人形机器人关键零部件：丝杠

丝杆行业概述

一、丝杆的定义和特性

丝杠是一种机械传动元件，通常用于将旋转运动转换为线性运动。它主要由丝杠和螺母两部分组成。丝杠是一种具有螺纹母线的长条状零件，而螺母则是一种外部具有螺纹母线的零件。螺母可以通过转动丝杠来移动沿丝杠的方向。丝杠具有多种特点，使其在机械传动中被广泛应用：

1）较小的滑动摩擦系数：丝杠和螺母之间的滑动摩擦系数相对较小，从而确保线性运动的平顺性和精度。由于滑动摩擦系数很小，因此可以更轻松地将螺母沿着丝杠移动，从而减少对电机或手摇轮的功率需求。

2）高效率：丝杠的传动效率高，因为它将旋转运动转换为线性运动并消耗较少的能量。丝杠的高效率可以使机械传动更加稳定和可靠。

3）长寿命：丝杠的操作和使用寿命长，因为它们采用钢或其他坚固的金属制造而成。丝杠的坚固和耐用性可以减少设备故障和维修成本。

4）可逆转：丝杠的方向可以自由调整，从而让设备可以适应不同的操作需求。丝杠的可逆性使其可以在不改变传动系统的前提下灵活适应不同的应用

5）易于控制：丝杠的控制非常简单，因为它们可以通过电机或手动轮控制。这种控制程序可以通过编程或其他电子手段自动化，从而进一步提高设备的生产效率和精度。

二、丝杆的分类和区别

丝杠作为一种机械传动元件，主要用于将旋转运动转换为直线运动。已被广泛应用于各种生产过程中，由于其具有低滑动摩擦系数、高效率、长寿命、可逆和易于控制等优点，因此是非常理想的传动元件之一。现今，丝杠在机场、轨道交通系统、自动化设备、机器人、制造系统等行业中得到广泛的应用。

丝杠按摩擦特性可分为滑动丝杠、滚动丝杠及静压丝杠。

1）滑动丝杠：结构简单，制造方便，牙型多为梯形。滑动丝杠具有成本低、承载力大、结构简单，同时能结合具体要求进行结构调整，被广泛用于普通机床的进给传动、分度机构和一般机械的丝杠传动。而缺点也较为明显，滑动丝杠传动效率较低、定位精度和轴向刚度较差，摩擦力较大使其发热量大（长时间用时需冷却），对应的较大磨损导致使用寿命缩短。

2）静压丝杠分为液体静压丝杠与气体静压丝杠两种类别。

• 液体静压丝杠具有良好的减震性与定位精度等优势，缺点主要是装置大而多、容易造成环境污染、供应商少和价格较高。

• 气体静压丝杠装置简单，且对环境友好，但与液体静压丝杠相对比，其刚度和承载能力相对较弱。

3）滚珠丝杠一般由螺杆、螺母、钢球（滚珠）、预压片、反向器、防尘器等六个部分组成。由于将滚珠置入螺母与丝杠之间以滚动摩擦取代滑动摩擦，摩擦阻力较小，能解决粘滑现象；滚珠丝杠传动效率一般能达到90%-96%，约为滑动丝杠的2-4倍，改善滑动丝杠定位精度低及损耗高的情况。受益于摩擦系数小、效率高、精度高等优点，滚珠丝杠广泛应用于机床、汽车等行业。

滚珠丝杠载荷传递元件是滚珠，以多个滚珠接触点来支撑负载。按照滚珠循环方式可对滚珠丝杠分为内循环和外循环两个类型。

• 内循环为滚珠在循环过程中始终不脱离丝杠表面的循环方式。

• 外循环为滚珠循环过程中脱离丝杠螺纹滚道，从而在螺母体内或体外循环。简而言之，内外循环以在循环过程中是否脱离或接触丝杠表面为判断依据。内循环滚珠丝杠尺寸一般来说小于外循环滚珠丝杠，适合于空间比较紧凑的场景；同时其需要反向器固定相对来说比较牢靠、刚性好且不易损坏。而外循环滚珠丝杠适用于需要扛冲能力大、高负载丝杠的使用场景。

4）行星滚柱丝杠是一种低摩擦式精密丝杠式传动装置，将旋转运动转换为直线运动或反之亦然的机械装置。在相同体积情况下，行星滚柱丝杠接触面积更大，能将承载力平均分散，从而减小摩擦力并延长使用寿命，同时能承受更高的输入转速从而实现更大的直线速度，可适用于高精度、高速、重型、耐用和重度使用的场景。由于其性能原因，行星滚柱丝杠制造工艺相对复杂，成本相对较高。

根据行星滚柱丝杠结构组成和零件相对运动关系的不同，主要分为5种结构形式，分别为标准式、反向式、循环式、轴承环式、差动式。其中，特斯拉擎天柱使用的为反向式行星滚柱丝杠。

