機器人運動控制的關(guān)鍵硬件——執(zhí)行器

執(zhí)行器——機器人的關(guān)節(jié)

機器人通常由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、和傳感系統(tǒng)四部分組成。機器人執(zhí) 行機構(gòu)是機器人賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由一系列連桿、關(guān)節(jié)或其他形式的 運動副組成。工業(yè)機器人按臂部的運動形式分為四種：直角坐標(biāo)型的臂部可沿三個 直角坐標(biāo)移動；圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作；球坐標(biāo)型的臂部能 回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。這些運動都需要執(zhí)行器來完成。

執(zhí)行器可以根據(jù)運動分為兩類：旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和線性執(zhí)行器。1）旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器會將某物旋轉(zhuǎn)一定的角度，可以是有限的也可以是無限的。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行 器的一個典型例子是電動機，它是一種將電信號轉(zhuǎn)換成其軸的旋轉(zhuǎn)運動的執(zhí)行器， 當(dāng)電流施加到基本電機時，電機旋轉(zhuǎn)。將電機直接連接到負載上，創(chuàng)建了一個直接 驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，許多旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器與用作機械杠桿的機構(gòu)相結(jié)合(優(yōu)點)以降低旋 轉(zhuǎn)速度并增加扭矩，如果最終結(jié)果是旋轉(zhuǎn)，該組件的輸出仍然是旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器。2）旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器還連接到將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成來回運動的機構(gòu)，該機構(gòu)被稱為線性執(zhí)行 器。線性執(zhí)行器本質(zhì)上是沿著直線移動物體，通常是來回移動。這些機構(gòu)包括：滾 珠/滾柱絲杠、皮帶和滑輪、齒條和小齒輪。滾珠絲杠和滾柱絲杠通常用于將旋轉(zhuǎn)運 動轉(zhuǎn)換成精確的直線運動，例如在加工中心。齒條和小齒輪通常增加扭矩并降低旋 轉(zhuǎn)運動的速度，它們也可以與將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為線性運動的機構(gòu)結(jié)合使用。

旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器主要包括 RV 減速器和諧波減速器：1）RV 減速器：RV 通常是用擺線針輪，用于轉(zhuǎn)矩大的機器人關(guān)節(jié)，主要用于 20 公 斤到幾百公斤負載的機器人，一二三軸都是用 RV。RV 長時間使用后的精度保持度 高于諧波。由于 RV 的零部件更為復(fù)雜，承載強度更高且制造難度比諧波大，因此 產(chǎn)線的資本開支更高；2）諧波減速器：諧波過去式以漸開線齒形為主，現(xiàn)在有部分廠家使用了雙圓弧齒形。諧波可負載的轉(zhuǎn)矩小，通常用于 20 公斤以下的機械臂。諧波里的一種關(guān)鍵齒輪是柔 性的，它需要反復(fù)的高速變形，所以它比較脆弱，承載力和壽命弱于 RV。

絲杠是將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動的傳動副零件。根據(jù)摩擦特性可分為滑動絲杠、滾 動絲杠及靜壓絲杠，其中滾動絲杠根據(jù)載荷傳遞元件的區(qū)別，分為滾珠絲杠和行星 滾柱絲杠：1）滾珠絲杠：是傳動機械中應(yīng)用最為普遍、精度最高的傳動裝置。具有摩擦阻力小、 傳動效率高、定位精度高、剛性高、微進給、高速進給、無側(cè)隙、使用壽命長等特 性。2）滾柱絲杠：相比滾珠絲杠，滾柱絲杠具備高負載、高剛度和長壽命的優(yōu)勢。行星 滾柱絲杠成本高，集中在高端或特殊需求，應(yīng)用規(guī)模不大，主要是對液壓執(zhí)行器的 替代。3）梯形絲杠：和滾珠絲杠的運動原理相同，不同之處在于，梯形絲杠里沒有滾珠， 螺母和絲杠軸之間的運動完全靠機械接觸產(chǎn)生滑動，是滑動摩擦，所以梯形絲杠也 叫滑動絲杠。滾珠絲杠是滾動摩擦，梯形絲杠是滑動摩擦，滾動摩擦的摩擦系數(shù)遠 遠低于滑動摩擦系數(shù)，大多數(shù)滾珠絲杠的傳動效率高達 90%，有的達到 95%以上， 大多數(shù)梯形絲杠的傳動效率低于 70%。

執(zhí)行器決定機器人的負荷和工作精度

機器人的技術(shù)參數(shù)反映了機器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況。主要 包括：自由度、額定負載、工作空間、工作精度。其他參數(shù)還有：工作速度、控制 方式、驅(qū)動方式、安裝方式、動力源容量、本體質(zhì)量、環(huán)境參數(shù)等。

1）自由度：工業(yè)機器人的自由度是根據(jù)其用途設(shè)計的。機器人的自由度反映機器人 動作的靈活性，自由度越多，機器人就越能接近人手的動作機能，通用性越好，可 用直線移動、擺動或者旋轉(zhuǎn)動作的數(shù)目來表示。自由度越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對機器 人的整體要求越高。工業(yè)機器人把機械臂上每一個關(guān)節(jié)都當(dāng)作一個獨立的伺服機構(gòu)， 即每個軸對應(yīng)一個伺服器，每個伺服器通過總線控制，由控制器統(tǒng)一控制協(xié)調(diào)工作。

