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1、 敬请阅读末页的重要说明 证券研究报告|行业深度报告 2023 年 11 月 23 日 推荐推荐(维持)(维持)机器人系列报告(七)机器人系列报告(七)中游制造/机械 本篇报告本篇报告系统性地梳理了人形机器人旋转执行器系统性地梳理了人形机器人旋转执行器及其及其核心零部件,核心零部件,我们认为机我们认为机器人旋转执行器及零部件在即将到来的人形机器人产业爆发中将充分受益,行器人旋转执行器及零部件在即将到来的人形机器人产业爆发中将充分受益,行业规模大幅扩增,国内厂商具备较强的成本优势与技术能力,给予行业“推荐”业规模大幅扩增,国内厂商具备较强的成本优势与技术能力,给予行业“推荐”评级。评级。旋转执行
2、器旋转执行器是人形机器人是人形机器人传传动的核心部件。动的核心部件。机器人执行器将能量转化为机器人的机械运动,是机器人核心的传动部件,按照运动类型分为旋转执行器和直线执行器。按照能量来源分为液压、气动和电机执行器。按照驱动方式还可分为刚性执行器、弹性执行器和准直驱执行器。目前机器人中常用的旋转执行器为电机驱动的刚性或半刚性执行器。从目前已经发布的人形机器人旋转执行器中可以总结出,从目前已经发布的人形机器人旋转执行器中可以总结出,减速器(谐波减速减速器(谐波减速器或行星减速器)、电机(力矩电机)、控制器、编码器(位置传感器)、器或行星减速器)、电机(力矩电机)、控制器、编码器(位置传感器)、力力
3、/力矩传感器和轴承力矩传感器和轴承是旋转执行器核心零部件。是旋转执行器核心零部件。特斯拉 Optimus 旋转执行器采用电机+谐波减速器+位置/力矩传感器+离合器设计方案;小鹏 PX5 人形机器人执行器采用谐波减速器+行星减速器两种方案;优必选设计了大型和中小型两种旋转执行器方案,其中大型方案包括了谐波减速器和行星减速器两种方案;小米 Cyber Gear 执行器采用高性能伺服电机+行星减速器+驱动器+单编绝对值编码器方案;智元 PowerFlow 关节电机(执行器)采用了准直驱关节方案,包含行星减速器、共轭同轴双编码器;傅利叶智能自研 FSA 高性能一体化执行器集成电机+驱动器+减速器+编码
4、器;宇树 M107 关节电机(执行器)核心零部件包括伺服电机、减速器、控制器均为宇树自研自产;绿的谐波 KAH 旋转执行器将谐波减速器、力矩电机、电磁制动器、编码器、驱动器等集成一体;KAT 旋转执行器融合高精度谐波减速器、无框力矩电机、中空轴高分辨率绝对值编码器、制动器、智能传感器等于一体。旋转关节减速器以谐波减速器为主,行星减速器具备替代空间。旋转关节减速器以谐波减速器为主,行星减速器具备替代空间。谐波减速器具有体积小、质量小、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的优点,因此相比于 RV 等其他减速器更适合人形机器人执行器。精密行星减速器价格低于谐波减速器,并且承载能力和效率
5、更强。在对精度要求较低的关节上使用行星减速器取代谐波减速器能够降低机器人生产成本。电机系统以无框力矩电机为主。电机系统以无框力矩电机为主。无框力矩电机没有轴、轴承、外壳、反馈或端盖,只包含定子和转子,其转子为中空结构,方便关节的内部走线。力矩电机的重要特点之一是结构紧凑体积小、重量轻,可实现“零传动链”、无机械摩擦、365 天免维护、精度长久保持。因此力矩电机在机器人关节、医疗机器人、传感器万向节、无人机推进和制导系统具有广泛的应用前景。光式光式编码器编码器与磁式编码器各有所长,双编码器方案能够改善控制精度与磁式编码器各有所长,双编码器方案能够改善控制精度。编码器是编码旋转角度、线性位移及速度
6、等运动参数的传感器。人形机器人的设计要兼顾动作的精确性和可耐受工作环境的恶劣程度两方面要求。采用光式编码器的机器人可以达到更高的动作精确度,而使用磁式编码器的机器人可以适应更加复杂的工作环境。双编码器方案中,电机侧编码器用来驱动电机,输出侧编码器用来测量输出位置的变化。因此,双编码器方案可以同时监控电机和齿轮箱侧的速度和位置,相比单编码器可更高精度控制关节运动轨迹。行业规模行业规模 占比%股票家数(只)464 8.9 总市值(十亿元)3535.7 4.4 流通市值(十亿元)2866.6 4.1 行业指数行业指数%1m 6m 12m 绝对表现 8.8 0.4-0.9 相对表现 7.8 11.1
7、5.1 资料来源:公司数据、招商证券 相关相关报告报告 1、机器人系列报告(六):高精密直线传动部件,迎来产业化重要机遇2023-10-10 2、机器人系列报告(五):人形机器人的前世今生2023-07-24 3、机器人行业深度:自动化设备的皇冠,更是下一代智能化终端2022-07-13 胡小禹胡小禹 S02 吴洋吴洋 S01 刘巍刘巍 S03 杨献宇杨献宇 S01 葛小川葛小川 研究助理 朱艺晴朱艺晴 研究助理 方嘉敏方嘉敏 研究助理 -15-10-5051015Nov/22Mar/23Jul/23Oct
8、/23(%)机械沪深300人形机器人旋转执行器技术全梳理人形机器人旋转执行器技术全梳理 敬请阅读末页的重要说明 2 行业深度报告 轴承轴承在机器人的关节连接处、减速器和电机中均有分布在机器人的关节连接处、减速器和电机中均有分布。在直线关节处通常使用深沟球轴承和四点接触轴承。在谐波减速器中,同时需要刚性轴承和柔性轴承各一个,其中刚性轴承一般为交叉圆柱滚子轴承,滚动体为圆柱滚子,分布于互成垂直排列的滚道中。行星减速机结构紧凑,形状多样,因而轴承应用繁多,涉及深沟球轴承,角接触球轴承,圆锥滚子轴承,冲压滚针轴承及双列角接触球轴承等。主要上市公司:三花智控(家电覆盖):主要上市公司:三花智控(家电覆盖
9、):公司正推动 GDR 项目并拟在瑞士交易所上市,拟募资 2 亿元金用于建设机器人机电执行器研发项目。绿的绿的谐波:谐波:国产谐波减速器龙头,同时公司面向移动机器人一体化关节领域所需的旋转关节、电液驱动关节两大主流技术路径进行了相应布局,具备KAH/KAT 等型号的旋转执行器、KMF 无框力矩电机、机器人用电液伺服驱动关节等产品线。双环传动双环传动/环动科技(汽车覆盖):环动科技(汽车覆盖):双环传动控股子公司环动科技从事机器人关节高精密减速机的研制及产业化,产品主要分为摆线行星减速机和谐波减速机两大类。步科股份(电新覆盖):步科股份(电新覆盖):公司自主研发伺服系统、无框力矩电机、驱动器等产
10、品在机器人旋转执行器领域应用前景广阔。五洲新春:五洲新春:公司重视机器人业务,销售谐波减速器轴承,积极研发 RV减速器圆锥滚子轴承、定制化球轴承、交叉滚子轴承等新产品。奥普光电奥普光电(军工覆盖):(军工覆盖):奥普光电子公司禹衡光学具备适用于机器人的编码器产品,现已应用于工业机器人。昊志机电:昊志机电:公司机器人旋转关节相关产品包含谐波减速器、RV 减速器、编码器、控制器、无框力矩电机等。汇川技术(电汇川技术(电新覆盖):新覆盖):国内工控行业龙头,工业机器人业务处于国产品牌头部,具备自制电机、伺服系统、编码器等核心部件能力。伟创电气(电新覆盖):伟创电气(电新覆盖):2022年公司切入机器
11、人产业链,目前主要面向移动类、协作类、服务类的机器人领域,提供低压伺服、低压伺服一体轮,机器人关节模组、空心杯电机、特种无框力矩电机等核心部件。风险提示:风险提示:人形机器人产业化不及预期人形机器人产业化不及预期,技术路线与技术迭代风险技术路线与技术迭代风险,行业竞行业竞争加剧风险争加剧风险 zVeWdWbWaUbUsQnNnMrPoO7NbP9PsQpPoMnOkPrQnMfQpNzR9PqQvMvPsRmQxNsPyQ 敬请阅读末页的重要说明 3 行业深度报告 正文正文目录目录 一、旋转执行器:人形机器人传动核心部件.8 1、什么是机器人执行器?.8 2、目前人形机器人旋转执行器设计方案都
12、有哪些?.10 二、旋转执行器核心部件.15 1、减速器.15(1)旋转执行器减速器种类.15(2)人形机器人需要什么样的减速器?.17 2、电机系统.18(1)机器人常用电机为伺服电机.18(2)Optimus 旋转执行器采用力矩电机.20 3、编码器.22(1)编码器的概念和分类.22(2)编码器的应用.24(3)编码器性能会影响电机运动控制效果.26(4)国内主要编码器企业产品.27 4、轴承.27(1)轴承种类繁多,以滚动轴承为主.27(2)人形机器人的关节连接处、减速器和电机中均需使用轴承.28(3)轴承市场由国外企业主导,国内竞争格局较分散.31 三、相关上市公司.32 1、三花智
13、控(家电覆盖).32 2、绿的谐波.33 3、双环传动/环动科技(汽车覆盖).35 4、步科股份(电新覆盖).36 5、五洲新春.38 6、奥普光电(军工覆盖).39 7、昊志机电.41 8、汇川技术(电新覆盖).43 9、伟创电气(电新覆盖).44 四、风险提示.46 敬请阅读末页的重要说明 4 行业深度报告 图表图表目录目录 图 1:旋转执行器.8 图 2:直线执行器.8 图 3:气动、电动和液压执行器.9 图 4:电机执行器类型和历史.9 图 5:特斯拉 Optimus 旋转执行器.11 图 6:小鹏 PX5 机械臂参数.11 图 7:优必选大型伺服驱动器(谐波方案).12 图 8:优必
14、选大型伺服驱动器(行星方案).12 图 9:优必选中小型伺服驱动器.12 图 10:小米 Cyber Gear 微电机(执行器).12 图 11:智元 PowerFlow 关节电机.13 图 12:傅里叶智能 FSA 一体化执行器.13 图 13:宇树 M107 关节电机(执行器).14 图 14:绿的谐波 KAH 系列旋转执行器.14 图 15:绿的谐波 KAT 系列旋转执行器.14 图 16:谐波减速器结构.15 图 17:RV 减速器.16 图 18:摆线针轮行星减速器的基本结构.16 图 19:精密行星减速器结构.17 图 20:滤波减速器总装配图.17 图 21:滤波减速器工作原理图
15、.17 图 22:电机分类(按照电源电流类型).19 图 23:电机分类(按照用途和结构).19 图 24:电机按照电源电流类型.19 图 25:直流电机分类(按照是否有刷).19 图 26:伺服电机构成图.20 图 27:伺服电机“闭环控制”工作原理.20 图 28:科尔摩根 TBM2G 无框力矩电机.21 图 29:欧洲联盟 WALK-MAN 机器人.21 敬请阅读末页的重要说明 5 行业深度报告 图 30:MIT cheetah 四足机器人.21 图 31:全球力矩电机市场规模(亿美元).22 图 32:机械式编码器.23 图 33:光学式编码器.23 图 34:磁式编码器.23 图 3
16、5:电磁感应式编码器.23 图 36:绝对式编码器工作原理.24 图 37:增量式编码器工作原理.24 图 38:传统的双编码器执行器拓扑.26 图 39:新型的双编码器执行器拓扑.26 图 40:一体化伺服电机构造图.26 图 41:伺服系统 BoM 构成(%).26 图 42:2022 年国内编码器市场竞争格局.27 图 43:轴承按照工作的摩擦性质分.28 图 44:滚动轴承与滑动轴承的区别.28 图 45:滚动体分类.28 图 46:深沟球轴承(左)和角接触轴承(右).29 图 47:四点接触球轴承.29 图 48:交叉圆柱滚子轴承.29 图 49:柔性轴承.29 图 50:RV 减速
