本文旨在透過對絲杠的研究，探討其技術特點、市場現狀以及未來展望。
隨著科技的飛速發展以及人工智能領域的持續壯大，人形機器人憑借其在醫療、服務等多個領域的廣泛套用，逐漸成為工業界的最新亮點。為了進一步促進該行業的發展，各地政府紛紛出台政策，加大對人形機器人及其關鍵零部件的支持力度。在人形機器人中，行星滾柱絲杠是其重要精密傳動零部件，如特斯拉Optimus人形機器人直線關節總共選用 14 個行星滾柱絲杠。本文旨在透過對絲杠的研究，探討其技術特點、市場現狀以及未來展望。
圖：每台特斯拉Optimus包含14個絲杠
數據來源：特斯拉AI day
絲杠及其技術原理
1、絲杠的工作原理及分類
絲杠是將旋轉運動轉化為直線運動、或將直線運動轉化為旋轉運動的理想的產品，是工具機械和精密機械上最常用的傳動元件。絲杠的主要結構由絲桿與螺母構成，其主要功能為將旋轉運動轉化成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反復作用力。
絲杠的工作原理：當螺桿作為主動旋轉體時，螺母就會隨螺桿的轉動角度按照對應規格的導程將螺桿的旋轉運動轉化成直線運動，參與做功的工件可以透過與螺母連線，從而實作對應的直運動。螺桿的旋轉角度與螺母的直線移動量成正比，比例關系由螺桿的導程(螺紋的螺距)決定。反之，如果螺母作為主動件移動，也可以使螺桿旋轉，這樣直線運動就被轉換成了旋轉運動。
圖：絲杠的分類及工作原理
數據來源：融中研究整理
絲杠的分類：按其摩擦特性，絲杠可分為三類：滑動絲杠、捲動絲杠及靜壓絲杠。
1）滑動絲杠是最普通的絲杠機械，牙型多為梯形，又稱梯形螺紋絲杠。它沒有捲動體，靠滑動摩擦傳遞推力，結構簡單，制造方便，具有自鎖性，在機床上套用廣泛。它連續工作發熱嚴重，傳動效率較低（30-50%）。
2）按照捲動體的不同，捲動絲杠可進一步劃分為滾珠絲杠和行星滾柱絲杠兩類。目前特斯拉人形機器人主要使用的是行星滾柱絲杠，因此本文將重點介紹捲動絲杠。
3）靜壓絲杠需要增加一套供油/氣系統，透過在螺母和螺桿之間形成一層流體膜來實作無接觸或近乎無接觸的運動，大幅減少了摩擦和磨損，可以達到極高的定位精度，但其工藝復雜，加工非常困難，成本較高，套用較少。
表：不同絲杠類別對比
數據來源：融中研究整理
2、行星滾柱絲杠介紹
行星滾柱絲杠憑借其在效率、體積等方面獨特的優勢，成為人形機器人中的重要零部件，本文也將重點介紹行星滾柱絲杠。行星滾柱絲杠最早起源於1942年，一名瑞典的發明家Carl Bruno Strandgren（卡爾·布朗·斯特蘭德格連） 申請了第一個迴圈式滾柱絲杠的專利。但是由於結構復雜、加工難度大和成本較高的原因，最初的階段並未得到廣泛的套用。從70年代起，隨著武器裝備技術發展以及石油、化工、數控機床等對大推力、高精度、高效率、長壽命的需求提升，行星滾柱絲杠開始快速發展。
行星滾柱絲杠的結構與工作原理：行星滾柱絲杠依托絲桿和滾柱的旋轉帶動螺母做直線運動。行星滾柱絲杠的結構與滾珠絲杠較為類似，包括絲杠、行星滾柱、保持架、內齒輪和螺母等，其中捲動元件為行星滾柱而非滾珠絲杠中的滾珠。滾柱透過保持架均勻的分布在絲杠、螺母之間，為了防止滾柱相對於螺母發生軸向竄動的現象，保持架與螺母之間軸向方向相對固定，另外滾柱兩邊加工有直齒輪，目的是為了避免滾柱相對於螺母的滑動而產生零件偏斜現象。當絲杠旋轉時，滾柱透過與絲杠之間的螺紋嚙合一方面會沿著絲杠軸線方向作直線運動，另一方面會在絲杠、螺母之間作行星運動，而螺母則透過保持架使其與滾柱之間無相對軸向位移，因此螺母與滾柱保持著相同的軸向移動速度。
