絲桿行業概述

一、絲桿的定義和特性

絲杠是一種機械傳動元件，通常用于將旋轉運動轉換為線性運動。它主要由絲杠和螺母兩部分組成。絲杠是一種具有螺紋母線的長條狀零件，而螺母則是一種外部具有螺紋母線的零件。螺母可以通過轉動絲杠來移動沿絲杠的方向。絲杠具有多種特點，使其在機械傳動中被廣泛應用：

1）較小的滑動摩擦系數：絲杠和螺母之間的滑動摩擦系數相對較小，從而確保線性運動的平順性和精度。由于滑動摩擦系數很小，因此可以更輕松地將螺母沿著絲杠移動，從而減少對電機或手搖輪的功率需求。

2）高效率：絲杠的傳動效率高，因為它將旋轉運動轉換為線性運動并消耗較少的能量。絲杠的高效率可以使機械傳動更加穩定和可靠。

3）長壽命：絲杠的操作和使用壽命長，因為它們采用鋼或其他堅固的金屬制造而成。絲杠的堅固和耐用性可以減少設備故障和維修成本。

4）可逆轉：絲杠的方向可以自由調整，從而讓設備可以適應不同的操作需求。絲杠的可逆性使其可以在不改變傳動系統的前提下靈活適應不同的應用

5）易于控制：絲杠的控制非常簡單，因為它們可以通過電機或手動輪控制。這種控制程序可以通過編程或其他電子手段自動化，從而進一步提高設備的生產效率和精度。

二、絲桿的分類和區別

絲杠作為一種機械傳動元件，主要用于將旋轉運動轉換為直線運動。已被廣泛應用于各種生產過程中，由于其具有低滑動摩擦系數、高效率、長壽命、可逆和易于控制等優點，因此是非常理想的傳動元件之一。現今，絲杠在機場、軌道交通系統、自動化設備、機器人、制造系統等行業中得到廣泛的應用。

絲杠按摩擦特性可分為滑動絲杠、滾動絲杠及靜壓絲杠。

1）滑動絲杠：結構簡單，制造方便，牙型多為梯形。滑動絲杠具有成本低、承載力大、結構簡單，同時能結合具體要求進行結構調整，被廣泛用于普通機床的進給傳動、分度機構和一般機械的絲杠傳動。而缺點也較為明顯，滑動絲杠傳動效率較低、定位精度和軸向剛度較差，摩擦力較大使其發熱量大（長時間用時需冷卻），對應的較大磨損導致使用壽命縮短。

2）靜壓絲杠分為液體靜壓絲杠與氣體靜壓絲杠兩種類別。

• 液體靜壓絲杠具有良好的減震性與定位精度等優勢，缺點主要是裝置大而多、容易造成環境污染、供應商少和價格較高。

• 氣體靜壓絲杠裝置簡單，且對環境友好，但與液體靜壓絲杠相對比，其剛度和承載能力相對較弱。

3）滾珠絲杠一般由螺桿、螺母、鋼球（滾珠）、預壓片、反向器、防塵器等六個部分組成。由于將滾珠置入螺母與絲杠之間以滾動摩擦取代滑動摩擦，摩擦阻力較小，能解決粘滑現象；滾珠絲杠傳動效率一般能達到90%-96%，約為滑動絲杠的2-4倍，改善滑動絲杠定位精度低及損耗高的情況。受益于摩擦系數小、效率高、精度高等優點，滾珠絲杠廣泛應用于機床、汽車等行業。

滾珠絲杠載荷傳遞元件是滾珠，以多個滾珠接觸點來支撐負載。按照滾珠循環方式可對滾珠絲杠分為內循環和外循環兩個類型。

• 內循環為滾珠在循環過程中始終不脫離絲杠表面的循環方式。

• 外循環為滾珠循環過程中脫離絲杠螺紋滾道，從而在螺母體內或體外循環。簡而言之，內外循環以在循環過程中是否脫離或接觸絲杠表面為判斷依據。內循環滾珠絲杠尺寸一般來說小于外循環滾珠絲杠，適合于空間比較緊湊的場景；同時其需要反向器固定相對來說比較牢靠、剛性好且不易損壞。而外循環滾珠絲杠適用于需要扛沖能力大、高負載絲杠的使用場景。

