丝杠：人形机器人的关键 “关节”
在科技飞速发展的当下，人形机器人已逐渐从科幻作品走进现实，成为全球瞩目的焦点。从工业制造到医疗护理，从家庭服务到教育娱乐，人形机器人的应用领域不断拓展，展现出巨大的潜力。而在人形机器人的众多零部件中，丝杠堪称是最为关键的部分之一，它就如同人类的关节，直接影响着机器人的运动性能、精度和负载能力。
想象一下，人类能够做出各种复杂且灵活的动作，从精准的手部操作到稳健的行走奔跑，这一切都离不开关节的支持。同样，人形机器人要实现高度拟人化的运动，也离不开丝杠这一关键 “关节”。丝杠作为一种精密的机械传动部件，主要由螺杆、螺母和反向装置组成，其工作原理是通过螺杆的旋转运动，转化为螺母的直线运动，进而带动与之相连的部件实现精确的位移 。简单来说，丝杠就像是一个精密的 “运动转换器”，能够将电机的旋转运动高效、精准地转化为直线运动，为机器人的各种动作提供稳定、可靠的动力支持。
丝杠设备面面观
（一）丝杠的工作原理
丝杠的工作原理基于螺旋传动，其核心在于将旋转运动精准地转化为直线运动。简单来说，当电机带动丝杠旋转时，丝杠上的螺纹与螺母相互配合，使得螺母沿着丝杠的轴线方向做直线运动。这就好比我们日常生活中拧螺丝，当我们转动螺丝刀时，螺丝会沿着自身的轴线方向前进或后退 。在这个过程中，丝杠的导程（即丝杠每旋转一周，螺母沿轴线移动的距离）决定了直线运动的位移量，而丝杠的转速则决定了直线运动的速度。通过精确控制丝杠的旋转角度和速度，就能够实现对螺母直线运动的高精度控制。
（二）丝杠的分类与特点
丝杠的种类丰富多样，其中滑动丝杠、滚珠丝杠和行星滚柱丝杠是最为常见的三种类型，它们在结构、工作方式和特点上各有千秋。
滑动丝杠：结构简单，成本低廉，是最为基础的丝杠类型。它主要由螺杆和螺母组成，通过螺母与螺杆之间的滑动摩擦来实现直线运动。然而，这种滑动摩擦会导致较大的能量损耗和磨损，传动效率相对较低，一般在 30% - 50% 之间。同时，滑动丝杠的精度也相对较低，容易出现爬行现象，因此主要应用于对精度和效率要求不高的场合，如普通机床的进给系统、小型升降机等。
滚珠丝杠：在丝杠和螺母之间安装了滚珠，通过滚珠的滚动来实现传动。这种结构大大减小了摩擦阻力，使得滚珠丝杠的传动效率显著提高，一般可达到 90% 以上。同时，滚珠丝杠的运动平稳性好，精度高，定位准确，能够满足大多数工业自动化设备对高精度运动控制的需求。此外，滚珠丝杠还具有较高的刚度和承载能力，能够承受较大的轴向载荷。然而，滚珠丝杠的制造工艺复杂，成本较高，对安装和维护的要求也较为严格。它广泛应用于数控机床、自动化生产线、工业机器人等领域。
行星滚柱丝杠：近年来新兴的一种高精度丝杠，它在主螺纹丝杠的周围行星布置了 6 - 12 个螺纹滚柱丝杠，通过滚柱与丝杠和螺母之间的啮合来传递运动和载荷。行星滚柱丝杠具有极高的承载能力和刚度，能够承受更大的轴向载荷和径向载荷，其承载能力通常是滚珠丝杠的数倍甚至数十倍。同时，行星滚柱丝杠的传动效率也很高，可达 90% 以上，且具有良好的精度保持性和抗冲击性能。此外，行星滚柱丝杠还具有体积小、重量轻、结构紧凑等优点，能够在有限的空间内实现高效的传动。然而，行星滚柱丝杠的制造难度大，成本高，目前主要应用于对性能要求极高的高端领域，如航空航天、军事装备、高端数控机床等。在人形机器人领域，行星滚柱丝杠也因其卓越的性能表现而备受关注，成为实现机器人高负载、高精度运动的关键部件之一。
（三）在人形机器人中的具体应用