2）額定負載：也稱有效負荷，是指正常作業(yè)條件下，工業(yè)機器人在規(guī)定性能范圍內(nèi)， 手腕末端所能承受的最大載荷。工業(yè)機器人負載范圍較大，一般為 0.5～2300kg。當(dāng)負載較大時，提高電機的功率不劃算，可以在適宜的速度范圍內(nèi)，通過減速器來 提高輸出扭矩。伺服電機在低頻轉(zhuǎn)速下容易出現(xiàn)發(fā)熱和低頻振動，對于長時間工作 的工業(yè)機器人不利于確保其精確可靠的運行。精密減速器使伺服電機在合適的速度 下運轉(zhuǎn)，并精確地將轉(zhuǎn)速降到工業(yè)機器人各部位需要的速度，提高機械剛性的同時， 輸出更大的力矩。

3）工作精度：重復(fù)定位精度取決于機器人關(guān)節(jié)減速機及傳動裝置的精度，絕對精度 取決于機器人控制算法、編碼器精度、減速及傳動裝置精度等的綜合表現(xiàn)。一般來 說，機器人的重復(fù)精度高于絕對精度。要提高機器人的絕對精度，需要進行高精度 標(biāo)定。標(biāo)定可以分為三級：一級未驅(qū)動器與關(guān)節(jié)傳感器的標(biāo)定，即確定關(guān)節(jié)位移傳 感器產(chǎn)生的信號與實際關(guān)節(jié)位移之間的關(guān)系；二級在一級基礎(chǔ)上，加入機器人幾何 參數(shù)的標(biāo)定，針對各組成連桿的運動變量誤差和各連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差引起的位姿誤 差；三級為非幾何標(biāo)定，針對由關(guān)節(jié)柔度、摩擦、間隙以及連桿柔度等因素引起的 誤差。在標(biāo)定過程中，測量是進行參數(shù)辨識和補償之前的重要環(huán)節(jié)，包括關(guān)節(jié)位移 測量和機器位姿測量。位姿測量方法又包括接觸式和非接觸式，其中接觸式測量對 機器人位姿限制較大；非接觸式測量中，三坐標(biāo)測量機只能測量小型機器人，而激 光跟蹤儀對環(huán)境影響較為敏感，同時操作復(fù)雜，測量時間長。

4）工作空間：又稱工作范圍、工作行程，是指工業(yè)機器人作業(yè)時，手腕參考中心（即 手腕旋轉(zhuǎn)中心）所能到達的空間區(qū)域，不包括手部本身所能達到的區(qū)域，常用圖形 表示，P 點為手腕參考中心。工作空間的形狀和大小反映了機器人工作能力的大小， 它不僅與機器人各連桿的尺寸有關(guān)，還與機器人的總體結(jié)構(gòu)有關(guān)，工業(yè)機器人在作 業(yè)時可能會因存在手部不能到達的作業(yè)死區(qū)而不能完成規(guī)定任務(wù)。由于末端執(zhí)行器 的形狀和尺寸是多種多樣的，為真實反映機器人的特征參數(shù)，工作范圍一般是指不 安裝末端執(zhí)行器時，可以達到的區(qū)域。

綜上，執(zhí)行器是機器人的關(guān)鍵零部件，對機器人的負荷和精度有重大影響。減速器 是一種減速傳動裝置，可以通過降低轉(zhuǎn)速而提高扭矩，以傳遞較大的負荷，克服伺 服電機輸出的扭矩較小的缺陷。

Tesla Optimus 關(guān)節(jié)執(zhí)行器：結(jié)構(gòu)緊湊、高負載、低能耗

從特斯拉的發(fā)布會來看，我們預(yù)計特斯拉 Optimus 身體關(guān)節(jié)共有 28 個，包括三種 旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器（14 個）和三種線性執(zhí)行器（14 個）。

特斯拉 Optimus 旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器方案猜測：永磁無刷電機+諧波減速器+抱閘+雙編碼 器+力矩傳感器+軸承。采用諧波傳感器的優(yōu)點：小體積，大速比，可達 160：1，扭矩密度比較高。軸向尺 寸小，執(zhí)行器關(guān)節(jié)軸向可以比較緊湊。在機器人行業(yè)，大多數(shù)關(guān)節(jié)都沒有集成扭矩 傳感器，這是從成本，集成難度，剛度損失等方面考慮的。集成扭矩傳感器的優(yōu)勢 在于關(guān)節(jié)更加安全，力控算法更簡單。