行星滾柱絲杠透過嚙合滾柱產生線接觸捲動摩擦，大幅增加絲杠傳動過程的接觸面和受力面，與以往用於精密傳動的滾珠絲杠相比，在傳動效率損失不大的前提下，又同時具備了高轉速、高載荷、高剛度、高範圍導程以及更小體積、更低噪音、更方便維護拆卸等特點。
圖：行星滾柱絲杠結構圖
數據來源：【行星滾柱絲杠電動缸套用現狀】
圖：行星滾柱絲杠工作原理圖示
數據來源：融中研究整理
相較滾珠絲杠，滾柱絲杠的具備承載能力強、體積小、壽命長等優點。
承載能力強：承載能力主要取決於捲動體之間接觸面的曲率半徑，接觸點數目以及接觸面硬度與光潔度。在相同接觸表面硬度、光潔度與精度的條件下，滾柱絲杠比滾珠絲杠具有更多的接觸點，滾柱接觸面的包絡圓曲率半徑亦遠大於滾珠絲杠鋼球的曲率半徑，這就決定了滾柱絲杠比普通的滾珠絲杠具有更高的承載能力。通常情況上，行星滾柱絲杠副軸向剛度比滾珠絲杠副大約50%。
體積小：在提供相同負載的情況下，行星滾柱絲杠的體積更小，有助於減少機械器材的總體尺寸，使得設計更為緊湊。相同高載荷情況下，行星滾柱絲杠體積比滾珠絲杠小1/3的空間。
長壽命：根據赫茲壓力定律，行星滾柱絲杠的壽命可達到滾珠絲杠的15倍，這意味著在相同工況下，行星滾柱絲杠的維護周期更長，可靠性更高。
行星滾柱絲杠的具體分類：根據其結構組成及運動關系的不同，可以分為5種類別，包括標準式行星滾柱絲杠、反向式行星滾柱絲杠、迴圈式行星滾柱絲杠、差動式行星滾柱絲杠、軸承環式行星滾柱絲杠，它們以各自獨特的結構特點及其優勢適用於不同的場合。特斯拉Optimus人形機器人中所使用的正是反向式行星滾柱絲杠。
表：行星滾柱絲杠的分類與結構特點
數據來源：【行星滾柱絲杠傳動精度分析與設計】
3、行星滾柱絲杠壁壘分析
行星滾柱絲杠副的技術壁壘主要體現在結構設計、工件材料、表面熱處理、加工工藝等方面。
（1）結構設計：行星滾柱絲杠的滾柱部份由螺紋和端部齒輪兩部份組成，在執行過程中同時存在螺紋嚙合和齒輪嚙合，因此二者參數匹配設計與建模比較復雜。此外，螺紋牙型參數對行星滾柱絲杠載荷分布有很大的影響，並且牙型參數需滿足螺紋牙強度準則以防止螺紋牙根位置發生斷裂；需滿足螺紋牙接觸屈服準則以保證螺紋牙的接觸處於彈性階段，不會發生不可恢復的塑性變形，以提高行星滾柱絲杠疲勞壽命。因此需註意行星滾柱絲杠螺紋牙型的設計。
圖：不同螺紋牙型
數據來源：金屬加工
（2）工件材料：行星滾柱絲杠副在工作時，絲杠、滾柱及螺母的螺紋滾道會受到連續性、周期性和頻繁的振動、沖擊及摩擦，導致絲杠副的溫度升高，且隨著轉速和承載的提高，溫升會顯著增大，最終導致滾道磨損、蠕變松弛、熱變形、疲勞、屈服等。因此，應選擇硬度高、耐磨性強、抗疲勞性強、承載力高、溫度適應力較好、切削效能及經濟性較好的材料。
國外行星滾柱絲杠的材料以合金結構鋼為主。根據Ewellix官網，其標準絲杠軸主要由經過預處理的50CrMo4(或42CrMo4)制成，透過感應進行表面硬化；螺母和滾柱采用進行了全面硬化的100Cr6軸承鋼。合金結構鋼具有優良的淬透性和強度，調質後有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。
