1.1丝杠品类繁多，人形机器人主要用反向式滚柱丝杠和梯型丝杠
丝杠的工作原理：丝杠轴上有一个螺旋线，而螺母上则有与之相配合的螺旋槽，当丝杠轴旋转时，螺母便沿着丝杠轴的轴向方向移动，将旋转运动转化成线性运动。丝杠的种类：根据摩擦特性，丝杠可以分为滑动丝杠、滚动丝杠以及静压丝杠。滑动丝杠与滚动丝杠具有不同精度标准：1）滑动丝杠有4~9共6个等级，精度依次降低，其中4级最高，一般很少使用；5级用于精密仪器与精密机床，如坐标镗订、螺纹磨床等；6级用于精密仪器、精密机床和数控机床；7级用于精密螺纹车床、齿轮加工机床及数控机床；8级用于一般机床，如卧式车床、铣床；9级用于刨床、钻床及一般机床的进给机构。2）滚动丝杠一般有6~7个精度等级，如在JIS标准中，滚珠丝杠精度等级分为C0、C1、C3、C5、C7、C10共6个等级，而国内等级精度分为P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10共7个等级。
滑动丝杠：主要由丝杆、螺母、滑块和导向装置等组成。结构简单，制造方便，常用于恒速传动领域，如数控机床、注塑机、模压机等。丝杠通过在螺母中旋转来传递运动，螺母是与丝杆螺距相同的螺纹，与丝杆进行相对运动，滑块与丝杆一起运动，将旋转运动转化为直线运动，导向装置用来支撑和引导滑块沿着丝杆轴向方向移动。此外，还包括一些辅助部件，如润滑系统、密封件等，用于保持丝杠的正常运行和防止外部环境对丝杠的影响。滑动丝杠的摩擦阻力较大，传动效率较低，定位精度和轴向刚度较差。
滚珠丝杠：由螺杆、螺母、滚珠和预压片组成。螺纹轴表面刻有螺纹形状的凹槽，用于放置滚珠，螺母是与螺纹轴配合使用的零件，内部有与滚珠相匹配的导槽，滚珠位于螺纹轴和螺母之间，预压片用于对滚珠施加预压力，消除间隙并提高丝杠的刚度。反向器、防尘器用来保证滚珠丝杠的正常运行和防止外部环境对丝杠的影响。滚珠丝杆相比于普通的梯形丝杆，其在自锁性、传动速度、使用寿命、精度和传动效率方面优势明显。滚珠丝杠采用滚珠和钢球等滚动体，不仅适用于更高速的运动，相对应的机械损耗也较小，其线性运动精度要比滑动类型丝杠更高，并且在传动精度稳定性方面表现更出色，使用寿命更长。
滚柱丝杠：由螺杆、行星滚柱、螺母组成，按照价值量占比来看。原理：丝杠是牙型角为90°的多头螺纹，滚柱是具有相同牙型角的单头螺纹，其牙型轮廓通常加工成球面，目的是提高承载能力、降低摩擦、提高效率。螺母是具有与丝杠相同头数和牙型的内螺纹。若干个滚柱沿丝杠圆周方向均匀分布，当丝杠旋转时，滚柱既绕着丝杠轴线公转，又绕自身轴线自转。滚柱与螺母具有相同的螺旋升角，与螺母啮合时能够确保纯滚动并且没有相对轴向位移。特点：滚柱丝杠在满足精度的同时，承载能力大大加强，但是其结构复杂、加工难度大和成本较高。滚柱丝杠采用滚柱作为滚动体，相比滚珠丝杠具有更大的接触面积，能够承受更大的负荷和冲击，因此具有高刚性和高效率的特点。另外，制造精度和传动精度都很高，能够保证设备的精确定位和稳定运动。
与滚珠丝杠相比的优势：（1）滚柱与丝杠接触半径更大，且所有滚柱同时参与啮合，接触点多，比滚珠丝杠在相同丝杠直径下承载能力提高6倍、相同负载下比滚珠丝杠节省1/3空间、寿命提高14倍、工作环境温度范围提高2倍。当滚柱丝杠直径为120mm时，其推力可达120t。（2）滚柱丝杠用滚动摩擦代替滑动摩擦，与滚珠丝杠传动效率相当，润滑良好的情况下效率可达90%。（3）滚柱相对于螺母没有轴向运动，因此具有加速、旋转和减速的能力，转速可达6000r/min，直线速度2m/s，加速度7000rad/s2，滚珠丝杠难以做到。（4）采用行星机构控制滚柱运动，不需要滚动件循环装置，且高速运转时产生的振动噪声较小。
