2024年人形機(jī)器人行業(yè)執(zhí)行器系統(tǒng)專題報告：核心部件-順勢啟航

2024年人形機(jī)器人行業(yè)執(zhí)行器系統(tǒng)專題報告：核心部件_順勢啟航1.執(zhí)行器：人形機(jī)器人硬件系統(tǒng)關(guān)鍵部件1.1兼具精度和成本優(yōu)勢，電動執(zhí)行器是首選動力方式執(zhí)行器（Actuator）是根據(jù)給定信號與閥門位置反饋量之間的偏差，通過微型控制電機(jī)運(yùn)行，通過變速及執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出位置，實現(xiàn)對閥門的自動調(diào)節(jié)。人形機(jī)器人關(guān)節(jié)執(zhí)行器，也稱為一體化關(guān)節(jié)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件，其技術(shù)水平直接影響人形機(jī)器人的發(fā)展。根據(jù)動力來源的不同，執(zhí)行器可分為液壓、氣動、電機(jī)等。由于電機(jī)驅(qū)動方式具有成本低、控制精度高、密閉性好等特點(diǎn)，人形機(jī)器人執(zhí)行器一般采用該驅(qū)動方式。氣壓驅(qū)動：常見于點(diǎn)到點(diǎn)的控制。隨著氣動肌肉和氣壓伺服技術(shù)的發(fā)展，氣壓驅(qū)動逐漸被應(yīng)用到人形機(jī)器人中。但是空氣的可壓縮性和延遲特性使得氣壓驅(qū)動方式難以實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，此外還具有能量效率低、氣壓出力小等缺點(diǎn)，故目前使用較少。液壓驅(qū)動：不需要采用減速裝置，驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單；同時還具備輸出力大、功率重量比高的優(yōu)點(diǎn)，故被用作早期階段人形機(jī)器人的主要動力來源。美國波士頓動力公司發(fā)布的Petman和Atlas均采用液壓驅(qū)動方式。但是液壓驅(qū)動精度較低，制造和維修成本高，目前無法滿足大規(guī)模商業(yè)化的需要，故逐步被電機(jī)驅(qū)動方式所替代。電機(jī)驅(qū)動：具有控制精度高、成本低等優(yōu)勢，是服務(wù)機(jī)器人、人形機(jī)器人首選動力方式。但是電機(jī)驅(qū)動的功率密度不如液壓驅(qū)動，在應(yīng)用中往往需要搭配減速裝置，增大了回程間隙等誤差；同時也較難適應(yīng)大負(fù)載、野外等場景。未來的發(fā)展方向主要是提高驅(qū)動系統(tǒng)的負(fù)載能力和柔性，使其能夠適應(yīng)多元應(yīng)用場景需求。1.2剛性執(zhí)行器是主流方案，準(zhǔn)直驅(qū)執(zhí)行器前景廣闊人形機(jī)器人電動執(zhí)行器的研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代，技術(shù)迭代主要圍繞結(jié)構(gòu)設(shè)計、減速器、控制方式等方面。結(jié)構(gòu)設(shè)計上，執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)歷了從獨(dú)立設(shè)計到和整機(jī)融合的發(fā)展，技術(shù)層面經(jīng)歷了從剛性到彈性，再到準(zhǔn)直驅(qū)的發(fā)展，集成度逐步提升。減速器上，執(zhí)行器用減速器經(jīng)歷了從大傳動比到小傳動比的演變，制造難度逐步降低。控制方式上，執(zhí)行器控制方式經(jīng)歷了從位置控制到力位混合控制和阻抗控制的演變，控制精度逐步提升、能量損耗逐步降低。剛性執(zhí)行器（TraditionalStiffnessActuator）：1983年早稻田大學(xué)研究的WL-10R機(jī)器人使用剛性執(zhí)行器TSA，自此人形機(jī)器人開始廣泛應(yīng)用剛性執(zhí)行器為關(guān)節(jié)動力源。該方案控制精度高、技術(shù)成熟，目前也是人形機(jī)器人執(zhí)行器的主流方案。彈性執(zhí)行器（SeriesElasticActuator）：1995年麻省理工學(xué)院的Pratt等人提出了彈性執(zhí)行器SEA的概念，拉開了彈性驅(qū)動器研究的序幕。美國宇航局的機(jī)器人Valkyrie和意大利技術(shù)研究院的機(jī)器人Walk-Man都使用了彈性驅(qū)動器。準(zhǔn)直驅(qū)執(zhí)行器（ProprioceptiveActuator）：2016年Wensing等提出了準(zhǔn)直驅(qū)執(zhí)行器PA的概念，并將其應(yīng)用于四足機(jī)器人Cheetah和雙足機(jī)器人Hermes，準(zhǔn)直驅(qū)執(zhí)行器是最近幾年研究的熱點(diǎn)。1.2.1剛性執(zhí)行器：控制精度高，能量效率低剛性執(zhí)行器主要由電機(jī)、高傳動比減速器、編碼器、力矩傳感器和控制板等組成，力矩傳感器是可選器件。根據(jù)《雙足機(jī)器人腿部及其驅(qū)動器的設(shè)計理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》一文，Lola、SDR、DynamixelProSeries等機(jī)器人的執(zhí)行器采用該方案。它們在電機(jī)上，多選擇無刷電機(jī)；在減速器上，絕大多數(shù)剛性執(zhí)行器方案采用諧波減速器、少部分采用擺線針輪減速器；在編碼器上，幾乎都采用絕對式編碼器。目前剛性執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計基本定型，前瞻研究主要集中在電機(jī)和減速器等零部件的整體優(yōu)化設(shè)計上。從實際應(yīng)用來看，剛性執(zhí)行器具備控制精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，成為主流方案。但是受限于元器件工藝和原理，傳統(tǒng)剛性執(zhí)行器的功率密度很難達(dá)到生物肌肉的水平500W/kg，同時也解決不了機(jī)器人受外部沖擊時零部件強(qiáng)度問題，故很難適配大負(fù)載、高運(yùn)動強(qiáng)度的關(guān)節(jié)部位。1.2.2彈性執(zhí)行器：功率調(diào)制好，控制方式相對復(fù)雜彈性執(zhí)行器主要借鑒Hill肌肉三元素力學(xué)模型，通過模擬動物利用骨骼肌肉系統(tǒng)在運(yùn)動過程中儲存和釋放能量的過程，使得執(zhí)行器表現(xiàn)出柔順、安全和高能量效率特性。從結(jié)構(gòu)上看，彈性執(zhí)行器在剛性執(zhí)行器基礎(chǔ)上增加了彈性元件。