國內行星滾柱絲杠的材料主要選用馬氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼。馬氏體不銹鋼的淬性較好，可透過淬火、回火等熱處理工藝進行強化，從而獲得較高的硬度、強度以及耐磨性，但是在韌性和耐蝕性方面普遍有短板。奧氏體不銹鋼具有較好的塑性、良好的耐腐蝕效能、抗氧化效能和優良的焊接效能，但強度相較其他鋼材較差。
（3）表面熱處理：分為預備熱處理和最終熱處理兩大類。預備熱處理可以改善絲杠切削效能、消除殘余應力；最終熱處理可以提高螺紋的表面硬度及耐磨性。由於技術器材落後、熱處理工藝參數選擇不當等原因，導致熱處理質素較差、熱處理後變形較大，行星滾柱絲杠副的主要損壞形式是接觸疲勞磨損，不當的熱處理工藝會使得其壽命降低。
表：行星滾柱絲杠不同部位熱處理方法
數據來源：【精密行星滾柱絲杠副工藝制造與傳動效能研究】
（4）磨削工藝：行星滾柱絲杠依靠零件間的螺紋嚙合實作傳動功能，螺紋的加工精度將直接影響系統的傳動精度、使用壽命、與平穩性，故最佳化螺紋的加工技術是提升行星滾柱絲杠整體效能的關鍵。目前，常用的絲杠螺紋加工方法有：滾壓、硬車削、旋風銑削和磨削，其中磨削加工精度最高，而冷軋、硬車削和旋風銑削多用於粗加工，因此，磨削是高精度絲杠螺紋的主要加工方法。
行星滾柱絲杠產業鏈
1、產業鏈概況分析
行星滾柱絲杠產業鏈由三大環節組成：上遊原材料與零部件供應、中遊行星滾柱絲杠的專業制造，以及下遊多元化的套用領域。
在上遊環節，產業鏈聚焦於高質素原材料的供應與關鍵零部件的精密制造。絲杠多采用合金結構鋼，而螺母與滾柱則優選高碳鉻軸承鋼。螺母等核心零部件的加工工藝則需要高度專業化的技術與器材支持。
產業鏈中遊是行星滾柱絲杠產業鏈的核心，透過先進的生產技術和嚴格的質素控制體系，將上遊的原材料與零部件轉化為高精度、高效能的行星滾柱絲杠產品，為下遊套用提供了關鍵的動力傳輸與定位解決方案。
下遊套用領域廣泛，從傳統的汽車制造、石油天然氣開采，到前沿的醫療器械、光學儀器，再到蓬勃發展的工程機械、機器人、自動化生產線及高端機床器材，行星滾柱絲杠憑借其優秀的傳動效能與穩定性，成為了眾多行業不可或缺的關鍵部件。
圖：行星滾柱絲杠產業鏈圖譜
數據來源：融中研究整理
表：行星滾柱絲杠在典型行業套用
數據來源：【E公司滾柱絲杠產品行銷策略研究】
2、行星滾柱絲杠在人形機器人中的運用
行星滾柱絲杠是人形機器人中線性執行器的重要部件。結構上，人形機器人一般可拆分為執行系統、感知系統和其他。其中，執行系統由線性執行器、旋轉執行器、靈巧手三部份組成。線性執行器是沿著直線移動物體，主要用於人形機器人的腕、肘、膝和踝等關節。特斯拉人形機器人的線性執行器主要由無框力矩電機、行星滾柱絲杠、力傳感器、編碼器、驅動器等組成。
圖：特斯拉Optimus 直線關節拆解
數據來源：特斯拉機器人2022 AI Day
特斯拉Optimus 直線關節使用的是反向式行星滾柱絲杠，滿足高承載、小體積需求。相同絲杠直徑下，反向式行星滾柱絲杠同滾珠絲杠比較具有更高的承載、更高的精度；而與標準式行星滾柱絲杠相比，反向式行星滾柱絲杠體積更小。目前，Optimus在肘部、手腕、髖部、膝蓋、腳踝共計使用14個反向式行星滾柱絲杠。在價值占比方面未有官方數據，但根據我們對其各部位拆解對比，行星滾柱絲杠在整個人形機器人中占比約為8%-10%，是目前人形機器人關鍵的降本環節。
