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工业机器人的驱动源通过传动部件来驱动关节的移动或转动，从而实现机身、手臂和手腕的运动，因此滚珠丝杠等传动部件是工业机器人的重要组成部分。最近关注度较高的特斯拉人形机器人则在线性执行器中应用了行星滚柱丝杠。今天笔者将带大家回到特斯拉的直线关节，对其中的丝杠结构做相应的拆解和梳理，以便大家了解丝杠行业的国内企业发展情况。
图|特斯拉执行器
来源：特斯拉 AI DAY
特斯拉设计的直线关节按照不同的输出力矩（500N、3900N 、8000N）分为三类，直线型驱动器采用内转子电机与球轴承驱动倒置滚柱丝杠旋转，从而驱动行星滚柱从动，最终实现直线运动传递。
图|特斯拉人形机器人
来源：浙商证券研究所
特斯拉Optimus中或将采用大、中、小三种，共计14个行星滚柱丝杠。直线关节中的行星滚柱丝杠通过预压螺母的形式，易实现传动零背隙，而旋转关节的减速器则需通过繁琐工艺去保证，对比于谐波减速器的柔轮，行星滚柱丝杠由于线/面接触，刚度保持性好，更加利于上、下肢精巧平稳操作。
一、丝杠介绍
1.1、丝杠定义
滚珠/柱丝杠主要作用在于化旋转运动为直线运动，化滑动摩擦为滚动摩擦。滚珠丝杠是由丝杠、螺母和滚珠组成的部件，它可以将旋转运动转变为直线运动，也可将直线运动转变为旋转运动。相对传统的滑动摩擦，滚珠丝杠因为滚珠的存在变为了滚动摩擦，大大提高了传动效率。在机器人应用方面，滚珠丝杠的主要作用是控制机器人的运动轨迹和姿态。
图|滚珠丝杠
来源：网络
1.1、滚珠丝杠
精度等级：根据使用场合的不同，滚珠丝杠可分为压轧制滚珠丝杠（转造级滚珠丝杠）和精密滚珠丝杠（研磨级滚珠丝杠）。压轧制滚珠丝杠主 要用于传送，用于位置精度要求不高的场合，常用经济精度有C7、C10。 精密滚珠丝杠主要用于定位精度要求高的场合，精度等级为（C0~C5级），常用精度等级为C3、C5、C7。该精度为导程精度，字母C后面的数字越小表示定位精度越高。
国内分类采用的精度等级有P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10，日本、韩国以及中国台湾省采用JIS等级，即C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10；欧洲国家的标准采用的是IT0，IT1，IT2，IT3，IT4，IT5，IT7，IT10。
图：滚珠丝杠精度等级
来源：金属加工，华安证券研究所
1.2、行星滚柱丝杠
行星滚柱丝杠主要由三个部件组成即丝杠、滚柱、螺母。其中丝杠是牙型角为90°的多头螺纹，滚柱是具有相同牙型角的单头螺纹，其牙型轮廓通常加工成球面，目的是提高承载能力，降低摩擦，提高效率。螺母是具有与丝杠相同头数和牙型的内螺纹。若干个滚柱沿丝杠圆周方向均匀分布，当丝杠旋转时，滚柱既绕着丝杠轴线公转又绕自身轴线自转。滚柱与螺母具有相同的螺旋升角，与螺母啮合时能够确保纯滚动并且没有相对轴向位移。行星滚柱丝杠的结 构形式主要是通过滚柱相对于丝杠和螺母的运动关系来分类，主要有5种结构形式分别为标准行星滚柱丝杠、反向式、循环式、轴承环式和差动式。这5种结构形式均包括丝杠、滚柱和螺母三大部件。
图：标准式行星滚柱丝杠结构组成
来源：知网、华安证券研究所
1.3、滚珠与滚柱对比
行星滚柱丝杠通过多个滚柱与丝杠和螺母之间的多点螺旋曲面啮合来传递运动及动力。与滚珠丝杠相比，由于滚柱丝杠不需循环装置且滚柱之间不会发生相互碰撞，接触点较滚珠丝杠副多，其在承载能力、传动精度、轴向刚度、速度及加速度等方面明显优于滚珠丝杠。
图：行星滚柱丝杠、滚珠丝杠性能对比
来源：新剑传动，西南证券
二、国内主要丝杠公司
从滚珠丝杠主流企业来看，我国本土企业竞争实力与国外存在较大差距。在国内市场上，中 高端滚珠/滚柱丝杠市场主要由德国和日本企业占据，THK、NSK、力士乐等国际企业可以占据高端市场90%的市场份额。而中国企业主要活跃在中低端市场，主要原因为我国企业规模小，起步晚，在产品质量上达不到高精度水平。