4）行星滾柱絲杠是一種低摩擦式精密絲杠式傳動裝置，將旋轉運動轉換為直線運動或反之亦然的機械裝置。在相同體積情況下，行星滾柱絲杠接觸面積更大，能將承載力平均分散，從而減小摩擦力并延長使用壽命，同時能承受更高的輸入轉速從而實現更大的直線速度，可適用于高精度、高速、重型、耐用和重度使用的場景。由于其性能原因，行星滾柱絲杠制造工藝相對復雜，成本相對較高。

根據行星滾柱絲杠結構組成和零件相對運動關系的不同，主要分為5種結構形式，分別為標準式、反向式、循環式、軸承環式、差動式。其中，特斯拉擎天柱使用的為反向式行星滾柱絲杠。

從結構上滾珠絲杠和行星滾柱絲杠類似，性能方面行星滾柱絲杠優勢較為明顯。在承載能力及壽命方面，滾珠絲杠載荷傳遞元件是滾珠，而行星滾柱絲杠載荷傳遞元件是螺紋滾柱，線接觸能夠在相同條件下提供更高的承載能力。同時行星滾柱絲杠在設計上能提供更高剛度，保持較好的抗沖性能。此外，行星滾柱絲杠的壽命最高可為滾珠絲杠的15倍，在相同工況下，行星滾柱絲杠的維護周期更長。在導程和空間方面，行星滾柱絲杠可設計更小的導程，且導程可為整數或小數，能實現更精細化的控制。在相同負載條件下，行星滾柱絲杠的體積更小，有助于減少機械設備的總體尺寸。在速度方面，行星滾柱絲杠可實現更高速旋轉，對需要快速響應的場景非常重要。

三、精度為絲杠性能關鍵指標之一

根據國際標準化組織（ISO）、德國工業標準（DIN)、日本工業標準（JIS）規定，行星滾柱絲杠和滾珠絲杠的精度等級劃分大致相同，主要通過絲杠任意300mm長度的導程誤差分類。其中，ISO和DIN將精度等級均劃分為6類（C0、C1、C3、C5、C7、C10），兩種標準除C0外其他等級劃分基本相同。國內滾珠絲杠的精度等級分為7類(P1、P2、P3、P4、P5、T7、T10)，1-10精度依次遞減，數字越小代表精度越高。

對絲杠的精度要求相對較低的應用領域為智能家居、電動工具等消費類領域，目前主要使用梯形絲杠和中低端滾珠絲杠為主。一般來說，工業機械設備對絲杠精度有一定要求，不同類型設備對精度的要求不同。通用機械或普通數控機械選C7或以下，高精度數控機械選C5(±0.018)以上C3(±0.008)以下，光學或檢測機械選C3以上。機器人機械手臂(精密級)精度要求在C1-C4級，機床高精度磨床要求在C0-C2級。

四、絲杠生產技術壁壘

目前來看，生產高精度絲杠主要三大壁壘為原材料、工藝流程、生產設備。

原材料：絲杠在反復運動過程中會受到連續振動、沖擊和摩擦，對于材料的強度、剛性、耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞性、承載力等方面均有一定要求。絲杠的原材料會根據不同工作環境、精度、負載等要求存在一定的區別，常見材料有滲碳鋼、硬化不銹鋼、非合金(碳素)結構鋼、低合金工具鋼、軸承鋼等。稀有元素鉻/鉬的元素配比及加工工藝等因素將影響材料的穩定性、熔點和剛度等性能。根據《國產鉻/鉬鋼滾珠絲杠與國外同類產品的質量分析》，帶狀組織會降低鋼的力學性能、切削性能、淬透性，使零件淬火變形傾向增大，降低強韌性。國產絲杠產品中的帶狀偏析組織導致絲杠性能不佳，為國內絲杠產品與國外產品存在一定差距的重要因素之一。