行星滾柱絲杠市場規模
全球行星滾柱絲杠市場規模為十億美元級別市場。全球範圍來看，滾柱絲杠廣泛套用於汽車、數控機床等行業，根據DATAINTELO數據，2022年全球行星滾柱絲杠市場規模為12.7億美元，依據2022年底美元兌人民幣匯率為6.91，計算得行星滾柱絲杠2022年全球市場規模87.8億人民幣。同時，2018-2022年間市場規模復合增速為4.5%。本文認為行星滾柱絲杠在承載、剛度、精度、小型化方面均具備有利競爭，疊加在當前工業自動化和高端裝備制造業的需求拉動，在不考慮人形機器人帶來的增量情況下，2023——2030年行業市場規模能夠保持4.5%的復合增長。
圖：行星滾柱絲杠市場規模及預測（億元）（註：不考慮人形機器人增量）
數據來源：DATAINTELO，融中研究整理
測算人形機器人領域未來能為行星滾柱絲杠帶來的增量，本文考慮如下假設：
（1）目前，人工智能的快速發展解決了機器人不智能、沒場景兩個核心難點，而人形機器人的硬件端也在快速叠代，國內產業鏈的布局有利於快速降本，從而為人形機器人的普及奠定基礎。本文認為人形機器人市場增長將分為三個階段，第一階段：2024-2026年，主要由政策和資本驅動，預計企業將會逐漸進入人形機器人批次生產期，前三年商業套用場景落地預期以滿足工業市場非結構化需求為主，實作對於傳統工業生產線的補充，該階段預計人形機器人銷量復合增長率約為50%；第二階段：2027-2030年，供應鏈持續降本增效、技術持續突破，人形機器人會逐漸向著潛在的家用、服務市場領域擴散、普及，場景套用潛力不斷挖掘，該階段預計人形機器人銷量復合增長率約為100%；第三階段：2030年之後，養老、情感、陪伴、軍事場景需求將成為人形機器人增長的主要推動力，市場會因此呈現長期波動上行態勢，該階段預計人形機器人銷量復合增長率約為20%。
（2）從價格角度看，人形機器人逐步放量能開啟行星滾柱絲杠市場天花板，使用量提高攤低制造成本的同時，也可能帶來未來產業入局者的增加並進一步壓低產品價格。假設在當前人形機器人銷量1萬台情況下單根行星滾柱絲杠的價格約2000元；預期在2029年人形機器人銷量達18萬台時，單根行星滾柱絲杠的價格約下降到1500元；2032年人形機器人銷量達50萬台時，單根行星滾柱絲杠的價格約下降到1200元。
（3）假設單台人形機器人的行星滾柱絲杠用量與現在保持一致，即14個。
從測算結果看，2027年開始人形機器人領域帶來的行星滾柱絲杠市場規模增量就將達到十億元級；2030年開始人形機器人領域帶來的行星滾柱絲杠市場規模增量將超過其他領域市場規模之和的60%以上。
表：人形機器人帶來的行星滾柱絲杠市場規模增量測算
數據來源：融中研究整理
圖：考慮人形機器人增量後的行星滾柱絲杠市場規模及測算（億元）
數據來源：融中研究整理
行星滾柱絲杠競爭格局
在加工難度高的行星滾柱絲杠市場，外資品牌處於主導地位。GSA、Ewellix、Rollvis、Rexroth等國外企業代表滾柱絲杠制造一流水平，GSA和Rollvis各占據26%的市場份額，其次是Ewellix和Rexroth分別占據14%、12%市場份額，CR4為78%。南京工藝和博特精工作為國內滾柱絲杠企業各占據8%市場份額。
