通用机械行业 机械传动高精控制百宝箱

证券研究报告证券研究报告通用机械机械传动：高精控制百宝箱2023年9月29日│中国内地 专题研究机械传动为机械设备三大传动方式之一，高控制精度为核心优势机械传动为机械设备三大传动方式之一，传动机构类型繁多，高精密传动零部件仍待国产化，人形机器人等新产业有望带来弯道超车机遇。本报告系统阐述了机械传动特点、传动机构基本原理、典型机械传动装置及应用、机械传动导向及支承零部件概况、机械传动自主研发关键因素，全面覆盖机械传动原理、市场、应用分析。机械传动特性：高精确转矩、转速变换器机械传动即用各种形式机构传递运动和动力，主要用于转变原动机输出的动力及运动形式以满足工作机需求。相较于液压、电气传动，机械传动主要优点包括：传动比准确、实现回转运动的结构简单、能传递较大的扭矩、传动效率高；但机械传动存在功率质量比低、响应速度较慢、无级变速机构复杂等缺点，故主要适用于速度不高的有级变速传动。机械传动可转要实现机构包括带传动、凸轮机构、螺旋机构。典型机械传动装置：旋转运动看减速器，直线运动看丝杠减速器为以齿轮为主要传动机构的传动装置，用于实现“回转→回转”运动形式；减速器应用领域广泛，起重运输、水泥建材、矿山冶金、电力、机器人等领域均有应用，其中，减速器在机器人BOM表中占比相对较高，工业机器人渗透率加速提升、人形机器人产业化稳步推进，机器人应用已成为减速器需求增长核心驱动力，典型机器人用减速器包括谐波、RV及行星减速器。丝杠即丝杠螺母副，属螺旋传动，精密机械中主要应用滚动螺旋，滚动螺旋机构中，滚珠丝杠应用最广，行星滚柱丝杠市场规模较小，但属于人形机器人线性关节主要解决方案，市场空间有望打开。高精机械传动自主研发：材料、设备、工艺、验证缺一不可综合各类精密机械传动零部件技术壁垒及海外龙头发展历程，我们认为机械传动自主研发主要影响因素有三：1）材料：材料为高精度机械传动机构制备基础；我国材料已实现国产化，但冶金质量稳定性、材料纯净度、材料均匀性等仍与海外存在差距。2）设备及工艺：设备性能与工艺积累决定零部件加工精度；我国机床产业大而不强，机床数控化率、平均加工精度仍有待提升。3）应用-反馈-迭代：为打造闭环的最终环节，9月工信部等7部门印发《机械行业稳增长工作方案（2023—2024年）》，鼓励“整零”协作，机械传动零部件为政策支持核心，应用验证进程有望稳步推进。风险提示：自主研发不及预期，人形机器人产业化进程不及预期，政策推进不及预期，研发风险。

行业走势图 通用机械 沪深300(%)18115(2)(9)Sep-22 Jan-23 May-23 Sep-23资料来源：，正文目录机械传动：高精确度的转矩、转速变换器 5机械传动为转矩、转速变换器 5机械传动相对优势在于传动比准确 6主要机械传动机构原理 9回转→回转：齿轮传动应用最为广泛，轮系为主要应用形式 9回转→移动：带传动、凸轮机构、螺旋机构较为常用 带传动：主要用于高速级、圆周力较小场合 凸轮机构：主要用于小传力往复移动场合 12螺旋机构：广泛应用于精密仪器仪表 13其他：齿轮齿条——可实现“回转→移动”的齿轮传动机构 13多运动形式变换：连杆机构 14典型机械传动装置：旋转运动看减速器，直线运动看丝杠 16减速器：旋转运动核心传动装置，新型齿轮系空间逐步打开 16谐波减速器：多关节机器人手腕驱动主要减速器 18RV减速器：多关节机器人机身驱动主要减速器 21行星减速器：多用于直角坐标机器人 23丝杠：直线运动核心传动装置，滚动螺旋精密机械最为常用 26滚珠丝杠：工具机械与精密机械中应用最广泛的机械传动 27行星滚柱丝杠：性能更佳的螺旋传动机构，人形机器人打开市场空间 31静压丝杠：多用于重载大型机械传动，技术壁垒较高 34导向及支承机构：配合机械传动机构传递运动及动力 36导轨：支承与引导运动部件沿确定轨迹运动 36轴：支承旋转零件，传递力与力矩 39轴承：支承旋转轴及其他运动体，引导运动并承受轴上载荷 41高精机械传动国产替代：材料、设备、工艺、验证缺一不可 47材料：国产材料筑基不牢 47设备与工艺：淘金离不开卖铲人 49应用场景验证与积累：打造闭环的决定性环节 50风险提示 51图表目录图表1：机械传动系统的一般组成 5图表2：各类传动机构可实现的运动、动力转换功能各异 5图表3：机械传动与电气传动、流体传动对比 6图表4：机械传动可按照传动原理分为摩擦传动、啮合传动、推压传动三类 6图表5：牛头刨床机械传动系统包括带传动机构、齿轮机构、连杆机构、螺旋机构 7图表6：各主要传动机构应用场景各异 8图表7：齿轮传动分类 9图表8：齿轮传动主要特点及适用范围 10图表9：轮系可分为定轴轮系、周转轮系、组合轮系三大类 图表10：带传动可分为摩擦型、啮合型两类 图表带传动示意图 12图表12：链传动示意图 12图表13：凸轮机构按照凸轮形状可分为盘型凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮 12图表14：螺旋传动可分为普通、滚动、静压螺旋传动三类 13图表15：齿轮齿条由圆形齿轮与直线型齿条相互啮合 13图表16：“回转→移动”传动机构各有优缺点 14图表17：平面铰链四杆机构包括曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构三种形式 15图表18：常用减速器型式及特点和应用 16图表19：单级圆柱齿轮减速器结构 17图表20：摆线针轮行星减速器结构 17图表21：减速器下游应用领域繁多（2019） 17图表22：工业机器人每个回转运动关节均需应用减速器 17图表23：工业机器人BOM表中减速器成本占比超过30% 17图表24：多关节机器人应用最为广泛 18图表25：谐波与减速器在全球机器人用减速器中的销量占比较高 18图表26：行星、、谐波减速器应用场景各异 18图表27：谐波减速器主要由刚轮、柔轮、谐波发生器三大基本部分组成 19图表28：国内龙头绿的谐波国内市占率已达23%（2022） 20图表29：2022年国内谐波减速器市场规模约21亿元 20图表30：特斯拉擎天柱机器人旋转关节采用谐波减速器 20图表31：国内企业谐波减速器营收规模及产能仍待提升 21图表32：减速器包括针轮层、齿轮层、芯轴层 22图表33：纳博特斯克占据国内减速器超50%的市场(2022) 23图表34：2021年国内减速器市场规模约43亿元 23图表35：国内企业减速器国产化进程仍待推进 23图表36：行星传动机构可按齿轮啮合方式与基本构件组成进行分类 24图表37：NGW型行星传动机构与行星减速器整体结构 24图表38：2022年我国行星减速器市场规模全球占比约42% 25图表39：海外龙头仍居全球行星减速器优势地位（2022） 25图表40：国内行星减速器公司市占率逼近海外龙头（2022） 25图表41：国内行星减速器公司已形成一定规模 26图表42：滑动、滚珠、滚柱、静压丝杠性能及应用对比 27图表43：滚珠丝杠由螺杆、螺母、滚珠等组成 27图表44：滚珠丝杠按滚珠循环方式可分位内循环结构、外循环结构 28图表45：JIS标准与国内标准精度等级对比 28图表46：机床与工业机器人对滚珠丝杠副精度等级要求相对高（按国内标准） 29图表47：我国滚珠丝杠下游主要应用于机床（2020） 29图表48：全球滚珠丝杠下游主要应用于工业生产领域（2022） 29图表49：滚珠丝杠在卧式车床中的应用 29图表50：滚珠丝杠在前驱SCARA中的应用 29图表51：滚珠丝杠在机床中的价值量占比约3% 30图表52：滚珠丝杠在工业机器人中的价值量占比约30图表53：我国滚珠丝杠市场规模超300亿元，全球占比约20% 30图表54：经济型滚珠丝杠采用比例＞40%的企业约52%采用国产 31图表55：中高档型滚珠丝杠采用比例＞40%的企业约48%采用国产 31图表56：国内汉江机床滚珠丝杠市占率居前，但营收规模远小于海外龙头 31图表57：行星滚柱丝杠滚动体为滚柱 32图表58：行星滚柱丝杠可分为标准式、反向式、循环式、差动式和轴承环式五种形式 32图表59：特斯拉擎天柱机器人线性关节采用行星滚柱丝杠 33图表60：国内市场海外公司滚柱丝杠销售量占比约80%（2021） 34图表61：海外滚柱丝杠企业成立时间早、应用范围广，已建立领先优势 34图表62：静压丝杠实物图 35图表63：静压丝杠剖面图 35图表64：普通滑动导轨综合性能一般，滚动导轨主要用于精密机械中 36图表65：导轨由运动件与承导件组成 37图表66：导轨在机床上的应用图例 37图表67：直线运动滚动导轨可分为三角平开式、闭式、钢丝滚道三类 37图表68：机床、半导体设备直线运动滚动导轨需求多为精密级及以上 38图表69：2020年全球直线导轨CR578% 38图表70：2020我国直线导轨市场收入约占全球26% 38图表71：导轨配套丝杠应用，丝杠企业一般同时具导轨产能 39图表72：轴可分为转轴、传动轴、心轴三类 39图表73：齿轮减速器轴应用图例（直角斜齿行星减速机） 40图表74：优质碳素钢为应用最广泛的轴材料 40图表75：中大力德齿轴毛坯采购成本占比约9% 41图表76：中高端机床、减速器企业轴加速自制 41图表77：轴承需承受径向负荷和轴向负荷 41图表78：滚动轴承与滑动轴承各有优缺，性价比角度滚动轴承应用更为普遍 42图表79：滚动轴承主要由外圈、内圈、滚动体、保持架组成（以深沟球轴承为例） 43图表80：滚动轴承根据工作时所承受的载荷方向可分为向心轴承和推力轴承 43图表81：主要滚动轴承及其特性与应用 44图表82：中国为全球最大轴承市场（2022） 44图表83：中国轴承行业市场营收已突破2000亿元 44图表84：全球轴承市场概览 45图表85：2022年中国轴承企业全球市占率达25% 45图表86：滚动轴承进出口价差仍大 45图表87：国内轴承企业具有较强专业性，规模普遍偏低 46图表88：国产柔轮断口上弥散分布着直径3.0~6.0μm的Al2O3颗粒状夹杂物，影响柔轮抗疲劳性能 47图表89：SKF通过持续收购壮大业务规模，首家收购公司即材料公司HoforsBruk 48图表90：滚珠丝杠螺距精度受机床设备影响较大 49图表91：我国金属切削机床数控化率仍有提升空间 49机械传动：高精确度的转矩、转速变换器机械传动为转矩、转速变换器机械传动即用各种形式机构传递运动和动力，主要用于转变原动机输出的动力及运动形式，以满足工作机需求，多种基本传动机构组合即构成机械传动系统。按零件功能进行拆分，一般的机械传动系统主要由传动类零件、导向支承类零件、连接类零件与箱体四大部分组成：1）传动类零件用于传递运动和动力，如齿轮、带、带轮等；2）导向支承类零件用于导向、支承传动零件，如轴、轴承等；3）连接类零件用于将两个及两个以上零件连接成一个整体，如键、联轴器等；4）箱体用来支承和固定传动零件，为传动零件提供密封的工作空间。机械传动特性包括运动与动力特性。机械传动系统运动特性主要包括转速、传动比、变速范围等，其中，传动比为主动件转速与从动件转速之比，传动比＞1为减速传动，传动比＜1为增速传动，传动系统总传动比为各级传动比的乘积。动力特性主要包括功率、转矩、机械效率、变矩系数等，机械传动系统总效率即为传动机构、轴承、联轴器等组成部分效率的连乘积。图表1：机械传动系统的一般组成资料来源：潘传九《化工设备机械基础》（2018），图表2：各类传动机构可实现的运动、动力转换功能各异形式形式大小速度方向形成形式动力的变换运动的变换传动机构丝杠螺母 ▲ ▲ ▲齿轮齿轮▲▲▲齿轮齿条 ▲ ▲链轮链条 ▲带、带轮 ▲ ▲缆绳、绳轮 ▲ ▲ ▲ ▲ 杠杆机构 ▲ ▲ ▲连杆机构 ▲ ▲ 凸轮机构 ▲ ▲ ▲ ▲摩擦轮 ▲ ▲ ▲万向节 ▲软轴 ▲蜗轮蜗杆 ▲ 间歇机构 ▲资料来源：秦大同等《现代机械设计手册》（2019），机械传动相对优势在于传动比准确传动比精确为机械传动核心优势，主要用于中低速有级变速传动。作为三大传动方式之一，相较于液压传动、电气传动，机械传动主要优点在于：1）传动比准确，适用于定比传动；2）实现回转运动的结构简单，并能传递较大的扭矩；3）故障容易发现，便于维修；4）传动效率高。但机械传动一般情况下不够平稳，制造精度不高时，振动和噪声较大，实现无级变速的机构较复杂，成本高，故机械传动主要用于速度不太高的有级变速传动中。图表3：机械传动与电气传动、流体传动对比气压传动气压传动液压传动流体传动电气传动机械传动传动特性通过机械构件如杠杆、凸轮利用电力设备，通过调节电以有压液体或气体为工作介质，通过动力元件把原动机输出定义 、齿轮、轴、皮带、链条等参数来传递或控制能量和动的机械能转化为液体或气体的压力能，进而借助管道和控制把能量和动力传送给工作机力功率与质量比转矩与转动惯量比小小功率与质量比转矩与转动惯量比小小小小大大中等中等响应速度低中等高低可控性差中等好中等负载刚度中等差大差调速范围小中等大小控制精度高高一般一般优点:传动准确可靠、制造优点:能量传递方便，信号优点：结构简单，成本低，

