机器人运动控制的关键硬件——执行器

执行器——机器人的关节

机器人通常由执行机构、驱动系统、控制系统、和传感系统四部分组成。机器人执 行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由一系列连杆、关节或其他形式的 运动副组成。工业机器人按臂部的运动形式分为四种：直角坐标型的臂部可沿三个 直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能 回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。这些运动都需要执行器来完成。

执行器可以根据运动分为两类：旋转执行器和线性执行器。1）旋转执行器会将某物旋转一定的角度，可以是有限的也可以是无限的。旋转执行 器的一个典型例子是电动机，它是一种将电信号转换成其轴的旋转运动的执行器， 当电流施加到基本电机时，电机旋转。将电机直接连接到负载上，创建了一个直接 驱动的旋转执行器，许多旋转执行器与用作机械杠杆的机构相结合(优点)以降低旋 转速度并增加扭矩，如果最终结果是旋转，该组件的输出仍然是旋转执行器。2）旋转执行器还连接到将旋转运动转换成来回运动的机构，该机构被称为线性执行 器。线性执行器本质上是沿着直线移动物体，通常是来回移动。这些机构包括：滚 珠/滚柱丝杠、皮带和滑轮、齿条和小齿轮。滚珠丝杠和滚柱丝杠通常用于将旋转运 动转换成精确的直线运动，例如在加工中心。齿条和小齿轮通常增加扭矩并降低旋 转运动的速度，它们也可以与将旋转运动转化为线性运动的机构结合使用。

旋转执行器主要包括 RV 减速器和谐波减速器：1）RV 减速器：RV 通常是用摆线针轮，用于转矩大的机器人关节，主要用于 20 公 斤到几百公斤负载的机器人，一二三轴都是用 RV。RV 长时间使用后的精度保持度 高于谐波。由于 RV 的零部件更为复杂，承载强度更高且制造难度比谐波大，因此 产线的资本开支更高；2）谐波减速器：谐波过去式以渐开线齿形为主，现在有部分厂家使用了双圆弧齿形。谐波可负载的转矩小，通常用于 20 公斤以下的机械臂。谐波里的一种关键齿轮是柔 性的，它需要反复的高速变形，所以它比较脆弱，承载力和寿命弱于 RV。

丝杠是将旋转运动变成直线运动的传动副零件。根据摩擦特性可分为滑动丝杠、滚 动丝杠及静压丝杠，其中滚动丝杠根据载荷传递元件的区别，分为滚珠丝杠和行星 滚柱丝杠：1）滚珠丝杠：是传动机械中应用最为普遍、精度最高的传动装置。具有摩擦阻力小、 传动效率高、定位精度高、刚性高、微进给、高速进给、无侧隙、使用寿命长等特 性。2）滚柱丝杠：相比滚珠丝杠，滚柱丝杠具备高负载、高刚度和长寿命的优势。行星 滚柱丝杠成本高，集中在高端或特殊需求，应用规模不大，主要是对液压执行器的 替代。3）梯形丝杠：和滚珠丝杠的运动原理相同，不同之处在于，梯形丝杠里没有滚珠， 螺母和丝杠轴之间的运动完全靠机械接触产生滑动，是滑动摩擦，所以梯形丝杠也 叫滑动丝杠。滚珠丝杠是滚动摩擦，梯形丝杠是滑动摩擦，滚动摩擦的摩擦系数远 远低于滑动摩擦系数，大多数滚珠丝杠的传动效率高达 90%，有的达到 95%以上， 大多数梯形丝杠的传动效率低于 70%。

执行器决定机器人的负荷和工作精度

机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况。主要 包括：自由度、额定负载、工作空间、工作精度。其他参数还有：工作速度、控制 方式、驱动方式、安装方式、动力源容量、本体质量、环境参数等。

1）自由度：工业机器人的自由度是根据其用途设计的。机器人的自由度反映机器人 动作的灵活性，自由度越多，机器人就越能接近人手的动作机能，通用性越好，可 用直线移动、摆动或者旋转动作的数目来表示。自由度越多，结构越复杂，对机器 人的整体要求越高。工业机器人把机械臂上每一个关节都当作一个独立的伺服机构， 即每个轴对应一个伺服器，每个伺服器通过总线控制，由控制器统一控制协调工作。

