本文來自微信公眾號(hào)：國君產(chǎn)業(yè)研究（ID：industryRCofG），作者：肖群稀、鮑雁辛，原文標(biāo)題：《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)深度之三：機(jī)器人的關(guān)節(jié)——精密執(zhí)行器》，題圖來自：《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》

一、產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂?/p>

圖1：機(jī)器人執(zhí)行器產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂?/p>

數(shù)據(jù)來源：國泰君安證券研究

二、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵硬件：執(zhí)行器

1. 執(zhí)行器：機(jī)器人的關(guān)節(jié)

機(jī)器人通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、和傳感系統(tǒng)四部分組成。機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由一系列連桿、關(guān)節(jié)或其他形式的運(yùn)動(dòng)副組成。工業(yè)機(jī)器人按臂部的運(yùn)動(dòng)形式分為四種：直角坐標(biāo)型的臂部可沿三個(gè)直角坐標(biāo)移動(dòng)；圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動(dòng)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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。這些運(yùn)動(dòng)都需要執(zhí)行器來完成。

執(zhí)行器可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)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(huì)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(gè)典型例子是電動(dòng)機(jī)，它是一種將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成其軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器，當(dāng)電流施加到基本電機(jī)時(shí)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)。將電機(jī)直接連接到負(fù)載上，創(chuàng)建了一個(gè)直接驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，許多旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器與用作機(jī)械杠桿的機(jī)構(gòu)相結(jié)合(優(yōu)點(diǎn))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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成來回運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，該機(jī)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(dòng)物體，通常是來回移動(dòng)。這些機(jī)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成精確的直線運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)的速度，它們也可以與將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為線性運(yùn)動(dòng)的機(jī)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(jī)器人關(guān)節(jié)，主要用于20公斤到幾百公斤負(fù)載的機(jī)器人，一二三軸都是用RV。RV長時(shí)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(qiáng)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(fù)載的轉(zhuǎn)矩小，通常用于20公斤以下的機(jī)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(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)副零件。根據(jù)摩擦特性可分為滑動(dòng)絲杠、滾動(dòng)絲杠及靜壓絲杠，其中滾動(dòng)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(dòng)機(jī)械中應(yīng)用最為普遍、精度最高的傳動(dòng)裝置。具有摩擦阻力小、傳動(dòng)效率高、定位精度高、剛性高、微進(jìn)給、高速進(jìn)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(fù)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)完全靠機(jī)械接觸產(chǎn)生滑動(dòng)，是滑動(dòng)摩擦，所以梯形絲杠也叫滑動(dòng)絲杠。滾珠絲杠是滾動(dòng)摩擦，梯形絲杠是滑動(dòng)摩擦，滾動(dòng)摩擦的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于滑動(dòng)摩擦系數(shù)，大多數(shù)滾珠絲杠的傳動(dòng)效率高達(dá)90%，有的達(dá)到95%以上，大多數(shù)梯形絲杠的傳動(dòng)效率低于70%。

2. 執(zhí)行器決定機(jī)器人的負(fù)荷和工作精度

機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)反映了機(jī)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(fù)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(dòng)方式、安裝方式、動(dòng)力源容量、本體質(zhì)量、環(huán)境參數(shù)等。

1）自由度：工業(yè)機(jī)器人的自由度是根據(jù)其用途設(shè)計(jì)的。機(jī)器人的自由度反映機(jī)器人動(dòng)作的靈活性，自由度越多，機(jī)器人就越能接近人手的動(dòng)作機(jī)能，通用性越好，可用直線移動(dòng)、擺動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的數(shù)目來表示。自由度越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對機(jī)器人的整體要求越高。工業(yè)機(jī)器人把機(jī)械臂上每一個(gè)關(guān)節(jié)都當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的伺服機(jī)構(gòu)，即每個(gè)軸對應(yīng)一個(gè)伺服器，每個(gè)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(fù)載：也稱有效負(fù)荷，是指正常作業(yè)條件下，工業(yè)機(jī)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(jī)器人負(fù)載范圍較大，一般為0.5～2300kg。當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，提高電機(jī)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(jī)在低頻轉(zhuǎn)速下容易出現(xiàn)發(fā)熱和低頻振動(dòng)，對于長時(shí)間工作的工業(yè)機(jī)器人不利于確保其精確可靠的運(yùn)行。精密減速器使伺服電機(jī)在合適的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，并精確地將轉(zhuǎn)速降到工業(yè)機(jī)器人各部位需要的速度，提高機(jī)械剛性的同時(shí)，輸出更大的力矩。

