◆ 丝杠是一种常见的物理运动运动，用于将旋转运动转为直线运动。可大致分为滑动丝杠（多为梯形丝杠）、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠、静压丝杠。◆ 人形机器人为丝杠新增放量点。梯形丝杠和滚珠丝杠在机械机床领域已成熟应用，行星滚柱丝杠目前仅在航空等高端领域应用。特斯拉人形机器14个线个梯形丝杠，而国内大部分人形机器人采用电流环方案，无需使用丝杠。
◆ 梯形丝杠是一种滑动运动，适用于慢速、精度要求不高等领域。梯形丝杠由螺杆和螺母组成，螺杆上布有梯形螺纹，依靠螺母与螺杆的旋合传递运动和动力，是完全依靠机械接触产生滑动，是一种滑动运动，其传动效率30-70%（低于滚珠90%+），且其高速发热明显，更适用于低速运动，同时精度较低为C10以上（滚珠最高可到C0级），但其有自锁功能（滚珠无，需外加零件）。梯形丝杠多应用于数字控制机床、自动输送系统、测量设备等。◆ 梯形丝杠加工工艺简单，主要为切销工艺，已经很成熟广泛推广。梯形丝杠加工方式有滚压、切削和研磨三种制造方式，从精度看研磨（15um/300mm）切削（50um/300mm） 滚压（90um/300mm） ，但由于研磨成本高10倍以上，目前多采用切削方式，技术简单，工艺成熟。切削工艺中，目前多用旋风铣销丝杠设备，可替代此前的车削工艺，可将铣丝、滚花一次完成，减少表面粗糙度。
◆ 滚珠丝杠是滚动运动，传动效率高、精度高。滚珠丝杠由丝杆、螺母、滚珠、回珠器主要部件构成，核心部分是滚珠，滚珠位于丝杆的螺纹槽内，同时与螺母的螺纹槽接触。当丝杠旋转时，滚珠在丝杆和螺母之间滚动，实现力的传递和直线运动。回珠器大体上分为内循环式和外循环，在轻载和小型丝杠情况下用内循环，反之使用外循环。◆ 滚珠丝杠工艺分为研磨与轧制，已国产化，但高精度产品技术仍待提升。滚珠丝杠加工核心在于滚道制作，螺母的螺纹采用研磨技术，而丝杆可采用研磨和轧制两种工艺。轧制是采用冷加工工艺模具制造，自动化程度高，适合大批量生产，成本低，但精度偏低一般为C7级以上；而研磨工序长，从热处理、粗加工（车削）、到精磨（磨削），效率低，但精度高，一般为C7级以下，可达到C0级。国产技术已突破，但高精度产品技术仍需提升，全球滚柱丝杠市场空间超120亿。
◆ 行星滚柱丝杠是线接触的滚动运动，具备滚珠优势，同时承载力更强、寿命长、体积小。行星滚柱丝杠由主丝杆，6-12根滚柱，螺母，轴承盖和齿套筒组成，与滚珠丝杠的结构相似，不同之处在于其载荷传递元件为螺纹滚柱，是线接触；而滚珠丝杠载荷传递元件为滚珠，是点接触。滚柱替代滚珠将使负载通过众多接触点迅速释放，从而能有更高载荷和抗冲能力，同规格的滚珠丝杠的载荷是滚珠的3倍，寿命是滚珠的15倍，同载荷情况下，体积是滚珠的1/3。◆ 根据不同的结构设计，滚柱丝杠分为循环式、非循环式、反转式等，其中特斯拉人形机器人采用反转式，难度更高。1）反转式滚柱丝杠：螺母作为主动件（长度长，加工难度大），丝杆为输出构件（滚柱围绕丝杆旋转，区别于围绕螺母旋转），没有内齿圈，优点是结构紧密相连，用于小行程工作场景。2）循环式：去掉了内齿圈，增加返回器（凸轮环结构），滚柱可在螺母内旋转一周后归位，增加螺纹数量，具有更高刚度，用于医疗器械、精密仪器等。3）非循环：增加壳体、端盖、圆柱滚子轴承等部件，承载能力强，应用于重型机械、石油化学工业等，成本高。
