機械傳動行業(yè)市場分析

機械傳動行業(yè)市場分析機械傳動：高精確度的轉矩、轉速變換器機械傳動為轉矩、轉速變換器機械傳動即用各種形式機構傳遞運動和動力，主要用于轉變原動機輸出的動力及運動形式，以滿足工作機需求，多種基本傳動機構組合即構成機械傳動系統(tǒng)。按零件功能進行拆分，一般的機械傳動系統(tǒng)主要由傳動類零件、導向支承類零件、連接類零件與箱體四大部分組成：1）傳動類零件用于傳遞運動和動力，如齒輪、帶、帶輪等；2）導向支承類零件用于導向、支承傳動零件，如軸、軸承等；3）連接類零件用于將兩個及兩個以上零件連接成一個整體，如鍵、聯軸器等；4）箱體用來支承和固定傳動零件，為傳動零件提供密封的工作空間。機械傳動特性包括運動與動力特性。機械傳動系統(tǒng)運動特性主要包括轉速、傳動比、變速范圍等，其中，傳動比為主動件轉速與從動件轉速之比，傳動比＞1為減速傳動，傳動比＜1為增速傳動，傳動系統(tǒng)總傳動比為各級傳動比的乘積。動力特性主要包括功率、轉矩、機械效率、變矩系數等，機械傳動系統(tǒng)總效率即為傳動機構、軸承、聯軸器等組成部分效率的連乘積。機械傳動相對優(yōu)勢在于傳動比準確傳動比精確為機械傳動核心優(yōu)勢，主要用于中低速有級變速傳動。作為三大傳動方式之一，相較于液壓傳動、電氣傳動，機械傳動主要優(yōu)點在于：1）傳動比準確，適用于定比傳動；2）實現回轉運動的結構簡單，并能傳遞較大的扭矩；3）故障容易發(fā)現，便于維修；4）傳動效率高。但機械傳動一般情況下不夠平穩(wěn)，制造精度不高時，振動和噪聲較大，實現無級變速的機構較復雜，成本高，故機械傳動主要用于速度不太高的有級變速傳動中。根據原理差異，機械傳動可分為摩擦、嚙合、推壓傳動三類。其中，摩擦傳動主要包括帶傳動、繩傳動等；嚙合傳動主要包括齒輪傳動、螺桿傳動、螺旋傳動、鏈傳動、同步帶傳動等，推壓傳動主要包括凸輪機構、連桿機構等。此外，機械傳動也可按照傳動比是否改變劃分為固定傳動比（摩擦輪機構、帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動、螺旋傳動）、可調傳動比（有級變速傳動、無級變速傳動）、變傳動比（連桿機構、非圓齒輪傳動、不完全齒輪傳動、凸輪機構、槽輪機構、棘輪機構）；按照能量流動路線劃分為單流傳動與多流傳動等。不同應用場景傳動機構需求不同，一般組合應用。機械傳動的選擇一般考慮7大因素1：執(zhí)行系統(tǒng)的工況及工作要求與原動機機械特性的匹配程度：若原動機性能完全適合執(zhí)行系統(tǒng)的工況和工作要求，可采用無滑動的機械傳動使兩者同步，若執(zhí)行系統(tǒng)要求輸入速度能調節(jié)，應選擇能調速的傳動系統(tǒng)；工作要求傳遞的功率：如蝸桿傳動工作時發(fā)熱情況較為嚴重，傳遞功率不宜過大；摩擦輪傳動須有足夠的壓緊力，不宜用于大功率傳動；帶傳動和鏈傳動若需增大傳遞功率，則需增大鏈的排數和帶的根數，會引起載荷分布不均；齒輪傳動在傳遞大功率方面優(yōu)于其他傳動，應用最廣。工作要求傳遞的運轉速度：若要求較高的運轉速度，一般采用高精度直齒圓柱齒輪傳動、同步帶傳動、齒形鏈傳動；普通V帶傳動速度太大、離心力過大，會縮短帶的工作壽命，因此帶傳動的最大允許速度應低于40m/s；鏈傳動存在運動不勻性，不適用于高速傳動場合。機械傳動機構的效率：滿足傳動比、功率等指標的前提下，一般選用單級傳動，縮短傳動鏈，提高傳動效率。結構布置與外廓尺寸：傳動尺寸緊湊，一般選用齒輪傳動、蝸桿傳動、行星齒輪傳動；傳動距離較遠，一般采用帶傳動、鏈傳動。機械運轉環(huán)境與安全性：如工作環(huán)境惡劣，一般選用鏈傳動。考慮經濟性。結合各應用場景機械傳動機構的選擇，凸輪、連桿、齒輪機構較為常用，其中齒輪機構傳動精確、強度大、負載高、結構緊湊、摩擦力小、效率高，在生產活動中最為常用。此外，螺旋機構中滾珠絲杠傳動摩擦損失小、傳動效率高、精度高、可保障高速進給與微進給，在工具機械與精密機械中最為常用。但當前生產環(huán)境較為復雜，為實現執(zhí)行構件的運動形式、運動參數及運動協(xié)調關系，機械傳動機構一般組合應用。主要機械傳動機構原理機械傳動可實現“回轉→回轉”、“回轉→移動”等運動形式的變換，本章從機械傳動可實現的運動形式變換角度出發(fā)，對主要機械傳動機構分類及原理進行分析?；剞D→回轉：齒輪傳動應用最為廣泛，輪系為主要應用形式齒輪機構通過一對齒輪的齒面依次嚙合來傳遞空間兩任意軸之間的運動和動力。根據兩軸線間的相對位置和輪齒齒向，齒輪傳動可分為平行軸齒輪傳動、相交軸齒輪傳動和交錯軸齒輪傳動三大類。齒輪傳動一般應用于回轉→回轉運動過程中，但部分結構，如齒輪齒條傳動（屬于漸開線齒輪傳動），主要用于實現回轉→移動變換。齒輪傳動種類多樣，漸開線圓柱齒輪應用最廣，可用于船舶、礦山、輕工、建材等領域。輪系為齒輪機構主要應用形式。齒輪傳動適用的圓周速度與功率范圍廣，效率高，傳動比穩(wěn)定，壽命較長，工作可靠性較高，可實現平行軸、任意角相交軸和任意角交錯軸之間的傳動，但不適宜于遠距離兩軸間傳動。為彌補齒輪傳動缺陷，生產中多采用一系列互相嚙合的齒輪將輸入軸、輸出軸相連接，即輪系。