特斯拉 Optimus 直線執(zhí)行器方案猜測：永磁無刷電機+行星滾柱絲杠+位置編碼器 +力傳感器+軸承。采用線性執(zhí)行器驅(qū)動器關(guān)節(jié)的優(yōu)勢：1）空間利用率高。相比傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器分布于 關(guān)節(jié)附近，線性執(zhí)行器可以縱向布局，最大限度利用腿部內(nèi)部空間，布置更大更長 的電機，提供更大的推動力。2）具備自鎖能力。線性執(zhí)行器的螺桿傳動機構(gòu)通過合 理設(shè)計可以具備自鎖能力，即下半身不動時可以自動鎖定姿態(tài)，不耗能，形成一個 低功耗且穩(wěn)定的底部支架。3）低能耗，高負載。上肢的肘關(guān)節(jié)屈伸采用線性執(zhí)行器 的理由和腿部原理一致，低耗能高推力。前臂的兩個線性執(zhí)行器構(gòu)成并聯(lián)關(guān)節(jié)主要 目的是降低腕關(guān)節(jié)的尺寸。纖細的腕關(guān)節(jié)有兩個好處：一是在抓握時降低關(guān)節(jié)與工 件的干涉，提高抓握路徑的靈活性；二是降低前臂對視覺構(gòu)建及視覺位置反饋的干 擾，提升控制精度。采用行星滾柱絲杠，可以輸出高精度和高承載能力。行星絲杠的節(jié)距可以做的很小， 所以很容易通過小扭矩實現(xiàn)大推力，電機的功率和體積可以小一些。電機的轉(zhuǎn)子集 成到了螺母上，整體結(jié)構(gòu)更為緊湊。2.2Kg 的執(zhí)行器輸出可達 8000N，推力密度高。

人形機器人旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器：需求彈性及供給能力分析

減速器在工業(yè)機器人中成本構(gòu)成占比 35%，價值量最高，預(yù)計在人形機器人中價值 量依然會占到較高比重。工業(yè)機器人的控制過程是：控制器發(fā)指令給伺服驅(qū)動，驅(qū) 動伺服電機旋轉(zhuǎn)，通過減速機執(zhí)行動作，在工業(yè)機器人上游的三大部件中，減速器 成本占比最高 35%，伺服系統(tǒng)（伺服電機+伺服驅(qū)動器）、控制器，分別占比 25%、 10%。

人形機器人產(chǎn)業(yè)化對諧波減速器需求的敏感性分析

2017～2021 年精密減速器（諧波+RV）銷量從 49 萬臺增長至 101 萬臺，復(fù)合增 速19.8%，工業(yè)機器人用精密減速器銷量從41萬臺增長至84萬臺，復(fù)合增速19.5%。2021 年占比 82%。2018～2021 年精密減速器市場規(guī)模從 57.7 億元增至 59.5 億 元，復(fù)合增速 1%，這與國產(chǎn)替代速度加快，均價下行有關(guān)。人形機器人運動執(zhí)行部件可能采用諧波減速器作為主要的執(zhí)行部件之一，我們假設(shè) 人形機器人不同年銷售規(guī)模，對諧波減速器的需求彈性進行敏感性分析。核心假設(shè)：1）本次測算假設(shè)人形機器人年銷量在 10~100 萬臺之間；2）單臺人形機器人配置諧波減速器 14 個；3）馬斯克在特斯拉的開放日上提出，特斯拉人形機器人最終售價將下降到 2 萬美金 以下，與目前產(chǎn)業(yè)鏈的成本來看，有很大降本空間。我們暫時無法對產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié) 成本下降的幅度和速度做出假設(shè)，我們認為，技術(shù)成熟及產(chǎn)業(yè)鏈成本下降是產(chǎn)業(yè)化 的前提，規(guī)?；羌夹g(shù)成熟和成本下降后的必然。

從目前已知的信息來看，人形機器人采用 RV 減速器的概率相對比較小。因此我們 不對 RV 減速器進行敏感性分析。預(yù)計 RV 減速器未來的主要應(yīng)用場景還將是在工 業(yè)機器人上。

諧波減速器供給格局：國產(chǎn)化提速

哈默納科是目前世界最大的諧波減速器生產(chǎn)商，全球市場份額超過 80%。諧波傳動 最初用于美國航天運動控制，谷川齒輪將其引入日本并量產(chǎn)，于 1970 年成立哈默 納科。經(jīng)過五十余年的技術(shù)迭代、海外版圖擴張，哈默納科壟斷了全球諧波減速機 市場份額，產(chǎn)品矩陣愈加豐富，包括精密減速機（諧波減速器、減速器組件和行星 減速器）和機電一體化產(chǎn)品（執(zhí)行器、控制器）。2021 年哈默納科營業(yè)收入 570 億 日元，2000~2022 年均復(fù)合增速 8.3%，與全球工業(yè)機器人行業(yè)增速基本一致。毛 利率穩(wěn)定在 40%左右，凈利率維持在 20%以上。