17、器结构拆分.30 图 51:行星减速器结构拆分.30 图 52:Optimus 使用到四类轴承.31 图 53:全球轴承市场规模及预测.31 图 54:中国轴承行业规模以上企业营收及增速.32 图 55:2021 年中国轴承企业竞争格局.32 图 56:轴承下游应用集中于汽车、家电、电机.32 图 57:三花智控 2023 年上半年营业收入构成.33 图 58:三花智控营业收入及归母净利润.33 图 59:三花智控盈利能力.33 图 60:绿的谐波 2023 年上半年营业收入构成.34 图 61:绿的谐波营业收入及归母净利润(亿元).34 敬请阅读末页的重要说明 6 行业深度报告 图 62:绿
18、的谐波盈利能力.34 图 63:适用于人形机器人的 LCD-I 谐波减速器.35 图 64:KAH 旋转执行器.35 图 65:双环传动 2023 年上半年营业收入构成.35 图 66:双环传动营业收入及归母净利润.35 图 67:双环传动盈利能力.36 图 68:SHPR-C 高精密摆线行星减速机.36 图 69:高精密谐波减速机.36 图 70:步科股份 2023 年上半年营业收入构成.37 图 71:步科股份营业收入及归母净利润.37 图 72:步科股份盈利能力.37 图 73:JD 系列伺服驱动器.38 图 74:FMC 无框力矩电机.38 图 75:五洲新春 2022 年营业收入构成
19、.38 图 76:五洲新春营业收入及归母净利润.38 图 77:五洲新春盈利能力.39 图 78:机器人谐波减速器轴承.39 图 79:奥普光电 2023 年上半年营业收入构成.40 图 80:奥普光电营业收入及归母净利润.40 图 81:奥普光电盈利能力.40 图 82:HWR-3 编码器.41 图 84:JKR-1 编码器.41 图 84:昊志机电 2023 年上半年营业收入构成.41 图 85:昊志机电营业收入及归母净利润.41 图 86:昊志机电盈利能力.42 图 87:昊志机电无框力矩电机.42 图 88:昊志机电编码器.42 图 89:汇川技术 2023 年上半年营业收入构成.43
20、 图 90:汇川技术营业收入及归母净利润.43 图 91:汇川技术盈利能力.44 图 92:MS1-Z 系列伺服电机.44 图 93:汇川技术增量式编码器.44 敬请阅读末页的重要说明 7 行业深度报告 图 94:伟创电气 2022 年营业收入构成.45 图 95:伟创电气营业收入及归母净利润.45 图 96:伟创电气盈利能力.45 图 97:SD700 伺服驱动器.46 图 98:SD100 系列低压伺服驱动器.46 图 99:机械行业历史 PEBand.46 图 100:机械行业历史 PBBand.46 表 1:各类驱动器特性比较.10 表 2:部分人形机器人旋转执行器厂商设计方案.10
21、表 3:常见减速器主要技术指标.18 表 4:人形机器人带动无框力矩电机市场空间测算.22 表 5:绝对式编码器和增量式编码器对比.24 表 6:编码器常见应用.24 表 7:光学式编码器和磁式编码器对比.25 表 8:主要公司编码器产品.27 敬请阅读末页的重要说明 8 行业深度报告 一、一、旋转执行器:人形机器人传动核心部件旋转执行器:人形机器人传动核心部件 1、什么是机器人执行器?什么是机器人执行器?机器人执行器将能量转化为机器人的机械运动,是机器人核心的机器人执行器将能量转化为机器人的机械运动,是机器人核心的传传动部件。执行动部件。执行器(器(Actuators)是又称为促动器、致动器
22、、操动件、执行机构、驱动器或驱动件,是一种将能源转换成机械动能的装置,并可借由执行器来控制驱使物体进行各种预定动作。机器人执行器顾名思义则是在机器人中将能量转化为机械运动,使机器人的关节转动或打开/关闭机器人夹具的装置。关节执行器安装在机器人关节处,对应的是机器人的关节自由度;末端执行器指的是任何一个连接在机器人边缘(关节)具有一定功能的工具,例如夹具、喷涂枪、弧焊焊枪等。1971年,早稻田大学加藤一郎教授成功研制出世界上第一台三维双足机器人 WAP-3,并实现静步行走,揭开了双足人形机器人研制的序幕。双足人形机器人相对于传统轮式和履带式机器人有许多突出的特点,如双足人形机器人具有地面适应性好
23、,能耗小,工作空间大,双足或多足行走等,这些特点对机器人的机械结构及执行器有很高的要求。执行器常见的分类方法包括:(1)按照运动类型分为:旋转执行器(旋转执行器(Rotary Actuator)和直线执行器(直线执行器(Linear Actuator)。若最终末端执行器的运动结果为圆周运动(旋转),则为旋转执行器。若最终运动结果为沿直线运动,则为直线执行器。旋转执行器用于旋转动作,比如使机器人的手臂、脚踝灵活转动。直线执行器用于推拉,比如让机器人手臂向前或向后伸展。图图 1:旋转执行器旋转执行器 图图 2:直线执行器:直线执行器 资料来源:Realpars、招商证券 资料来源:Realpars
24、、招商证券(2)按照能量来源分为:液压液压(Hydraulic)、气动、气动(Pneumatic)、电机执行器、电机执行器(Electric)。机器人中常用的执行器是电机执行器,即将电能转换为直线或旋转运动,因为其精度最高、噪音最小、可轻松联网提供及时反馈信息。电动执行器包括交流 AC/直流 DC 执行器,DC 执行器适用于较小功率和较低速度的场景,如轻型机器人、家用机器人和小型自动化设备,AC 执行器适用于大功率和高速度的场景,如工业机器人、高负载的自动化设备。敬请阅读末页的重要说明 9 行业深度报告 图图 3 3:气动、电动和液压执行器:气动、电动和液压执行器 资料来源:Realpars、
25、招商证券(3)电机执行器按驱动方式可分为:刚性执行器刚性执行器 TSA(Traditional Stiffness Actuator)、弹性执行器)、弹性执行器 SEA(Series Elastic Actuator)、准直驱执行器)、准直驱执行器 PA(Proprioceptive Actuator)。刚性执行器主要由电机、高传动比减速器、编码器、力矩传感器和控制板等组成,力矩传感器是可选择项。1983 年,早稻田大学研究的 WL-10R 机器人使用刚性执行器,自此双足人形机器人开始广泛应用刚性执行器为关节动力源。弹性执行器模拟肌肉系统功能,使关节表现出柔顺、安全和高能量效率特性,包含串联弹
26、性执行器、并联弹性执行器、离合弹性执行器和多模态弹性执行器。1995 年,麻省理工学院的 Pratt 等提出了弹性执行器的概念,拉开了弹性执行器研究的序幕,美国宇航局的机器人 Valkyrie 和意大利技术研究院的机器人 Walk-Man 都使用了弹性执行器。准直驱执行器含义是依靠执行器电机开环力控,不依赖于附加力或力矩传感器,就可以本体感知机器人脚部和外界的交互力,也被称为本体执行器。2016 年,Wensing 等提出了准直驱执行器的概念,并将其应用于四足机器人 Cheetah 和双足机器人 Hermes,准直驱执行器成为最近几年研究的热点。本篇报告主要将系统性地介绍人形机器人用旋转执行器
27、。本篇报告主要将系统性地介绍人形机器人用旋转执行器。图图 4 4:电机执行器类型和历史:电机执行器类型和历史 资料来源:国内外双足人形机器人驱动器研究综述、招商证券 敬请阅读末页的重要说明 10 行业深度报告 表表 1 1:各类驱动器特性比较:各类驱动器特性比较 类型类型 刚性刚性(TSATSA)串联弹性串联弹性(SEASEA)并联弹性并联弹性(PEAPEA)离合弹性离合弹性(CEACEA)多模态弹性多模态弹性(MEAMEA)准直驱准直驱(PAPA)结构配置结构配置 电机+高传动比减速器+高刚性力矩传感器 电机+高传动比减速器+弹性体 电机+高传动比减速器+高刚性力矩传感器+并联弹性体 电机+
28、高传动比减速器+弹性体+离合机构 SEA和PEA组合 高扭矩密度电机+低传动比减速器 力矩测量方力矩测量方式式 应变片原理或电流 编码器或应变片原理 应变片原理或电流 编码器或应变片原理 编码器或应变片原理 电流 控制特点控制特点 简单、精度高 复杂、精度低 简单、精度高 复杂、精度一般 复杂、精度一般 简单、精度一般 能量效率能量效率 效率低 效率一般 效率高 效率非常高 效率非常高 效率高 安全性安全性 安全性差 安全性好 安全性差 安全性一般 安全性好 安全性好 应用场景应用场景 精密系统,如精密机床,仪器仪表,传统双足机器人 安全性系统,协作机器人 非对称载荷或自支撑平衡系统 双足或四
29、足机器人 兼顾功率、能量效率、安全特性的系统 四足机器人,小型双足机器人 资料来源:国内外双足人形机器人驱动器研究综述、招商证券 2、目前人形机器人旋转执行器设计方案都有哪些?目前人形机器人旋转执行器设计方案都有哪些?我们参考了目前国内外重要人形机器人旋转执行器厂商,总结出大部分厂商用的我们参考了目前国内外重要人形机器人旋转执行器厂商,总结出大部分厂商用的是刚性或者刚性改良型设计方案,一般包含的核心部件有减速器(谐波减速器或是刚性或者刚性改良型设计方案,一般包含的核心部件有减速器(谐波减速器或行星减速器)、电机(力矩电机)、控制器、编码器(位置传感器)、力行星减速器)、电机(力矩电机)、控制器
30、、编码器(位置传感器)、力/力矩力矩传感器和轴承。传感器和轴承。表表 2:部分人形机器人旋转执行器厂商设计方案:部分人形机器人旋转执行器厂商设计方案 厂商厂商 电机电机 减速器减速器 离合器离合器/制动制动编码器编码器 力力/力矩传感力矩传感驱动器驱动器 轴承轴承 特斯拉 -小鹏 -优必选 -小米 -智元 -傅利叶智能 -宇树 -绿的谐波 -资料来源:特斯拉、小鹏、优必选、小米、智元、傅里叶智能、宇树、绿的谐波、招商证券 注:“”为方案中确定含有该零部件,“-”为方案未披露是否包含该零部件 特斯拉旋转执行器采用电机特斯拉旋转执行器采用电机+谐波减速器谐波减速器+位置位置/力矩传感器力矩传感器+
31、离合器设计方案。离合器设计方案。根据特斯拉 2022 年 AI Day 资料,公司为 Optimus 开发了三款旋转执行器,小型号扭矩20Nm,重量0.55kg;中型号扭矩11Nm,重量1.62kg;大型号扭矩180Nm,重量 2.26kg。每一款旋转执行器都包含了角接触球滚珠轴承、机械离合器、谐波减速器、交叉滚子轴承、输入/输出位置传感器(编码器)、永磁体(电机)和非接触力矩传感器。由此,我们认为特斯拉 Optimus 旋转执行器采用的是刚性+离合器的设计方案,既具备刚性执行器简单、高精度的特点,又引入离合器保证动力传动的平稳。敬请阅读末页的重要说明 11 行业深度报告 图图 5:特斯拉:特
32、斯拉 Optimus 旋转执行器旋转执行器 资料来源:特斯拉、招商证券 小鹏小鹏 PX5 人形机器人执行器采用谐波减速器人形机器人执行器采用谐波减速器+行星减速器两种方案。行星减速器两种方案。根据鹏行智能美国研究中心的运动控制总经理达兴烨在知乎上的介绍,小鹏 PX5 关节采用了谐波和行星两种自研方案。该关节耐用性和可靠性高,平均无故障时间超过数千小时。通过采用高精度力控模式,PX5 关节在触地感知和越障适应能力上,与传统的位置控制方式相比性能更强。PX5 采用了超轻量级仿人机械臂,具备 7自由度,重复定位精度 0.05mm,单臂最大负载 3kg,机械臂自重 5Kg,负载自重比超 0.6,最大末
33、端线速度 1m/s。图图 6:小鹏:小鹏 PX5 机械臂参数机械臂参数 资料来源:小鹏、招商证券 优必选设计了大型和中小型两种旋转执行器方案,其中大型方案包括了谐波减速优必选设计了大型和中小型两种旋转执行器方案,其中大型方案包括了谐波减速器和行星减速器两种方案。器和行星减速器两种方案。优必选设计的旋转执行器已经应用于公司自产人形机器人 Walker、机械臂、人形机器人 Alpha 系列、服务机器人 Cruzr、教育机器人Jimu 系列和消杀机器人 ADIBOT。其中,大型旋转执行器集成了高密度无框力大型旋转执行器集成了高密度无框力矩电机、双位置编码器、行星或谐波减速器和高性能处理控制器矩电机、
