请仔细阅读本报告末页声明 证券研究报 告 | 行业专题研究 2018 年 05 月 24 日 机械设备 减速 机 国产化在即，产业链有望超预期成长 一般工业领域应用渗透支撑国产机器人本体销量持续增长预期，相应减速机需求巨大 。 据国家统计局数 据， 2018 年一季度，国内机器人本体销量为 3.30 万台，同比增长 29.60%， 4 月份单月增速回升至 35.40%。随着3C 生产用机器人技术愈加成熟及通用行业渗透率的逐步提升，国产机器人本体销量有望持续增长。预计，近两年国内工业机器人销量维持 30%左右增速，按照机器人本体国产化率 35%测算， 2018 年、 2019 年国产机器人本体销量预估为 5.97、 7.75 万台。其对应的 RV 减速器及谐波减速器需求分别约为 19.09/24.81 万台、 8.05 万台 /10.47 万台。 产能 -需求差逐渐扩大，国内厂商价差优势显著，放量预期 下承压能力强。受 下游国内本体制造商需求持续增长预期支撑，国内产商纷纷提出扩产计划。不考虑 上海机电， 我们预计 2018 年、 2019 年 国内 RV 减速器 产能将达 15、 25.6 万台， 即在 2019 年，产能亦将小幅超过国内本体制造商需求 。从我们部分 调研 结果看，国内主流厂商产品与日本纳博特斯克产品价差在 30%左右，另外 一方面 ，日本纳博特斯克精密减速设备的营业利润率在 15%左右，其能承受的降价空间相对 有限 。且按照我们的测算，中大力德及双环传动等厂商，在 2019 年 RV 减速器相较 2018 年盈亏平衡点预期价格基础上再降价 30%左右， 才达到二次盈亏平衡点。因此，在产品如期放量的基础上，国内优质产商相较纳博低价竞争优势显著。 以减速机为代表的核心零部件国产化将盘活国内工业机器人上下游生态，促进产业超预期成长。 此轮工业机器人核心零部件的国产化是有预期且逐步落实的。控制器领域，钱江机器人已规模性使用固高科技的控制系统；减速器领域，大单不断落地，且中大力德、双环传动今年均将实现盈亏平衡。核心零部件的国产化，将促成本体成本降低，自上而下筛选下游需求。终端的逐步下沉，带来需求体量增长，规模效益反馈上游本体及零部件制造商，最终形成稳定的优质格局。 重点关注公司： 双环传动、中大力德、 埃斯顿、拓斯达 等 。 风险提示 ： 国内 厂商产能释放不及预期； 下游制造业景气度滑落 ，国内机器人本体销量增速低于预期 ；减速器厂商盈亏点产品价格 ，是 基于 一定放量预期、 设备折旧及往年成本构成 进行 推算 而得 ，具有一定局限性。 增持 （ 首次 ） 行业 走势 作者 分析师 姚健 执业证书编号： S0680518040002 邮箱： yaojiangszq 联系人 彭元立 邮箱： pengyuanligszq 相关研究 1、机械设备：中美贸易摩擦靴子落地，提振相关上市公司市场情绪 2018-05-20 2、机械设备：关注机器人产业链国产化浪潮 2018-05-13 3、机械设备：新赛道迭起，国产机器人爆发在即 2018-05-09 -32%-16%0%16%32%2017-05 2017-09 2018-01 2018-05机械设备 沪深 3002018 年 05 月 24 日 P.2 请仔细阅读本报告末页声明 内容目录 一、工业机器人的肌肉 减速机 . 3 1.1 伺服系统离不开的减速机 . 3 1.2 细看减速机内部精密结构 . 4 二、从 0 到 1，国产减速机突破 在即 . 7 2.1 再回首，看日本巨头发家之路 . 7 2.1.1 纳博特斯克，持续前行的巨人 . 7 2.1.2 哈默纳科，谐波减速器制造工匠 . 10 2.2 国产机器 人本体放量，减速机迎来发展良机 . 11 2.2.1 国内本体制造厂商减速机需求高速成长 . 11 2.2.2 国产减速机竞争格局有望逐渐明朗 . 12 2.2.3 今明两年，国产减速机迎来扩产高峰期 . 12 2.2.4 放量预期下，优质厂商价格承压能力强 . 14 三、减速机国产化预期下带动行业整体向上 . 