通用设备行业报告：人形机器人-丝杠精密仪器传动之冠

发布者：清水有龍 2023-7-28 17:04

报告出品方：广发证券

以下为报告原文节选

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一、丝杠导轨：应用广泛的机械传动系统部件

（一）丝杠与直线导轨：“旋动转直动”关键零部件

丝杠是工程机械和精密机械上最常使用的传动部件。丝杠的主要结构由丝杆与螺母构成，其主要功能为将旋转运动转化成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力。
其原理为当丝杠作为主动体时，螺母随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化为直线运动。被动工件可通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。
滚柱丝杠具有高传动效率与高精度的特点，在多数场景下已基本替代传统梯形丝杆。
常用的螺纹丝杠可分为三角螺纹丝杠、梯形螺纹丝杠、滚珠丝杠及行星滚柱丝杠。
（1）三角螺纹丝杠：三角牙丝杠其牙型类似于三角形顶部为尖状，是各类简易螺丝最常用的牙型，其加工便当、制作简略，市场上有较多标准件出售。
（2）梯形螺纹丝杠：梯形螺纹丝杠的牙型为等腰梯形，上窄下宽。加工相对简略，可以依据牙的深浅来调理螺母和丝杆的松紧度。表里螺纹以锥面贴紧不易松动，工艺较好，牙根强度高，对中性好。梯形丝杆的传动效率大约为26-46%。
（3）滚珠螺纹丝杠：其丝杆和螺母之间选用滚珠翻滚的方式来进行传动，可通过替换滚珠的方式来消除丝杠和螺母之间的空地。故传动功率高，精度高，静音作用好。现已广泛的应用于各种自动化设备，机床等。一般环境下已大部分替代了梯形丝杠，其传动效率约为90-96%。
（4）行星滚柱丝杠：标准行星滚柱丝杠主要由丝杠、滚柱、螺母、直齿、内齿圈、滚柱保持架和弹簧挡圈等组成，其综合了行星齿轮传动、谐波齿轮传动、滚珠丝杆、滚针轴承等机构的优点。通过在主丝杠周围布置若干行星螺纹滚柱,大幅增加丝杠传动过程的接触面和受力面,从而具备了“高承载、高效率、高精度、高可靠性”等优点。在丝杠转速、接触角与螺旋升角较为理想的状态下，行星滚柱丝杠传动效率可达到90%以上。
其中三角螺纹丝杠与梯形丝杠生产技术相对较为简单，已基本实现完全国产化。滚珠丝杠发展起步相对较早，低端滚珠丝杠国产化率已达到相对较高水平。但目前国内在中高端滚珠丝杠及行星滚柱丝杠的国产化率相对较低，未来发展空间较大。

直线导轨结构简单稳定，大量运用于机械加工过程中。直线导轨在机械加工中比较常用，其由钢珠在滑块跟导轨之间无限滚动循环，从而使负载平台沿着导轨轻易的高精度线性运动。依按摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨等种类。直线导轨下游应用广泛，主要包括数控机床、医疗器械、自动化生产线等领域。

（二）滚珠丝杠：高精度的精密传动零部件，下游应用广泛

滚珠丝杠是机电一体化中将旋转运动转换成线性运动，或将直线运动转化为回转运动的理想产品。滚珠丝杠副（广义上，滚珠丝杠，等同于滚珠丝杠副）由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器和防尘器组成，其将轴承从滑动动作转变成滚动动作。由于其具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。

滚珠丝杠副中滚珠的循环方式可分为“内循环”和“外循环”两种。始终与丝杠保持接触的称为内循环，内循环方式的优点为其滚柱循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小，不足之处为内循环结构中的反向器加工困难、装配调整也较复杂。外循环结构下滚珠有时会与丝杠脱离接触，此种结构下加工工艺较为简单，且螺母径向尺寸大，易于制造。但其滚珠循环回路长，流畅性差，效率低。