根據(jù)彈性元件原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同，目前市面上主要有串聯(lián)彈性執(zhí)行器、并聯(lián)彈性執(zhí)行器、離合式彈性執(zhí)行器和多模態(tài)彈性執(zhí)行器幾類產(chǎn)品。串聯(lián)彈性執(zhí)行器SEA（SeriesElasticActuator）：是在剛性執(zhí)行器的驅(qū)動元件和負(fù)載間增加彈性單元，從而具有緩沖機(jī)器人觸地沖擊和緩解外部碰撞沖擊的作用，同時還可以儲存能量。但是由于彈性元件引入，系統(tǒng)變?yōu)榍夫?qū)動系統(tǒng)，運(yùn)動控制精度較低。并聯(lián)彈性執(zhí)行器PEA（ParallelElasticActuator）：彈性元件的連接方式由串聯(lián)改變?yōu)椴⒙?lián)。相對傳統(tǒng)剛性執(zhí)行器，此方案可以顯著提高輸出功率，降低能量損耗。根據(jù)《雙足機(jī)器人腿部及其驅(qū)動器的設(shè)計理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》一文，在實現(xiàn)平滑軌跡跟蹤，尤其是在穩(wěn)定性和對沖擊的魯棒性（在受沖擊時仍能保持正常工作的能力）方面，機(jī)器人手部引入此方案具有優(yōu)勢。離合式彈性執(zhí)行器CEA（ClutchedElasticActuator）：是在彈性元件位置增加離合裝置，控制彈性元件開合，從而能控制能量儲存和釋放，大幅提高了能量效率。多模態(tài)彈性執(zhí)行器MEA（Multi-modeElasticActuator）：是將多個執(zhí)行器集成為一個系統(tǒng)，能夠集合多方面優(yōu)勢。根據(jù)《雙足機(jī)器人腿部及其驅(qū)動器的設(shè)計理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》一文，Mathijssen等使用多個帶有鎖緊環(huán)和鎖板的不完全齒輪作為與電機(jī)并聯(lián)的間歇結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)表明此裝置可以降低電機(jī)扭矩要求，提高效率。目前由于此方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)建模和控制也十分復(fù)雜，相關(guān)技術(shù)應(yīng)用案例較少。1.2.3準(zhǔn)直驅(qū)執(zhí)行器：控制方式簡單，能量效率高準(zhǔn)直驅(qū)執(zhí)行器依靠電機(jī)開環(huán)力控，不依賴于附加力或力矩傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是功率密度高，力控帶寬大，抗沖擊能力強(qiáng)等。最理想的技術(shù)方案是電機(jī)直接驅(qū)動，但受限于工藝和技術(shù)，電機(jī)直驅(qū)的扭矩密度不能滿足機(jī)器人應(yīng)用需求，故實踐中仍然采用電機(jī)加低傳動比減速器的方案。同時此方案要求負(fù)載質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量盡可能小，故多用于機(jī)器人的低負(fù)載關(guān)節(jié)。從結(jié)構(gòu)上看，準(zhǔn)直驅(qū)執(zhí)行器由高扭矩密度電機(jī)、低傳動比減速器、編碼器和控制板等組成。根據(jù)《雙足機(jī)器人腿部及其驅(qū)動器的設(shè)計理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》一文，部分設(shè)計方案在電機(jī)基座和內(nèi)齒圈間增加了離合結(jié)構(gòu)，用于抵擋外界沖擊造成的能量損耗，保護(hù)減速器。在編碼器的使用方面，目前單編碼器方案還沒有很好地解決斷電后回零位的問題，故主流設(shè)計方案多采用雙編碼器或單個新型多圈絕對值編碼器。1.2.4幾種執(zhí)行器的對比對比幾種執(zhí)行器方案的控制精度、功率特性、能量效率、安全性和應(yīng)用場景等，可以得知在控制精度方面，剛性、并聯(lián)彈性、準(zhǔn)直驅(qū)執(zhí)行器控制相對簡單且精度高。功率特性方面，幾種彈性執(zhí)行器功率調(diào)制較好。能量效率方面，離合式彈性、多模態(tài)、準(zhǔn)直驅(qū)執(zhí)行器效率高。安全性方面，準(zhǔn)直驅(qū)執(zhí)行器具有反驅(qū)特性，安全性好。1.3特斯拉人形機(jī)器人執(zhí)行器技術(shù)框架我們以特斯拉Optimus機(jī)器人設(shè)計方案為例來分析執(zhí)行器技術(shù)框架。OptimusGen1執(zhí)行器布置方案為14個直線執(zhí)行器和14個旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，OptimusGen2在頸部增加了2個旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，其余部位預(yù)計未做調(diào)整。30個自由度分布在頸部（2個旋轉(zhuǎn)）、肩部（3個旋轉(zhuǎn)）×2、大臂（1個直線）×2、小臂（2個直線+1個旋轉(zhuǎn)）×2、腰部（2個旋轉(zhuǎn)）、髖部（2個旋轉(zhuǎn)）×2、大腿（2個直線）×2和小腿（2個直線）×2。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器：伺服電機(jī)*1+減速器*1+力矩傳感器*1+編碼器*2+交叉滾子軸承*1+角接觸球軸承*1。1）電機(jī)：采用無框力矩電機(jī)，預(yù)計為特斯拉自研方案。2）減速器：采用諧波減速器。3）力矩傳感器：在手腕、腳腕部位可能會采用多維力傳感器，其余部位用一維力傳感器。4）編碼器：采用輸入位置和輸出位置雙編碼器。直線執(zhí)行器：伺服電機(jī)*1+減速器*1+力矩傳感器*1+編碼器*2+絲杠*1+深溝球軸承*1+四點(diǎn)接觸球軸承*1。1）電機(jī)：采用無框力矩電機(jī)，預(yù)計為特斯拉自研方案。2）減速器：可以使用行星減速器、RV減速器。3）力傳感器：預(yù)計采用一維力傳感器。4）編碼器：預(yù)計采用雙編碼器配置。5）絲杠：采用反向式行星滾柱絲杠，剛度高。2.電機(jī)：執(zhí)行器系統(tǒng)的“血管”電機(jī)（Motor）相當(dāng)于執(zhí)行器的“血管”，其作用是根據(jù)所接收的力矩、速度、位置等指令信號，帶動機(jī)械部件實現(xiàn)特定運(yùn)動。同時電機(jī)中的多種傳感器，如編碼器、力傳感器等，還會將電機(jī)與機(jī)械部件的實時運(yùn)作信息反饋給驅(qū)動器和控制器，從而完成精準(zhǔn)運(yùn)動控制。