原标题：人形机器人行业：丝杠行业人形机器人量产前夜国内企业加速入局助推进口替代

  今天分享的是人形机器人系列深度研究报告：《人形机器人行业深度研究报告：丝杠行业人形机器人量产前夜国内企业加速入局助推进口替代》。（报告出品方：天风证券）

  丝杠从设计结构角度分为：梯形丝杠、滚珠丝杠以及滚柱丝杠。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。当前，滚珠丝杠是行业主流产品，相较之梯形丝杠，其在传动效率、传动速度、常规使用的寿命等方面的优势明显。

  滚珠丝杠副的定义：其是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其普遍的应用于各种工业设施、精密仪器、精密数控机床。

  滚珠丝杠副的结构：滚珠丝杠副按循环方式分为：内循环端块式(DK)，内循环端盖式(DG)，内循环浮动式(F)，内循环矩阵式(J)和外循环插管式(C)。

  滚珠丝杠副的结构：滚珠丝杠副按预紧方式分为：双螺母垫片预紧(D)，双螺母螺纹预紧(L)，单螺母变位导程预紧(B)，单螺母增大滚珠直径预紧(Z)。

  精度等级：依据使用范围及要求将滚珠丝杠分为定位滚珠丝杠副(P)和传动滚珠丝杠(T)两种，精度等级大致上可以分为七个等级，即1.2.3.4.5.7.10级（1级精度最高，依次逐渐降低）。

  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所组成，它主要是依靠多个滚柱与丝杠、螺母之间的螺纹啮合传动来将伺服电机的旋转运动转化为直线运动，其滚柱通过保持架均匀的分布在丝杠、螺母之间，为避免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，目的是为了尽最大可能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。

  相较其他直线机构，行星滚柱丝杠具有大承载、长寿命、响应速度快和小体积等优势；相较滚珠丝杠，滚动丝杠的承载要取决于滚动体之间接触面的曲率半径，接触点数目以及接触面硬度与光洁度。在相同接触表面硬度、光洁度与精度的条件下，滚柱丝杠比滚珠丝杠具有更多的接触点，滚柱接触面的包络圆曲率半径亦远大于滚珠丝杠钢球的曲率半径，这就决定了滚柱丝杠比普通的滚珠丝杠具有更高的承载能力。

  根据其安装条件的不同，可大致分为圆柱螺母型和法兰螺母型两种，其中法兰螺母型根据法兰形状及位置的不同又可大致分为方形法兰型、T形法兰型等多种形式。

  按照螺母的结构及形式，其又可大致分为单螺母型、预紧螺母型及双螺母型这三种形式，其中单螺母型为单个整体螺母，无预紧力作用，存在轴向间隙；预紧螺母型为两个半螺母组成，有预紧力作用，无轴向间隙，其承载能力低于单螺母型；双螺母型由两个单螺母组成，有预紧力作用，无轴向间隙，其承载能力与单螺母型相同，尺寸为单螺母的两倍。

  根据其结构组成及运动关系的不同，可大致分为5种类型：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，它们以各自独特的结构特点及其优势适用于不同的场合。

  精密滚珠丝杠从加工工艺角度划分为磨削滚珠丝杠和冷轧滚珠丝杠两大类，磨削滚珠丝杠是按照基准统一原则，以两端中心孔为加工工艺工序基准，通过热处理、车削、磨削等几十道工序逐一完成，制造精度高达到P1级，适合给高精度设备做定位部件；冷轧滚珠丝杠是采用冷加工工艺模具制造，开模工艺自动化程度高，批量生产后成本低，效率高，但制造精度不甚理想，总停留在P7级左右，一般在设备中做传动部件。

  机床误差：砂轮磨削的实质是一种特殊的高速度切削，因此砂轮磨削过程对机床的精度和稳定能力都有很大的要求。

  1）机床母丝杠本身就存在螺距误差，并且对工件的加工误差影响最大；机床的定位精度以及运动精度等等也会影响到工件的加工误差。现在，高档机床都会带有补偿系统，合理使用其补偿系统能减小加工误差。

