機器人絲杠行業(yè)專題報告：關注產(chǎn)品迭代和國產(chǎn)化

機器人絲杠行業(yè)專題報告：關注產(chǎn)品迭代和國產(chǎn)化1.絲杠：直線滾動部件，高壁壘卡脖子技術1.1絲杠：機械基礎部件，衍生類型眾多絲杠是一種將電機端旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動（或者相反傳遞）的機械部件。絲杠主要由絲桿、滾子、螺母三部分組成，其傳動原理為：電機為螺母（或絲杠軸）提供旋轉(zhuǎn)運動的動力，通過滾子與螺母、絲杠軸之間的摩擦力，帶動絲杠軸（或螺母）進行直線運動，因此廣泛應用于具有直線運動功能的機器設備中，如壓力機械、注塑機、醫(yī)療設備、鋼鐵冶金、機床、機器人等。根據(jù)傳動原理的不同，絲杠可分為滑動絲杠（三角、梯形等）、滾動絲杠（滾珠絲杠、行星滾柱絲杠）等類型。①滑動絲杠：由絲杠軸和螺母組成，結(jié)構(gòu)最簡單，常見滑動絲杠的牙型（螺紋的輪廓形狀）多為梯形，優(yōu)勢為技術成熟、成本低、能夠自鎖，但傳動效率、精度和承載能力等性能較低，主要應用于低速、低精度、低負載機械設備中。②滾珠絲杠：由絲杠軸、螺母、鋼球（滾珠）、密封圈等組成，工作原理為在絲杠和螺母上分別加工圓弧形螺旋槽，這兩個圓弧格合起來便形成了螺旋滾道，在滾道內(nèi)裝入滾珠。當絲杠相對螺母旋轉(zhuǎn)時，滾珠在螺旋滾道內(nèi)滾動，迫使二者發(fā)生軸向相時運動。由于是滾動摩擦，相對于滑動絲杠而言，具有高精度、可逆性、高效率、摩擦力小、磨損小、壽命長等優(yōu)勢，同時缺點在于結(jié)構(gòu)和工藝復雜，成本較高。在三種類型絲杠中，滾珠絲杠的應用領域最為廣泛，機床、機器人、汽車、醫(yī)療設備、工程機械等均有應用。③行星滾柱絲杠：由絲杠軸、螺母、行星滾柱、保持架等組成，其原理類似于滾珠絲杠，絲杠軸帶有螺紋，為滾柱提供螺旋滾道，行星滾柱替換滾珠作為螺母和絲杠之間的載荷傳遞元件。當絲杠軸旋轉(zhuǎn)時，滾柱圍繞絲杠做行星運動，通過螺旋傳動原理將絲杠旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為螺母的直線運動。相比滾珠絲杠，行星滾柱絲杠的承載力大幅提升，但制造難度和成本也大幅增加，目前用于需要高負載領域，對滾珠絲杠進行補充替代。根據(jù)精度性能要求，絲杠可分為低端、中端和高端，對應不同的精度等級，適用于不同的下游場景。按照國內(nèi)精度等級，精度分為P1-5、T7、T10，其中P1級精度最高，依次逐漸降低；按照日韓和中國臺灣省采用的精度等級JIS，精度分為C0，C1，C3，C5，C7，C10，其中0級精度最高。①精度要求低：智能家居、電動工具、汽車等消費類工具對絲杠的精度要求較低，目前主要使用梯形絲杠和中低端滾珠絲杠；②精度要求高：工業(yè)機械設備對精度有一定要求，不同類型設備對精度的要求不同。一般來說，通用機械或普通數(shù)控機械選C7（任意300行程內(nèi)定位誤差±0.05）或以下，高精度數(shù)控機械選C5（±0.018）以上C3（±0.008）以下，光學或檢測機械選C3以上。絲杠應用場景廣泛，典型應用場景包括汽車、機床、半導體設備、醫(yī)療設備、機器人和航空航天等。①新能源汽車部件：隨著汽車電動化和智能化發(fā)展，絲杠在汽車領域的應用不斷加深，如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)、懸掛系統(tǒng)等，以及對汽車部件的調(diào)節(jié)控制裝置。②數(shù)控機床：絲杠是機床標準核心零部件之一，機床包含旋轉(zhuǎn)軸和直線軸，直線軸由絲杠和導軌組成。③自動化生產(chǎn)線：非標自動化化設備和產(chǎn)線涉及大量的直線運動部件，如自動化生產(chǎn)物料傳輸系統(tǒng)、食品包裝產(chǎn)線、電子產(chǎn)品裝配產(chǎn)線、坐標軸機器人等，絲杠能提供高精度和高重復性的運動控制。④注塑機、工程機械設備：過去工程機械、注塑機等主要采用液壓缸作為直線往復運動的執(zhí)行裝置，而電動缸相比傳統(tǒng)的液壓缸和氣動缸，具有清潔、高效節(jié)能、消除漏油風險等優(yōu)勢。隨著電動化和節(jié)能化趨勢，這些領域呈現(xiàn)電動缸替代傳統(tǒng)液壓缸的趨勢。⑤人形機器人：行星滾柱絲杠是人形機器人線性執(zhí)行器的核心部件，具有承載能力強的有點，海外的特斯拉、德國慕尼黑大學的LOLA機器人，國內(nèi)理工華匯、開普勒采用了這一技術路線。⑥航空航天領域：航空領域如飛機襟翼開合系統(tǒng)、飛行器舵機扇面開合系統(tǒng)等采用了絲杠，對絲杠精度、承載力、工作壽命和對惡劣環(huán)境的適用性有嚴苛要求。