根據(jù)用途的不同，電機(jī)可以分為驅(qū)動類電機(jī)、控制類電機(jī)、信號類電機(jī)。機(jī)器人中的電機(jī)主要任務(wù)是完成對機(jī)械運(yùn)動的精準(zhǔn)控制，所以屬于控制類電機(jī)。根據(jù)控制方式的不同，又可以分為步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)和力矩電機(jī)，機(jī)器人對運(yùn)動精準(zhǔn)度要求，所以主要采用伺服電機(jī)或力矩電機(jī)。2.1伺服電機(jī)：無刷、直流方案是主要發(fā)展方向伺服電機(jī)（Servomotor）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)動的發(fā)動機(jī)，它可把所收到的脈沖信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。與步進(jìn)電機(jī)相比，它多了一個與電動機(jī)相連的傳感器，用于位置反饋，這意味著伺服電機(jī)每收到1個脈沖，就會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，與接收的脈沖形成呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，就能實現(xiàn)對角速度或線的位置，速度和加速度的精確控制。就內(nèi)部結(jié)構(gòu)而言，伺服電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子上有兩個繞組，勵磁繞組和控制繞組。轉(zhuǎn)子是永磁鐵或感應(yīng)線圈等導(dǎo)磁材料。轉(zhuǎn)子在由勵磁繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的作用下轉(zhuǎn)動。同時伺服電機(jī)裝配有編碼器，工作時驅(qū)動器實時接受到編碼器的反饋信號，再根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較來調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。對比控制精度、變頻特性、過載能力、響應(yīng)速度等性能，可以看到伺服電機(jī)控制精度更高；低頻時運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、高頻時能恒力矩輸出；閉環(huán)控制使得過載保護(hù)能力更強(qiáng)；開機(jī)時響應(yīng)速度更快。就產(chǎn)品特性而言，伺服電機(jī)更適配機(jī)器人高精度要求、多變環(huán)境的應(yīng)用需求。根據(jù)控制電源的不同，可以分為直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。其中直流伺服電機(jī)根據(jù)是否具有電刷，又可以分為有刷直流伺服電機(jī)和無刷直流伺服電機(jī)。對比三種類型電機(jī)，可以看到直流伺服電機(jī)具有控制精準(zhǔn)，轉(zhuǎn)矩特性、線性調(diào)節(jié)特性較好，使用方便且價格便宜等優(yōu)勢。無刷直流伺服電機(jī)以電子轉(zhuǎn)向器取代機(jī)械轉(zhuǎn)向器，減少摩擦和噪音、延長壽命且安全性，但是一定程度增加了成本。根據(jù)《永磁無刷直流電機(jī)技術(shù)》一文，目前在航空航天和軍事裝備、工業(yè)自動化等領(lǐng)域，有刷直流伺服電機(jī)正在逐步被無刷直流伺服電機(jī)所取代。我國伺服電機(jī)技術(shù)處于快速趕超階段。目前技術(shù)水平大約落后西方20年左右，應(yīng)用普及性相當(dāng)于西方40年前的水平。具體看，我國伺服電機(jī)產(chǎn)品主要有以下幾點(diǎn)缺陷：外形普遍較長，外觀粗糙，很難應(yīng)用在一些高檔機(jī)器人上面。尤其是在輕載6kg左右的桌面型機(jī)器人上，由于機(jī)器人手臂的安裝空間非常狹小，對伺服電機(jī)的長度有嚴(yán)格要求。信號接插件的可靠性需要改進(jìn)，整體設(shè)計要與本體更好融合，時限小型化、高密度化，以便于安裝、調(diào)試、更換。高精度編碼器的自研率較低，尤其機(jī)器人上用的多圈絕對值編碼器，嚴(yán)重依賴進(jìn)口，是制約我國高檔機(jī)器人發(fā)展的很大瓶頸。編碼器的小型化也是伺服電機(jī)小型化的重要驅(qū)動力。伺服系統(tǒng)各部分產(chǎn)業(yè)協(xié)同聯(lián)合不夠，導(dǎo)致伺服電機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)整體性能難以做好。磁性材料和制造工藝是生產(chǎn)重要環(huán)節(jié)。從產(chǎn)業(yè)鏈看，伺服電機(jī)上游主要是原材料和電子零部件等其他材料供應(yīng)商。從工作原理可知，磁材是其制造過程中所必需的重要原材料，其壽命和性能直接影響伺服電機(jī)性能。中游包括電機(jī)、驅(qū)動器制造，數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)等環(huán)節(jié)。下游應(yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)療器械、機(jī)器人制造、汽車制造和工業(yè)裝備制造等領(lǐng)域。就參與企業(yè)而言，我國對磁材的開采、冶煉實行總量可控，由六大集團(tuán)完成，代表性企業(yè)有中科三環(huán)、領(lǐng)益智造、安泰科技、銀河磁體等。伺服電機(jī)制造生產(chǎn)企業(yè)則有匯川技術(shù)、星辰科技、江特電機(jī)等企業(yè)，其中匯川技術(shù)是國內(nèi)伺服電機(jī)行業(yè)龍頭。受益于需求擴(kuò)張，我國伺服電機(jī)市場保持穩(wěn)健增長。根據(jù)數(shù)據(jù)，2022年我國伺服電機(jī)市場規(guī)模181億元，同比增長7.1%。我國伺服電機(jī)市場由外資主導(dǎo)，外資品牌占比65%。國產(chǎn)品牌匯川技術(shù)市場份額占比排名第一，市占率15.9%。安川、臺達(dá)、松下及三菱，占比分別為11.9%、8.9%、8.8%及8.3%。2.2無框力矩電機(jī)：人形機(jī)器人普遍采用的電機(jī)類型無框力矩電機(jī)是力矩電機(jī)的一種，以輸出扭矩的的大小為性能指標(biāo)，通常可以被看成極對數(shù)很多的無刷、永磁、直驅(qū)伺服電機(jī)。因為力矩電機(jī)直接連接轉(zhuǎn)子，不需要任何傳動件，因此力矩電機(jī)屬于直驅(qū)電機(jī)。又因為力矩電機(jī)極對數(shù)多，因此可以在中低速運(yùn)動時，提供很高的扭矩。