2）额定负载：也称有效负荷，是指正常作业条件下，工业机器人在规定性能范围内， 手腕末端所能承受的最大载荷。工业机器人负载范围较大，一般为 0.5～2300kg。当负载较大时，提高电机的功率不划算，可以在适宜的速度范围内，通过减速器来 提高输出扭矩。伺服电机在低频转速下容易出现发热和低频振动，对于长时间工作 的工业机器人不利于确保其精确可靠的运行。精密减速器使伺服电机在合适的速度 下运转，并精确地将转速降到工业机器人各部位需要的速度，提高机械刚性的同时， 输出更大的力矩。

3）工作精度：重复定位精度取决于机器人关节减速机及传动装置的精度，绝对精度 取决于机器人控制算法、编码器精度、减速及传动装置精度等的综合表现。一般来 说，机器人的重复精度高于绝对精度。要提高机器人的绝对精度，需要进行高精度 标定。标定可以分为三级：一级未驱动器与关节传感器的标定，即确定关节位移传 感器产生的信号与实际关节位移之间的关系；二级在一级基础上，加入机器人几何 参数的标定，针对各组成连杆的运动变量误差和各连杆结构参数误差引起的位姿误 差；三级为非几何标定，针对由关节柔度、摩擦、间隙以及连杆柔度等因素引起的 误差。在标定过程中，测量是进行参数辨识和补偿之前的重要环节，包括关节位移 测量和机器位姿测量。位姿测量方法又包括接触式和非接触式，其中接触式测量对 机器人位姿限制较大；非接触式测量中，三坐标测量机只能测量小型机器人，而激 光跟踪仪对环境影响较为敏感，同时操作复杂，测量时间长。

4）工作空间：又称工作范围、工作行程，是指工业机器人作业时，手腕参考中心（即 手腕旋转中心）所能到达的空间区域，不包括手部本身所能达到的区域，常用图形 表示，P 点为手腕参考中心。工作空间的形状和大小反映了机器人工作能力的大小， 它不仅与机器人各连杆的尺寸有关，还与机器人的总体结构有关，工业机器人在作 业时可能会因存在手部不能到达的作业死区而不能完成规定任务。由于末端执行器 的形状和尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的特征参数，工作范围一般是指不 安装末端执行器时，可以达到的区域。

综上，执行器是机器人的关键零部件，对机器人的负荷和精度有重大影响。减速器 是一种减速传动装置，可以通过降低转速而提高扭矩，以传递较大的负荷，克服伺 服电机输出的扭矩较小的缺陷。

Tesla Optimus 关节执行器：结构紧凑、高负载、低能耗

从特斯拉的发布会来看，我们预计特斯拉 Optimus 身体关节共有 28 个，包括三种 旋转执行器（14 个）和三种线性执行器（14 个）。

特斯拉 Optimus 旋转执行器方案猜测：永磁无刷电机+谐波减速器+抱闸+双编码 器+力矩传感器+轴承。采用谐波传感器的优点：小体积，大速比，可达 160：1，扭矩密度比较高。轴向尺 寸小，执行器关节轴向可以比较紧凑。在机器人行业，大多数关节都没有集成扭矩 传感器，这是从成本，集成难度，刚度损失等方面考虑的。集成扭矩传感器的优势 在于关节更加安全，力控算法更简单。