从结构上滚珠丝杠和行星滚柱丝杠类似，性能方面行星滚柱丝杠优势较为明显。在承载能力及寿命方面，滚珠丝杠载荷传递元件是滚珠，而行星滚柱丝杠载荷传递元件是螺纹滚柱，线接触能够在相同条件下提供更高的承载能力。同时行星滚柱丝杠在设计上能提供更高刚度，保持较好的抗冲性能。此外，行星滚柱丝杠的寿命最高可为滚珠丝杠的15倍，在相同工况下，行星滚柱丝杠的维护周期更长。在导程和空间方面，行星滚柱丝杠可设计更小的导程，且导程可为整数或小数，能实现更精细化的控制。在相同负载条件下，行星滚柱丝杠的体积更小，有助于减少机械设备的总体尺寸。在速度方面，行星滚柱丝杠可实现更高速旋转，对需要快速响应的场景非常重要。

三、精度为丝杠性能关键指标之一

根据国际标准化组织（ISO）、德国工业标准（DIN)、日本工业标准（JIS）规定，行星滚柱丝杠和滚珠丝杠的精度等级划分大致相同，主要通过丝杠任意300mm长度的导程误差分类。其中，ISO和DIN将精度等级均划分为6类（C0、C1、C3、C5、C7、C10），两种标准除C0外其他等级划分基本相同。国内滚珠丝杠的精度等级分为7类(P1、P2、P3、P4、P5、T7、T10)，1-10精度依次递减，数字越小代表精度越高。

对丝杠的精度要求相对较低的应用领域为智能家居、电动工具等消费类领域，目前主要使用梯形丝杠和中低端滚珠丝杠为主。一般来说，工业机械设备对丝杠精度有一定要求，不同类型设备对精度的要求不同。通用机械或普通数控机械选C7或以下，高精度数控机械选C5(±0.018)以上C3(±0.008)以下，光学或检测机械选C3以上。机器人机械手臂(精密级)精度要求在C1-C4级，机床高精度磨床要求在C0-C2级。

四、丝杠生产技术壁垒

目前来看，生产高精度丝杠主要三大壁垒为原材料、工艺流程、生产设备。

原材料：丝杠在反复运动过程中会受到连续振动、冲击和摩擦，对于材料的强度、刚性、耐磨性、耐腐蚀性、抗疲劳性、承载力等方面均有一定要求。丝杠的原材料会根据不同工作环境、精度、负载等要求存在一定的区别，常见材料有渗碳钢、硬化不锈钢、非合金(碳素)结构钢、低合金工具钢、轴承钢等。稀有元素铬/钼的元素配比及加工工艺等因素将影响材料的稳定性、熔点和刚度等性能。根据《国产铬/钼钢滚珠丝杠与国外同类产品的质量分析》，带状组织会降低钢的力学性能、切削性能、淬透性，使零件淬火变形倾向增大，降低强韧性。国产丝杠产品中的带状偏析组织导致丝杠性能不佳，为国内丝杠产品与国外产品存在一定差距的重要因素之一。

工艺流程：丝杠轴的加工技术分为冷轧和研磨两种，冷轧法的退火工艺和研磨法的螺纹切割为加工难点。冷轧法效率高、精度低，螺纹一次成型，无需后续的切削加工，可以批量制造，成本较低，通常精度等级在C9至C5。研磨法效率低、精度高，首先需通过切削加工形成粗螺纹，随后使用精密研磨工艺提高螺纹的精度，可实现C9至C0的精度跨度。相比之下，研磨法工艺复杂、交货期较长、成本相对较高。此外，热处理也是工艺流程中核心要素之一，可以改善丝杠材料性能、切割性能等。落后的设备、热处理工艺参数不同都会导致热处理结果差异，从而影响行星滚柱丝杠使用寿命。

生产设备：磨床是丝杠加工的核心技术壁垒，决定丝杠的加工精度和效率。磨床的精度直接影响丝杠的轴向精度、径向精度以及整体的运动平稳性。目前，国内高端磨床制造商相对较少，在精度、稳定性等方面与全球领先企业仍有差距。根据GGII，国产磨床能满足C3-C4精度的中端丝杠加工，如需批量加工高端丝杠(C0-C2)会存在出品不稳定情况。

人形机器人丝杠作为机器人线性驱动的关键组件，主要实现旋转与直线运动的转换。其应用于关节驱动和运动控制，如手臂、腿部以及灵巧手等，是实现精准移动和稳定支撑的重要部件。丝杠传动刚性传动主流方案，具备高精度、高负载等优势。