目前是人形機(jī)器人執(zhí)行器普遍采用的電機(jī)類型。就內(nèi)部結(jié)構(gòu)而言，相較于傳統(tǒng)伺服電機(jī)、有框力矩電機(jī)，無框力矩電機(jī)沒有軸、軸承、外殼和端蓋，只有轉(zhuǎn)子和定子兩個部件。轉(zhuǎn)子通常是內(nèi)部部件，由帶永磁體的旋轉(zhuǎn)鋼圓環(huán)組件構(gòu)成，直接安裝在機(jī)器軸上。定子是外部部件，齒輪外部環(huán)繞鋼片和銅繞組，以產(chǎn)生緊密攀附在機(jī)器殼體內(nèi)的電磁力。無框力矩電機(jī)的主要優(yōu)勢有：更高的精度：以科爾摩根的直驅(qū)電機(jī)為例，其相關(guān)的產(chǎn)品位置保持能力比傳統(tǒng)電機(jī)/減速機(jī)好60倍。更大的帶寬：直驅(qū)電機(jī)可以實現(xiàn)更快的啟動/停止操作，并顯著縮短了整定時間。高可靠性且免維護(hù)：齒輪、皮帶和其他機(jī)械傳動部件可能會折斷。在磨損比較嚴(yán)重的啟動/停止應(yīng)用系統(tǒng)中，減速機(jī)需要定期進(jìn)行潤滑或更換。皮帶需要定期擰緊。在直接驅(qū)動電機(jī)中沒有會隨著時間磨損的部件，因而不需要維護(hù)。部件更少，成本更優(yōu)：雖然直接驅(qū)動電機(jī)的價格可能略高于相同轉(zhuǎn)矩的有框電機(jī)/減速機(jī)，但是考慮到它不需要使用機(jī)械傳動伺服系統(tǒng)的很多部件，并節(jié)約了所有額外部件的工作量，因而總體上仍然減少了成本。降低噪音。人形機(jī)器人有望帶動力矩電機(jī)市場規(guī)?？焖僭鲩L。根據(jù)海外市場研究公司Technavio數(shù)據(jù)，2023年全球力矩電機(jī)市場規(guī)模增長6.95%至6.57億美元，市場空間較小。未來隨著人形機(jī)器人逐步放量，無框力矩電機(jī)市場規(guī)模有望快速增長。若以2030年人形機(jī)器人出貨量達(dá)100萬臺，同時無框力矩電機(jī)產(chǎn)品單價下降一半到500元/臺來估算，預(yù)計人形機(jī)器人領(lǐng)域無框力矩電機(jī)市場空間將達(dá)到23.97億美元，疊加傳統(tǒng)領(lǐng)域市場空間的平穩(wěn)增長，總市場規(guī)模有望達(dá)到33億美元。3.減速器：電機(jī)和傳動裝置之間的橋梁減速器（Reducer）是電機(jī)和傳動裝置之間的橋梁，其作用是將伺服電機(jī)輸出的高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的動力轉(zhuǎn)換為低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的動力，從而驅(qū)動機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)行。受限于電機(jī)工藝技術(shù)，目前在機(jī)器人執(zhí)行器中，減速器和電機(jī)通常搭配使用。工作原理上，減速器是通過輸入軸上的齒數(shù)少的齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來達(dá)到減速的目的，大小齒輪的齒數(shù)之比就是傳動比。分類上，根據(jù)工作原理的不同，機(jī)器人用減速器可以分為RV減速器、諧波減速器、精密行星減速器。這三種電機(jī)都是基于行星齒輪傳動原理發(fā)展而來的精密減速器。對比三種機(jī)器人常用精密減速器，可以看到諧波減速器優(yōu)勢在于體積小、價格相對便宜，非常適應(yīng)用于機(jī)器人小關(guān)節(jié)；RV減速器優(yōu)勢在于高負(fù)載、大傳動比，更適用于重型機(jī)械或重負(fù)載機(jī)器人。從2022年全球銷量來看，RV減速器、諧波減速器的市場銷售數(shù)量占比均為40%左右，精密行星減速器、擺線針輪減速器、濾波減速器等共占20%左右。我國減速器市場具備一定規(guī)模，市場競爭趨于激烈。根據(jù)數(shù)據(jù)，2022年我國減速器市場規(guī)模1321億元，同比增長5.01%，2017-2022年五年CAGR約為4.23%。產(chǎn)量方面，2022年我國減速器產(chǎn)量1380萬臺，同比增長14.71%，2017-2022年五年CAGR約為15.51%。均價方面，2022年我國減速器均價為9572元，同比下滑8.46%，近四年呈現(xiàn)連續(xù)下滑趨勢。我國減速器主要應(yīng)用在起重運(yùn)輸、水泥建材、重型礦山、冶金、電力和航空船用等國民經(jīng)濟(jì)及國防工業(yè)領(lǐng)域。2020年起重運(yùn)輸行業(yè)使用減速機(jī)產(chǎn)品的數(shù)量占比約為25.02%，水泥建材行業(yè)使用減速機(jī)產(chǎn)品的數(shù)量占比約為14.89%，重型礦山行業(yè)占比約為9.76%。精密減速器領(lǐng)域仍有短板，未來提升空間較大。與日、歐美等發(fā)達(dá)國家相比，中國對精密減速器的研究開始較晚。20世紀(jì)80年的研究主要集中在傳動原理和構(gòu)造分析上，國內(nèi)缺乏精密減速器的核心設(shè)計和制造技術(shù)，相關(guān)產(chǎn)品大量依賴進(jìn)口?！?63”計劃的實施加大了對相關(guān)核心技術(shù)的投入，我國精密減速器技術(shù)水平不斷提升。目前我國產(chǎn)品整體仍存在承載能力弱、傳動精度不高，使用壽命短、可靠性較差等不足，但與國外的差距正不斷縮小。例如某國產(chǎn)品牌減速器的回差可以做到0.375’，低于某進(jìn)口產(chǎn)品的0.452’。3.1行星減速器：高精度系列可以用于人形機(jī)器人行星減速器由一個內(nèi)齒圈固定，內(nèi)齒圈中心有一個自外部動力所驅(qū)動的太陽齒輪，介于兩者之間有三顆行星齒輪，該組行星齒輪通過滾針等分排布于行星架上。當(dāng)入力側(cè)動力驅(qū)動太陽齒輪時，可帶動行星齒輪自轉(zhuǎn)，并依附于內(nèi)齒圈之軌跡沿著中心公轉(zhuǎn)，行星齒輪公轉(zhuǎn)之旋轉(zhuǎn)帶動行星架（出力軸）輸出動力。普通行星減速器是一種通用減速器，不適用于機(jī)器人；精密行星減速器在驅(qū)動精度和級數(shù)上有明顯提升，適用于機(jī)器人。行星減速器技術(shù)首創(chuàng)于德國。19世紀(jì)以來，受益于汽車和飛機(jī)工業(yè)的發(fā)展，行星齒輪技術(shù)和市場規(guī)模迎來快速發(fā)展。第二次世界大戰(zhàn)后，全球工業(yè)化進(jìn)程提速，減速器的應(yīng)用拓展至艦船、發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)等領(lǐng)域，也促進(jìn)高速大功率、低速重載行星減速器的發(fā)展，行星減速器技術(shù)和應(yīng)用走向通用化。