人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈分析——絲杠

工業(yè)機器人的驅(qū)動源通過傳動部件來驅(qū)動關(guān)節(jié)的移動或轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機身、手臂和手腕的運動，因此滾珠絲杠等傳動部件是工業(yè)機器人的重要組成部分。最近關(guān)注度較高的特斯拉人形機器人則在線性執(zhí)行器中應(yīng)用了行星滾柱絲杠。今天筆者將帶大家回到特斯拉的直線關(guān)節(jié)，對其中的絲杠結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的拆解和梳理，以便大家了解絲杠行業(yè)的國內(nèi)企業(yè)發(fā)展情況。

圖|特斯拉執(zhí)行器

來源：特斯拉 AI DAY

特斯拉設(shè)計的直線關(guān)節(jié)按照不同的輸出力矩（500N、3900N 、8000N）分為三類，直線型驅(qū)動器采用內(nèi)轉(zhuǎn)子電機與球軸承驅(qū)動倒置滾柱絲杠旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動行星滾柱從動，最終實現(xiàn)直線運動傳遞。

圖|特斯拉人形機器人

來源：浙商證券研究所

特斯拉Optimus中或?qū)⒉捎么蟆⒅?、小三種，共計14個行星滾柱絲杠。直線關(guān)節(jié)中的行星滾柱絲杠通過預(yù)壓螺母的形式，易實現(xiàn)傳動零背隙，而旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的減速器則需通過繁瑣工藝去保證，對比于諧波減速器的柔輪，行星滾柱絲杠由于線/面接觸，剛度保持性好，更加利于上、下肢精巧平穩(wěn)操作。

一、絲杠介紹

1.1、絲杠定義

滾珠/柱絲杠主要作用在于化旋轉(zhuǎn)運動為直線運動，化滑動摩擦為滾動摩擦。滾珠絲杠是由絲杠、螺母和滾珠組成的部件，它可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，也可將直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。相對傳統(tǒng)的滑動摩擦，滾珠絲杠因為滾珠的存在變?yōu)榱藵L動摩擦，大大提高了傳動效率。在機器人應(yīng)用方面，滾珠絲杠的主要作用是控制機器人的運動軌跡和姿態(tài)。

圖|滾珠絲杠

來源：網(wǎng)絡(luò)

1.1、滾珠絲杠

精度等級：根據(jù)使用場合的不同，滾珠絲杠可分為壓軋制滾珠絲杠（轉(zhuǎn)造級滾珠絲杠）和精密滾珠絲杠（研磨級滾珠絲杠）。壓軋制滾珠絲杠主 要用于傳送，用于位置精度要求不高的場合，常用經(jīng)濟(jì)精度有C7、C10。 精密滾珠絲杠主要用于定位精度要求高的場合，精度等級為（C0~C5級），常用精度等級為C3、C5、C7。該精度為導(dǎo)程精度，字母C后面的數(shù)字越小表示定位精度越高。

國內(nèi)分類采用的精度等級有P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10，日本、韓國以及中國臺灣省采用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。

圖：滾珠絲杠精度等級

來源：金屬加工，華安證券研究所

1.2、行星滾柱絲杠

行星滾柱絲杠主要由三個部件組成即絲杠、滾柱、螺母。其中絲杠是牙型角為90°的多頭螺紋，滾柱是具有相同牙型角的單頭螺紋，其牙型輪廓通常加工成球面，目的是提高承載能力，降低摩擦，提高效率。螺母是具有與絲杠相同頭數(shù)和牙型的內(nèi)螺紋。若干個滾柱沿絲杠圓周方向均勻分布，當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時，滾柱既繞著絲杠軸線公轉(zhuǎn)又繞自身軸線自轉(zhuǎn)。滾柱與螺母具有相同的螺旋升角，與螺母嚙合時能夠確保純滾動并且沒有相對軸向位移。行星滾柱絲杠的結(jié) 構(gòu)形式主要是通過滾柱相對于絲杠和螺母的運動關(guān)系來分類，主要有5種結(jié)構(gòu)形式分別為標(biāo)準(zhǔn)行星滾柱絲杠、反向式、循環(huán)式、軸承環(huán)式和差動式。這5種結(jié)構(gòu)形式均包括絲杠、滾柱和螺母三大部件。