國內(nèi)諧波減速器發(fā)展迅速，綠的諧波率先打破壟斷，同川、大族緊追其后，雙環(huán)、 中大力德、國茂股份開始入局。我國諧波減速器廠商起步較晚，受益于我國工業(yè)自 動化對工業(yè)機器人的旺盛需求，國產(chǎn)諧波得以快速發(fā)展，近年來國產(chǎn)替代腳步加快。2021 年，哈默納科占中國諧波減速器 38%的市場份額，相較 2018 年 52%的市場 份額顯著下降。以綠的諧波為代表的國產(chǎn)諧波減速器份額提升明顯，隨著行業(yè)德蓬 勃發(fā)展，國內(nèi)入局新玩家增多，日本新寶、臺灣來福份額穩(wěn)定，同川、大族等企業(yè) 也占據(jù)了一定的市場份額，中大力德、國茂股份、光洋股份也加入競爭，國內(nèi)產(chǎn)能 建設(shè)提速。國產(chǎn)諧波以價換量，高端產(chǎn)品技術(shù)突破成為關(guān)鍵。諧波減速器結(jié)構(gòu)簡單，在低壽命 的要求下門檻較低。疫情下外資廠商供貨周期長，國產(chǎn)品牌把握住市場窗口期快速 放量，但產(chǎn)品多集中在中低端市場。國內(nèi)企業(yè)依托本土優(yōu)勢可以提供低價諧波，2021 年均價 2000 元左右，哈默那科諧波進口單價多在 8000 元及以上，國內(nèi)企業(yè)以一 定的價格優(yōu)勢在銷量上表現(xiàn)亮眼。根據(jù) MIR，2021 年綠的諧波、來福減速器銷量分 別為 17.8 萬、9.5 萬臺，遠超過哈莫納科的 3.5 萬臺。

RV 減速器供給格局：國產(chǎn)品牌正在突圍

納博特斯克是世界上最大的 RV 減速器制造商，全球市場份額超過 60%。博特斯克 的前身是日本帝人制機和納博克株式會社，于 2003 年合并成為控股公司納博特斯 克的全資子公司。1980 年，日本帝人精機將 RV 減速器應(yīng)用于機器人行業(yè)，解決 了工業(yè)機器人存在容易受沖擊損壞、手臂振動等問題；1986 年開始被大規(guī)?；瘧?yīng) 用于工業(yè)機器人，趕上日本“機器換人”的浪潮，奠定了其行業(yè)領(lǐng)先地位。納博特斯克營收逐年穩(wěn)健增長，2003~2022 年均復(fù)合增速為 4.9%。營收從 2003 年 1250 億日元增長至 2022 年 3080 億日元，2022 年毛利率為 5.9%，凈利率為 24.8%。

2021 年納博特斯克在中國的份額為 52%，國產(chǎn)品牌份額超過 30%，規(guī)?？壳暗钠?業(yè)有中大力德、秦川機床、南通振康、珠海飛馬、智同科技等。南通鎮(zhèn)康 2010 年研 制出第一臺 RV 減速器，雙環(huán)傳動、中大力德分別于 2013 年前后開始研發(fā)工業(yè)機 器人精密減速器。經(jīng)過十余年的技術(shù)積累和產(chǎn)品品類拓展，雙環(huán)傳動市場份額提升 明顯，從 2018 年的 7%提升至 2021 年的 15%，國內(nèi)規(guī)?？壳暗钠髽I(yè)有中大力德、 秦川機床、南通振康、珠海飛馬、智同科技等。

機器人用軸承供給格局：主要依靠進口

工業(yè)機器人專用軸承主要有等截面薄壁軸承、薄壁交叉圓柱滾子軸承、RV 減速機軸 承及諧波減速器用柔性軸承等，它們大多采用非標(biāo)準(zhǔn)、多滾動體等設(shè)計原則。

國內(nèi)工業(yè)機器人配套軸承大部分依靠進口，國內(nèi)少數(shù)廠家雖然生產(chǎn)制造工業(yè)機器人 配套軸承，但批量小、品種規(guī)格少，零部件通用化程度低，供貨周期長，成本髙， 質(zhì)量不穩(wěn)定。近年來，我國軸承廠商的制造能力有顯著提升，從事機器人配套軸承 研發(fā)的主要廠商有：人本軸承、國機精工、洛陽 LYC 軸承公司、北京諧波技術(shù)研究 所、洛陽匯工軸、五洲新春。

線性執(zhí)行器：需求彈性及供給能力分析

人形機器人產(chǎn)業(yè)化對線性執(zhí)行器的需求敏感性分析

2022 年全球滾珠絲杠市場規(guī)模 20.4 億美元，如果不考慮人形機器人產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計 行業(yè)將保持低速穩(wěn)定成長，預(yù)計到 2029 年市場規(guī)模 30.9 億美元，2023 年至 2029 年復(fù)合增速為 6.1%。亞太地區(qū)具有最大的消費市場，占有 58%的市場份額，其次 是歐洲。我們假設(shè)人形機器人不同年銷售規(guī)模，對滾珠絲杠、滾柱絲杠、滑動絲杠的需求彈 性進行敏感性分析。核心假設(shè)：1）本次測算假設(shè)人形機器人年銷量在 10~100 萬臺之間；2）單臺人形機器人配置諧波減速器 14 個；3）特斯拉目前尚未公布其線性執(zhí)行器具體方案，我們猜測可能的方案分為兩種：方案一：4 個滑動+8 個行星滾柱絲杠；方案二：14 個滾珠絲杠；4）馬斯克在特斯拉的開放日上提出，特斯拉人形機器人最終售價將下降到 2 萬美金 以下，與目前產(chǎn)業(yè)鏈的成本來看，有很大降本空間。我們暫時無法對產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié) 成本下降的幅度和速度做出假設(shè)，我們認為，技術(shù)成熟及成本下降是產(chǎn)業(yè)化的前提， 規(guī)模化是技術(shù)成熟和成本下降后的必然。