我國對行星齒輪傳動技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用，開始于20世紀(jì)50年代。改革開放以來，國內(nèi)多家單位相繼引進(jìn)了國外先進(jìn)的行星傳動生產(chǎn)及設(shè)計技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了消化吸收和創(chuàng)新開發(fā)，使得國內(nèi)的行星齒輪傳動技術(shù)取得了長足的發(fā)展。近20年來，通過對引進(jìn)的磨齒機(jī)、插齒機(jī)、加工中心及熱處理裝置等的廣泛應(yīng)用，大大提升了制造水平，在硬件上也切實保證了產(chǎn)品的加工質(zhì)量?？傮w而言，近年來我國在各類行星傳動產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用方面都取得了較大進(jìn)展。結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和制造工藝是影響行星減速器機(jī)械效率的重要因素。機(jī)械效率的提高能夠減少精密行星減速器的功耗、提高使用壽命和性能。根據(jù)《行星減速器機(jī)械效率影響因素分析》一文，目前主流精密行星減速器設(shè)計主要有以下特點(diǎn)：傳動比：傳動比效率值隨著傳動比的變化而變化，通常傳動比越大，機(jī)械效率越低。在機(jī)器人等智能設(shè)備的應(yīng)用中，通常采用多級行星減速器來滿足小尺寸、大傳動比的需求。對于多級傳動比的計算，是將每一級的傳動比相乘。因此，每一級減速器速比的分配對減速器很重要，是總體設(shè)計的主要內(nèi)容。通常高速級的第一級傳動選擇較大的傳動比，因為第一級的轉(zhuǎn)矩最小，后面的傳動比可以根據(jù)具體情況合理分配。結(jié)構(gòu)設(shè)計：行星輪和行星架通常被設(shè)計為對稱布置來提高承載能力，普通行星輪采用2-4個不等，精密行星輪較多采用3-4個均勻分布。每增加一個行星輪，就增加了一對齒輪嚙合，傳動效率就會降低。因此，多級行星減速器為了結(jié)構(gòu)緊湊，通常共用內(nèi)齒輪。材料：普通行星減速器的傳動零件齒輪、軸、軸承等主要選用鋼材承載能力強(qiáng)。精密行星傳感器通常采用的材料有鋼材、粉末冶金材料、工程塑料、鋁合金等。內(nèi)齒輪通常選用工程塑料，其強(qiáng)度大、耐熱性好，可以自潤滑。內(nèi)齒圈通常選用工程塑料PA66，其是一種熔點(diǎn)較高的聚酰胺（屬于一種半晶體材料），且粘性低、流動性好，可以用來加工薄壁的元件。行星輪也可以選用工程塑料，如聚甲醛POM、熱塑性彈性、粉末冶金材料等。行星架可以選擇鋁合金材料。我國行星減速器以中低端為主。據(jù)數(shù)據(jù)，2022年我國行星減速器市場規(guī)模5億美元，約為35億元人民幣，同比增長6.16%，2018-2022年四年CAGR約為14%。我國市場主要參與者為外資廠商、合資廠商，高端精密行星減速器國產(chǎn)化率很低。日本新寶、科峰智能及紐氏達(dá)特是我國精密行星減速器市場的主要供應(yīng)商，2022年市場占有率分別為20.4%、11.7%、9.4%。3.2諧波減速器：旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器主流方案諧波減速器是一種新型齒輪傳動裝置，結(jié)構(gòu)上比行星減速器、RV減速器都要簡潔，主要由波發(fā)生器、柔輪、內(nèi)齒剛輪三個基本構(gòu)件所組成。具體來看：波發(fā)生器（WaveGenerator）：由橢圓凸輪和滾珠柔性軸承組成，是主動件或稱為輸入件，其工作時受電機(jī)驅(qū)動力使柔性軸承在裝配過程中產(chǎn)生預(yù)定變形進(jìn)而使得諧波齒輪的柔輪產(chǎn)生可控彈性變形。如果橢圓凸輪具有兩個波瓣，那么波發(fā)生器在諧波傳動過程中每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生波數(shù)為2（波數(shù)對應(yīng)的為柔輪上某點(diǎn)變形循環(huán)次數(shù)），這又稱為雙波傳動。柔輪（Flexspline）：是一個容易變形的薄壁圓筒外齒輪，是從動件或固定件。在波發(fā)生器未裝配時，柔輪未發(fā)生彈性變形，為圓形齒圈。當(dāng)波發(fā)生器裝配進(jìn)柔輪，因其長軸長略微大于柔輪內(nèi)壁直徑，并且柔輪齒數(shù)比剛輪齒數(shù)少2，在波生器長軸兩端就睡出現(xiàn)兩個嚙合區(qū)域，短軸兩端柔輪輪齒遠(yuǎn)離剛輪輪齒，柔輪被迫呈現(xiàn)橢圓型狀。剛輪（CircularSpline）：是一個剛性的內(nèi)齒輪，是從動件或固定件。剛輪和柔輪一同具有三角形（或漸開線）的齒形，且兩者的周節(jié)相等，但剛輪比柔輪多幾個齒（通常為兩齒）。就整體工作原理而言，如果波發(fā)生器沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，固定剛輪，能使柔輪發(fā)生連續(xù)變形，那么剛?cè)彷嘄X嚙合位置會在柔輪逆時針旋轉(zhuǎn)時不斷變化。如果是上文提到的雙諧波傳動，波發(fā)生器每一次整圈旋轉(zhuǎn)柔輪便會逆時針轉(zhuǎn)動兩齒，以此使得柔輪輪齒與剛輪輪齒歷經(jīng)多次“嚙入-嚙出-分離-嚙入-嚙出”過程。諧波減速器首創(chuàng)于美國，日本技術(shù)領(lǐng)先世界。1944年，前蘇聯(lián)工程師莫查維提出依靠柔輪的連續(xù)波動變形進(jìn)行傳動的工作原理。十年后，美國工程師Musser.C.W研制出第一臺諧波齒輪傳動減速器裝置，緊接著1959年美國聯(lián)合制鞋機(jī)械公司取得了諧波傳動技術(shù)的發(fā)明專利，并于第二年發(fā)表了諧波傳動技術(shù)資料和展示了實物。1970年，日本長谷川齒輪株式會社從航天局NASA引進(jìn)了諧波減速的相關(guān)技術(shù)，而后成立了哈默納科公司，自那時起其諧波減速器的技術(shù)水平領(lǐng)先世界。隨后歐洲部分國家，如意大利、德國、法國等，也對諧波減速器進(jìn)行了研究，為推動諧波傳動的發(fā)展做了巨大貢獻(xiàn)，其產(chǎn)品近些年來廣泛應(yīng)用于歐洲的機(jī)器人和衛(wèi)星等高端領(lǐng)域。比如德國Micromotion已經(jīng)開發(fā)出了MHD8和MHD10兩種系列的微型諧波減速器產(chǎn)品，其中最小外徑僅為8mm，最小質(zhì)量為2.2g。我國行業(yè)發(fā)展方面，1961年上海紡織科學(xué)研究院的工程師孫偉將諧波傳動技術(shù)引入國內(nèi)。我國于1962年研制出了第一臺諧波減速器。