1.2壁壘：技術壁壘筑高集中度，材料設備工藝為核心絲杠作為裝備基礎部件，對設備性能起到至關重要的作用，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展和迭代，已構(gòu)筑起很高的進入壁壘，可總結(jié)為材料、設備、工藝經(jīng)驗等方面。1）材料是機械部件的制備基礎，通常需要特種鋼或其他金屬材料進行制備；2）設備決定了機械部件的加工精度和效率，設備和零部件之間往往形成反哺關系，專業(yè)化設備進行零部件的專業(yè)化加工；3）工藝經(jīng)驗是機械部件中無形但十分重要的部分，因為機械部件加工需要較為復雜的工藝流程，各環(huán)節(jié)都需要經(jīng)驗的積累。具體來看：（1）壁壘一：材料是絲杠的制備基礎絲杠對原材料要求嚴苛。絲杠在反復運動過程中會受到連續(xù)振動、沖擊和摩擦，因此對于材料的強度、剛性、耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞性、承載力等一定要求，普通的金屬材料無法滿足需求，通常需要特種金屬材料來進行制備。根據(jù)博特精工官網(wǎng)，絲杠材料根據(jù)不同工作環(huán)境、精度、負載等要求，所采用的材料也存在區(qū)別，常見材料包括滲碳鋼、硬化不銹鋼、非合金（碳素）結(jié)構(gòu)鋼（如45、50鋼）、低合金工具鋼、軸承鋼等，稀有元素Cr/Mo的元素配比及加工工藝等因素影響材料的穩(wěn)定性、熔點和剛度等性能。原材料質(zhì)量欠佳和后續(xù)熱加工工藝不當為國內(nèi)絲杠較進口絲杠性能存在差距的原因之一。國外絲杠與國產(chǎn)絲杠均采用加入了Mo元素的優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，但是國產(chǎn)Cr/Mo鋼滾珠絲杠的性能與國外進口絲杠仍存在一定的差距。國外同類滾珠絲杠的原材料類似于國內(nèi)的45Cr鋼，但其表面感應加熱淬硬層的硬度梯度分布相對國產(chǎn)Cr/Mo鋼滾珠絲杠更趨于合理，表面硬化層、過渡層到心部的金相組織均優(yōu)于國產(chǎn)Cr/Mo鋼滾珠絲杠。相比之下，國產(chǎn)Cr/Mo鋼存在明顯的帶狀偏析組織，導致國產(chǎn)Cr/Mo鋼各部位元素分布不均，在實際使用中易斷裂，導致絲杠性能存在差距。（2）壁壘二：設備決定絲杠的加工精度。絲杠的加工流程冗長而復雜，其中最為核心的是精加工環(huán)節(jié)，需要用高精度的磨床。絲杠的加工誤差受到機床設備的影響極大。為強化滾珠絲杠的精度保持性，一般要求絲杠經(jīng)過淬火處理之后再完成磨削，磨削過程中會產(chǎn)生三種誤差：機床誤差、加工系統(tǒng)誤差以及隨機誤差，其中機床誤差是影響滾珠絲杠螺距精度的最主要因素之一。高精密機床設備的不足是國產(chǎn)絲杠相距進口絲杠性能有所差距的原因之二。我國雖為全球第一大機床生產(chǎn)國，但整體大而不強，機床數(shù)控化率、機床平均加工精度仍有待提。全球機床領軍企業(yè)多集中于日美德國家，精密機械傳動零部件同樣也是機床實現(xiàn)高精度加工的關鍵，機床與核心精密零部件可相互促進，國內(nèi)精密機械傳動部件和高端數(shù)控機床均依賴進口。國內(nèi)制造高精度磨床的廠家較少，且在精度、穩(wěn)定性等方面和世界頂尖設備有差距。（3）壁壘三：工藝經(jīng)驗依靠時間與經(jīng)驗積累，應用-迭代的閉環(huán)由于絲杠的加工流程冗長而復雜，原材料的配方、熱處理的溫濕度、機床的參數(shù)調(diào)整等諸多因素均會對最終絲杠的性能造成影響，絲杠制造廠商需要較長時間的積累才能掌握全部工藝，并且應用和反饋中不斷迭代和優(yōu)化。從全球來看，目前海外高端絲杠的領先企業(yè)均有悠久的歷史和長期的積累，例如，BoschRexroth（德國）、NSK（日本）、THK（日本）、Kuroda（日本）、上銀科技（中國臺灣?。┑绕髽I(yè)均在絲杠領域深耕數(shù)十年甚至上百年。2.滾珠絲杠：核心精密傳動部件，下游應用廣泛2.1將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，可實現(xiàn)精密進給滾珠絲杠是工具機械和精密機械中最常使用的傳動元件，由絲杠軸、滾珠螺母和滾珠等組成。其工作原理為在絲杠和螺母上分別加工圓弧形螺旋槽，兩個圓弧格合起來形成螺旋滾道，在滾道內(nèi)裝入滾珠。作為關鍵的精密傳動、定位、執(zhí)行元件，滾珠絲杠主要是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反復作用力，具備高精度、可逆性好、摩擦阻力小和高效率的特點。