特斯拉 Optimus 直线执行器方案猜测：永磁无刷电机+行星滚柱丝杠+位置编码器 +力传感器+轴承。采用线性执行器驱动器关节的优势：1）空间利用率高。相比传统旋转执行器分布于 关节附近，线性执行器可以纵向布局，最大限度利用腿部内部空间，布置更大更长 的电机，提供更大的推动力。2）具备自锁能力。线性执行器的螺杆传动机构通过合 理设计可以具备自锁能力，即下半身不动时可以自动锁定姿态，不耗能，形成一个 低功耗且稳定的底部支架。3）低能耗，高负载。上肢的肘关节屈伸采用线性执行器 的理由和腿部原理一致，低耗能高推力。前臂的两个线性执行器构成并联关节主要 目的是降低腕关节的尺寸。纤细的腕关节有两个好处：一是在抓握时降低关节与工 件的干涉，提高抓握路径的灵活性；二是降低前臂对视觉构建及视觉位置反馈的干 扰，提升控制精度。采用行星滚柱丝杠，可以输出高精度和高承载能力。行星丝杠的节距可以做的很小， 所以很容易通过小扭矩实现大推力，电机的功率和体积可以小一些。电机的转子集 成到了螺母上，整体结构更为紧凑。2.2Kg 的执行器输出可达 8000N，推力密度高。

人形机器人旋转执行器：需求弹性及供给能力分析

减速器在工业机器人中成本构成占比 35%，价值量最高，预计在人形机器人中价值 量依然会占到较高比重。工业机器人的控制过程是：控制器发指令给伺服驱动，驱 动伺服电机旋转，通过减速机执行动作，在工业机器人上游的三大部件中，减速器 成本占比最高 35%，伺服系统（伺服电机+伺服驱动器）、控制器，分别占比 25%、 10%。

人形机器人产业化对谐波减速器需求的敏感性分析

2017～2021 年精密减速器（谐波+RV）销量从 49 万台增长至 101 万台，复合增 速19.8%，工业机器人用精密减速器销量从41万台增长至84万台，复合增速19.5%。2021 年占比 82%。2018～2021 年精密减速器市场规模从 57.7 亿元增至 59.5 亿 元，复合增速 1%，这与国产替代速度加快，均价下行有关。人形机器人运动执行部件可能采用谐波减速器作为主要的执行部件之一，我们假设 人形机器人不同年销售规模，对谐波减速器的需求弹性进行敏感性分析。核心假设：1）本次测算假设人形机器人年销量在 10~100 万台之间；2）单台人形机器人配置谐波减速器 14 个；3）马斯克在特斯拉的开放日上提出，特斯拉人形机器人最终售价将下降到 2 万美金 以下，与目前产业链的成本来看，有很大降本空间。我们暂时无法对产业链各环节 成本下降的幅度和速度做出假设，我们认为，技术成熟及产业链成本下降是产业化 的前提，规模化是技术成熟和成本下降后的必然。

从目前已知的信息来看，人形机器人采用 RV 减速器的概率相对比较小。因此我们 不对 RV 减速器进行敏感性分析。预计 RV 减速器未来的主要应用场景还将是在工 业机器人上。

谐波减速器供给格局：国产化提速

哈默纳科是目前世界最大的谐波减速器生产商，全球市场份额超过 80%。谐波传动 最初用于美国航天运动控制，谷川齿轮将其引入日本并量产，于 1970 年成立哈默 纳科。经过五十余年的技术迭代、海外版图扩张，哈默纳科垄断了全球谐波减速机 市场份额，产品矩阵愈加丰富，包括精密减速机（谐波减速器、减速器组件和行星 减速器）和机电一体化产品（执行器、控制器）。2021 年哈默纳科营业收入 570 亿 日元，2000~2022 年均复合增速 8.3%，与全球工业机器人行业增速基本一致。毛 利率稳定在 40%左右，净利率维持在 20%以上。