元件把有压液体或气体输送到执行元件，从而把压力能转换为机械能，驱动负载直线/回转运动容易、操作简单、维护方便传递迅速，标准化程度高，优点：功率-质量比大，速度易于实现无级调速，阻力损失优缺点总结

、传动效率高；

易于实现自动化；

调节容易，操纵省力等；

小等；缺点:不能进行无级调速，

缺点：运动平稳性差，易受缺点：温度影响较大，传动

缺点：空气易压缩，负载对远距离传动较困难，结构复外界负载影响，惯性大，起效率低，传动精度较差； 传动特性的影响较大，工作压典型应用场景

杂； 动及换向慢，成本较高等机械传动中齿轮传动应用最广，用于机器人等智能装备所有工作机械均有应用及各类机械装置中

力低，只适合于小功率传动工程机械、压力机械等大功率应用场景；机床等需无级变速电子工业、包装机械、食品机应用场景；航空工业等对功率械等小功率应用场景与质量比较敏感应用场景资料来源：李壮云《液压元件与系统》（2019），根据原理差异，机械传动可分为摩擦、啮合、推压传动三类。其中，摩擦传动主要包括带传动、绳传动等；啮合传动主要包括齿轮传动、螺杆传动、螺旋传动、链传动、同步带传动等，推压传动主要包括凸轮机构、连杆机构等。此外，机械传动也可按照传动比是否改变划分为固定传动比（摩擦轮机构、带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动、螺旋传动、可调传动比（有级变速传动、无级变速传动、变传动比（连杆机构、非圆齿轮传动、不完全齿轮传动、凸轮机构、槽轮机构、棘轮机构；按照能量流动路线划分为单流传动与多流传动等。图表4：机械传动可按照传动原理分为摩擦传动、啮合传动、推压传动三类机械传动推压传动推压传动啮合传动摩擦传动资料来源：秦大同等《现代机械设计手册》（2019），不同应用场景传动机构需求不同，一般组合应用。机械传动的选择一般考虑7大因素1：执行系统的工况及工作要求与原动机机械特性的匹配程度：若原动机性能完全适合执行系统的工况和工作要求，可采用无滑动的机械传动使两者同步，若执行系统要求输入速度能调节，应选择能调速的传动系统；工作要求传递的功率：如蜗杆传动工作时发热情况较为严重，传递功率不宜过大；摩擦轮传动须有足够的压紧力，不宜用于大功率传动；带传动和链传动若需增大传递功率，则需增大链的排数和带的根数，会引起载荷分布不均；齿轮传动在传递大功率方面优于其他传动，应用最广。工作要求传递的运转速度：若要求较高的运转速度，一般采用高精度直齿圆柱齿轮传V40m/s于高速传动场合。机械传动机构的效率：满足传动比、功率等指标的前提下，一般选用单级传动，缩短传动链，提高传动效率。结构布置与外廓尺寸：传动距离较远，一般采用带传动、链传动。机械运转环境与安全性：如工作环境恶劣，一般选用链传动。考虑经济性。结合各应用场景机械传动机构的选择，凸轮、连杆、齿轮机构较为常用，其中齿轮机构传动精确、强度大、负载高、结构紧凑、摩擦力小、效率高，在生产活动中最为常用。此外，螺旋机构中滚珠丝杠传动摩擦损失小、传动效率高、精度高、可保障高速进给与微进给，在工具机械与精密机械中最为常用。但当前生产环境较为复杂，为实现执行构件的运动形式、运动参数及运动协调关系，机械传动机构一般组合应用。图表5：牛头刨床机械传动系统包括带传动机构、齿轮机构、连杆机构、螺旋机构资料来源：周桂英《机械基础》（2016），1《机械设计（上册：机器与机构分析和设计》图表6：各主要传动机构应用场景各异类型运动形式变换图例功率/kW效率/优点缺点应用平面连杆机构回转、摆动、往复移动→回转、摆动、往复移动大、中、小较高结构简单、制造方便；行程较大；连接处为面接触，磨损较轻，能承受较大载荷一般不宜高速运动常用于重型机械、轻工机械、农业机械及机床、仪表等凸轮 回转→往复移