時至今日，滾珠絲杠已經(jīng)走過了百余年的發(fā)展歷程，應用場景也從初期以汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)為代表的“敏捷省能傳動”逐漸擴展到以數(shù)控機床進給裝置為代表的“精密高速驅(qū)動”，以及各類自動化設備、機器人等領域，成為高速、高精度、重載等傳動需求的常用解決方案，由于摩擦阻力小，也被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。滾珠絲杠精度以任意300mm軸向行程內(nèi)定位誤差來區(qū)分，不同設備對精度要求不同。滾珠絲杠選型過程中涉及到眾多參數(shù)，主要影響絲杠性能的包括公稱直徑、導程、長度、螺母形式、絲杠精度等。關于絲杠精度，我國采用的國標等級有P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10，其中1級精度最高，依次逐漸降低。日韓及中國臺灣省主要采用JIS等級，即C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10，一般來說，通用機械或普通數(shù)控機械選C7（任意300行程內(nèi)定位誤差±0.05）或以下即可，高精度數(shù)控機械主要選C5（±0.018）以上C3（±0.008）以下，光學或檢測機械精度則需達到C3以上。市場上的滾珠絲杠主要有以下幾種分類方式：1）根據(jù)滾道形狀的不同主要分為單圓弧滾道和雙圓弧滾道，也稱半圓形和歌德型。①單圓弧滾道：磨削螺紋滾道的砂輪成型比較簡便，加工精度較高。但是滾道型面的接觸角不容易控制，隨著初始間隙和軸向載荷大小不同而變化，使得傳動效率、承載能力以及軸向剛度變得不穩(wěn)定。②雙圓弧滾道：磨削螺紋滾道的砂輪成型較為復雜，滾道型面的精加工較為困難，但接觸角變化很小，可以認為始終是45°，所以其傳動效率、承載能力和軸向剛度均較為穩(wěn)定，性能比單圓弧軌道更好，機床上普遍采用雙圓弧滾道的絲杠。2）根據(jù)螺母的循環(huán)方式不同，分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)。滾珠每一個循環(huán)閉路稱為列，每個滾珠循環(huán)閉路內(nèi)所含導程數(shù)稱為圈數(shù)。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副的每個螺母有2列、3列、4列、5列等幾種，每列只有一圈；外循環(huán)每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等幾種。外循環(huán)：滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸，通過螺母外表面的螺旋槽或插管返回絲杠螺母重新進入循環(huán)。外循環(huán)滾珠絲杠螺母副按滾珠循環(huán)時的返回方式可分為端蓋式、插管式和螺旋槽式：端蓋式是在螺母上加工出一縱向孔，作為滾珠的回程通道，螺母兩端的蓋板上開有滾珠的回程口，滾珠由此進入回程管，形成循環(huán)；插管式用彎管作為返回管道，這種結(jié)構(gòu)工藝性好，但由于管道突出于螺母體外，徑向尺寸較大；螺旋槽式是在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔并與螺紋滾道相切，形成返回通道，這種結(jié)構(gòu)比插管式結(jié)構(gòu)徑向尺寸小，但制造較復雜。內(nèi)循環(huán)是指滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠表面保持接觸。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副主要由絲杠、螺母、滾珠及反向器四部分組成，螺母的側(cè)孔安裝圓筒凸輪式的反向器，反向器上銑削加工有S形的滾珠反向槽，連接相鄰的兩個絲杠軌道。滾珠從螺紋軌道進入反向器，通過反向器越過螺紋齒頂進入相鄰軌道，實現(xiàn)循環(huán)。相比外循環(huán)，內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠的優(yōu)點是徑向尺寸緊湊，剛性好，相對來說制作簡單、成本低，因其返回滾道較短，故摩擦損失小。適用于高靈敏、高精度傳動、不宜用于重載傳動。其缺點是反向器加工困難，且受循環(huán)器尺寸所限，滾珠循環(huán)及散熱條件差，制約了絲杠高速旋轉(zhuǎn)。