国内谐波减速器发展迅速，绿的谐波率先打破垄断，同川、大族紧追其后，双环、 中大力德、国茂股份开始入局。我国谐波减速器厂商起步较晚，受益于我国工业自 动化对工业机器人的旺盛需求，国产谐波得以快速发展，近年来国产替代脚步加快。2021 年，哈默纳科占中国谐波减速器 38%的市场份额，相较 2018 年 52%的市场 份额显著下降。以绿的谐波为代表的国产谐波减速器份额提升明显，随着行业德蓬 勃发展，国内入局新玩家增多，日本新宝、台湾来福份额稳定，同川、大族等企业 也占据了一定的市场份额，中大力德、国茂股份、光洋股份也加入竞争，国内产能 建设提速。国产谐波以价换量，高端产品技术突破成为关键。谐波减速器结构简单，在低寿命 的要求下门槛较低。疫情下外资厂商供货周期长，国产品牌把握住市场窗口期快速 放量，但产品多集中在中低端市场。国内企业依托本土优势可以提供低价谐波，2021 年均价 2000 元左右，哈默那科谐波进口单价多在 8000 元及以上，国内企业以一 定的价格优势在销量上表现亮眼。根据 MIR，2021 年绿的谐波、来福减速器销量分 别为 17.8 万、9.5 万台，远超过哈莫纳科的 3.5 万台。

RV 减速器供给格局：国产品牌正在突围

纳博特斯克是世界上最大的 RV 减速器制造商，全球市场份额超过 60%。博特斯克 的前身是日本帝人制机和纳博克株式会社，于 2003 年合并成为控股公司纳博特斯 克的全资子公司。1980 年，日本帝人精机将 RV 减速器应用于机器人行业，解决 了工业机器人存在容易受冲击损坏、手臂振动等问题；1986 年开始被大规模化应 用于工业机器人，赶上日本“机器换人”的浪潮，奠定了其行业领先地位。纳博特斯克营收逐年稳健增长，2003~2022 年均复合增速为 4.9%。营收从 2003 年 1250 亿日元增长至 2022 年 3080 亿日元，2022 年毛利率为 5.9%，净利率为 24.8%。

2021 年纳博特斯克在中国的份额为 52%，国产品牌份额超过 30%，规模靠前的企 业有中大力德、秦川机床、南通振康、珠海飞马、智同科技等。南通镇康 2010 年研 制出第一台 RV 减速器，双环传动、中大力德分别于 2013 年前后开始研发工业机 器人精密减速器。经过十余年的技术积累和产品品类拓展，双环传动市场份额提升 明显，从 2018 年的 7%提升至 2021 年的 15%，国内规模靠前的企业有中大力德、 秦川机床、南通振康、珠海飞马、智同科技等。

机器人用轴承供给格局：主要依靠进口

工业机器人专用轴承主要有等截面薄壁轴承、薄壁交叉圆柱滚子轴承、RV 减速机轴 承及谐波减速器用柔性轴承等，它们大多采用非标准、多滚动体等设计原则。

国内工业机器人配套轴承大部分依靠进口，国内少数厂家虽然生产制造工业机器人 配套轴承，但批量小、品种规格少，零部件通用化程度低，供货周期长，成本髙， 质量不稳定。近年来，我国轴承厂商的制造能力有显著提升，从事机器人配套轴承 研发的主要厂商有：人本轴承、国机精工、洛阳 LYC 轴承公司、北京谐波技术研究 所、洛阳汇工轴、五洲新春。

线性执行器：需求弹性及供给能力分析

人形机器人产业化对线性执行器的需求敏感性分析

2022 年全球滚珠丝杠市场规模 20.4 亿美元，如果不考虑人形机器人产业化，预计 行业将保持低速稳定成长，预计到 2029 年市场规模 30.9 亿美元，2023 年至 2029 年复合增速为 6.1%。亚太地区具有最大的消费市场，占有 58%的市场份额，其次 是欧洲。我们假设人形机器人不同年销售规模，对滚珠丝杠、滚柱丝杠、滑动丝杠的需求弹 性进行敏感性分析。核心假设：1）本次测算假设人形机器人年销量在 10~100 万台之间；2）单台人形机器人配置谐波减速器 14 个；3）特斯拉目前尚未公布其线性执行器具体方案，我们猜测可能的方案分为两种：方案一：4 个滑动+8 个行星滚柱丝杠；方案二：14 个滚珠丝杠；4）马斯克在特斯拉的开放日上提出，特斯拉人形机器人最终售价将下降到 2 万美金 以下，与目前产业链的成本来看，有很大降本空间。我们暂时无法对产业链各环节 成本下降的幅度和速度做出假设，我们认为，技术成熟及成本下降是产业化的前提， 规模化是技术成熟和成本下降后的必然。