  2）根据机床的传动原理，伺服电机通过齿轮减速带动工件转动，和砂轮形成相对运动。由于齿轮自身加工、精度、安装都有误差，所以传动链中每一次传递都存在传递误差，也就是机床的传动误差，这种误差也会影响到工件的加工误差，并且机床的传动误差是按传动比传动的。若减小机床的传动误差，能大大的提升母丝杠的精度。

  砂轮磨损和弹性变形造成的螺距误差：在砂轮磨削过程中，砂轮与工件的作用力主要以法向力为主，砂轮弹性变形引起的滚珠丝杠螺距误差与法向力成正比，在保证精度同时，能适当的减小法向力，以减小丝杠螺距误差。

  热变形引起的螺距误差：滚珠丝杠在磨削过程中的热误差最重要的包含机床本身运动件接触摩擦发热引起的热变形误差、砂轮磨削过程中产生的磨削热引起的工件变形误差。热变形误差占丝杠误差的40%-70%，是影响丝杠加工精度的主要误差来源。合理使用机床控制管理系统的补偿系统和高效的冷却方式，可以大幅度提高滚珠丝杠磨削加工精度。

  国外同类滚珠丝杠的原材料类似于国内的45Cr钢，其表面感应加热淬硬层的硬度梯度分布相对国产Cr/Mo钢滚珠丝杠更趋于合理，表面硬化层、过渡层到心部的金相组织均优于国产Cr/Mo钢滚珠丝杠，这是其使用性能好的根本原因；国产丝杠原材料质量欠佳和热加工工艺尚不合理是与进口丝杠性能存在差距的根本原因之一。

  1）加工精度：行星滚柱丝杠副是通过螺纹啮合来实现精密传动，因此滚道表面粗糙度宜采用较高精度等级。同时，行星齿轮的齿形较小，为了能够更好的保证行星滚柱丝杠副的装配精度，齿轮副的也应采用较高加工精度等级。

  2）工件材料：行星滚柱丝杠副在工作时，丝杠、滚柱及螺母的螺纹滚道会受到连续性、周期性和频繁的振动、冲击及摩擦，导致丝杠副的温度上升，且随着转速和承载的提高，温升会显著增大，最后导致滚道磨损、蠕变松弛、热变形、疲劳、屈服等。因此，应选择硬度高、耐磨性强、抗疲劳性强、承载力高、温度适应性较好、切削性能及经济性较好的材料。

  3）表面热处理：分为预备热处理和最终热处理两大类。预备热处理能改善丝杠切削性能、消除残余应力；最终热处理能大大的提升螺纹的表面硬度及耐磨性。目前，国内高转速、高承载的精密行星滚柱丝杠副精度及可靠性差是制约热处理发展的主要的因素；不当的热处理工艺会使行星滚柱丝杠副的寿命降低。

  4）磨削工艺：行星滚柱丝杠副承载能力较大，且其螺纹牙经过热处理后硬度较大，因此螺纹加工采用磨削方法。螺纹磨削利用砂轮替代车刀、铣刀来加工，因此磨削精度受磨削工艺参数、砂轮参数、磨削力与磨削热、磨削液的选用及数控磨床综合性能等因素的影响。

  国内企业起步较晚，正逐步向国外追赶：滚珠丝杠在国外起步早、发展快、技术成熟，欧美市场在高端滚珠丝杠制造领域占据垄断地位，并且大范围的应用到各下游领域；国内虽然起步较晚但发展迅速，市场规模迅速增加，同时国内大型生产企业技术逐渐提升，有望逐步实现国产替代。

  国产滚动功能部件行业通过多年一起努力与协作发展，一改之前经济型采用国产比例较大，中高档采用进口比例较大的局面，一方面，进口品牌已经延伸到经济型应用领域，国产品牌与进口品牌的采用比例接近；另一方面，国产品牌在中高端的应用比例明显提升，全面参与竞争；但在精度、寿命及可靠性和供货周期上还需不断的提高，同时在突破精度保持性及可靠性的技术基础上，稳定实现滚动功能部件高精度、高可靠性的规模化生产，也是重中之重。

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