3）工作精度：重復(fù)定位精度取決于機(jī)器人關(guān)節(jié)減速機(jī)及傳動(dòng)裝置的精度，絕對精度取決于機(jī)器人控制算法、編碼器精度、減速及傳動(dòng)裝置精度等的綜合表現(xiàn)。一般來說，機(jī)器人的重復(fù)精度高于絕對精度。要提高機(jī)器人的絕對精度，需要進(jìn)行高精度標(biāo)定。

標(biāo)定可以分為三級(jí)：一級(jí)未驅(qū)動(dòng)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(hào)與實(shí)際關(guān)節(jié)位移之間的關(guān)系；二級(jí)在一級(jí)基礎(chǔ)上，加入機(jī)器人幾何參數(shù)的標(biāo)定，針對各組成連桿的運(yùn)動(dòng)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(jí)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(jìn)行參數(shù)辨識(shí)和補(bǔ)償之前的重要環(huán)節(jié)，包括關(guān)節(jié)位移測量和機(jī)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(jī)器人位姿限制較大；非接觸式測量中，三坐標(biāo)測量機(jī)只能測量小型機(jī)器人，而激光跟蹤儀對環(huán)境影響較為敏感，同時(shí)操作復(fù)雜，測量時(shí)間長。

4）工作空間：又稱工作范圍、工作行程，是指工業(yè)機(jī)器人作業(yè)時(shí)，手腕參考中心（即手腕旋轉(zhuǎn)中心）所能到達(dá)的空間區(qū)域，不包括手部本身所能達(dá)到的區(qū)域，常用圖形表示，P 點(diǎn)為手腕參考中心。工作空間的形狀和大小反映了機(jī)器人工作能力的大小，它不僅與機(jī)器人各連桿的尺寸有關(guān)，還與機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)有關(guān)，工業(yè)機(jī)器人在作業(yè)時(shí)可能會(huì)因存在手部不能到達(dá)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(shí)反映機(jī)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(shí)，可以達(dá)到的區(qū)域。

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

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

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

特斯拉Optimus旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器方案猜測：永磁無刷電機(jī)+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(diǎn)：小體積，大速比，可達(dá)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(jī)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(jī)+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(dòng)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(jī)，提供更大的推動(dòng)力。

2）具備自鎖能力。線性執(zhí)行器的螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過合理設(shè)計(jì)可以具備自鎖能力，即下半身不動(dòng)時(shí)可以自動(dòng)鎖定姿態(tài)，不耗能，形成一個(gè)低功耗且穩(wěn)定的底部支架。

3）低能耗，高負(fù)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(gè)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(xì)的腕關(guān)節(jié)有兩個(gè)好處：一是在抓握時(shí)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(shí)現(xiàn)大推力，電機(jī)的功率和體積可以小一些。電機(jī)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(dá)8000N，推力密度高。

三、人形機(jī)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(jī)器人中成本構(gòu)成占比35%，價(jià)值量最高，預(yù)計(jì)在人形機(jī)器人中價(jià)值量依然會(huì)占到較高比重。工業(yè)機(jī)器人的控制過程是：控制器發(fā)指令給伺服驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過減速機(jī)執(zhí)行動(dòng)作，在工業(yè)機(jī)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(jī)+伺服驅(qū)動(dòng)器）、控制器，分別占比25%、10%。

1. 人形機(jī)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(tái)增長至101萬臺(tái)，復(fù)合增速19.8%，工業(yè)機(jī)器人用精密減速器銷量從41萬臺(tái)增長至84萬臺(tái)，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(jià)下行有關(guān)。

人形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(jī)器人不同年銷售規(guī)模，對諧波減速器的需求彈性進(jìn)行敏感性分析。核心假設(shè)：

