机械传动行业市场分析

机械传动行业市场分析机械传动：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。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。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。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动、同步带传动、齿形链传动；普通V带传动速度太大、离心力过大，会缩短带的工作寿命，因此带传动的最大允许速度应低于40m/s；链传动存在运动不匀性，不适用于高速传动场合。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：传动尺寸紧凑，一般选用齿轮传动、蜗杆传动、行星齿轮传动；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。主要机械传动机构原理机械传动可实现“回转→回转”、“回转→移动”等运动形式的变换，本章从机械传动可实现的运动形式变换角度出发，对主要机械传动机构分类及原理进行分析。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。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。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。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、传动比要求不严格且中心距较大场合，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、矿山机械、机床及摩托车等。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、内燃机配气机构、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。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。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。“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。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、摆动、往复移动”。连杆机构由若干构件用低副（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。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。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。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表中占比达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。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。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。与一般减速器比较，在输出力矩相同时，谐波减速器的体积可减少2/3，重量可减轻1/2，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。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齿形”、绿的谐波的“P齿形”、川机器人的“RS齿形”；柔轮成型工艺技术壁垒最高，由于需在承受较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。根据研究，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。RV减速器：多关节机器人机身驱动主要减速器RV减速器主要用于重负载部位。RV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，可用于减速器固定或输出连接。