3）根據(jù)預緊的方式和承載能力的不同，分為單螺母滾珠絲杠和雙螺母滾珠絲杠。單螺母滾珠絲杠有兩種預緊方式：①使用直徑較大的滾珠預緊；②變位導程預緊。雙螺母的預緊方式有：①墊片預緊；②螺紋預緊。單螺母總長度小，負載輕，方便裝卸，成本低，適用于比較小、傳動速度快、精度要求不高的設備；雙螺母負載比較大，是單螺母的兩倍，穩(wěn)定性強，精度高，多用于比較大的設備傳動。在實際應用中，雙螺母預緊方式由于高剛度高精度的特點被廣泛應用于高負載高精度的滾珠絲杠中。2.2機床領域需求穩(wěn)健增長，國產(chǎn)替代空間廣闊滾珠絲杠具有高精度、高效率等特點，用于實現(xiàn)機床工作臺、主軸等部件的精密進給。滾珠絲杠具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、傳動效率高等特點，主要用于實現(xiàn)高精度的線性或旋轉(zhuǎn)運動，并承受較大的負載。在數(shù)控機床中，滾珠絲杠被用于驅(qū)動工作臺、主軸和刀架等部件，實現(xiàn)機床工作臺和刀架的橫向及縱向精密進給，實現(xiàn)主軸高速、高精度的運動控制和加工操作。一般情況下，單個軸向的運行機構(gòu)由兩套滾動直線導軌及一根滾珠絲杠副組成，驅(qū)動運動部件實現(xiàn)精確移動。隨著機床數(shù)控化及高端化占比不斷提升，預計到2030年我國機床用滾珠絲杠市場將穩(wěn)健增長至64億元。1）金屬加工機床消費額：根據(jù)中國機床工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2022年我國金屬加工機床消費額1843.6億元（274.1億美元），同比下降1.9%。當前我國機床市場已發(fā)展至較為成熟的階段，我們假設未來機床市場保持小幅穩(wěn)定增長，年復合增速2%。2）總成本占比：根據(jù)紐威數(shù)控、海天精工、國盛智科主營數(shù)控機床公司的2022年年度報告，三家公司毛利率均值約為27%，考慮到國內(nèi)其他非上市企業(yè)及非數(shù)控機床廠商面臨相對更低的毛利率，我們假設機床行業(yè)毛利率22%，總成本占比為78%。未來隨著數(shù)控化率逐漸提升，我們假設機床行業(yè)毛利率逐年上漲0.3pct，即總成本占比逐年下降0.3pct。3）傳動部件占總成本比例：根據(jù)紐威數(shù)控招股書，2018-2020年傳動部件占紐威數(shù)控總成本比例平均為14.9%。考慮到成形機床對傳動部件的要求相比切削機床較低，假設成本占比約10%。根據(jù)2022年我國1843.6億元金屬加工機床消費額中，切削機床消費額1240.3億元，成形機床消費額603.3億元，計算得到2022年傳動部件占機床總成本比例為13.3%，考慮到未來數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)持續(xù)升級和高端化，我們假設傳動部件成本占比每年提升0.3pct至2030年的15.7%。4）滾珠絲杠價值量在傳動部件占比：根據(jù)紐威數(shù)控招股書，機床傳動部件包括主軸、導軌、絲杠、軸承和齒輪等。我們假設絲杠價值量在傳動部件中占比25%。技術壁壘筑高市場集中度，過半市場或仍待國產(chǎn)替代。滾動功能部件全球市場被日本NSK、THK等國外企業(yè)壟斷，根據(jù)秦川機床公告，全球CR5市占率達到約46%，日本和歐洲絲杠導軌企業(yè)占據(jù)了全球約70%的市場份額。根據(jù)金屬加工公眾號，目前高端滾珠絲杠市場中，中國大陸品牌市占率5%，中國臺灣省上銀及銀泰等占比5%，其余90%份額被德國和日本等品牌壟斷；中端滾珠絲杠市場中，中國大陸品牌占30%，中國臺灣省品牌占40%，德國和日本等海外品牌占30%。3.行星滾柱絲杠：重型絲杠，應用領域逐漸打開3.1行星滾柱絲杠：重負載&高速絲杠，結(jié)構(gòu)方式多樣行星滾柱絲杠是一種重負載、重型、高速的絲杠。行星滾柱絲杠主要由絲杠軸、螺母、行星滾柱等器件組成，其原理為：絲杠軸帶有螺紋，為滾柱提供螺旋滾道，行星滾柱替換滾珠作為螺母和絲杠之間的載荷傳遞元件，在主螺紋絲杠的周圍，行星布置了6-12個螺紋滾柱絲杠；當絲杠軸旋轉(zhuǎn)時，滾柱圍繞絲杠做行星運動，通過螺旋傳動原理將絲杠旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為螺母的直線運動。根據(jù)結(jié)構(gòu)組成及運動關系的不同，行星滾柱絲杠分為標準式、循環(huán)式、軸承環(huán)式、反向式、差動式等不同結(jié)構(gòu)形式，它們以各自獨特的結(jié)構(gòu)特點及其優(yōu)勢適用于不同的場合。