可实现从动件的任意凸轮制造复杂；高

常用于自动机床的进给机构 动、摆动 小 较低

运动规律

速时冲击较大

机构、印刷机、内燃机、纺织机等棘轮 摆动→间歇回

结构简单，角位移调平稳性差；高速时中、小 较低 噪声大；传递动

常用于间歇转动角度很小或常需调节转角大小机构 转或移动

节方便

不宜过大

的场合，如牛头疱疮工作台的进给机构槽轮 回转→间歇回

结构较简单，工作可间歇运动转角不可

多用于不需经常调节转机构 转 中、小 较高

靠；运动较平稳

调；每次槽轮转角不小于45°

角的转位运动，如自动机床上的转动刀架V带传动 回转→移动 ≤100 94~97机构链传动机

能远距离传动；工作平稳；能吸振缓冲；过载打滑起保护作用；结构简单、成本低可在高温、油、酸等

传动比不准确

常用于机床、运输机、农业机械、纺织机械等，通常置于传动系统的高速级常用于农业、化工、石油、矿山机械以及运输构 回转→移动 ≤100 92~97

恶劣环境下工作；远瞬时传动比有波动距离传动

机械和起重机械等。通常置于传动系统的低速级圆柱齿轮回转→回转(两

≤750(直齿)

95~98(直齿)机构 轴平行)

≤50000(斜齿)

96~99(斜齿)

常用于各类机床、冶金 适用的功率和速度范噪声大，制造精度

矿山机械、起重机械、锥齿轮机回转→回转(构 周垂直相交)

≤500 95~98

围广、寿命长、效率高、传动比准确

要求高

汽车、船舶、轻工机械、化工机械、仪表等蜗杆 回转→回转(两

效率低；因摩擦≤50 70~82 传动比大而尺寸小；大，部分涡轮需用

常用于车床溜板箱、铣机构 周垂直相交)

传动平稳

价格较贵的青铜制造

床分度头、手动辘轳滑动螺旋滑动螺旋机构回转→移动中、小工作平稳；运动精度 常用于机床的进给机构30~60 较高；尺寸紧凑；降效率低、易磨损和机械的调速装置、起速、增力效果好 重升降装置等资料来源：李会文等《机械分析应用基础（第2版）》（2017），主要机械传动机构原理回转→回转：齿轮传动应用最为广泛，轮系为主要应用形式齿轮机构通过一对齿轮的齿面依次啮合来传递空间两任意轴之间的运动和动力。根据两轴线间的相对位置和轮齿齿向，齿轮传动可分为平行轴齿轮传动、相交轴齿轮传动和交错轴齿轮传动三大类。齿轮传动一般应用于回转→回转运动过程中，但部分结构，如齿轮齿条传动（属于渐开线齿轮传动，主要用于实现回转→移动变换。齿轮传动种类多样，渐开线圆柱齿轮应用最广，可用于船舶、矿山、轻工、建材等领域。图表7：齿轮传动分类渐开线齿轮传动渐开线齿轮传动圆弧齿轮传动圆柱齿轮传动平行轴齿轮传动摆线齿轮传动非圆齿轮传动其他直齿锥齿轮传动齿轮传动相交轴齿轮传动斜齿锥齿轮传动曲线齿锥齿轮传动交错轴斜齿轮传动普通圆柱蜗杆传动交错轴齿轮传动准双曲面齿轮传动圆弧圆柱蜗杆传动蜗杆传动环面蜗杆传动锥蜗杆传动资料来源：秦大同等《现代机械设计手册》（2019），图表8：齿轮传动主要特点及适用范围种类图例主要特点应用渐开线圆柱齿轮传动传动的速度和功率范围很大；传动效率高，一对齿轮可达0.98~0.995；感性小，互换性好；装配和维修方便；可以进行变位切削及各种修形、修缘，从而提高传动质量；易于进行精密加工，是齿轮传动中应用最广的传动高速船用透平齿轮，大型轧机齿轮，矿山、轻工、化工和建材机械齿轮等圆弧圆柱齿轮传动单圆弧齿轮传动稍大轧机减速器，矿井卷扬机减速齿轮，鼓风机、制氧机、压缩机减速器双圆弧齿轮传动高40~60)，可用同一把滚刀加工一对互相啮合的齿轮，比单圆弧齿轮传动平稳，噪声和振动比单圆弧齿轮小摆线针轮传动等工作环境恶劣的场合，传动效率n=0.9~0.93(或n=0.93~0.95(工容易、造价低、拆修方便起重机回转机构，球磨机传动机构，磷肥工业用回转化成室，翻盘式真空过滤机底部传动机构，工业加热炉用台车拖曳机构，化工行业非圆齿轮传动动特性很有利，可以提高机构的性能，改善机构的运动条动特性具有所需的形式自动机器仪器仪表、纺织机械绕线托架机构等锥齿轮传动直齿锥齿轮传动比曲线齿锥齿轮的轴向力小，制造容易机床、汽车、拖拉机等机械中轴线相交的传动斜齿锥齿轮传动比直齿锥齿轮总重合度大，噪声较低机床、汽车曲线齿锥齿轮传动大汽车驱动桥传动、拖拉机及机床传动交错轴斜齿轮传动组成的齿轮副，两齿轮的轴线可以成任意角度，缺点是齿面为点接触，齿面间的滑动速度大，所以承载能力和传动效率比较低，故只能用于轻载或传递运动的场合用于空间传动机构准双曲面齿轮传动增加小轮刚性，传动效率比直齿锥齿轮低最广泛用于越野及小客车，也用于卡车，可用以代替蜗杆传动蜗杆传动普通圆柱蜗杆传动有自锁性，效率低多用于中小负荷间歇工作场景，如小型转炉倾动机构圆弧圆柱蜗杆传动接触线形状有利于形成油膜，传动效率及承载能力均高于普通圆柱蜗杆传动用于中小负荷间歇工作场景，如轧钢机压下装置环面蜗杆传动有利于形成油膜，承载能力大，一般比普通圆柱蜗杆传动大2-3倍，但制造工艺较复杂轧机压下装置，各种绞车、冷挤压机、转炉、军工产品以及其他冶金矿山设备等锥面蜗杆传动与制造较复杂结构要求比较紧凑的场合资料来源：秦大同等《现代机械设计手册》（2019），轮系为齿轮机构主要应用形式。齿轮传动适用的圆周速度与功率范围广，效率高，传动比稳定，寿命较长，工作可靠性较高，可实现平行轴、任意角相交轴和任意角交错轴之间的传动，但不适宜于远距离两轴间传动。为弥补齿轮传动缺陷，生产中多采用一系列互相啮合的齿轮将输入轴、输出轴相连接，即轮系。轮系可一定程度弥补一对齿轮的劣势，实现较远距离传动、从动轴多种变速与换向、较大传动比，以及合成或分解运动等，应用广泛的特殊轮系如摆线针轮行星轮系、谐波齿轮系等，变速箱、差速器、齿轮减速器等均采用轮系。根据轮系运转时各齿轮轴线的几何位置是否固定，可将轮系分为定轴轮系、周转轮系、混合轮系三大类。图表9：轮系可分为定轴轮系、周转轮系、组合轮系三大类轮系定轴轮系周转轮系组合轮系图例特点运转时轮系中所有齿轮的几何轴线相对于机架都是固定的，各齿轮绕自身的轴线旋转，轴线不做任何运动，为相对简单的轮系轮系运行时，太阳轮转动，带同其轴线绕太阳轮的轴线转动(公转)；周转轮系根据机构自由度差异可分为差动轮系、行星轮系两类由定轴、周转轮系组成资料来源：陈霖等《机械设计基础（第3版）》（2017），回转→移动：带传动、凸轮机构、螺旋机构较为常用带传动：主要用于高速级、圆周力较小场合带传动即两个或多个带轮之间用带作为中间挠性零件的传动，通过带与带轮之间的摩擦或啮合来传递运动和动力。根据带传动传递力的方式不同，带传动可分为摩擦型带传动与啮合型带传动两类。摩擦型带传动由主动轮、从动轮、挠性传动带组成，传动带紧套在两个带轮上，主动轮旋转时，依靠摩擦力使传动带运动而驱动从动轮转动，主要包括平带传动、V带传动、多楔带传动、圆带传动四类，其中，V带传动在同样张紧力下，较平带传动可产生更大的摩擦力、更高的承载力、更大的传动功率，且标准化程度高、传动比大、结构紧凑，应用最为广泛。啮合型带传动由主动同步带轮、从动同步带轮、环形同步带组成，主要靠传动带与带轮上的齿相互啮合来传递运动和动力，同步带传动为最典型的啮合型带传动。相较于摩擦型带传动，啮合型带传动传递功率大、传动比准确，多用于录音机、数控机床等要求传动平稳、传动精度较高的场合。图表10：带传动可分为摩擦型、啮合型两类特点特点应用常用于传递功率较大且结构要求紧凑及速度较高的场合，特别是要求V带根数多和轮轴垂直地面的场合允许的传动功率比较大、中心距较小、外廓尺寸小，且V带无接头，传动较平稳，故应用最广在某些高速机械(如磨床3)具有传递功率大、传动精准等特点;1)截面为圆形；2)制成；3)功率很小；1)以平带为基体，内表面排布等距纵向槽(梯形)；2)工作面为梯形楔的侧面；3)兼有平带弯曲应力小和V带摩擦力大的优点，可克服多根V带传动受力不均的缺点；1)横截面形状为等腰梯形；1)由多层胶帆布构成；图例同步带圆带多楔带V带平带啮合型摩擦型分类资料来源：陈霖等《机械设计基础（第3版）》（2017），李会文等《机械分析应用基础（第2版）》（2017），带传动多用于高速级、圆周力较小场合。带传动具备传动平稳、噪声小，过载保护，传动中心距较大，制造简单等优点，但带传动缺点亦较为明显：①带传动工作时会产生弹性滑动，不能保持准确传动比，传动进度较低；②带传动轮廓尺寸大、传动效率低；③带的寿命较短，对环境要求较高。故带传动主要用在传递功率不大、速度适中、传动比要求不严中心距较大场合，在多级传动系统中，带传动多置于高速级，起过载保护作用，同时减小其结构尺寸与重量。链传动与带传动同属挠性传动，但链传动应用范围相对少。链传动与带传动结构相似，由主、从动链轮以及绕在两轮上的挠性链条组成。相较带传动，链传动没有弹性滑动和打滑，需要的张紧力小，作用在轴和轴承上的压力较小，传递功率大，传动效率高，能在潮湿、多尘、高温、有油污等恶劣条件下工作；但链传动瞬时链速和瞬时传动比不恒定，故传动平稳性差，工作时冲击、振动和噪声较大，且载荷变化大，急速反向转动时性能差。基于链传动特性，其应用场景较带传动范围小，主要用于中心距较大、要求平均传动比准确的传动，环境恶劣的开式传动，以及低速、重载传动和润滑良好的高速传动中，如农业机械、山机械、机床及摩托车等。图表11：带传动示意图 图表12：链传动示意图从动轮从动轮主动轮传动带资料来源：潘传九《化工设备机械基础（第三版）》（2018）， 资料来源：潘传九《化工设备机械基础（第三版）》（2018），凸轮机构：主要用于小传力往复移动场合凸轮机构主要适用往复移动场合。凸轮机构主要由凸轮、从动件及机架三个基本构件组成，其中，凸轮为具有曲线轮廓或沟槽的构件，在其运动时，通过轮廓或沟槽驱动从动件运动。凸轮结构简单、紧凑，设计方便，但凸轮轮廓与从动件之间为点接触或线接触，易于磨损，故多用于传力不大而需要实现特殊运动规律的场合，如自动机床的进给机构、上料机构、机配气机构、印刷机和纺织机中的有关机构等。凸轮有多种分类方式，按凸轮形状可分为盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮，其中，盘形凸轮、圆柱凸轮主要用于实现回转→移动运动切换。图表13：凸轮机构按照凸轮形状可分为盘型凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮圆柱凸轮 移动凸轮 盘形凸轮vvvv资料来源：李会文等《机械分析应用基础（第2版）》（2017），螺旋机构：广泛应用于精密仪器仪表滚动螺旋机构在精密机械中最为常用。螺旋机构又称丝杠螺母机构，其利用螺杆与螺母组成的螺旋副将旋转运动转换成直线运动（也可反之将直线运动转换成旋转运动，同时传递转矩和动力，并可调整零件的相对位置。螺旋机构传动结构简单，工作连续平稳，承载能力大，传动精度高，但存在摩擦损失大、传动效率低等缺点，滚动螺旋传动应用大幅改善螺旋传动缺点，在精度要求较高的机械设备、仪器仪表中广泛应用。图表14：螺旋传动可分为普通、滚动、静压螺旋传动三类分类及特点应用分类及特点应用1）以传递动力为主；传力2）用较小的力转动螺杆(或螺母)，螺旋产生较大的轴向力，形成轴向运动；3）要求较高的强度和自锁性；举重或挤压机构，如螺旋千斤顶螺旋千斤顶1）以传递运动为主，有时也承受较 机床工作台移动机构 传动大的轴向载荷；机床刀架与工作台的进螺旋2）要求有较高的传动精度和传动效给机构率，常采用多线螺纹提高效率；普通螺2）摩擦阻力大，传动效率旋传动低（30-40）；有侧向间隙，反向有空行程，低速有爬行；