滚珠丝杠供给格局：高端外资主导，中低端完成国产替代

滚珠丝杠的主要供应商集中在日、德、台地区，NSK 占据全球最大的滚珠丝杠份额。全球市场被日本 NSK、日本 THK 等企业垄断，CR5 约 46%，日本和欧洲企业合 计占据了全球约 70%市场份额。国内市场上银、银泰占有率接近 50%，NSK、THK 市场占有率约 15%，国内企业占有率约 25%。国产企业起步晚、产业规模小、产品丰富度低、生产效率低，尚未形成有国际影响 力的品牌，主要厂商：南京工艺、博特精工、合肥赛里斯（江苏雷利）、鼎智科技（江 苏雷利）、华欧精密等。国产滚珠丝杠在中低端应用已经基本实现了国产替代，产品 丰富度和技术指标和外商差距不大。在高端产品上，滚珠丝杠的精度、最高速度、 噪音、温升等控制方面以及精度保持性还有待提升，在细分高端市场，国产滚珠丝 杠副开始在机床企业批量使用，如秦川机床，海迈克精密。贝斯特和恒力液压也在 布局相关产品。

滚柱丝杆供给格局：国内处于起步阶段

70 年代，随着武器装备技术及石油、化工、数控机床等对大推力、高精度、高效率、 长寿命的需求提升，行星滚柱丝杠开始被大规模使用。1970 年起，瑞士 ROLLVIS 公司（后被 GSA 收购）致力于行星滚柱丝杆产品的制造与研究。美国的 EXLAR 公 司将行星滚柱丝杠作为六自由度并联机构的传动装置，研制出了一种新型的电推杆， 行星丝杠商用开始加速，目前主要应用于航空航天、武器装备等军事领域和数控机 床、工程机械等民用领域。行星滚柱丝杠市场，全球主要制造业国家与瑞士差距大。国外具备生产行星滚柱丝 杠能力的企业主要有 GSA、SKF、EWELLIX、MOOG 等。GSA 公司是产品系列最 全、规模最大的行星滚柱厂商，在装配、加工工艺、材料及热处理工艺上有深厚的 积累，从产品覆盖规格、生产规模到产品生产经验积累对其他地区形成碾压优势。

国内行星滚柱丝杠处于起步阶段，仅有几家企业具备小批量生产能力，包括：博特 精工、常州思科瑞、南京工艺等。2010 年，博特精工、南京工艺、常州思科瑞等国 产厂商投入行星丝杠的研发，目前已具备小批量生产的能力，国产行星丝杠在承载 能力、产品尺寸覆盖范围上还有差距，产业化、规模化水平处于早期阶段。

技术壁垒：设计、材料、工艺、加工

减速器、丝杠、轴承等精密产品和零部件的技术壁垒都体现在设计、材料、工艺和 加工精度上。最终体现在产品性能上表现为产品的精度保持度、寿命、故障率等。国产减速器同海外产品性能的差距体现在寿命和精度保持性上。在效率、减速比、 传动精度、扭矩刚度等关键指标参数上，国产减速器已经基本达到了国际领先的产 品水平，但是在疲劳寿命、故障率、批量产品的稳定性等方面有差距。根据官网数 据，纳博特斯克销量最高的 RV-C 和 RV-E 系列都具有更高的额定输出转矩和减速 比，寿命可以达到 6000 小时以上。与国外产品相比，国产减速器长时间使用后仍 有出现的磨损、漏油、精度下降的情况；国产谐波减速器在高速场景下容易出现断 裂的现象，产品稳定性和使用寿命上仍需提升。

减速器性能不仅与啮合原理、齿形设计、结构优化等相关，还与原材料、加工、热 处理工艺等因素相关。在效率、减速比、传动精度、扭矩刚度等关键指标参数上， 国产减速器已经基本达到了国际领先的产品水平，但是在疲劳寿命、故障率、批量 产品的稳定性等方面有差距，不仅与啮合原理、齿形设计、结构优化等相关，还与 原材料、加工、热处理工艺等因素相关。本章我们将主要以谐波减速器为例，来说 明高精度核心部件的技术壁垒。