◆ 滚柱丝杠与滚珠有同源性，但综合性能更优，加工难度大及未大规模生产限制成本下降。滚柱丝杠与滚珠丝杠其运动原理类似，且加工设施基本相同，工艺具备同源性。滚柱丝杠综合性能更优，包括承载力大、寿命长、体积小、速度快等，但其加工工艺难，市场需求远不及滚珠（不足10亿vs超100亿），因此成本远高于滚珠丝杠。未来随着人形机器人放量，滚柱丝杠有望大规模化生产。
◆ 滚柱丝杠评估指标众多，人形机器人中看中高精度、负载大、结构紧凑等性能。在滚柱丝杠选型时，着重关注几个指标精度等级（丝杠旋转一周后，定位精度误差的最大值，一般选300mm螺纹长度测量导程误差）、效率（各种接触界面处耗散的热功率，影响电机扭矩计算）、速度（转速）、负载、额定寿命、刚度等。这与丝杠的直径、导程、螺母设计（单螺母看轴向间隙、预紧螺母看预紧力）、工艺等有关。◆ 精度是滚柱丝杠重要指标，在人形机器人应用时同时追求运动丝滑性。按照中国台湾的JIS等级，精度可分为C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10（若任300mm丝杠长度误差为3.5um以内，则为C0级），普通机械采用C7/C10级，数控设备一般都会采用C5/C3级，航空等领域采用C3/C2。而在人形机器人应用中，滚柱的精度与滚珠不同，滚珠是追求导轨精度，而滚柱同时追求运动的流畅性。目前滚柱丝杠精度可达C1级别（±5um/300mm），由于结构设计，实际精度表现优于滚珠同等级标定。
◆ 材料性能要求高，多采用合金调质钢。滚柱丝杠原材料对耐疲劳性、强度刚度、耐腐蚀耐磨性、机械加工性能等要求比较高，因此原材料多采取不锈钢、合金调质钢、高碳铬轴承钢等。常见原材料为Cr（铬）/Mo（钼）合金结构钢、马氏体/渗碳不锈钢等，微量元素的应用有效增强合金钢的加工性能、强度刚度等。◆ Cr/Mo合金钢国产品质仍有差距，且高端产能有限。国产Cr/Mo合金钢性能较海外仍有差异，体现在国产Cr/Mo钢存在很明显的带状偏析组织，表面硬化层、过渡层到心部的金相组织分布不合理，各部位元素分布不均，在实际使用中易断裂。国产高端合金钢产能有限，设备需用电炉（精确把控温度、添加多种合金元素）、单吨成本较转炉高500-800元，此外由于合金钢配方不同，需长期调试试验，目前钛钢集团有所出货（一年出货量2万吨供日本THK ）。根据爱采购网，合金结构钢42CrMo售价3-10万/吨，按照高端10万/吨、收得率50%、良率50%、丝杠重量2kg测算，原材料成本800元/个，远期完全成熟后原材料成本将降低至200元以内。
◆ 行星滚柱丝杠加工工艺分为冷轧和研磨，核心在于螺纹加工。滚柱丝杠核心三大部件丝杆、滚柱、螺母，其中人形机器人使用反转式滚柱丝杠，螺纹长且是内螺纹，需用研磨工艺，且难度大；而丝杆和滚柱可采用冷轧工艺或研磨工艺。• 冷轧工艺：工序简单、但精度低。先在光杆上切出一定深度的槽，槽距与加工的丝距相等，后使用加工螺牙的搓牙机滚压。工序简单，销量高，适合大规模生产，但精度较低为C7级以上，极少可到C5级。• 研磨工艺：工序长、但精度高。研磨是在压轧的基础上用专门的磨床对螺纹进行精密加工，其需要经过热处理、车削、磨削等十几道工序，耗时长，但精度高，一般高于C5级。其难点在于热处理的把控、螺纹研磨。
◆ 研磨加工工艺工序长，耗时久，热处理与精磨是核心环节。滚柱丝杠的研磨加工工艺与滚珠丝杠类似，需经过预热处理、粗加工（车、铣、粗磨）、半精加工（半精磨）、精（研磨）加工和终加工阶段，前后工序共10-20道。为增加精度，可分多次对螺纹加工，同时每次粗加工后都需进行时效处理，消除内应力；后都需重新打（磨）中心孔，修正时效处理时的变形，因此加工流程长，前后要10h以上。其中热处理和精磨是核心环节，精磨螺纹和螺母影响精度，热处理影响寿命，装配影响一致性。
