絲桿行業(yè)概述

一、絲桿的定義和特性

絲杠是一種機械傳動元件，通常用于將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為線性運動。它主要由絲杠和螺母兩部分組成。絲杠是一種具有螺紋母線的長條狀零件，而螺母則是一種外部具有螺紋母線的零件。螺母可以通過轉(zhuǎn)動絲杠來移動沿絲杠的方向。絲杠具有多種特點，使其在機械傳動中被廣泛應(yīng)用：

1）較小的滑動摩擦系數(shù)：絲杠和螺母之間的滑動摩擦系數(shù)相對較小，從而確保線性運動的平順性和精度。由于滑動摩擦系數(shù)很小，因此可以更輕松地將螺母沿著絲杠移動，從而減少對電機或手搖輪的功率需求。

2）高效率：絲杠的傳動效率高，因為它將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為線性運動并消耗較少的能量。絲杠的高效率可以使機械傳動更加穩(wěn)定和可靠。

3）長壽命：絲杠的操作和使用壽命長，因為它們采用鋼或其他堅固的金屬制造而成。絲杠的堅固和耐用性可以減少設(shè)備故障和維修成本。

4）可逆轉(zhuǎn)：絲杠的方向可以自由調(diào)整，從而讓設(shè)備可以適應(yīng)不同的操作需求。絲杠的可逆性使其可以在不改變傳動系統(tǒng)的前提下靈活適應(yīng)不同的應(yīng)用

5）易于控制：絲杠的控制非常簡單，因為它們可以通過電機或手動輪控制。這種控制程序可以通過編程或其他電子手段自動化，從而進一步提高設(shè)備的生產(chǎn)效率和精度。

二、絲桿的分類和區(qū)別

絲杠作為一種機械傳動元件，主要用于將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。已被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)過程中，由于其具有低滑動摩擦系數(shù)、高效率、長壽命、可逆和易于控制等優(yōu)點，因此是非常理想的傳動元件之一?，F(xiàn)今，絲杠在機場、軌道交通系統(tǒng)、自動化設(shè)備、機器人、制造系統(tǒng)等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。

絲杠按摩擦特性可分為滑動絲杠、滾動絲杠及靜壓絲杠。

1）滑動絲杠：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，牙型多為梯形?；瑒咏z杠具有成本低、承載力大、結(jié)構(gòu)簡單，同時能結(jié)合具體要求進行結(jié)構(gòu)調(diào)整，被廣泛用于普通機床的進給傳動、分度機構(gòu)和一般機械的絲杠傳動。而缺點也較為明顯，滑動絲杠傳動效率較低、定位精度和軸向剛度較差，摩擦力較大使其發(fā)熱量大（長時間用時需冷卻），對應(yīng)的較大磨損導(dǎo)致使用壽命縮短。

2）靜壓絲杠分為液體靜壓絲杠與氣體靜壓絲杠兩種類別。

• 液體靜壓絲杠具有良好的減震性與定位精度等優(yōu)勢，缺點主要是裝置大而多、容易造成環(huán)境污染、供應(yīng)商少和價格較高。

• 氣體靜壓絲杠裝置簡單，且對環(huán)境友好，但與液體靜壓絲杠相對比，其剛度和承載能力相對較弱。

3）滾珠絲杠一般由螺桿、螺母、鋼球（滾珠）、預(yù)壓片、反向器、防塵器等六個部分組成。由于將滾珠置入螺母與絲杠之間以滾動摩擦取代滑動摩擦，摩擦阻力較小，能解決粘滑現(xiàn)象；滾珠絲杠傳動效率一般能達到90%-96%，約為滑動絲杠的2-4倍，改善滑動絲杠定位精度低及損耗高的情況。受益于摩擦系數(shù)小、效率高、精度高等優(yōu)點，滾珠絲杠廣泛應(yīng)用于機床、汽車等行業(yè)。

滾珠絲杠載荷傳遞元件是滾珠，以多個滾珠接觸點來支撐負載。按照滾珠循環(huán)方式可對滾珠絲杠分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩個類型。

• 內(nèi)循環(huán)為滾珠在循環(huán)過程中始終不脫離絲杠表面的循環(huán)方式。

• 外循環(huán)為滾珠循環(huán)過程中脫離絲杠螺紋滾道，從而在螺母體內(nèi)或體外循環(huán)。簡而言之，內(nèi)外循環(huán)以在循環(huán)過程中是否脫離或接觸絲杠表面為判斷依據(jù)。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠尺寸一般來說小于外循環(huán)滾珠絲杠，適合于空間比較緊湊的場景；同時其需要反向器固定相對來說比較牢靠、剛性好且不易損壞。而外循環(huán)滾珠絲杠適用于需要扛沖能力大、高負載絲杠的使用場景。