谐波传动技术包括：总体结构、柔轮、刚轮、凸轮、柔性轴承、交叉滚子轴承、齿 形、波发生器、加工制造和试验方法等 10 个分支。从专利申请数量来看，总体结 构、波发生器、柔轮和加工制造是谐波减速器技术的研发重点。

1）波发生器（柔性轴承）：减速机厂家一般是从轴承厂家买来标准的柔性轴承，通 过质检后，再压到自己设计加工的凸轮中变成波发生器。凸轮：虽然采用厂家标准 品对于货期和价格都会比较好，但是由于采用电机的轴径、长度、安装方式的不同， 不少厂家都会对凸轮提出定制要求。进口品牌对减速机大都会进行深度定制，而当 前国产品牌的规模较小，很难进行定制。柔性轴承的核心问题是材料与热处理问题。既要承受球体的压力又要承受高速运动的变形。太软，沟道容易受损，太硬，轴承 容易断裂。凸轮方面主要是加工问题，其实国产当前的加工水平完全可以满足要求， 但是后期批量之后如何选择加工工艺以达到最佳性价比。

2）刚轮：主要生产过程包含下料——热处理——外形加工——齿加工等。打样一 般会采用 40Cr 棒料加工，量产阶段采用球墨铸铁，进口为主，主流厂商进行包炉，。批量生产普遍采用滚齿，成型之后，对齿会进行加强处理，主要采用喷砂或者渗氮 工艺，目的是加硬跟耐磨。

3）柔轮：常用的材料是 40CrNiMoA，也有不同的微量添加。厂家一般是采用棒料 下料后经过锻造后再加工，相比刚轮，柔轮的加工最大的难点有三：一是柔轮精加 工时的壁很薄，要防止变形和抖动，需要有专门的治具把内壁撑起来；第二是要决 定控制窜刀量保证柔性轴承压入后刚好把齿撑起来；第三是齿的修型问题。天下齿 型出 HD，只有极个别厂家有能力设计新的齿型。

4）交叉滚子轴承：谐波减速器专用十字交叉轴承具有很高的刚度、旋转精度以及复 合承载能力，外形紧凑。精密轴承是制造业关键零部件，机器人配套轴承是轴承应 用的一个细分市场。机器人用精密轴承包括：谐波减速器专用十字交叉轴承、柔性 轴承、RV 减速器轴承、交叉滚子轴承、等截面薄壁轴承等。

5）油封及润滑：是非常成熟的零部件，但大厂常会对油封做定制以提升性能。谐波 的润滑分成油润滑和脂润滑两种方式，油润滑，流动性好，润滑就好，热传导也好， 可以提升转速，但对于密封的要求非常高，目前只有 HD 有采用油润滑，因此只有 HD 可以做高速谐波。除了 HD 外，其他厂家普遍采用脂润滑。

设计：齿形设计和传动结构设计是关键

谐波：绿的、来福的齿形设计和传动结构避开了哈默纳科的专利。谐波龙头哈默纳 科先发制人，在齿形设计和传动结构方面申请了专利，国产减速器厂商绿的谐波的 P 齿形、来福谐波的δ齿形率先打破垄断，基本满足谐波减速器的性能需求，但新进 入厂商很难在避开专利限制的情况下设计优良性能的齿形。RV：摆线齿轮修形理论不完善。国内企业对于摆线齿轮修形原理大多基于经验数据， 没有足够的完整的理论基础，导致齿型修形要不断的尝试改进，增加研发时间，且 改进效果并不明显；RV 减速器构成复杂，零部件在设计上的配合和细节参数的优化 都是影响减速器精度的重要因素。

材料及零部件：长期依赖进口

谐波减速器：柔轮材料长期依赖进口。国内外的谐波减速器柔轮材料基本为 40Cr 合 金钢，其中 40CrMoNiA 与 40CrA 最为常用，晶粒和铁氧体相的不合理会导致局部 微裂纹和尺寸精度的变化，对材料的纯度要求高。相同的原材料，由于国外提纯技 术较高、杂质少，因此国产谐波减速器的材料长期依赖进口。