静压丝杠：由丝杠、螺母、液压缸、油管、油泵以及控制阀等构成。丝杠为外螺纹，螺母为内螺纹，丝杠和螺母运动需要的压力由液压缸提供，油管用于传输液压油，油泵为液压系统提供动力，控制阀用于控制液压油的流量和方向，从而控制丝杠和螺母的运动方向和速度。静压丝杠常应用于精密机床及数控机床的进给机构中，工作原理是通过液压系统将压力油进入到螺纹牙上的油腔内，在接触面上形成压力油膜产生平衡液压力，在螺母和螺杆之间有一层压力油膜，使丝杠副与螺母不直接接触，在压力油膜上滑动，零件之间处于液体摩擦状态。静压油膜位于静压螺母和精密丝杠之间，静压螺母和丝杠本身并不接触，因此几乎没有磨损，具有很好的减震性和静音性。静压丝杠的摩擦阻力很小，磨损小，效率高。其螺纹牙形与标准梯形螺纹牙形相同，目的在于获得良好油封及提高承载能力，但是调整比较麻烦，而且需要一套液压系统，工艺复杂，成本较高。
行星滚柱丝杠主要分为正向式和反向式，其中反向式行星滚柱丝杠负载更大、体积更小，更适合用于人形机器人。行星滚柱丝杠至今没有被广泛应用，主要是由于其结构复杂、加工难度大和成本高，并且最主要的是之前市场需求也不大，但是人形机器人的量产有望给行星滚柱丝杠带来巨大的市场增量。正向式行星滚柱丝杠的特点是长丝杆-短螺母外加螺旋滚道，通过滚柱在丝杠轴上的滚动实现直线运动。反向式行星滚柱丝杠的构成为长螺母-短丝杠外加螺旋滚道，螺母作为主动件，由丝杠直线输出，螺母比螺杆还要长。这种结构的最大优点是可将螺母作为电机的转子实现电机和反向式行星滚柱丝杠的融合设计，螺母作为电机转子可使人形机器人直线传动结构更加紧凑、重量更小。同时，由于反向式行星滚柱丝杠的螺母只沿周向转动，不沿轴向转移，丝杠只沿轴向转移，不沿周向转动，因此具有较高的承载能力，并且传动精度更高、应用场景更灵活。从产品性能上看，反向式行星滚柱丝杠表现出的高承载、耐冲击、体积小、高速度、噪音低、高精度、长寿命的优势，契合人形机器人的要求。
特斯拉人形机器人主要用反向式行星滚柱丝杠和梯型丝杠。丝杠将电机的旋转运动转换为直线运动，控制机器人的各个关节，从而实现位置调整、姿态控制和负载传递等功能。丝杠在人形机器人中主要作用是线性执行器，具有较高的传动效率和刚性，能够提供大的力矩和负载承重能力，更好地模拟人体关节活动。在特斯拉人形机器人中，其线性执行器就采用了反向式行星滚柱丝杠和梯形丝杠。
使用数量：梯型丝杠通常用于机器人的手腕部位，每个手腕2个，即每个机器人4个。而行星滚柱丝杠主要用于机器人的大臂、大腿和小腿等部位，每侧大臂1个、大腿2个、小腿2个，两侧合计就是10个。这些部位通常需要承受较大的负载，因此需要具备较高的刚性和传动效率。行星滚柱丝杠通过丝杠与滚柱的齿轮啮合来实现传动，具有较高的承载能力和刚性，适用于大力矩传递和高负载环境。因此，1个机器人合计需要用到4个梯形丝杠和10个行星滚柱丝杠。
价值量：就丝杠的价值量来看，梯型丝杠目前的价格约100元/副，行星滚柱丝杠的价格相对较高、需要进口，目前约为10000元/副。我们预计未来设备国产化、技术进步、叠加需求提升和规模效应背景下，梯型丝杠价格有望降低至约50元/副，行星滚柱丝杠降低至约1500-2000元/副。
1.2车用+工业母机+机器人，丝杠市场空间巨大
2022年全球滚珠丝杠+滚柱丝杠合计市场规模预计约为21.44亿美元。
1）滚珠丝杠：滚珠丝杆的传动效率高，定位精准，主要应用于数控机床、汽车等领域。从市场情况看，高端丝杠依旧为外资主导，国外主要的丝杠厂家为SKF，FAG，瑞典GSARollvis，德国博世力士乐Rexroth，Ewellx（滚柱丝杠），日本NSK，THK（滚珠丝杠）等。中国是滚珠丝杠重要消费市场之一，国内市场规模约占全球20%左右，据华经产业研究院数据，2021年中国滚珠丝杠市场规模达25.6亿元，滚珠丝杠副产量/表观需求量分别为983/1406万套。从全球看来，2021年全球滚珠丝杠市场规模达17.5亿美元，预计2022年增长至18.59亿美元，日本和欧洲滚珠丝杠企业占据全球约70%的市场份额。