台虎钳 1）用来调整并固定零件或部件之间调整的相对位置，一般在空载下调整；螺旋2）受力较小，要求有可靠的自锁性能和精度；

工具、夹具、车床的手动调整机构

滚动螺旋传动传动效率高(＞90)，具传动可逆性，运转平稳，低速不爬行；经调整预紧，可获得很高的定位精度和较高的轴向刚度；结构复杂，抗冲击性能差，不具有自锁性，多由专业厂制造；数控机床、精密机床、测试机械、仪器的传动螺旋和调整螺旋；飞行器、船舶等自动控制系统的传动螺旋；静压螺静压螺旋传动传动效率高(可达99)，具传动可逆性，运转平稳，无爬行现象；反向时无空行程，定位精度高，摩擦阻力极小，磨损很小； 精密机床的进给、分度机构的螺母结构复杂，需有一套要求较高的供油系统，仅用于要求高效传动螺旋率、高精度的重要传动；资料来源：周克媛等《机械基础（第3版）》（2017），李会文等《机械分析应用基础（第2版）》（2017），其他：齿轮齿条——可实现“回转→移动”的齿轮传动机构齿轮齿条为齿轮传动中用于实现“回转→移动”的机构。如前所述，齿轮传动一般应用于“回转→回转”的运动形式变换，但部分机构可实现“回转→移动”，典例即为齿轮齿条。齿轮齿条由圆形的齿轮和直线形的齿条相互啮合，将加载在齿轮上的旋转运动转换为齿轮与齿条间相互的直线运动。齿轮齿条传动的承载力大，传动精度较高，可无限长度对接延续，传动速度可以很高。但若其加工安装精度差，传动噪声与磨损或较大。齿轮齿条典型用途包括大版面钢板、玻璃数控切割机等。图表15：齿轮齿条由圆形齿轮与直线型齿条相互啮合资料来源：深圳鸿泰兴官网，“回转→移动”传动结构各有优缺，适用场合差异性较大。可实现“回转→移动”的各类机构中，同步带传动、滚动螺旋传动、齿轮齿条传动较为常见，其中，同步带传动承载力较大，加宽传动带可以提高负载承载力，传动精度较高，但较长的传动带会产生弹性变形和振动，故工作行程有限；滚动螺旋传动不能自锁，传动效率高，精度高，噪声低，适合高速往返传动，但是水平传动跨距若较大时要考虑极限转速和自重下垂变形，对于工作行程较大的大型数控机床，一般采用齿轮齿条结构进行替代；齿轮齿条传动定位精度、传动效率低，但承载能力强、行程不受限制，多用于长距离、大载荷传输。图表16：“回转→移动”传动机构各有优缺点机机构 优点 缺点 适用场合传动

短距离传动速度可以很高，传动精度较高，噪音低承载力大，传动精度较高，可达0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高，>2m/s不能自锁，传动效率高，精度高，噪音低，适合高速往返传动

承载力较大，大负载需加宽皮带，传动长度过大需考虑较大的弹性变形和振动，大距离传动不适合精确定位、连续性运动控制，可用于伺服电机到传动齿轮或伺服电机到丝杠的短距离传动若加工安装精度差，传动噪音大，磨损大水平传动跨距大需考虑极限转速和自重下垂变形，传动长度不可过长；长时间使用传动间隙变大，精度变差；成本高