RV 减速器：国产轴承在精度上仍有较大的差距。RV 减速器的原材料包括齿轮钢 （20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5 等）、轴承合金等。国内齿轮钢的生产水平已达 到国外先进的水平，比起日、德、美生产的齿轮钢还有一些差距（淬透性宽、纯度 低等）。外购零部件：部分厂商在轴承、密封圈、滚针、挡圈等零部件会选择外购， 轴承是影响产品精度的一大关键因素，而国产的轴承在精度上仍有较大的差距。

工艺：需要经验积累

热处理工艺是提升减速器疲劳寿命、精度稳定性的关键环节。按照目的不同，热处 理工艺一般分为预备热处理和最终热处理，预备热处理用于改善材料的加工性能， 消除内应力，主要工艺包括退火、正火、时效、调制等；最终热处理的目的在于改 善材料的硬度、耐磨性等，提升减速器疲劳寿命、稳定性，主要工艺包括淬火、渗 碳淬火和渗氮处理等。谐波：柔轮失效是谐波减速器的主要失效形式之一，限制着谐波减速器的使用寿命：柔轮壁薄，同时需承受波发生器和外部载荷的双重作用，良好的热处理工艺是保证 材料结构组织一致的必要前提。国产厂商在柔轮的热处理工艺、慢走丝、连续切割 等加工工艺上存在差距，这也是决定减速器精度和寿命的核心。

RV：设计更复杂，其中摆线轮、偏心轴、针齿壳等核心部件的加工均有很大的难度， 核心难点在于各项工艺的密切配合，包括：加工精度、零件对称性、成组技术、装 配精度等。热处理技术是国产厂商的一大软肋，技术不过关会导致产品变形、硬度 不够。工艺的差距带来的是产品精度、损耗速度和寿命的差距。这也对操作人员的 技术提出了高要求，需要其能根据各种条件的变化，及时调成，保证成品率。

滚珠丝杠的制造工艺主要是两种：轧制和磨制，其中轧制属于批量制造，能达到的 精度较低，但生产效率高，设备门槛高于磨制。我国磨制丝杠发展比较早，非标要 求高，规格产品也算齐全，从一开始的只能满足部分非标需求发展到现在基本满足 所有使用场合，在低噪音，低摩擦，重载低速，高速，还有某些如注塑机的重载专 用丝杠，基本已经完全国产化了。而轧制丝杠起步较晚，直到近年才形成整个体系 产业链，并且已经实现对低端的中国台湾品牌替换。并且有部分细分产品如小导程， 特殊材料，机电集成化丝杠已经基本形成成体系的产业链。

关键设备依赖进口：热处理、磨齿机、三坐标等检测设备

磨齿机、高精度三坐标检测设备、齿轮检测设备是提升减速器齿轮精度的关键设备。谐波减速器加工过程需要用到齿轮加工机床、三坐标测量机、加工中心、磨床、车 床、热处理设备等。RV 减速器加工设备包括齿轮加工机床、加工中心、车床、磨床、 硬拉床、三坐标测量机、热处理设备等，实际工况中 RV 减速器需要反复精确定位， 对加工设备精度要求高，否则会造成产品的磨损。a. 加工设备：核心零部件（例如偏心轴、摆线轮、针齿壳、行星架等）的末道精加 工设备依赖进口， 对核心关键设备仅限于使用层面，在面对工艺上有新的需求或需 要不断优化的时候，国产厂商就无法快速反应。b.专用工装：设备供应商一般不会提供一整套高精度的工装设备，因此自主设计制 作的工装是加工出高精度零部件又一关键因素；c. 检测设备：高精度三坐标检测设备和齿轮检测设备，及相关的材料检测设备，确 保齿确保齿轮质量和尺寸控制准确无误，是高精度 RV 减速器的关键。