1）本次測算假設(shè)人形機(jī)器人年銷量在10~100萬臺(tái)之間；

2）單臺(tái)人形機(jī)器人配置諧波減速器14個(gè)，見圖14推測；

3）馬斯克在特斯拉的開放日上提出，特斯拉人形機(jī)器人最終售價(jià)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(shí)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(rèn)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)模化是技術(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(jī)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(jìn)行敏感性分析。預(yù)計(jì)RV減速器未來的主要應(yīng)用場景還是在工業(yè)機(jī)器人上。

2. 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(dòng)最初用于美國航天運(yùn)動(dòng)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(kuò)張，哈默納科壟斷了全球諧波減速機(jī)市場份額，產(chǎn)品矩陣愈加豐富，包括精密減速機(jī)（諧波減速器、減速器組件和行星減速器）和機(jī)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(jī)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(dòng)化對工業(yè)機(jī)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(jià)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(jià)諧波，2021年均價(jià)2000元左右，哈默那科諧波進(jìn)口單價(jià)多在8000元及以上，國內(nèi)企業(yè)以一定的價(jià)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(tái)，遠(yuǎn)超過哈莫納科的3.5萬臺(tái)。

3. 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(jī)和納博克株式會(huì)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(jī)將 RV 減速器應(yīng)用于機(jī)器人行業(yè)，解決了工業(yè)機(jī)器人存在容易受沖擊損壞、手臂振動(dòng)等問題；1986 年開始被大規(guī)模化應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人，趕上日本“機(jī)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)模靠前的企業(yè)有中大力德、秦川機(jī)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(tái)RV減速器，雙環(huán)傳動(dòng)、中大力德分別于2013 年前后開始研發(fā)工業(yè)機(jī)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(dòng)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)模靠前的企業(yè)有中大力德、秦川機(jī)床、南通振康、珠海飛馬、智同科技等。

4. 機(jī)器人用軸承供給格局：主要依靠進(jìn)口

工業(yè)機(jī)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(jī)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(dòng)體等設(shè)計(jì)原則。

國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人配套軸承大部分依靠進(jìn)口，國內(nèi)少數(shù)廠家雖然生產(chǎn)制造工業(yè)機(jī)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(jī)器人配套軸承研發(fā)的主要廠商有：人本軸承、國機(jī)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。

四、線性執(zhí)行器：需求彈性及供給能力分析

1. 人形機(jī)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(jī)器人產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計(jì)行業(yè)將保持低速穩(wěn)定成長，預(yù)計(jì)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(fèi)市場，占有58%的市場份額，其次是歐洲。

我們假設(shè)人形機(jī)器人不同年銷售規(guī)模，對滾珠絲杠、滾柱絲杠、滑動(dòng)絲杠的需求彈性進(jìn)行敏感性分析。核心假設(shè)：

1）本次測算假設(shè)人形機(jī)器人年銷量在10~100萬臺(tái)之間；

2）單臺(tái)人形機(jī)器人配置諧波減速器14個(gè)，見圖14推測；

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(gè)滑動(dòng)+8個(gè)行星滾柱絲杠；方案二：14個(gè)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(jī)器人最終售價(jià)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(shí)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(rèn)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。

2. 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，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(jì)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(shí)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(xì)分高端市場，國產(chǎn)滾珠絲杠副開始在機(jī)床企業(yè)批量使用，如秦川機(jī)床，海邁克精密。貝斯特和恒力液壓也在布局相關(guān)產(chǎn)品。

3. 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(jī)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(jī)構(gòu)的傳動(dòng)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(jī)床、工程機(jī)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(yàn)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)模化水平處于早期階段。

五、技術(shù)壁壘：設(shè)計(jì)、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(jì)、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(dòng)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(dá)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(dá)到6000小時(shí)以上。與國外產(chǎn)品相比，國產(chǎn)減速器長時(shí)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(jì)、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(dòng)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(dá)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(jì)、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(dòng)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(yàn)方法等10個(gè)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(diǎn)。

