人形机器人系列之丝杠：人形机器人带来新机遇，丝杆行业国产替代加速进行

投资建议：丝杆作为传动核心部件，在机床、汽车和航空航天等多个领域都发挥重要作用，人形机器人产业化进程加速有望带来丝杠市场广阔增量，目前，丝杠从产品端到制造端，严重依赖进口，国产替代需求强烈，国内丝杠生产商和相关的丝杠设备供应商有望长期受益。 丝杠类：推荐标的为五洲新春、恒立液压和长盛轴承，受益标的为北特科技、丰立智能、贝斯特和新坐标；丝杠设备类：受益标的为华辰装备、日发精机、秦川机床、浙海德曼（国内车床领先企业）和思进智能（国内冷成型装备头部企业）。 丝杠是传动核心部件，多种加工工艺各具特点。丝杠是工具机械和精密机械上最常用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。按摩擦特性，丝杠可分为滑动丝杠、滚动丝杠和静压丝杠三类，其中滚动丝杠又可以分为滚珠丝杠和滚柱丝杠两大类。从加工方式看，丝杠的加工方式包括螺纹磨削、高速硬车、旋风铣和滚轧成形四种，其中磨削是精度最高的加工方式，但加工效率较低，存在污染较大等问题，近年来，以车代磨、旋风铣、冷轧等工艺加速发展，给丝杠加工行业带来更多可能性。 外资品牌主导高端丝杠市场，人形机器人带来百亿市场增量。当前国内丝杠市场供需缺口明显，而丝杠的生产对企业的制造能力和设计能力都有较高要求，国内公司从设备到生产和国外差距较大，因此高端丝杠产品严重依赖进口，目前全球主要的滚珠丝杠厂商均为欧美日和中国台湾企业，CR5市占率约46%。丝杠主要下游市场包括机床、汽车等领域，市场空间广阔，特斯拉发布Optimus以来，人形机器人产业化进程持续提速，人形机器人对行星滚柱丝杠有较高需求，按一台人形机器人用14个丝杠计算，假设人形机器人销量100万，预计将为丝杠市场带来百亿增量。 设备是丝杠加工最核心壁垒，国产替代是大势所趋。磨床其高精度的加工能力直接决定了丝杠最终的性能和质量。从加工工序角度看，主要设备需用到内螺纹磨床、外螺纹磨床、外圆磨床、中心磨床、平面磨床等，其中内螺纹加工是核心难点，目前，高端磨床设备生产厂商基本集中在欧洲（瑞士、德国等）和日本等，国内设备厂商和海外头部公司相比存在一定差距，长期看，丝杠设备的国产替代是长期趋势。 风险提示：国产设备替代进度不及预期、人形机器人产业化不及预期； 产业政策不及预期 1.丝杠：种类多样，传动最核心部件 丝杠是工具机械和精密机械上最常用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。丝杠最早可以追溯到古代对螺旋形状的研究，而丝杠在现代工业中实际应用真正发轫于19世纪初的第一次工业革命时期。1841年，英国人惠特沃斯提出世界上第一份螺纹标准，取名惠氏螺纹，由此产生了螺纹标准技术体系。传统螺杆存在定位不佳、易损害的确定，为改善丝杠性能，滚珠丝杠的基本构造在1874年在美国优先申请专利。随着1917年螺纹磨床的问世和螺纹磨削技术的进步，滚珠丝杠副在精度和性能上才有所提高。1940年美国首先将滚珠丝杠副用于汽车转向装置上，才使其正式商品化，这是滚珠丝杠在应用上的巨大革命，其逐渐取代了传统的艾克姆螺杆（ACME）。 图1：丝杆行业发展历史悠久 丝杠种类众多，滚动丝杠优势明显。按其摩擦特性，丝杠可分为滑动丝杠、滚动丝杠和静压丝杠三类： 图2：丝杠的类型多样 1）滑动丝杠：螺纹常采用梯形螺纹、锯齿形螺纹、矩形螺纹和三角形螺纹等，其中梯形螺纹由于工艺性更好（能够用高效率的方法进行加工），较三角形等其他种类更为主流。滑动丝杠广泛用于普通级机床的进给传动、分度机构和一般机械的丝杆传动等。从优缺点看，滑动丝杠结构简单，加工方便，具备价格成本优势，具备自锁能力，但滑动丝杠摩擦力较大，传动效率通常较滚动更低，一般为30-40%，磨损快，定位精度和轴向刚度较差。 图3：梯形丝杠分为丝杠轴和螺母两部分 2）滚动丝杠：分为滚珠丝杠和滚柱丝杠两大类。 