小型数控设备、某些打印机激光/玻璃/钢板数控切割机，建筑施工升降机可达30层楼高数控机床，小版面数控切割机；机电一体化设备行程6m以下的直线传动系统使用最为广泛的传动形式资料来源：上海会通自动化官网，多运动形式变换：连杆机构连杆机构可实现的运动形式变换较为多样，可实现由“回转、摆动、往复移动→回转、摆（转动副/移动副/螺旋副/圆柱副/球面副即球销副）链接构成，按构件的相对运动关系，连杆机构可分为平面连杆机构（组成构件均在同一平面或相互平行的平面内运动）与空间连杆机构（组成构件不在同一平面内或不在相互平行的平面内运动。连杆结构多用所含构件数命名，如含四个构件的连杆机构称为四杆机构。连杆机构应用广泛，优缺点均较为显著：优点：1）运动副一般均为低副。低副中两运动副元素为面接触，压强较小，故可承受较大的载荷；有利于润滑，磨损较小；运动副元素的几何形状较简单，便于加工制造，易获得较高的制造精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，而凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。2）可实现多种形式的运动变换和运动规律。在连杆机构中，当原动件的运动规律不变时，改变各构件的相对长度可使从动件得到不同的运动规律。3）具有丰富的连杆曲线。在连杆机构中，连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线（即连杆曲线，其形状随着各构件相对长度的改变而改变，可满足不同轨迹的设计要求。缺点：1）传递运动的累积误差比较大，机械效率低。由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传递路线较长，易产生较大的误差积累，同时，降低了机械效率。2）不适用于高速运动的场合。在连杆机构运动过程中，连杆及滑块的质心都在作变速运动，所产生的惯性力难以用一般平衡方法加以消除，因而会增加机构的动载荷，容易使机构在运动中产生振动和冲击，严重时还会影响机械产品的工作精度与寿命，所以连杆机构不适于高速运动的场合。3）机构设计复杂，难以实现精确的轨迹。虽然可以利用连杆机构来满足一些运动规律和运动轨迹的设计要求，但其设计十分繁难，且一般只能近似地得以满足。平面四杆机构为平面连杆机构基础。平面连杆机构中，结构最简单且应用最广泛的是平面四杆机构，其他机构可看成是由平面四杆机构演化而来。平面四杆机构基本形式为铰链四杆机构，即全部用转动副相连。铰链四杆机构可分为三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。图表17：平面铰链四杆机构包括曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构三种形式曲柄摇杆机曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构动，另一个只能作往复摆动特点 -曲柄-曲柄机架机构示例连杆连架杆-曲柄

两连架杆均能作整周转动的机构；当主动曲柄连续等速转动时，从动曲柄一般不作等速转动，而作变速转动

两连架杆均不能作整周转动的机构应用举例颚式破碎机、雷达天线俯仰机构、缝纫机脚踏板机构资料来源：郭润兰《机械设计基础》（2018），

惯性筛 鹤式起重机、汽车前轮转机构典型机械传动装置：旋转运动看减速器，直线运动看丝杠机械传动机构众多，本章我们重点分析“回转→回转”与“回转→移动”两大运动变化形式的代表性机械传动装置：减速器（旋转运动、滚珠/行星滚柱丝杠（直线运动。减速器：旋转运动核心传动装置，新型齿轮系空间逐步打开减速器为以齿轮为主要传动机构的传动装置。减速器即由封闭在箱体内的齿轮、蜗杆蜗轮等传动零件组成的传动装置，为齿轮传动齿轮系的最终应用形态，主要用于降低转速、增大转矩，在现代机械中应用广泛。减速器种类较多，按传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器、行星减速器以及它们互相组合起来的减速器；按传动级数可分为单级和多级减速器；按齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥-圆柱齿轮减速器等。图表18：常用减速器型式及特点和应用名称

特点及应用

轮齿可做成直齿、斜齿和人字齿。直齿用于速度较低、载荷较轻的传动;斜齿轮用于速度较高的传动，人字齿轮用特别高速时采用滑动轴承。其他型式的减速器与此类同。结构简单，但齿轮相对于轴承的位置不对称，因此要求轴有较大的刚度。用于载荷比较平稳的场合。高速级一般做成斜齿，低速级可做成直齿。结构复杂，但由于齿轮相对于轴承对称布，与展开式相比载荷沿齿宽分布均匀、轴承受载较均匀。适用于变载荷的场合。高速级一般用斜齿，低速级可用直齿或人字齿。减速器横向尺寸较小，但轴向尺寸和重量较大，且中间轴较长、刚度差，使沿齿宽载荷分布不均匀。高速轴的承载能力难以充分利用。同轴分流式每对啮合齿轮仅传递全部载荷的一半。输入轴和输出轴只承受转矩，中间轴只受全部载荷的一半，故与传递同样功率的其他减速器相比，轴颈尺寸可以缩小。

展开式分流式

同两级展开式。同两级分流式。轮齿可做成直齿、斜齿或曲线齿。用于两轴垂直相交的传动中，也可用于两轴垂直相错的传动中。由于制造安装复杂、成本高，所以仅在传动布置需要时才采用。两级圆锥-圆柱齿轮减速器三级圆锥-圆柱齿轮减速器

特点同单级圆锥齿轮减速器，圆锥齿轮应在高速级，使其保持适度的尺寸。特点同两级圆锥-圆柱齿轮减速器。单级蜗杆减速器两级蜗杆减速器两级齿轮-蜗杆减速器

蜗杆下置式蜗杆在蜗轮下方啮合处的冷却和润滑都较好，一般用于蜗杆圆周速度r<10m/s的场合。蜗杆上置式蜗杆在蜗轮上方，蜗杆的圆周速度可高些，但蜗杆轴承润滑不便。蜗杆侧置式蜗杆在蜗轮侧面，蜗轮轴垂直布置，一般用于水平旋转机构的传动。传动比大，结构紧凑，但效率低。有齿轮传动在高速级和蜗杆传动在高速级两种形式。前者结构紧凑，而后者传动效率高。行星齿轮减速器摆线针轮减速器谐波齿轮减速器三环减速器

单级 与普通圆柱齿轮减速器相比，尺寸小，重量轻，但制造精度要求较高，结构较复杂，在要求结构紧凑的动力传动应用广泛。两级 同单级行星齿轮减速器。单级 传动比大；传动效率较高；结构紧凑，相对体积小，重量轻；通用于中、小功率，适用性广，运转平稳，噪声低结构复杂，造精度要求较高，广泛用于动力传动中。两级 同单级摆线针轮减速器。传动比大，范围宽；在相同条件下可比一般齿轮减速器的元件少一半，体积和重量可减少20~50；承载能力大；运动精度高；可采用调整波发生器达到无侧隙啮合运转平稳；噪声低；可通过密封壁传递运动；传动效率高且传动结构紧凑，体积小，重量轻；传动比大；效率高，单级为92~98；噪声低。过载能力强。承载能力高，输出转矩高达400kN·m料，且不采用特殊加工方法就能制造，造价低、适应性广、派生系列多。资料来源：闻邦椿《现代机械设计实用手册》（2015），减速器结构各异，但一般包括：①传动零件：圆柱齿轮、锥齿轮、蜗杆蜗轮、行星轮等；②支承零件：转轴组件、滚动轴承、轴承密封件等；③箱体零件：箱体、箱盖；④联接零件：螺栓、键、销等；⑤减速器附件：定位销、观察孔盖板、通气器、油面指示器、放油螺塞、起盖螺钉、起吊装置等。输入轴销轴、销套 机座 制动环间隔环端盖针齿套、针齿销后盖摆线轮 偏心套、轴承 输出轴针齿壳图表19：单级圆柱齿轮减速器结构 图表输入轴销轴、销套 机座 制动环间隔环端盖针齿套、针齿销后盖摆线轮 偏心套、轴承 输出轴针齿壳资料来源：王庆海《机械基础》（2010）， 资料来源：王庆海《机械基础》（2010），机器人渗透率加速提升，已成为减速器需求增长核心驱动。减速器应用领域广泛，涵盖起重运输、水泥建材、矿山冶金、电力、机器人等，其中，减速器在机器人BOM表中占比35%，远高于其他领域，此外，工业机器人渗透率加速提升、人形机器人产业化稳步推进，机器人领域已成为减速器需求增长核心驱动力，本章亦重点讨论机器人用减速器。图表21：减速器下游应用领域繁多（2019） 图表22：工业机器人每个回转运动关节均应用减速器其他25%机器人其他25%机器人11%25%冶金9%重型矿山 水泥建材10% 15%减速器减速器减速器电减速器机电机减速器电机电机减速器同步皮带5%资料来源：前瞻产业研究院，中国机械工业联合会， 资料来源：龚仲华《ABB工业机器人应用技术全集》（2020），图表23：工业机器人BOM表中减速器成本占比超过30%35%18%35%18%4%2%35%30%25%20%15%10%5%0%工业机器人