輪系可一定程度彌補一對齒輪的劣勢，實現較遠距離傳動、從動軸多種變速與換向、較大傳動比，以及合成或分解運動等，應用廣泛的特殊輪系如擺線針輪行星輪系、諧波齒輪系等，變速箱、差速器、齒輪減速器等均采用輪系。根據輪系運轉時各齒輪軸線的幾何位置是否固定，可將輪系分為定軸輪系、周轉輪系、混合輪系三大類?；剞D→移動：帶傳動、凸輪機構、螺旋機構較為常用帶傳動：主要用于高速級、圓周力較小場合帶傳動即兩個或多個帶輪之間用帶作為中間撓性零件的傳動，通過帶與帶輪之間的摩擦或嚙合來傳遞運動和動力。根據帶傳動傳遞力的方式不同，帶傳動可分為摩擦型帶傳動與嚙合型帶傳動兩類。摩擦型帶傳動由主動輪、從動輪、撓性傳動帶組成，傳動帶緊套在兩個帶輪上，主動輪旋轉時，依靠摩擦力使傳動帶運動而驅動從動輪轉動，主要包括平帶傳動、V帶傳動、多楔帶傳動、圓帶傳動四類，其中，V帶傳動在同樣張緊力下，較平帶傳動可產生更大的摩擦力、更高的承載力、更大的傳動功率，且標準化程度高、傳動比大、結構緊湊，應用最為廣泛。嚙合型帶傳動由主動同步帶輪、從動同步帶輪、環(huán)形同步帶組成，主要靠傳動帶與帶輪上的齒相互嚙合來傳遞運動和動力，同步帶傳動為最典型的嚙合型帶傳動。相較于摩擦型帶傳動，嚙合型帶傳動傳遞功率大、傳動比準確，多用于錄音機、數控機床等要求傳動平穩(wěn)、傳動精度較高的場合。帶傳動多用于高速級、圓周力較小場合。帶傳動具備傳動平穩(wěn)、噪聲小，過載保護，傳動中心距較大，制造簡單等優(yōu)點，但帶傳動缺點亦較為明顯：①帶傳動工作時會產生彈性滑動，不能保持準確傳動比，傳動進度較低；②帶傳動輪廓尺寸大、傳動效率低；③帶的壽命較短，對環(huán)境要求較高。故帶傳動主要用在傳遞功率不大、速度適中、傳動比要求不嚴格且中心距較大場合，在多級傳動系統(tǒng)中，帶傳動多置于高速級，起過載保護作用，同時減小其結構尺寸與重量。鏈傳動與帶傳動同屬撓性傳動，但鏈傳動應用范圍相對少。鏈傳動與帶傳動結構相似，由主、從動鏈輪以及繞在兩輪上的撓性鏈條組成。相較帶傳動，鏈傳動沒有彈性滑動和打滑，需要的張緊力小，作用在軸和軸承上的壓力較小，傳遞功率大，傳動效率高，能在潮濕、多塵、高溫、有油污等惡劣條件下工作；但鏈傳動瞬時鏈速和瞬時傳動比不恒定，故傳動平穩(wěn)性差，工作時沖擊、振動和噪聲較大，且載荷變化大，急速反向轉動時性能差?；阪渹鲃犹匦?，其應用場景較帶傳動范圍小，主要用于中心距較大、要求平均傳動比準確的傳動，環(huán)境惡劣的開式傳動，以及低速、重載傳動和潤滑良好的高速傳動中，如農業(yè)機械、礦山機械、機床及摩托車等。凸輪機構：主要用于小傳力往復移動場合凸輪機構主要適用往復移動場合。凸輪機構主要由凸輪、從動件及機架三個基本構件組成，其中，凸輪為具有曲線輪廓或溝槽的構件，在其運動時，通過輪廓或溝槽驅動從動件運動。凸輪結構簡單、緊湊，設計方便，但凸輪輪廓與從動件之間為點接觸或線接觸，易于磨損，故多用于傳力不大而需要實現特殊運動規(guī)律的場合，如自動機床的進給機構、上料機構、內燃機配氣機構、印刷機和紡織機中的有關機構等。凸輪有多種分類方式，按凸輪形狀可分為盤形凸輪、移動凸輪、圓柱凸輪，其中，盤形凸輪、圓柱凸輪主要用于實現回轉→移動運動切換。螺旋機構：廣泛應用于精密儀器儀表滾動螺旋機構在精密機械中最為常用。螺旋機構又稱絲杠螺母機構，其利用螺桿與螺母組成的螺旋副將旋轉運動轉換成直線運動（也可反之將直線運動轉換成旋轉運動），同時傳遞轉矩和動力，并可調整零件的相對位置。螺旋機構傳動結構簡單，工作連續(xù)平穩(wěn)，承載能力大，傳動精度高，但存在摩擦損失大、傳動效率低等缺點，滾動螺旋傳動應用大幅改善螺旋傳動缺點，在精度要求較高的機械設備、儀器儀表中廣泛應用。其他：齒輪齒條——可實現“回轉→移動”的齒輪傳動機構齒輪齒條為齒輪傳動中用于實現“回轉→移動”的機構。如前所述，齒輪傳動一般應用于“回轉→回轉”的運動形式變換，但部分機構可實現“回轉→移動”，典例即為齒輪齒條。齒輪齒條由圓形的齒輪和直線形的齒條相互嚙合，將加載在齒輪上的旋轉運動轉換為齒輪與齒條間相互的直線運動。齒輪齒條傳動的承載力大，傳動精度較高，可無限長度對接延續(xù)，傳動速度可以很高。但若其加工安裝精度差，傳動噪聲與磨損或較大。齒輪齒條典型用途包括大版面鋼板、玻璃數控切割機等?！盎剞D→移動”傳動結構各有優(yōu)缺，適用場合差異性較大。可實現“回轉→移動”的各類機構中，同步帶傳動、滾動螺旋傳動、齒輪齒條傳動較為常見，其中，同步帶傳動承載力較大，加寬傳動帶可以提高負載承載力，傳動精度較高，但較長的傳動帶會產生彈性變形和振動，故工作行程有限；滾動螺旋傳動不能自鎖，傳動效率高，精度高，噪聲低，適合高速往返傳動，但是水平傳動跨距若較大時要考慮極限轉速和自重下垂變形，對于工作行程較大的大型數控機床，一般采用齒輪齒條結構進行替代；齒輪齒條傳動定位精度、傳動效率低，但承載能力強、行程不受限制，多用于長距離、大載荷傳輸。多運動形式變換：連桿機構連桿機構可實現的運動形式變換較為多樣，可實現由“回轉、擺動、往復移動→回轉、擺動、往復移動”。