针轮和RV齿轮间安装有针齿销，当RV齿轮摆动时，针齿销可迫使针轮与输出法兰产生相对回转；RV齿轮层：RV齿轮层由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个连接脚，用来固定端盖；端盖和法兰的中间位置安装有2片可摆动的RV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、滚针等部件组成，数量与减速器规格有关，小规格减速器一般布置2组，中大规格减速器布置3组，曲轴组件对称分布在圆周上，用来驱动RV齿轮摆动；芯轴层：芯轴安装在RV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，当芯轴旋转时，可驱动2～3组曲轴同步旋转，带动RV齿轮摆动。用于减速的RV减速器，其芯轴通常用来连接输入，故又称输入轴。针轮层、RV齿轮层、芯轴层三层叠加，推动RV减速器实现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：通过RV齿轮的摆动，利用针齿销推动针轮的旋转，称差动齿轮变速。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。RV减速器国产差于谐波减速器，海外龙头国内市占率超50%。RV减速器由日本NabtescoCorporation（纳博特斯克）的前身帝人制机（TeijinSeiki）于1985年率先研发，并获得了专利；1986年帝人制机开始推动RV减速器商品化生产和销售；2003年帝人制机和NABCO合并，成立了NabtescoCorporation，继续进行精密RV减速器的研发生产。由于RV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%。根据研究，2021年我国RV减速器市场规模约42.9亿元，预计2025年将达到60亿元。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型行星轮系为例：装在动轴线上的齿轮在自转的同时绕固定几何轴线公转，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。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，其中中国境内销量为232万台，销售金额为5亿美元，我国行星减速器市场规模全球占比约42%。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。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优势，国产化率仍较低。根据QYResearch，2022年尼得科传动（原新宝）、纽卡特、威腾斯坦全球市占率合计35%，其中，尼得科传动中国市占率约20%。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。滚珠丝杠：工具机械与精密机械中应用最广泛的机械传动滚珠丝杠为工具机械与精密机械中应用最广泛机械传动机构。滚珠丝杠为滚珠丝杠螺母副的简称，属于滚动螺旋传动机构（滚动螺旋传动多数采用钢球，少数采用滚子，一般指滚动螺旋传动即指滚珠丝杠传动），由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器和防尘器等组成，完整的滚珠丝杠传动系统另包括导轨、轴承、联轴器等零部件。滚珠丝杠传动效率和传动精度高，为数控机床、工业机器人等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。滚珠丝杠主要包括内循环、外循环两类结构。滚珠丝杠的精度、刚度为重要选用指标。精度方面，丝杠精度标准主要分为国内标准与JIS标准，前者将滚珠丝杠精度等级分为P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10，7个等级，1级精度最高。后者将丝杠的精度分为C0、C1、C3、C5、C7、C10，6个等级，其中C0、C1、C3、C5，4个等级为精密滚珠丝杠、C7、C10，2个等级为普通滚珠丝杠，台湾还包括C2、C6两个等级。刚度方面，滚珠丝杠的刚度与直径大小直接相关，直径大刚度好，但直径大转动惯量也增大，故需兼顾二者选取最佳直径。一般而言，小型加工中心采用32mm、40mm的滚珠丝杠，中型加工中心选用40mm、50mm的滚珠丝杠，大型加工中心采用50mm、63mm的滚珠丝杠。此外，滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷（径向载荷来自卧式丝杠的自重），螺母座结构、丝杠两端支承形式、丝杠与机床的连接刚度亦会影响丝杠精度与刚度。除精度、刚度外，滚珠丝杠选用也需综合考虑其使用条件、负载、速度、加速度、最大行程、寿命等因素。