圖：行星滾柱絲杠中國市場競爭格局
數據來源：【E公司滾柱絲杠產品行銷策略研究】
國外主要參與者介紹：
瑞士GSA：GSA公司成立於1982年，基於GZ公司幾十年螺紋加工方面的經驗（GZ公司成立於1932年），致力於行星滾珠絲杠生產。產品型號齊全，包括滾柱非迴圈式、滾柱迴圈式、反轉行星滾柱絲杠。導程精度等級從KL5至KL10(G1-G3)。GSA公司本身為德國舍弗勒Schaeffler集團優秀的供應商且有控股，2016年由GSA公司牽頭於2016年對瑞士rollvis公司實作完全收購，至此GSA公司擁有了ROLLVIS品牌，和旗下代理公司LTK，美國3家，英國2家代理商的合作權。其產品主要銷售到航空航天、軍工器材以及鋼鐵冶金等行業中，也在嘗試開發一般工業領域的套用。
瑞士ROLLVIS公司：成立於1970年，總部位於瑞士日內瓦，專註於行星絲杠；產品包括四大系列滾柱絲杠，RV、RVR、RVI、RVD，型號齊全；公司可以提供直徑範圍從5mm至245mm，導程範圍從0.1mm至50mm的幾乎全系列研磨級高精度產品。Rollvis為航空保密認證單位，產品主要套用於航空航天、軍工器材、鋼鐵冶金等領域，近年來也面向普通工業套用如電動缸等提供批次化供貨。2016年，被瑞士GSA收購。
瑞典Ewellix公司：Ewellix成立於五十多年前，前身為斯凱孚（SKF）線性技術部門「SKF運動技術」，是一家線性解決方案公司，是裝配自動化、醫療套用和移動機械領域直線運動和驅動解決方案的全球創新者和制造商。EWELLIX在全球設有16個銷售辦事處和250個工廠。外部凈銷售額約為1.25億歐。2023年1月，德國舍弗勒集團完成對Ewellix的收購。
德國Rexroth：公司和品牌隸屬於博世力士樂集團，是一家主要生產液壓系統、減速機、電控技術以及機電一體化產品的大型工業品公司。線上性傳動技術領域，Rexroth 提供直線導軌、滾珠和滾柱絲杠、電動缸和直線運動模組等產品，其滾柱絲杠產品是在近 10 年內推出的新產品，采用軋制成型技術以滿足追求更高經濟性的客戶需求，但在有高精度和高壽命要求的場景下無法使用產品主要銷售到一般工業領域中，尤其在註塑機和伺服壓力機械等套用中業務成長速度快。
國內主要參與者介紹：
南京工藝：南京工藝建立於1952年，是南京新工投資集團有限責任公司控股子企業，是國家火炬計劃重點高新技術企業，工信部授予的制造業單項冠軍培育企業。公司主營以滾珠絲杠副、捲動導軌副為代表的捲動功能部件，產品廣泛套用於高檔數控機床、人工智能、3C自動化、國防軍工等領域，是高端數控裝備智能制造的核心零部件。目前，南京工藝行星滾柱絲杠副在淬火後的硬度可 達 HRC58 以上，主要套用於伺服電動缸。
博特精工：山東博特精工股份有限公司其前身是山東濟寧絲杠廠，始建於一九六六年，國家高新技術企業，國內捲動功能部件骨幹專業化生產廠。50多年來，公司一直致力於捲動功能部件的研究與生產，是中國捲動功能部件標準(滾珠絲杠副、直線導軌副)主要起草單位，國家高速主軸標準主要起草單位，國家滾珠絲杠副標準工作群組組長單位，中國機床工具工業協會副理事長單位。21世紀初，公司先後成功開發了行星滾柱絲杠副、多載滾珠絲杠副、高速機械主軸、電主軸等新產品。
圖：博特精工BT-GZXS行星滾柱絲杠
數據來源：博特精工官網