連桿機構由若干構件用低副（轉動副/移動副/螺旋副/圓柱副/球面副即球銷副）鏈接構成，按構件的相對運動關系，連桿機構可分為平面連桿機構（組成構件均在同一平面或相互平行的平面內運動）與空間連桿機構（組成構件不在同一平面內或不在相互平行的平面內運動）。連桿結構多用所含構件數命名，如含四個構件的連桿機構稱為四桿機構。連桿機構應用廣泛，優(yōu)缺點均較為顯著：優(yōu)點：1）運動副一般均為低副。低副中兩運動副元素為面接觸，壓強較小，故可承受較大的載荷；有利于潤滑，磨損較??；運動副元素的幾何形狀較簡單，便于加工制造，易獲得較高的制造精度；兩構件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，而凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。2）可實現多種形式的運動變換和運動規(guī)律。在連桿機構中，當原動件的運動規(guī)律不變時，改變各構件的相對長度可使從動件得到不同的運動規(guī)律。3）具有豐富的連桿曲線。在連桿機構中，連桿上各點的軌跡是各種不同形狀的曲線（即連桿曲線），其形狀隨著各構件相對長度的改變而改變，可滿足不同軌跡的設計要求。缺點：1）傳遞運動的累積誤差比較大，機械效率低。由于連桿機構的運動必須經過中間構件進行傳遞，因而傳遞路線較長，易產生較大的誤差積累，同時，降低了機械效率。2）不適用于高速運動的場合。在連桿機構運動過程中，連桿及滑塊的質心都在作變速運動，所產生的慣性力難以用一般平衡方法加以消除，因而會增加機構的動載荷，容易使機構在運動中產生振動和沖擊，嚴重時還會影響機械產品的工作精度與壽命，所以連桿機構不適于高速運動的場合。3）機構設計復雜，難以實現精確的軌跡。雖然可以利用連桿機構來滿足一些運動規(guī)律和運動軌跡的設計要求，但其設計十分繁難，且一般只能近似地得以滿足。平面四桿機構為平面連桿機構基礎。平面連桿機構中，結構最簡單且應用最廣泛的是平面四桿機構，其他機構可看成是由平面四桿機構演化而來。平面四桿機構基本形式為鉸鏈四桿機構，即全部用轉動副相連。鉸鏈四桿機構可分為三種基本形式：曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構。典型機械傳動裝置：旋轉運動看減速器，直線運動看絲杠機械傳動機構眾多，本章我們重點分析“回轉→回轉”與“回轉→移動”兩大運動變化形式的代表性機械傳動裝置：減速器（旋轉運動）、滾珠/行星滾柱絲杠（直線運動）。減速器：旋轉運動核心傳動裝置，新型齒輪系空間逐步打開減速器為以齒輪為主要傳動機構的傳動裝置。減速器即由封閉在箱體內的齒輪、蝸桿蝸輪等傳動零件組成的傳動裝置，為齒輪傳動齒輪系的最終應用形態(tài)，主要用于降低轉速、增大轉矩，在現代機械中應用廣泛。減速器種類較多，按傳動類型可分為齒輪減速器、蝸桿減速器、行星減速器以及它們互相組合起來的減速器；按傳動級數可分為單級和多級減速器；按齒輪形狀可分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓錐-圓柱齒輪減速器等。減速器結構各異，但一般包括：①傳動零件：圓柱齒輪、錐齒輪、蝸桿蝸輪、行星輪等；②支承零件：轉軸組件、滾動軸承、軸承密封件等；③箱體零件：箱體、箱蓋；④聯接零件：螺栓、鍵、銷等；⑤減速器附件：定位銷、觀察孔蓋板、通氣器、油面指示器、放油螺塞、起蓋螺釘、起吊裝置等。機器人滲透率加速提升，已成為減速器需求增長核心驅動。減速器應用領域廣泛，涵蓋起重運輸、水泥建材、礦山冶金、電力、機器人等，其中，減速器在機器人BOM表中占比達35%，遠高于其他領域，此外，工業(yè)機器人滲透率加速提升、人形機器人產業(yè)化穩(wěn)步推進，機器人領域已成為減速器需求增長核心驅動力，本章亦重點討論機器人用減速器。諧波、RV減速器為工業(yè)機器人兩大主要減速器。機器人關節(jié)采用的電機能夠直接輸出旋轉運動，但其輸出力矩通常小于關節(jié)需求力矩，輸出轉速大于關節(jié)需求轉速，故減速器為機器人所有回轉運動關節(jié)必須使用的關鍵部件，且決定了機器人的運動速度、定位精度與承載能力。通用減速器較難滿足機器人高精度、大比例減速的要求，故特殊減速器：濾波齒輪減速器、擺線針輪減速器、精密行星減速器、諧波減速器、RV減速器5類減速器成為機器人用主要減速器，其中，關節(jié)應用占比較高的諧波減速器與RV減速器占據主流地位。諧波減速器：多關節(jié)機器人手腕驅動主要減速器諧波減速器主要用于輕負載精密部件。諧波減速器即諧波齒輪傳動裝置，具有單級傳動比大、體積小、質量小、運動精度高并能在密閉空間和介質輻射的工況下正常工作的優(yōu)點。與一般減速器比較，在輸出力矩相同時，諧波減速器的體積可減少2/3，重量可減輕1/2，但諧波減速器的負載輕，容許力矩負載在1,500Nm以內，故主要應用于機器人小臂、腕部、手部等輕負載精密部件領域。諧波減速器主要由剛輪、柔輪、諧波發(fā)生器三大基本部件組成。剛輪、柔輪、諧波發(fā)生器可任意固定其中1個，其余2個部件一個連接輸入（主動），另一個即可作為輸出（從動），以實現減速或增速。