①標準式行星滾柱絲杠：標準式行星滾珠絲杠是目前應用最廣泛的類型，其他類型均是為了適應于不同的應用環(huán)境而演變而來。標準行星滾柱絲杠的原理為：絲杠軸作為動力輸入端，螺母與負載連接，滾柱在絲杠的作用下在螺母和絲杠之間做行星運動和軸向移動；內(nèi)齒圈固連在螺母上，滾柱端齒與內(nèi)齒圈嚙合保證滾柱在螺母上為滾動。標準式行星滾柱絲杠能夠?qū)崿F(xiàn)較大行程，適用于環(huán)境惡劣、高負載、高速等場合，主要應用于精密機床、機器人、軍工裝備等領域。②循環(huán)式行星滾柱絲杠：相比于標準式，循環(huán)式行星滾柱絲杠去掉了內(nèi)齒圈，增加了凸輪環(huán)結(jié)構(gòu)，其功能類似于滾珠絲杠的返回器，目的是為了讓滾柱在螺母內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周后回到初始位置，另外其滾柱上無螺紋、齒輪結(jié)構(gòu)，為環(huán)槽狀，環(huán)槽間距與絲杠、螺母的螺紋匹配，其安裝在具有凹槽結(jié)構(gòu)的保持架上。由于循環(huán)式行星滾柱絲杠增加了參與嚙合的螺紋數(shù)量，因此具有較高的剛度和較大的承載能力，應用于要求高剛度、實現(xiàn)精確定位和提高分辨精度場合，如醫(yī)療器械、光學精密儀器等領域。其缺點在于其凸輪環(huán)結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生振動沖擊，存在噪音問題。③反向式行星滾柱絲杠：反向式行星滾柱絲杠結(jié)構(gòu)形式與標準式類似，不同之處為，螺母為主動件，絲杠為輸出構(gòu)件，其優(yōu)勢在于可將其螺母作為電機轉(zhuǎn)子實現(xiàn)電機和絲杠一體化設計，形成結(jié)構(gòu)緊湊的一體式機電執(zhí)行器（C-EMA），C-EMA可替代傳統(tǒng)液壓、氣壓伺服作動系統(tǒng)用于航空、航天、船舶、電力等領域；主要缺點為行程受到螺母內(nèi)螺紋長度的限制。反向式行星滾柱絲杠主要用于中小負載、小行程和高速的應用場景。④軸承環(huán)式行星滾柱絲杠：軸承環(huán)式行星滾柱絲杠的滾柱與循環(huán)式相同，為環(huán)槽結(jié)構(gòu)，相比于標準式減少了內(nèi)齒圈，增加了殼體、端蓋及推力圓柱滾子軸承等部件。推力圓柱滾子軸承大大提高了其承載能力，同時減小了各構(gòu)件間的磨損，增大了傳動效率，主要適用于高承載、高效率等場合，如石油化工、重型機械等領域；缺點在于結(jié)構(gòu)復雜，徑向尺寸大，制造成本高等。5）差動式行星滾柱絲杠：差動式行星滾柱絲杠與標準式相比，去掉了內(nèi)齒圈，滾柱上也沒有齒輪段。其滾柱、螺母均為環(huán)槽結(jié)構(gòu)，且滾柱的環(huán)槽分為多段，其中小中徑段與螺母嚙合，大中徑段與絲杠嚙合；其特點為導程更小，適用于中速、傳動比較大的應用場合；缺點在于運動過程中，螺紋會產(chǎn)生滑動現(xiàn)象，在重載情況下，容易產(chǎn)生磨損，導致精度喪失，可靠性降低等問題。3.2相比傳統(tǒng)絲杠性能更優(yōu)，滲透率逐步提升行星滾柱絲杠相比滾珠絲杠的性能更優(yōu)。滾珠絲杠載荷傳遞元件為滾珠，是點接觸；而行星滾柱絲杠載荷傳遞元件為螺紋滾柱，是線接觸；因此，行星滾柱絲杠具有高負載、耐沖擊、體積小、高速等優(yōu)點。①優(yōu)勢一：承載能力及壽命更強高承載能力：在相同接觸表面硬度、光潔度與精度的條件下，滾柱絲杠比滾珠絲杠具有更多的接觸點，滾柱接觸面的包絡圓曲率半徑亦遠大于滾珠絲杠鋼球的曲率半徑，這就決定了滾柱絲杠比普通的滾珠絲杠具有更高的承載能力。高剛度、抗沖擊能力和長壽命：行星滾柱絲杠與滾珠絲杠都適用于赫茲Hertz定律。由赫茲Hertz壓力定律，可以得出：行星滾柱絲杠能承受的靜載為滾珠絲杠的3倍，壽命是滾珠絲杠的15倍。一體化的螺母組件很容易從絲杠軸分離，滾動體及相關零件不會散落，便于安裝與維修。對惡劣的環(huán)境（低溫、粉塵、化學沉積、無潤滑等）的適應能力較強。②優(yōu)勢二：導程和節(jié)距靈活，體積小，節(jié)省空間行星滾柱絲杠的導程可以比滾珠絲杠制造的更小。由于行星滾柱絲杠的導程與節(jié)距成函數(shù)關系，導程可以小于0.5mm或更小。行星滾柱絲杠的導程可以設計計算為整數(shù)或小數(shù)(例如：每轉(zhuǎn)移動3.32mm)，將不需要減速齒輪來配比，導程的變化并不會給絲杠軸和螺母帶來任何的幾何尺寸變化。而滾珠絲杠的導程受到滾珠的直徑限制，因而導程將是標準的。此外，在相同載荷的情況下，行星滾柱絲杠體積比滾珠絲杠小1/3的空間。②優(yōu)勢三：速度和加速度更高行星滾柱絲杠能夠提供更高的旋轉(zhuǎn)速度和更高的加速度。