滚珠丝杠：主要由螺杆（螺纹轴）、螺母、滚珠、滚珠回流管、预压片、防尘片等部分组成。滚珠丝杠的工作原理是，当输入旋转运动或线性运动的力传递到螺纹轴时，滚珠被迫滚动在螺纹轴与螺母之间的导槽上，由于滚珠的滚动摩擦系数较小，摩擦损失也相对较小，因此滚珠的转动效率较高，为了防止滚珠从螺母的另一端跑出来并循环利用滚珠，滚珠在丝杆上滚过数圈后，通过回程引导装置（例如回流管）又逐个返回到丝杆与螺母之间的滚道，构成一个闭合的循环回路。通过滚珠的滚动，输入的运动力可以平稳传递到螺母，从而实现线性或旋转运动。这其中，防尘片是用来防止外部污染物进入螺母内部。除上述结构外，由于负载需要作高精度的直线运动，通常滚珠丝杆机构必须与直线导轨或直线轴承等直线导向部件同时使用。滚珠丝杆机构用于驱动负载前后运动，而直线导向部件则对负载提供直线导向作用。 图4：滚珠丝杠的工作原理 图5：滚珠丝杠由螺杆、螺母、滚珠等组成 行星滚柱丝杠：原理类似滚珠丝杠，滚子代替滚珠用作螺母和丝杠之间的载荷传递元件，滚子通常带有螺纹。结构上看，标准式行星滚柱丝杠主要由丝杠、螺母、滚柱、内齿圈及保持架等部分组成。 其在主螺纹丝杠周围布置了6到12个螺纹滚柱丝杠，滚柱螺母内使用的是小螺纹滚柱与主丝杠相互啮合，这时的螺母结构类似行星齿轮箱。为了防止滚柱相对于螺母发生轴向窜动的现象，保持架与螺母之间轴向方向相对固定，另外滚柱两边加工有直齿轮，目的是为了避免滚柱相对于螺母的滑动而产生零件偏斜现象。当丝杠旋转时，滚柱通过与丝杠之间的螺纹啮合一方面会沿着丝杠轴线方向作直线运动，另一方面会在丝杠、螺母之间作行星运动，而螺母则通过保持架使其与滚柱之间无相对轴向位移，因此螺母与滚柱保持着相同的轴向移动速度。 图6：标准式行星滚柱丝杠结构组成 图7：标准式行星滚柱丝杠运动原理图 （注：1为丝杠、2为滚柱、2′为滚柱两端齿轮、3为螺母、4为内齿圈、H为保持架） 对比应用广泛的滚珠丝杠，行星滚柱丝杠具备一定优势。相比于滚珠丝杠，行星滚柱丝杠具备：a）滚柱与丝杠接触半径更大，且所有滚柱同时参与啮合，接触点多，在给定的体积内，比滚珠丝杠拥有更多立足点，在给定额定载荷下，滚柱丝杠可以更紧凑，因此其在相同直径下较滚珠丝杠承载能力提高6倍、相同负载下节省1／3空间、寿命提高14倍、工作环境温度范围提高2倍；b）与滚珠丝杠传动效率相当，润滑良好的情况下效率可达90％；c）滚柱相对于螺母没有轴向运动，因此加速、旋转和减速的能力更强；d）采用行星机构控制滚柱运动，不需要滚动件循环装置，且高速运转时产生的振动噪声较小；e）可在恶劣环境下使用；f）拆卸方便。 图8：滚柱丝杠滚动体数目、曲率半径与滚动体接触面包络圆对比 行星滚柱丝杠种类较多，反向PRS可实现电机和PRS的融合设计。为了适应不同的应用环境及安装条件，行星滚柱丝杠（PRS）结构形式也在不断发展，根据结构组成及运动关系的不同，其可以分为标准式行星滚柱丝杠、反向式行星滚柱丝杠、循环式行星滚柱丝杠、差动式行星滚柱丝杠、轴承环式行星滚柱丝杠。a）标准式：丝杠、螺母为三角形多头螺纹，丝杠为主动件，螺母为输出构件。它能够实现较大行程，是目前应用最广泛的类型；b）反向式：工作原理与标准式一样，区别在于其没有内齿圈，将螺母作为主动件，由丝杠直线输出，滚柱和丝杠之间没有相对轴向位移，因此，滚柱螺纹和丝杠螺纹长度一致。这种结构的最大优点是可将其螺母作为电机转子实现电机和丝杠一体化设计，可替代传统液压、气压伺服作动系统，主要用于中小负载、小行程和高速的应用场景，缺点是需要加工较长的螺母内螺纹以保证丝杠行程，因此对螺母的内螺纹加工提出了更高的要求；c）循环式：增加了参与啮合的螺纹数量，因此具有较高的刚度和较大的承载能力，主要应用于要求高刚度、高承载、高精度的场合，如医疗器械、光学精密仪器等领域。其缺点在于凸轮环结构会产生振动冲击，存在噪音问题；d）差动式：可以获得更小的导程，适用于传动比较大，承载能力较高的应用场合，但在在重载情况下，容易产生磨损，导致精度丧失，可靠性降低等问题；e）轴承环式：推力圆柱滚子轴承大大提高了其承载能力，增大了传动效率，其主要适用于高承载、高效率等场合，如石油化工、重型机械等领域。 