/14/27比资料来源：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》，长江证券研究所面防护措施、加工方式的改进等方法进行改良。。本部件材料CMC钢托维增强尼龙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》，长江证券研究所机器人行业长期向好波减速器的应用情况。从哈默纳科15/15/27人领域，包括半导体设备(15.0%)、车载(6.5%)、电机齿轮箱(5.4%)和机床(3.9%)图17：2021财年(21Q2-22Q2)哈默纳科下游应用占比6.5%6.5%3.9%5.4%2.9%8%.0%51.7%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资料来源：哈默纳科官网，长江证券研究所0%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%18Q118Q218Q118Q218Q38Q419Q119Q219Q319Q420Q120Q220Q320Q421Q121Q221Q321Q422Q122Q222Q360%120%80%40%0%-40%-80%机器人平板显示设备机床工具其他半导体设备电机制造用齿轮箱车载机器人同比(右轴)资料来源：哈默纳科官网，长江证券研究所书，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、TAAGV产品下游应用领域多关节机器人协作机器人.0%3.2%4.0%1.0%1.0%0.8%1.0%多关节机器人协作机器人.0%3.2%4.0%1.0%1.0%0.8%1.0%SCARA0.9%2.0%AGV及巡检机器人服0.9%2.0%7.5%36.2%DE7.5%36.2%3.1%4.7%高3.1%4.7%32.4%非标自动化半导体设备工业机械手光伏制造设备航空航32.4%其他资料来源：绿的谐波招股说明书，长江证券研究所应用领域5.3%3.2%0.3%10.1%81.0%机器人机械装备数控机床医疗器械其他行业81.0%资料来源：Wind，长江证券研究所业机器人密度(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16/16/27美国斯洛文尼亚中国(矫正后)全球美国斯洛文尼亚中国(矫正后)全球图21：全球及各国工业机器人密度(台/万人)080060040020002015韩国瑞典丹麦2018201920182019日本新加坡20202021德国瑞士资料来源：IFR，长江证券研究所020025标为完善的机器人产业体系，技术创新能力和水平，关键零部件取得重大突破六轴及以上工业机器人年产量达到5万台以上机器人产业营业收入年均增速超过20%个以上机器人配套产业集群际克争力的领军企业及一大批创新能力强、成长性好人综合应用解决方案，和规范，实现机器人在重点行业的机器人密度实现翻番应用示范、积极培育龙头企业业创新能力、夯实产业发展基础、增加高端产品供给、拓展应化产业组织结构资料来源：国家发改委，工信部，长江证券研究所工机器人消费国，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43%。2017-2021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IFR场工业机器人销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年中国市场、全球市场工业机器人销量分别17/17/270%0%50%40%30%20%0400000%%020112012201320142015201620172018201920202021全球年度销量(千台)中国销量占比(右轴)中国年度销量(千台)资料来源：IFR，长江证券研究所2502000030%20%10%0%-10%-20%201720182019202020212022E2023E2024E全球(亿美元)中国(亿美元)全球-增速(右轴)中国-增速(右轴)资料来源：中国机器人产业发展报告(2022年)，长江证券研究所求大幅增长，汽车电子、半导体、医疗用品行业复合增速分别达61.14%、52.52%、器人分行业销量及复合增速11.01%31.42%11.01%31.42%78.40%汽车零部件24.49%27.56%25.24.49%27.56%25.99%38.87%汽车整车金属制品食品饮料50.50%11.87%61.14%40.74%30.89%52.52%家用电器仓储物流汽车电子化学制品半导体17.87%其17.87%资料来源：MIR，长江证券研究所用工业上，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18/18/27000场发展。图25：2018-2022年中国各类工业机器人出货量(复合)增速Delta协作型机器人Delta协作型机器人SCARA大六轴机器人小六轴机器人 CAGR=17.1%020000400006000080000100000120000020182022资料来源：MIR，长江证券研究所2019202020212022中国协作机器人出货量(台)同比增长(右轴)80%60%40%20%0%资料来源：MIR，长江证券研究所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；SCARA机器人单台设备场占比。