15 四、风险提示 . 17 图表目录 图表 1：工业机器人各核心零部件价值量份额 . 3 图表 2：固高 GTSP 系列驱动一体化步进电机参数 . 3 图表 3：埃斯顿 ER6-1600 主要工作参数 . 4 图表 4：低速交流 伺服电机输出值和机器人本体需求值不匹配 . 4 图表 5：汽车变速箱复杂的齿轮传动结构系统 . 5 图表 6：普通齿轮副与 RV 减速器传动比对比 . 5 图表 7： RV 减速 器内部结构示意图 . 6 图表 8：谐波减速器内部结构示意图 . 6 图表 9： RV 减速器及谐波减速器对比 . 7 图表 10：日本精密减速器 制造成长史 . 8 图表 11：纳博特斯克收入构成（ 2017） . 8 图表 12：纳博精密减速器业务收入维持稳定增长 . 9 图表 13：纳 博精密设备营业利润率维持在 15%附近 . 9 图表 14：纳博在全球工业机器人用精密减速器市场份额超 60% . 9 图表 15：纳博在日本 ATC 驱动机床用精密减速器市场份额超 60% . 9 图表 16：精密减速器下游应用广泛 . 10 图表 17： 2020 年纳博中国常州产能预计提升至 20 万台 /年 . 10 图表 18： 2020 年纳博日本津工厂产能预计提升至 100 万台 /年 . 10 图表 19：哈默纳科精密减速器业务收入总营收份额超 80% . 11 图表 20：哈默纳科精密减速器收入超 14 亿元 . 11 图表 21：国内机器人本体厂商减速器需求测算 . 11 图表 22： 2018 年国内各厂商市占率估算 . 12 图表 23：国内各厂商扩产计划 . 13 图表 24：扩产背景下国内 RV 减速器产能 -需求差逐步攀升 . 13 图表 25： RV 生产线设备投资额估算 . 14 图表 26：近两年中大力德 RV 减速期业务收入测算 . 15 图表 27：近两年双环传动 RV 减速期业务收入测算 . 15 图表 28：工业机器人用核心零部件的国产化是贯穿全环节的 . 16 图表 29：核心零部件国产化将促进工业机器人产业链自下而上正反馈机制的形成 . 16 图表 30：重点关注公司介绍 . 17 2018 年 05 月 24 日 P.3 请仔细阅读本报告末页声明 一、 工业机器人的肌肉 减速机 工业机器人主要包括控制系统、动力系统及本体机械结构三大部分。 减速机是动力系统子结构传动装置的核心零部件 ，其主要功能是达到减速增矩的作用，从价值量看，减速器占比机器人本体制造成本的 30%以上。 图表 1： 工业机器人各核心零部件价值量份额 资料来源： 中国产业信息网， 国盛证券研究所 1.1 伺服系统离不开的减速机 首先， 机器人完成工作，简单理解，无非是终端以最快的速度达到指定位置，这里面涉及到三个物理变量，即运动学里的速度、位移及动力学里的加速度。 机器人每个关节均受单独的一个伺服电机驱动，因此伺服电机的输出转速决定了相应机械关节能达到的运动速度上限，而输出弯矩则决定了机械关节达到速度上限的时间（即加速度的概念）。 机器人等精密机械用交流伺服电机具有输出转速大、输出扭矩小的特点。 以埃斯顿用于机械手的 EMJ 系列伺服电机为例，其额定转速达 50rps，额定扭矩最大仅 20Nm、以固高科技 GTSP 系列驱动一体化步进电机为例，其最大输出扭矩仅 6Nm、额定转速 20rps。 图表 2： 固高 GTSP 系列驱动一体化步进 电机参数 资料来源： 固高科技官网， 国盛证券研究所 工业机器人工作过程中，各关节的实际转速量级仅为 1rps 左右。 以 埃斯顿 ER6-1600 机器人为例，其轴 1 至轴 6 的最大转速分别为 0.41rps、 0.30rps、 0.59rps、 1.22rps、驱动器 &伺服电机32%减速器30%控制系统20%编码器8%机械本体10%2018 年 05 月 24 日 P.4 请仔细阅读本报告末页声明 1.20rps、 1.44rps。 机械轴最大转速和伺服电机的额定转速比约 1/30-1/100。