從參與的科研機(jī)構(gòu)和公司來看，綠的諧波表現(xiàn)突出，自2003年開始從事精密諧波減速器的研發(fā)，目前已研制出十幾個系列，近千種諧波減速器產(chǎn)品，得到國內(nèi)、國際市場的高度贊揚(yáng)和肯定。相較于綠的諧波產(chǎn)品在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用較廣，中技克美的產(chǎn)品在航空航天和軍工領(lǐng)域占有較大的市場份額。但我們諧波傳動系列產(chǎn)品的整體水平與技術(shù)先進(jìn)的國家相比仍有差距。如在結(jié)構(gòu)尺寸及傳動參數(shù)幾乎相同的情況下，國外品牌的諧波減速器的承載能力比國內(nèi)的更強(qiáng)。齒輪設(shè)計和材料是影響諧波減速器傳動精度和疲勞壽命的關(guān)鍵。具體來看：齒輪設(shè)計：是突破專利技術(shù)的關(guān)鍵，優(yōu)異的齒輪設(shè)計可以提升傳動精度、減少能量損耗。目前市場中主要的齒輪設(shè)計有哈默納克的IH齒形，綠的諧波的P齒形和浙江來福的δ齒形等，其中IH齒形是基于余滋凸輪波發(fā)生器開發(fā)的雙圓孤達(dá)形，該產(chǎn)品憑借獨(dú)特優(yōu)勢壟斷了主要國際市場。材料：根據(jù)《雙圓弧諧波齒輪傳動誤差影響分析》一文，柔輪剛度需求高，國內(nèi)外諧波減速器的柔輪主要采用機(jī)械強(qiáng)度高、綜合性能好的材料，如40CrA、30CrMnNiA等中碳合金鋼。若不考慮價格，還可以加入復(fù)合材料優(yōu)化傳動性能。我國諧波減速器市場快速增長，成果顯著。根據(jù)數(shù)據(jù)，2022年我國諧波減速器市場規(guī)模21億元，同比增長12.90%，2017-2022年五年CAGR約為10.76%，預(yù)計到2025年市場規(guī)模將達(dá)到33.2億元。哈默納科是我國市場龍頭，2022年市場份額占比約為38%。諧波減速器進(jìn)程較快，國產(chǎn)品牌份額不斷提升。2022年綠的諧波、來福、新寶、同川、大族市場份額分別為26%、8%、7%、6%、4%。3.3RV減速器：負(fù)載優(yōu)勢突出，高成本限制普及RV減速器是由一個漸開線圓柱行星齒輪減速器的前級和一個擺線針輪減速器的后級組成。就微觀結(jié)構(gòu)而言，第一級減速機(jī)構(gòu)是漸開線行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，主要由輸入軸（太陽輪）和行星輪組成；第二級減速機(jī)構(gòu)是擺線針傳動減速機(jī)構(gòu)，主要由擺線輪盤、針齒殼、針齒、行星架、轉(zhuǎn)臂軸承、支撐軸承、輸出盤等組成。若電機(jī)驅(qū)動輸入軸順時針方向轉(zhuǎn)動，輸入軸轉(zhuǎn)動帶動行星輪圍繞其旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生逆時針方向自轉(zhuǎn)，然后通過曲柄軸的轉(zhuǎn)動帶動兩個擺線輪偏心轉(zhuǎn)動，這時擺線輪除了會繞著它的軸線轉(zhuǎn)動外還會沿順時針方向自轉(zhuǎn)，同時會通過曲柄軸推動鋼架結(jié)構(gòu)組成的輸出盤做沿順時針方向的轉(zhuǎn)動鋼架結(jié)構(gòu)組成的輸出盤做沿順時針方向的轉(zhuǎn)動以輸出轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)大傳動比減速的效果。1983年日本帝人精機(jī)基于擺線針輪減速器理論，率先提出RV傳動理論，并于1986年推出了RV系列減速器。2003年帝人精機(jī)株式會社和納博克株式會社合并成為Nabtesco（納博特斯克）公司，一直致力于RV減速器的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化研究，掌握了核心技術(shù)，并取得快速發(fā)展，在機(jī)器人減速器領(lǐng)域處于壟斷地位。隨后海外其它國家也相繼研制出與RV減速器原理類似的高精度減速器。韓國SEJIN公司自行開發(fā)出新擺線齒形的工業(yè)機(jī)器人扁平高精度減速器，已推出PQ擺線、XQ擺線以及CK擺線等多個系列產(chǎn)品，但其市場占有率很小，近幾年有逐漸淡出的跡象。此外，美國Onvio公司、斯洛伐克Spinea公司均有高精度的RV減速器產(chǎn)品。我國研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)雖然在精密行星減速器、諧波減速器領(lǐng)域已取得一定成果，但是對于重載驅(qū)動的RV減速器的核心技術(shù)沒有完全掌握，尚不足大規(guī)模應(yīng)用，目前仍依賴于進(jìn)口。RV減速器對結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)工藝要求很高，我國產(chǎn)品壽命較短、量產(chǎn)能力差。目前我國精密齒輪減速器在精度、剛性、效率等方面與國外優(yōu)秀產(chǎn)品差距不大，主要短板在于精度保持性差、使用壽命短和大批量產(chǎn)品性能一致性差三個方面。具體看問題主要在兩個方面：一是對擺線輪齒形設(shè)計及嚙合理論研究不足；二是對核心零部件制造、檢測和熱處理等工藝研究不足。齒輪修形：國外目前已經(jīng)成功地解決了擺線齒輪齒形修形、制造精度、加工工藝優(yōu)化等技術(shù)難題。國內(nèi)雖然也取得了一些成果，但受限于與國外先進(jìn)機(jī)構(gòu)之間的信息交流壁壘，國內(nèi)減速器產(chǎn)品大多仿制日本產(chǎn)品，正向設(shè)計研究工作較少，導(dǎo)致我國精密減速器產(chǎn)業(yè)一直扮演追趕著的角色。加工工藝：與日本企業(yè)嚴(yán)格的質(zhì)量管理相比，我國存在檢測能力差、質(zhì)量檢查不嚴(yán)格、生產(chǎn)環(huán)境不規(guī)范等不足。此外，精密減速器的制造受限于超高精度加工裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，像高端數(shù)控加工中心和齒輪磨床穿品等，我國都依賴于日本進(jìn)口。我國RV減速器快速成長，日系品牌壟斷市場。根據(jù)數(shù)據(jù)，2021年我國RV減速器市場規(guī)模42.9億元，同比增長50.53%，2018-2021年三年CAGR約為15.84%，預(yù)計到2025年市場規(guī)?？蛇_(dá)60億元，2021-2025年間復(fù)合增長率約為8.75%。日本納博特斯克在近幾十年牢牢掌握該領(lǐng)域壟斷地位。近幾年隨著工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域的快速發(fā)展，市場對各類型的RV減速器需求迅速增長，為其他品牌進(jìn)入創(chuàng)造了空間，我國企業(yè)如中大力德等快速成長。4.