从设计结构角度来看，滑动丝杠多为梯形丝杠，工艺简单且成本较低，但传动效率低、精度不高。

一、滚珠丝杆人形机器人中的应用

滚珠丝杠由丝杠轴、螺母（含滚珠）、轴承和密封件构成，以滚珠滚动摩擦替代滑动摩擦，传动效率高、导程精度高。丝杠轴、螺母和端盖上都制有圆弧形螺旋槽，将套装在一起时，这些槽对合起来就形成了螺旋通道，滚珠能够在通道内循环滚动。

特斯拉二代灵巧手方案采用微型滚珠丝杠，实现手部高灵活度和强负载能力。微型滚珠丝杠将电机的旋转运动转化为直线运动，从而驱动手指关节实现弯曲和伸展。

二、滚珠丝杆产业链

滚珠丝杠行业的产业链结构主要为上游的原材料和零部件（钢铁、丝杆、螺母和滚珠等），中游的滚珠丝杠生产制造商，下游的应用领域包括数控机床、注塑机、机械工业等行业。上游的原材料质量直接影响到滚珠丝杠的性能和精度，而下游的应用领域则决定滚珠丝杠的市场需求量和发展方向。

下游领域拓展推动行业动空间提升，机床高端化转型促进行业技术升级：具体来看，国内数控机床、机器人生产线、航天航空与军工领域对滚珠丝杠需求较大，随着下游领域持续拓展，有望推动滚珠丝杠市场空间进一步提升。作为滚珠丝杠需求最大领域，我国机床产量提升不仅扩大滚珠丝杠用量需求，同时随着国内机床技术高端化转型，有望推动行业技术升级，以满足高端机床所需求的高精度、高稳定性和耐用性需求。2024年1-11月中国金属切削机床、金属成形机床累计产量分别为611890台、144000台，分别同比增长1.81%、5.88%。

三、滚珠丝杆市场

国内滚珠丝杠市场供需缺口明显，价格呈下降趋势。从国内市场供需情况来看，国内滚珠丝杠需求量高于产量，供需缺口相对明显。根据观研天下、华经产业研究院统计，2023年滚珠丝杠产量为1121万套，需求量为1687万套，其缺口为566万套，同比增长24.40%。价格方面，根据观研天下数据，国内滚珠丝杠价格从2014年的225元/套下降至2022年的180元/套，年复合降幅为-2.75%。随着行业竞争加剧，国内产品走向国际舞台，海外企业进入中低端产品市场，叠加技术更新迭代等多方面因素推动，未来滚珠丝杠价格将呈持续下降态势。

根据华经产业研究院数据，中国大陆厂商在国内滚珠丝杠中低端市场已有突破，高端市场国产化率仍有巨大上升空间。中国大陆厂商在国内中端滚珠丝杠市场份额为30%、高端产品市场份额5%。德国力士乐，日本THK、NSK等海外企业在我国中端滚珠丝杠市场份额为30%，高端产品市场份额为90%。

四、行星滚柱丝杠在人形机器人中的应用

相较于滚珠丝杠传动方案，行星滚柱丝杠具有承载力、体积和精度等综合优势，非常契合在空间紧凑的人形机器人上应用。行星滚柱丝杠由于高数量接触点，能够承受更高的静载和动载，静载为滚珠丝杠的3倍，寿命为滚珠丝杠的15倍，同载荷下体积比滚珠丝杠小1/3。核心结构包括丝杠、滚柱、螺母、内齿圈、保持架和弹性挡圈。运动模式类似行星绕太阳，精度最高，但降本诉求迫切。

通过驱动螺母带动丝杠轴向运动（螺母作为主动件），可以理解成将螺母作为电机转子实现电机和直线传动机构（丝杠）融合的复合产品，好处就是在同等扭矩的基础上可以产生更大的负载，同时体积更小。

行星滚柱丝杠中反向式行星滚柱丝杠在人形机器人中应用较为广泛。反向式行星滚柱丝杠结构紧凑、重量更小，但加工要求更高。

特斯拉人形机器人Optimus主要采用反向式行星滚柱丝杠，每个线性执行器中都搭载了一个行星滚柱丝杠，总共使用了14根反向式行星滚柱丝杠，分别用于大臂（2个）、小臂（4个）、大腿（4个）和小腿（4个）。

特斯拉Optimus行星滚柱丝杠分布图：

五、行星滚柱丝杆产业链

行星滚柱丝杠产业链构成主要为上游的原材料与零部件，行星滚柱丝杠中丝杠选用的材料多为合金结构钢，螺母和滚柱选用的材料为高碳铬轴承钢;零部件包括丝杠、螺母等关键部件。中游的行星滚柱丝杠制造，下游的应用领域涵盖多个行业，包括机器人、石油天然气、医疗器械、机床设备、汽车等行业。