（不同关节匹配的电机转速参数实际均有差别，仅供大致参考） 图表 3： 埃斯顿 ER6-1600 主要工作参数 轴 1 轴 2 轴 3 轴 4 轴 5 轴 6 工作范围 ± 180° -60°+140° -155°+80° ± 170° ± 180° ± 360° 最大速度 148° /s 109° /s 214° /s 440° /s 435° /s 520° /s 资料来源： 埃斯顿官网， 国盛证券研究所 本体机械 转动惯量大，需要 更 大扭矩（加速度）作用。 同样以 ER6-1600 机器人为例，以其上臂 3 轴以上的结构转动做个简单的计算，上臂以上结构约 50kg（整体 164kg），上臂展约 800mm（结构整体臂展 1600mm），首先要想让其转动需要转矩 400Nm，如若考虑转动加速度达 3rps2（即 0.25s 内将转速提升至 0.65rps），则转矩需达到 500Nm以上。 交流伺服电机基本是高转速电机，而关节结构实际上转速较低但转动扭矩需求大，二者是无法匹配的。 所以现有伺服电机的输出不能满足终端机械本体的运动需求。 图表 4： 低速交流伺服电机输出值和机器人本体需求值不匹配 资料来源： 埃斯顿官网， 国盛证券研究所 而直接降低伺服电机本身的额定输出转速、增大输出扭矩仅仅 局限于理论上 。 伺服电机额定转速和输出扭矩及额定功率的关系满足： P（功率） =（转速）× T（扭矩），在相同功率等级下，高速电机的额定输出转矩必然要小于低速电机的输出转矩。 而根据磁阻原理，在气隙磁密度相差不大的情况下，想要输出较大的转矩必然要求有较大的电流密度，即要求较粗的铜线圈，亦即伺服电机的体积需要更大 ，对于机器人等精密机械结构来说，这种需求性价比低 。 在通用工业中，通常便会见到较多的大体积的低速电机。 因此，伺服系统需要减速机这一结构件进行减速增矩。 1.2 细看减速机内部 精密 结构 机械传动方式，通常包括带传动、链传动及齿轮传动。 其中齿轮传动具有传动精度高、输出转速输出扭矩2 0 5 0 + r p s6 2 0 - Nm0 . 4 3 1 . 5 0 - r p s需求转速需求转矩 5 0 0 + Nm？2018 年 05 月 24 日 P.5 请仔细阅读本报告末页声明 功率使用范围宽、使用寿命长等优点，是现代机械结构中应用范围最广的传动方式。 我们所讲的减速机一般均采用齿轮啮合减速的机械结构形式 。 日常生活中 最为直接的接触便是汽车变速箱了，比如，爬坡时我们需要换低速挡增加爬坡能力。 图 表 5： 汽车变速箱复杂的齿轮传动结构系统 资料来源： google 图片， 国盛证券研究所 传动结构一个重要的参数指标便是传动比，其反应的是结构减速增矩的 能力。 一对定轴齿轮组成的简单传动结构称为齿轮副，其传动比为大小齿轮齿数的反比，简单理解，从动轮尺寸越大、齿数越多，则减速增矩效果越好（反之亦然）。 若仅采用简单齿轮副进行减速， 减速比 需 达到 100 及以上，则从 动轮的直径得是主动轮的 100 倍。 即使不考虑小齿轮啮合刚度问题， 机械结构中 也不可能 有这么多冗余的空间，于是便有了由一系列齿轮组成的 齿轮系 ，这一更为复杂的 传动系统 。 其便是利用一堆齿轮，按照 最优 化的空间位置、结构形式，达到利用最小的空间实现最大的减速比等目标。按空间结构形式，齿轮系可以分为平面齿轮系和空间齿轮系；按齿轮轴是否固定，齿轮系亦分为定轴齿轮系和行星齿轮系。 图 表 6： 普通齿轮副与 RV 减速器传动比对比 资料来源：国盛证券研究所 目前工业机器人领域应用的减速机分为 RV 减速器和谐波减速器 两种 形式。 首先， RV 减速器仅是纳博特斯克公司一类减速机产品的型号，因其产品生产较早、产销规模大，占2018 年 05 月 24 日 P.6 请仔细阅读本报告末页声明 据全球工业机器人用关节减速器近 60%的份额，因而成为机器人减速器一类产品的代称。 RV 减速器是在传统针摆行星传动的基础上发展而来的，其有两级减速结构： 一级 为 行星减速结构， 顾名思义就是 2-3 个行星从动轮与一个主动轮啮合传动，按齿数比进行减速；二级 为 摆线针轮减速结构， 一级传动结构中的从动轮与曲柄轴相连，变为二级减速结构中的输入，在曲柄轴的偏心部分（凸轮），通过滚动轴承安装 RV 齿轮。 