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报告出品方：华创证券 以下为报告原文节选 ------ 一、丝杠传动是主流的直线传动方式 （一）直线传动方式：带、链、齿轮、液压与丝杠传动1、各直线传动方式差异性分析：丝杠传动适用于高端领域传统的机械传动方式包含带传动、链传动、齿轮传动、液压传动和丝杠传动。目前丝杠已经广泛应用于电动缸、小版面数控切割机及数控机床等工业领域。 带传动：结构简单且成本低廉，但其传动效率较低且寿命较短； 链传动：传动比的准确性高，能适配各样的工作环境，但由于链长等问题，平稳性较差，振动以及噪声较大； 齿轮传动：传动比准确且传动效率高，但由于其依靠齿轮间的啮合实现传动，因此对每个齿轮的精度要求均较高，不适宜轴间距离大的传动； 液压传动：输出功率、传动结构、响应速度、操纵便利度上均具备比较优势，被应用于波士顿动力的 Altas 中。但因其在传动中使用油液，导致无法实现稳定的传动比，与此同时，油液在流动过程中存在泄露风险，也会影响传动效率，由此带来的后期维修保养成本较高； 丝杠传动：子类别较多，其中滚珠丝杠的传动效率、精度以及使用寿命均较优，由于其利用的是滚珠的内循环/外循环实现的传动，因此精度的影响因素源于丝杆凹槽部位的螺距大小，与此同时，其主要零部件的制造大多使用不锈钢或合金钢，因此后期的维护要求较低。
2、丝杠的定义及分类：滚动、滑动、静压丝杠 丝杠是将旋转运动转化成直线运动的传动装置。丝杠由螺母和螺杆组成，其工作原理在于，螺杆作为主动旋转体时，螺母就会随螺杆的转动角度按照对应规格的导程将螺杆的旋转运动转化成直线运动，参与做功的工件可以通过与螺母连接，从而实现对应的直线运动。
滚珠丝杠（滚珠丝杠副）依靠螺母内部的滚珠完成旋转到直线的传动。滚珠丝杠属于滚动丝杠，其主要由螺母、螺杆、滚珠构成。运动原理为：当螺杆进行旋转运动时，滚珠作为螺母内部的滚动元件沿螺旋槽滚动，从而带动螺母相对螺杆进行直线运动。图示为内循环式滚珠丝杠，因此还配置有反向器，其连接滚珠循环的两端，提供滚珠循环运动的通道，使滚动形成一个闭环。
滑动丝杠和滚珠丝杠应用最为广泛，滚珠丝杠较滚动丝杠应用场景更加精细。滚珠与丝杆之间的间隙自然比滑动摩擦情况下的更窄，甚至可以实现无间隙运动，所以滚珠丝杠具备损耗小，效率高、寿命长、结构相对复杂的特点。对高精度要求的场景诸如机器人、精密机床、电子机械、输送机等工业板块，滚珠丝杠相较于滑动丝杠更加适配。
行星滚柱丝杠依托丝杆和滚柱的旋转带动螺母做直线运动。行星滚柱丝杠的结构与滚珠丝杠较为类似，包括丝杠、行星滚柱、保持架、内齿轮和螺母等，其中滚动元件为行星滚柱而非滚珠丝杠中的滚珠。其运动原理为丝杆主动旋转带动滚柱绕丝杆轴向公转同时绕自身轴线自转，从而带动螺母做轴向直线运动。
3、滚珠丝杠与行星滚柱丝杠差异性分析 行星滚柱丝杠性能好、成本高，更适用于重载领域，滚珠丝杠精度范围更宽、成本更低、市场空间更大。行星滚柱丝杠在承载能力、转速、定位精度、寿命、传动噪音等较滚珠丝杠进一步提升，并能适应更多样的工作环境。相比于滚珠丝杠，相同体积情况下，行星滚柱承载能力更大，传动效率略低。目前特斯拉 Optimus 对承载力要求更高，线性关节采用的是反向式行星滚柱丝杠，但不排除对承载力要求更低的人形机器人采用成本更低的滚珠丝杠。