六、行星滚珠丝杆市场

中国行星滚柱丝杠市场规模相对较小，较为依赖进口。与滚珠丝杠产品相比，行星滚柱丝杠的制造厂商相对较少，而国内每个品牌产品的特性与所在细分市场也有所不同。目标市场的分散导致在目前为数不多的行星滚柱丝杠厂商难以形成协

同效应，较难提高产品供给，无法快速提升市场规模。根据Persistence Market Research、DATAINTELO、前瞻产业研究院数据，2022年中国行星滚柱丝杠市场规模为4.40亿元，占全球市场规模的5.00%。根据Persistence Market Research、DATAINTELO预计，2028年我国行星滚柱丝杠行业市场规模将达6.70亿元，2023-2028年复合增长率为7.50%。目前，行星滚柱丝杠产能主要集中在欧洲、美国等，国内品牌起步较晚，规模较小，国内市场主要依赖进口。国产品牌以南京工艺和博特精工为代表，主要应用于机床装备。

人形机器人打开行星滚柱丝杠行业市场空间。从人形机器人角度来看，特斯拉擎天柱使用的是反向式行星滚柱丝杠，满足高承载、小体积等方面要求。相同丝杠直径下，与滚珠丝杠相比，反向式行星滚柱丝杠具有更高的承载、更高的精度；与标准式行星滚柱丝杠相比，反向式行星滚柱丝杠体积更小。根据Morgan Stanley，预计特斯拉擎天柱二代（按零部件分类）传感器、电机、丝杠、减速器的成本占比分别为37.00%、20.30%、20.20%、12.60%，共占总成本的90.00%。根据GGII预测，2030年全球及中国人形机器人市场规模分别为200亿美元、50亿美元。根据上述市场规模结合成本占比计算，预计2030年全球和中国人形机器人用行星滚柱丝杠市场规模分别约为40.40亿美元、10.10亿美元。

目前，特斯拉人形机器人在肘部、手腕、髋部、膝盖、脚踝预计共使用10-14个反向式行星滚柱丝杠。根据前瞻产业研究院预测，假设人形机器人（以特斯拉人形机器人为代表）使用14个行星滚柱丝杠，考虑规模生产、技术更新迭代等因素，均价逐年下降，预计人形机器人年产量为5万台、100万台、500万台全球行星滚柱丝杠市场规模分别为16.25亿元、171.36亿元、667.80亿元。

特斯拉人形机器人用行星滚柱丝杠市场规模测算：我们假设特斯拉人形机器人单机所需行星滚柱杠为14个，均价从2026年的6060美元下降至2030年的1079美元（每年下降25%），预计2030年特斯拉人形机器人用行星滚柱丝杠市场规模将为289.91亿美元，2026-2030年复合增长率为83.71%。

当前全球行星滚柱丝杠格局较为集中，海外龙头企业占据了在高端行星滚柱丝杠领域的主导地位。市占率较高的厂商包括瑞士GSA、瑞士Rollvis、瑞典Ewellix、博世力士乐、美国CMC、日本THK等。特斯拉形机器人Optimus反式行星滚柱丝杠使用的是瑞士GSA制造的RGTI12.8行星滚柱丝杠。

国内丝杠老牌企业包括新剑传动、南京工艺、博特精工、汉江机床等率先布局，在客户资源和技术实力积累等维度方面有先发优势。新剑传动在官网上展示了在人形机器人上同特斯拉Optimus类似的丝杠选型应用。24年12月，新剑传动年产100万台人形机器人及汽车行星滚柱丝杠产业化项目开工，成为全球第一家公布大规模量产的企业；南京工艺有国内规格最全的精密滚动功能部件产业化基地。

随着人形机器人的放量节奏加快，国内主营汽零、机械、工控等业务的厂商依托同源性工艺也纵向拓展丝杠业务。近年来，国内厂商贝斯特、北特科技、恒立液压、双林股份、震裕科技、鼎智科技、禾川科技、秦川机床、浙海德曼等厂商积极布局丝杠业务。

此外，丝杠与轴承在生产工艺上存在诸多相似之处，尤其是磨制和热处理等核心难点工艺，二者协同性较强。国内代表企业为五洲新春、长盛轴承、斯菱股份、金沃股份等横向对比海外供应商SKF、NSK等轴承龙头均在丝杠领域具备市场竞争力。

此外，在灵巧手微型丝杠领域，双林股份、浙江荣泰、雷迪克、五洲新春等厂商都有所布局。

参考文献：

*乐晴智库精选-人形机器人关键设备：丝杠设备全景解析

*谢少威，高技术壁垒核心部件，有望迎来百亿级别市场空间-机器人系列报告（四）之丝杠，东莞证券，2024.12.30

*李哲、邵将、罗松、郭雨蒙，丝杠导轨：高精度传动部件，人形打开行业空间，民生证券，2023.08

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