辊压机

工程机械

起重运输机36kr20222010年原材料2021年材料采购传动材料占比；起重运输机减速器成本占比选取法兰泰克招股书2015年原材料采购减速器占比；资料来源：徐工机械，利君股份，法兰泰克，36kr研究院，谐波、RV减速器为工业机器人两大主要减速器。机器人关节采用的电机能够直接输出旋转运动，但其输出力矩通常小于关节需求力矩，输出转速大于关节需求转速，故减速器为机器人所有回转运动关节必须使用的关键部件，且决定了机器人的运动速度、定位精度与承载能力。通用减速器较难满足机器人高精度、大比例减速的要求，故特殊减速器：滤波齿轮减速器、摆线针轮减速器、精密行星减速器、谐波减速器、RV减速器5类减速器成为机器人用主要减速器，其中，关节应用占比较高的谐波减速器与RV减速器占据主流地位。图表24：多关节机器人应用最为广泛 图表25：谐波与RV减速器在全球机器人减速器中的销量占比较高

多关节机器人 坐标机器人 并联机器人SCARA机器人 其他(圆柱型/其他）2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

谐波减速器40%

精密行星、摆线针轮、等20%RV减速器40%资料来源：前瞻产业研究院， 资料来源：中商产业研究院（2023年报告），GGII，纳博特斯克，图表26：行星、RV、谐波减速器应用场景各异行星减速器行星减速器RV减速器谐波减速器图例传动效率>95%>80%>75%温升 ≤30℃ ≤45℃ ≤40℃噪声 ≤65db ≤70db ≤60db减速比 3-512 30-192.4 30-160额定转矩下使用寿命 >20,000h >6,000h >8,000h额定输出转矩 40-1,200Nm 101-6,135Nm 6.6-921Nm扭转刚性 10-370Nm/arcmin 20-1,176Nm/arcmin 1.34-54.09Nm/arcmin技术特点

体积比较小，主要包括行星轮、太阳轮和内齿圈。精密行星减速器单级传动比都在10以内，且减速级数一般不会超过3级。

通过多级减速实现传动，一般由行星齿轮减速器的前级和摆线针轮减速器的后级组成，组成的零部件较多。

通过柔轮的弹性变形传递运动，主要由柔轮、刚轮、波发生器三个核心零部件组成。与RV及其他精密减速器相比，谐波减速器使用的材料、体积及重量大幅度下降。产品性能 传动效率高、性价比较高 大体积、高负载能力和高刚度 体积小、传动比高、精密度高应用场景 直角坐标机器人 关节机器人中机座、大臂、肩部重负载位置

机器人小臂、腕部或手部终端领域

电子、机械、汽车、能源、包装、印刷、食品等

汽车、运输、港口码头等行业中通常使用配有RV减速器的重负载机器人

3C、半导体、食品、注塑、模具、医疗等行业中通常使用由谐波减速器组成的30kg负载以下的机器人资料来源：绿的谐波招股书，科峰智能招股书，谐波减速器：多关节机器人手腕驱动主要减速器谐波减速器主要用于轻负载精密部件。谐波减速器即谐波齿轮传动装置，具有单级传动比大、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。2/31/2，但谐波减速器的负载轻，容许力矩负载在1,500Nm以内，故主要应用于机器人小臂、腕部、手部等轻负载精密部件领域。谐波减速器主要由刚轮、柔轮、谐波发生器三大基本部件组成。刚轮、柔轮、谐波发生器可任意固定其中1个，其余2个部件一个连接输入（主动，另一个即可作为输出（从动以实现减速或增速。刚轮：圆周上加工有连接孔的刚性内齿圈，其齿数比柔轮略多（一般多2或4个为了减小体积，在薄形、超薄形或微型谐波减速器上，刚轮或与减速器轴承设计成一体，构成谐波减速器单元。柔轮：可产生较大变形的薄壁金属弹性体，可被制成水杯形、礼帽形、薄饼形。弹性体与刚轮啮合的部位为薄壁外齿圈。谐波发生器：一般由椭圆形凸轮和可弹性变形的滚珠轴承构成。凸轮装入轴承内圈后，轴承将产生弹性变形成为椭圆形，并迫使柔轮外齿圈变成椭圆形；从而使椭圆长轴附近的柔轮齿与刚轮齿完全啮合，短轴附近的柔轮齿与刚轮齿完全脱开。当凸轮连接输入轴旋转时，柔轮齿与刚轮齿的啮合位置可不断变化。图表27：谐波减速器主要由刚轮、柔轮、谐波发生器三大基本部分组成波发生器波发生器刚轮柔轮资料来源：绿的谐波招股书，齿形、柔轮、波发生器均存较高技术壁垒。其中，齿形对谐波减速器的效率、精度、刚性、寿命等关键指标均有较大影响，各公司齿形设计各异，如哈默纳科的“IH波的“PRS大交变载荷的情况下不断变形，且为减小磨损必须要有很高的硬度，故柔轮对材料的材质、抗疲劳强度、加工精度、热处理等要求均较高，制造工艺复杂；波发生器核心部件为柔性轴承，与柔轮相似，轴承对材料及其加工过程要求较高。哈默纳科为全球龙头，国内技术已取得突破。谐波减速器1955年由美国发明家马瑟发明，最初称为变形波发生器，1957年获美国发明专利，1960年美国UnitedShoeMachinery(USM)率先研制出样机，1964年，日本长谷川齿车株式会社(HasegawaGearWorks,Ltd.)和USM合作，开始对其进行产业化研究和生产，谐波减速器正式获名，1970年，长谷川齿车和USM合资，在东京成立了HarmonicDrive(哈默纳科)公司，哈默纳科由此奠定先发优势，随后通过不断改善材料性能与结构巩固竞争优势，2013年之前在机器人领域几乎处于垄断地位。近年来，国内企业生产工艺不断突破，国内市占率持续提升，2022年，国内谐波减速器龙头绿的谐波国内市占率已超20%。谐波减速器人形机器人应用占比较高，空间可期。人形机器人精度要求高而负载要求低，谐波减速器应用占比提升，如特斯拉擎天柱机器人的旋转关节即采用谐波减速器。根据中商产业研究院，2022年我国谐波减速器市场规模约21亿元，随人形机器人产业化推进，谐波减速器市场空间可期。图表28：国内龙头绿的谐波国内市占率已达23%（2022） 图表29：2022年国内谐波减速器市场规约21亿元6%来福谐波8%新宝(日)7%