RGT和RGTB系列的行星滾柱絲杠設計機構(gòu)中的滾柱為非循環(huán)式，而滾珠絲杠機構(gòu)中的滾珠為循環(huán)式的，這將使行星滾柱絲杠的旋轉(zhuǎn)速度是滾珠絲杠的2倍，加速度將達到3g。最高線速度可達2000mm/s，輸入旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速可達5000rpm或者更高。最大加速度可達3g。行星滾柱絲杠在精密數(shù)控機床、重型機械、醫(yī)療器械、武器裝備、航空航天等領域具有廣闊的應用前景。在直線傳動領域，市場上比較典型的技術有液壓傳動、滾珠絲杠傳動、凸輪連桿傳動以及鏈條傳動等。相比于其他傳動技術，行星滾柱絲杠具有承載能力強、軸向剛度大、傳動效率高、使用壽命長、動態(tài)性能好、適用性強和安裝維護方便等諸多優(yōu)點，是智能高端裝備的理想功能部件。滾柱絲杠結(jié)構(gòu)復雜，制造難度和成本較高，因此市場規(guī)模較小，供應商數(shù)量較少且集中于歐洲。根據(jù)Persistenscemarketresearch數(shù)據(jù)，2023年全球行星滾柱絲杠市場規(guī)模預計可達3億美元，預計2033年將達到5.6億美元。行星滾柱絲杠產(chǎn)能主要集中于歐洲、美國等，國內(nèi)企業(yè)起步較晚，規(guī)模較小，國內(nèi)市場主要依靠海外進口。根據(jù)王有雪《E公司滾柱絲杠產(chǎn)品營銷策略研究》，2022年海外巨頭在國內(nèi)市占率約占80%。世界范圍內(nèi)生產(chǎn)滾柱絲杠并參與市場競爭的廠家主要有：Ewellix（瑞典）、Rollvis（瑞士）、GSA（瑞士）、Rexroth（德國）、CMC（美國）、南京工藝（中國）、濟寧博特（中國）、優(yōu)仕特（中國臺灣）等。2022年國內(nèi)行星滾柱絲杠廠商市場份額占比約為19%，國外領先制造商Rollvis、GSA和Rexroth的市場份額占比分別為26%、26%、12%。3.3人形機器人打開未來想象空間特斯拉研發(fā)的人形機器人Optimus采用行星滾柱絲杠作為執(zhí)行器傳動部件。2022年9月30日，特斯拉人形機器人原型機Optimus于AIDay亮相，“Optimus”擁有28個身體執(zhí)行器，其中14個旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，14個線性執(zhí)行器。線性執(zhí)行器由驅(qū)動器+無框力矩電機+行星滾柱絲杠+力傳感器+編碼器+四點接觸軸承+深溝球軸承等構(gòu)成，其中行星滾柱絲杠為核心傳動部件，用于將電機輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。1）行星滾柱絲杠在承載能力、壽命、速度、加速度、剛度和抗沖擊能力等方面都有明顯優(yōu)勢。Optimus采用3種線性執(zhí)行器，分別輸出500N、3900N和8000N，主要用在手腕、髖、膝、踝等位置。在特斯拉展示的視頻中，Optimus的單個線性執(zhí)行器能夠拉起半噸的鋼琴，說明其腿部拉力很強。2）行星滾柱絲杠應用在機器人關節(jié)領域，可以支持機器人快速、精準地完成動作。絲杠本身具有較強傳動功能，例如直徑僅為3.5毫米的滾柱絲杠，可以推動高達500磅的負載并執(zhí)行微米和亞微米范圍內(nèi)的運動，可以更好地模擬人體關節(jié)運動。較高的力尺寸比和力重量比可以使機器人快速、精準地完成動作，提高工作效率和精度，而高精度絲杠能夠提供高精度和高重復性的運動控制，保證機器人的動作精度和穩(wěn)定性。4.磨削&冷軋兩大類工藝，旋風銑有望成新趨勢精密滾珠絲杠從加工工藝角度劃分為磨削滾珠絲杠和冷軋滾珠絲杠兩大類，磨削滾珠絲杠是按照基準統(tǒng)一原則，以兩端中心孔為加工工藝工序基準，通過熱處理、車削、磨削等幾十道工序逐一完成，制造精度可以達到P1級，非常適合給高精度設備做定位部件。冷軋滾珠絲杠是采用冷加工工藝模具制造，開模工藝自動化程度高，批量生產(chǎn)后成本低，效率高，但制造精度不甚理想，總停留在P7級左右，只能在設備中做傳動部件，P5級別以上的精度都需要進行磨制加工。磨制有多道工序，大致分為粗加工、半精加工和精加工三階段，粗加工常用方法有砂輪磨削、硬車削、旋風銑削：1）砂輪磨削：粗加工最常用的工藝方法就是采用砂輪磨削磨制出90°V型槽。但這種工藝方法經(jīng)磁力探傷檢測后，會發(fā)現(xiàn)在滾道的圓弧上，有沿著軸線方向的或網(wǎng)狀的裂紋，可以通過“小磨量多次進給”，或采用“磨—滾道表面溫度穩(wěn)定—磨”的方法解決，最大幅度降低滾道表面的磨削應力及磨削熱量，最大程度避免磨削裂紋或燒傷現(xiàn)象的產(chǎn)生。