4）行星滾柱絲杠是一種低摩擦式精密絲杠式傳動裝置，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動或反之亦然的機械裝置。在相同體積情況下，行星滾柱絲杠接觸面積更大，能將承載力平均分散，從而減小摩擦力并延長使用壽命，同時能承受更高的輸入轉(zhuǎn)速從而實現(xiàn)更大的直線速度，可適用于高精度、高速、重型、耐用和重度使用的場景。由于其性能原因，行星滾柱絲杠制造工藝相對復(fù)雜，成本相對較高。

根據(jù)行星滾柱絲杠結(jié)構(gòu)組成和零件相對運動關(guān)系的不同，主要分為5種結(jié)構(gòu)形式，分別為標準式、反向式、循環(huán)式、軸承環(huán)式、差動式。其中，特斯拉擎天柱使用的為反向式行星滾柱絲杠。

從結(jié)構(gòu)上滾珠絲杠和行星滾柱絲杠類似，性能方面行星滾柱絲杠優(yōu)勢較為明顯。在承載能力及壽命方面，滾珠絲杠載荷傳遞元件是滾珠，而行星滾柱絲杠載荷傳遞元件是螺紋滾柱，線接觸能夠在相同條件下提供更高的承載能力。同時行星滾柱絲杠在設(shè)計上能提供更高剛度，保持較好的抗沖性能。此外，行星滾柱絲杠的壽命最高可為滾珠絲杠的15倍，在相同工況下，行星滾柱絲杠的維護周期更長。在導(dǎo)程和空間方面，行星滾柱絲杠可設(shè)計更小的導(dǎo)程，且導(dǎo)程可為整數(shù)或小數(shù)，能實現(xiàn)更精細化的控制。在相同負載條件下，行星滾柱絲杠的體積更小，有助于減少機械設(shè)備的總體尺寸。在速度方面，行星滾柱絲杠可實現(xiàn)更高速旋轉(zhuǎn)，對需要快速響應(yīng)的場景非常重要。

三、精度為絲杠性能關(guān)鍵指標之一

根據(jù)國際標準化組織（ISO）、德國工業(yè)標準（DIN)、日本工業(yè)標準（JIS）規(guī)定，行星滾柱絲杠和滾珠絲杠的精度等級劃分大致相同，主要通過絲杠任意300mm長度的導(dǎo)程誤差分類。其中，ISO和DIN將精度等級均劃分為6類（C0、C1、C3、C5、C7、C10），兩種標準除C0外其他等級劃分基本相同。國內(nèi)滾珠絲杠的精度等級分為7類(P1、P2、P3、P4、P5、T7、T10)，1-10精度依次遞減，數(shù)字越小代表精度越高。

對絲杠的精度要求相對較低的應(yīng)用領(lǐng)域為智能家居、電動工具等消費類領(lǐng)域，目前主要使用梯形絲杠和中低端滾珠絲杠為主。一般來說，工業(yè)機械設(shè)備對絲杠精度有一定要求，不同類型設(shè)備對精度的要求不同。通用機械或普通數(shù)控機械選C7或以下，高精度數(shù)控機械選C5(±0.018)以上C3(±0.008)以下，光學(xué)或檢測機械選C3以上。機器人機械手臂(精密級)精度要求在C1-C4級，機床高精度磨床要求在C0-C2級。

四、絲杠生產(chǎn)技術(shù)壁壘

目前來看，生產(chǎn)高精度絲杠主要三大壁壘為原材料、工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備。

原材料：絲杠在反復(fù)運動過程中會受到連續(xù)振動、沖擊和摩擦，對于材料的強度、剛性、耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞性、承載力等方面均有一定要求。絲杠的原材料會根據(jù)不同工作環(huán)境、精度、負載等要求存在一定的區(qū)別，常見材料有滲碳鋼、硬化不銹鋼、非合金(碳素)結(jié)構(gòu)鋼、低合金工具鋼、軸承鋼等。稀有元素鉻/鉬的元素配比及加工工藝等因素將影響材料的穩(wěn)定性、熔點和剛度等性能。根據(jù)《國產(chǎn)鉻/鉬鋼滾珠絲杠與國外同類產(chǎn)品的質(zhì)量分析》，帶狀組織會降低鋼的力學(xué)性能、切削性能、淬透性，使零件淬火變形傾向增大，降低強韌性。國產(chǎn)絲杠產(chǎn)品中的帶狀偏析組織導(dǎo)致絲杠性能不佳，為國內(nèi)絲杠產(chǎn)品與國外產(chǎn)品存在一定差距的重要因素之一。

