人形机器人专题：丝杠，线性传动核心部件，国产替代星辰大海

今天分享的是人形机器人系列深度研究报告：《人形机器人专题：丝杠，线性传动核心部件，国产替代星辰大海》。

（报告出品方：光大证券）

报告共计：42页

丝杠：高性能线性传动机构

特斯拉机器人 Optimus 躯干共有 28 个关节，旋转关节和直线关节各 14 个。每 个关节对应 1 个执行器，为满足大批量生产的需要，特斯拉最终选取了 6 类执行器应用于 28 个关节，6 类执行器中有 3 类旋转执行器，3 类线性执行器，其中线性执行器重量从 0.36kg~2.20kg 不等，推力分别为 500N，3900N 与 8000N， 配备反向式行星滚柱丝杠，具备效率高，紧凑性好、耐用性强等特点。

在线性执行器中，反向式行星滚柱丝杠负责将电机的旋转运动转换为直线运动。 相比其他直线机构，丝杠在承载能力、位置可控性、抗冲击性等多方面具备优势。

常见的丝杠产品包括滑动丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠等。丝杠轴上有圆弧轮 廓，此轮廓在轴上按照一定的升角（导程角）盘旋在轴上，基本原理是，把丝杠 轴一端或者两端沿轴向固定，用电机驱动丝杠旋转，螺母就会沿丝杠轴线方向运 动。其中，滑动丝杠制造成本最低，结构简单，依靠螺母与丝杠之间的滑动推动 螺母运动，产生滑动摩擦；滚珠丝杠与行星滚柱丝杠将滑动摩擦改为滚动摩擦， 大大提高了传动效率。

滚珠丝杠较滑动丝杠更具优势

滚珠丝杠在丝杠与螺母上都磨有圆弧形的螺旋槽，两个圆弧形的螺旋槽对合后形成螺旋线滚道，丝杠被电机带动旋转时，滚珠在管道内做循环运动，并在螺旋槽 两端设有回旋引导装置，使滚珠循环流动。

滚珠丝杠的摩擦系数在 0.003 到 0.01 之间，而梯形丝杠的摩擦系数在 0.1 到 0.2 之间。因此，由于滑动摩擦系数远高于滚动摩擦系数，滑动丝杠为避免产生大量 热量，其转速一般不超过 3000RPM，而滚珠丝杠可以达到 10000RPM。

按照滚珠的循环方式和是否始终与丝杠保持接触，滚珠丝杠主要分为内循环与外 循环，外循环按结构不同分为端部导流式、管循环式、端盖式。

相比滑动丝杠，滚珠丝杠具有以下特点：

1）传动效率高：大多数滚珠丝杠的传动效率可以达到 90%以上，而滑动丝杠的传动效率大多低于 70%；

2）传动精度、定位精度高：无爬行现象，运动平稳；

3）能够预紧：给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时可消除空行程死区，提高接触刚度与传动精度；

4）运动具有可逆性：丝杠和螺母都能作为主动件，既可以化旋转为直线运动， 也能化直线运动为旋转；

5）摩擦损失小：由于采用滚动方式，物件磨损小，使用寿命长；制造工艺复杂， 滚珠丝杠和螺母原件加工精度与表面粗糙程度要求高，带来制造成本的上升；需要指出，滚珠丝杠由于传动效率较高，自身一般不具有自锁性，滑动丝杠具有 一定的自锁性，因此在丝杠应用于竖直方向时，滚珠丝杠可能在断电后滑落，需要额外结构或器件以确保安全。

滚珠丝杠市场：国内企业正向中高端渗透

根据 2020 年金属加工杂志社第三届滚动功能部件用户调查分析报告，数控机床依然是滚动功能部件最主要的用户。随着制造业向数字化、智能化的转型升级， 机器人与生产线领域的应用占比快速增长。

从市场空间来看，全球滚珠丝杠市场规模稳健增长，中国已成为最重要的消费市场之一，长期成长空间可观。根据秦川机床公告，2016-2021 年全球滚珠丝杠市 场规模从 13.1 亿美元增长至 17.5 亿美元；同期我国滚珠丝杠市场规模从 16.8 亿元增长至 25.6 亿元。中国已成为滚珠丝杠产品重要的消费市场之一，约占全球规模总量的 20%左右。

从市场竞争格局看，目前全球主要的滚珠丝杠厂商有 NSK、THK、SKF 等，根据华经产业研究院统计，2021 年 CR5 销售额市占率达到约 46%，其中主要来自 欧洲和日本，日本和欧洲滚珠丝杠企业占据了全球约 70%的市场份额。

从国内行业供需情况来看，滚珠丝杠需求量大于产量，行业供需缺口明显。根据 华经产业研究院统计，2021 年中国滚珠丝杠产量达到 983 万套，需求量为 1406 万套。价格走势来看，近几年来随着我国滚珠丝杠行业市场竞争加剧，国内企业 向中高端市场渗透，外资品牌积极抢占经济型产品市场份额，行业市场竞争显著 加剧，使得行业市场价格总体呈现出明显的下降态势。国内滚珠丝杠价格从 2014 年 225 元/套的均价下降至 2021 年的 181 元/套，预计 2022 年市场价格降至 180 元/套，下降速度趋缓。

国内滚珠丝杠高端市场基本被德国力士乐、日本 THK、NSK 占据，中端市场则 由德国、日本品牌（力士乐、THK、NSK），中国台湾品牌（上银、银泰），中 国大陆品牌（汉江、南工艺）占据。

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