：单个工业机器人所需精密减速器数量机器人类型机器人类型器单位用量机器人3-6台器人0-3台2-3台3台器人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55.25万台，与RV减速器需求比与RV减速器需求量分别为55.25万台与37.86万台，谐波减速器与RV减速器的需求行业研究|深度报告19/19/27谐波减速器RV减速器谐波减速器RV减速器机器人减速器需求情况4000.700.0482.4111.5613.0731.9621.358.8717.4342.2537.2835.210.128.952015201620172018201920202021%%%%40%%0%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，图28：2021年国内工业机器人减速器需求结构(台数)41%41%59%资料来源：GGII，长江证券研究所渗透数控机床机器人领域减速器需求量预估300250200000093.11202120262021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、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年新生产金属切行业研究|深度报告20/20/270604020099200020012002200320042005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020202150%40%30%20%0%数控金属切削机床产量(万台)数控化率(右轴)金属切削机床产量(万台)资料来源：国家统计局，长江证券研究所80000600004000020000084%83%83%82%82%81%81%2020202120202021日本机床产量(台)日本机床数控化率(产量口径)日本数控机床产量(台)资料来源：日本机床工业协会，长江证券研究所需求。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I21/21/27资料来源：特斯拉人工智能日，长江证券研究所特斯拉Optimus主要由机械部分和电子部分组成，机械部分包含28个执行器和双手；电子部分包含大脑和躯干(冷却系统、电池包)。Optimus全身的执行器一共有6种设计，其中包含3种不同负载的旋转执行器和3种不同负载的直线执行器，其中的旋转执形机器人关节较多，且更加小型化、精密化，因此预计其对谐波减速器的需求量较大。根据马斯克访谈，人形机器人有望于23年底交付，若成功实现量产，有望带动谐波减速器需求放量增长。与驱动机构资料来源：特斯拉人工智能日，长江证券研究所22/22/27间线2021年8月20日，发布Optimus概念机2022年9月底，发布Optimus原型机2022年2月，Optimus原型机完成初次步行任务资料来源：特斯拉人工智能日，长江证券研究所当前时点为何看好国内厂商？国谐波减速器行业发展较日本推迟近50年，当前市场格局是由过去因发展较晚带来的资料来源：各公司官网，长江证券研究所在国内市场，中国品牌谐波减速器的市场份额正在提升。国内龙头绿的谐波在2021年并且市占率仅次于全球图36：国内谐波减速器销量竞争格局(2020年)21.0%41%绿的谐波来福谐波大族传动福德机器人日本新宝37.0%9.0%4.7%哈默纳科其他资料来源：GGII，长江证券研究所图37：国内谐波减速器销量竞争格局(2021年)10.3%24.7%35.5%7.7%5.7%7.4%4.5%4.2%绿的谐波来福谐波同川科技大族传动福10.3%24.7%35.5%7.7%5.7%7.4%4.5%4.2%资料来源：GGII，长江证券研究所23/23/275.0%4.4%6.7%5.0%4.4%6.7%来自表5：哈默纳科谐波减速器扩产规划(台/月)年3月年3月2年9月年3月Ariake有明工厂(车载)新工厂1(车载)厂2000000德国HarmonicDriveSELimburg工厂000合计(台/月)00合计(不含车载，台/月)合计年产能(万台/年)0合计年产能(不含车载，万台/年)资料来源：SharedResearch，长江证券研究所图38：2021财年(21Q2-22Q2)哈默纳科来自各地区的营收占比6.3%6.3%9.3%68.3%日本中国德国韩国&中国台湾美国其他资料来源：哈默纳科官网，长江证券研究所道有二，1)下游24/24/273%8%3%8%9励类产业机械部分增加“机器人用关键零》部件:高精密减速器等”“工业机器人谐波减速轴承”等内容；0关于扩大战略性新兴产业投资培育壮点增长极的知道意见》0关于支持民营企业加快改革发展与转12二十大报告》资料来源：国务院，国家发改委，长江证券研究所机器人市场，国产谐波减速器产能仍有较大发挥空间；另一方面，国产工业机器人的份额由2019年的27.9%提升至2022年的33.6%，仍有。图39：2022年四大家族在中国工业机器人市场市占率为39.6%图40：2019-2022年中国工业机器人市场份额变化%%8%2%8%%8%%2%%3%6%4%6%5%6%发那科安川爱普生汇川川崎埃夫特三菱遨博台达松下图灵其他上海ABB库卡埃斯顿雅马哈那智新时达电气节卡史陶比尔卡诺普欧地希珞石90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%770.01%33.55%66.45%29.99%72.09%27.91%26.51%73.49%202020212022国产外资国产资料来源：MIR，长江证券研究所资料来源：MIR，长江证券研究所著乎被日本企业的IH齿形产品所垄断，但随着近年来国内厂商加大研发投入，目前已有线齿轮设计。25/25/27柔轮刚轮柔轮刚轮。资料来源：绿的谐波官网，长江证券研究所内外互有胜负交叉滚子轴交叉滚子轴承提纯工艺稍逊于国外领先企业国内ADI材料性能提纯工艺稍逊于国外领先企业国内ADI材料性能超越球墨铸铁资料来源：高工机器人，哈默纳科官网，洛阳鸿元官网，Wind，长江证券研究所术指标品术水平动误差arcsecA度等级：传动误差≤30arcsecA，达到国arcmin动效率产品先进水平产品先进水平≤40C≤65C产品先进水平资料来源：绿的谐波公告，长江证券研究所较哈默纳科高10%以上。近三年仍高于哈默纳科10%以上。行业研究|深度报告26/26/2770%60%50%40%30%20%10%0%201720182020哈默纳科2021201720182020哈默纳科2021中技克美 绿的谐波资料来