人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈分析——絲杠

工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)源通過(guò)傳動(dòng)部件來(lái)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)身、手臂和手腕的運(yùn)動(dòng)，因此滾珠絲杠等傳動(dòng)部件是工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分。最近關(guān)注度較高的特斯拉人形機(jī)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(duì)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(guó)內(nèi)企業(yè)發(fā)展情況。

圖|特斯拉執(zhí)行器

來(lái)源：特斯拉 AI DAY

特斯拉設(shè)計(jì)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(dòng)器采用內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)與球軸承驅(qū)動(dòng)倒置滾柱絲杠旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)行星滾柱從動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)傳遞。

圖|特斯拉人形機(jī)器人

來(lái)源：浙商證券研究所

特斯拉Optimus中或?qū)⒉捎么?、中、小三種，共計(jì)14個(gè)行星滾柱絲杠。直線關(guān)節(jié)中的行星滾柱絲杠通過(guò)預(yù)壓螺母的形式，易實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)零背隙，而旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的減速器則需通過(guò)繁瑣工藝去保證，對(duì)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(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)，化滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，也可將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。相對(duì)傳統(tǒng)的滑動(dòng)摩擦，滾珠絲杠因?yàn)闈L珠的存在變?yōu)榱藵L動(dòng)摩擦，大大提高了傳動(dòng)效率。在機(jī)器人應(yīng)用方面，滾珠絲杠的主要作用是控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)。

圖|滾珠絲杠

來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

1.1、滾珠絲杠

精度等級(jí)：根據(jù)使用場(chǎng)合的不同，滾珠絲杠可分為壓軋制滾珠絲杠（轉(zhuǎn)造級(jí)滾珠絲杠）和精密滾珠絲杠（研磨級(jí)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(chǎng)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(chǎng)合，精度等級(jí)為（C0~C5級(jí)），常用精度等級(jí)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(guó)內(nèi)分類采用的精度等級(jí)有P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10，日本、韓國(guó)以及中國(guó)臺(tái)灣省采用JIS等級(jí)，即C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10；歐洲國(guó)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(jí)

來(lái)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(gè)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(gè)滾柱沿絲杠圓周方向均勻分布，當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)能夠確保純滾動(dòng)并且沒(méi)有相對(duì)軸向位移。行星滾柱絲杠的結(jié) 構(gòu)形式主要是通過(guò)滾柱相對(duì)于絲杠和螺母的運(yùn)動(dòng)關(guān)系來(lái)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(dòng)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(lái)源：知網(wǎng)、華安證券研究所

1.3、滾珠與滾柱對(duì)比

行星滾柱絲杠通過(guò)多個(gè)滾柱與絲杠和螺母之間的多點(diǎn)螺旋曲面嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)及動(dòng)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(huì)發(fā)生相互碰撞，接觸點(diǎn)較滾珠絲杠副多，其在承載能力、傳動(dòng)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(duì)比

來(lái)源：新劍傳動(dòng)，西南證券

二、國(guó)內(nèi)主要絲杠公司

從滾珠絲杠主流企業(yè)來(lái)看，我國(guó)本土企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力與國(guó)外存在較大差距。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，中 高端滾珠/滾柱絲杠市場(chǎng)主要由德國(guó)和日本企業(yè)占據(jù)，THK、NSK、力士樂(lè)等國(guó)際企業(yè)可以占據(jù)高端市場(chǎng)90%的市場(chǎng)份額。而中國(guó)企業(yè)主要活躍在中低端市場(chǎng)，主要原因?yàn)槲覈?guó)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(dòng)

杭州新劍機(jī)電傳動(dòng)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(dòng)器、行星滾柱絲杠-直線型電驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)型電驅(qū)動(dòng)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(chē)及新能源、智能汽車(chē)，人形機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、工程機(jī)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(diǎn)正被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。尤其是在汽車(chē)工業(yè)，汽車(chē)輪邊線控剎車(chē)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(kāi)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(lái)源：新劍傳動(dòng)官網(wǎng)