（二）丝杠在传统行业中的应用 滚珠丝杠是目前应用范围最广的丝杠类型，工业制造业是其最主要的下游行业。从不同行业的市场份额来看，应用于工业制造业的全球滚珠丝杠市场规模最大，占比为 32%。
数控机床作为工业制造业中的主要板块，其传动部件多采用滚珠丝杠。传统机床主要采用梯形丝杠，数控机床是在传统机床的基础上，加入数字化控制系统，其工作流程为：由电机提供原动力，通过齿轮变速机构完成调速，由滚珠丝杠副将电机的旋转运动转化为大拖板上执行元件的往复直线运动，完成机床的进给和加工。由于数控机床对传动工件的精度要求更高，目前多采用滚珠丝杠。
（三）丝杠在人形机器人中的应用 特斯拉人形机器人 Optimus 的躯干共使用 14 个旋转关节、14 个直线关节，手部使用 12个空心杯关节。行星滚柱丝杠预计应用在直线关节中，其中肘部 2 个，腕部 4 个，腿部8 个。不同位置的丝杠承载力不同，目前有 500N、3900N、8000N 三种规格，其中 8000N的丝杠可以平稳吊起半吨重的钢琴。
Optimus 的线性执行机构由电机+反式行星滚柱丝杠+力矩传感器+位置传感器构成。反向式行星滚柱丝杠具有中小负载、小行程、结构紧凑的优点。行星滚柱丝杠市场空间较小，当前国内处于研发初期，如果人形机器人量产，市场对于行星滚柱丝杠的需求有望大幅提升，加快国内厂商的研发进程。
（四）丝杠市场总空间测算 人形机器人开辟丝杠需求第二增长曲线，2030 年市场规模或将接近 300 亿元。丝杠作为综合性能更优的直线传动零部件，未来有望大面积应用于人形机器人中。我们假定单个机器人中滚珠与滚柱丝杠价格随规模效应逐年递减，预计人形机器人新增量于 2030 年超200 万，其新开辟的丝杠市场规模有望达到 270 亿元。
人形机器人量产有望对丝杠出货贡献核心增量。由于人形机器人全身需要实现精密传动的部位较多，对丝杠的需求较传统的工业机器人及服务型机器人更多，我们预计在人形机器人进入量产阶段后，将对丝杠需求贡献核心增量，2030 年市场空间或占全球丝杠市场总规模的 55%。
二、滚珠丝杠 VS 行星滚柱丝杠——运动控制的核心环节 （一）滚珠丝杠 1、滚珠丝杠的分类：内循环与外循环 滚珠有内循环、外循环两种循环方式，分别适配不同的场景。从结构特点来看，外循环形式的滚珠在循环过程结束后，将通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回螺母并重新进入循环；而内循环形式的滚珠始终在螺母内部，其通过反向器实现滚珠的单一封闭式循环。 外循环滚珠丝杠工艺简单，径向尺寸较大，负载大，适用于高承载传动系统； 内循环工艺复杂，径向结构紧凑，定位可靠，适用于高精度、高效率、中小导程，中低速场景，具体包括机床的定位、进给和伺服控制，汽车飞机部件运动控制等。
2、滚珠丝杠的精度分级 滚珠丝杠主要应用于精密机械设备，不同设备间存在精度要求差距。精度衡量的是实际移动距离与理想运动距离的偏差，精度越高的产品偏差越小。一般而言，体现工件精度的方式常用其实际工作中的误差大小衡量，标准有四种，分别是： 目标行程公差：主要是丝杠在磨削中累积的误差、热变形以及砂轮磨损造成的误差工作作用； 任意 2π弧度内允许的行程变动量：主要是工件安装偏差、机床丝杠本身的传动误差； 有效行程内允许变动量：主要为机床丝杠本身的传动误差、磨削工序累积的误差、环境变化导致工件热变形以及工件本身自重引起的误差； 任意 300mm 行程内允许的行程变动量：误差引起因素同“有效行程内允许变动量”，二者同属于非渐进性误差。