絲杠：直線執(zhí)行器的傳動裝置絲杠是位于直線執(zhí)行器末端的線性傳動裝置，其作用是減速器輸出的扭矩轉(zhuǎn)換成線性往復(fù)運(yùn)動力，從而驅(qū)動關(guān)節(jié)完成軸向往復(fù)運(yùn)動。就分類而言，根據(jù)精度和載荷大小的不同，可以分為普通絲杠（梯形絲杠精度為7-9級，滾珠絲杠為D-H級）和精密絲杠（梯形絲杠精度6級以下，滾珠絲杠為C級）。根據(jù)摩擦特性的不同，可以分為滑動/梯形絲杠、滾動絲杠和靜壓絲杠。滾動絲杠又可以細(xì)分為滾珠絲杠和行星滾柱絲杠兩大類。4.1滾珠絲杠：常用于中大負(fù)載的工業(yè)自動化設(shè)備滾珠絲杠（BallScrew）是由滾珠、螺母、絲杠、反向器組成。反向器，即一個滾珠循環(huán)通道，它的作用是防止?jié)L珠從內(nèi)滾道中滾出，同時也使得整體的結(jié)構(gòu)更為簡單。當(dāng)絲杠軸（或螺母）轉(zhuǎn)動時，絲杠與螺母之間的滾珠會沿著螺紋內(nèi)滾道滾動，從而帶著絲杠軸（或螺母）進(jìn)行直線運(yùn)動。根據(jù)滾珠循環(huán)方式的不同，滾珠絲杠可以分為內(nèi)循環(huán)式和外循環(huán)式。內(nèi)循環(huán)式結(jié)構(gòu)簡單、便于進(jìn)行微型設(shè)計；但是由于反向器珠槽為空間曲面，加工難度大。其緊湊的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢使其適用于中小導(dǎo)程、中低速場合，例如3D打印機(jī)、中小型醫(yī)療掃描儀等。外循環(huán)式由于滾珠在體外循環(huán)往復(fù)運(yùn)動，制造尺寸較大，適用于載荷較大的場合，常見于大型重載機(jī)床等領(lǐng)域。絲杠是典型的工業(yè)制成品，產(chǎn)品精度越高、制造難度越大。滾珠絲杠的精度表示方法為：不論滾珠絲杠有多長，任取一段300mm，誤差都在等級代表的精度之內(nèi)。根據(jù)金屬加工雜志介紹，按我國標(biāo)準(zhǔn)分類，精度等級有P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10，日本、韓國，還有中國臺灣省采用JIS等級，即C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10；歐洲國家的標(biāo)準(zhǔn)采用的是IT0，IT1，IT2，IT3，IT4，IT5，IT7，IT10。標(biāo)號越低/高，精度越高/低。一般來說，普通機(jī)械采用C7、C10級；數(shù)控設(shè)備采用C5、C3級；航空制造設(shè)備，精密投影及三坐標(biāo)測量設(shè)備等一般采用C3，C2精度。與滑動絲杠相比，滾珠絲杠在傳動精度、傳動效率、壽命、同步性等方面具備顯著優(yōu)勢；同時隨著產(chǎn)量不斷增長，二者價格差異越來越小。未來滾珠絲杠不僅在不同精度需求領(lǐng)域具備廣闊空間。需求廣泛市場規(guī)模穩(wěn)步增長，國內(nèi)市場由外資品牌主導(dǎo)。滾珠絲杠廣泛應(yīng)用于機(jī)床、工業(yè)自動化、儀器儀表等領(lǐng)域，國內(nèi)工業(yè)設(shè)備的快速發(fā)展帶來了穩(wěn)定的市場需求。據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2022年我國滾珠絲杠市場規(guī)模約為28億元，同比增長9.38%。從價格走勢看，近幾年我國滾珠絲杠市場競爭不斷加劇。國內(nèi)滾珠絲桿價格從2014年225元/套的均價下降至2022年的180元/套，下降速度趨緩。外資品牌在我國中高端市場中的份額保持領(lǐng)先，并不斷搶占經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品份額。國產(chǎn)品牌技術(shù)持續(xù)提升，產(chǎn)品逐步由低端向中高端迭代。從全球市場看，日系、歐系品牌仍占據(jù)主導(dǎo)地位。據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，全球主要的滾珠絲桿廠商有NSK、THK、SKF等，2021年日本和歐洲滾珠絲杠企業(yè)全球份額約70%。全球CR5市占率約46%，主要來自歐洲和日本。4.2行星滾柱絲杠：人形機(jī)器人傳動裝置的理想方案行星滾柱絲杠通過在主絲杠周圍布置若干行星螺紋滾柱，大幅增加絲杠傳動過程的接觸面和受里面，從而具備了“高承載、高效率、高精度、高可靠性”等優(yōu)點(diǎn)。受限于高成本、低產(chǎn)量，以前行星滾柱絲杠需求較小。近些年隨著機(jī)器人等高端制造領(lǐng)域快速發(fā)展，行星滾柱絲杠具備較大發(fā)展?jié)摿?。根?jù)結(jié)構(gòu)組成及運(yùn)動關(guān)系的不同，可分為標(biāo)準(zhǔn)式行星滾柱絲杠、反向式行星滾柱絲杠、循環(huán)式行星滾柱絲杠、差動式行星滾柱絲杠、軸承環(huán)式行星滾柱絲杠。反向式、循環(huán)式、差動式等變形產(chǎn)品通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以實現(xiàn)更高負(fù)載運(yùn)動，但對應(yīng)的傳動效率會有所降低。反向式優(yōu)勢是適配于機(jī)電一體化設(shè)計，主要應(yīng)用于中小負(fù)載、小行程和高速的應(yīng)用場景。循環(huán)式優(yōu)勢是嚙合螺紋數(shù)量大，最大設(shè)計負(fù)載大，主要應(yīng)用于要求高剛度、高承載、高精度的場合，如醫(yī)療器械、光學(xué)精密儀器等領(lǐng)域。差動式優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡潔、導(dǎo)程小，適用于傳動比較大的場合。與滾珠絲杠相比，行星滾柱絲杠負(fù)載的傳遞單元使用螺紋滾柱而不是滾珠，能夠承受更高的靜態(tài)負(fù)載和動態(tài)負(fù)載，靜載為滾珠絲杠的3倍，壽命為滾珠絲杠的15倍。同時具有更強(qiáng)的剛度和抗沖擊能力，可以提供更高的轉(zhuǎn)速及更大的加速度。此外，行星滾柱絲杠為螺紋傳動，螺距設(shè)計范圍更廣，理論導(dǎo)程可以比滾珠絲杠更小。生產(chǎn)工藝進(jìn)步推動行星滾珠絲杠發(fā)展，歐洲品牌引領(lǐng)全球。行星滾柱絲杠最早起源于1942年，一名瑞典的發(fā)明家CarlBrunoStrandgren（卡爾·布朗·斯特蘭德格倫）申請了第一個循環(huán)式滾柱絲杠的專利。但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大和成本較高的原因，在產(chǎn)品問世后的很長一段時間都無人問津。