34、双位置编码器、行星或谐波减速器和高性能处理控制器,支持最大扭矩200Nm,可满足高功率密度、大扭矩输出的需求;中小型旋转执行器由电控中小型旋转执行器由电控板集成控制算法、导光件显示驱动器状态、齿轮组充当动力传输介质、电机产生板集成控制算法、导光件显示驱动器状态、齿轮组充当动力传输介质、电机产生动力、舵盘连接输出。动力、舵盘连接输出。敬请阅读末页的重要说明 12 行业深度报告 图图 7:优必选大型伺服驱动器(谐波方案)优必选大型伺服驱动器(谐波方案)图图 8:优必选大型伺服驱动器(行星方案):优必选大型伺服驱动器(行星方案)资料来源:优必选研究院、招商证券 资料来源:优必选研究院、招商证券 图图
35、 9:优必选中小型伺服驱动器:优必选中小型伺服驱动器 资料来源:优必选研究院、招商证券 小米小米 Cyber Gear 执行器采用高性能伺服电机执行器采用高性能伺服电机+行星减速器行星减速器+驱动器驱动器+单编绝对值单编绝对值编码器方案。编码器方案。小米 Cyber Gear 目前已经装备 Cyber Dog 机器狗,集成减速器、电机、驱动器为一体的设计思路,优化减速器和电磁设计自研散热系统,提升散热速度。Cyber Gear 扭矩密度可达 37.85Nm/kg、功率密度可达 511.04W/kg,定转子采用优质选材和铁芯包塑工艺,提升了性能和耐久度。通过仿真算法精准模拟,去除 20%重量冗余
36、。Cyber Gear 采用模内注塑内齿圈,槽满率达 55%。电机力矩控制精度高,可达到 0.2Nm3Nm,0.4Nm8Nm,5%70%80%90%95%传动精度(”)60 60 60 180 传动比 30-160 30-192.4 单级 7-283 3-512 设计寿命(h)8000 6000 6000 20000 扭转刚度(Nm/arcmin)1.34-54.09 20-1176 1960 10-370 额定输出转矩(Nm)6.6-921 101-6135 5000 40-1200 噪音(db)60 70 75 65 温升()40 45 45 30 优点 传动精度高,重量和提及小,运转平稳
37、,传动比大 传动范围广,传动效率较高,传动平稳性高,承载能力强,刚性和耐冲击性能好,传动精度高 体积小、重量轻、传动比范围大、传动效率高,运行平稳无噪音,并且具有较大的过载能力和承受较强的冲击性能;使用寿命长 扭矩大、精度可高达 1以内、单级传动效率高达 97%、质量轻、寿命长达 2 万小时、免保养 缺点 传递扭矩相对较小,传动效率低,寿命有限 结构复杂、制造难度大、成本高 材料要求高,制造精度要求高,转臂轴承受力较大 单级传动比范围小 应用场景 机器人中负载较小的小臂、腕部和手部等关节、航空航天、精密加工设备和医疗设备领域 机器人中负载较重的机座、大臂、肩部等大关节 广泛用于石油、化工、矿山
38、、冶金等行业 移动机器人、新能源设备、高端机床、智能交通等行业的精密传动装置 价格区间 1000-5000 元/台 5000-8000 元/台 500-2000 元/台 200-2000 元/台 资料来源:科峰智能,Sumitomo,行星齿轮减速机,上海环越机床,威高传动,观研天下,招商证券 精密行星减速器是谐波减速器在人形机器人关节上潜在的替代方案。精密行星减速器是谐波减速器在人形机器人关节上潜在的替代方案。精密行星减速器价格低于谐波减速器,并且承载能力和效率更强。在对精度要求较低的关节上使用行星减速器取代谐波减速器能够降低机器人生产成本。已有机器人本体公司采用行星减速器替代谐波减速器,用于
39、生产机器人旋转执行器。例如,小鹏PX5 人形机器人关节、优必选大型旋转执行器都有谐波、行星减速器两种方案;小米 CyberDog 的 CyberGear 使用了行星减速器;智元具身智能机器人远征 A1搭载的自研关节模组PowerFlow使用了10速比以内的高力矩透明度行星减速器。2、电机系统电机系统 (1)机器人常用电机为伺服电机)机器人常用电机为伺服电机 电动机是将电能转化为机械能的机器,用于产生扭矩来提升负载、移动物体和各电动机是将电能转化为机械能的机器,用于产生扭矩来提升负载、移动物体和各种其他机械工作种其他机械工作。电机可以分为直流和交流电机,直流电机可以分为有刷、无刷和空心杯直流电机
40、,交流电机可以分为同步电机和异步电机。以下是电机的常见分类方法:敬请阅读末页的重要说明 19 行业深度报告 按照电源电流类型:分为直流电机和交流电机。按照电源电流类型:分为直流电机和交流电机。1)直流电机包括有刷和无刷直)直流电机包括有刷和无刷直流电机,其中有刷直流电机还可以按照励磁方式可以分为永磁直流电机和励磁直流电机,其中有刷直流电机还可以按照励磁方式可以分为永磁直流电机和励磁直流电机。流电机。永磁电机内部的永磁体产生恒定的磁场,使电机的转子在电流通过时产生扭矩。励磁直流电机则需要外部提供励磁电流来产生磁场。直流电机通常适用于需要快速响应和精确控制的应用,例如工业机器人的关节和执行器部件;
41、2)交流电机包括异步电机(如感应电机)和同步电机(如永磁同步电机)。交流电机包括异步电机(如感应电机)和同步电机(如永磁同步电机)。“异步”是因为其转子速度不同步于旋转磁场的速度。当交流电通过定子线圈产生旋转磁场时,转子受到感应作用而开始旋转,因此感应电机的转速略低于旋转磁场的同步速度。“同步”意味着其转速与旋转磁场速度同步。当交流电通过定子线圈产生磁场时,永磁体与磁场同步运动,从而产生转矩。交流电机具有高效、稳定运行等特点。按照电机的作用:分为动力电机和控制电机。按照电机的作用:分为动力电机和控制电机。1)动力电机可以按照运动类型分)动力电机可以按照运动类型分为直线电机和旋转电机。为直线电机
42、和旋转电机。直线电机可以在直线方向上产生高精度和高速的运动,广泛应用于印刷机、数控机床、激光切割机等。旋转电机的输出轴可以连接到旋转设备,如风扇、泵、机器人关节等;2)控制电机是用来控制其他设备或机械)控制电机是用来控制其他设备或机械的电机,包括步进电机(的电机,包括步进电机(Stepper Motor)、伺服电机()、伺服电机(Servo Motor)、测速)、测速电机和力矩电机(电机和力矩电机(Torque Motor)等。)等。其主要作用是控制运动的速度、位置、方向等,适用于自动化系统、机器人、CNC 机床等。图图 22:电机分类(按照电源电流类型):电机分类(按照电源电流类型)图图 2
43、3:电机分类(按照用途和结构):电机分类(按照用途和结构)资料来源:亚洲国际动力传动与控制技术展览会官网、招商证券 资料来源:电子工程世界网、招商证券 图图 24:电机按照电源电流类型:电机按照电源电流类型 图图 25:直流电机分类(按照是否有刷):直流电机分类(按照是否有刷)资料来源:realpars、招商证券 资料来源:realpars、招商证券 伺服电机是一种特殊类型的电机,用于推伺服电机是一种特殊类型的电机,用于推/拉或提升或以特定角度旋转物体。伺拉或提升或以特定角度旋转物体。伺服电机可以设计为在交流和直流电源下运行。服电机可以设计为在交流和直流电源下运行。伺服电机具有齿轮组件、控制器
44、、传感器和反馈系统。齿轮组件用于降低速度并增加扭矩,控制器用于比较输入信 敬请阅读末页的重要说明 20 行业深度报告 号(期望位置)和通过反馈系统获取的传感器信号(舵机的实际位置)。“闭环控制”(“闭环控制”(Closed Loop Control)是伺服电机控制系统中的一个重要概念。)是伺服电机控制系统中的一个重要概念。它意味着控制系统通过实时的反馈信号来监测和调整电机的运动,并且可以通过反馈修正偏差,使电机能更准确地跟踪目标运动。伺服电机的工作原理是依靠脉冲定位,电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,发出的脉冲信号和接受的脉冲形成呼应,从而实现精确的定位。步进电机通常是开环控制,通过
45、逐步输入脉冲信号来驱动电机。步进电机通常是开环控制,通过逐步输入脉冲信号来驱动电机。每次脉冲使电机转动一个固定的步距角,没有反馈回路,因此运动是离散的,没有实时的位置反馈。但步进电机结构更简单,因此适用于数控机床、3D 打印机等简单应用和相对低成本的场景,伺服电机在精确位置控制和高性能方面具有优势,适用于工业自动化、机器人、CNC 机床等运动控制领域。图图 26:伺服电机构成图:伺服电机构成图 图图 27:伺服电机“闭环控制”工作原理:伺服电机“闭环控制”工作原理 资料来源:东方马达、招商证券 资料来源:旭化成微电子株式会社、招商证券(2)Optimus 旋转执行器采用力矩电机旋转执行器采用力
46、矩电机 根据特斯拉根据特斯拉 2022 年年 AI Day 资料,资料,Optimus 的旋转执行器由无框力矩电机的旋转执行器由无框力矩电机、谐谐波减速器和编码器构成波减速器和编码器构成。不同于伺服电机以扭矩、位置、速度等三种模式控制方向,力矩电机是以扭矩为控制方向的电机,采用“开环控制”方式,具有软机械特性和宽调速范围。力矩电机具有软的机械特性,可以堵转。当负载转矩增大时能自动降低转速,同时加大输出转矩。力矩电机是一种特殊类型的无刷永磁同步电机。力矩电机是一种特殊类型的无刷永磁同步电机。由于负载直接连接转子,不需要任何传动件,因此力矩电机属于直驱电机。与直线电机类似,力矩电机也是一种“无框”
47、电机,即没有轴、轴承、外壳、反馈或端盖,只包含定子和转子,其转子为中空结构,方便关节的内部走线。力矩电机的重要特点之一是结构紧凑体积小、重量轻,可实现“零传动链”、无机械摩擦、365 天免维护、精度长久保持。因此力矩电机在机器人关节、医疗机器人、传感器万向节、无人机推进和制导系统具有广泛的应用前景。敬请阅读末页的重要说明 21 行业深度报告 图图 28:科尔摩根:科尔摩根 TBM2G 无框力矩电机无框力矩电机 资料来源:科尔摩根、招商证券 目前,无框力矩电机已经在部分四足和双足机器人中得到运用,比如由美国麻省目前,无框力矩电机已经在部分四足和双足机器人中得到运用,比如由美国麻省理工学院理工学院
48、 MIT 研发的研发的 Cheetah 四足机器人、欧洲联盟资助设计的四足机器人、欧洲联盟资助设计的 WALK-MAN双足机器人等。双足机器人等。Cheetah 机器人需要完成步行、跑步、跳跃等动作,在跑步时最高速度可达 13.5m/s。为了在极短时间内控制地面反作用力,机器人方案中采用准直驱执行器,电机为无框力矩电机,因为无框力矩电机具有软机械特性和宽调速范围等特点。WALK-MAN 双足机器人定位为救灾机器人,主要目标是在灾难性环境中执行危险任务,例如火灾、核泄漏等情况下的紧急响应,需要装载激光雷达、摄像头、深度相机等多种传感器,最终选择无框力矩电机搭配谐波减速器的设计方案。图图 29:欧
49、洲联盟:欧洲联盟 WALK-MAN 机器人机器人 资料来源:A Modular Compliant Actuator for Emerging High Performance and Fall-Resilient Humanoids、招商证券 图图 30:MIT cheetah 四足机器人四足机器人 资料来源:MIT、招商证券 力矩电机有望伴随人形机器人的量产迎来增量市场。力矩电机有望伴随人形机器人的量产迎来增量市场。根据咨询机构 technavio 的数据,2022 年全球力矩电机市场规模大约 4.87 亿美元,预测到 2027 年市场规 敬请阅读末页的重要说明 22 行业深度报告 模大约
