行星滚柱丝杠优势、分类、原材料、工艺流程及市场前景分析

人形机器人中必不可少，未来市场空间广阔。

1、行星滚柱丝杠：优势明显，已应用于人形机器人

行星滚柱丝杠由行星架、内齿圈、螺母、滚柱、丝杠等组成，可用于高精度、高速、重 型耐用等场景，其优势在于大承载、寿命长、响应速度快以及体积小等。

相较于滚珠丝杠以及滑动丝杠，行星滚柱丝杠具备传动效率更高（可达 90%）、承载能 力最大、速度最高等优势，其下游可主要应用于航天器、望远镜登高精度控制系统，机 床、数控机床、精密机器人、半导体设备等。

行星滚柱丝杠是人形机器人“肢体”的核心组成部分。根据 GGII，特斯拉 Optimus 机 器人躯干共有 28 个关节，旋转关节和直线关节各 14 个，其中直线关节或采用了大、中、 小三种共计 14 个反向式行星滚柱丝杠，行星滚柱丝杠价值量占比 13.8%。此前，开普 勒发布的先行者 K1 系列机器人在肘关节以及小腿等环节均集成了自研的行星滚柱丝杠 从而实现执行器推拉控制。行星滚柱丝杠可以广泛应用于机器人的手臂、腿部以及灵巧 手等多个方面。

行星滚柱丝杠又可分为标准式、反向式、循环式、差动式和轴承式五种。 标准式：也称为非循环滚柱丝杠，其滚柱相对于螺母没有轴向运动，且滚柱与螺母啮合。 反向式：工作原理与标准滚柱丝杠相同，螺母和螺钉的功能相对滚柱相反。目前特斯拉 Optimus 采取的正是反向式行星滚柱丝杠。 循环式：循环式滚柱丝杠的滚柱在螺母内轴向移动，直到绕杠丝旋转一圈后返回原来的 位置。 差动式：结构相较于标准式更加紧凑，可以承受更高的载荷。 轴承式：承载能力提高，减小了各结构件之间的磨损，但尺寸大，制作成本较高。

2、技术壁垒较高，国内原材料、工艺及设备均存在一定差距

行星滚柱丝杠在生产过程中会产生热量损失以及误差，这对其制造流程提出了更高的要 求，在制造环节中可能出现螺纹螺距误差、螺纹牙型误差、齿轮齿距误差、齿轮齿廓误 差、制造偏心误差等等。

2.1 原材料

在行星滚柱丝杠的原材料选择中，需要考虑两方面因素，一方面是要考虑选择硬度高、 刚性好、抗疲劳度强、承载力高的材料，另一方面也要考虑材料的经济性以及切削性能。 此外，在选择材料时，针对各个零件要选择不同类型的材料，一方面是因为各个零部件 在运动过程中会出现不同程度的磨损，寿命会出现差异，另一方面是因为不同零件如果 选择相同材料可能出现胶合现象。 在原材料的选择方面，国内企业大多采用马氏体不锈钢，其抗腐蚀性以及硬度有缺陷， 而国外大多数领先的行星滚柱丝杠企业大多选择采用加入 Mo 元素的合金，性能更强。

此外，在高端的 Cr/Mo 合金方面，我国企业也尚且与海外存在一定差距，根据《国产 Cr/Mo 钢滚珠丝杠与国外同类产品的质量分析》，国产丝杠存在的带状偏析组织是造成 其使用性能不佳的重要原因。带状组织具有显著的方向性是脆弱的部位，容易造成在变形过程中的应力集中，甚至出现裂纹。带状组织还会降低钢的力学性能、切削性能和淬 透性，使零件淬火变形倾向增大，强韧性降低。

2.2 工艺流程

行星滚柱丝杠的传动功能依靠螺纹啮合零件之间的匹配，因此螺纹的加工精度至关重要， 它将直接影响丝杠的传动精度、使用寿命和平稳性。

螺纹的制造工艺主要为轧制和磨削两种，其中磨削是加工高精度丝杠螺纹的主要方法， 其精度等级范围在 C0-C5，但生产效率低，成本较高，轧制可批量生产，价格低，但精 度最高为 C5。根据头豹研究院，目前国际主流企业如 Ewwllix、Rollvis、GSA 等大多采 用磨削工艺。

磨削工艺的加工精度较高，根据金属加工公众号，通常用于半精加工和精加工,精度可达 IT8~IT5 甚至更高，表面粗糙度一般磨削为 1.25~0.16μm。 1）精密磨削表面粗糙度为 0.16~0.04μm。 2）超精密磨削表面粗糙度为 0.04~0.01μm。 3）镜面磨削表面粗糙度可达 0.01μm 以下。