新劍傳動：新劍傳動主營業務是為半導體通訊、電腦、電子、汽車、工程機械、人機協作及服務機器人等行業提供蝸輪、蝸桿傳動部件和精密零部件產品。公司與國內外多家研究機構成為戰略夥伴關系，並成立研發中心及新劍傳動（上海）聯合研發實驗室分部，研發方向為機械傳動技術和人工智能套用整合技術。目前公司絲杠產品汽車領域客戶包括吉利、理想、華為、一汽等；機器人合作夥伴包括小米、小鵬、智元機器人、科沃斯機器人等。
公司行星滾柱絲杠產線於2022年3月批次化生產，目前已具備350萬套的批次化生產能力。2022年行星滾柱絲杠電動缸產線系列產品銷售收入為2,367.8萬元，同比增長100%，毛利率可達33.5%。目前公司的滾珠絲杠、行星滾柱絲杠產品已經成功套用於汽車底盤EMB制動系統和人形機器人線形驅動。
圖：新劍傳動已布局多種型號行星滾柱絲杠
數據來源：新劍傳動官網
貝斯特：貝斯特深耕精密零部件和智能裝備及工裝產品的研發、生產及銷售，具備精密零部件加工領域形成的技術優勢及自動化生產線的柔性加工能力。公司充分發揮「精密加工為特長、鑄造產業為支撐、智能裝備為驅動」的產業聯動發展的核心有利競爭，高舉高打全面布局直線捲動功能部件，匯入「工業母機」新賽道。公司具備車削制造-微米級公差零件的大批次的生產能力，高精度加工方面有深厚沈澱。
2022年，子公司宇華精機成立，承載高端裝備核心捲動功能部件專案，主要包括高精度滾珠絲杠副、高精度捲動導軌副等產品制造。宇華精機捲動功能部件產品2023上半年已經完成送樣。目前，該專案已獲國家專項資金支持，總投資12億元，利用4.5萬平方米廠房，引進生產及檢測器材279台（其中研發器材70台），配套軟件及系統29套、公輔設施5套。達產後，具備年產15萬套高精度滾珠絲杠副以及24.8萬米高精度捲動導軌副部件的生產能力，年產值達15億元。截至2023年4月，部份進口器材已運抵車間，正在進行器材安裝偵錯，其余器材正陸續采購中。2023年上半年宇華精機已經成功完成了高精度滾珠絲杠副、直線導軌副等產品的首台套下線，並已將部份產品送樣至戰略客戶處進行驗證。
從各家產品綜合對比看，國內廠家產品型號規格非常齊全，效能上處於領先地位。
表：部份廠家行星滾柱絲杠參數效能比較
數據來源：各公司官網，融中研究整理
國內眾多知名機構也紛紛入局，參與了對於行星滾柱絲杠板塊的投資。例如，上海亨升投資是南京工藝的第三大股東，占股6.5%；邁瑞醫療旗下投資公司參與了鼎智科技的定增，邁瑞也是鼎智科技前十大股東之一；國開發展基金、山東省現代產投兩家機構在博特精工占股接近20%；浙江省創投集團擁有新劍傳動2%的股份，其旗下浙創啟晨投資新劍傳動4%的股份；無錫市鑫石投資、全國社保基金也均是貝斯特的前十大股東。隨著市場需求的拉動，國內行星滾柱絲杠產業有望迎來顯著增長，國內眾多投資機構也將受益。
結語-行星滾柱絲杠成長空間開啟，國內企業迎頭追趕
伴隨著將來人形機器人產品趨於成熟，疊加端到端AI大模型賦能，功能性、實用性兼顧，人形機器人有望成為「繼電腦、智能電話、新能源汽車後的顛覆性產品」。行星滾柱絲杠是人形機器人產業鏈的重要環節，成長空間也將得到極大的擴充套件。由於行星滾柱絲杠制造壁壘高，當前國內市場主要由外企占據，但內資企業正迎頭追趕，產品效能與國外的差距在逐步減小，國產替代前景可期。在可預見的未來，本文認為行星滾柱絲杠將成為人形機器人賽道的重要細分投資賽道。