圖：標(biāo)準(zhǔn)式行星滾柱絲杠結(jié)構(gòu)組成

來源：知網(wǎng)、華安證券研究所

1.3、滾珠與滾柱對比

行星滾柱絲杠通過多個滾柱與絲杠和螺母之間的多點螺旋曲面嚙合來傳遞運動及動力。與滾珠絲杠相比，由于滾柱絲杠不需循環(huán)裝置且滾柱之間不會發(fā)生相互碰撞，接觸點較滾珠絲杠副多，其在承載能力、傳動精度、軸向剛度、速度及加速度等方面明顯優(yōu)于滾珠絲杠。

圖：行星滾柱絲杠、滾珠絲杠性能對比

來源：新劍傳動，西南證券

二、國內(nèi)主要絲杠公司

從滾珠絲杠主流企業(yè)來看，我國本土企業(yè)競爭實力與國外存在較大差距。在國內(nèi)市場上，中 高端滾珠/滾柱絲杠市場主要由德國和日本企業(yè)占據(jù)，THK、NSK、力士樂等國際企業(yè)可以占據(jù)高端市場90%的市場份額。而中國企業(yè)主要活躍在中低端市場，主要原因為我國企業(yè)規(guī)模小，起步晚，在產(chǎn)品質(zhì)量上達(dá)不到高精度水平。

2.1、新劍傳動

杭州新劍機電傳動股份有限公司成立于1999年，專精特新小巨人企業(yè)，專業(yè)從事研發(fā)生產(chǎn)；滾軋成型蝸桿齒輪、座椅水平驅(qū)動器、行星滾柱絲杠-直線型電驅(qū)動關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)型電驅(qū)動關(guān)節(jié)等相關(guān)系列產(chǎn)品。產(chǎn)品主要應(yīng)用：半導(dǎo)體、通訊電子，汽車及新能源、智能汽車，人形機器人、無人機、工程機械等行業(yè)。

行星滾柱絲杠因其較小的體積空間使用，高效精準(zhǔn)的大推力輸出，以及耐用穩(wěn)定的性能等特點正被越來越廣泛的應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。尤其是在汽車工業(yè)，汽車輪邊線控剎車系統(tǒng)（EMB）、后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（iRWS）、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）等，行星滾柱絲杠技術(shù)逐步替代現(xiàn)有技術(shù)體系成為主流技術(shù)方向。在工業(yè)用電缸應(yīng)用領(lǐng)域，行星滾柱絲杠更是有著廣泛的應(yīng)用開發(fā)空間。

圖：反向式行星滾珠絲杠——直線型電驅(qū)關(guān)節(jié)

來源：新劍傳動官網(wǎng)

表：行星滾柱絲杠-標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品

來源：新劍傳動官網(wǎng)

表：滾珠絲杠-標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品

來源：新劍傳動官網(wǎng)

行星滾柱絲杠系列產(chǎn)品已從技術(shù)、成本、量產(chǎn)上重點突破。目前新劍行星滾柱絲杠產(chǎn)品已形成年產(chǎn) 350 萬套，與吉利汽車等開展了深入合作，所搭載產(chǎn)品應(yīng)用于吉利汽車多款車型;產(chǎn)品還應(yīng)用于汽車電控機械制動 EMB、軌道交通的 EMB、人形機器人等領(lǐng)域。