剛輪：圓周上加工有連接孔的剛性內齒圈，其齒數比柔輪略多（一般多2或4個），為了減小體積，在薄形、超薄形或微型諧波減速器上，剛輪或與減速器軸承設計成一體，構成諧波減速器單元。柔輪：可產生較大變形的薄壁金屬彈性體，可被制成水杯形、禮帽形、薄餅形。彈性體與剛輪嚙合的部位為薄壁外齒圈。諧波發(fā)生器：一般由橢圓形凸輪和可彈性變形的滾珠軸承構成。凸輪裝入軸承內圈后，軸承將產生彈性變形成為橢圓形，并迫使柔輪外齒圈變成橢圓形；從而使橢圓長軸附近的柔輪齒與剛輪齒完全嚙合，短軸附近的柔輪齒與剛輪齒完全脫開。當凸輪連接輸入軸旋轉時，柔輪齒與剛輪齒的嚙合位置可不斷變化。齒形、柔輪、波發(fā)生器均存較高技術壁壘。其中，齒形對諧波減速器的效率、精度、剛性、壽命等關鍵指標均有較大影響，各公司齒形設計各異，如哈默納科的“IH齒形”、綠的諧波的“P齒形”、川機器人的“RS齒形”；柔輪成型工藝技術壁壘最高，由于需在承受較大交變載荷的情況下不斷變形，且為減小磨損必須要有很高的硬度，故柔輪對材料的材質、抗疲勞強度、加工精度、熱處理等要求均較高，制造工藝復雜；波發(fā)生器核心部件為柔性軸承，與柔輪相似，軸承對材料及其加工過程要求較高。哈默納科為全球龍頭，國內技術已取得突破。諧波減速器1955年由美國發(fā)明家馬瑟發(fā)明，最初稱為變形波發(fā)生器，1957年獲美國發(fā)明專利，1960年美國UnitedShoeMachinery(USM)率先研制出樣機，1964年，日本長谷川齒車株式會社(HasegawaGearWorks,Ltd.)和USM合作，開始對其進行產業(yè)化研究和生產，諧波減速器正式獲名，1970年，長谷川齒車和USM合資，在東京成立了HarmonicDrive(哈默納科)公司，哈默納科由此奠定先發(fā)優(yōu)勢，隨后通過不斷改善材料性能與結構鞏固競爭優(yōu)勢，2013年之前在機器人領域幾乎處于壟斷地位。近年來，國內企業(yè)生產工藝不斷突破，國內市占率持續(xù)提升，2022年，國內諧波減速器龍頭綠的諧波國內市占率已超20%。諧波減速器人形機器人應用占比較高，空間可期。人形機器人精度要求高而負載要求低，諧波減速器應用占比提升，如特斯拉擎天柱機器人的旋轉關節(jié)即采用諧波減速器。根據研究，2022年我國諧波減速器市場規(guī)模約21億元，隨人形機器人產業(yè)化推進，諧波減速器市場空間可期。RV減速器：多關節(jié)機器人機身驅動主要減速器RV減速器主要用于重負載部位。RV減速器即旋轉矢量減速器，其傳動比范圍大、精度較為穩(wěn)定、疲勞強度較高，并具有更高的剛性和扭矩承載能力；但其重量重、外形尺寸較大，無法向輕便、靈活的輕負載領域發(fā)展，主要應用于機器人大臂、機座等重負載部位。此外，RV減速器零部件數量多、制造和裝配難度大，不利于大規(guī)模生產。RV減速器結構復雜，由針輪、RV齒輪、芯軸三層構成。RV減速器在傳統(tǒng)擺線針輪、行星齒輪傳動裝置的基礎上發(fā)展而成。RV減速器徑向結構可分為3層，由外向內依次為針輪層、RV齒輪層、芯軸層，每層均可獨立旋轉。針輪層：針輪為內側加工有針齒的內齒圈，外側加工有法蘭和安裝孔，可用于減速器固定或輸出連接。針輪和RV齒輪間安裝有針齒銷，當RV齒輪擺動時，針齒銷可迫使針輪與輸出法蘭產生相對回轉；RV齒輪層：RV齒輪層由RV齒輪、端蓋、輸出法蘭和曲軸組件等組成，RV齒輪、端蓋、輸出法蘭為中空結構，內孔用來安裝芯軸。其中，輸出法蘭內側有2～3個連接腳，用來固定端蓋；端蓋和法蘭的中間位置安裝有2片可擺動的RV齒輪，并可在曲軸的驅動下作對稱擺動（又稱擺線輪）；曲軸組件由曲軸組件、前后支承軸承、滾針等部件組成，數量與減速器規(guī)格有關，小規(guī)格減速器一般布置2組，中大規(guī)格減速器布置3組，曲軸組件對稱分布在圓周上，用來驅動RV齒輪擺動；芯軸層：芯軸安裝在RV齒輪、端蓋、輸出法蘭的中空內腔，芯軸可為齒輪軸或用來安裝齒輪的花鍵軸。芯軸上的齒輪稱太陽輪，它和套在曲軸上的行星齒輪嚙合，當芯軸旋轉時，可驅動2～3組曲軸同步旋轉，帶動RV齒輪擺動。用于減速的RV減速器，其芯軸通常用來連接輸入，故又稱輸入軸。針輪層、RV齒輪層、芯軸層三層疊加，推動RV減速器實現2級變速：1）第一級變速：芯軸上的太陽輪和套在曲軸上的行星齒輪間的變速，稱正齒輪變速；2）第二級變速：通過RV齒輪的擺動，利用針齒銷推動針輪的旋轉，稱差動齒輪變速。RV減速器壁壘主要在于工藝與裝配。RV減速器需在承受大負載的同時保持高精度，故需具備較高的材料成形技術、精密加工及裝配技術。材料成形方面，RV減速齒輪需要具有耐磨性和高剛性，對于材料成形過程提出了較高要求，尤其是材料化學元素控制、表面熱處理等工藝；加工與裝配方面，RV減速器的減速比較高，具備無側隙、微進給的特點，需要特殊部件加工和精密裝配技術。RV減速器組成結構更為復雜，較諧波減速器設備投入更高，更難實現規(guī)?；?。RV減速器國產差于諧波減速器，海外龍頭國內市占率超50%。RV減速器由日本NabtescoCorporation（納博特斯克）的前身帝人制機（TeijinSeiki）于1985年率先研發(fā)，并獲得了專利；1986年帝人制機開始推動RV減速器商品化生產和銷售；2003年帝人制機和NABCO合并，成立了NabtescoCorporation，繼續(xù)進行精密RV減速器的研發(fā)生產。