1）波發(fā)生器（柔性軸承）：減速機(jī)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(jì)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(jià)格都會(huì)比較好，但是由于采用電機(jī)的軸徑、長度、安裝方式的不同，不少廠家都會(huì)對凸輪提出定制要求。進(jìn)口品牌對減速機(jī)大都會(huì)進(jìn)行深度定制，而當(dāng)前國產(chǎn)品牌的規(guī)模較小，很難進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(dá)到最佳性價(jià)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(huì)采用40Cr棒料加工，量產(chǎn)階段采用球墨鑄鐵，進(jìn)口為主，主流廠商進(jìn)行包爐。批量生產(chǎn)普遍采用滾齒，成型之后，對齒會(huì)進(jìn)行加強(qiáng)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(diǎn)有三：一是柔輪精加工時(shí)的壁很薄，要防止變形和抖動(dòng)，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(gè)別廠家有能力設(shè)計(jì)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(jī)器人配套軸承是軸承應(yīng)用的一個(gè)細(xì)分市場。機(jī)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(huì)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(dòng)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。 

1. 設(shè)計(jì)：齒形設(shè)計(jì)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵

諧波：綠的、來福的齒形設(shè)計(jì)和傳動(dòng)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(jì)和傳動(dòng)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(jìn)入廠商很難在避開專利限制的情況下設(shè)計(jì)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(yàn)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(jìn)，增加研發(fā)時(shí)間，且改進(jìn)效果并不明顯；RV減速器構(gòu)成復(fù)雜，零部件在設(shè)計(jì)上的配合和細(xì)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化都是影響減速器精度的重要因素。

2. 材料及零部件：長期依賴進(jìn)口

諧波減速器：柔輪材料長期依賴進(jìn)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(huì)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(jìn)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(dá)到國外先進(jìn)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(huì)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。

3. 工藝：需要經(jīng)驗(yàn)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(shí)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(shí)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(jì)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(diǎn)在于各項(xiàng)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(huì)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(shí)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(dá)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(jī)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(gè)體系產(chǎn)業(yè)鏈，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對低端的中國臺(tái)灣品牌替換。并且有部分細(xì)分產(chǎn)品如小導(dǎo)程，特殊材料，機(jī)電集成化絲杠已經(jīng)基本形成成體系的產(chǎn)業(yè)鏈。

4. 關(guān)鍵設(shè)備依賴進(jìn)口：熱處理、磨齒機(jī)、三坐標(biāo)等檢測設(shè)備

磨齒機(jī)、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(jī)床、三坐標(biāo)測量機(jī)、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(jī)床、加工中心、車床、磨床、硬拉床、三坐標(biāo)測量機(jī)、熱處理設(shè)備等，實(shí)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(huì)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(jìn)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(shí)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(huì)提供一整套高精度的工裝設(shè)備，因此自主設(shè)計(jì)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。

4.1 熱處理設(shè)備

國內(nèi)中高端熱處理設(shè)備依賴進(jìn)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(jìn)口，2017-2021年中國熱處理設(shè)備制造行業(yè)進(jìn)口額在2000萬美元左右波動(dòng)，2019-2021年中國熱處理設(shè)備制造行業(yè)進(jìn)口金額逐年上升，2021年實(shí)現(xiàn)進(jìn)口金額23391.03萬美元，同比上升16.10%。2017~2021年進(jìn)口數(shù)量年增長率始終保持在80%以上，21年達(dá)到51404臺(tái)，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)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(dá)、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(shí)力較強(qiáng)的公司為：上海恒精機(jī)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(jìn)科技有限公司，十堰天舒機(jī)電科技有限公司。其中，上海恒精機(jī)電設(shè)備有限公司，洛陽升華股份有限公司，十堰恒進(jìn)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(jìn)口產(chǎn)品。