国际上常用的标准是日本工业标准（JIS），对应精度等级分别为 C0-C10（精度依次递减）。
3、滚珠丝杠的加工工艺及设备：磨制及轧制，高精度磨床是核心 滚珠丝杠主流加工工艺：磨制和轧制（转造），不同加工工艺的成本和性能差异较大 磨制滚珠丝杠的精密研磨工艺复杂，交货期较长，成本较高；市面上可实现 C9~C0的精度跨度；应用于 CNC 机械，精密工具机，产业机械，电子机械，航天工业等领域； 轧制（转造）滚珠丝杠是冷轧挤压成型的，可以批量制造，成本较低；可实现精度有限，一般为 C9~C5 等级；应用于低摩擦、运转顺畅等机械传动场景。
高精度滚珠丝杠的核心设备是磨床。磨床的工作原理是砂轮的表面很多磨粒划擦、刻划和切削工件表面，使用螺纹磨床高速旋转的成型砂轮对加工工件表面进行高速切削，使用磨削加工的滚珠丝杠最高可达到 P1 级。
4、滚珠丝杠市场空间及竞争格局：国产替代大有可为 滚珠丝杠传统市场空间较小。2022 年全球滚珠丝杠市场规模 126.41 亿，2015-2022 年CAGR 为 6.16%；2022 年国内滚珠丝杠市场规模为 27.70 亿元，2015-2022 年 CAGR 为9.89%，国内滚珠丝杠占全球市场的比例近年来均维持在 20%以上。
亚太是滚珠丝杠的主要应用区域，但主要的生产厂商来自于欧洲和日本。从滚珠丝杠的需求端来看，根据智研咨询的数据，2020 年，滚珠丝杠在亚太地区的市场份额达到了49.46%，而欧洲、北美和其他市场份额分别为 27.91%、15.68%和 6.95%。前期亚太地区滚珠丝杠市场的增长主要得益于机床、汽车工业、航母航天的发展，由于亚太地区集聚大量的发展中国家，发展工业的迫切性较高，因此对滚珠丝杠的使用量也较大。
（二）行星滚柱丝杠 1、行星滚柱丝杠的分类：标准式、反向式、循环式、差动式、轴承环式 标准式滚柱丝杠运用最广泛，特斯拉人形机器人使用的丝杠为反向式。根据行星滚柱丝杠的结构组成以及运动关系的不同，可以分为标准式、反向式、循环式、差动式和轴承环式。 标准式行星滚柱丝杠：目前应用最广泛，适用于环境恶劣、高负载、高速等场景，应用领域包括精密机床、机器人、军工装备等。其他 4 种类型均是为了适应不同的应用环境而在其基础上演变而来； 反向式行星滚柱丝杠：主要用于中小负载、小行程和高速的应用场景。其传动方式的最大不同在于，它以螺母为主动件，由丝杠进行轴向运动。最大的优势在于可将螺母作为电机转子实现电机和丝杠一体化设计，主要缺点为行程受到螺母内螺纹长度的限制； 循环式行星滚柱丝杠：主要应用于要求高刚度、高承载、高精度的场合。其相比于标准式去掉了内齿圈，增加了凸轮环结构使得滚柱实现循环。优点在于具有较高的刚度和较大的承载能力，缺点在于其凸轮环结构会产生振动冲击，存在噪音问题； 差动式行星滚柱丝杠：适用于传动比较大，承载能力较高的场景。但由于在其运动过程中螺纹会产生滑动现象，因此在重载情况下，容易产生磨损，存在精度丧失、可靠性降低的问题； 轴承环式行星滚柱丝杠：主要适用于要求高承载、高效率的场合，如石油化工、重型机械等领域。相比于标准式，其螺母上去掉了内齿圈，增加了壳体、端盖及推力圆柱滚子轴承等部件。优点为承载能力高，各构件间的磨损小，传动效率较高；缺点为结构复杂，径向尺寸大，制造成本高。
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