以特斯拉的 Optimus 人形机器人为例，丝杠在其各个部位都有着广泛而关键的应用。在 Optimus 的腿部，丝杠被用于驱动膝关节和髋关节的运动，实现机器人的行走、奔跑、跳跃等动作。通过精确控制丝杠的运动，Optimus 能够实现稳定而灵活的步伐，适应各种复杂的地形和环境。在手臂部分，丝杠则用于控制肩关节、肘关节和腕关节的运动，使得机器人的手臂能够完成各种精细的操作，如抓取物体、搬运物品、进行装配工作等。此外，在 Optimus 的手部，丝杠也发挥着重要作用，帮助机器人实现更加精准的手指动作，提高手部的灵活性和操作能力。
丝杠市场风云
（一）全球市场格局
目前，全球丝杠市场呈现出外资厂商在高端市场占据主导地位，内资厂商奋力追赶的态势。在中高端丝杠设备领域，日本和德国的企业凭借其深厚的技术积累、先进的加工工艺和丰富的产品类型，牢牢把控着市场的主导权。像日本的 THK、NSK，德国的 Bosch Rexroth（博世力士乐）、Schaeffler（舍弗勒）等企业，它们不仅技术成熟，而且在全球范围内拥有广泛的客户群体和完善的销售网络 。以 THK 为例，作为全球知名的直线运动产品制造商，其生产的滚珠丝杠和直线导轨等产品，以高精度、高可靠性和长寿命著称，广泛应用于机床、半导体设备、工业机器人等高端领域，在全球市场占有率长期名列前茅。
而国内的丝杠制造商虽然起步较晚，在规模和工艺上与外资厂商存在一定差距，但近年来发展迅速，正在逐步缩小与国际先进水平的差距。南京工艺、山东博特、银泰科技等企业在国内丝杠市场中占据重要地位，它们通过持续的技术研发和创新，不断提升产品的性能和质量，部分产品已经达到国际先进水平，并在国内市场中赢得了良好的口碑。同时，一些内资企业还积极拓展海外市场，逐步在国际市场上崭露头角。 例如南京工艺，作为国内领先的精密传动部件制造商，其研发生产的滚珠丝杠、滚动直线导轨等产品，不仅在国内市场得到广泛应用，还出口到欧美、日本等国家和地区，与国际知名企业展开竞争。
（二）市场规模与增长趋势
近年来，全球丝杠市场规模持续增长。根据相关数据显示，2023 年，全球丝杠市场规模达到了 130.4 亿元人民币 ，中国市场规模约为 50.86 亿元。预计在未来几年，随着全球制造业的复苏和工业自动化进程的加速，丝杠市场规模将继续保持增长态势。特别是在人形机器人市场快速发展的推动下，丝杠作为关键零部件，其市场需求有望迎来爆发式增长。中投产业研究院预测，2025 年和 2030 年全球人形机器人丝杠市场规模有望分别达到 1.4 亿元和 249.5 亿元人民币，2025 - 2030 年的复合年增长率（CAGR）有望达到 182% 。这一预测充分显示出人形机器人丝杠市场巨大的发展潜力。
丝杠市场增长的驱动因素主要来自以下几个方面：一是工业自动化程度的不断提高，使得机床、工业机器人、自动化生产线等设备对丝杠的需求持续增加；二是新兴产业的崛起，如新能源汽车、航空航天、半导体等领域，对高精度、高性能的丝杠产品提出了更高的要求，也为丝杠市场带来了新的增长机遇；三是随着人形机器人技术的不断成熟和应用场景的不断拓展，对丝杠的需求将呈现出爆发式增长，成为推动丝杠市场发展的重要力量。 以新能源汽车行业为例，随着电动汽车的普及，汽车制造过程中的自动化程度不断提高，对高精度的丝杠产品需求大增。同时，新能源汽车的电机控制系统、电池生产设备等也需要大量的丝杠来实现精确的运动控制，这为丝杠市场的发展提供了新的动力。
国产替代之路
（一）内资厂商的努力与突破
近年来，内资厂商在丝杠领域展现出了强劲的发展势头，通过不断加大研发投入、引进先进技术和人才，在技术研发、产品布局和市场拓展等方面取得了显著进展。
在技术研发上，众多内资企业积极开展自主创新，加大对丝杠核心技术的研发力度。例如，恒立液压在滚柱丝杠技术上取得了重大突破，其研发的滚柱丝杠通过滚柱与螺纹的线接触设计，将承载能力提升至滚珠丝杠的 3 - 5 倍，同时具备更长的使用寿命和更高的刚性，传动精度控制在 2 微米以内，达到国际一线水平 。双林股份依托自身长期在制造业的技术积累，成功自主研发出了反向式行星滚柱丝杠，凭借 “高负载、高精度、长寿命” 的优势，精准匹配了人形机器人核心部件国产化需求，其反向式设计突破了传统丝杠的传动限制，在大幅提升负载能力、转速及寿命的同时，降低了量产成本，有效解决了高精度与低成本之间的行业难题 。