50、 7.15 亿美元,CAGR=8.01%。根据步科股份官方信息,目前无框力矩电机的产品单价是几百元至几千元不等,针对不同的功率段和尺寸,价格会有所不同。无框力矩电机在在人形机器人中的应用潜力巨大,特斯拉 Optimus 机器人共使用了 28 个无框力矩电机。假如人形机器人远期进入量产阶段,在悲观/中性/乐观假设下,年产人形机器人为 20/50/100 万台,保持单机用量为 28 个,无框力矩电机单价随着量产规模增加而下降,分别为 1000/800/600 元/个,对应市场空间为 56/112/168 亿元。图图 31:全球力矩电机市场规模(亿美元):全球力矩电机市场规模(亿美元)资料来源:te
51、chnavio、招商证券 表表 4 4:人形机器人带动无框力矩电机市场空间测算:人形机器人带动无框力矩电机市场空间测算 悲观假设悲观假设 中性假设中性假设 乐观假设乐观假设 人形机器人产量(万台)20 50 100 单台机器人无框力矩电机用量(台)28 28 28 无框力矩电机平均单价(元/台)1000 800 600 市场空间(亿元)市场空间(亿元)56 112 168 资料来源:招商证券测算 3、编码器编码器 (1 1)编码器的)编码器的概念和分类概念和分类 编码器编码器(encoder)是编码是编码(encode)旋转角度、线性位移及速度等运动参数旋转角度、线性位移及速度等运动参数的传感
52、器。的传感器。编码器处理传感器元件输出的电信号,并最终以数字或模拟电信号的形式将其传递至控制系统。编码器有多种分类方式:按照测量方式,分为直线式、旋转式两种。按照测量方式,分为直线式、旋转式两种。1)直线式编码器直线式编码器:由定尺和滑尺组成,用于直线位移测量。2)旋转式编码器旋转式编码器:由定子和转子组成,用于角位移测量。按照读出方式:分为接触式、非接触式两种。按照读出方式:分为接触式、非接触式两种。1)接触式编码器接触式编码器:采用电刷输出,电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”。2)非接触式编非接触式编码器码器:光敏元件或磁敏元件作为接收敏感元件,采用光敏元件时以透光区
53、和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”。按照检测原理按照检测原理:分为机械式、光学式和磁式、电磁感应式四种分为机械式、光学式和磁式、电磁感应式四种。其中,机械式属于接触式编码器,另外三种是非接触式。光学式编码器和磁式编码器的应用最广泛。1)机械式编码器机械式编码器:以电阻与旋转角度成比例变化的可变电阻检测旋转位置。当滑块在电阻器上移动时,电位计的电阻值与滑块的移动距离成比例地变动;2)光学式编码器光学式编码器:旋转圆盘(码盘)被安装于电动机轴上并且开设狭缝,当光透过3.964.877.20222027ECAGR=8.01%敬请阅读末页的重要说明 23 行业深度报告
54、狭缝时,光脉冲信号发生变动。通过计算脉冲数量,可知马达轴的旋转量;3)磁磁式编码器式编码器:永磁铁被安装与电动机轴上,用磁传感器读取磁场分布的变动。当电动机转动时,永磁体的磁场分布会发生变化,从而检测到电动机轴的转动位置;4)电磁感应式编码器电磁感应式编码器:感应线圈(励磁线圈)和固定线圈(检测线圈)被安装于电动机轴上,工作原理与使用电磁感应的变压器相同。图图 32:机械式编码器:机械式编码器 图图 33:光学式编码器:光学式编码器 资料来源:旭化成微电子(AKM)、招商证券 资料来源:旭化成微电子(AKM)、招商证券 图图 34:磁式编码器:磁式编码器 图图 35:电磁感应式编码器:电磁感应
55、式编码器 资料来源:旭化成微电子(AKM)、招商证券 资料来源:旭化成微电子(AKM)、招商证券 按照编码方式按照编码方式:分为绝对式、增量式、混合式三种分为绝对式、增量式、混合式三种。1)绝对式编码器:由机械位置确定编码,每个基准角度对应一个确定数字码,通过测量起始位置与终止位置,即可获得测量结果。由于每个位置的唯一性,绝对值编码器无需记忆、无需参考点,即可测量 360 范围内的绝对角度;2)增量式编码器:直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 A、B 和 Z 相,A、B 两组脉冲相位差 90,从而可方便的判断出旋转方向,Z 相为每转一个脉冲,用于基准点定位。增量式编码器将位移转换为周期性电信
56、号,然后将电信号转换为计数脉冲,用脉冲数表示位移大小。3)混合式编码器:输出两组信息:一组信息用于检测磁极位置,带有绝对信息功能;另一组则完全同增量式编码器的输出信息。敬请阅读末页的重要说明 24 行业深度报告 图图 36:绝对式编码器工作原理:绝对式编码器工作原理 图图 37:增量式编码器工作原理:增量式编码器工作原理 资料来源:Orientalmotor、招商证券 资料来源:Orientalmotor、招商证券 表表 5:绝对式编码器和增量式编码器对比:绝对式编码器和增量式编码器对比 绝对绝对式编码器式编码器 增量增量式编码器式编码器 定位精度 高,不受外部因素影响,可靠性较高 定位精度取
57、决于分辨率和信号质量,受外部影响较大 影响干扰 不会因断电或外部干扰而受影响 可能受到断电和外部干扰的影响 分辨率 通常较高,用二进制表示(例如 17bit、23bit)通常较低,用每转脉冲数表示(例如 1000Count/turn)复杂度与价格 复杂度高,价格通常是增量式的两倍以上 较简单,价格相对较低 记忆性 能够记住断电前位置,断电重启后恢复 断电重启后不能记住位置,需要重新找零 机械寿命 机械寿命相对较短,容易受环境影响 机械寿命较长,适用于长时间运行 抗干扰能力 对外部干扰相对较弱,稳定性较高 抗干扰能力强,适用于恶劣环境和长距离传输 输出信息 能输出轴的绝对位置信息 不能直接输出轴
58、的绝对位置信息,需要回零重新找位置 资料来源:ofweek 机器人、Digikey、招商证券(2)编码器的应用)编码器的应用 编码器应用于需要位置、速度、距离等反馈以及快速高精度操作的行业中。编码器应用于需要位置、速度、距离等反馈以及快速高精度操作的行业中。编码器能够发挥放置位置控制、滚珠丝杠定位、输送、定尺、填充、线性测量、电机反馈、定位标记定时、缠绕/平卷、卷材张紧、X-Y 定位等作用。在汽车行业,编码器可用作机械运动传感器,用于控制速度;在电子行业,编码器广泛应用于打印机和扫描仪,而高精度、高分辨率的编码器可用于半导体等先进电子产品的生产。在工业领域,编码器可用于贴标机、包装机、数控机床
59、和自动化生产使用的机械臂;在医疗行业,编码器用于 CT、MRI 等医疗扫描设备、自动化设备的微观/纳米运动控制和配药泵;在军事领域,编码器可用于天线定位。表表 6:编码器常见应用:编码器常见应用 行业行业/领域领域 应用应用 航空航天 电机反馈、行李输送、天线定位、机载制导系统、自动化装配系统、X-Y 定位 自动驾驶汽车和移动机器人 提升控制、驱动电机、转向总成、冗余 转换机械 缠绕、层压、折叠、接缝、粘合、模切、定尺切割等 食品饮料 填料、封盖、装瓶、标签、机器进给系统、灌装转盘、拾取和放置 起重和货运 龙门架、港口起重机 金属成型与制造 立式磨机、车床、冲床、压力机、挤出机、焊机、驱动电机
60、、皮带、辊式成型机、立式轧机、焊机、挤出机、压力机、弯管机、冲头、焊接钻头、卷取系统、辊式成型机 包装 柔性包装、填模封口机、标签设备、成型填充密封机、装盒机、标签粘贴器、喷墨打印、纸箱系统、自动灌装设备、输送机 印刷 胶印机、卷筒纸印刷机、卷筒纸印刷、二进制系统、胶印机、喷墨打印 舞台艺术 电梯、剧院座位、移动平台 敬请阅读末页的重要说明 25 行业深度报告 行业行业/领域领域 应用应用 纺织 编织机械、印刷机械、针织机械、接缝、胶合、定尺切割系统、挤压机械,按长度切割系统切割台、涂胶设备 木材 锯、刨机、磨机、输送机、起重机、木材运输、板材运输、龙门系统、堆垛机、薄板货物处理、原木扫描系统
61、、原木加工厂 仓储 拾放机器人、AMR、AGC、叉车、自动化存储/检索系统(AS/RS)资料来源:Encoder Products Company、招商证券 编码器可用于人形机器人的旋转关节,功能是为单个关节运动和机器人整体平衡编码器可用于人形机器人的旋转关节,功能是为单个关节运动和机器人整体平衡提供参数。提供参数。1)单个关节运动:)单个关节运动:人形机器人的关节需要完成一系列复杂的运动。关节的伺服控制需要高精度的编码器来提供扭矩、速度和位置等信息。2)整体)整体平衡:平衡:人形机器人的各关节需要相互协调,共同保持机器人整体平衡。要在两足行走的同时保持平衡,就需要获得旋转编码器的反馈数据,据
62、此来精确控制关节角度,实现肢体位置、速度和加速度的调整。精确度提升的前提下,磁编在机器人关节应用方面优于光编。精确度提升的前提下,磁编在机器人关节应用方面优于光编。人形机器人的设计要兼顾动作的精确性和可耐受工作环境的恶劣程度两方面要求。采用光式编码器的机器人可以达到更高的动作精确度,而使用磁式编码器的机器人可以适应更加复杂的工作环境。目前,随着技术的改进,磁式编码器精度和分辨率出现提升。磁式编码器正逐渐在以往由光学编码器占据的市场中取代后者。此外,磁式编码器还具体积小、重量轻、工作温度范围宽、抗冲击、抗震、稳定性强的优点。考虑到人形机器人体积有限,并且在户外各种不同环境下有广泛的应用,我们预计
63、相比于光式编码器,磁式编码器将在人形机器人领域得到更多应用。表表 7:光学式编码器和磁式编码器对比:光学式编码器和磁式编码器对比 光学式编码器光学式编码器 磁式编码器磁式编码器 精度 高,可实现精确的位置控制 依靠电磁感应工作,精度较差,不适于在精细处进行位分辨率 高 依赖于磁极数量和布局,通常较低 环境适应性 受粉尘、水汽等污染影响,适用范围受能适应高水平振动或污染,但受电磁干扰和温度变化影安装复杂度 需要精确安装和校准 相对简单 组件易损性 玻璃或塑料码盘易损坏,受振动和温度磁性芯片较耐用,但电磁干扰和温度变化会影响位置 经济成本 结构复杂,经济成本较高 磁性芯片技术国产化,价格较低 应用
64、领域 适用于高精度定位、位置控制等应用 适用于环境较恶劣、需求较低精度的应用 资料来源:电机转子位置传感器的评述与发展趋势、AKM、招商证券 双编码器方案改善控制精度。双编码器方案改善控制精度。双编码器方案中,电机侧编码器用来驱动电机,输出侧编码器用来测量输出位置的变化。因此,双编码器方案可以同时监控电机和齿轮箱侧的速度和位置,相比单编码器可更高精度控制关节运动轨迹。1)传统双编码器在输出端加装了一个编码器。编码器的定子必须固定于执行器的定子上,导致结构复杂,稳定性相对较差且电机与齿轮的转速不一致会造成机械误差。2)市场上还有一种新型双编码器方案。该设计通过中空轴设计,将输出轴侧的编码器转移至
65、执行器定子侧,而输出轴反向多一个穿过中空轴的回路轴,为编码器提供转动数据,同时解决了编码器定子的固定与走线问题。敬请阅读末页的重要说明 26 行业深度报告 图图 38:传统的:传统的双编码器执行器拓扑双编码器执行器拓扑 图图 39:新型的:新型的双编码器执行器拓扑双编码器执行器拓扑 资料来源:金钢科技、招商证券 资料来源:金钢科技、招商证券(3)编码器性能会影响电机运动控制效果)编码器性能会影响电机运动控制效果 伺服系统整体包括伺服电机、编码器、驱动器和控制器等伺服系统整体包括伺服电机、编码器、驱动器和控制器等。其中,编码器用于实时测量运动的位置和速度,实现伺服系统的“闭环控制”。一体化伺服电