70年代起，隨著武器裝備技術(shù)發(fā)展以及石油、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，瑞士的Rollvis、瑞典SKF（被Ewellix收購）、美國Exlar、瑞士GSA、美國Moog等公司相繼突破專利，現(xiàn)已具備較為齊全的產(chǎn)品種類和系列，標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品精度行業(yè)領(lǐng)先。國內(nèi)生產(chǎn)高精度滾柱絲杠的企業(yè)不多，相關(guān)研發(fā)處于發(fā)展初期，代表企業(yè)有南京工藝、博特精工、鼎智科技、漢江機(jī)床、新劍傳動等。行星滾柱絲杠在負(fù)載和精度需求高的場景具備廣泛空間。根據(jù)金屬加工雜志社最新發(fā)布的《第三屆滾動功能部件用戶調(diào)查分析報告》，數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人是行星滾柱絲杠最主要的需求領(lǐng)域。隨著這類場景對滾動部件的需求向高剛度、重載荷方向發(fā)展，高承載能力、耐沖擊、高剛度的行星滾柱絲杠采用比例逐漸上升。我國市場仍處起步期，國產(chǎn)品牌份額較低。受限于制造工藝難度高，生產(chǎn)設(shè)備有限，行星滾柱絲杠總體市場規(guī)模較低。根據(jù)IHSMarket的預(yù)測。2022年我國行星滾柱絲杠銷量約為10000根，銷售單價為11000元/根，對應(yīng)銷額為1.1億元。國內(nèi)行星滾柱絲杠市場主要被國外廠商占據(jù)，2022年Rollvis、GSA和Ewellix的市場份額占比分別為26%、26%、14%；國內(nèi)行星滾柱絲杠廠商合計市場份額占比為19%，其中以南京工藝、博特精工為代表，市場份額均為8%。5.編碼器：驅(qū)控信息的反饋裝置編碼器（Encoder）安裝在伺服電機(jī)上，通過將角位移（碼盤）或直線位移（碼尺）轉(zhuǎn)換成電信號的方式反饋轉(zhuǎn)子位置和速度，將所獲得的運(yùn)動信息轉(zhuǎn)換為脈沖信號并發(fā)送給驅(qū)動器，以便其進(jìn)行信息比對，確保完成閉環(huán)控制。根據(jù)工作原理不同，主要有霍爾式編碼器、磁編碼器和光電編碼器。霍爾式編碼器成本優(yōu)勢明顯，但精度一般，在中高端伺服系統(tǒng)中很少采用。光電編碼器分辨率優(yōu)勢明顯，但其碼盤容易積灰，從而阻礙LED光透射到光學(xué)傳感器，影響精度。磁編碼器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，精度高，且環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。就目前發(fā)展來說，光電編碼器技術(shù)與磁編碼器相比更為成熟，可達(dá)到的精度更高。5.1光電編碼器：分辨率優(yōu)勢明顯，技術(shù)成熟光電編碼器主要由光源、碼盤及光電檢測裝置等組成，電機(jī)和碼盤同軸，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，碼盤和電機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，使得光柵狹縫與光柵碼盤的位置具有相對位移，從而產(chǎn)生莫爾條紋。主軸旋轉(zhuǎn)每經(jīng)過碼盤上一個柵距大小的角度時，會使得莫爾條紋信號發(fā)生一個周期的變化。位于狹縫后的光電接收元件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)為電信號，再進(jìn)行信號處理后最終輸出對應(yīng)的角位移信息。根據(jù)碼盤編碼方式的不同，光電編碼器可以分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。增量式：采用莫爾條紋技術(shù)，碼盤上的間距是均勻刻劃的，從而每一個分辨率區(qū)間都可以產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖，以零位信號的位置作為基準(zhǔn)位置計數(shù)器以輸出脈沖相對于基準(zhǔn)位置來計數(shù)。如果是正方向轉(zhuǎn)動，則加計數(shù)，反方向轉(zhuǎn)動，則減計數(shù)。增量式編碼器的突出特點(diǎn)就是響應(yīng)迅速，容易實現(xiàn)小型化，結(jié)構(gòu)也相對簡單，但是其斷電后很容易造成數(shù)據(jù)損失，會出現(xiàn)累計誤差的現(xiàn)象。絕對式：一般采用二進(jìn)制碼盤，按照一定的規(guī)律排列碼道，每一個分辨率區(qū)間都對應(yīng)有唯一的二進(jìn)制代碼，所以對應(yīng)軸的每一個轉(zhuǎn)角都可以輸出特定的數(shù)字代碼，該編碼是唯一的，且與其它位置都沒有關(guān)系。相比于增量式，絕對式非常突出的特點(diǎn)就是掉電期間不會造成數(shù)據(jù)損失，能夠保留該位置的信息，抗干擾能力強(qiáng)，一般干擾的瞬間過后就可以恢復(fù)正常。光柵碼盤的材料和工藝是影響編碼器精度的重要因素。光電編碼器分辨率和精度要求越高，光柵所需刻蝕的面積就越大。這使得碼盤使用材料十分關(guān)鍵。通常能用作碼盤的材料有浮法玻璃、K9玻璃、窗玻璃、金屬、光學(xué)樹脂等。玻璃碼盤：精度可以做得很高、熱穩(wěn)定性也很好，但玻璃材料抗沖擊能力、抗震都相對較差；同時由于玻璃密度相對較大，要把精度做高就要增加厚度，就會伴隨著重量增加，使得設(shè)備啟動力矩增加，靈敏度降低。金屬（不銹鋼）碼盤：生產(chǎn)工藝簡單、成本較低，但金屬材料很難做薄且透光率低，所以對精度有一定限制，并且其熱穩(wěn)定性不如玻璃材料。光學(xué)樹脂：在耐高溫、質(zhì)量輕、韌性、抗沖擊力強(qiáng)等方面，都比玻璃有很大的優(yōu)勢。目前該工藝設(shè)計屬于前沿技術(shù)，在國外有一定應(yīng)用?？捎糜诖a盤的光學(xué)樹脂材料有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）等。5.2磁編碼器：兼具成本和精度優(yōu)勢，未來發(fā)展前景可觀磁編碼器主要是由磁柵、磁敏感元件以及信號處理電路組成，通過涂敷磁材料或者刻錄法將磁柵制作成等間距的小磁極，將磁極磁化，安裝在電機(jī)軸上。電機(jī)在旋轉(zhuǎn)的過程中帶動磁柵旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生周期分布的空間漏磁場。磁敏感元件檢測該信號，將周期變化的磁場信號轉(zhuǎn)換成電信號。然后經(jīng)過信號處理電路對其進(jìn)行處理，最終實現(xiàn)磁編碼器的編碼功能。磁柵主要分為單極對式和多極對式；磁敏感元件主要分為霍爾元件和磁阻元件。敏感元件是影響磁編碼器分辨率和精度的關(guān)鍵零部件。敏感