2）硬車削：通常采用高轉(zhuǎn)速、大切深，金屬切除效率是磨削加工的3倍多；硬車削加工時一次裝夾即可完成零件多個表面的加工（比如車外圓、車內(nèi)孔、車槽等），而磨削加工需要多次安裝才能完成，會產(chǎn)生二次安裝誤差；硬車削產(chǎn)生的熱能一半以上被切屑帶走，不會產(chǎn)生像磨削加工那樣的表面裂紋與燒傷，所以硬車削可使工件獲得良好的加工精度與表面粗糙度，能夠保證形位公差技術要求（比如圓度、位置精度）。3）旋風銑：在機床上配套安裝高速銑削螺紋動力頭，刀盤上裝有多只均勻?qū)ΨQ的高強度成型銑刀，加工時，刀盤與工件同向旋轉(zhuǎn)完成順銑，工件低速旋轉(zhuǎn)，刀盤高速旋轉(zhuǎn)，工件每旋轉(zhuǎn)一周，刀盤沿著工件軸線移動一個螺紋導程的距離，從而實現(xiàn)整個螺紋滾道的加工。在切削過程中，只有旋轉(zhuǎn)到靠近工件一側(cè)才能進行切削，遠離工件的刀具有足夠的散熱時間。相比一般銑削，旋風銑可以提高金屬切除效率，并且切削中產(chǎn)生的大部分熱量都被切屑帶走，使得工件獲得良好的加工精度和表面質(zhì)量。旋風銑技術最早是在上世紀六七十年代作為一項革新技術在我國推廣，目前在國內(nèi)南京工藝、漢江機床、山東博特等公司都有應用，未來滲透率有望進一步提升。旋風銑技術主要選擇PCBN刀具配合加工。高性能的刀具為旋風銑削提供了主要的技術支持和保障，綜合考慮機床性能、加工要求、經(jīng)濟性等多方面因素，PCBN刀具適合用于螺紋旋風硬銑削加工。將PCBN刀具應用于硬態(tài)切削中可以改善傳統(tǒng)“淬硬-磨削”的制造工藝，可以對硬度大于50HRC的淬硬鋼進行直接切削，這種以銑代磨的工藝不僅能夠提高工件生產(chǎn)率，降低能耗、提高工件的疲勞強度，而且成本低廉、綠色節(jié)能。PCBN刀具具備高硬度、耐磨等諸多優(yōu)勢：1）高硬度與高耐磨性：CBN材料與金剛石有著相似的晶體結(jié)構(gòu)與晶格常數(shù)，且有相同化學鍵類型，二者的硬度與強度也極為相似。切削耐磨材料時PCBN刀具的耐磨性是硬質(zhì)合金的50倍。2）性能穩(wěn)定：具有很高的熱穩(wěn)定性與化學穩(wěn)定性。CBN材料的耐熱性高達1500℃，高于陶瓷與硬質(zhì)合金的常溫硬度。同時化學性能穩(wěn)定，在1200~1300℃不與鐵等材料反應，在2000℃以下不與碳反應。3）導熱性良好：CBN材料導熱性是硬質(zhì)合金的20倍，僅次于金剛石，導熱系數(shù)隨溫度升高而增加。4）摩擦系數(shù)較低：PCBN材料摩擦系數(shù)隨溫度升高而減小，大約為0.1~0.3。高精度滾珠絲杠還需要后續(xù)的半精加工和精加工。精加工主要以砂輪磨削為主，核心設備是高精度螺紋磨床。旋風銑不僅可以提高絲杠加工效率，隨著設備及工藝的不斷進步其加工精度也在提升，目前旋風銑已經(jīng)可以實現(xiàn)C3-C5精度級別的加工，能夠滿足在大多數(shù)通用加工中心的應用要求，如需更高精度則需要進一步磨削加工。5.產(chǎn)業(yè)鏈梳理5.1絲杠：多領域逐步滲透，有人才&設備&成熟產(chǎn)品的公司具備先發(fā)優(yōu)勢貝斯特：全面布局滾珠絲杠賽道，有望于2024年迎來批量訂單貝斯特主要專注精密零部件和智能裝備及工裝產(chǎn)品，近年業(yè)務逐步延伸至高端航空裝備制造及工業(yè)自動化裝備領域，進軍滾珠絲杠賽道。根據(jù)公司公告信息，2022年1月，貝斯特設立全資子公司宇華精機，基于精密加工多年積累，全面布局直線滾動功能部件，落實“高端裝備核心滾動功能部件研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目”，該項目將引進生產(chǎn)及檢測等進口設備約300臺套（其中研發(fā)設備70臺），配套軟件及系統(tǒng)、公輔設施等30余套。項目建成后，主營產(chǎn)品包括高精度滾珠絲杠副、高精度滾動導軌副等，將瞄準高端機床領域、半導體裝備產(chǎn)業(yè)、自動化產(chǎn)業(yè)三大市場進行大力開拓。目前貝斯特首臺套滾珠絲杠、導軌產(chǎn)品已經(jīng)成功下線并送樣，有望于2024年迎來批量訂單。恒立液壓：精密加工工藝深厚，募投項目重點布局滾珠絲杠項目恒立液壓是國產(chǎn)液壓件制造商，產(chǎn)品包括液壓油缸、液壓泵閥、油缸配件、液壓系統(tǒng)、挖掘機專用油缸等，目前規(guī)劃布局滾珠絲桿精密傳動部件。