滾珠絲杠供給格局：高端外資主導(dǎo)，中低端完成國產(chǎn)替代

滾珠絲杠的主要供應(yīng)商集中在日、德、臺地區(qū)，NSK 占據(jù)全球最大的滾珠絲杠份額。全球市場被日本 NSK、日本 THK 等企業(yè)壟斷，CR5 約 46%，日本和歐洲企業(yè)合 計占據(jù)了全球約 70%市場份額。國內(nèi)市場上銀、銀泰占有率接近 50%，NSK、THK 市場占有率約 15%，國內(nèi)企業(yè)占有率約 25%。國產(chǎn)企業(yè)起步晚、產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、產(chǎn)品豐富度低、生產(chǎn)效率低，尚未形成有國際影響 力的品牌，主要廠商：南京工藝、博特精工、合肥賽里斯（江蘇雷利）、鼎智科技（江 蘇雷利）、華歐精密等。國產(chǎn)滾珠絲杠在中低端應(yīng)用已經(jīng)基本實現(xiàn)了國產(chǎn)替代，產(chǎn)品 豐富度和技術(shù)指標(biāo)和外商差距不大。在高端產(chǎn)品上，滾珠絲杠的精度、最高速度、 噪音、溫升等控制方面以及精度保持性還有待提升，在細分高端市場，國產(chǎn)滾珠絲 杠副開始在機床企業(yè)批量使用，如秦川機床，海邁克精密。貝斯特和恒力液壓也在 布局相關(guān)產(chǎn)品。

滾柱絲桿供給格局：國內(nèi)處于起步階段

70 年代，隨著武器裝備技術(shù)及石油、化工、數(shù)控機床等對大推力、高精度、高效率、 長壽命的需求提升，行星滾柱絲杠開始被大規(guī)模使用。1970 年起，瑞士 ROLLVIS 公司（后被 GSA 收購）致力于行星滾柱絲桿產(chǎn)品的制造與研究。美國的 EXLAR 公 司將行星滾柱絲杠作為六自由度并聯(lián)機構(gòu)的傳動裝置，研制出了一種新型的電推桿， 行星絲杠商用開始加速，目前主要應(yīng)用于航空航天、武器裝備等軍事領(lǐng)域和數(shù)控機 床、工程機械等民用領(lǐng)域。行星滾柱絲杠市場，全球主要制造業(yè)國家與瑞士差距大。國外具備生產(chǎn)行星滾柱絲 杠能力的企業(yè)主要有 GSA、SKF、EWELLIX、MOOG 等。GSA 公司是產(chǎn)品系列最 全、規(guī)模最大的行星滾柱廠商，在裝配、加工工藝、材料及熱處理工藝上有深厚的 積累，從產(chǎn)品覆蓋規(guī)格、生產(chǎn)規(guī)模到產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)驗積累對其他地區(qū)形成碾壓優(yōu)勢。

國內(nèi)行星滾柱絲杠處于起步階段，僅有幾家企業(yè)具備小批量生產(chǎn)能力，包括：博特 精工、常州思科瑞、南京工藝等。2010 年，博特精工、南京工藝、常州思科瑞等國 產(chǎn)廠商投入行星絲杠的研發(fā)，目前已具備小批量生產(chǎn)的能力，國產(chǎn)行星絲杠在承載 能力、產(chǎn)品尺寸覆蓋范圍上還有差距，產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；教幱谠缙陔A段。

技術(shù)壁壘：設(shè)計、材料、工藝、加工

減速器、絲杠、軸承等精密產(chǎn)品和零部件的技術(shù)壁壘都體現(xiàn)在設(shè)計、材料、工藝和 加工精度上。最終體現(xiàn)在產(chǎn)品性能上表現(xiàn)為產(chǎn)品的精度保持度、壽命、故障率等。國產(chǎn)減速器同海外產(chǎn)品性能的差距體現(xiàn)在壽命和精度保持性上。在效率、減速比、 傳動精度、扭矩剛度等關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)上，國產(chǎn)減速器已經(jīng)基本達到了國際領(lǐng)先的產(chǎn) 品水平，但是在疲勞壽命、故障率、批量產(chǎn)品的穩(wěn)定性等方面有差距。根據(jù)官網(wǎng)數(shù) 據(jù)，納博特斯克銷量最高的 RV-C 和 RV-E 系列都具有更高的額定輸出轉(zhuǎn)矩和減速 比，壽命可以達到 6000 小時以上。與國外產(chǎn)品相比，國產(chǎn)減速器長時間使用后仍 有出現(xiàn)的磨損、漏油、精度下降的情況；國產(chǎn)諧波減速器在高速場景下容易出現(xiàn)斷 裂的現(xiàn)象，產(chǎn)品穩(wěn)定性和使用壽命上仍需提升。

減速器性能不僅與嚙合原理、齒形設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等相關(guān)，還與原材料、加工、熱 處理工藝等因素相關(guān)。在效率、減速比、傳動精度、扭矩剛度等關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)上， 國產(chǎn)減速器已經(jīng)基本達到了國際領(lǐng)先的產(chǎn)品水平，但是在疲勞壽命、故障率、批量 產(chǎn)品的穩(wěn)定性等方面有差距，不僅與嚙合原理、齒形設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等相關(guān)，還與 原材料、加工、熱處理工藝等因素相關(guān)。本章我們將主要以諧波減速器為例，來說 明高精度核心部件的技術(shù)壁壘。

