行星滚柱丝杠和大功率密度电机更适合应用于线性执行器
丝杠的工作原理：丝杠轴上有一个螺旋线，而螺母上则有与之相配合的螺旋槽，当丝杠 轴旋转时，螺母便沿着丝杠轴的轴向方向移动，将旋转运动转化成线性运动。 丝杠的种类：根据摩擦特性，丝杠可以分为滑动丝杠、滚动丝杠以及静压丝杠。 滑动丝杠与滚动丝杠具有不同精度标准：1）滑动丝杠有 4~9 共 6 个等级，精度依次降 低，其中 4 级最高，一般很少使用；5 级用于精密仪器与精密机床，如坐标镗订、螺纹 磨床等；6 级用于精密仪器、精密机床和数控机床；7 级用于精密螺纹车床、齿轮加工机 床及数控机床；8 级用于一般机床，如卧式车床、铣床；9 级用于刨床、钻床及一般机床 的进给机构。2）滚动丝杠一般有 6~7 个精度等级，如在 JIS 标准中，滚珠丝杠精度等 级分为 C0、C1、C3、C5、C7、C10 共 6 个等级，而国内等级精度分为 P1、P2、P3、P4、 P5、P7、P10 共 7 个等级。
滑动丝杠：主要由丝杆、螺母、滑块和导向装置等组成。结构简单，制造方便，常 用于恒速传动领域，如数控机床、注塑机、模压机等。丝杠通过在螺母中旋转来传 递运动，螺母是与丝杆螺距相同的螺纹，与丝杆进行相对运动，滑块与丝杆一起运 动，将旋转运动转化为直线运动，导向装置用来支撑和引导滑块沿着丝杆轴向方向 移动。此外，还包括一些辅助部件，如润滑系统、密封件等，用于保持丝杠的正常 运行和防止外部环境对丝杠的影响。滑动丝杠的摩擦阻力较大，传动效率较低，定 位精度和轴向刚度较差。
滚珠丝杠：由螺杆、螺母、滚珠和预压片组成。螺纹轴表面刻有螺纹形状的凹槽， 用于放置滚珠，螺母是与螺纹轴配合使用的零件，内部有与滚珠相匹配的导槽，滚 珠位于螺纹轴和螺母之间，预压片用于对滚珠施加预压力，消除间隙并提高丝杠的 刚度。反向器、防尘器用来保证滚珠丝杠的正常运行和防止外部环境对丝杠的影响。 滚珠丝杆相比于普通的梯形丝杆，其在自锁性、传动速度、使用寿命、精度和传动 效率方面优势明显。滚珠丝杠采用滚珠和钢球等滚动体，不仅适用于更高速的运动， 相对应的机械损耗也较小，其线性运动精度要比滑动类型丝杠更高，并且在传动精 度稳定性方面表现更出色，使用寿命更长。
滚柱丝杠：由螺杆、行星滚柱、螺母组成，按照价值量占比来看。 原理：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，其牙 型轮廓通常加工成球面，目的是提高承载能力、降低摩擦、提高效率。螺母是具有 与丝杠相同头数和牙型的内螺纹。若干个滚柱沿丝杠圆周方向均匀分布，当丝杠旋 转时，滚柱既绕着丝杠轴线公转，又绕自身轴线自转。滚柱与螺母具有相同的螺旋 升角，与螺母啮合时能够确保纯滚动并且没有相对轴向位移。 特点：滚柱丝杠在满足精度的同时，承载能力大大加强，但是其结构复杂、加工难 度大和成本较高。滚柱丝杠采用滚柱作为滚动体，相比滚珠丝杠具有更大的接触面 积，能够承受更大的负荷和冲击，因此具有高刚性和高效率的特点。另外，制造精 度和传动精度都很高，能够保证设备的精确定位和稳定运动。 与滚珠丝杠相比的优势：（1）滚柱与丝杠接触半径更大，且所有滚柱同时参与啮合， 接触点多，比滚珠丝杠在相同丝杠直径下承载能力提高 6 倍、相同负载下比滚珠丝 杠节省 1/3 空间、寿命提高 14 倍、工作环境温度范围提高 2 倍。当滚柱丝杠直径 为 120mm 时，其推力可达 120t。（2）滚柱丝杠用滚动摩擦代替滑动摩擦，与滚珠 丝杠传动效率相当，润滑良好的情况下效率可达 90%。（3）滚柱相对于螺母没有轴 向运动，因此具有加速、旋转和减速的能力，转速可达 6000r/min，直线速度 2m/s， 加速度 7000rad/s2，滚珠丝杠难以做到。（4）采用行星机构控制滚柱运动，不需要 滚动件循环装置，且高速运转时产生的振动噪声较小。