◆ 热处理可提高材料的机械性能、消除残余应力和改善金属的切削加工性。丝杠粗加工前，将进行预备热处理，通过退火/正火、时效处理，以此消除内应力、改善加工性能；在精磨前，进行最终热处理，主要选择表面淬火，表面淬火还具有外部强度高、耐磨性好，而内部保持良好的韧性、抗冲击力强的优点。◆ 热处理工艺本身无壁垒，但如何最优化需经验积累。根据材料特性，需控制好温度、加热时间、冷却速率等，加热和冷却时间过短或过长都将影响加工性能。
◆ 精磨对滚珠丝杠的精度起到绝对性影响，包括螺纹的螺距误差、螺纹的牙形误差等，是丝杠生产的最核心环节，对设备依赖度高，且对工艺技术要求高，需要knowhow积累：
• 螺母内螺纹：反式行星滚柱丝杠螺母长度长，其内滚道的内螺纹加工难度极大，需使用高精度的内螺纹磨床。其难点有：1）倾斜角：为了磨削出具有精密牙型的螺纹，机床的磨轮安装的地方必须按螺纹的螺旋角倾斜变化，这就需要有一个旋转轴，保证加工螺纹的进给与主轴旋转同步，而绝大多数通用磨床并不具备这一条件。2）长度与孔径：磨削深孔内螺纹的主要挑战是螺旋角与孔径相互制约，随着螺纹长度的增加和孔径的减小，由于磨削轴非常容易与工件发生碰撞，同时冷却液难以进入。• 丝杆和滚柱：为了更好的提高精度，丝杆与滚柱通常也使用精磨方式加工螺纹，除了控制螺纹精度，对滚柱的一致性的控制同样影响最终产品的精度。
◆ 高精度磨床为瓶颈，依赖进口：设备端看，高精度磨床依赖进口。滚柱丝杠加工主要涉及车床、铣床、车铣复合加工中心、外圆磨床、内圆磨床、螺纹磨床等，其中螺纹磨床精度要求高，依赖进口，且采购价格高。◆ 工艺积累同时影响磨床的效率。研磨精度，不仅与磨床设备精度有关，同时与工艺相关，特别是内螺纹，工艺流程中需人工干预调整整砂轮直径、调整磨杆直径，避免干预等问题。在小批量阶段，通常为提高精度，而牺牲效率。如目前国内滚柱丝杠厂开发阶段，一个零部件精磨需2h，一个磨床一天最多磨一套滚柱丝杠，且良率低，成本居高不下。从规划项目看投入产出比1：1.5，资本开支大。
◆ 高精度磨床设备对控制管理系统等要求严格、追求自动化、标准化。数字控制机床加工螺纹的过程中需要保证加工螺纹的进给与主轴旋转同步，其控制主要是依靠数字控制机床的主轴编码器、运算器、伺服电机、滚珠丝杠四个部件来实现。◆ 海外老牌磨床历史久、产品性能领先、但订货周期长。滚柱丝杠与滚柱丝杠高精度磨床技术同源，欧洲厂商多使用德国SMS磨床、日韩多用日本三井、美国厂商多用美国Drake公司产品，订货周期长达1-2年左右，目前国内新进入滚柱丝杠环节厂商，多为进口设备。而国内高精度磨床技术还需提升。
◆ 滚柱丝杠壁垒高。目前市场需求量小：与滚珠丝杠这类型成熟产品不同，滚柱丝杠目前应用领域小，23年全年市场空间预计不足10亿元，按照单价2万，年需求仅5万套。◆ 德国Schaeffler集团多次收购竞争对手、几乎垄断滚柱丝杠市场：舍弗勒控股的瑞士GSA在欧洲市场滚柱丝杠份额第一，且聚焦高端市场；GSA于2016年收购欧洲滚柱丝杠规模第三的瑞士ROLLVIS公司，22年舍弗勒再收购滚柱丝杠规模第二的Ewellix公司，Ewellix前生为SKF行星滚柱丝杠部门（1968年SKF集团收购法国Transrol进入行星滚柱丝杠领域，2018年被欧洲Triton集团收购，2019年更名Ewellix），收购ewellix主要是要布局低端领域，如汽车制造，钢铁，化工等领域。至此，舍弗勒基本垄断中低端滚珠丝杠市场。规模第四的厂商为意大利VCS（2007年被美国MOOG集团收购）。其余厂商如美国CMC、Exlar，日本的THK、NSK等均未形成大规模。