由于RV減速器更高的設備投入與加工、裝配要求，RV減速器單位價值量更高，國產化程度低于諧波減速器，2022年海外龍頭納博特斯克國內市占率超50%，國內龍頭環(huán)動科技（上市公司雙環(huán)傳動子公司）市占率僅13%。根據研究，2021年我國RV減速器市場規(guī)模約42.9億元，預計2025年將達到60億元。行星減速器：多用于直角坐標機器人行星減速器精度偏低，工業(yè)機器人中應用占比相對低。相較于諧波減速器與RV減速器，行星減速器傳動效率較高、壽命長，但傳動精度不足、傳動比低，故工業(yè)機器人中應用占比較低，多用于結構較為簡單的直角坐標機器人。行星減速器采用行星輪系制成，核心組成為太陽輪、行星輪、行星架。只有一個自由度的動軸線輪系稱為行星輪系，行星減速器核心即為行星輪系，行星輪系可按照齒輪嚙合方式與基本構件組成情況進行分類。行星輪系主要由太陽輪、行星輪、行星架組成，以結構最簡單的NGW型行星輪系為例：裝在動軸線上的齒輪在自轉的同時繞固定幾何軸線公轉，稱為行星輪；裝有行星輪并繞固定軸線轉動的構件即為行星架；與行星齒輪嚙合且?guī)缀屋S線固定的齒輪為中心輪（包括太陽輪與內齒輪）。行星減速器基本原理為：原動機驅動太陽輪旋轉，太陽輪與行星輪的嚙合驅動行星輪產生自轉；同時，由于行星輪另外一側與減速器殼體內壁上的環(huán)形內齒圈嚙合，最終行星輪在自轉驅動下將沿著與太陽輪旋轉相同方向在環(huán)形內齒圈上滾動，形成圍繞太陽輪旋轉的“公轉”運動；行星輪通過公轉驅動行星架旋轉，行星架與輸出軸聯接，帶動輸出軸輸出扭矩。全球行星減速器市場規(guī)模不足百億，人形機器人應用有望釋放市場空間。根據QYResearch，2022年全球行星減速器銷量為540萬臺，銷售金額為12.03億美元，其中中國境內銷量為232萬臺，銷售金額為5億美元，我國行星減速器市場規(guī)模全球占比約42%。由于工業(yè)機器人中關節(jié)機器人占比較高，故行星減速器整體工業(yè)機器人應用比例較低，但考慮到性價比與體積重量比優(yōu)勢，行星減速器或有望在人形機器人取得一定應用，如智元機器人、宇樹科技等均有搭配行星減速器，人形機器人產業(yè)化或有望打開行星減速器市場空間。行星減速器具較高技術與工藝壁壘，高端精密行星減速器國產化率較低。行星齒輪傳導裝置設計始于德國，1920s，行星齒輪傳動裝置首次量產，1950s，德國首次研發(fā)成功高速大功率行星齒輪減速器，1960s，意大利、英國、蘇聯等國家也陸續(xù)研發(fā)出低速重載行星減速器。伴隨工業(yè)自動化的進程，德國、意大利等國又研制出精密行星減速器。我國行星減速器略滯后于海外，1960s，我國開始研制應用行星減速器，1970s首次制訂了NGW型漸開線行星齒輪減速器標準，生產了多種高速大功率行星減速器，1980s開始生產低速大轉矩的行星減速器，但由于行星減速器，尤其高端精密行星減速器技術難度與工藝壁壘較高，海外龍頭在材料、設計水平、質量控制、精度、可靠性和使用壽命等方面仍具相對優(yōu)勢，國產化率仍較低。根據QYResearch，2022年尼得科傳動（原新寶）、紐卡特、威騰斯坦全球市占率合計35%，其中，尼得科傳動中國市占率約20%。絲杠：直線運動核心傳動裝置，滾動螺旋精密機械最為常用絲杠即絲杠螺母副，也即前文所述螺旋機構，可分為普通（滑動）、滾動、靜壓螺旋傳動三類。其中，滑動螺旋機構結構簡單，制造工藝方便，應用最廣；滾動螺旋機構摩擦損失小、傳動效率高，在精密機械中應用廣泛；靜壓螺旋機構性能優(yōu)異，但技術復雜，應用相對較少。根據滾動體類型不同，滾動螺旋機構又可進一步分為滾珠絲杠、行星滾柱絲杠。滾珠絲杠：工具機械與精密機械中應用最廣泛的機械傳動滾珠絲杠為工具機械與精密機械中應用最廣泛機械傳動機構。滾珠絲杠為滾珠絲杠螺母副的簡稱，屬于滾動螺旋傳動機構（滾動螺旋傳動多數采用鋼球，少數采用滾子，一般指滾動螺旋傳動即指滾珠絲杠傳動），由螺桿、螺母、鋼球、預壓片、反向器和防塵器等組成，完整的滾珠絲杠傳動系統(tǒng)另包括導軌、軸承、聯軸器等零部件。滾珠絲杠傳動效率和傳動精度高，為數控機床、工業(yè)機器人等機電一體化設備行程6m以下的直線傳動系統(tǒng)使用最為廣泛的傳動形式。滾珠絲杠主要包括內循環(huán)、外循環(huán)兩類結構。滾珠絲杠的精度、剛度為重要選用指標。精度方面，絲杠精度標準主要分為國內標準與JIS標準，前者將滾珠絲杠精度等級分為P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10，7個等級，1級精度最高。后者將絲杠的精度分為C0、C1、C3、C5、C7、C10，6個等級，其中C0、C1、C3、C5，4個等級為精密滾珠絲杠、C7、C10，2個等級為普通滾珠絲杠，臺灣還包括C2、C6兩個等級。剛度方面，滾珠絲杠的剛度與直徑大小直接相關，直徑大剛度好，但直徑大轉動慣量也增大，故需兼顧二者選取最佳直徑。一般而言，小型加工中心采用32mm、40mm的滾珠絲杠，中型加工中心選用40mm、50mm的滾珠絲杠，大型加工中心采用50mm、63mm的滾珠絲杠。