车用丝杠市场空间达百亿。汽车智能化促进丝杠发展，车用丝杠主要应用于汽车的制动系统、转向系统、驻车系统。基于中汽协发布的汽车销量预测，在中国乘用车销量在3000万辆的背景下，我们预计短期内车用丝杠的市场规模为100亿元以上。1）汽车制动系统：分为电子液压制动系统（EHB）和电子机械制动系统（EMB）。目前主流为EHB系统；EMB系统因其结构简单、体积小、速度快的优势，未来其渗透率会有所提升。单个汽车制动系统需要4个丝杠部件，滚珠丝杠为主流丝杠部件，部分制动系统使用行星滚柱丝杠。2）汽车转向系统：主流为电动助力转向系统（EPS）和线控转向系统（SBW）。EPS系统中的齿条式EPS系统（R-EPS）是电机通过带式减速机带动滚珠丝杠的齿条轴转动，因此R-EPS系统需要1个滚珠/柱丝杠部件。SBW系统无机械连接，是未来汽车转向系统的发展方向，渗透率将持续提升，该系统需要1个滚珠/柱丝杠部件。3）汽车驻车系统：电子驻车系统（EPB）随着汽车电控系统的发展，集成度、智能度比较成熟，其响应速度更快、控制更精准的特点使其在乘用车中占据主导地位。一个EPB系统需要1个丝杠部件。
机床用丝杠的市场空间，短期预计为60亿元。机床（即工业母机）是丝杠的主要应用场景。我们预计丝杠的价值量占比为3%，以此预测短期机床带来的丝杠市场空间将达到约60亿元。
机器人有望带来百亿级丝杠增量需求。以Teslabot为例，其全身预计使用14个线性执行器，则需要14个丝杠部件，假设未来单台机器人丝杠量产均价为1000元，则单台机器人丝杠价值量为1.4万元。在100万台机器人销量假设下，机器人丝杠市场空间将达140亿元，机器人有望成为丝杠最大的应用市场。
2多种工艺并行，设备或成丝杠国产化关键2.1核心难点在于螺母内螺纹加工，硬车和砂轮磨是主流工艺
丝杠部件加工难度高，对设备要求高。丝杠制造难度大，这也是制约其国产化的重要因素之一。丝杠有淬硬丝杠和不淬硬丝杠两种，前者的耐磨性较好，能较长时间保持加工精度，但加工工艺复杂，必须有高精度的螺纹磨床和专门的热处理设备，而后者只需要精密丝杠车床。丝杠是细长柔性轴，刚性较差，结构外形复杂，有很高的螺纹表面要求，还有阶梯、沟槽等，所以，在加工过程中易出现变形，因此对加工工艺的要求很高。而螺母的内螺纹要求与丝杠外螺纹精确匹配，对精度的要求同样还很高。此外，高精度滚珠丝杠需要对螺纹、沟槽进行精磨加工，生产效率难以提高。行星滚柱丝杠由于具有更加复杂的空间形状，加工难度一般比滚珠丝杠更高。加工难点：（1）对外圆和螺纹需要分多次加工，逐步减少切削量，从而逐步减少切削力和内应力，减少加工误差，提高加工精度。（2）每次粗加工外圆及粗加工螺纹后都要进行时效处理，以便消除内应力。丝杠的精度要求越高，时效处理的次数也越多。（3）每次时效处理后都要重新打中心孔或修磨中心孔，以修止时效处理时产生的变形；并除去氧化皮等，使加工有可靠而精确的定位基面。（4）每次加工螺纹前，先加工丝杠外圆（切削量很小），然后以丝杠外圆和两端中心孔作为定位基面加工螺纹，逐步提高螺纹加工精度。
丝杠加工工艺类型：（1）冷轧：优势是简单，步骤短，但是采用冷加工工艺、用模具压出，精度偏低，仅能达到P7级别，因此一般不满足人形机器人丝杠的要求。（2）旋风铣：旋风铣是刀盘带动刀具作高速旋转运动，工件缓慢轴向进入，刀具作径向深入切削。优点是生产效率高，并能达到一定的精度（P3级，截形轮廓精度±5μm，圆柱度5μm，表面粗糙度值Ra=0.4μm）。对应的设备为旋风铣床。（3）硬车：又称之为以车代磨，其采用螺纹滚道硬车削技术，生产速度快、加工效率高，但是精度没有磨床的精度高。对应的设备为车床。（4）砂轮磨削：以先车后磨的方式进行加工制造生产，先把原材料车削到一定精度，再用专用丝杆磨床先粗磨再精磨到所需要的尺寸。这种加工方式优点是精度高，可以达到P1级别，足以满足人形机器人的精度需要。
