丝杠原理、分类、发展历史及市场格局分析

丝杠是将旋转运动转化为直线运动的部件，具备多种分类方式。

丝杠是一种将旋转运动转化为直线运动的传动部件。丝杠是一种将电机端旋转运动转化为直线运动的机械 部件，广泛应用于具有直线运动功能的机器设备中。电机通过联轴器带动丝杠轴转动，丝杠轴上的螺母在螺旋 形螺纹的驱动下实现直线往复运动，从而将电机的旋转力矩转化为设备运动所需要的直线方向的驱动力。与各 种驱动方式相比，“滚珠/柱丝杠+旋转电机”的组合在定位精度、推力、速度等方面具备稳定性能，应用广泛。

根据摩擦特性和加工方式，丝杠有多种分类。根据摩擦特性可以分为 3 种：即滑动（梯形）丝杠、滚动丝 杠和静压丝杠，滚动丝杠又分为滚珠丝杠和滚柱丝杠。其中，梯形丝杠中无滚动体，靠滑动摩擦传递推力，传 动效率较低；滚珠和滚柱丝杠具有钢球或螺杆型的滚动体，靠滚动摩擦传递推力，传动效率较高；静压丝杠为 液体摩擦，适合于需要较高的进给推力以及具有频繁振动负载的场合。 根据加工方式，丝杠加工方法可以分为有屑加工(切削成形)和无屑加工(塑性加工)这两种。有屑加工是指利 用切削成形加工丝杠，主要包括磨削、车削、旋风铣削等；无屑加工是指利用金属塑性成型加工丝杠，主要包 括冷挤压和冷轧。

工业母机多采用滚珠丝杠，承载冲击更强的滚柱丝杠在人形机器人领域有望得到大规模应用。滚珠丝杠被 广泛用作精密定位机构的部件，主要用于机床、机器人、工厂自动化设备、半导体设备、工业机械、医疗设备 等。人形机器人使用场景要求高承载、耐冲击等性能，行星滚柱丝杠有更大的接触面积、更大的直线速度、更 小的振动和噪音，适合人形机器人的使用场景。

滚珠丝杠于 1961 年首次应用于机床。丝杠历史悠久，起初被用于葡萄和橄榄的压榨机，结构类似于滑动丝 杠；19 世纪 50 年代满足特定标准的滑动丝杠类型 ACME 丝杠出现。滚珠丝杠于 1874 年发明，由于制造难度过 高未能形成系统的设计理论和制造工艺流程；1940 年，通用公司首次将滚珠丝杠成品应用在汽车转向机构上， 标志着滚珠丝杠研究进入产业化阶段；1961 年，NSK 公司首次将精密滚珠丝杠应用于机床并有效提高了机床加 工精度。20 世纪 90 年代后期，滚珠丝杠向精密和高速方向发展，其市场需求进一步提高。2009 年后，我国启 动相关课题，国内南京工艺、汉江机床等厂家研发出滚珠丝杠产品。2020 年以来，国家出台诸多高端制造行业 相关政策，有望拓展滚珠丝杠应用范围以及加速国产替代。 国内对行星滚柱丝杠的研究仍处起步阶段，人形机器人有望带动其需求极大释放。

滚柱丝杠方面，1942 年 循环式行星滚柱丝杠发明，1954 年标准式和反向式行星滚柱丝杠发明，1968 年差动式行星滚柱丝杠发明，1986 年轴承环式行星滚柱丝杠发明，至此行星滚柱丝杠的所有类型都已经出现。1970 年瑞士的 Rollvis 公司开始研制 行星滚柱丝杠，瑞典的 SKF 公司在同一时期研制出行星滚柱丝杠，美国和德国的公司也陆续研制出行星滚柱丝 杠产品并将其运用到机电作动器中。2022 年特斯拉宣布进军人形机器人，从其后续公布的原型机来看，有望打开滚柱丝杠的增长空间。在此之前，国内对行星滚柱丝杠的研究处在起步阶段，一些公司正参与相关的研制工 作，对行星滚柱丝杠进行了试制和少量的生产，例如山东的博特精工、南京的优励聂夫公司、北京精密机电控 制设备研究所等，但产品性能与国外存在差距，主要体现在效率、承载能力和精度上。在此之后，明显更多企 业投入到滚柱丝杠的研发与生产中来，比如恒立液压、五洲新春、贝斯特、新剑传动等。2022 年，特斯拉机器 人线性执行关节带动反向行星滚柱 signage 需求，2024 年以来，灵巧手带动微型丝杠需求，人形机器人百花齐 放。

我国滚珠丝杠市场行业集中度高，主要被台资企业和外资企业垄断。全球主要的滚珠丝杠生产企业有 NSK、 THK、斯凯孚（SKF）、力士乐（Bosch Rexroth）和舍弗勒（Schaeffler）等公司，CR10 占比 94%。国内滚珠丝 杠来源分地区来看，台系占比 39%，日系占比 35%，欧美系占比 22%，中国大陆企业仅占 4%左右。

高端滚珠丝杠国产化比例仅 5%，国产替代空间较大。高端市场主要由日本 THK、NSK 和德国力士乐占据， 中国台湾和大陆厂商（南京工艺、秦川机床子公司汉江机床）仅各占 5%，其中大导程螺母批量、稳定、高效生 产高档专用母机和加工工艺基本由海外企业控制，国产化率提升空间大。中端市场中，中国台湾的上银、银泰 占据约 40%的市场份额，中国大陆企业在自动化、汽车等行业逐渐占据一定市场份额。

滚珠丝杠为机床国产化率较低的环节。在工业母机各细分核心零部件中，机床床身及结构件国产化率较高， 主轴、转台、刀库等各企业自制或国产化供应占据一定比例，而数控系统、传动系统（主要为滚珠丝杠）为国 产化率较低的环节。

随着国际局势持续演变，工业母机自主可控的需求愈发迫切。由于西方国家依据“巴统协定”和“瓦森纳 协定”等出口控制机制限制成员国向中国等国家出口武器装备和尖端技术产品，西方国家对以五轴联动数控机 床为代表的高端数控机床出口进行了严格管制。部分高端五轴联动数控机床完全无法从国外进口，导致国内重 要企业的战略装备生产出现“卡脖子”的问题，中美贸易摩擦更是进一步加剧了该问题。

政策端对工业母机自主可控高度重视。近年来，随着全球地缘政治的变化，自主可控被提上了前所未有的 高度，作为关键环节的工业母机及数控系统为“卡脖子”技术，被多次提及，也提出更多要求；2023 年 9 月 18 日，财政部、税务总局、发改委、工信部联合发布《关于提高集成电路和工业母机企业研发费用加计扣除比例 的公告》，财政政策再发力、面向中高端产品、扶持创新型企业。我们认为，在自主可控趋势下，中高端数控机 床有望在研发、使用场景、销售等方面获得更多助益，长期国产替代空间值得期待。

近年来我国丝杠导轨产量和需求均稳步增长，且供给端持续弱于需求端。2014-2022 年，我国滚珠丝杠产量 由 269 万套上升至 1107 万套，需求量由 576 万套上升至 1555 万套。需求量持续大于产量，原因是数控机床、 航母航天、汽车工业、 模具制造、仪器仪表等产业的高精度加工需求催生出滚珠丝杠规模更大、更高端的市场 需求，而我国滚珠丝杠行业量产厂商数量稀少，产能供给较少，导致行业供需缺口仍然较大。随着国内高端装 备制造业持续向好发展，有望刺激行业产能释放，未来成长空间广阔。