此外，滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷（徑向載荷來自臥式絲杠的自重），螺母座結構、絲杠兩端支承形式、絲杠與機床的連接剛度亦會影響絲杠精度與剛度。除精度、剛度外，滾珠絲杠選用也需綜合考慮其使用條件、負載、速度、加速度、最大行程、壽命等因素。滾珠絲杠下游主要應用于機床、機器人等領域，價值量占比約2%~3%。根據2020金屬加工論壇，機床為滾珠絲杠下游主要應用領域，占比約21%，此外，機器人、航空航天、汽車等應用占比亦較高。結合數據可獲取性與時效性，我們選取車床領軍企業(yè)浙海德曼、國內機器人領軍企業(yè)埃斯頓分析滾珠絲杠價值量占比，綜合來看，滾珠絲杠價值量整機占比約2%~3%。我國滾珠絲杠市場規(guī)模超300億元，全球占比約20%。根據觀研報告網，2022年，全球滾珠絲杠市場規(guī)模約為230.5億美元，我國滾珠絲杠市場規(guī)模全球占比21%，達47.5億美元，按照2022年平均匯率計算，約合人民幣320億元。滾珠絲杠過半市場仍待國產化。根據GartnerIntelligence，我國為全球機床產值最大、消費規(guī)模最大國家，滾珠絲杠下游最大應用領域即為機床，機床行業(yè)高端化有望提升中高端滾珠絲杠需求。根據2020金屬加工論壇，滾動功能部件采用比例在40%以上的企業(yè)中，經濟型滾動功能部件國產化率約為52%，中高檔型滾動功能部件國產化率約為48%，考慮到金屬加工論壇樣本局限性，過半市場或仍待國產替代。行星滾柱絲杠：性能更佳的螺旋傳動機構，人形機器人打開市場空間行星滾柱絲杠為性能更佳的螺旋傳動。除滾珠絲杠外，行星滾珠絲杠也屬滾動摩擦螺旋傳動，其與滾珠絲杠的主要區(qū)別在于負載的傳遞單元使用螺紋滾柱，而非滾珠。相較滾珠絲杠，行星滾柱絲杠主要優(yōu)點包括：1）接觸點數量多，能夠承受更高的靜態(tài)負載和動態(tài)負載，靜載為滾珠絲杠的3倍，壽命為滾珠絲杠的15倍；2）具有更強的剛度和抗沖擊能力；3）可以提供更高的轉速及更大的加速度，加速度最高可達3g；3）螺紋傳動螺距設計范圍更廣，導程更小，一般導程可做到1mm，微分絲杠可以到0.1mm或更低。行星滾柱絲杠性能顯著優(yōu)于滾珠絲杠，但行星滾柱絲杠技術復雜，加工精度要求高，制造難度大，目前主要用于精度與負載要求較高的航空航天、汽車、油氣等領域。根據AcuteMarketResearch，2021年，航空航天、汽車為滾柱絲杠全球主要應用領域，應用占比達45%。標準式行星滾柱絲杠應用最為廣泛。按照結構和運動特點，行星滾柱絲杠可分為標準式行星滾柱絲杠、反向式行星滾柱絲杠、循環(huán)式行星滾柱絲杠、差動式行星滾柱絲杠和軸承環(huán)式行星滾柱絲杠五種形式，其中，標準式為目前應用最廣泛類型，其他4種類型均是為適應于不同應用環(huán)境而在其基礎上演變而來。行星滾柱絲杠技術壁壘較高，工件材料、熱處理工藝、磨削工藝等均影響加工質量。滾柱絲杠加工難度較大零件主要為絲杠、滾柱、螺母、內齒圈；螺紋加工、齒輪加工為最重要制備步驟，工件材料、熱處理方式、磨削工藝參數、刀具材料、磨削力變形及磨削熱變形等因素均會影響加工質量。工件材料：行星滾柱絲杠的絲杠、滾柱及螺母的螺紋滾道會受到連續(xù)性、周期性的振動、沖擊及摩擦，故應選擇硬度高、耐磨性強、抗疲勞性強、承載力高及溫度適應性較好的材料，此外，不同零部件需針對性選材。熱處理工藝：可分為兩大類：預備熱處理和最終熱處理，前者改善絲杠切削性能、消除殘余應力以及為最終熱處理做準備，主要工藝包括調質、退火、正火、時效處理等；后者提高螺紋的表面硬度以及耐磨性。熱處理工藝直接影響行星滾柱絲杠的精度及可靠性。磨削工藝：行星滾柱絲杠螺紋牙經過熱處理后擁有較高硬度，螺紋加工通常采用磨削方法，用砂輪代替車刀、銑刀。螺紋磨削精度受磨削工藝參數、砂輪參數、磨削力與磨削熱、磨削液的選用及數控磨床綜合性能等因素的影響，故對相關設備、工裝及磨削工藝方案要求均較高。行星滾柱絲杠全球市場規(guī)模僅約3億美元，人形機器人有望打開天花板。根據persistencemarketresearch，2023年全球行星滾柱絲杠市場規(guī)模預計可達3.0億美元，預計2033年將達到5.6億美元。長期維度，行星滾柱絲杠承載高、精度高、抗沖擊能力強、轉速與加速度大，有望廣泛應用于人形機器人，特斯拉Optimus線性關節(jié)即采用行星滾柱絲杠，隨人形機器人滲透率提升，行星滾柱絲杠市場空間有望打開。全球行星滾柱絲杠市場集中度較高，海外龍頭占據主要市場份額。全球行星滾柱絲杠市場集中度較高，根據AcuteMarketReport，龍頭企業(yè)占據全球行星滾柱絲杠約60%-70%份額。國內市場亦基本由國外企業(yè)主導，根據《E公司滾柱絲杠產品營銷策略研究》，2021年海外龍頭國內市占率約80%。相較于海外龍頭，國內公司產品研制及應用尚處于起步階段，產業(yè)化程度猶待提升。靜壓絲杠：多用于重載大型機械傳動，技術壁壘較高靜壓絲杠即將靜壓原理應用于螺旋傳動中。