滚珠丝杠下游主要应用于机床、机器人等领域，价值量占比约2%~3%。根据2020金属加工论坛，机床为滚珠丝杠下游主要应用领域，占比约21%，此外，机器人、航空航天、汽车等应用占比亦较高。结合数据可获取性与时效性，我们选取车床领军企业浙海德曼、国内机器人领军企业埃斯顿分析滚珠丝杠价值量占比，综合来看，滚珠丝杠价值量整机占比约2%~3%。我国滚珠丝杠市场规模超300亿元，全球占比约20%。根据观研报告网，2022年，全球滚珠丝杠市场规模约为230.5亿美元，我国滚珠丝杠市场规模全球占比21%，达47.5亿美元，按照2022年平均汇率计算，约合人民币320亿元。滚珠丝杠过半市场仍待国产化。根据GartnerIntelligence，我国为全球机床产值最大、消费规模最大国家，滚珠丝杠下游最大应用领域即为机床，机床行业高端化有望提升中高端滚珠丝杠需求。根据2020金属加工论坛，滚动功能部件采用比例在40%以上的企业中，经济型滚动功能部件国产化率约为52%，中高档型滚动功能部件国产化率约为48%，考虑到金属加工论坛样本局限性，过半市场或仍待国产替代。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行星滚柱丝杠为性能更佳的螺旋传动。除滚珠丝杠外，行星滚珠丝杠也属滚动摩擦螺旋传动，其与滚珠丝杠的主要区别在于负载的传递单元使用螺纹滚柱，而非滚珠。相较滚珠丝杠，行星滚柱丝杠主要优点包括：1）接触点数量多，能够承受更高的静态负载和动态负载，静载为滚珠丝杠的3倍，寿命为滚珠丝杠的15倍；2）具有更强的刚度和抗冲击能力；3）可以提供更高的转速及更大的加速度，加速度最高可达3g；3）螺纹传动螺距设计范围更广，导程更小，一般导程可做到1mm，微分丝杠可以到0.1mm或更低。行星滚柱丝杠性能显著优于滚珠丝杠，但行星滚柱丝杠技术复杂，加工精度要求高，制造难度大，目前主要用于精度与负载要求较高的航空航天、汽车、油气等领域。根据AcuteMarketResearch，2021年，航空航天、汽车为滚柱丝杠全球主要应用领域，应用占比达45%。标准式行星滚柱丝杠应用最为广泛。按照结构和运动特点，行星滚柱丝杠可分为标准式行星滚柱丝杠、反向式行星滚柱丝杠、循环式行星滚柱丝杠、差动式行星滚柱丝杠和轴承环式行星滚柱丝杠五种形式，其中，标准式为目前应用最广泛类型，其他4种类型均是为适应于不同应用环境而在其基础上演变而来。行星滚柱丝杠技术壁垒较高，工件材料、热处理工艺、磨削工艺等均影响加工质量。滚柱丝杠加工难度较大零件主要为丝杠、滚柱、螺母、内齿圈；螺纹加工、齿轮加工为最重要制备步骤，工件材料、热处理方式、磨削工艺参数、刀具材料、磨削力变形及磨削热变形等因素均会影响加工质量。工件材料：行星滚柱丝杠的丝杠、滚柱及螺母的螺纹滚道会受到连续性、周期性的振动、冲击及摩擦，故应选择硬度高、耐磨性强、抗疲劳性强、承载力高及温度适应性较好的材料，此外，不同零部件需针对性选材。热处理工艺：可分为两大类：预备热处理和最终热处理，前者改善丝杠切削性能、消除残余应力以及为最终热处理做准备，主要工艺包括调质、退火、正火、时效处理等；后者提高螺纹的表面硬度以及耐磨性。热处理工艺直接影响行星滚柱丝杠的精度及可靠性。磨削工艺：行星滚柱丝杠螺纹牙经过热处理后拥有较高硬度，螺纹加工通常采用磨削方法，用砂轮代替车刀、铣刀。螺纹磨削精度受磨削工艺参数、砂轮参数、磨削力与磨削热、磨削液的选用及数控磨床综合性能等因素的影响，故对相关设备、工装及磨削工艺方案要求均较高。行星滚柱丝杠全球市场规模仅约3亿美元，人形机器人有望打开天花板。根据persistencemarketresearch，2023年全球行星滚柱丝杠市场规模预计可达3.0亿美元，预计2033年将达到5.6亿美元。长期维度，行星滚柱丝杠承载高、精度高、抗冲击能力强、转速与加速度大，有望广泛应用于人形机器人，特斯拉Optimus线性关节即采用行星滚柱丝杠，随人形机器人渗透率提升，行星滚柱丝杠市场空间有望打开。全球行星滚柱丝杠市场集中度较高，海外龙头占据主要市场份额。全球行星滚柱丝杠市场集中度较高，根据AcuteMarketReport，龙头企业占据全球行星滚柱丝杠约60%-70%份额。国内市场亦基本由国外企业主导，根据《E公司滚柱丝杠产品营销策略研究》，2021年海外龙头国内市占率约80%。相较于海外龙头，国内公司产品研制及应用尚处于起步阶段，产业化程度犹待提升。静压丝杠：多用于重载大型机械传动，技术壁垒较高静压丝杠即将静压原理应用于螺旋传动中。静压丝杠通过油压/气压在丝杠和螺母的接触面之间产生一层保持一定厚度且具有一定刚度的压力油膜/气膜，使丝杠和螺母之间的摩擦大幅降低，也可将静压丝杠理解为采用静压流体润滑的滑动丝杠。静压丝杠螺纹牙型与标准梯形螺纹牙型相同，但牙型高于同规格标准螺纹的1.5~2倍，以获取良好油封并提高承载能力。