滚珠丝杆较常规螺纹丝杆有较多优势，被广泛应用于各产业机械的定位精度控制上，如精密机床、电子机械、输送机械等。滚珠丝杆副在实际运用过程中有以下特点：（1）传动效率高，摩擦损失小：传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副传动效率n=0.92~0.96，比常规的丝杠螺母副提高3~4倍。因此，功率消耗只相当于常规的丝杠螺母副的1/4~1/3。

（2）传动精度、定位精度高，无爬行现象，运动平稳。最高精度可达到C0（螺杆长度的导程误差在100mm之内，精度等级在3.53um以内）。
（3）能够预紧。给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时可消除空行程死区，提高接触刚度和传动精度。
（4）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。
（5）磨损小，使用寿命长。
（6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度要求高，制造成本较高。
（7）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。

滚珠丝杠品型丰富，通常结合实际需求计算对应参数。在厂商实际选择丝杠型号时，其通常会考虑以下六种常见参数：

（1）公称直径：即丝杠的外径，其常见规格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120。公称直径和丝杠负载基本成正比，直径越大负载越大，在实际应用过程中，通常参考运动状态下的额定轴向负载进行选型，实际负荷与额定负荷的比值越小，丝杠的理论寿命越高。
（2）导程：导程指的是丝杆旋转一周，螺母直线运动的距离。常见的导程有（单位：mm）：2、4、5、6、8、10、16、20、25、32、40，螺母运动速度和滚珠丝杆可提供的直线推力与导程有关。导程越大，相同转速情况下，直线（3）长度：丝杠的长度主要分为丝杠全长和丝杠螺纹长度。其中螺纹长度中分两个部分，螺纹全长与有效行程。
（4）螺母形式：按法兰形式分大约有圆法兰、单切边法兰、双切边法兰和无法兰几种。按螺母长度分有单螺母和双螺母之分。
（5）精度：按国内分类，精度等级有P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10，日本、韩国，还有中国台湾省采用JIS等级，即C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10；欧洲国家的标准采用的是IT0，IT1， IT2，IT3，IT4，IT5，IT7，IT10。
（6）预压：预压等级越高，螺母与螺杆配合越紧；反之，等级越低越松。

滚珠丝杠下游以各类通用专用装备为主。从滚珠丝杠的产业链来看，其上游主要为钢铁、金属等原材料、丝杆、螺母、滚珠；下游主要可应用于各类通用专用装备、数控机床、注塑机、机械工业等。

滚珠丝杠广泛应用于各类专用及通用机械中，不同的设备类型对于滚珠丝杠的要求不同。对于大部分数控机床而言，其对于滚柱丝杠的精度要求相对较低，一般P4以上即可满足需求，而对于数控机床中较为精密的部分，如坐标镗床、磨床等，其精度等级往往需要达到P3以上。对于如半导体、测量设备这类专用设备而言，其精度要求通常更高，需要达到P2以上。

（三）行星滚柱丝杠：精雕细刻的高承载滚动丝杠

行星滚柱丝杠具有螺纹传动和滚动螺旋传动的综合特征。与滚珠丝杠传动相比，其滚动体不是多个球，而是含有螺纹的多个滚柱体。在主螺纹丝杠的周围，行星布置了6-12个螺纹滚柱丝杠，将电机的旋转运动转换为丝杠或螺母的直线运动。
标准的行星滚柱丝杠主要由丝杠、滚柱、螺母、直齿、内齿圈、滚柱保持架和弹簧挡圈等组成。其中，丝杠是牙型角为 90°的多头螺纹；滚柱是具有相同牙型角的单头螺纹；螺母是具有与丝杠相同头数和牙型的内螺纹；为了消除丝杠螺旋升角对滚柱产生的倾斜力矩，在滚柱两端加工有直齿，与内齿圈啮合，以确保滚柱轴线平行于丝权轴线正常滚动；滚柱保持架为确保滚柱沿圆周均匀分布；滚柱保持架由弹管挡圈轴向定位。其工作原理为：由电机带动旋转的丝杠利用摩擦转矩驱动滚柱转动，继而将丝杠的回转运动转换为螺母的直线往复运动。