表：行星滾柱絲杠-標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品

來(lái)源：新劍傳動(dòng)官網(wǎng)

表：滾珠絲杠-標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品

來(lái)源：新劍傳動(dòng)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(diǎn)突破。目前新劍行星滾柱絲杠產(chǎn)品已形成年產(chǎn) 350 萬(wàn)套，與吉利汽車(chē)等開(kāi)展了深入合作，所搭載產(chǎn)品應(yīng)用于吉利汽車(chē)多款車(chē)型;產(chǎn)品還應(yīng)用于汽車(chē)電控機(jī)械制動(dòng) EMB、軌道交通的 EMB、人形機(jī)器人等領(lǐng)域。

2.2、秦川機(jī)床

秦川機(jī)床所屬漢江機(jī)床生產(chǎn) 2 級(jí)、3 級(jí)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(jī)床的要求，實(shí)現(xiàn)了在新能源汽車(chē)領(lǐng)域制造裝備滾動(dòng)功能部件和精密螺桿副的國(guó)產(chǎn)化推廣應(yīng)用。滾動(dòng)功能部件在國(guó)內(nèi)機(jī)床工具行業(yè)中占據(jù)相當(dāng)重要的地位，是國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)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(jí)提升到 P0 級(jí)， 精度水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

圖|秦川機(jī)床滾珠絲杠

來(lái)源：秦川機(jī)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(wàn)股、募集資金總額為約 20 億元的非公開(kāi)發(fā)行。其中，線性驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目擬投入 15 億元實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的電動(dòng)化升級(jí)，包括電動(dòng)缸和滾珠絲杠的生產(chǎn)。該項(xiàng)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(dòng)缸、4,500 根重載滾珠絲杠電動(dòng)缸、750 根行星滾柱絲桿電動(dòng)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(wú)錫宇華精機(jī)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(dòng)化集成等領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和在汽車(chē)行業(yè)的生產(chǎn)管理體系優(yōu)勢(shì)，全面布局直線滾動(dòng)功能部件（產(chǎn)品包括：高精度滾珠/滾柱絲杠副、高精度滾動(dòng)導(dǎo)軌副等），瞄準(zhǔn)高端機(jī)床領(lǐng)域、半導(dǎo)體裝備產(chǎn)業(yè)、自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)、機(jī)器人領(lǐng)域等市場(chǎng)進(jìn)行大力開(kāi)拓，高舉高打，快速切入“工業(yè)母機(jī)”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(tái)套已實(shí)現(xiàn)成功下線，部分產(chǎn)品已在送樣驗(yàn)證過(guò)程中。

2.5、鼎智科技

鼎智科技提供了獨(dú)特的步進(jìn)電機(jī)系列，為高性能、耐用性、結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新途徑。典型應(yīng)用于X-Y工作臺(tái)、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體、電信設(shè)備、閥門(mén)控制等。對(duì)于高效率、高精度、更長(zhǎng)壽命的應(yīng)用場(chǎng)合，鼎智可以根據(jù)需求為電機(jī)選配不同規(guī)格的滾珠絲桿。C7是標(biāo)準(zhǔn)精度等級(jí)，有C5/C3精度等級(jí)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(zhǎng)、精度高、 負(fù)載大，其應(yīng)用領(lǐng)域包括機(jī)器人、飛機(jī)起落架、部分工業(yè)場(chǎng)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(dòng)式。從0.005mm/步到0.1mm/步，有多種步長(zhǎng)可選。

圖|鼎智科技滾珠絲桿

來(lái)源：鼎智科技官網(wǎng)

三、總結(jié)

目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)公司新劍傳動(dòng)滾珠/滾柱類產(chǎn)品相對(duì)最為齊全，鼎智科技、秦川機(jī)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(wú)產(chǎn)品樣式可供參考，但是也開(kāi)始加快相關(guān)產(chǎn)品布局?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)在滾珠/滾柱絲杠方面處于相對(duì)初期，與國(guó)際龍頭的90%市占率相比還有較大的提升空間。