热处理设备

国内中高端热处理设备依赖进口。减速器热处理产线通常为定制化，部分企业委外 加工，国内热处理行业发展水平较低，中高档热处理设备长期依赖进口，2017-2021年中国热处理设备制造行业进口额在 2000 万美元左右波动，2019-2021 年中国热 处理设备制造行业进口金额逐年上升，2021 年实现进口金额 23391.03 万美元，同 比上升 16.10%。2017~2021 年进口数量年增长率始终保持在 80%以上，21 年达 到 51404 台，同比增长 83.36%。

国产热处理设备在设备稳定性、信息化程度、产线集成能力等方面还存在差距，部 分厂家部分设备技术水平已经接近国外中高端产品水平。海外领先的热处理设备及 服务公司包括：爱协林、应达、易普森、易孚迪、日本高周波、德国 ALD 等。国内 感应热处理装备制造商综合实力较强的公司为：上海恒精机电设备有限公司，天津 天丰淬火设备有限公司，洛阳升华感应加热股份有限公司，十堰恒进科技有限公司， 十堰天舒机电科技有限公司。其中，上海恒精机电设备有限公司，洛阳升华股份有 限公司，十堰恒进科技有限公司的一些设备技术水平已经接近国外中高端产品水平， 逐渐替代进口产品。

高精度磨床

高精度磨床长期依赖进口，秦川机床、重庆机床、南二齿是磨齿机国产替代龙头。按照齿轮加工工艺分，齿轮机床可分为滚齿机、插齿机、铣齿机、剃齿机、珩齿机、 磨齿机等系列，齿轮加工工序复杂，不同工序对精度要求不同。一般来说，决定减 速器齿轮精度的工序为热处理后的精加工阶段，以磨齿机为主（未经过磨齿的齿轮 最高只能达到 6 级精度，而磨齿机加工过的齿轮最高可达 2 级精度），设备长期依 赖进口，如莱斯豪尔、格里森、卡帕耐尔斯、日本电产等。秦川机床是国内磨齿机 龙头，有望实现高端设备的国产替代，其 YKS7225 双工位高效磨齿机精度可达国标 GB/T10095-2008 的 4 级；重庆机床、南二齿也具备磨齿机生产能力，其中重庆机 床 YS7232/YS7232G 高精密数控蜗杆砂轮磨齿机批量加工精度可达 4-5 级。

高精度三坐标、高精度齿轮检测设备

高精度三坐标国内与国外产品的差距主要体现在三个方面：1）从精度等级上看，进 口精密计量型测量机能达到 0.5 微米以内的检测精度，而国产设备最高仅能达到 0.8 微米，且测量行程低于进口机型。2）进口机型从结构设计到材料呈现多方向发展状 态，而国内多家厂商的产品在结构和材料上几乎完全相同，缺少创新能力；3）进口 机型的控制系统、测头及测量软件等一般都具有自主知识产权，掌握全部或大部分 核心技术；而大多数国产机型除机械本体外，关键组成部分采用国外品牌，自主研 发能力较弱，缺少核心技术。国际比较著名的测量机生产厂家主要有瑞典海克斯康、 德国蔡司、德国温泽以及日本三丰等，其中计量型测量机市场主要被蔡司、海克斯 康垄断。我国三坐标测量机的主要生产厂商有 303 所、西安爱德华、青岛雷顿、集 萃华科等。

产品 SKU 丰富度与客户粘性

国内减速器厂商在产品矩阵的丰富度（SKU）上不及海外厂商，需要时间和技术积 累。哈默纳科、纳博均已成立超过半个世纪，在减速器品类上有深厚积累，其中哈 默纳科谐波减速器产品覆盖 15 个系列共 49 款谐波减速器，包括空心轴减速机、微 型减速机等众多样式；相比之下，绿的谐波产品包括 6 个系列共 19 款产品。纳博 特斯克产品覆盖 3 个系列共 25 款 RV 加速器，双环传动旗下包括 2 个系列共 12 款 RV 减速器。无论是 RV 还是谐波，国产厂商在品类丰富度上均有所差距，且并非能 短期弥补，需要技术、专利、时间的积累。