静压丝杠：由丝杠、螺母、液压缸、油管、油泵以及控制阀等构成。丝杠为外螺纹，螺 母为内螺纹，丝杠和螺母运动需要的压力由液压缸提供，油管用于传输液压油，油泵为 液压系统提供动力，控制阀用于控制液压油的流量和方向，从而控制丝杠和螺母的运动 方向和速度。静压丝杠常应用于精密机床及数控机床的进给机构中，工作原理是通过液 压系统将压力油进入到螺纹牙上的油腔内，在接触面上形成压力油膜产生平衡液压力， 在螺母和螺杆之间有一层压力油膜，使丝杠副与螺母不直接接触，在压力油膜上滑动， 零件之间处于液体摩擦状态。静压油膜位于静压螺母和精密丝杠之间，静压螺母和丝杠 本身并不接触，因此几乎没有磨损，具有很好的减震性和静音性。静压丝杠的摩擦阻力 很小，磨损小，效率高。其螺纹牙形与标准梯形螺纹牙形相同，目的在于获得良好油封 及提高承载能力，但是调整比较麻烦，而且需要一套液压系统，工艺复杂，成本较高。
在线性执行器大导程、大负载、小体积、高速度的要求下，行星滚柱丝杠和大功率密度 电机是破局关键。线性执行器是特斯拉人形机器人的特色方案，主要由电机+丝杠组成， 主要用于大臂、和下肢。特斯拉对于线性执行器的要求主要是大导程、承载力足够大、 且体积小、反应速度快。
对于电机而言，要求电机在输出功率不变的情况下，其重量更轻、体积更小、运行的 效率更高，因此大功率密度电机更符合要求，但是工艺上仍需要解决大功率密度电机中 存在的噪音大、效率低、温度高等问题。
对于丝杠而言，反向式行星滚柱丝杠负载更大、体积更小，更适合用于人形机器人。 行星滚柱丝杠至今没有被广泛应用，主要是由于其结构复杂、加工难度大和成本高，并 且最主要的是之前市场需求也不大，但是人形机器人的量产有望给行星滚柱丝杠带来巨 大的市场增量。正向式行星滚柱丝杠的特点是长螺杆-短螺母外加螺旋滚道，通过滚柱在 丝杠轴上的滚动实现直线运动。反向式行星滚柱丝杠的构成为长螺母-短螺杆外加螺旋滚 道，螺母作为主动件，由丝杠直线输出，螺母比螺杆还要长。这种结构的最大优点是可 将螺母作为电机的转子实现电机和反向式行星滚柱丝杠的融合设计，可使人形机器人直线传动结构更加紧凑、重量更小。从产品性能上看，反向式行星滚柱丝杠表现出的高承 载、耐冲击、体积小、噪音低、高精度、长寿命的优势，契合人形机器人的要求。
丝杠部件加工难度高，对设备要求高。丝杠制造难度大，这也是制约其国产化的重要因 素之一。丝杠有淬硬丝杠和不淬硬丝杠两种，前者的耐磨性较好，能较长时间保持加工 精度，但加工工艺复杂，必须有高精度的螺纹磨床和专门的热处理设备，而后者只需要 精密丝杠车床。丝杠是细长柔性轴，刚性较差，结构外形复杂，有很高的螺纹表面要求， 还有阶梯、沟槽等，所以，在加工过程中易出现变形，因此对加工工艺的要求很高。而 螺母的内螺纹要求与丝杠外螺纹精确匹配，对精度的要求同样还很高。此外，高精度滚 珠丝杠需要对螺纹、沟槽进行精磨加工，生产效率难以提高。行星滚柱丝杠由于具有更 加复杂的空间形状，加工难度一般比滚珠丝杠更高。加工难点： （1）对外圆和螺纹需要分多次加工，逐步减少切削量，从而逐步减少切削力和内应力， 减少加工误差，提高加工精度。 （2）每次粗加工外圆及粗加工螺纹后都要进行时效处理，以便消除内应力。丝杠的精度要求越高，时效处理的次数也越多。 （3）每次时效处理后都要重新打中心孔或修磨中心孔，以修止时效处理时产生的变形； 并除去氧化皮等，使加工有可靠而精确的定位基面。 （4）每次加工螺纹前，先加工丝杠外圆（切削量很小），然后以丝杠外圆和两端中心孔 作为定位基面加工螺纹，逐步提高螺纹加工精度。
丝杠加工工艺类型： （1）冷轧：优势是简单，步骤短，但是采用冷加工工艺、用模具压出，精度偏低，仅能 达到 P7 级别，因此一般不满足人形机器人丝杠的要求。 （2）旋风铣：旋风铣是刀盘带动刀具作高速旋转运动，工件缓慢轴向进入，刀具作径向 深入切削。优点是生产效率高，并能达到一定的精度（P3 级，截形轮廓精度±5μm，圆 柱度 5μm，表面粗糙度值 Ra=0.4μm）。对应的设备为旋风铣床。 （3）硬车：又称之为以车代磨，其采用螺纹滚道硬车削技术，生产速度快、加工效率高， 但是精度没有磨床的精度高。对应的设备为车床。 （4）砂轮磨削：以先车后磨的方式进行加工制造生产，先把原材料车削到一定精度，再 用专用丝杆磨床先粗磨再精磨到所需要的尺寸。这种加工方式优点是精度高，可以达到 P1 级别，足以满足人形机器人的精度需要。