工藝流程：絲杠軸的加工技術分為冷軋和研磨兩種，冷軋法的退火工藝和研磨法的螺紋切割為加工難點。冷軋法效率高、精度低，螺紋一次成型，無需后續的切削加工，可以批量制造，成本較低，通常精度等級在C9至C5。研磨法效率低、精度高，首先需通過切削加工形成粗螺紋，隨后使用精密研磨工藝提高螺紋的精度，可實現C9至C0的精度跨度。相比之下，研磨法工藝復雜、交貨期較長、成本相對較高。此外，熱處理也是工藝流程中核心要素之一，可以改善絲杠材料性能、切割性能等。落后的設備、熱處理工藝參數不同都會導致熱處理結果差異，從而影響行星滾柱絲杠使用壽命。

生產設備：磨床是絲杠加工的核心技術壁壘，決定絲杠的加工精度和效率。磨床的精度直接影響絲杠的軸向精度、徑向精度以及整體的運動平穩性。目前，國內高端磨床制造商相對較少，在精度、穩定性等方面與全球領先企業仍有差距。根據GGII，國產磨床能滿足C3-C4精度的中端絲杠加工，如需批量加工高端絲杠(C0-C2)會存在出品不穩定情況。

人形機器人絲杠作為機器人線性驅動的關鍵組件，主要實現旋轉與直線運動的轉換。其應用于關節驅動和運動控制，如手臂、腿部以及靈巧手等，是實現精準移動和穩定支撐的重要部件。絲杠傳動剛性傳動主流方案，具備高精度、高負載等優勢。

從設計結構角度來看，滑動絲杠多為梯形絲杠，工藝簡單且成本較低，但傳動效率低、精度不高。

一、滾珠絲桿人形機器人中的應用

滾珠絲杠由絲杠軸、螺母（含滾珠）、軸承和密封件構成，以滾珠滾動摩擦替代滑動摩擦，傳動效率高、導程精度高。絲杠軸、螺母和端蓋上都制有圓弧形螺旋槽，將套裝在一起時，這些槽對合起來就形成了螺旋通道，滾珠能夠在通道內循環滾動。

特斯拉二代靈巧手方案采用微型滾珠絲杠，實現手部高靈活度和強負載能力。微型滾珠絲杠將電機的旋轉運動轉化為直線運動，從而驅動手指關節實現彎曲和伸展。

二、滾珠絲桿產業鏈

滾珠絲杠行業的產業鏈結構主要為上游的原材料和零部件（鋼鐵、絲桿、螺母和滾珠等），中游的滾珠絲杠生產制造商，下游的應用領域包括數控機床、注塑機、機械工業等行業。上游的原材料質量直接影響到滾珠絲杠的性能和精度，而下游的應用領域則決定滾珠絲杠的市場需求量和發展方向。

下游領域拓展推動行業動空間提升，機床高端化轉型促進行業技術升級：具體來看，國內數控機床、機器人生產線、航天航空與軍工領域對滾珠絲杠需求較大，隨著下游領域持續拓展，有望推動滾珠絲杠市場空間進一步提升。作為滾珠絲杠需求最大領域，我國機床產量提升不僅擴大滾珠絲杠用量需求，同時隨著國內機床技術高端化轉型，有望推動行業技術升級，以滿足高端機床所需求的高精度、高穩定性和耐用性需求。2024年1-11月中國金屬切削機床、金屬成形機床累計產量分別為611890臺、144000臺，分別同比增長1.81%、5.88%。