4.2 高精度磨床

高精度磨床長期依賴進(jìn)口，秦川機(jī)床、重慶機(jī)床、南二齒是磨齒機(jī)國產(chǎn)替代龍頭。按照齒輪加工工藝分，齒輪機(jī)床可分為滾齒機(jī)、插齒機(jī)、銑齒機(jī)、剃齒機(jī)、珩齒機(jī)、磨齒機(jī)等系列，齒輪加工工序復(fù)雜，不同工序?qū)纫蟛煌Ｒ话銇碚f，決定減速器齒輪精度的工序?yàn)闊崽幚砗蟮木庸るA段，以磨齒機(jī)為主（未經(jīng)過磨齒的齒輪最高只能達(dá)到6級(jí)精度，而磨齒機(jī)加工過的齒輪最高可達(dá)2級(jí)精度），設(shè)備長期依賴進(jìn)口，如萊斯豪爾、格里森、卡帕耐爾斯、日本電產(chǎn)等。秦川機(jī)床是國內(nèi)磨齒機(jī)龍頭，有望實(shí)現(xiàn)高端設(shè)備的國產(chǎn)替代，其YKS7225雙工位高效磨齒機(jī)精度可達(dá)國標(biāo)GB/T10095-2008的4級(jí)；重慶機(jī)床、南二齒也具備磨齒機(jī)生產(chǎn)能力，其中重慶機(jī)床YS7232/YS7232G高精密數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機(jī)批量加工精度可達(dá)4-5級(jí)。

4.3 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(gè)方面：

1）從精度等級(jí)上看，進(jìn)口精密計(jì)量型測量機(jī)能達(dá)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(dá)到0.8微米，且測量行程低于進(jìn)口機(jī)型。

2）進(jìn)口機(jī)型從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到材料呈現(xiàn)多方向發(fā)展?fàn)顟B(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(jìn)口機(jī)型的控制系統(tǒng)、測頭及測量軟件等一般都具有自主知識(shí)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(jī)型除機(jī)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(jī)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(jì)量型測量機(jī)市場主要被蔡司、海克斯康壟斷。我國三坐標(biāo)測量機(jī)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。

齒輪檢測操作，作為精密齒輪制造服務(wù)的一部分，確保了制造的每個(gè)齒輪的齒輪質(zhì)量和尺寸控制準(zhǔn)確無誤，一個(gè)齒輪測量服務(wù)中心需要裝備的各種各樣的齒輪檢測儀器，圖55是一個(gè)典型的齒輪測量服務(wù)中心的儀器儀表裝備，多達(dá)30種。

5. 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(shí)間和技術(shù)積累。哈默納科、納博均已成立超過半個(gè)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(gè)系列共49款諧波減速器，包括空心軸減速機(jī)、微型減速機(jī)等眾多樣式；相比之下，綠的諧波產(chǎn)品包括6個(gè)系列共19款產(chǎn)品。納博特斯克產(chǎn)品覆蓋3個(gè)系列共25款RV加速器，雙環(huán)傳動(dòng)旗下包括2個(gè)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(bǔ)，需要技術(shù)、專利、時(shí)間的積累。

人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，給機(jī)器人執(zhí)行器創(chuàng)造了發(fā)展的機(jī)遇，產(chǎn)業(yè)鏈：

1）諧波減速器國產(chǎn)化進(jìn)程提速，份額靠前的企業(yè)有：綠的諧波、同川智能（漢宇集團(tuán)）、大族傳動(dòng)、中大力德、國茂精密（國茂股份）；

2）RV減速器國內(nèi)規(guī)模靠前的企業(yè)有：中大力德、秦川機(jī)床、南通振康、珠海飛馬、智同科技；

3）機(jī)器人用軸承：人本集團(tuán)、五洲新春、國機(jī)精工、南京精工；

4）滾珠絲杠中低端完成進(jìn)口替代，機(jī)器人高端市場上有：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；

5）行星滾柱絲杠處于起步階段，博特精工、思科瑞、南京工藝備小批量生產(chǎn)能力。

6. 風(fēng)險(xiǎn)提示

1）經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇低于預(yù)期；2）技術(shù)、方案成熟速度低于預(yù)期；3）產(chǎn)業(yè)鏈成本下降速度低于預(yù)期；4）出現(xiàn)相似技術(shù)。

本文來自微信公眾號(hào)：國君產(chǎn)業(yè)研究（ID：industryRCofG），作者：肖群稀、鮑雁辛