图9：反向式行星滚柱丝杠结构组成 图10：循环式行星滚柱丝的组成 图11：差动式行星滚柱丝杠结构组成 图12：轴承环式行星滚柱丝杠的结构组成 3）静压丝杠：静压丝杠由丝杠和螺母组成，丝杠为外螺纹，螺母为内螺纹。由于螺母与丝杠之间的摩擦力较大，需要较大的力才能使螺母运动，为了减小摩擦力，静压丝杠引入了液体静压原理。在静压丝杠中，液体静压力会均匀作用在螺纹的每一个点上，将外力均匀地传递给螺纹和丝杠。这样即使在高负载情况下，螺纹和丝杠之间的摩擦力也能得到有效的减小，从而降低了推动螺母所需的力，并提高了传动效率。静压丝杠的摩擦力和速度成正比，低速时几乎为零，且静压丝杠极佳的减震性能完全消除了滚动丝杠具有的振动和噪音。因此，静压丝杠更适合于需要较高进给推力以及具有频繁振动负载的场合。 图13：静压丝杠的丝杠被替换为楔形垫块 2.加工工艺多样，人形机器人带来百亿增量需求 2.1.多种加工工艺并行，精度是丝杠产品的核心 螺距决定丝杠精度，机床引发的渐进线误差是关键。评价丝杠零件的精度指标主要有螺距、中径、牙形角以及表面粗糙度等，而其中螺距精度是最重要的一项指标。丝杠加工精度以螺距误差为主要标准，螺距误差主要有渐进性误差（累积误差）、周期性误差和偶然误差，其中渐进性误差将对其定位精度起决定性作用。周期性误差是一个多项谐波误差的合成，该误差将严重影响其传动精度，而偶然误差是在丝杠加工过程中由于一些偶然因素引起的误差。此外，按照误差源的变化规律可将丝杠螺距误差分为静态误差、动态误差和随机误差。静态误差是由机床本身的几何误差和传动误差造成的；动态误差是机床在运转时产生的误差，它是随加工工艺系统以及加工条件等变化而变化；随机误差主要包括室温及油温变化，外界振动等干扰因素引起的误差。 图14：丝杠加工精度以螺距误差为主要标准 衡量丝杠产品的精度标准种类繁多，从机加工方式看，磨削精度最高。 丝杠产品精度的专用衡量标准（等级指标）有很多种，包括ISO标准（国际标准化组织发布的标准）、DIN标准（德国工业标准化委员会制定）、JIS标准（日本产业标准化委员会制定，C0-C10）、GB标准（我国国家标准制定，P1-P10）等等，其中日韩、中国台湾等一般用JIS标准，分为C0、 C1 、C2、C3、 C5 、C7、C10七个等级，数字越小，精度越高，一般来说，普通机械采用C7，C10级，数控设备采用 C5 ，C3级甚至更高，欧洲国家的标准采用的是IT公差等级（IT01，IT0，IT1-IT18），国内的标准精度等级则分为P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10。从机加工的加工方式来看，按IT标准公差等级评判，磨削是精度最高的加工方式，其精度可达IT8~IT5甚至更高，表面粗糙度一般磨削为1.25~0.16μm。 此外，车削加工精度较磨削稍逊色，等级一般为IT8~IT7，表面粗糙度为1.6~0.8μm。 图16：IT01为IT标准公差等级中最高等级 图17：不同加工方式的加工精度等级不同 丝杠的加工方式具体包括螺纹磨削、高速硬车、旋风铣和滚轧成形： 图18：丝杠的加工工艺方法有四种 螺纹磨削：通过使用旋转的砂轮在滚珠丝杠的表面研磨出精细的凸台，达到高精度的运动效果。螺纹磨削工序有粗磨螺纹、螺纹底沟磨削和精磨螺纹等，这些工序均在丝杠淬火至硬度达58～62HRC后用螺纹磨床磨削。该工艺具有高精度、高性能等特点，但是，基于螺纹磨削切削用量的限制，并且在磨削过程中要不断地修整砂轮和校直丝杠，因此工时较长，加工效率较低，需要高技能操作员进行操作。一般而言，在传统的丝杠加工中，二十余道工序，螺纹磨削时间占整个工艺流程的2/3。 表1:磨削滚珠丝杠机械加工工艺过程 高速硬车：即以车代磨，通过旋转工件并用刀具切削工件表面来