根据支撑流体不同，静压丝杠可分为液体静压丝杠与气体静压丝杠。液体静压丝杠的丝杠与螺母以油膜相隔，气体静压丝杠则以气膜相隔，由于空气的可压缩性较强，气膜厚度比油膜小，因此气体静压丝杠定位精度更高，但刚度和承载能力相应降低；此外，相较于液体静压丝杠，气体静压丝杠装置简单，不存在回流装置，也无环境污染。但气体静压丝杠精度要求高，加工较液体静压丝杠更为困难，应用较少。液体静压丝杠具摩擦因数小、机械效率高等优点，但尺寸限制其多用于重载大型机械传动。液体静压丝杠主要优点包括：1）摩擦因数很小，仅为0.0005，小于滚珠/滚柱丝杠，故动力矩很小，传动灵敏，可避免爬行；2）油膜层可以吸振，提升运动平稳性；3）油液流动可散热并减少热变形，提高机床加工精度和表面粗糙度值；4）油膜层有一定的刚度，可减小反向间隙；5）油膜层对误差起到“均化”作用，使得丝杠的传动误差小于丝杠本身的制造误差；6）螺纹表面不直接接触，可长期保持工作精度；7）承载能力与供油压力成正比，与转速无关。但静压丝杠需配备供油系统、尺寸受限、成本较高，且螺母结构复杂、加工困难，故多用于对精度、定位准确度、传动效率等要求较高的重载大型机械传动。静压丝杠技术难度较高，国内产业化程度处于较低水平。由于加工要求较高，静压丝杠国内生产企业相对较少，根据赖志锋《基于液体静压丝杠与液体静压导轨的超精密运动系统研究》（2016）与RobertSchönfeld《静压丝杠：重型机加工中直线电机的替代方案》（2021），虽然国内具备一定流体静压丝杠研究基础，也有一定的应用和产品，但仍未实现规模化生产，而国外已经有了相对成熟的液体静压丝杠生产制造技术，产业化程度相对较高，全球静压丝杠主要生产企业包括HydrostatikSchönfeld、Zollern等。导向及支承机构：配合机械传动机构传递运动及动力导向及支承机构为机械系统各运动装置安全、准确完成特定方向运动提供保障。完整的机械传动装置除机械传动机构外，还需导向与支承机构提供辅助，以确保各运动机构得到安全的支承，并能准确地完成其特定方向的运动。导向支承机构的精度、刚度、抗振性、热稳定性等因素都会影响整个系统的精度、动态特性和可靠性。完成导向及支承功能的主要部件包括导向支承部件、旋转支承部件等，导轨、轴、轴承为核心零部件。导向支承部件：支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动，一般称为导轨副，简称导轨。旋转支承部件：旋转支承中的运动件相对于支承导件转动或摆动，按照其相互摩擦的性质可分为滑动、滚动、弹性、气体（或液体）摩擦支承。旋转支承一般由轴系零件完成。导轨：支承与引导运动部件沿确定轨迹运动导轨为用于支承和引导运动部件沿确定轨迹运动的装置。导轨主要由承导件（工作时固定不动）与运动件（工作时相对承导件作直线或回转运动）组成，按导轨接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨等。对导轨的一般性能要求为：导向精度高、刚度大、运动轻便平稳、耐磨性好以及结构工艺性好。精密机械主要应用滚动导轨，直线运动滚动导轨配合丝杠完成高精度传动。普通滑动导轨静摩擦系数大，并且动、静摩擦系数差值也大，低速易爬行，较少应用于数控机床等对精度要求较高的设备。滚动导轨摩擦因数小，动、静摩擦因数接近，运动轻便灵活、所需功率小，摩擦发热少、磨损小、精度保持性好、低速运动平稳性好、移动精度和定位精度均较高，广泛应用于各类精密机床、仪器中，如低速运动的坐标镗床、数控机床、工具磨床等。滚动导轨按运动形式可分为直线运动导轨与回转运动导轨，其中，直线运动滚动导轨与滚珠丝杠组成的机械传动系统在精密机械中应用最为广泛。直线运动滚动导轨可进一步按结构分为三角平开式、闭式与钢丝滚道导轨，三角平开式导轨主要用于机床工作台，闭式导轨、钢丝滚道导轨多用于仪器。三角平开式导轨中，滚柱导轨承载力高，多用于大型机床，滚针导轨则多用于尺寸要求较高的机器。直线运动滚动导轨对导轨直线度及滚动体尺寸精度要求较高。直线运动滚动导轨为点接触或线接触，对导轨的直线度和滚动体的尺寸精度要求较高，如精密级机床要求导轨直线度在10μm/m以内，两导轨之间的平行度误差小于3μm/250mm，滚动体直径差小于1μm，滚柱锥度小于0.5μm，精密仪器要求则更高。我国直线导轨市场收入全球占比26%，但中高端仍依赖进口。根据QYResearch，2020年全球直线导轨市场收入约20.1亿美元，CR5（THK,Hiwin,NSK,BoschRexroth,Schaeffler）达78%，我国2020年直线导轨市场收入约5.2亿美元，约占全球26%。而根据恒而达2022年10月投资者关系活动记录表，我国直线导轨产品特别是中高端产品严重依赖进口，高端产品主要来自日本、瑞士、德国等国家，中端产品来自中国台湾；同等规格的直线导轨产品，外资价格约为中国台湾厂商的3倍，中国台湾厂商则约为国产厂商的3倍，直线导轨国产替代空间较大。