行星滚柱丝杠螺纹的加工方式可分为砂轮磨削、硬车削和旋风铣削，其中砂轮磨削需要 进行半精磨和精磨，生产效率较低；硬车削和旋风铣削所用到的设备均为 CBN 刀具和 数控车床，前者适合加工长度 1m、螺距 6mm 以下的滚柱丝杠，后者适用于较长及长径 较大的滚柱丝杠，生产效率较高。

旋风铣削有望成为未来主流。旋风铣削技术更加绿色、高效，与一般的铣削技术相比， 旋风铣削在单位时间内切割效率大幅提升，可以实现加工大型螺纹的高效能设备。

旋风铣削有四个特点：（1） 减少切削产生的热量：旋风铣削时，产生的切削热可以直接传导进入切屑，凭借 细长且薄的特点将热量排出； （2） 提高加工精度与表面质量：旋风铣削的 PCBN 材料适用性能良好，进行渐进式的 切削切削深度小； （3） 提高切削速度，提高生产率，降低加工成本； （4） 代替某些制造工艺。 我们认为，旋风铣削具备成本相对较低同时提高效率，并且能够较好的解决行星滚柱丝 杠生产中需要同时满足效率以及质量的问题，未来有望成为主流。 此外，在工艺流程中，热处理也同样是核心要素，热处理可以改善行星滚柱丝杠的材料 性能、切割性能等，热处理分为预备热处理和最终热处理，预备热处理负责改善丝杠的 切削性能，为最终热处理做准备，最终热处理则负责强化螺纹的硬度提高耐磨性。技术 设备的落后、热处理工艺参数不到位会导致热处理结果变差，热处理后变形较大，进而 影响行星滚柱丝杠的寿命。

2.3 设备

磨削需要使用螺纹磨床高速旋转的成型砂轮对工件表面进行高速切削，磨床在行星滚柱 丝杠的生产流程中是必不可少的，高精度磨床可以提升加工精度，丝杠磨床的可磨直径、 螺纹距离和最大螺旋升角较高，主要用于丝杠整体的磨削。根据 GGII，目前国产磨床可 以满足 C3-C4 精度的中端丝杠加工，但批量加工高端丝杠（C0-C2）时，存在出品不稳 定现象。 近年来，随着下游机械设备、汽车、电力设备、机器人等行业对于磨削工艺不断提出更 高要求，我国精密磨床需求不断上升，根据智研咨询，2022 年我国磨床含量为 6.66 万 台，同比增长 2.9%；需求量为 6.2 万台，同比增长 0.5%。

从市场份额来看，根据 QYResearch 数据显示，2022 年中国数控工具磨床占全球市场 份额为 14.15%，美国为 19.99%，预计未来六年中国市场复合增长率为 6.24%，并在 2029 年规模达到 226.65 百万美元，同期美国市场 CAGR 预计大约为 5.34%。2022 年， 全球前五大生产商分别为 ANCA、WALTER、VOLLMER WERKE Maschinenfabrik、Star Cutter、Rollomatic，分别占据市场份额 13.67%、11.88%、7.70%、6.79%、4.44%。 目前我国高端螺纹机床主要取自于欧美日进口，未来随着我国丝杠行业市场空间进一步打开，有望带动相关螺纹机床行业进一步拓展高端市场。

3、行星滚柱丝杠市场前景广阔，国产替代仍需发力

行星滚柱丝杠下游应用广泛，能够应用在新能源汽车、机器人、医疗器械、光学仪器等， 根据 DATAINTELO 的数据，2022 年全球行星滚柱丝杠市场规模为 12.7 亿美元。未来人 形机器人发展将为行星滚柱丝杠的应用带来巨大的市场空间。预计 2028 年，全球行星 滚柱丝杠市场规模将超过 16 亿美元。

我国行星滚柱丝杠行业受限于制造工艺难度高，生产设备有限，总体市场规模较低，根 据前瞻产业研究院，参考 Persistence Market Research 的数据，中国滚柱丝杠行业市场 规模仅占全球的 5%；结合 DATAINTELO 数据，初步统计，2022 年我国行星滚柱丝杠市 场规模约为 4.4 亿元。

从竞争格局来看，中国行星滚柱市场主要由国际企业主导，市场集中度高，Rollvis 和 GSA 两大巨头份额合计超五成，EWELLIX 和 Rextorh，分别占据 14%和 12%的市场份额。南 京工艺和济宁博特均在前十范围内，市场份额均为 8%。

我们认为，行星滚柱丝杠将成为人形机器人中的新增量，有望持续受益于人形机器人的 带动，但目前行星滚柱丝杠在原材料、制造工艺以及设备均存在一定的壁垒，未来随着 国产企业技术的不断进步，有望进一步拓展市场份额。