大族谐波5%23%

川机器人5%其他12%哈默纳科(日)34%

(亿元35CAGR=16%30CAGR=16%25201510502019

2020

2021

2022

2025E资料来源：GGII， 资料来源：中商产业研究院，图表30：特斯拉擎天柱机器人旋转关节采用谐波减速器××2×2×2×3×3交叉滚子轴承谐波减速器资料来源：TESLA2022AIDAY，图表31：国内企业谐波减速器营收规模及产能仍待提升国别公司母公司成立时间业务范围2022减速器营收(亿元)2022减速器毛利率年产能及规划产业化情况下游应用日本哈默纳科- 1970- 2011尼得科 1952减速机、冲床37.54.1622.13649未披露2023年初产能198万台(不含车载)，计划新增48(不含车载)2022年产能33万台，IPO未披露成熟作成熟工业机器人、人形机器人、卫星、半导体设备等工业机器人、服务机器人、数控机床、医疗器械、半导体生产设备、新能源装备等机器人、包装机械、半导体设备中国绿的谐波日本新宝(现尼得科传动)中国来福谐波- 2013高精密谐波减速器未披露未披露2022年产20万台未披露工业机器人、服务机器人、医疗器械、高精密自动化设备等中国同川科技汉宇集团(参股) 精密谐波减速机，伺服电机，机电一体化模块等未披露未披露2022年产能约10万个，有产能扩充计划实现谐波减速器产品的批量生产及销售工业机器人、机床中国大族精密大族激光2015精密减速器及装置、机器人系统、机电一体化设备未披露未披露产能或超15万套已在国内头部工业机器人企业实现大批量交付销售，国外头部工业机器人企业也在同步进行测试验证工业机器人中国川机器人- 2012制造系统整体解决方案0.21132023年产能10万台2019年开始试销售，2022年出货4.1万台，2023-2025出货量目标分别是6、8、10万台机器人中国国茂精密国茂股份2021谐波减速器、RV减速器等精密减速器未披露未披露2022年产能3万台未披露机器人中国丰立智能- 1995小模数齿轮、精密减速器及相关零部件0.00N/A谐波减速器生产线3Q23处于设备安装状态，尚未形成产能，投产后预计形成3.5万件小型精密谐波减速器2Q23已处于实验室测试阶段、数控机床、雷达、天产能文望远镜机械传动与控制应用领2022年产能约3.6万台，IPO于机器人、数控机床、中国科峰智能- 2010域关键零部件，含行星减速器、谐波减速器等0.1224计划募投建设高精密减速机建设项目，达产后将形成5万已实现规模化销售医疗器械、新能源装备等- 2005机械传动齿轮及其相关未披露未披露台谐波减速器年产能未披露已形成多个型号产品的批量供机器人中国双环传动零部件货智能执行单元生产基地项目已具备批量生产能力和销售能中国中大力德- 2006机械传动与控制关键零部件2.0313已于2022年底达到预定可使用状态，新增精密减速器(未力，计划向模组化方向进行研究与发展机器人拆分谐波减速器)产能30万台电主轴领军企业，同时2014年开始研发，已形成批量机器人、自动化设备等中国昊志机电- 2006生产转台、直线电机、0.89未披露2023年产能15万台销售，主要应用于公司各类机高端装备减速器等核心零部件器人和自动化设备中注：哈默纳科采用总营收与综合毛利率；昊志机电采用机器人相关营收；其余公司采用减速器相关营收与毛利率；采用2022年12月30日汇率；资料来源：各公司官网RV减速器：多关节机器人机身驱动主要减速器减速器主要用于重负载部位。减速器即旋转矢量减速器，其传动比范围大、精度较为稳定、疲劳强度较高，并具有更高的刚性和扭矩承载能力；但其重量重、外形尺寸较大，无法向轻便、灵活的轻负载领域发展，主要应用于机器人大臂、机座等重负载部位。此外，RV减速器零部件数量多、制造和装配难度大，不利于大规模生产。RV减速器结构复杂，由针轮、RV齿轮、芯轴三层构成。RV减速器在传统摆线针轮、行星齿轮传动装置的基础上发展而成。RV减速器径向结构可分为3层，由外向内依次为针轮层、RV齿轮层、芯轴层，每层均可独立旋转。针轮层：针轮为内侧加工有针齿的内齿圈，外侧加工有法兰和安装孔，可用于减速器使针轮与输出法兰产生相对回转；RV齿轮层：RV齿轮、端盖、输出法兰和曲轴组件等组成，RV齿轮、端盖、输出法兰为中空结构，内孔用来安装芯轴。其中，输出法兰内侧有2～3个连2齿轮，并可在曲轴的驱动下作对称摆动（又称摆线轮；曲轴组件由曲轴组件、前后支承轴承、滚2组，中大规格减速3齿轮摆动；芯轴层：齿轮、端盖、输出法兰的中空内腔，芯轴可为齿轮轴或用来安装齿轮的花键轴。芯轴上的齿轮称太阳轮，它和套在曲轴上的行星齿轮啮合，当芯2～3减速器，其芯轴通常用来连接输入，故又称输入轴。针轮层、2级变速：1）第一级变速：芯轴上的太阳轮和套在曲轴上的行星齿轮间的变速，称正齿轮变速；2）第二级变速：通齿轮的摆动，利用针齿销推动针轮的旋转，称差动齿轮变速。图表32：RV减速器包括针轮层、齿轮层、芯轴层针轮针轮密封圈端盖输出法兰芯轴层芯轴 行星齿轮曲轴组件圆锥滚柱轴承行输 出 法 兰齿轮层RV齿轮曲轴圆锥针轮密封圈滚柱组轴承针齿销圆锥RV 卡簧针轮层滚柱轴承轮卡簧 滚针针齿销卡簧RV齿轮滚针芯轴端盖卡簧资料来源：龚仲华《工业机器人技术及应用》（2019）RV减速器壁垒主要在于工艺与装配。RV减速器需在承受大负载的同时保持高精度，故需具备较高的材料成形技术、精密加工及装配技术。材料成形方面，RV减速齿轮需要具有耐磨性和高刚性，对于材料成形过程提出了较高要求，尤其是材料化学元素控制、表面热处理等工艺；加工与装配方面，RV减速器的减速比较高，具备无侧隙、微进给的特点，需要特殊部件加工和精密装配技术。RV减速器组成结构更为复杂，较谐波减速器设备投入更高，更难实现规模化。减速器国产差于谐波减速器，海外龙头国内市占率超50%。减速器由日本NabtescoCorporation（纳博特斯克）的前身帝人制机Seiki）1985年率先研发，并获得了专利；1986减速器商品化生产和销售；2003年帝人制NABCONabtescoCorporation减速器的研发生产。由于减速器更高的设备投入与加工、装配要求，RV减速器单位价值量更高，国产化程度低于谐波减速器，2022年海外龙头纳博特斯克国内市占率超50%，国内龙头环动科技（上市公司双环传动子公司）市占率仅13%。根据中商产业研究院，2021年我国42.9202560亿元。图表33：纳博特斯克占据国内RV减速器超的市场(2022) 图表34：2021年国内RV减速器市场规模约43亿元

智同科技

(亿元)CAGR=9%70CAGR=9%60504030201002018

住友住友(日)5%4%4%3%其他8%8%环动13%纳博特斯克日)51%

2020

2021

2025E资料来源：GGII， 资料来源：中商产业研究院，图表35：国内企业RV减速器国产化进程仍待推进国别公司母公司成立时间业务范围2022减速器营收(亿元)年产能及规划产业化情况下游应用日本纳博特斯克- 2003精密减速器、液压机器、铁路车辆用设备、航空机械等46.952022年减速器产能106万件，预计2024年达到149万件，2026年达到206万件，2030年达到234万件成熟机器人中国环动科技双环传动2020机器人关节高精密减速器、高精密液压零部件4.572022年RV减速器年产能约10万台，产能有扩充计划产品已基本覆盖国内主流机器人客户机器人中国珠海飞马- 2008谐波减速器、工业机械用减速器、齿轮/轴等零部件未披露未披露已形成批量生产机器人日本住友重机械船舶、环境设备以及各种工业- 1888机械(减速机、塑料加工机、工业起重机等)未披露未披露成熟机器人和自动化领域中国秦川机床- 1998机床、减速器、滚动功能部件等未披露2023年机器人关节减速器产能为6-9万套国内唯一的全系列（5Kg-800Kg）RV减速器产品供应商，在中大规格领域的优势明显机器人中国中大力德- 2006机械传动与控制关键零部件2.03智能执行单元生产基地项目已于2022年底达到预定可使用状态，新增精密减速器(未拆分RV减速器)产能30万台；大型RV减速器生产线项目项目预计2025年底达产，可新增5000台大型RV减速器产能；公司拟发行可转债投入机器人本体组件、配件及智能执行单元生产线项目，继续扩充RV减速器产能RV减速器以微小型为主，同时正在研制大规格型号，可用于大负载工业机器人工业机器人和工业自动化领域中国南通振康- 1993焊接送丝装置、高精度工业机器人及核心部件等精密自动化产品未披露2018年产能3万台，当前产能未披露，2023年3月年产10万台精密RV减速机项目开工未披露中国智同科技- 2015高精密摆线减速机未披露2022年RV减速器产能7万台，2023年完成股权融资，用于年产50万台机器人用高精密减速机数字化智能制造基地及工程技术研发中心项目建设已实现产业化应用机器人中国巨轮智能- 2001轮胎模具、液压式硫化机和机器人及智能装备未披露未披露已取得技术突破，是国内首批获得CR认证的两家企业之一机器人中国领鹏智能领益智造2020精密功能件、结构件、模组及充电器业务的全产业链未披露未披露制造领域展开合作中国昊志机电- 2006电主轴领军企业，同时生产转台、直线电机、减速器等核心零部件0.00未披露在研，尚未形成销售机器人注：纳博特斯克采用精密减速器营收；环动科技采用双环传动减速器及其他营收；中大力德采用精密减速器营收；昊志机电采用机器人相关营收；采用2022年12月30日汇率；资料来源：，GGII，各公司官网，行星减速器：多用于直角坐标机器人行星减速器精度偏低，工业机器人中应用占比相对低。相较于谐波减速器与RV减速器，行星减速器传动效率较高、寿命长，但传动精度不足、传动比低，故工业机器人中应用占比较低，多用于结构较为简单的直角坐标机器人。行星减速器采用行星轮系制成，核心组成为太阳轮、行星轮、行星架。只有一个自由度的动轴线轮系称为行星轮系，行星减速器核心即为行星轮系，行星轮系可按照齿轮啮合方式与基本构件组成情况进行分类。行星轮系主要由太阳轮、行星轮、行星架组成，以结构最简单的NGW称为行星轮；装有行星轮并绕固定轴线转动的构件即为行星架；与行星齿轮啮合且几何轴线固定的齿轮为中心轮（包括太阳轮与内齿轮。行星减速器基本原理为：原动机驱动太阳轮旋转，太阳轮与行星轮的啮合驱动行星轮产生自转；同时，由于行星轮另外一侧与减速器壳体内壁上的环形内齿圈啮合，最终行星轮在自转驱动下将沿着与太阳轮旋转相同方向在环形内齿圈上滚动，形成围绕太阳轮旋转的“公转”运动；行星轮通过公转驱动行星架旋转，行星架与输出轴联接，带动输出轴输出扭矩。图表36：行星传动机构可按齿轮啮合方式与基本构件组成进行分类类型字母含义例按齿轮啮NGW、NW、NN、WW、N-内啮合；W-外啮合；G-