根據(jù)公司公開信息，2021年9月，公司通過非公開發(fā)行方式募集資金，其中線性驅(qū)動器項目重點發(fā)展?jié)L珠絲杠，達產(chǎn)后將形成年產(chǎn)104,000根標準滾珠絲桿電動缸、4,500根重載滾珠絲桿電動缸、750根行星滾柱絲桿電動缸、100,000米標準滾珠絲桿和100,000米重載滾珠絲桿的生產(chǎn)能力。恒立液壓之所以能進軍滾珠絲杠賽道，是憑借多年在液壓領域的深厚積累，擁有精密加工制造能力，具備生產(chǎn)滾珠絲桿的技術、工藝和設備基礎，能夠?qū)崿F(xiàn)滾珠絲杠產(chǎn)品的高質(zhì)量生產(chǎn)。秦川機床：磨齒設備供應商，滾珠絲杠實現(xiàn)國產(chǎn)化推廣應用秦川機床是中國機床工具行業(yè)骨干，產(chǎn)品主要包括磨齒機，螺紋磨床，數(shù)控機床，機器人關節(jié)減速器，加工中心等。近年來，公司以高端數(shù)控機床業(yè)務為引領，轉(zhuǎn)型為高端裝備、絲杠導軌等綜合業(yè)務。根據(jù)公司公開信息，秦川機床子公司漢江機床可生產(chǎn)2級、3級精度的滾珠絲杠、直線導軌，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)化推廣應用。五洲新春：精密軸承產(chǎn)品覆蓋多行業(yè)，積極布局機器人絲杠領域五洲新春主業(yè)為軸承、精密機械零部件等領域，涵蓋精密鍛造、制管、冷成形、機加工、熱處理、磨加工、裝配、精密零部件全產(chǎn)業(yè)鏈，軸承磨前技術達到全球先進水平。在絲杠業(yè)務方面，公司于2021年開始研發(fā)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)絲杠螺母軸承組件，2023年上半年研發(fā)成功電子駐車、電子機械剎車和電子液壓剎車系統(tǒng)等領域的滾珠絲杠產(chǎn)品。根據(jù)公司公告，公司已經(jīng)和主流機器人系統(tǒng)供應商在機器人軸承及滾珠絲杠、滾柱絲杠等領域展開深入技術交流，產(chǎn)品處于前期打樣階段，未來將重點跟蹤機器人下游客戶和最終用戶的技術發(fā)展方向并布局相關產(chǎn)品。鼎智科技：深耕微特電機、絲杠部件和螺母技術，線性執(zhí)行器具備先發(fā)優(yōu)勢鼎智科技深耕微特電機行業(yè)多年，產(chǎn)品包括線性執(zhí)行器、混合式步進電機、直流電機、音圈電機及其組件等，在全球線性執(zhí)行器產(chǎn)品領域內(nèi)，公司是較少數(shù)具備絲杠部件和螺母部件獨立生產(chǎn)能力的企業(yè)，2022年自制絲杠及螺母占比均達90%以上。公司在線性執(zhí)行器領域全球市占率達10%，僅次于美國海頓。在人形機器人領域，公司可以供應絲杠和空心杯電機。2023年6月，公司投資設立一和起（常州）智能科技有限公司，從事精密微型絲杠的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售。根據(jù)公司公開平臺表示，公司目前可做T型絲杠，微型行星滾柱絲杠處于研發(fā)中；空心杯電機領域，公司攻克了繞線工藝、繞線成型、線包固化等多項技術難點，具備空心杯電機自動化批產(chǎn)能力，并具有高性能和性價比優(yōu)勢。恒而達：主業(yè)金屬切削工具，直線導軌副產(chǎn)品開啟產(chǎn)業(yè)化恒而達主營業(yè)務為金屬切削工具、智能數(shù)控裝備及高精度滾動功能部件——直線導軌副。目前，金屬切削工具已進行產(chǎn)品系列化開發(fā)，并推出配套使用的數(shù)控裝備產(chǎn)品。對于直線導軌這一亟待國產(chǎn)化的領域，公司基于20余年積累的金屬熱處理技術與金屬加工工藝的同源性，2022年正式啟動高精度滾動功能部件（直線導軌副）的產(chǎn)業(yè)化工作。根據(jù)公司公告，公司的滾珠絲杠副產(chǎn)品尚在研發(fā)中，后續(xù)待該產(chǎn)品成功量產(chǎn)推出市場時，可以借助公司直線導軌副產(chǎn)品建立的成熟銷售網(wǎng)絡快速實現(xiàn)市場投放。長盛軸承：主營自潤滑軸承，定增擴產(chǎn)滾珠絲杠公司主業(yè)為自潤滑軸承和高性能聚合物，產(chǎn)品涵蓋自潤滑軸承、低摩擦副零部件及相應的精密鑄件。2022年公司發(fā)布定增預案，計劃投資2.65億元用于擴建年產(chǎn)自潤滑軸承16,700萬套、滾珠絲杠3萬套。根據(jù)公司公告，公司滾珠絲杠產(chǎn)品主要應用于商用車變速箱，乘用車制動、轉(zhuǎn)向及駐車系統(tǒng)；目前已經(jīng)取得商用車主機廠定點，其他乘用車客戶正在開發(fā)過程中。滾珠絲杠產(chǎn)品暫未應用在人形機器人上，但具備相關的生產(chǎn)能力，公司將持續(xù)推進相關開發(fā)