在产品布局上，内资厂商不断丰富产品种类，优化产品结构，以满足不同客户的需求。南京工艺作为国内领先的精密传动部件制造商，其产品涵盖了滚珠丝杠、滚动直线导轨等多个系列，不仅在国内市场得到广泛应用，还出口到欧美、日本等国家和地区 。山东博特也在不断拓展产品线，其生产的丝杠产品广泛应用于机床、自动化设备、工业机器人等领域，在国内市场占据了重要地位。
在市场拓展方面，内资厂商积极开拓国内外市场，加强与客户的合作，不断提升市场份额。北特科技在 2023 年积极进军人形机器人产业链，根据客户需求推进人形机器人用丝杠产品的样件研发工作，并利用在汽车领域的制造工艺，期望快速布局机器人丝杠领域 。贝斯特专注于涡轮增压精密零部件的生产，具备精密加工能力和工艺迭代速度优势，通过积极开拓市场，下游订单不断增加，2020 - 2023 年营业收入年复合增长率达 13% 。
（二）面临的挑战与应对策略
尽管内资厂商在丝杠领域取得了一定的成绩，但在技术、成本、供应链等方面仍面临着诸多挑战。
在技术层面，虽然内资厂商在部分技术上取得了突破，但与外资厂商相比，整体技术水平仍有差距，特别是在高端丝杠的制造技术上，如高精度磨床设备等关键技术仍掌握在外资厂商手中。此外，丝杠制造的核心技术，如螺母内螺纹的精加工环节，目前主流的磨削技术对设备要求极高，内资厂商在这方面的技术积累和设备投入相对不足 。为应对这一挑战，内资厂商需要进一步加大研发投入，加强与高校、科研机构的合作，引进先进技术，提高自主创新能力。例如，恒立液压联合南京理工大学攻克反向器结构优化等工艺瓶颈，不断提升自身技术水平。
成本方面，原材料价格的上涨导致企业生产成本大幅增加，压缩了利润空间。同时，丝杠生产设备的采购成本较高，尤其是高精度的进口设备，进一步增加了企业的成本压力。为降低成本，内资厂商可以通过优化采购策略，与供应商建立长期稳定的合作关系，降低原材料采购成本。同时，加大对国产设备的研发和应用，提高设备的国产化率，降低设备采购成本。此外，通过提高生产效率、优化生产流程等方式，降低生产成本。
供应链上，原材料供应不稳定是内资厂商面临的一大问题，这会导致企业生产计划受到影响，难以保证稳定生产。此外，部分关键零部件依赖进口，也增加了供应链的风险。为保障供应链的稳定，内资厂商需要积极拓展原材料供应渠道，寻找更多的供应商，降低对单一供应商的依赖。同时，加强国内供应链的建设，提高关键零部件的国产化率，减少供应链风险。例如，一些企业通过整合上下游产业链资源，建立自己的原材料生产基地和零部件加工厂，实现了供应链的自主可控。
未来已来
丝杠作为人形机器人的关键 “关节”，其重要性不言而喻。随着人形机器人市场的快速发展，丝杠行业也迎来了前所未有的机遇与挑战。在全球市场中，外资厂商虽然在高端市场占据主导，但内资厂商凭借不断的努力与突破，正逐步缩小差距，加速国产替代进程。
未来，随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，人形机器人丝杠市场有望迎来更加广阔的发展空间。我们有理由相信，在国内外企业的共同努力下，丝杠技术将不断创新，为人形机器人的发展提供更加坚实的支撑。而作为关注科技发展的我们，不妨持续关注这一领域的动态，见证丝杠设备在人形机器人发展历程中书写更加精彩的篇章 。
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