66、机内部通常会配备编码器,以提供精确的位置反馈和实现高性能的运动控制。通过与控制系统结合使用,编码器提供实时的位置反馈,使伺服电机能够精确地执行各种复杂的运动任务。在伺服系统的成本构成中,驱动器成本最高,占比达 42%,其次是电机,占比约 35%,编码器在系统整体成本中的占比约为 11%。国产编码器的精度和综合性能低于进口产品国产编码器的精度和综合性能低于进口产品,我国中高端编码器市场被海外企业我国中高端编码器市场被海外企业占据占据。根据 MIR 数据,2022 年国内编码器市场被多摩川、海德汉两家海外企业占据 42%,国内头部厂商禹衡光学排名第三,占比 8%。我们认为,编码器行业主要有两大技术
67、壁垒:1)研发和设计壁垒研发和设计壁垒:编码器技术涉及光学、磁学、电容等领域,要设计和制造高精度、高分辨率的编码器需要深厚的技术积累和专业知识;并且编码器的材料选择对性能也有重要影响;2)设备和工艺壁垒设备和工艺壁垒:制造高精度编码器需要精密的生产设备和工艺,比如完成光栅、编码盘、光传感器或磁传感器的组装,通常需要精密的装配工艺和定位设备;在制造完成后,需要校准和测试编码器,此过程涉及到校准装置。图图 40:一体化伺服电机构造图:一体化伺服电机构造图 图图 41:伺服系统:伺服系统 BoM 构成(构成(%)资料来源:立迈盛、招商证券 资料来源:埃斯顿机器人、招商证券 42%35%11%12%伺
68、服系统主要构件成本占比驱动器电机编码器其他 敬请阅读末页的重要说明 27 行业深度报告 图图 42:2022 年国内编码器市场竞争格局年国内编码器市场竞争格局 资料来源:MIR、招商证券(4)国内主要编码器企业产品)国内主要编码器企业产品 汇川技术汇川技术等国内厂商已具备多型号高精度编码器生产能力。等国内厂商已具备多型号高精度编码器生产能力。汇川技术生产增量式和绝对式编码器。前者包括伺服编码器、正余弦编码器和重载增量式编码器等;后者包括多圈式和十字连轴式编码器。禾川科技生产自主研发的磁编码器和光编码器,最高分辨率分别达到 21 位、23 位,精度可达 20 角秒,采用差分串行输出信号,能够有效
69、防止外部干扰,在解列工况下准确输出。昊智科技生产高精度、宽工作温度范围、高可靠性、高分辨率的双绝对值编码器。奥普光电生产光栅编码器,该产品广泛应用于自动化领域,是数控机床、交流伺服电机、电梯、重大科研仪器等领域的关键测量传感器件。埃斯顿于 2018 年实现自主编码器的批量应用。目前,公司正持续开发经济型单圈绝对值、多精度高圈绝对值编码器等产品,提升产品竞争力。表表 8 8:主要公司编码器产品:主要公司编码器产品 公司公司 编码器编码器 汇川技术 增量式编码器(EI34H 系列超薄省线式编码器、EI38 系列伺服编码器、EI38 系列增量编码器、EI58 系列增量编码器、正余弦编码器、EI100
70、H 系列增量编码器、EI118H 系列重载增量编码器)绝对值编码器(EA35 多圈绝对值编码器、EA79 十字连轴式绝对值编码器、EA58S 系列 CANopen 编码器)禾川科技 最高分辨率 21 位的磁编码器;最高分辨率 23 位的光编码器 昊智科技 定位精度40,重复定位精度10的双绝对值编码器 奥普光电 光栅编码器 埃斯顿 自主研发的编码器 资料来源:公司公告、公司官网、招商证券 4、轴承轴承(1 1)轴承种类繁多,以滚动轴承为主)轴承种类繁多,以滚动轴承为主 轴承被称为“机械的关节”,主要作用是支承旋转轴、减小摩擦,通过承受径向轴承被称为“机械的关节”,主要作用是支承旋转轴、减小摩擦
71、,通过承受径向荷载和轴向荷载传动力和运动。轴承的精度、性能、稳定性对机械设备的性能起荷载和轴向荷载传动力和运动。轴承的精度、性能、稳定性对机械设备的性能起着重要作用。着重要作用。轴承轴承按照工作的摩擦性质:分为滚动摩擦轴承(滚动轴承)和滑动摩擦轴承(滑按照工作的摩擦性质:分为滚动摩擦轴承(滚动轴承)和滑动摩擦轴承(滑动轴承)。动轴承)。从构造结构来看,滚动轴承由滚道圈、滚动体、保持架等构件组成,而滑动轴承结构更简单,主要通过与轴的滑动摩擦达到承托的效果,因此与滑动28%14%8%6%5%4%4%4%3%3%2%20%2022年国内编码器市占率情况(%)多摩川海德汉禹衡光学西克堡盟电子内密控倍加
72、福宜科欧姆龙库伯勒光洋电子其他 敬请阅读末页的重要说明 28 行业深度报告 轴承相比,滚动轴承具有摩擦系数小、消耗功率少、效率高的优点。在实际应用中,滚动轴承占据轴承的绝大多数。图图 4343:轴承按照工作的摩擦性质分轴承按照工作的摩擦性质分 资料来源:长盛轴承招股说明书、招商证券 滑动轴承:滑动轴承:根据工作时轴套和轴颈表面间呈现的摩擦状态,可以细分为流体润滑轴承、非完全流体润滑轴承和无润滑轴承。一般后两者属于自润滑轴承,指在工作时可以不加或长时期不必加润滑剂的滑动轴承;滚动轴承:滚动轴承:根据滚动体的类型可以细分为滚珠轴承、滚子轴承。滚动体包含多种形态,包括球形滚子、圆柱形滚子、锥形滚子、
73、鼓形滚子、针形滚子。滚珠轴承结构紧凑,适用于更高的速度和更轻的负载,滚子轴承适用于更重的负载和冲击;根据接触角的大小可以分为向心轴承、角接触轴承、推力轴承,其公称接触角从0增大到 90。图图 44:滚动轴承与滑动轴承的区别:滚动轴承与滑动轴承的区别 图图 45:滚动体分类:滚动体分类 资料来源:米思米、招商证券 资料来源:IDC、招商证券(2)人形机器人的关节连接处、减速器和电机中均需使用轴承)人形机器人的关节连接处、减速器和电机中均需使用轴承 轴承在机器人的关节连接处、减速器和电机中均有分布。在机器人的旋转关节处轴承在机器人的关节连接处、减速器和电机中均有分布。在机器人的旋转关节处通常使用角
74、接触轴承,而在直线关节处通常使用深沟球轴承和四点接触轴承。通常使用角接触轴承,而在直线关节处通常使用深沟球轴承和四点接触轴承。深沟球轴承的球半径稍小于截面半径,可以承受径向、轴向载荷,适合高转速、低噪音、低振动的场景。四点接触球轴承是一种特殊的角接触球轴承,其内圈对中心轴呈垂直平面分成两部分,可承受组合荷载。角接触轴承的球与内圈、外圈有 敬请阅读末页的重要说明 29 行业深度报告 15/25/30/45 度接触角,接触角越大,可以承受的轴向载荷越大,接触角越小则有利于高速旋转。图图 46:深沟球轴承(左)和角接触轴承(右):深沟球轴承(左)和角接触轴承(右)图图 47:四点接触球轴承:四点接触
75、球轴承 资料来源:SKF、招商证券 资料来源:四点接触球轴承在载荷作用下的接触载荷和刚度、招商证券 除了关节连接处之外,减速器中也需要使用轴承。在单个谐波减速器中除了关节连接处之外,减速器中也需要使用轴承。在单个谐波减速器中,同时需要刚性轴承和柔性轴承各一个,其中刚性轴承一般为交叉圆柱滚子轴承,滚动体为圆柱滚子,分布于互成垂直排列的滚道中。这种结构使得单个轴承可以同时承受轴向、径向和倾覆力矩等各个方向的载荷,轴承具有很高的刚度、旋转精度以及复合承载能力。柔性轴承的外环很薄,容易产生径向变形,在未装入凸轮之前环是圆形的,装上之后为椭圆形。柔性轴承在工作中,内圈安装在椭圆形的刚轮上,工作中承受循环
76、应力载荷,外圈安装在柔轮上,工作中随柔轮的弹性变形不断的发生变化,不仅承受循环应力载荷,而且承受交变应力载荷。图图 48:交叉圆柱滚子轴承:交叉圆柱滚子轴承 图图 49:柔性轴承:柔性轴承 资料来源:日本东晟、招商证券 资料来源:SWC、招商证券 一个一个 RV 减速器需要四种轴承。减速器需要四种轴承。1)薄壁角接触球轴承)薄壁角接触球轴承通常作为减速器主轴承。通常,这类轴承具有 40-50 度的接触角,具有高精度、高刚性,对减速器的力矩刚性具有重要影响。轴承内外圈通常不等高,这既是为了避免轴承在安装过程中出现干涉,也是为了轴承的润滑与散热方便;轴承保持架通常采用 PA66 注塑成型的冠形保持
77、架。2)薄壁圆锥滚子轴承)薄壁圆锥滚子轴承分为曲柄支撑和主支撑两种,曲柄支撑带薄壁锥形滚子轴承通常较小,放置在曲柄的两侧,起到支撑曲柄的作用。3)圆柱滚子圆柱滚子(滚针滚针)及保持架组件及保持架组件没有内外圈,使用时可以将其发展置于曲柄中间部分部位,以与之相配套的轴和孔为轴承的内外圈和滚道,起到重要支撑曲柄摆线轮的作用,结构非常简单紧凑。4)薄壁深沟球轴承)薄壁深沟球轴承用于齿轮支承的,要求精度高、输出稳定。敬请阅读末页的重要说明 30 行业深度报告 图图 50:RV 减速器结构拆分减速器结构拆分 资料来源:机器人用 RV 减速器多齿啮合特性研究、招商证券 行星减速机结构紧凑,形状多样,因而轴
78、承应用繁多,涉及深沟球轴承,角接触行星减速机结构紧凑,形状多样,因而轴承应用繁多,涉及深沟球轴承,角接触球轴承,圆锥滚子轴承,冲压滚针轴承及双列角接触球轴承等。球轴承,圆锥滚子轴承,冲压滚针轴承及双列角接触球轴承等。不同轴承可承受的工作负荷。滚子轴承一般比相近尺寸的球轴承有更高的承载能力,满滚子轴承比相应的带保持架的轴承能承受更重的负荷,在重负荷和大轴径的工况下,选择滚子轴承比较合适。工业用行星减速机需要布置尽可能多的圆柱滚子轴承,并保证设计的紧凑性,才能保证轴承尽可能大的径向承载力和高刚度要求。图图 51:行星减速器结构拆分:行星减速器结构拆分 资料来源:川铭精工减速机、招商证券 除了机器人
79、的关节连接处和减速机中,电机里也会使用轴承。除了机器人的关节连接处和减速机中,电机里也会使用轴承。深沟球轴承、圆柱滚子轴承、角接触轴承、调心滚子轴承是电机主要使用的轴承,圆锥滚子轴承、四点接触球轴承、调心滚子推力轴承也有所应用。以特斯拉以特斯拉 Optimus 人形机器人为例,方案显示机器人全身会使用到四种轴承,人形机器人为例,方案显示机器人全身会使用到四种轴承,包括滚珠轴承、四点接触球轴承、角接触球轴承、交叉圆柱滚子轴承。包括滚珠轴承、四点接触球轴承、角接触球轴承、交叉圆柱滚子轴承。其中,旋转执行器里的谐波减速器搭载交叉圆柱滚子轴承、角接触轴承,直线执行器里的滚珠丝杠搭载滚珠轴承、四点接触球
80、轴承。由于在汽车中以广泛使用各类轴承,特斯拉可以将其新能源车的轴承供应链复用至人形机器人的生产中。敬请阅读末页的重要说明 31 行业深度报告 图图 52:Optimus 使用到四类轴承使用到四类轴承 资料来源:特斯拉、招商证券(3)轴承市场由国外企业主导,国内竞争格局较分散)轴承市场由国外企业主导,国内竞争格局较分散 前十大轴承企业占全球轴承市场份额的前十大轴承企业占全球轴承市场份额的28%。根据PrecedenceResearch预测,2022年全球轴承市场规模为1302亿美元,预计到2032年增长至2798亿美元,10 年 CAGR 为 7.9%。世界八大轴承企业凭借先发优势和卓越的技术实
81、力在全球范围内已经形成垄断竞争的局面。八大轴承企业分别为瑞典 SKF、德国Schaeffler、日本 NSK、日本 JTEKT、日本 NTN、美国 TIMKEN、日本 NMB、日本NACHI。2022年,全球轴承市场75%左右的市场份额由八大轴承企业占据,中国企业仅占 20%左右,八大轴承企业基本垄断了中高端轴承行业。图图 53:全球轴承市场规模全球轴承市场规模及预测及预测 资料来源:Precedence Research、招商证券 中国轴承市场格局较分散,中高端轴承市场仍被海外企业占据。中国轴承市场格局较分散,中高端轴承市场仍被海外企业占据。自 2006 年以来中国轴承市场规模逐渐扩大,20
82、21 年轴承市场规模为 2278 亿元,期间 CAGR达 9%。从产值上看,国内大多数轴承厂商占比较低,仅人本集团、万向钱潮的产值份额超过 5%。国内轴承市场上,八大国际轴承企业占据主导地位,且主要集中于高端市场,而本土轴承企业的营收规模较低、市场份额较分散、多生产中低端产品。05000250030002022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032单位:亿美元 敬请阅读末页的重要说明 32 行业深度报告 图图 54:中国轴承中国轴承行业规模以上企业营收及增速行业规模以上企业营收及增速 图图 5555:20212