工藝流程：絲杠軸的加工技術(shù)分為冷軋和研磨兩種，冷軋法的退火工藝和研磨法的螺紋切割為加工難點。冷軋法效率高、精度低，螺紋一次成型，無需后續(xù)的切削加工，可以批量制造，成本較低，通常精度等級在C9至C5。研磨法效率低、精度高，首先需通過切削加工形成粗螺紋，隨后使用精密研磨工藝提高螺紋的精度，可實現(xiàn)C9至C0的精度跨度。相比之下，研磨法工藝復(fù)雜、交貨期較長、成本相對較高。此外，熱處理也是工藝流程中核心要素之一，可以改善絲杠材料性能、切割性能等。落后的設(shè)備、熱處理工藝參數(shù)不同都會導(dǎo)致熱處理結(jié)果差異，從而影響行星滾柱絲杠使用壽命。

生產(chǎn)設(shè)備：磨床是絲杠加工的核心技術(shù)壁壘，決定絲杠的加工精度和效率。磨床的精度直接影響絲杠的軸向精度、徑向精度以及整體的運動平穩(wěn)性。目前，國內(nèi)高端磨床制造商相對較少，在精度、穩(wěn)定性等方面與全球領(lǐng)先企業(yè)仍有差距。根據(jù)GGII，國產(chǎn)磨床能滿足C3-C4精度的中端絲杠加工，如需批量加工高端絲杠(C0-C2)會存在出品不穩(wěn)定情況。

人形機器人絲杠作為機器人線性驅(qū)動的關(guān)鍵組件，主要實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與直線運動的轉(zhuǎn)換。其應(yīng)用于關(guān)節(jié)驅(qū)動和運動控制，如手臂、腿部以及靈巧手等，是實現(xiàn)精準移動和穩(wěn)定支撐的重要部件。絲杠傳動剛性傳動主流方案，具備高精度、高負載等優(yōu)勢。

從設(shè)計結(jié)構(gòu)角度來看，滑動絲杠多為梯形絲杠，工藝簡單且成本較低，但傳動效率低、精度不高。

一、滾珠絲桿人形機器人中的應(yīng)用

滾珠絲杠由絲杠軸、螺母（含滾珠）、軸承和密封件構(gòu)成，以滾珠滾動摩擦替代滑動摩擦，傳動效率高、導(dǎo)程精度高。絲杠軸、螺母和端蓋上都制有圓弧形螺旋槽，將套裝在一起時，這些槽對合起來就形成了螺旋通道，滾珠能夠在通道內(nèi)循環(huán)滾動。

特斯拉二代靈巧手方案采用微型滾珠絲杠，實現(xiàn)手部高靈活度和強負載能力。微型滾珠絲杠將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，從而驅(qū)動手指關(guān)節(jié)實現(xiàn)彎曲和伸展。

二、滾珠絲桿產(chǎn)業(yè)鏈

滾珠絲杠行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)主要為上游的原材料和零部件（鋼鐵、絲桿、螺母和滾珠等），中游的滾珠絲杠生產(chǎn)制造商，下游的應(yīng)用領(lǐng)域包括數(shù)控機床、注塑機、機械工業(yè)等行業(yè)。上游的原材料質(zhì)量直接影響到滾珠絲杠的性能和精度，而下游的應(yīng)用領(lǐng)域則決定滾珠絲杠的市場需求量和發(fā)展方向。

下游領(lǐng)域拓展推動行業(yè)動空間提升，機床高端化轉(zhuǎn)型促進行業(yè)技術(shù)升級：具體來看，國內(nèi)數(shù)控機床、機器人生產(chǎn)線、航天航空與軍工領(lǐng)域?qū)L珠絲杠需求較大，隨著下游領(lǐng)域持續(xù)拓展，有望推動滾珠絲杠市場空間進一步提升。作為滾珠絲杠需求最大領(lǐng)域，我國機床產(chǎn)量提升不僅擴大滾珠絲杠用量需求，同時隨著國內(nèi)機床技術(shù)高端化轉(zhuǎn)型，有望推動行業(yè)技術(shù)升級，以滿足高端機床所需求的高精度、高穩(wěn)定性和耐用性需求。2024年1-11月中國金屬切削機床、金屬成形機床累計產(chǎn)量分別為611890臺、144000臺，分別同比增長1.81%、5.88%。