NGW表示由内啮合齿轮副(N)、外啮合齿轮副(W)、合方式

NGWN、N等

公用行星轮

公用行星轮(G)组成的行星齿轮传动机构按基本构2Z-X、3Z、Z-X-V、Z-X等件组成

Z-中心轮；X-行星架；V-输出构架

2Z-X表示由2个中心轮、1个行星架组成的行星齿轮传动机构资料来源：秦大同等《现代机械设计手册》（2019），图表37：NGW型行星传动机构与行星减速器整体结构行星轮行星轮内齿环太阳轮行星架资料来源：秦大同等《现代机械设计手册》（2019），科峰智能招股书，全球行星减速器市场规模不足百亿，人形机器人应用有望释放市场空间。根据QYResearch，2022年全球行星减速器销量为540万台，销售金额为12.03亿美元，其中中2325由于工业机器人中关节机器人占比较高，故行星减速器整体工业机器人应用比例较低，但考虑到性价比与体积重量比优势，行星减速器或有望在人形机器人取得一定应用，如智元机器人、宇树科技等均有搭配行星减速器，人形机器人产业化或有望打开行星减速器市场空间。图表38：2022年我国行星减速器市场规模全球占比约42%(亿美元) 中国 全球 中国全球占25

60%20 50%40%1530%1020%5 10%0 0%2018 2019 2020 2021 20222023E2024E2025E2026E2027E2028E2029E资料来源：QYResearch，科峰智能招股书，行星减速器具较高技术与工艺壁垒，高端精密行星减速器国产化率较低。行星齿轮传导装置设计始于德国，1920s，行星齿轮传动装置首次量产，1950s，德国首次研发成功高速大功率行星齿轮减速器，1960s，意大利、英国、苏联等国家也陆续研发出低速重载行星减速器。伴随工业自动化的进程，德国、意大利等国又研制出精密行星减速器。我国行星减速器略滞后于海外，1960s，我国开始研制应用行星减速器，1970s首次制订了NGW型渐开线行星齿轮减速器标准，生产了多种高速大功率行星减速器，1980s开始生产低速大转矩的行星减速器，但由于行星减速器，尤其高端精密行星减速器技术难度与工艺壁垒较高，海外龙头在材料、设计水平、质量控制、精度、可靠性和使用寿命等方面仍具相对QYResearch，2022年尼得科传动（原新宝、纽卡特、威35%20%。图表39：海外龙头仍居全球行星减速器优地位（2022） 图表40：国内行星减速器公司市占率逼近海外龙头（2022）其他53%其他53%13%纽卡特11%威腾斯坦11%科峰智能精锐科技46%尼得科20%5% 7%

利茗5%7%

科峰智能12%纽氏达特10%资料来源：QYResearch， 资料来源：QYResearch，国别公司母公司成立业务范围2022减速器2022减速器国别公司母公司成立业务范围2022减速器2022减速器年产能及规划产业化情况下游应用德国 威腾斯坦-开始布局行精密行星齿轮箱、完整的机38.5未披露未披露成熟人、机床、医疗技术、航空臂等舶推进系统变速箱等系统部件、电机系列器材产品未披露未披露未披露试制完成后已投入船舶、工程机械、矿山港时间营收(亿元)毛利率日本新宝(现尼得科传动)尼得科1952减速机、冲床22.1未披露未披露成熟机器人、包装机械、半导体设备德国纽卡特-1928行星减速器等8.9未披露未披露成熟机器人、包装设备、食品行业、自动化、机床1949(1979机电一体化传动装置，含高星减速器)电一体化传动系统、交流伺服系统和电机德国赛威传动-1931减速器、电机等未披露未披露未披露成熟未披露中国台湾精锐科技 - 1987 减速器、齿轮齿条、机械手 未披露未披露未披露已实现规模化销售未披露2022年产能约54万台，机械传动与控制应用领域关 IPO计划募投建设高精密 移动机器人、新能源设中国大陆科峰智能 - 2010 键零部件，含行星减速器、 2.95 45 减速机建设项目，达产后已实现规模化销售、高端机床、电子设备谐波减速器等 将形成35万台精密行星减 智能交通等速器、0.8万台工程机械用行星减速器中国大陆纽氏达特-2007精密行星减速器未披露未披露 未披露 已实现规模化销售 未披露中国台湾利茗-1969减速马达及螺旋齿轮减速机、蜗杆蜗轮减速机、行星式未披露未披露 未披露 已实现规模化销售 未披露减速机中国大陆中大力德-2006机械传动与控制关键零部件2.0313 未披露 已实现规模化销售工业机器人和工业自动化领域中国大陆重庆豪能豪能股份2012汽车零部件未披露主要用于新能源汽未披露 未披露 车领域,已在与潜在 新能源汽车机器人客户进行交流讨论中国大陆兆威机电-2001微型传动系统7.08当前产能未披露，东莞产 汽车电子、智慧医疗、消26.02业园已建成投产，苏州工已实现规模化销售费电子、工业装备、智能业园在建，预计2024年-2025年建成投产家居等中国大陆杭齿前进中国大陆杭齿前进-1997 船用齿轮箱及船中国大陆宁波东力-1998 齿轮传动设备、、门控中国大陆丰立智能-1995 小模数齿轮、精相关零中国大陆英洛华-1997 钕铁硼永磁材料产品以及康复使用 口等未披露未披露未披露未披露 注塑机电熔胶、矿山、水利、环保等未披露未披露未披露未披露 电动工具、家居、医疗、汽车座舱，机器人等未披露未披露未披露未披露 智能家电、工业自动化、机械制造等注：纽卡特、威腾斯坦均采用集团总营收；科峰智能采用精密行星减速器营收与毛利率；中大力德采用精密减速器营收与毛利率；兆威机电采用微型传动系统营收与毛利率；海外公司采用2022年12月30日汇率；资料来源：各公司官网丝杠：直线运动核心传动装置，滚动螺旋精密机械最为常用丝杠即丝杠螺母副，也即前文所述螺旋机构，可分为普通（滑动、滚动、静压螺旋传动三类。其中，滑动螺旋机构结构简单，制造工艺方便，应用最广；滚动螺旋机构摩擦损失小、传动效率高，在精密机械中应用广泛；静压螺旋机构性能优异，但技术复杂，应用相对较少。根据滚动体类型不同，滚动螺旋机构又可进一步分为滚珠丝杠、行星滚柱丝杠。图表42：滑动、滚珠、滚柱、静压丝杠性能及应用对比滑动丝杠滚珠丝杠滚柱丝杠静压丝杠接触方式面接触点接触线接触无接触摩擦力大小较小极小自锁性 完全自锁，与导程角大小和作面粗糙度有关

无自锁性，需加装制动装置 无自锁性，需加装制动装置 不能自锁大，一般载荷可达同规格滚珠承载能力 小 较大 丝杠的倍

较大，与供油压力成正比，与转速无关传动效率 低，一般为高，一般可达较高，摩擦力较小时可达90% 可达99导程精度

低，标准精度±250μm/300mm，最高精度±75μm/300mm

较高，常为毫米级，最高精度3μm/100mm较快，额定转速在3000-

高，定位精度优于1μm

可以达到极高的定位精度，极小的导程摩擦力和速度成正比，低速时速度 慢，一般转速不超过

5000RPS

速度可达2m/s以上，加速度可达到3g寿命相较于同规格滚珠丝杠提

几乎为零，加速度可达10g使用寿命 磨损快，寿命短 磨损小，寿命长

高倍 极长现象小小经济成本较低现象小小经济成本较低较高较高初期成本投入高

可实现，滚珠运动的启动力矩

可实现，滚柱运动的启动力矩

可实现国产化率 充分 达以上 仍处于起步阶段 仍未得到广泛应用，国产化率