轴：支承旋转零件，传递力与力矩轴主要用于支承轴上零件转动，传递力与力矩。轴为机械设备中受轴承支承的重要零件，直接支承旋转零件，并能传递运动和动力，齿轮、车轮、铣刀等均需安装于轴上才可实现特定功能。按照承载情况不同，轴可分为转轴、传动轴、心轴三类，其中，转轴在机械中最为常用。轴的材料需满足强度、刚度、耐磨性、耐蚀性要求，可选用碳素钢、合金钢、铸铁。轴工作时多需应对周期性交变应力，故轴的材料必须具备较高的强度、刚度和韧性，且对应力集中的敏感性低；此外，轴与轴承发生相对运动的表面应具有足够的耐磨性。轴的常用材料为碳素钢、合金钢、球墨铸铁。不同领域轴应用差异较大。轴种类繁多，不同应用领域成本占比、国产化率差异较大，如转轴（铰链）为折叠屏手机关键零部件，技术仍待突破；一般减速器转轴多可实现国产；机床主轴多替换为电主轴，2020年低/中/高端国产化率分别为82%/65%/6%2，龙头企业加速自制进程。轴承：支承旋转轴及其他运动体，引导运动并承受轴上载荷轴承可分为滑动与滚动轴承，后者应用更为广泛。轴承为用来支承轴或轴上旋转零件的部件，同时承受轴向负荷与径向负荷，主要用于保持轴的旋转精度、减小摩擦和磨损，被称为“机械的关节”、“机械工业的润滑剂”。按工作时摩擦性质的不同，轴承可划分为滑动摩擦轴承（滑动轴承）和滚动摩擦轴承（滚动轴承）两类。前者结构简单、易于制造、成本低，承载能力大，有良好的耐冲击性和吸振性，工作平稳、回转精度高；但摩擦损耗大，润滑和维护要求较高，且轴向尺寸较大。后者摩擦阻力小，起动灵活，工作稳定，效率高，能够在较广泛的载荷、转速及工作温度范围内工作，但抗冲击能力较差，高速、重载下寿命较低，且易出现振动、噪声，径向外廓尺寸较大。滑动轴承一般为非标件，在高速、高精度、重载、径向尺寸受限或结构上要求剖分等场合下性能较为突出，多在内燃机、机床、蒸汽机等重型机械，以及球磨机、滚筒清砂机、破碎机等低速冲击性大的机器中使用；滚动轴承则多为标准件，使用较滑动轴承更为方便，应用更为广泛，一般指轴承即指滚动轴承。滚动轴承主要由外圈、内圈、滚动体、保持架组成，整体材料要求较高。外圈和内圈统称为轴承套圈，是具有一个或几个滚道的环形零件，其中，外圈是指滚道在内表面的轴承套圈，通常装配于轴颈，并与轴一同转动，内圈是指滚道在外表面的轴承套圈，通常装配于轴承座孔内起支承作用。滚动体即装在内外圈滚道之间的球或滚子，承受来自内外圈之间的载荷，实现轴承的滚动运动，与内外圈点/线接触。保持架将滚动体均匀隔开，减小滚动体的摩擦和磨损。由于滚动体与内外圈为点、线接触，接触应力较大，故内外圈及滚动体的材料需具备较高硬度、接触疲劳强度以及良好的耐磨性和冲击韧性，一般采用高碳铬钢、渗碳钢、不锈钢、耐热钢、工具钢等轴承钢，陶瓷、塑料、石墨和碳纤维等非金属材也可作为轴承材料。保持架材料包括钢板、铜合金、酚醛层压布管、玻璃纤维增强酚醛树脂等。轴承种类繁多，深沟球轴承为最常用滚动轴承。根据轴承工作所能承受的载荷方向，将滚动轴承分为向心轴承和推力轴承，向心轴承主要承受径向载荷，推力轴承主要承受轴向载荷，向心轴承、推力轴承按照滚动体形状又可进一步分为向心/推力球轴承、向心/推力滚子轴承，其中，滚子轴承与轴承套圈线接触，接触区域大、摩擦大、速度低，但承载能力更高，球轴承则为点接触，性能相反。在各类轴承中，隶属于向心球轴承的深沟球轴承应用范围最为广泛。中国轴承市场规模全球领先，营收突破达千亿。根据SKF2022年报口径，2022年全球轴承市场规模约3000亿元，其中，中国市场占比近1/3，为全球第一大轴承市场。根据中国轴承工业协会口径，2021年中国轴承行业主营业务收入达2,278亿元。国内轴承企业竞争力增强，但中高端国产化率仍有待提升。根据SKF官网，中国各类轴承企业全球市占率由2018年的20%提升至2022年25%，全球六大轴承企业（SKF,SchaefflerGroup,Timken,NSK,NTNandJTEKT）市占率则从60%降至55%。中国轴承企业竞争力有所增强，但销售市场仍主要在亚洲区域，且从轴承进出口情况来看，进口轴承价格远高于出口，表明中高端市场或仍为海外企业主导，国产化率有待提升。高精机械传动国产替代：材料、设备、工艺、验证缺一不可材料：国产材料筑基不牢材料为高精度机械传动机构制备基础。综合各类精密机械传动系统组成零部件，材料选择均具较高要求，如：谐波减速器：需使用高强度、高弹性特种材料制作，尤其是柔轮、轴承材料，一方面需承受较大交变载荷并不断变形，另一方面还需具较高的硬度以降低磨损，材料材质、疲劳强度要求均较高。根据中大力德23年6月公告，公司谐波减速器的柔轮、刚轮材料仍需日本进口。滚珠丝杠：高精度滚珠丝杠的要求材料有良好的强度、刚性、耐磨性、耐腐蚀性、冲击韧性、抗疲劳性和高温性。行星滚柱丝杠：丝杠、滚柱及螺母的螺纹滚道会