諧波傳動技術(shù)包括：總體結(jié)構(gòu)、柔輪、剛輪、凸輪、柔性軸承、交叉滾子軸承、齒 形、波發(fā)生器、加工制造和試驗方法等 10 個分支。從專利申請數(shù)量來看，總體結(jié) 構(gòu)、波發(fā)生器、柔輪和加工制造是諧波減速器技術(shù)的研發(fā)重點。

1）波發(fā)生器（柔性軸承）：減速機廠家一般是從軸承廠家買來標(biāo)準(zhǔn)的柔性軸承，通 過質(zhì)檢后，再壓到自己設(shè)計加工的凸輪中變成波發(fā)生器。凸輪：雖然采用廠家標(biāo)準(zhǔn) 品對于貨期和價格都會比較好，但是由于采用電機的軸徑、長度、安裝方式的不同， 不少廠家都會對凸輪提出定制要求。進口品牌對減速機大都會進行深度定制，而當(dāng) 前國產(chǎn)品牌的規(guī)模較小，很難進行定制。柔性軸承的核心問題是材料與熱處理問題。既要承受球體的壓力又要承受高速運動的變形。太軟，溝道容易受損，太硬，軸承 容易斷裂。凸輪方面主要是加工問題，其實國產(chǎn)當(dāng)前的加工水平完全可以滿足要求， 但是后期批量之后如何選擇加工工藝以達到最佳性價比。

2）剛輪：主要生產(chǎn)過程包含下料——熱處理——外形加工——齒加工等。打樣一 般會采用 40Cr 棒料加工，量產(chǎn)階段采用球墨鑄鐵，進口為主，主流廠商進行包爐，。批量生產(chǎn)普遍采用滾齒，成型之后，對齒會進行加強處理，主要采用噴砂或者滲氮 工藝，目的是加硬跟耐磨。

3）柔輪：常用的材料是 40CrNiMoA，也有不同的微量添加。廠家一般是采用棒料 下料后經(jīng)過鍛造后再加工，相比剛輪，柔輪的加工最大的難點有三：一是柔輪精加 工時的壁很薄，要防止變形和抖動，需要有專門的治具把內(nèi)壁撐起來；第二是要決 定控制竄刀量保證柔性軸承壓入后剛好把齒撐起來；第三是齒的修型問題。天下齒 型出 HD，只有極個別廠家有能力設(shè)計新的齒型。

4）交叉滾子軸承：諧波減速器專用十字交叉軸承具有很高的剛度、旋轉(zhuǎn)精度以及復(fù) 合承載能力，外形緊湊。精密軸承是制造業(yè)關(guān)鍵零部件，機器人配套軸承是軸承應(yīng) 用的一個細分市場。機器人用精密軸承包括：諧波減速器專用十字交叉軸承、柔性 軸承、RV 減速器軸承、交叉滾子軸承、等截面薄壁軸承等。

5）油封及潤滑：是非常成熟的零部件，但大廠常會對油封做定制以提升性能。諧波 的潤滑分成油潤滑和脂潤滑兩種方式，油潤滑，流動性好，潤滑就好，熱傳導(dǎo)也好， 可以提升轉(zhuǎn)速，但對于密封的要求非常高，目前只有 HD 有采用油潤滑，因此只有 HD 可以做高速諧波。除了 HD 外，其他廠家普遍采用脂潤滑。

設(shè)計：齒形設(shè)計和傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵

諧波：綠的、來福的齒形設(shè)計和傳動結(jié)構(gòu)避開了哈默納科的專利。諧波龍頭哈默納 科先發(fā)制人，在齒形設(shè)計和傳動結(jié)構(gòu)方面申請了專利，國產(chǎn)減速器廠商綠的諧波的 P 齒形、來福諧波的δ齒形率先打破壟斷，基本滿足諧波減速器的性能需求，但新進 入廠商很難在避開專利限制的情況下設(shè)計優(yōu)良性能的齒形。RV：擺線齒輪修形理論不完善。國內(nèi)企業(yè)對于擺線齒輪修形原理大多基于經(jīng)驗數(shù)據(jù)， 沒有足夠的完整的理論基礎(chǔ)，導(dǎo)致齒型修形要不斷的嘗試改進，增加研發(fā)時間，且 改進效果并不明顯；RV 減速器構(gòu)成復(fù)雜，零部件在設(shè)計上的配合和細節(jié)參數(shù)的優(yōu)化 都是影響減速器精度的重要因素。

材料及零部件：長期依賴進口

諧波減速器：柔輪材料長期依賴進口。國內(nèi)外的諧波減速器柔輪材料基本為 40Cr 合 金鋼，其中 40CrMoNiA 與 40CrA 最為常用，晶粒和鐵氧體相的不合理會導(dǎo)致局部 微裂紋和尺寸精度的變化，對材料的純度要求高。相同的原材料，由于國外提純技 術(shù)較高、雜質(zhì)少，因此國產(chǎn)諧波減速器的材料長期依賴進口。