三、滾珠絲桿市場

國內(nèi)滾珠絲杠市場供需缺口明顯，價格呈下降趨勢。從國內(nèi)市場供需情況來看，國內(nèi)滾珠絲杠需求量高于產(chǎn)量，供需缺口相對明顯。根據(jù)觀研天下、華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計，2023年滾珠絲杠產(chǎn)量為1121萬套，需求量為1687萬套，其缺口為566萬套，同比增長24.40%。價格方面，根據(jù)觀研天下數(shù)據(jù)，國內(nèi)滾珠絲杠價格從2014年的225元/套下降至2022年的180元/套，年復(fù)合降幅為-2.75%。隨著行業(yè)競爭加劇，國內(nèi)產(chǎn)品走向國際舞臺，海外企業(yè)進入中低端產(chǎn)品市場，疊加技術(shù)更新迭代等多方面因素推動，未來滾珠絲杠價格將呈持續(xù)下降態(tài)勢。

根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，中國大陸廠商在國內(nèi)滾珠絲杠中低端市場已有突破，高端市場國產(chǎn)化率仍有巨大上升空間。中國大陸廠商在國內(nèi)中端滾珠絲杠市場份額為30%、高端產(chǎn)品市場份額5%。德國力士樂，日本THK、NSK等海外企業(yè)在我國中端滾珠絲杠市場份額為30%，高端產(chǎn)品市場份額為90%。

四、行星滾柱絲杠在人形機器人中的應(yīng)用

相較于滾珠絲杠傳動方案，行星滾柱絲杠具有承載力、體積和精度等綜合優(yōu)勢，非常契合在空間緊湊的人形機器人上應(yīng)用。行星滾柱絲杠由于高數(shù)量接觸點，能夠承受更高的靜載和動載，靜載為滾珠絲杠的3倍，壽命為滾珠絲杠的15倍，同載荷下體積比滾珠絲杠小1/3。核心結(jié)構(gòu)包括絲杠、滾柱、螺母、內(nèi)齒圈、保持架和彈性擋圈。運動模式類似行星繞太陽，精度最高，但降本訴求迫切。

通過驅(qū)動螺母帶動絲杠軸向運動（螺母作為主動件），可以理解成將螺母作為電機轉(zhuǎn)子實現(xiàn)電機和直線傳動機構(gòu)（絲杠）融合的復(fù)合產(chǎn)品，好處就是在同等扭矩的基礎(chǔ)上可以產(chǎn)生更大的負載，同時體積更小。

行星滾柱絲杠中反向式行星滾柱絲杠在人形機器人中應(yīng)用較為廣泛。反向式行星滾柱絲杠結(jié)構(gòu)緊湊、重量更小，但加工要求更高。

特斯拉人形機器人Optimus主要采用反向式行星滾柱絲杠，每個線性執(zhí)行器中都搭載了一個行星滾柱絲杠，總共使用了14根反向式行星滾柱絲杠，分別用于大臂（2個）、小臂（4個）、大腿（4個）和小腿（4個）。

特斯拉Optimus行星滾柱絲杠分布圖：

五、行星滾柱絲桿產(chǎn)業(yè)鏈

行星滾柱絲杠產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成主要為上游的原材料與零部件，行星滾柱絲杠中絲杠選用的材料多為合金結(jié)構(gòu)鋼，螺母和滾柱選用的材料為高碳鉻軸承鋼;零部件包括絲杠、螺母等關(guān)鍵部件。中游的行星滾柱絲杠制造，下游的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋多個行業(yè)，包括機器人、石油天然氣、醫(yī)療器械、機床設(shè)備、汽車等行業(yè)。

六、行星滾珠絲桿市場

中國行星滾柱絲杠市場規(guī)模相對較小，較為依賴進口。與滾珠絲杠產(chǎn)品相比，行星滾柱絲杠的制造廠商相對較少，而國內(nèi)每個品牌產(chǎn)品的特性與所在細分市場也有所不同。目標市場的分散導(dǎo)致在目前為數(shù)不多的行星滾柱絲杠廠商難以形成協(xié)

同效應(yīng)，較難提高產(chǎn)品供給，無法快速提升市場規(guī)模。根據(jù)Persistence Market Research、DATAINTELO、前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2022年中國行星滾柱絲杠市場規(guī)模為4.40億元，占全球市場規(guī)模的5.00%。根據(jù)Persistence Market Research、DATAINTELO預(yù)計，2028年我國行星滾柱絲杠行業(yè)市場規(guī)模將達6.70億元，2023-2028年復(fù)合增長率為7.50%。目前，行星滾柱絲杠產(chǎn)能主要集中在歐洲、美國等，國內(nèi)品牌起步較晚，規(guī)模較小，國內(nèi)市場主要依賴進口。國產(chǎn)品牌以南京工藝和博特精工為代表，主要應(yīng)用于機床裝備。