2.2、秦川機床

秦川機床所屬漢江機床生產(chǎn) 2 級、3 級精度的滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌，有較高的精度保持性，完全可以滿足中高檔數(shù)控機床的要求，實現(xiàn)了在新能源汽車領(lǐng)域制造裝備滾動功能部件和精密螺桿副的國產(chǎn)化推廣應(yīng)用。滾動功能部件在國內(nèi)機床工具行業(yè)中占據(jù)相當(dāng)重要的地位，是國內(nèi)數(shù)控機床制造廠家配套滾珠絲杠副的首選。目前秦川的絲杠產(chǎn)品由 P1 級提升到 P0 級， 精度水平達(dá)到國際先進(jìn)水平。

圖|秦川機床滾珠絲杠

來源：秦川機床公告

2.3、恒立液壓

2023 年 1 月 6 日，恒立液壓完成以 56.4 元/股增發(fā)為 3546 萬股、募集資金總額為約 20 億元的非公開發(fā)行。其中，線性驅(qū)動項目擬投入 15 億元實現(xiàn)產(chǎn)品的電動化升級，包括電動缸和滾珠絲杠的生產(chǎn)。該項目達(dá)產(chǎn)后將形成年產(chǎn) 104,000 根標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲杠電動缸、4,500 根重載滾珠絲杠電動缸、750 根行星滾柱絲桿電動缸、100,000 米標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲杠和 100,000 米重載滾珠絲杠的生產(chǎn)能力。

2.4、貝斯特

2022 年 1 月，貝斯特設(shè)立全資子公司“無錫宇華精機有限公司”，充分發(fā)揮公司在工裝夾具、智能裝備、工業(yè)自動化集成等領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢和在汽車行業(yè)的生產(chǎn)管理體系優(yōu)勢，全面布局直線滾動功能部件（產(chǎn)品包括：高精度滾珠/滾柱絲杠副、高精度滾動導(dǎo)軌副等），瞄準(zhǔn)高端機床領(lǐng)域、半導(dǎo)體裝備產(chǎn)業(yè)、自動化產(chǎn)業(yè)、機器人領(lǐng)域等市場進(jìn)行大力開拓，高舉高打，快速切入“工業(yè)母機”新賽道。截止2023年半年度，貝斯特生產(chǎn)的滾珠絲杠副、直線導(dǎo)軌副等產(chǎn)品首臺套已實現(xiàn)成功下線，部分產(chǎn)品已在送樣驗證過程中。

2.5、鼎智科技

鼎智科技提供了獨特的步進(jìn)電機系列，為高性能、耐用性、結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)備設(shè)計開辟了新途徑。典型應(yīng)用于X-Y工作臺、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體、電信設(shè)備、閥門控制等。對于高效率、高精度、更長壽命的應(yīng)用場合，鼎智可以根據(jù)需求為電機選配不同規(guī)格的滾珠絲桿。C7是標(biāo)準(zhǔn)精度等級，有C5/C3精度等級可選。

鼎智在微型行星滾柱絲桿的研發(fā)與生產(chǎn)上已有里程碑式進(jìn)展，產(chǎn)品壽命長、精度高、 負(fù)載大，其應(yīng)用領(lǐng)域包括機器人、飛機起落架、部分工業(yè)場景等。

滾珠絲桿線性執(zhí)行器有6種外形尺寸，14mm, 20mm, 28mm, 35mm, 42mm, 57mm，均為外部驅(qū)動式。從0.005mm/步到0.1mm/步，有多種步長可選。

圖|鼎智科技滾珠絲桿

來源：鼎智科技官網(wǎng)

三、總結(jié)

目前來看，國內(nèi)公司新劍傳動滾珠/滾柱類產(chǎn)品相對最為齊全，鼎智科技、秦川機床在滾珠類也有產(chǎn)品生產(chǎn)，其他家恒立液壓、貝斯特等暫無產(chǎn)品樣式可供參考，但是也開始加快相關(guān)產(chǎn)品布局?，F(xiàn)階段，國內(nèi)在滾珠/滾柱絲杠方面處于相對初期，與國際龍頭的90%市占率相比還有較大的提升空間。