三、滾珠絲桿市場

國內滾珠絲杠市場供需缺口明顯，價格呈下降趨勢。從國內市場供需情況來看，國內滾珠絲杠需求量高于產量，供需缺口相對明顯。根據觀研天下、華經產業研究院統計，2023年滾珠絲杠產量為1121萬套，需求量為1687萬套，其缺口為566萬套，同比增長24.40%。價格方面，根據觀研天下數據，國內滾珠絲杠價格從2014年的225元/套下降至2022年的180元/套，年復合降幅為-2.75%。隨著行業競爭加劇，國內產品走向國際舞臺，海外企業進入中低端產品市場，疊加技術更新迭代等多方面因素推動，未來滾珠絲杠價格將呈持續下降態勢。

根據華經產業研究院數據，中國大陸廠商在國內滾珠絲杠中低端市場已有突破，高端市場國產化率仍有巨大上升空間。中國大陸廠商在國內中端滾珠絲杠市場份額為30%、高端產品市場份額5%。德國力士樂，日本THK、NSK等海外企業在我國中端滾珠絲杠市場份額為30%，高端產品市場份額為90%。

四、行星滾柱絲杠在人形機器人中的應用

相較于滾珠絲杠傳動方案，行星滾柱絲杠具有承載力、體積和精度等綜合優勢，非常契合在空間緊湊的人形機器人上應用。行星滾柱絲杠由于高數量接觸點，能夠承受更高的靜載和動載，靜載為滾珠絲杠的3倍，壽命為滾珠絲杠的15倍，同載荷下體積比滾珠絲杠小1/3。核心結構包括絲杠、滾柱、螺母、內齒圈、保持架和彈性擋圈。運動模式類似行星繞太陽，精度最高，但降本訴求迫切。

通過驅動螺母帶動絲杠軸向運動（螺母作為主動件），可以理解成將螺母作為電機轉子實現電機和直線傳動機構（絲杠）融合的復合產品，好處就是在同等扭矩的基礎上可以產生更大的負載，同時體積更小。

行星滾柱絲杠中反向式行星滾柱絲杠在人形機器人中應用較為廣泛。反向式行星滾柱絲杠結構緊湊、重量更小，但加工要求更高。

特斯拉人形機器人Optimus主要采用反向式行星滾柱絲杠，每個線性執行器中都搭載了一個行星滾柱絲杠，總共使用了14根反向式行星滾柱絲杠，分別用于大臂（2個）、小臂（4個）、大腿（4個）和小腿（4個）。

特斯拉Optimus行星滾柱絲杠分布圖：

五、行星滾柱絲桿產業鏈

行星滾柱絲杠產業鏈構成主要為上游的原材料與零部件，行星滾柱絲杠中絲杠選用的材料多為合金結構鋼，螺母和滾柱選用的材料為高碳鉻軸承鋼;零部件包括絲杠、螺母等關鍵部件。中游的行星滾柱絲杠制造，下游的應用領域涵蓋多個行業，包括機器人、石油天然氣、醫療器械、機床設備、汽車等行業。

六、行星滾珠絲桿市場

中國行星滾柱絲杠市場規模相對較小，較為依賴進口。與滾珠絲杠產品相比，行星滾柱絲杠的制造廠商相對較少，而國內每個品牌產品的特性與所在細分市場也有所不同。目標市場的分散導致在目前為數不多的行星滾柱絲杠廠商難以形成協

同效應，較難提高產品供給，無法快速提升市場規模。根據Persistence Market Research、DATAINTELO、前瞻產業研究院數據，2022年中國行星滾柱絲杠市場規模為4.40億元，占全球市場規模的5.00%。根據Persistence Market Research、DATAINTELO預計，2028年我國行星滾柱絲杠行業市場規模將達6.70億元，2023-2028年復合增長率為7.50%。目前，行星滾柱絲杠產能主要集中在歐洲、美國等，國內品牌起步較晚，規模較小，國內市場主要依賴進口。國產品牌以南京工藝和博特精工為代表，主要應用于機床裝備。