靜壓絲杠通過油壓/氣壓在絲杠和螺母的接觸面之間產生一層保持一定厚度且具有一定剛度的壓力油膜/氣膜，使絲杠和螺母之間的摩擦大幅降低，也可將靜壓絲杠理解為采用靜壓流體潤滑的滑動絲杠。靜壓絲杠螺紋牙型與標準梯形螺紋牙型相同，但牙型高于同規(guī)格標準螺紋的1.5~2倍，以獲取良好油封并提高承載能力。根據支撐流體不同，靜壓絲杠可分為液體靜壓絲杠與氣體靜壓絲杠。液體靜壓絲杠的絲杠與螺母以油膜相隔，氣體靜壓絲杠則以氣膜相隔，由于空氣的可壓縮性較強，氣膜厚度比油膜小，因此氣體靜壓絲杠定位精度更高，但剛度和承載能力相應降低；此外，相較于液體靜壓絲杠，氣體靜壓絲杠裝置簡單，不存在回流裝置，也無環(huán)境污染。但氣體靜壓絲杠精度要求高，加工較液體靜壓絲杠更為困難，應用較少。液體靜壓絲杠具摩擦因數小、機械效率高等優(yōu)點，但尺寸限制其多用于重載大型機械傳動。液體靜壓絲杠主要優(yōu)點包括：1）摩擦因數很小，僅為0.0005，小于滾珠/滾柱絲杠，故動力矩很小，傳動靈敏，可避免爬行；2）油膜層可以吸振，提升運動平穩(wěn)性；3）油液流動可散熱并減少熱變形，提高機床加工精度和表面粗糙度值；4）油膜層有一定的剛度，可減小反向間隙；5）油膜層對誤差起到“均化”作用，使得絲杠的傳動誤差小于絲杠本身的制造誤差；6）螺紋表面不直接接觸，可長期保持工作精度；7）承載能力與供油壓力成正比，與轉速無關。但靜壓絲杠需配備供油系統(tǒng)、尺寸受限、成本較高，且螺母結構復雜、加工困難，故多用于對精度、定位準確度、傳動效率等要求較高的重載大型機械傳動。靜壓絲杠技術難度較高，國內產業(yè)化程度處于較低水平。由于加工要求較高，靜壓絲杠國內生產企業(yè)相對較少，根據賴志鋒《基于液體靜壓絲杠與液體靜壓導軌的超精密運動系統(tǒng)研究》（2016）與RobertSch?nfeld《靜壓絲杠：重型機加工中直線電機的替代方案》（2021），雖然國內具備一定流體靜壓絲杠研究基礎，也有一定的應用和產品，但仍未實現規(guī)模化生產，而國外已經有了相對成熟的液體靜壓絲杠生產制造技術，產業(yè)化程度相對較高，全球靜壓絲杠主要生產企業(yè)包括HydrostatikSch?nfeld、Zollern等。導向及支承機構：配合機械傳動機構傳遞運動及動力導向及支承機構為機械系統(tǒng)各運動裝置安全、準確完成特定方向運動提供保障。完整的機械傳動裝置除機械傳動機構外，還需導向與支承機構提供輔助，以確保各運動機構得到安全的支承，并能準確地完成其特定方向的運動。導向支承機構的精度、剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性等因素都會影響整個系統(tǒng)的精度、動態(tài)特性和可靠性。完成導向及支承功能的主要部件包括導向支承部件、旋轉支承部件等，導軌、軸、軸承為核心零部件。導向支承部件：支承和限制運動部件按給定的運動要求和規(guī)定的運動方向運動，一般稱為導軌副，簡稱導軌。旋轉支承部件：旋轉支承中的運動件相對于支承導件轉動或擺動，按照其相互摩擦的性質可分為滑動、滾動、彈性、氣體（或液體）摩擦支承。旋轉支承一般由軸系零件完成。導軌：支承與引導運動部件沿確定軌跡運動導軌為用于支承和引導運動部件沿確定軌跡運動的裝置。導軌主要由承導件（工作時固定不動）與運動件（工作時相對承導件作直線或回轉運動）組成，按導軌接觸面的摩擦性質可分為滑動導軌、滾動導軌等。對導軌的一般性能要求為：導向精度高、剛度大、運動輕便平穩(wěn)、耐磨性好以及結構工藝性好。精密機械主要應用滾動導軌，直線運動滾動導軌配合絲杠完成高精度傳動。普通滑動導軌靜摩擦系數大，并且動、靜摩擦系數差值也大，低速易爬行，較少應用于數控機床等對精度要求較高的設備。滾動導軌摩擦因數小，動、靜摩擦因數接近，運動輕便靈活、所需功率小，摩擦發(fā)熱少、磨損小、精度保持性好、低速運動平穩(wěn)性好、移動精度和定位精度均較高，廣泛應用于各類精密機床、儀器中，如低速運動的坐標鏜床、數控機床、工具磨床等。滾動導軌按運動形式可分為直線運動導軌與回轉運動導軌，其中，直線運動滾動導軌與滾珠絲杠組成的機械傳動系統(tǒng)在精密機械中應用最為廣泛。直線運動滾動導軌可進一步按結構分為三角平開式、閉式與鋼絲滾道導軌，三角平開式導軌主要用于機床工作臺，閉式導軌、鋼絲滾道導軌多用于儀器。三角平開式導軌中，滾柱導軌承載力高，多用于大型機床，滾針導軌則多用于尺寸要求較高的機器。直線運動滾動導軌對導軌直線度及滾動體尺寸精度要求較高。直線運動滾動導軌為點接觸或線接觸，對導軌的直線度和滾動體的尺寸精度要求較高，如精密級機床要求導軌直線度在10μm/m以內，兩導軌之間的平行度誤差小于3μm/250mm，滾動體直徑差小于1μm，滾柱錐度小于0.5μm，精密儀器要求則更高。我國直線導軌市場收入全球占比26%，但中高端仍依賴進口。根據QYResearch，2020年全球直線導軌市場收入約20.1億美元，CR5（THK,Hiwin,NSK,BoschRexroth,Schaeffler）達78%，我國2020年直線導軌市場收入約5.2億美元，約占全球26%。