83、021 年中国轴承企业竞争格局年中国轴承企业竞争格局 资料来源:万达轴承招股说明书、招商证券 资料来源:华经产业研究院、招商证券 轴承下游应用行业广泛,主要集中在汽车、家电、电机等行业,轴承下游应用行业广泛,主要集中在汽车、家电、电机等行业,2021 年占比分年占比分别为别为 32%/28%/18%。机器人中使用的轴承目前占比较小,未来伴随人形机器人的量产可迎来增量市场。图图 56:轴承下游应用集中于汽车、家电、电机:轴承下游应用集中于汽车、家电、电机 资料来源:中国机械工业年鉴 2022、招商证券 三、三、相关上市公司相关上市公司 1、三花智控、三花智控(家电覆盖)(家电覆盖)三花智控是全球
84、最大的制冷控制元器件和全球领先的汽车热管理系统控制部件三花智控是全球最大的制冷控制元器件和全球领先的汽车热管理系统控制部件制造商。制造商。公司业务主要分为 2 个板块,即制冷空调电器零部件业务和汽车零部件业务。1)制冷空调电器零部件业务致力于建筑暖通、电器设备专业化经营)制冷空调电器零部件业务致力于建筑暖通、电器设备专业化经营,主要产品包括四通换向阀、电子膨胀阀、电磁阀、微通道换热器、Omega 泵等,广泛应用于空调、冰箱、冷链物流、洗碗机等领域。2023 年上半年,制冷业务贡献了公司整体营收的 62%;2)汽车零部件业务专注于汽车热管理领域的深入)汽车零部件业务专注于汽车热管理领域的深入研究
85、研究,主要产品包括热力膨胀阀、电子膨胀阀、电子水泵、新能源车热管理集成组件等,广泛应用于新能源汽车和传统燃油车。2023 年上半年,汽零业务贡献整体营收的 38%,明显低于制冷业务,但近年来占比持续提升。2023 年前三季度业绩实现同比高增。年前三季度业绩实现同比高增。2018-2022 年,公司营业收入、归母净利润 CAGR 分别为 18.47%/18.79%,主要原因是新能源汽车市场景气度持续提升,进而带动新能源汽车热管理产品产销量高速增长。2023 年前三季度,公司在制-10%0%10%20%30%40%05000250020092001320
86、00202021亿元市场规模同比增长(右轴)人本集团9%万向钱潮6%浙江天马3%瓦房店轴承3%洛阳LYC轴承2%五洲新春1%其他76%汽车34%家用电器30%电机19%农机4%工程机械1%冶金矿山机械0%铁路车辆0%风力发电0%其他12%敬请阅读末页的重要说明 33 行业深度报告 冷空调控制元器件市场份额提升,叠加新能源汽车行业的高速发展,营收和归母净利润分别同比增长 21.65%/32.68%。图图 57:三花智控:三花智控 2023 年上半年营业收入构成年上半年营业收入构成 图图 58:三花智控营业收入及归母净利润:三花智控营业收入及归母净利润
87、资料来源:iFind、招商证券 资料来源:iFind、招商证券 公司毛利率、净利率分别维持在公司毛利率、净利率分别维持在 25%、10%以上。以上。2021 年后,由于毛利率较低的汽零业务营收增长较快,公司整体毛利率比 2021 年前有所下降。公司净利率基本保持稳定。图图 59:三花智控盈利能力:三花智控盈利能力 资料来源:iFind、招商证券 公司正推动公司正推动 GDR 项目并拟在瑞士交易所上市,拟募资项目并拟在瑞士交易所上市,拟募资 2 亿元金用于建设机器人亿元金用于建设机器人机电执行器研发项目。机电执行器研发项目。该项目总投资 2.018 亿元,致力于设计出在功率密度和响应速度上都可以
88、满足仿生机器人应用的产品,为仿生机器人整体提供性价比高的伺服机电执行器,助力仿生机器人产业化。预计 2024 年 Q4,该项目达到产业化要求。机电执行器是仿生机器人的核心部件,主要由伺服电机、减速机构和编码器组成。公司已在智能控制领域深耕多年,凭借对电机技术的积累和理解,将受益于行业发展机遇。2、绿的谐波、绿的谐波 绿的谐波是一家专业从事精密传动装置研发、设计、生产和销售的高新技术企业,绿的谐波是一家专业从事精密传动装置研发、设计、生产和销售的高新技术企业,产品包括谐波减速器及精密零部件、机电一体化执行器、微型电液伺服装置、智产品包括谐波减速器及精密零部件、机电一体化执行器、微型电液伺服装置、
89、智能自动化装备等。能自动化装备等。从营收结构来看,谐波减速器是公司的主要产品,2023 年上半年营收占比达到 89%;机电执行器营收占比为 9%,其他产品对营收的贡献较小。制冷业务62%汽零业务38%0%100%0500亿元营业收入归母净利润营收同比(右轴)归母净利润同比(右轴)0%10%20%30%40%2002120222023Q3毛利率净利率 敬请阅读末页的重要说明 34 行业深度报告 公司业绩公司业绩增长迅速增长迅速,近两年受下游影响出现波动近两年受下游影响出现波动。2018-2022 年,公司营业收入、归母净利润CAGR分别为19.32%/24.27%。2021
90、年,由于国内制造业对自动化、智能化的需求旺盛,下游工业机器人产量增加,公司营收、归母净利润分别大幅增长 104.77%/130.56%。2023 年,受宏观经济影响,我国工业机器人产量下降,公司前三季度营收、归母净利润随之同比下降 26.26%/43.36%。图图 60:绿的谐波:绿的谐波 2023 年上半年营业收入构成年上半年营业收入构成 图图 61:绿的谐波营业收入及归母净利润:绿的谐波营业收入及归母净利润(亿元亿元)资料来源:iFind、招商证券 资料来源:iFind、招商证券 2018 年至今,公司毛利率、净利率有所波动。年至今,公司毛利率、净利率有所波动。由于营收增长较快,期间费用率
91、相对下降,2021 年公司净利率提升至 42.87%。2022 年,谐波减速器及金属部件的毛利率出现下降。2023 年前三季度,由于公司处于产能爬坡阶段,相对产能利用率较 2022 年有所下滑,所以毛利率、净利率都发生明显下降,分别为41.73%/29.08%。图图 62:绿的谐波盈利能力:绿的谐波盈利能力 资料来源:iFind、招商证券 公司大部分产品都与机器人相关,涵盖了谐波减速器、旋转执行器、无框电机、公司大部分产品都与机器人相关,涵盖了谐波减速器、旋转执行器、无框电机、关节等。关节等。公司多年来最主要的产品谐波减速器是小型工业机器人的核心零部件,公司目前开发了 LCD/LCS/LCSG
92、 等谐波减速器,型号丰富。同时,公司还紧跟下游市场需求,面向未来移动机器人一体化关节领域所需的旋转关节、电液驱动关节两大主流技术路径进行了相应布局,具备 KAH/KAT 等型号的旋转执行器、KMF 无框力矩电机、机器人用电液伺服驱动关节等产品线。2022 年,公司完成了新一代强过载高精度谐波减速器设计及制备技术的研发,并开始批量生产。该减速器可应用于机器人领域,具备国内领先的技术水平。谐波减速器89%机电一体化执行器9%智能自动化装备1%其他1%-100%-50%0%50%100%150%00222023Q3营业收入归母净利润营收同比(右轴)归母同比
93、(右轴)0%20%40%60%2002120222023Q3毛利率净利率 敬请阅读末页的重要说明 35 行业深度报告 图图 63:适用于人形机器人的:适用于人形机器人的 LCD-I 谐波减速器谐波减速器 图图 64:KAH 旋转执行器旋转执行器 资料来源:公司官网、招商证券 资料来源:公司官网、招商证券 3、双环传动双环传动/环动科技环动科技(汽车覆盖)(汽车覆盖)双环传动专注于齿轮传动产品制造,目前的主要产品为乘用车齿轮、商用车齿轮、双环传动专注于齿轮传动产品制造,目前的主要产品为乘用车齿轮、商用车齿轮、工程机械齿轮、减速器及其他产品。工程机械齿轮、减速器及其他产品。主
94、要应用领域涵盖汽车的传动系统装置包括变速器、分动箱等,新能源汽车的动力驱动装置如混合动力变速器以及电动车驱动系统减速箱齿轮,非道路机械中的减速和传动装置,以及在轨道交通、风力发电、电动工具、机器人自动化等多个行业门类中的驱动、传动应用场景。2023年上半年,乘用车齿轮贡献了 50%的营收。是营收占比最大的板块。2018-2022 年,双环传动业绩实现高速增长,年,双环传动业绩实现高速增长,CAGR 分别为分别为 21.37%/31.44%。随着下游新能源汽车行业的爆发式增长和工业机器人行业的发展,公司营业收入始终保持增长。2021 年,归母净利润增长超过 5 倍,主要原因是营收增长,特别是乘用
95、车齿轮。2023 年前三季度,受益于新能源车渗透率提升和齿轮外包的趋势,公司营收和归母净利润分别同比增长 21.69%/43.94%。图图 65:双环传动:双环传动 2023 年上半年营业收入构成年上半年营业收入构成 图图 66:双环传动营业收入及归母净利润:双环传动营业收入及归母净利润 资料来源:iFind、招商证券 资料来源:iFind、招商证券 近年来,双环传动盈利能力有所提升。近年来,双环传动盈利能力有所提升。公司持续推动内部降本增效、自主创新等工作,有效提升制造能力,降低单位成本,提升毛利率。同时,公司营收增长较快,并且财务费用规模自 2019 年起连年下降,因而公司能够在研发费用不
96、断提升的情况下继续拉低期间费用率,使得净利率提升。乘用车齿轮钢材销售商用车齿轮工程机械齿轮民生齿轮电动工具齿轮摩托车齿轮其他-200%0%200%400%600%020406080200212022 2023Q3单位:亿元营业收入归母净利润营收同比归母同比 敬请阅读末页的重要说明 36 行业深度报告 图图 67:双环传动盈利能力:双环传动盈利能力 资料来源:iFind、招商证券 双环传动控股子公司环动科技从事机器人关节高精密减速机的研制及产业化,产双环传动控股子公司环动科技从事机器人关节高精密减速机的研制及产业化,产品主要分为摆线行星减速机和谐波减速机两大类。品主要分为摆
97、线行星减速机和谐波减速机两大类。公司自主开发了共计 50 多个品种减速机,已实现 3Kg-1000Kg 工业机器人用减速机的全面覆盖,并成功批量应用于国内各机器人头部企业。各项性能指标均达到国际先进水平。在机器人高精密摆线行星减速机国产市场,环动科技市场占有率连续多年位居第一。未来,为满足下游机器人厂商对关键核心部件国产化的诉求,环动科技将持续加大在重负载机器人减速机的关键技术攻关与产业化推进方面的研发投入。图图 68:SHPR-C 高精密摆线行星减速机高精密摆线行星减速机 图图 69:高精密谐波减速机:高精密谐波减速机 资料来源:环动科技官网、招商证券 资料来源:环动科技官网、招商证券 4、
98、步科股份步科股份(电新覆盖)(电新覆盖)步科股份主要从事工业自动化控制核心部件与数字化工厂软硬件相关业务,并提步科股份主要从事工业自动化控制核心部件与数字化工厂软硬件相关业务,并提供自动化控制、数字化工厂解决方案。供自动化控制、数字化工厂解决方案。公司核心产品包括控制系统和驱动系统。其中,控制系统包括人机界面(HMI)和可编程逻辑控制器(PLC);驱动系统包括伺服系统、步进系统和低压变频器。公司产品的主要应用场景包括物流设备、医疗设备、工业机器人、食品机械、服装机械、纺织机械、轨道交通设备、包装机械、塑料机械、电子制造设备、印刷机械等领域。2023 年上半年,驱动系统营收占比为 61%,专用控