当曲柄轴转动时，两个 RV 齿轮在凸轮带动下会做交错的圆周摆动。一般外壳内侧仅比 RV 齿轮数多一个针齿，曲轴转 1 圈，针齿外壳旋转 1 个齿， 此时减速比为外壳内侧的针齿数 。 通过两级减速结构， RV 减速能轻易实现大范围传动比。 图 表 7： RV 减速器内部结构示意图 资料来源： RV 减速器的设计制造有什么关键难度知乎， 国盛证券研究所 谐波减速器， 结构更为简单 ， 核心部件为 内齿刚轮、可产生较大弹性变形的柔轮及波发生器（椭圆形齿轮）。 当波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与钢轮的齿完全 啮合。在波发生器转动过程中，柔轮上长轴点位置逐步发生变化，柔轮各点与钢轮的啮合状态不断发生改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入，周而复始，带动负载运动。和 RV 减速器二级传动类似， 一般钢轮仅比柔轮多一个针齿，此时减速比为外壳内侧的针齿数 ，因此谐波减速器也能获得较大的传动比。 图 表 8： 谐波减速器内部结构示意图 资料来源： 哈默纳科官网， 国盛证券研究所 一级行星 传动结构曲轴凸轮RV 齿轮滚子轴承针齿针 齿 外壳角接触轴承行星架行星架油封二级摆线针轮传动结构波发生器 柔性轮 内齿钢轮 2018 年 05 月 24 日 P.7 请仔细阅读本报告末页声明 虽然 谐波减速器结构简单 ，传动比也很大，但 无法 替代 RV 减速器。 谐波减速器，需要通过柔轮不断的变形，与钢轮啮合传动。柔轮，抗扭刚度低、承载能力较弱。此外，周期性啮合力作用下，疲劳寿命亦较低。因此，谐波减速器主要用于负载较轻的腕关节。 图表 9： RV 减速器及谐波减速器对比 RV 减速器 谐波减速器 减速结构 二级减速，包括行星齿轮减速和摆线针轮减速，减速比大 一级减速，摆线针轮减速 ，亦能实现小体积大减速比 承载、寿命 结构刚度及疲劳强度大、寿命更长 柔性齿轮传动，疲劳寿命较低，抗扭能力弱 使用关节 基座、腰部、大臂等重负载位置 小臂、腕部等轻负载位置 实际使用情况 负载 6kg 及以下，基本用谐波减速器； 6kg-20kg，两者搭配使用； 20kg 及以上基本只用 RV 减速器 资料来源： 纳博特斯克、哈默纳科官网， 国盛证券研究所 二、 从 0 到 1， 国产减速机突破在即 RV 减速器被称为精密机械工业的巅峰之作，且当前全球精密减速器行业基本由纳博特斯克和 哈默纳科 所垄断，产业门槛可见一斑。 2.1 再回首 ，看日本巨头发家之路 2.1.1 纳博特斯克，持续前行的巨人 回顾纳博的成长， 虽然 其 是全球精密减速机制造巨擘， 龙头地位难以撼动，但追本溯源，其明星产品 RV 减速器 ，也是 在消化、吸收别国产品的基础进行 再创新 而成型的 。 摆线针轮行星传动原理最早由德国人劳伦兹·勃朗于 1926 年提出，之后其创立了“赛古乐”公司，并开始了摆线减速器的生产和销售。日本住友公司随后与其签订技术合作协议，摆线减速被引进日本。六十年代，随着摆线磨床的出现，摆线齿形的精度难度得以解决，摆线传动得到进一步发展。 1944 年日本帝人精机成立； 1980 年，帝人精机提出 RV 传动概念，开始着手将其应用于机器人行业，并于 1986 年实现 RV 减速器大规模生产。 2003 年，帝人精机和纳博克强强联合，成为全球运动控制精密设备制造巨人。 2018 年 05 月 24 日 P.8 请仔细阅读本报告末页声明 图 表 10： 日本精密减速器制造成长史 资料来源：国盛证券研究所 依托强大的制造能力，纳博特斯克 目前 正逐步向系统解决方案供应商角色转变 。公司经过重整后，现已形成新的四大业务板块：核心零部件、运输、无障碍解决方案及以及其他业务。 2017 年公司总营收为 165.36 亿元，其中核心零部件解决方案板块收入 66.68亿元，占公司收入总额的 40.32%。