RV 減速器：國產(chǎn)軸承在精度上仍有較大的差距。RV 減速器的原材料包括齒輪鋼 （20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5 等）、軸承合金等。國內(nèi)齒輪鋼的生產(chǎn)水平已達 到國外先進的水平，比起日、德、美生產(chǎn)的齒輪鋼還有一些差距（淬透性寬、純度 低等）。外購零部件：部分廠商在軸承、密封圈、滾針、擋圈等零部件會選擇外購， 軸承是影響產(chǎn)品精度的一大關(guān)鍵因素，而國產(chǎn)的軸承在精度上仍有較大的差距。

工藝：需要經(jīng)驗積累

熱處理工藝是提升減速器疲勞壽命、精度穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。按照目的不同，熱處 理工藝一般分為預(yù)備熱處理和最終熱處理，預(yù)備熱處理用于改善材料的加工性能， 消除內(nèi)應(yīng)力，主要工藝包括退火、正火、時效、調(diào)制等；最終熱處理的目的在于改 善材料的硬度、耐磨性等，提升減速器疲勞壽命、穩(wěn)定性，主要工藝包括淬火、滲 碳淬火和滲氮處理等。諧波：柔輪失效是諧波減速器的主要失效形式之一，限制著諧波減速器的使用壽命：柔輪壁薄，同時需承受波發(fā)生器和外部載荷的雙重作用，良好的熱處理工藝是保證 材料結(jié)構(gòu)組織一致的必要前提。國產(chǎn)廠商在柔輪的熱處理工藝、慢走絲、連續(xù)切割 等加工工藝上存在差距，這也是決定減速器精度和壽命的核心。

RV：設(shè)計更復(fù)雜，其中擺線輪、偏心軸、針齒殼等核心部件的加工均有很大的難度， 核心難點在于各項工藝的密切配合，包括：加工精度、零件對稱性、成組技術(shù)、裝 配精度等。熱處理技術(shù)是國產(chǎn)廠商的一大軟肋，技術(shù)不過關(guān)會導(dǎo)致產(chǎn)品變形、硬度 不夠。工藝的差距帶來的是產(chǎn)品精度、損耗速度和壽命的差距。這也對操作人員的 技術(shù)提出了高要求，需要其能根據(jù)各種條件的變化，及時調(diào)成，保證成品率。

滾珠絲杠的制造工藝主要是兩種：軋制和磨制，其中軋制屬于批量制造，能達到的 精度較低，但生產(chǎn)效率高，設(shè)備門檻高于磨制。我國磨制絲杠發(fā)展比較早，非標(biāo)要 求高，規(guī)格產(chǎn)品也算齊全，從一開始的只能滿足部分非標(biāo)需求發(fā)展到現(xiàn)在基本滿足 所有使用場合，在低噪音，低摩擦，重載低速，高速，還有某些如注塑機的重載專 用絲杠，基本已經(jīng)完全國產(chǎn)化了。而軋制絲杠起步較晚，直到近年才形成整個體系 產(chǎn)業(yè)鏈，并且已經(jīng)實現(xiàn)對低端的中國臺灣品牌替換。并且有部分細分產(chǎn)品如小導(dǎo)程， 特殊材料，機電集成化絲杠已經(jīng)基本形成成體系的產(chǎn)業(yè)鏈。

關(guān)鍵設(shè)備依賴進口：熱處理、磨齒機、三坐標(biāo)等檢測設(shè)備

磨齒機、高精度三坐標(biāo)檢測設(shè)備、齒輪檢測設(shè)備是提升減速器齒輪精度的關(guān)鍵設(shè)備。諧波減速器加工過程需要用到齒輪加工機床、三坐標(biāo)測量機、加工中心、磨床、車 床、熱處理設(shè)備等。RV 減速器加工設(shè)備包括齒輪加工機床、加工中心、車床、磨床、 硬拉床、三坐標(biāo)測量機、熱處理設(shè)備等，實際工況中 RV 減速器需要反復(fù)精確定位， 對加工設(shè)備精度要求高，否則會造成產(chǎn)品的磨損。a. 加工設(shè)備：核心零部件（例如偏心軸、擺線輪、針齒殼、行星架等）的末道精加 工設(shè)備依賴進口， 對核心關(guān)鍵設(shè)備僅限于使用層面，在面對工藝上有新的需求或需 要不斷優(yōu)化的時候，國產(chǎn)廠商就無法快速反應(yīng)。b.專用工裝：設(shè)備供應(yīng)商一般不會提供一整套高精度的工裝設(shè)備，因此自主設(shè)計制 作的工裝是加工出高精度零部件又一關(guān)鍵因素；c. 檢測設(shè)備：高精度三坐標(biāo)檢測設(shè)備和齒輪檢測設(shè)備，及相關(guān)的材料檢測設(shè)備，確 保齒確保齒輪質(zhì)量和尺寸控制準(zhǔn)確無誤，是高精度 RV 減速器的關(guān)鍵。