梯形丝杠制造流程大致分为“冷拔→滚花→铣丝→校正→钻孔→切断→倒角”，采用旋风 铣削丝杠设备，解决以往车削加工工艺产生的问题。梯形丝杠开始采用车削加工，工艺 路线包括“冷拔→滚花→车螺纹→校正→钻孔→切断→倒角”，但是这种加工方式效率低 下、成本高。并且由于小圆钢刚度低，车削、滚花时容易变形，不能生产小号螺轮。为 此旋风铣削丝杠设备被设计出来，不仅可以提高转速，还能够将铣丝、滚花一次完成。 改进后的工艺减小了表面粗糙度，减少由切削力引起的震动，但是增加了小径工件螺距 累积误差（大径工件变形较小）。
滚珠丝杠生产工序：螺母和螺杆各需要 15 道工序，核心决定精度的工序阶段为精磨， 对应设备为螺纹磨床，而滚珠一般为外采的标准件。滚珠丝杠的加工难度高于梯形丝杠， 机械加工工艺一般包括切削加工（精车，半精车外圆、螺纹）-热处理-磨削加工（精磨， 半精磨外圆、螺纹）等。
行星滚柱丝杠的制造：核心难点在于螺母内螺纹加工，对应的核心设备为螺纹磨床。反 向式行星滚柱丝杠的螺母很长、还是内螺纹，加工时还需要有一个螺旋升角，砂轮伸进去磨，精度很难控制。因为砂轮是单边支撑，螺母越长，砂轮就越要往里面走，砂轮伸 得越长、抖动越厉害，对刚性的要求也就越高，很细微的抖动，那么误差都达到微米级 别，所以螺母越长，其精度越难控制。反向式行星滚柱丝杠与其他类型的丝杠差别很大， 因此需要定制化的专机磨床。从加工上看，由于行星滚柱丝杠依靠零件间的螺纹啮合实 现传动功能，其螺纹的加工精度将直接影响系统的传动精度、使用寿命、与平稳性，而 磨削是高精度丝杠螺纹的主要加工方法，磨削的实质是砂轮的表面有很多磨粒划擦、刻 划和切削工件表面，使用螺纹磨床高速旋转的成型砂轮对加工工件表面进行高速磨削， 因此，高精度磨床设备成为了行星滚柱丝杠加工生产的核心要素。
进口丝杠价格高、海外加工设备价格高&交付周期长，因此设备国产化是必然趋势。行 星滚柱丝杠价格高、制作难度大，此前需求不大，一般为进口。但是进口价格目前为 1+ 万元/副，成本高昂，难以满足人形机器人量产的成本要求，因此国内企业纷纷希望自行 生产行星滚柱丝杠。然而，国内企业自行生产，需要进口相关的螺纹磨床，海外螺纹磨 床价格非常高，一般为 100-200 万欧元/台，并且是定制化磨床。一开始量不大、又是定 制，国外企业产能有限，供货的意愿不强。此外，国外厂家的销售模式是以销定产，客 户下单后，通常需要 2 年以后才能拿到设备，生产交付周期很长，未来很难满足人形机 器人的量产需求。 国内多厂家发力螺纹磨床，国产化进程有望加速。从螺纹磨床竞争格局上看，欧美、日 本的厂家全球领先。国外螺纹磨床主要厂商包括：日本三井、德国克林贝格、瑞士斯图 特、英国麦屈克斯和霍罗德、美国德拉克等；国内具备丝杠加工能力的厂商包括：浙海 德曼、秦川机床、日发精机、华辰装备等。相比国外厂商，在高端螺纹磨床产品上仍存 在较大差距，在丝杠前道生产设备中，国内技术已趋于成熟，后道核心设备即数控螺纹 磨床国产化率低，生产高端丝杠所用的高精度螺纹磨床基本完全依赖进口。国内磨床与 国外磨床的差距主要体现在组装精度、数控系统以及加工经验等方面。目前国内磨床技 术持续突破，多家厂商与下游客户进行密切技术交流，在螺纹磨床技术上持续研发。
螺纹磨床空间测算：人形机器人有望带来近百亿的高精度螺纹磨床增量需求。我们对人 形机器人带来的高精度磨床的市场增量进行测算，假设单台机器人需要行星滚柱丝杠 10 套，行星滚柱丝杠三个主要部件螺母、螺杆、滚柱（一般一套为 6-8 根）需要内螺纹磨 床、外螺纹磨床、外圆磨床、内圆磨床等 4 种不同类型的磨床，各磨床之间难以通用， 假设该 4 种磨床合计每天生产行星滚柱丝杠数量为 25 套，一年有效工作天数为 300 天， 平均单台磨床价值量按 150 万元计算，预计 100 万台人形机器人将带来 80 亿的高精度 磨床设备需求增量。