梯形丝杠制造流程大致分为“冷拔→滚花→铣丝→校正→钻孔→切断→倒角”，采用旋风铣削丝杠设备，解决以往车削加工工艺产生的问题。梯形丝杠开始采用车削加工，工艺路线包括“冷拔→滚花→车螺纹→校正→钻孔→切断→倒角”，但是这种加工方式效率低下、成本高。并且由于小圆钢刚度低，车削、滚花时容易变形，不能生产小号螺轮。为此旋风铣削丝杠设备被设计出来，不仅可以提高转速，还能够将铣丝、滚花一次完成。改进后的工艺减小了表面粗糙度，减少由切削力引起的震动，但是增加了小径工件螺距累积误差（大径工件变形较小）。梯形丝杠成本低，安装简单，但是摩擦系数大，精度达不到高标准。
滚珠丝杠生产工序：螺母和螺杆各需要15道工序，核心决定精度的工序阶段为精磨，对应设备为螺纹磨床，而滚珠一般为外采的标准件。滚珠丝杠的加工难度高于梯形丝杠，机械加工工艺一般包括切削加工（精车，半精车外圆、螺纹）-热处理-磨削加工（精磨，半精磨外圆、螺纹）等。
行星滚柱丝杠的制造：核心难点在于螺母内螺纹加工，对应的核心设备为螺纹磨床。反向式行星滚柱丝杠的螺母很长、还是内螺纹，加工时还需要有一个倾斜角，砂轮进去磨，精度很难掌控，砂轮是单边支撑，螺母越长，砂轮就越要往里面走，砂轮伸得越长、抖动越厉害，很细微的抖动，那么公差都达到微米级别，所以里面公差难以控制。反向式行星滚柱丝杠，需要定制化的专机磨床。从加工上看，由于行星滚柱丝杠依靠零件间的螺纹啮合实现传动功能，其螺纹的加工精度将直接影响系统的传动精度、使用寿命、与平稳性，而磨削是高精度丝杠螺纹的主要加工方法，磨削的实质是砂轮的表面有很多磨粒划擦、刻划和切削工件表面，使用螺纹磨床高速旋转的成型砂轮对加工工件表面进行高速切削，因此，高精度磨床设备成为了行星滚柱丝杠加工生产的核心壁垒。
2.2进口丝杠价格高昂，国产化的核心是设备国产化
进口丝杠价格高、进口设备价格高交付周期长，因此设备国产化是必然趋势。行星滚柱丝杠价格高、制作难度大，此前需求不大，一般为进口。但是进口价格目前为1+万元/副，成本高昂，难以满足人形机器人量产的成本要求，因此国内企业纷纷希望自行生产行星滚柱丝杠。然而，国内企业自行生产，需要进口相关的螺纹磨床，海外螺纹磨床价格非常高，一般为100-200万欧元/台，并且是定制化磨床。一开始量不大、又是定制，国外企业产能有限，供货的意愿不强。此外，国外厂家的销售模式是以销定产，客户下单后，通常需要2年以后才能拿到设备，生产交付周期很长，未来很难满足人形机器人的量产需求。因此丝杠设备的国产化、定制化是必然趋势。
国内多厂家发力螺纹磨床，国产化进程有望加速。从螺纹磨床竞争格局上看，欧美、日本的厂家全球领先。国外螺纹磨床主要厂商包括：日本三井、德国克林贝格、瑞士斯图特、英国麦屈克斯和霍罗德、美国德拉克等；国内具备丝杠加工能力的厂商包括：秦川机床、华辰装备、浙海德曼、日发精机等。相比国外厂商，在高端螺纹磨床产品上仍存在较大差距，在丝杠前道生产设备中，国内技术已趋于成熟，后道核心设备即数控螺纹磨床国产化率低，生产高端丝杠所用的高精度螺纹磨床基本完全依赖进口。国内磨床与国外磨床的差距主要体现在原材料、热处理、数控系统以及加工经验等方面。目前国内磨床技术持续突破，多家厂商与下游客户进行密切技术交流，在螺纹磨床技术上持续研发。
螺纹磨床空间测算：人形机器人有望带来近百亿的高精度螺纹磨床增量需求。国内丝杠主要依赖进口，同时用于生产丝杆的高精度磨床也长期依赖国外进口，从下游市场看，机床、汽车、机器人是高精度丝杠的主要应用场景。我们对人形机器人带来的高精度磨床的市场增量进行测算，假设单台机器人需要行星滚柱丝杠10套，行星滚柱丝杠三个主要部件螺母、螺杆、滚柱（一般一套为6-8根）需要内螺纹磨床、外螺纹磨床、外圆磨床、内圆磨床等4种不同类型的磨床，各磨床之间难以通用，假设该4种磨床合计每天生产行星滚柱丝杠数量为20套，一年有效工作天数为360天，平均单台磨床价值量按150万元计算，预计100万台人形机器人将带来83亿的高精度磨床设备需求增量。
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