该板块囊括精密减速器、新能源设备及液压设备。 图 表 11： 纳博特斯克收入构成（ 2017） 资料来源： 纳博特斯克年报， 国盛证券研究所 纳博特斯克精密减速器营收超 30 亿元，产品盈利能力稳定。 在全球经济回暖大背景下，工业机器人销量增速回升、一般工业制造设备需求增长，受此推动纳博特斯克精密减速器业务在 2015 年迎来拐点，当期营收增速近 30%，营业利润率达 16.29%。 2016 年，纳博精密减速器收入达 30.97 亿元，较前期小幅增长。从近年业绩看，纳博特斯克精密设备营业利润率维持在 15%附近，盈利能力较稳定。 核心零部件解决方案40%运输解决方案28%无障碍解决方案26%其他6%2018 年 05 月 24 日 P.9 请仔细阅读本报告末页声明 图表 12：纳博精密减速器业务收入维持稳定增长 图表 13：纳博精密设备营业利润率维持在 15%附近 资料来源： 纳博特斯克年报， 国盛证券研究所 资料来源： 纳博特斯克年报， 国盛证券研究所 巨头地位巩固，全球工业机器人用减速器市场份额约 60%；日本国内 ATC 驱动机床用减速器市场份额亦达 60%左右。 除 关注度比较高的工业机器人应用场景，精密减速器还广泛应用于通用工业领域生产设备中，覆盖领域包括：汽车自动化生产线、机床、半导体制造设备、测量设备、输送设备及医疗器械等。纳博精密减速器产品在各领域均具有难以匹敌的优势。 图表 14：纳博在全球工业机器人用精密减速器市场份额超 60% 图表 15：纳博在日本 ATC 驱动机床用精密减速器市场份额超 60% 资料来源： 纳博特斯克官网， 国盛证券研究所 资料来源： 纳博特斯克官网， 国盛证券研究所 -5%0%5%10%15%20%25%30%35%051015202530352013 2014 2015 2016精密减速器营收 (亿元 ) 同比增长0%5%10%15%20%25%30%2012 2013 2014 2015 2016综合毛利率 精密设备营业利润率60%40%纳博特斯克 其他全球工业机器人用精密减速器市场60%40%纳博特斯克 其他日本 ATC驱动机床用精密减速器市场2018 年 05 月 24 日 P.10 请仔细阅读本报告末页声明 图 表 16： 精密减速器下游应用广泛 资料来源： 纳博特斯克官网， 国盛证券研究所 纳博特斯克产能布局占有先机 ， 且依旧在奔跑，至 2020 年，纳博全球产能预计达 120万台 /年。 纳博特斯克精密减速器主要有两处生产基地，包括日本国内津工厂及中国常州工厂，后者经营主体为纳博与上海机电的合资子公司 纳博特斯克（中国）精密机器有限公司 。目前，两者的产能分别约为 70 万台 /年及 10 万台 /年左右。参照先前披露的扩产计划，至 2020 年，纳博全球产能预计达 120 万台 /年，其中中国常州产能预计达 20万台 /年，日本津工厂预计形成产能 100 万台 /年，设备投资超 10 亿元人民币。 图表 17： 2020 年纳博中国常州产能预计提升至 20 万台 /年 图表 18： 2020 年纳博日本津工厂产能预计提升至 100 万台 /年 资料来源： 上海机电、高工机器人， 国盛证券研究所 资料来源： 上海机电、高工机器人， 国盛证券研究所 2.1.2 哈默纳科，谐波减速器制造工匠 哈默纳科致力于“整体运动控制”解决方案提供，产品囊括控制器、驱动器、伺服电机、传感器、减速器等。 精密减速器是公司核心产品，销售收入约 14 亿元，在 全球工业机器人用 减速器 行业 的市占率近 15%，是全球最大的谐波减速器生产商。 哈默纳科产品盈利能力突出， 公司综合毛利率超 46%，盈利利润率近 26%，比哈默纳科精密设备业务板块营业利润率高出近 10 个百分点。 成套焊接设备 复合加工机 门型刀库弯管机 轴型桌 组装线用设备102005101520252017 2020纳博常州产能 (万台 /年 )701000204060801001202017 2020纳博津工厂产能 (万台 /年 )