◆ 滚珠丝杠应用广泛，技术成熟，市场空间超百亿。滚珠丝杠22年市场空间18-19亿美元，合计人民币130亿+，其中国内市场30亿左右。格局看，日本和欧洲滚珠丝杠企业占据了全球约70%的市场占有率，前三大为日本的NSK、THK、中国台湾的上银。国内厂商主要生产偏低端产品，格局较为分散，CR5份额为46%，其余份额为54%。◆ 对标滚珠丝杠，上银科技后来者居上，随着后续市场需求爆发，国内有望诞生优秀的滚柱丝杠厂。1940年美国开始批量生产用于汽车转向机构的滚住丝杠，并随着精密螺纹床的应用，滚珠丝杠性能大幅度的提高，应用领域拓展至工业机械领域。50年代开始，美国、英国、日本的滚珠丝杠公司密集出现。80年代开始，滚珠丝杠的制造技术向东南亚渗透，1982年上银科技开始生产滚柱丝杠，到1989年已成为全世界前三厂商。
◆ 国内厂商加大滚柱丝杠研发与布局，看好拥有精磨设备的厂商。滚柱丝杠作为线性执行器最重要的零部件，壁垒高、价值量大，随着人形机器人产业兴起，国内厂商加速布局。主要有三类厂商，一是滚珠丝杠厂商延伸，二是购买精磨设备的新厂商，三是代工组装方式。滚珠丝杠厂商如秦川机床、鼎智科技、新剑传动，有一定的技术同源性，但技术待提升空间也较大；已购精磨设备新厂商，如贝斯特、恒立液压，其优点是拥有进口的高精度精磨设备，但由于新进入，经验积累有限，因此进度相对较慢；第三，代加工方式，执行器厂商如三花，通过培养多个厂商，每个厂商分别生产两个零部件，由三花进行组装，同时其也购买精磨设备，同步开发，并且滚柱零部件商如北特等，也将精磨环节代工。我们更看好拥有精磨设备的厂商，未来突破可期。
◆ 生产效率和良率，是滚柱丝杠未来降本的关键。如前文所述，滚柱丝杠对精度和一致性要求极高，因此产品良率低，需高精度设备与工艺积累。其次，高精度设备依赖进口，特别是高精度螺纹磨床，一台价格超1000万，叠加别的设备，整体设备投资1800万。目前生产效率低，平均一天1.5套，按照50%良率，生产所带来的成本高于1万/套；而远期技术成熟后，滚柱丝杠设备生产效率有望提升至8套/天，且整体设备投资降低至1000万以内，则成本将下降至800元以内，助力人形机器人降本。
◆ 滚柱丝杠空间远期空间超3000亿：考虑降价影响，2025年单个滚柱丝杠价格预计为1万元；预计2030年人形机器人生产上百万台后，单个滚柱丝杠价格预计降至3000元+，后续将进一步降至1000元。对应2030年110万+人形机器人，市场空间超300亿，2040年2800万台机器人，对应滚珠丝杠市场空间超2200亿。◆ 设备空间600-800亿：考虑未来设备国产化降本，目前单套设备投资超1500万元，2030年将降至1000万以内，且目前生产效率低，平均一天为2个，未来将提升至8套，对应2030年设备的市场空间约150亿，长期将为600-800亿，其中磨床占比60%。
（特别说明：本文来源于公开资料，摘录内容仅供参考，不构成任何投资建议，如需使用请参阅报告原文。）
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