人形機器人打開行星滾柱絲杠行業(yè)市場空間。從人形機器人角度來看，特斯拉擎天柱使用的是反向式行星滾柱絲杠，滿足高承載、小體積等方面要求。相同絲杠直徑下，與滾珠絲杠相比，反向式行星滾柱絲杠具有更高的承載、更高的精度；與標準式行星滾柱絲杠相比，反向式行星滾柱絲杠體積更小。根據(jù)Morgan Stanley，預(yù)計特斯拉擎天柱二代（按零部件分類）傳感器、電機、絲杠、減速器的成本占比分別為37.00%、20.30%、20.20%、12.60%，共占總成本的90.00%。根據(jù)GGII預(yù)測，2030年全球及中國人形機器人市場規(guī)模分別為200億美元、50億美元。根據(jù)上述市場規(guī)模結(jié)合成本占比計算，預(yù)計2030年全球和中國人形機器人用行星滾柱絲杠市場規(guī)模分別約為40.40億美元、10.10億美元。

目前，特斯拉人形機器人在肘部、手腕、髖部、膝蓋、腳踝預(yù)計共使用10-14個反向式行星滾柱絲杠。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，假設(shè)人形機器人（以特斯拉人形機器人為代表）使用14個行星滾柱絲杠，考慮規(guī)模生產(chǎn)、技術(shù)更新迭代等因素，均價逐年下降，預(yù)計人形機器人年產(chǎn)量為5萬臺、100萬臺、500萬臺全球行星滾柱絲杠市場規(guī)模分別為16.25億元、171.36億元、667.80億元。

特斯拉人形機器人用行星滾柱絲杠市場規(guī)模測算：我們假設(shè)特斯拉人形機器人單機所需行星滾柱杠為14個，均價從2026年的6060美元下降至2030年的1079美元（每年下降25%），預(yù)計2030年特斯拉人形機器人用行星滾柱絲杠市場規(guī)模將為289.91億美元，2026-2030年復(fù)合增長率為83.71%。

當(dāng)前全球行星滾柱絲杠格局較為集中，海外龍頭企業(yè)占據(jù)了在高端行星滾柱絲杠領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。市占率較高的廠商包括瑞士GSA、瑞士Rollvis、瑞典Ewellix、博世力士樂、美國CMC、日本THK等。特斯拉形機器人Optimus反式行星滾柱絲杠使用的是瑞士GSA制造的RGTI12.8行星滾柱絲杠。

國內(nèi)絲杠老牌企業(yè)包括新劍傳動、南京工藝、博特精工、漢江機床等率先布局，在客戶資源和技術(shù)實力積累等維度方面有先發(fā)優(yōu)勢。新劍傳動在官網(wǎng)上展示了在人形機器人上同特斯拉Optimus類似的絲杠選型應(yīng)用。24年12月，新劍傳動年產(chǎn)100萬臺人形機器人及汽車行星滾柱絲杠產(chǎn)業(yè)化項目開工，成為全球第一家公布大規(guī)模量產(chǎn)的企業(yè)；南京工藝有國內(nèi)規(guī)格最全的精密滾動功能部件產(chǎn)業(yè)化基地。

隨著人形機器人的放量節(jié)奏加快，國內(nèi)主營汽零、機械、工控等業(yè)務(wù)的廠商依托同源性工藝也縱向拓展絲杠業(yè)務(wù)。近年來，國內(nèi)廠商貝斯特、北特科技、恒立液壓、雙林股份、震裕科技、鼎智科技、禾川科技、秦川機床、浙海德曼等廠商積極布局絲杠業(yè)務(wù)。

此外，絲杠與軸承在生產(chǎn)工藝上存在諸多相似之處，尤其是磨制和熱處理等核心難點工藝，二者協(xié)同性較強。國內(nèi)代表企業(yè)為五洲新春、長盛軸承、斯菱股份、金沃股份等橫向?qū)Ρ群Ｍ夤?yīng)商SKF、NSK等軸承龍頭均在絲杠領(lǐng)域具備市場競爭力。

此外，在靈巧手微型絲杠領(lǐng)域，雙林股份、浙江榮泰、雷迪克、五洲新春等廠商都有所布局。

來源：公眾號 果醬燒烤 芯能創(chuàng)投Fund

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