2.1、新剑传动
杭州新剑机电传动股份有限公司成立于1999年，专精特新小巨人企业，专业从事研发生产；滚轧成型蜗杆齿轮、座椅水平驱动器、行星滚柱丝杠-直线型电驱动关节、旋转型电驱动关节等相关系列产品。产品主要应用：半导体、通讯电子，汽车及新能源、智能汽车，人形机器人、无人机、工程机械等行业。
行星滚柱丝杠因其较小的体积空间使用，高效精准的大推力输出，以及耐用稳定的性能等特点正被越来越广泛的应用在工业领域。尤其是在汽车工业，汽车轮边线控刹车系统（EMB）、后轮转向系统（iRWS）、线控转向系统（SBW）等，行星滚柱丝杠技术逐步替代现有技术体系成为主流技术方向。在工业用电缸应用领域，行星滚柱丝杠更是有着广泛的应用开发空间。
图：反向式行星滚珠丝杠——直线型电驱关节
来源：新剑传动官网
表：行星滚柱丝杠-标准系列产品
来源：新剑传动官网
表：滚珠丝杠-标准系列产品
来源：新剑传动官网
行星滚柱丝杠系列产品已从技术、成本、量产上重点突破。目前新剑行星滚柱丝杠产品已形成年产 350 万套，与吉利汽车等开展了深入合作，所搭载产品应用于吉利汽车多款车型;产品还应用于汽车电控机械制动 EMB、轨道交通的 EMB、人形机器人等领域。
2.2、秦川机床
秦川机床所属汉江机床生产 2 级、3 级精度的滚珠丝杠、直线导轨，有较高的精度保持性，完全可以满足中高档数控机床的要求，实现了在新能源汽车领域制造装备滚动功能部件和精密螺杆副的国产化推广应用。滚动功能部件在国内机床工具行业中占据相当重要的地位，是国内数控机床制造厂家配套滚珠丝杠副的首选。目前秦川的丝杠产品由 P1 级提升到 P0 级， 精度水平达到国际先进水平。
图|秦川机床滚珠丝杠
来源：秦川机床公告
2.3、恒立液压
2023 年 1 月 6 日，恒立液压完成以 56.4 元/股增发为 3546 万股、募集资金总额为约 20 亿元的非公开发行。其中，线性驱动项目拟投入 15 亿元实现产品的电动化升级，包括电动缸和滚珠丝杠的生产。该项目达产后将形成年产 104,000 根标准滚珠丝杠电动缸、4,500 根重载滚珠丝杠电动缸、750 根行星滚柱丝杆电动缸、100,000 米标准滚珠丝杠和 100,000 米重载滚珠丝杠的生产能力。
2.4、贝斯特
2022 年 1 月，贝斯特设立全资子公司“无锡宇华精机有限公司”，充分发挥公司在工装夹具、智能装备、工业自动化集成等领域的技术优势和在汽车行业的生产管理体系优势，全面布局直线滚动功能部件（产品包括：高精度滚珠/滚柱丝杠副、高精度滚动导轨副等），瞄准高端机床领域、半导体装备产业、自动化产业、机器人领域等市场进行大力开拓，高举高打，快速切入“工业母机”新赛道。截止2023年半年度，贝斯特生产的滚珠丝杠副、直线导轨副等产品首台套已实现成功下线，部分产品已在送样验证过程中。
2.5、鼎智科技
鼎智科技提供了独特的步进电机系列，为高性能、耐用性、结构紧凑的设备设计开辟了新途径。典型应用于X-Y工作台、医疗设备、半导体、电信设备、阀门控制等。对于高效率、高精度、更长寿命的应用场合，鼎智可以根据需求为电机选配不同规格的滚珠丝杆。C7是标准精度等级，有C5/C3精度等级可选。
鼎智在微型行星滚柱丝杆的研发与生产上已有里程碑式进展，产品寿命长、精度高、 负载大，其应用领域包括机器人、飞机起落架、部分工业场景等。
滚珠丝杆线性执行器有6种外形尺寸，14mm, 20mm, 28mm, 35mm, 42mm, 57mm，均为外部驱动式。从0.005mm/步到0.1mm/步，有多种步长可选。
图|鼎智科技滚珠丝杆
来源：鼎智科技官网
三、总结
目前来看，国内公司新剑传动滚珠/滚柱类产品相对最为齐全，鼎智科技、秦川机床在滚珠类也有产品生产，其他家恒立液压、贝斯特等暂无产品样式可供参考，但是也开始加快相关产品布局。现阶段，国内在滚珠/滚柱丝杠方面处于相对初期，与国际龙头的90%市占率相比还有较大的提升空间。
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