而根據恒而達2022年10月投資者關系活動記錄表，我國直線導軌產品特別是中高端產品嚴重依賴進口，高端產品主要來自日本、瑞士、德國等國家，中端產品來自中國臺灣；同等規(guī)格的直線導軌產品，外資價格約為中國臺灣廠商的3倍，中國臺灣廠商則約為國產廠商的3倍，直線導軌國產替代空間較大。軸：支承旋轉零件，傳遞力與力矩軸主要用于支承軸上零件轉動，傳遞力與力矩。軸為機械設備中受軸承支承的重要零件，直接支承旋轉零件，并能傳遞運動和動力，齒輪、車輪、銑刀等均需安裝于軸上才可實現特定功能。按照承載情況不同，軸可分為轉軸、傳動軸、心軸三類，其中，轉軸在機械中最為常用。軸的材料需滿足強度、剛度、耐磨性、耐蝕性要求，可選用碳素鋼、合金鋼、鑄鐵。軸工作時多需應對周期性交變應力，故軸的材料必須具備較高的強度、剛度和韌性，且對應力集中的敏感性低；此外，軸與軸承發(fā)生相對運動的表面應具有足夠的耐磨性。軸的常用材料為碳素鋼、合金鋼、球墨鑄鐵。不同領域軸應用差異較大。軸種類繁多，不同應用領域成本占比、國產化率差異較大，如轉軸（鉸鏈）為折疊屏手機關鍵零部件，技術仍待突破；一般減速器轉軸多可實現國產；機床主軸多替換為電主軸，2020年低/中/高端國產化率分別為82%/65%/6%2，龍頭企業(yè)加速自制進程。軸承：支承旋轉軸及其他運動體，引導運動并承受軸上載荷軸承可分為滑動與滾動軸承，后者應用更為廣泛。軸承為用來支承軸或軸上旋轉零件的部件，同時承受軸向負荷與徑向負荷，主要用于保持軸的旋轉精度、減小摩擦和磨損，被稱為“機械的關節(jié)”、“機械工業(yè)的潤滑劑”。按工作時摩擦性質的不同，軸承可劃分為滑動摩擦軸承（滑動軸承）和滾動摩擦軸承（滾動軸承）兩類。前者結構簡單、易于制造、成本低，承載能力大，有良好的耐沖擊性和吸振性，工作平穩(wěn)、回轉精度高；但摩擦損耗大，潤滑和維護要求較高，且軸向尺寸較大。后者摩擦阻力小，起動靈活，工作穩(wěn)定，效率高，能夠在較廣泛的載荷、轉速及工作溫度范圍內工作，但抗沖擊能力較差，高速、重載下壽命較低，且易出現振動、噪聲，徑向外廓尺寸較大?；瑒虞S承一般為非標件，在高速、高精度、重載、徑向尺寸受限或結構上要求剖分等場合下性能較為突出，多在內燃機、機床、蒸汽機等重型機械，以及球磨機、滾筒清砂機、破碎機等低速沖擊性大的機器中使用；滾動軸承則多為標準件，使用較滑動軸承更為方便，應用更為廣泛，一般指軸承即指滾動軸承。滾動軸承主要由外圈、內圈、滾動體、保持架組成，整體材料要求較高。外圈和內圈統(tǒng)稱為軸承套圈，是具有一個或幾個滾道的環(huán)形零件，其中，外圈是指滾道在內表面的軸承套圈，通常裝配于軸頸，并與軸一同轉動，內圈是指滾道在外表面的軸承套圈，通常裝配于軸承座孔內起支承作用。滾動體即裝在內外圈滾道之間的球或滾子，承受來自內外圈之間的載荷，實現軸承的滾動運動，與內外圈點/線接觸。保持架將滾動體均勻隔開，減小滾動體的摩擦和磨損。由于滾動體與內外圈為點、線接觸，接觸應力較大，故內外圈及滾動體的材料需具備較高硬度、接觸疲勞強度以及良好的耐磨性和沖擊韌性，一般采用高碳鉻鋼、滲碳鋼、不銹鋼、耐熱鋼、工具鋼等軸承鋼，陶瓷、塑料、石墨和碳纖維等非金屬材也可作為軸承材料。保持架材料包括鋼板、銅合金、酚醛層壓布管、玻璃纖維增強酚醛樹脂等。軸承種類繁多，深溝球軸承為最常用滾動軸承。根據軸承工作所能承受的載荷方向，將滾動軸承分為向心軸承和推力軸承，向心軸承主要承受徑向載荷，推力軸承主要承受軸向載荷，向心軸承、推力軸承按照滾動體形狀又可進一步分為向心/推力球軸承、向心/推力滾子軸承，其中，滾子軸承與軸承套圈線接觸，接觸區(qū)域大、摩擦大、速度低，但承載能力更高，球軸承則為點接觸，性能相反。在各類軸承中，隸屬于向心球軸承的深溝球軸承應用范圍最為廣泛。中國軸承市場規(guī)模全球領先，營收突破達千億。根據SKF2022年報口徑，2022年全球軸承市場規(guī)模約3000億元，其中，中國市場占比近1/3，為全球第一大軸承市場。根據中國軸承工業(yè)協(xié)會口徑，2021年中國軸承行業(yè)主營業(yè)務收入達2,278億元。國內軸承企業(yè)競爭力增強，但中高端國產化率仍有待提升。根據SKF官網，中國各類軸承企業(yè)全球市占率由2018年的20%提升至2022年25%，全球六大軸承企業(yè)（SKF,SchaefflerGroup,Timken,NSK,NTNandJTEKT）市占率則從60%降至55%。中國軸承企業(yè)競爭力有所增強，但銷售市場仍主要在亞洲區(qū)域，且從軸承進出口情況來看，進口軸承價格遠高于出口，表明中高端市場或仍為海外企業(yè)主導，國產化率有待提升。高精機械傳動國產替代：材料、設備、工藝、驗證缺一不可材料：國產材料筑基不牢材料為高精度機械傳動機構制備基礎。綜合各類精密機械傳動系統(tǒng)組成零部件，材料選擇均具較高要求，如：諧波減速器：需使用高強度、高彈性特種材料制作，尤其是柔輪、軸承材料，一方面需承受較大交變載荷并不斷變形，另一方面還需具較高的硬度以降低磨損，材料材質、疲勞強度要求均較高。根據中大力德23年6月公告，公司諧波減速器的柔輪、剛輪材料仍需日本進口。滾珠絲杠：高精度滾珠絲杠的要求材料有良好的強度、剛性、耐磨性、耐腐蝕性、沖擊韌性、抗疲勞性和高溫性。行星滾柱絲杠：絲杠、滾柱及螺母的螺紋滾道會