99、制器营收占比 36%。近年来,受益于下游机器人和医疗影像设备行业的发展,公司业绩保持增长。近年来,受益于下游机器人和医疗影像设备行业的发展,公司业绩保持增长。2018-2022 年,公司营收和归母净利润 CAGR 分别为 14.01%/26.09%。2023年前三季度,为保持未来长期发展动力、进一步扩充研发团队,公司加大了研发和营销投入,并且股票期权激励计划确认的股份支付费用增加,但受宏观因素影0%5%10%15%20%25%2002120222023Q3毛利率净利率 敬请阅读末页的重要说明 37 行业深度报告 响,下游需求下降。因此,公司营收和归母净利润分别同比下降 6
100、.87%/34.37%。图图 70:步科股份:步科股份 2023 年上半年营业收入构成年上半年营业收入构成 图图 71:步科股份营业收入及归母净利润:步科股份营业收入及归母净利润 资料来源:iFind、招商证券 资料来源:iFind、招商证券 公司整体盈利能力保持稳定。公司整体盈利能力保持稳定。2021 年,由于芯片、液晶等原材料价格上涨,毛利率有所下降。2022 年,公司采取降本增效措施,优化主要产品成本,使毛利率、净利率有所提高。2023 年前三季度,由于营收下降和期间费用大幅增长,净利率明显下降。图图 72:步科股份盈利能力:步科股份盈利能力 资料来源:iFind、招商证券 步科股份与机
101、器人相关的产品主要包括伺服系统、步科股份与机器人相关的产品主要包括伺服系统、HMI 和和 PLC。JD、CD3&FD3、CD2S&FD2S、FD5、FD5P 系列伺服驱动器可用于 SCARA 机器人,DELTA 机器人,六关节机器人等。公司自主研发的 FMC 无框力矩电机性能优于同业产品且成本优势明显,能够助力国产协作机器人成本控制。FD1X4S 系列低压伺服驱动器适用于物流机器人等需要高响应速度、高定位精度的场合。CM/M 系列步进驱动器可用于工业机器人,具有低速运行更平稳、体积小、接线简单的优势。驱动系统专用控制器其他-50.00%0.00%50.00%100.00%02462018201
102、92020202120222023Q3单位:亿元营业收入归母净利润营收同比归母同比0%10%20%30%40%50%2002120222023Q3毛利率净利率 敬请阅读末页的重要说明 38 行业深度报告 图图 73:JD 系列伺服驱动器系列伺服驱动器 图图 74:FMC 无框力矩电机无框力矩电机 资料来源:步科股份官网、招商证券 资料来源:步科股份官网、招商证券 5、五洲新春五洲新春 五洲新春主营业务为轴承、精密机械零部件和汽车安全系统、热管理系统零部件五洲新春主营业务为轴承、精密机械零部件和汽车安全系统、热管理系统零部件的研发、生产和销售,为主机客户提供行业领先的解决方
103、案。的研发、生产和销售,为主机客户提供行业领先的解决方案。公司是国内少数涵盖精密锻造、制管、冷成形、机加工、热处理、磨加工、装配的轴承、精密零部件全产业链企业。公司轴承主业突出,是国内领先的轴承制造商。轴承磨前技术达到全球先进水平,磨装技术快速进步,是国内轴承行业进口替代最具实力及潜力企业之一。2022 年,公司成品轴承业务占营收比重最大,为 59%。公司业绩稳健,整体保持增长。公司业绩稳健,整体保持增长。2020 年,受疫情、贸易摩擦等多重因素影响,公司营收、归母净利润分别同比下降 3.5%/39.35%。2021 年,公司营收同比增长 38.15%,主要原因是公司轴承产品和管路件产品增长较
104、快,风电滚子、汽车零部件等新品量产、11-12 月 FLT 收入并入五洲新春;加之净利率提升,归母净利润同比增长 98.89%。2023 年,欧洲经济不景气影响轴承套圈业务、上半年风电装机不及预期,导致业绩有所下滑。图图 75:五洲新春:五洲新春 2022 年营业收入构成年营业收入构成 图图 76:五洲新春营业收入及归母净利润:五洲新春营业收入及归母净利润 资料来源:iFind、招商证券 资料来源:iFind、招商证券 2018 年以来,公司净利率保持平稳,毛利率有所下降。年以来,公司净利率保持平稳,毛利率有所下降。由于空调管路业务的营收占比提升和毛利率下降,公司整体毛利率受到拖累,但由于期间
105、费用管控得当,公司净利率保持在 5%左右。成品轴承空调管路汽车零部件其他业务-50%0%50%100%150%08200222023Q3亿元营业收入归母净利润营收同比归母同比 敬请阅读末页的重要说明 39 行业深度报告 图图 77:五洲新春盈利能力:五洲新春盈利能力 资料来源:iFind、招商证券 五洲新春重视机器人业务,销售谐波减速器轴承,积极研发五洲新春重视机器人业务,销售谐波减速器轴承,积极研发 RV 减速器圆锥滚子减速器圆锥滚子轴承、定制化球轴承、交叉滚子轴承等新产品。轴承、定制化球轴承、交叉滚子轴承等新产品。公司的谐波减速器轴承采用内外表面
106、一次磨加工工艺,保证较低的径向跳动;能够满足谐波减速器结构紧凑、减速比大、精度高、噪音低的要求。轴承配套南高齿、纽氏达特、大族谐波、中大力德、来福谐波等机器人减速器企业。研发方面,公司已成功研制机器人谐波减速器柔性薄壁轴承、RV 减速器圆锥滚子轴承及各类定制化球轴承,并积极研发交叉滚子轴承。公司将在短期内完成柔性薄壁轴承对大族谐波、中大力德等谐波减速器厂商的送样;并且,已与主流机器人系统供应商在机器人轴承及滚柱丝杠、滚珠丝杠等领域开展深入的技术交流,力争在 2023 年下半年交付相关样品。图图 78:机器人谐波减速器轴承:机器人谐波减速器轴承 资料来源:五洲新春官网、招商证券 6、奥普光电奥普
107、光电(军工覆盖)(军工覆盖)奥普光电是国内光电测控仪器制造行业的重要企业。奥普光电是国内光电测控仪器制造行业的重要企业。公司具有完备的军工资质,公司以军工产品业务为主,从技术实现和产品生产上主导了国内国防光电测控仪器设备的升级和更新换代,在国防光电测控领域处于同行业领先地位。公司主导产品包括光电经纬仪光机分系统、航空/航天相机光机分系统、新型雷达天线座、精密转台、军民两用医疗检测仪器、光栅编码器、导弹火箭及空间结构件、k9光学玻璃等。2023 年上半年,复合材料、光电测控仪器、光栅传感类产品是公司前三大业务板块,营收占比分别为 39%/32%/25%。2018-2022 年,公司营收和归母净利
108、润均快速增长,年,公司营收和归母净利润均快速增长,CAGR 分别为分别为 12.97%、0%5%10%15%20%25%2002120222023Q3毛利率净利率 敬请阅读末页的重要说明 40 行业深度报告 18.92%。2020-2021 年,在进口替代背景下,国产光栅传感器类产品需求增加,公司相关产品销量增大,推动业绩提升。2023 年前三季度,公司业绩同比增长较快的主要原因是子公司长光宇航自 2022 年 9 月纳入合并范围,上期金额不包含长光宇航 1-9 月的业绩。图图 79:奥普光电:奥普光电 2023 年上半年营业收入构成年上半年营业收入构成 图图 80:奥普
109、光电营业收入及归母净利润:奥普光电营业收入及归母净利润 资料来源:iFind、招商证券 资料来源:iFind、招商证券 开拓复合材料业务后,公司盈利能力快速提升。开拓复合材料业务后,公司盈利能力快速提升。2018-2021 年,公司整体毛利率随光电测控仪器毛利率下降而有所下降。2022 年,奥普光电收购长春长光宇航复合材料有限公司 40%股权并将其纳入合并报表,开拓了复合材料业务板块。该业务毛利率高于公司原有业务,使公司 2022 年、2023 年前三季度毛利率、净利率明显提升。图图 81:奥普光电盈利能力:奥普光电盈利能力 资料来源:iFind、招商证券 奥普光电子公司禹衡光学具备适用于机器
110、人的编码器产品,现已应用于工业机器奥普光电子公司禹衡光学具备适用于机器人的编码器产品,现已应用于工业机器人。人。但是,禹衡光学产品尚未直接供货人形机器人厂商。该公司生产的 HKD、HWR、JKR 等系列编码器可以通过连接伺服电机应用于机器人,也可根据客户需求定制。HWR-3、JKR-1/5/6/7 均属于绝对式光栅旋转编码器。光栅编码器广泛应用于自动化领域,是数控机床、交流伺服电机、电梯等领域的关键测量传感器件。复合材料光电测控仪器光栅传感类产品光学材料精密铸造-50%0%50%100%024682002120222023Q3单位:亿元营业收入归母净利润营收同比归母同比0
111、%10%20%30%40%50%2002120222023Q3毛利率净利率 敬请阅读末页的重要说明 41 行业深度报告 图图 82:HWR-3 编码器编码器 图图 83:JKR-1 编码器编码器 资料来源:禹衡光学官网、招商证券 资料来源:禹衡光学官网、招商证券 7、昊志机电、昊志机电 昊志机电是一家专业从事中高端数控机床、机器人、新能源汽车核心功能部件等昊志机电是一家专业从事中高端数控机床、机器人、新能源汽车核心功能部件等的研发设计、生产制造、销售与维修服务的国家高新技术企业。的研发设计、生产制造、销售与维修服务的国家高新技术企业。2023 年前三季度,受国内外宏观经济
112、下行,全球消费疲软,公司主要产品应用领域消费电子领域的终端客户需求不及预期,以及市场竞争加剧等因素的影响,公司主轴业务收入、转台等功能部件相关业务、维修、零配件业务营业收入和毛利率均有所下降,公司禾丰智能制造基地于 2022 年 12 月转固,相关费用有所增加,以上综合导致公司 2023 年 1-9 月毛利率、净利润同比大幅下降。2018-2022 年,公司营收年,公司营收 CAGR 为为 20.9%,利润波动较大。,利润波动较大。2019 年,受机床工具行业市场需求波动性收缩,固定资产投资动力下降,以及消费电子行业持续低迷等影响,公司营收同比下降 23.84%。2019 年,收购瑞士 Inf
113、ranor 集团及BleuIndim SA 的 100%股份发生的中介机构费用较大,导致管理费用大幅增加;有息负债金额较大,导致财务费用大幅增长。因此,2019 年公司净利润大幅下降。2020-2021 年,受益于旺盛的市场需求和公司对大型消费电子产品制造商客户的业务开拓,公司营收连续实现增长。2022 年至今,公司业绩下滑的主要原因是国内外宏观经济下行,需求疲软,市场竞争加剧和公司资产减值损失的增加。图图 84:昊志机电:昊志机电 2023 年上半年营业收入构成年上半年营业收入构成 图图 85:昊志机电营业收入及归母净利润:昊志机电营业收入及归母净利润 资料来源:iFind、招商证券 资料来
114、源:iFind、招商证券 近年来,公司毛利率有所下降,净利率持续波动。近年来,公司毛利率有所下降,净利率持续波动。2019 年,收购事项导致管理费用大幅增加;有息负债导致财务费用大幅增长,净利率为负。2022 年,由于宏观经济和下游需求疲软,加之市场竞争加剧,公司主轴产品毛利率下降;同时,运动控制产品主轴转台维修、零配件-600%-400%-200%0%200%-50592020202120222023Q3单位:亿元营业收入归母净利润营收同比归母同比 敬请阅读末页的重要说明 42 行业深度报告 公司运动控制产品原材料价格上涨,毛利率下降;此外,公司基于谨慎性原则对各类资产
115、计提了资产减值准备,导致资产减值损失大幅增加,受上述因素综合影响导致公司净利率同比下降。2023 年前三季度,公司主轴业务收入、转台等功能部件相关业务、维修、零配件业务毛利率均有所下降,公司禾丰智能制造基地于 2022 年 12 月转固,相关费用有所增加,以上综合导致公司 2023 年 1-9 月毛利率、净利润同比大幅下降。图图 86:昊志机电盈利能力:昊志机电盈利能力 资料来源:iFind、招商证券 公司实现了智能机器人核心功能部件的全国产化,产品能够满足协作机器人、轻公司实现了智能机器人核心功能部件的全国产化,产品能够满足协作机器人、轻型机器人生产的模块化、标准化、小型化要求,具有较好的市