人形機器人打開行星滾柱絲杠行業市場空間。從人形機器人角度來看，特斯拉擎天柱使用的是反向式行星滾柱絲杠，滿足高承載、小體積等方面要求。相同絲杠直徑下，與滾珠絲杠相比，反向式行星滾柱絲杠具有更高的承載、更高的精度；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。根據Morgan Stanley，預計特斯拉擎天柱二代（按零部件分類）傳感器、電機、絲杠、減速器的成本占比分別為37.00%、20.30%、20.20%、12.60%，共占總成本的90.00%。根據GGII預測，2030年全球及中國人形機器人市場規模分別為200億美元、50億美元。根據上述市場規模結合成本占比計算，預計2030年全球和中國人形機器人用行星滾柱絲杠市場規模分別約為40.40億美元、10.10億美元。

目前，特斯拉人形機器人在肘部、手腕、髖部、膝蓋、腳踝預計共使用10-14個反向式行星滾柱絲杠。根據前瞻產業研究院預測，假設人形機器人（以特斯拉人形機器人為代表）使用14個行星滾柱絲杠，考慮規模生產、技術更新迭代等因素，均價逐年下降，預計人形機器人年產量為5萬臺、100萬臺、500萬臺全球行星滾柱絲杠市場規模分別為16.25億元、171.36億元、667.80億元。

特斯拉人形機器人用行星滾柱絲杠市場規模測算：我們假設特斯拉人形機器人單機所需行星滾柱杠為14個，均價從2026年的6060美元下降至2030年的1079美元（每年下降25%），預計2030年特斯拉人形機器人用行星滾柱絲杠市場規模將為289.91億美元，2026-2030年復合增長率為83.71%。

當前全球行星滾柱絲杠格局較為集中，海外龍頭企業占據了在高端行星滾柱絲杠領域的主導地位。市占率較高的廠商包括瑞士GSA、瑞士Rollvis、瑞典Ewellix、博世力士樂、美國CMC、日本THK等。特斯拉形機器人Optimus反式行星滾柱絲杠使用的是瑞士GSA制造的RGTI12.8行星滾柱絲杠。

國內絲杠老牌企業包括新劍傳動、南京工藝、博特精工、漢江機床等率先布局，在客戶資源和技術實力積累等維度方面有先發優勢。新劍傳動在官網上展示了在人形機器人上同特斯拉Optimus類似的絲杠選型應用。24年12月，新劍傳動年產100萬臺人形機器人及汽車行星滾柱絲杠產業化項目開工，成為全球第一家公布大規模量產的企業；南京工藝有國內規格最全的精密滾動功能部件產業化基地。

隨著人形機器人的放量節奏加快，國內主營汽零、機械、工控等業務的廠商依托同源性工藝也縱向拓展絲杠業務。近年來，國內廠商貝斯特、北特科技、恒立液壓、雙林股份、震裕科技、鼎智科技、禾川科技、秦川機床、浙海德曼等廠商積極布局絲杠業務。

此外，絲杠與軸承在生產工藝上存在諸多相似之處，尤其是磨制和熱處理等核心難點工藝，二者協同性較強。國內代表企業為五洲新春、長盛軸承、斯菱股份、金沃股份等橫向對比海外供應商SKF、NSK等軸承龍頭均在絲杠領域具備市場競爭力。

此外，在靈巧手微型絲杠領域，雙林股份、浙江榮泰、雷迪克、五洲新春等廠商都有所布局。

參考文獻：

*樂晴智庫精選-人形機器人關鍵設備：絲杠設備全景解析

*謝少威，高技術壁壘核心部件，有望迎來百億級別市場空間-機器人系列報告（四）之絲杠，東莞證券，2024.12.30

*李哲、邵將、羅松、郭雨蒙，絲杠導軌：高精度傳動部件，人形打開行業空間，民生證券，2023.08

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