熱處理設(shè)備

國內(nèi)中高端熱處理設(shè)備依賴進口。減速器熱處理產(chǎn)線通常為定制化，部分企業(yè)委外 加工，國內(nèi)熱處理行業(yè)發(fā)展水平較低，中高檔熱處理設(shè)備長期依賴進口，2017-2021年中國熱處理設(shè)備制造行業(yè)進口額在 2000 萬美元左右波動，2019-2021 年中國熱 處理設(shè)備制造行業(yè)進口金額逐年上升，2021 年實現(xiàn)進口金額 23391.03 萬美元，同 比上升 16.10%。2017~2021 年進口數(shù)量年增長率始終保持在 80%以上，21 年達 到 51404 臺，同比增長 83.36%。

國產(chǎn)熱處理設(shè)備在設(shè)備穩(wěn)定性、信息化程度、產(chǎn)線集成能力等方面還存在差距，部 分廠家部分設(shè)備技術(shù)水平已經(jīng)接近國外中高端產(chǎn)品水平。海外領(lǐng)先的熱處理設(shè)備及 服務(wù)公司包括：愛協(xié)林、應(yīng)達、易普森、易孚迪、日本高周波、德國 ALD 等。國內(nèi) 感應(yīng)熱處理裝備制造商綜合實力較強的公司為：上海恒精機電設(shè)備有限公司，天津 天豐淬火設(shè)備有限公司，洛陽升華感應(yīng)加熱股份有限公司，十堰恒進科技有限公司， 十堰天舒機電科技有限公司。其中，上海恒精機電設(shè)備有限公司，洛陽升華股份有 限公司，十堰恒進科技有限公司的一些設(shè)備技術(shù)水平已經(jīng)接近國外中高端產(chǎn)品水平， 逐漸替代進口產(chǎn)品。

高精度磨床

高精度磨床長期依賴進口，秦川機床、重慶機床、南二齒是磨齒機國產(chǎn)替代龍頭。按照齒輪加工工藝分，齒輪機床可分為滾齒機、插齒機、銑齒機、剃齒機、珩齒機、 磨齒機等系列，齒輪加工工序復(fù)雜，不同工序?qū)纫蟛煌?。一般來說，決定減 速器齒輪精度的工序為熱處理后的精加工階段，以磨齒機為主（未經(jīng)過磨齒的齒輪 最高只能達到 6 級精度，而磨齒機加工過的齒輪最高可達 2 級精度），設(shè)備長期依 賴進口，如萊斯豪爾、格里森、卡帕耐爾斯、日本電產(chǎn)等。秦川機床是國內(nèi)磨齒機 龍頭，有望實現(xiàn)高端設(shè)備的國產(chǎn)替代，其 YKS7225 雙工位高效磨齒機精度可達國標(biāo) GB/T10095-2008 的 4 級；重慶機床、南二齒也具備磨齒機生產(chǎn)能力，其中重慶機 床 YS7232/YS7232G 高精密數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機批量加工精度可達 4-5 級。

高精度三坐標(biāo)、高精度齒輪檢測設(shè)備

高精度三坐標(biāo)國內(nèi)與國外產(chǎn)品的差距主要體現(xiàn)在三個方面：1）從精度等級上看，進 口精密計量型測量機能達到 0.5 微米以內(nèi)的檢測精度，而國產(chǎn)設(shè)備最高僅能達到 0.8 微米，且測量行程低于進口機型。2）進口機型從結(jié)構(gòu)設(shè)計到材料呈現(xiàn)多方向發(fā)展?fàn)?態(tài)，而國內(nèi)多家廠商的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)和材料上幾乎完全相同，缺少創(chuàng)新能力；3）進口 機型的控制系統(tǒng)、測頭及測量軟件等一般都具有自主知識產(chǎn)權(quán)，掌握全部或大部分 核心技術(shù)；而大多數(shù)國產(chǎn)機型除機械本體外，關(guān)鍵組成部分采用國外品牌，自主研 發(fā)能力較弱，缺少核心技術(shù)。國際比較著名的測量機生產(chǎn)廠家主要有瑞典海克斯康、 德國蔡司、德國溫澤以及日本三豐等，其中計量型測量機市場主要被蔡司、?？怂?康壟斷。我國三坐標(biāo)測量機的主要生產(chǎn)廠商有 303 所、西安愛德華、青島雷頓、集 萃華科等。

產(chǎn)品 SKU 豐富度與客戶粘性

國內(nèi)減速器廠商在產(chǎn)品矩陣的豐富度（SKU）上不及海外廠商，需要時間和技術(shù)積 累。哈默納科、納博均已成立超過半個世紀(jì)，在減速器品類上有深厚積累，其中哈 默納科諧波減速器產(chǎn)品覆蓋 15 個系列共 49 款諧波減速器，包括空心軸減速機、微 型減速機等眾多樣式；相比之下，綠的諧波產(chǎn)品包括 6 個系列共 19 款產(chǎn)品。納博 特斯克產(chǎn)品覆蓋 3 個系列共 25 款 RV 加速器，雙環(huán)傳動旗下包括 2 個系列共 12 款 RV 減速器。無論是 RV 還是諧波，國產(chǎn)廠商在品類豐富度上均有所差距，且并非能 短期彌補，需要技術(shù)、專利、時間的積累。