116、场前景。型机器人生产的模块化、标准化、小型化要求,具有较好的市场前景。1)公司的谐波减速器谐波减速器具有高精度、使用寿命长、体积小、重量轻、传动平稳、承载力大、扭动刚性大、振动小、耐冲击等特点,产品的精度及寿命能够与世界一流品牌竞争;2)RV 减速器减速器正在研发,传动误差60 弧秒;扭矩刚性大,振动小,耐冲击,传动效率达到 85%92%;3)无框无框力矩电机力矩电机转矩波动1%,具备 3.5 倍过载能力;4)编码器编码器定位精度20-40,重复点位精度3-10;5)电磁快电磁快换模块换模块精度高、安全性高、配套成本低、安装便捷;6)六维度六维度力矩力矩传感传感器达到世界级的力控精度0.1Nm
117、;7)控制系统控制系统抖动小于 5,采用自适应力控算法进行机器人柔性控制,力控精度在 1N 以内,体积小巧;8)气动手指气动手指精度达到国际水平;9)关节模组关节模组定位精度和重复定位精度高、重量轻、传动平稳、负载力大、寿命长;10)刹车机构刹车机构能提供最大 4.2Nm 以上的刹车力。上述产品可用于协作机器人等。此外,公司还生产伺服驱动器、伺服电机、运动控制器等产品,可应用于机器人领域。公司与客户共同开发的按摩机器人,已成功应用于专业连锁机构。图图 87:昊志机电无框:昊志机电无框力矩力矩电机电机 图图 88:昊志机电编码器:昊志机电编码器 资料来源:昊志机电官网、招商证券 资料来源:昊志机
118、电官网、招商证券-50%0%50%100%2002120222023Q3毛利率净利率 敬请阅读末页的重要说明 43 行业深度报告 8、汇川技术、汇川技术(电新覆盖)(电新覆盖)汇川技术是中国工业自动化行业的领军企业。汇川技术是中国工业自动化行业的领军企业。公司主要为自动化设备/自动化产线提供变频器、伺服系统、PLC/HMI、高性能电机、传感器、机器视觉、气动元件等工业自动化核心部件及解决方案,为电梯行业提供电梯电气大配套解决方案,为新能源汽车行业提供电驱&电源系统,为轨道交通行业提供牵引与控制系统,为自动化产线/车间/工厂提供工业机器人产品及解决方案。公司通用伺服系统在中
119、国市场的份额位居第一;低压变频器、小型 PLC 产品、SCARA 机器人在中国市场的份额位居内资品牌第一。通用自动化类业务对公司营收贡献最大,为55%。公司业绩稳健、快速增长。公司业绩稳健、快速增长。2018-2022 年,公司营业收入和归母净利润 CAGR分别为 40.68%/38.71%。2019 年 7 月,公司新增合并主体贝思特,导致全年营收同比有较快增长。但是,由于毛利率同比降低、人员费用与财务费用同比增加、收到的增值税软件退税金额减少,导致归母净利润同比降低。2020-2022 年,受益于旺盛的市场需求,叠加公司积极保供,抓住了全球缺芯下产业链缺货带来的市场机会,为公司业绩保持了较
120、好的增长动力。2023 年,虽然工业自动化领域的需求增长乏力,但公司积极与头部客户开展合作,加大项目型市场/离散市场的拓展力度,加之电梯行业市场需求回暖和定点车型 SOP 放量,公司业绩实现了优于行业的增长。图图 89:汇川技术:汇川技术 2023 年上半年营业收入构成年上半年营业收入构成 图图 90:汇川技术营业收入及归母净利润:汇川技术营业收入及归母净利润 资料来源:iFind、招商证券 资料来源:iFind、招商证券 公司盈利能力基本稳定。公司盈利能力基本稳定。2023 年前三季度,电梯业务、海外业务毛利率同比提高、新能源汽车和轨道交通类业务毛利率同比下降情况下,公司整体毛利率略有提升。
121、2023 年前三季度,业务量增长、海外业务扩展、股权激励费用增加导致销售费用率提升。通用自动化类新能源类电梯电气系统其他-50%0%50%100%150%002120222023Q3单位:亿元营业收入归母净利润营收同比归母同比 敬请阅读末页的重要说明 44 行业深度报告 图图 91:汇川技术盈利能力:汇川技术盈利能力 资料来源:iFind、招商证券 在机器人领域,公司主要为客户提供在机器人领域,公司主要为客户提供 SCARASCARA 机器人、六关节机器人、视觉系统、机器人、六关节机器人、视觉系统、高精密丝杠、控制系统、直线导轨等整机及零部件解决方案
122、。高精密丝杠、控制系统、直线导轨等整机及零部件解决方案。虽然公司目前还没有人形机器人成型解决方案,但得益于在工业机器人领域的技术积累,汇川拥有现成的运动控制、伺服驱动、直线导轨和丝杠等技术,还生产增量式编码器和绝对式编码器,这些技术和产品未来可能会在人形机器人领域得到运用。图图 92:MS1-Z 系列伺服电机系列伺服电机 图图 93:汇川技术增量式编码器:汇川技术增量式编码器 资料来源:汇川技术官网、招商证券 资料来源:汇川技术官网、招商证券 9、伟创电气、伟创电气(电新覆盖)(电新覆盖)伟创电气是电气传动和工业控制领域的高新技术企业。伟创电气是电气传动和工业控制领域的高新技术企业。公司主要产
123、品包括0.4-5600kW 变频器、50-200kW 伺服及控制系统、PLC 等,广泛应用于数控机床、纺织机械、矿用设备、起重、高效能源、轨道交通、智能装备、电液伺服、印刷包装、石油化工等行业。公司连续多年保持着较快的业绩增长速度。公司连续多年保持着较快的业绩增长速度。近年来,宏观环境复杂,半导体、纺织、机器人等行业积极推动国产化、鼓励突破关键技术,这为国产企业发展带来机遇。2018-2022 年,营收和归母净利润 CAGR 分别为 26.22%/41.42%。2019年,股权激励、折旧摊销费用大幅下降,公司归母净利润同比增速达到 63.13%,远超营收增速 25.01%。2022 年,受到宏
124、观经济影响,起重行业需求疲软,这使得变频器业务下占比较大的行业专机业务营收同比下降。因此,公司当年业绩增长速度较低。2023 年前三季度,凭借产品的质量优势、服务优势,公司营收和归母净利润同比实现 42.05%/36.9%的高速增长。0%10%20%30%40%50%2002120222023Q3毛利率净利率 敬请阅读末页的重要说明 45 行业深度报告 图图 94:伟创电气:伟创电气 2022 年营业收入构成年营业收入构成 图图 95:伟创电气营业收入及归母净利润:伟创电气营业收入及归母净利润 资料来源:iFind、招商证券 资料来源:iFind、招商证券 公司盈利能力稳
125、定,净利率稳中有升。公司盈利能力稳定,净利率稳中有升。2021 年,受原材料价格上涨影响,变频器、伺服系统和运动控制器及其他业务的毛利率一度同时出现下降。随着公司生产自动化水平提升,产品设计方案和成本结构持续优化,2023 年前三季度公司毛利率、净利率继续上升。图图 96:伟创电气盈利能力:伟创电气盈利能力 资料来源:iFind、招商证券 2022 年,伟创电气切入机器人产业链,目前主要面向移动类、协作类、服务类年,伟创电气切入机器人产业链,目前主要面向移动类、协作类、服务类的机器人领域,提供低压伺服、低压伺服一体轮,机器人关节模组、空心杯电机、的机器人领域,提供低压伺服、低压伺服一体轮,机器
126、人关节模组、空心杯电机、特种无框力矩电机等核心部件。特种无框力矩电机等核心部件。公司自主研发的机器人用空心杯电动机目前处于开发验证阶段。公司生产的 SD700/SD710/SD780 系列伺服系统、SD100 低压伺服机器人专用系列伺服系统、VM-RTU-ECT/VM-RTU-PN 系列 IO 控制系统都可用于机器人/机械手领域。其中,SD700 伺服驱动器标配 23 位多圈绝对值编码器,单圈脉冲高达 8388608 个,通讯速度可达 2.5Mpps,能够实现更加精准的定位。并且,该伺服驱动器支持外部第二编码器或光栅尺,能减小由于机械传动间隙造成的误差。SD100 系列低压伺服系统采用国际领先
127、算法平台,可支持单轴/双轴/多轴电机算法控制,其输入电压为 24-72V,体积比市场产品小 20%-50%,配备三倍过载低压电机,可广泛使用在各类移动机器人(AMR、AGV)、服务机器人等对电压和体积有一定要求的场合。变频器伺服系统及运动控制器其他0%20%40%60%80%05020202120222023Q3单位:亿元营业收入归母净利润营收同比归母同比0%10%20%30%40%50%2002120222023Q3毛利率净利率 敬请阅读末页的重要说明 46 行业深度报告 图图 97:SD700 伺服驱动器伺服驱动器 图图 98:SD100 系列低
128、压伺服驱动器系列低压伺服驱动器 资料来源:伟创电气官网、招商证券 资料来源:伟创电气官网、招商证券 四、四、风险提示风险提示 1)人形机器人产业化不及预期。)人形机器人产业化不及预期。旋转执行器原本多用于工业机器人和协作机器人等下游,人形机器人产业化后市场规模将大幅增长。如果人形机器人产业化不及预期,则会严重影响旋转执行器与相关零部件的增速。2)技术路线与技术迭代风险。)技术路线与技术迭代风险。人形机器人目前相关执行器的技术路线仍没有完全确定,仍在不断迭代当中,部分零部件有被替代的风险。3)行业竞争加剧风险。)行业竞争加剧风险。当人形机器人产业爆发时,必然会吸引大量的竞争者进入,行业竞争有加剧
129、的风险。图图 9999:机械机械行业历史行业历史 PEBandPEBand 图图 100100:机械机械行业历史行业历史 PBBandPBBand 资料来源:公司数据、招商证券 资料来源:公司数据、招商证券 15x25x30 x40 x55x0500025003000Nov/21May/22Nov/22May/232.1x2.5x3.0 x3.4x3.9x0200400600800016001800Nov/21May/22Nov/22May/23 敬请阅读末页的重要说明 47 行业深度报告 分析师分析师承诺承诺 负责本研究报告的每一位证券分析师,在此
130、申明,本报告清晰、准确地反映了分析师本人的研究观点。本人薪酬的任何部分过去不曾与、现在不与,未来也将不会与本报告中的具体推荐或观点直接或间接相关。评级评级说明说明 报告中所涉及的投资评级采用相对评级体系,基于报告发布日后 6-12 个月内公司股价(或行业指数)相对同期当地市场基准指数的市场表现预期。其中,A 股市场以沪深 300 指数为基准;香港市场以恒生指数为基准;美国市场以标普 500 指数为基准。具体标准如下:股票评级股票评级 强烈推荐:预期公司股价涨幅超越基准指数 20%以上 增持:预期公司股价涨幅超越基准指数 5-20%之间 中性:预期公司股价变动幅度相对基准指数介于 5%之间 减持
131、:预期公司股价表现弱于基准指数 5%以上 行业评级行业评级 推荐:行业基本面向好,预期行业指数超越基准指数 中性:行业基本面稳定,预期行业指数跟随基准指数 回避:行业基本面转弱,预期行业指数弱于基准指数 重要重要声明声明 本报告由招商证券股份有限公司(以下简称“本公司”)编制。本公司具有中国证监会许可的证券投资咨询业务资格。本报告基于合法取得的信息,但本公司对这些信息的准确性和完整性不作任何保证。本报告所包含的分析基于各种假设,不同假设可能导致分析结果出现重大不同。报告中的内容和意见仅供参考,并不构成对所述证券买卖的出价,在任何情况下,本报告中的信息或所表述的意见并不构成对任何人的投资建议。除法律或规则规定必须承担的责任外,本公司及其雇员不对使用本报告及其内容所引发的任何直接或间接损失负任何责任。本公司或关联机构可能会持有报告中所提到的公司所发行的证券头寸并进行交易,还可能为这些公司提供或争取提供投资银行业务服务。客户应当考虑到本公司可能存在可能影响本报告客观性的利益冲突。本报告版权归本公司所有。本公司保留所有权利。未经本公司事先书面许可,任何机构和个人均不得以任何形式翻版、复制、引用或转载,否则,本公司将保留随时追究其法律责任的权利。