工业机器人及工控系统 ：行星滚柱丝杠——“卡脖子”零件，高价值的必需品

（报告出品：华金证券）

一、行星滚柱丝杠：高难度、高价值，国内起步较晚

（一）什么是行星滚柱丝杠？

行星滚柱丝杠是将旋转运动转化为直线运动，传动单元为丝杠及螺母之间的滚柱。根据新剑机电传动公众号，行星滚柱丝杠在主螺纹丝杠的周围，行星布置安装了6-8 个螺纹滚柱小丝杠，利用电机的旋转转换为丝杠或螺母的直线运动。丝杠、滚柱、螺母三者之间通过螺纹啮合实现传动。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。行星滚柱丝杠结构与滚珠丝杠相似，是将滚珠替换为具有螺纹结构的滚柱，而丝杆和螺母结构基本相似。

电机驱动丝杠旋转，从而使螺母完成直线运动。行星滚柱丝杠副的工作原理为:丝杠可视为太阳轮，滚柱视为行星轮，螺母视为中心轮，当丝杠旋转且螺母的周向固定时，滚柱在圆周方向做类行星运动，同时通过螺旋传动将丝杠(或螺母)的回转运动转换为螺母(或丝杠)的直线往复运动。行星滚柱丝杠工作原理和滚珠丝杠同样类似的，即伺服电机驱动丝杠旋转，从而使行星滚柱螺母总成带动电动缸推杆完成直线往复推拉运动。

行星滚柱丝杠根据结构组成及运动关系的不同，可以分为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。

反向式行星滚柱丝杠，螺母既作为传力部件又作为电机的的转子，一体化、小型化程度高。各类行星滚柱丝杠传动是机电装置重要执行机构，常见的机电作动器可分为集成式机电作动器(I-EMA)和一体式机电作动器(C-EMA)两种4。典型的集成式机电作动器结构由直流无刷电机、控制器(主要包括速度、位置、扭矩控制器和功率转换器)、减速器(齿轮传动或带传动)、滚珠丝杠(或行星滚柱丝杠)四部分组成。一体式机电作动器结构主要由行星滚柱丝杠(丝杠、滚柱和螺母)、电机(磁铁和线圈绕组)、控制器(控制、测量、反馈单元及对应接口)三部分组成。对于反向式行星滚柱丝杠，螺母既作为传力部件又作为电机转子，通过丝杠、滚柱和螺母三者的啮合传动实现直线伺服，是真正意义上的一体化机电作动器。

（二）生产难度大，磨削工艺精度最高

丝杠材料为合金结构钢42CrMo，螺母和滚柱材料为高碳铬轴承钢，材料壁垒不高。根据Rollvis 中国大陆核心代理商天誉科技公司官网，行星滚柱丝杠中丝杠选用的材料为合金结构钢42CrMo，合金结构钢 42CrMo 强度和淬透性比 35CrMo 有所增高，调质后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。螺母和滚柱选用的材料为高碳铬轴承钢GCr15，高碳铬轴承钢 GCr15 综合性能良好，淬火和回火后具有高而均匀的硬度，良好的耐磨性和高的接触疲劳寿命，热加工变形性能和切削加工性能均好。根据抚顺特钢官网，合金结构钢42CrMo价格为9150 元/吨，高碳铬轴承钢 GCr15 价格 10000 元/吨。

螺纹滚柱是传动的关键部分，成形加工工艺和产品质量直接决定行星滚柱丝杠。当行星滚柱丝杠传动机构工作时，多个螺纹滚柱共同承受载荷，避免任何一个螺纹滚柱因承载过大而造成损伤失效。在行星螺纹滚柱中，中间的螺纹部分的主要工作是传递载荷，齿轮部分和螺母内部的固定齿圈相啮合。螺纹滚柱作为行星滚柱丝杠传动机构的关键部分，其成形加工工艺和产品质量直接决定行星滚柱丝杠传动机构的装配质量和性能。

行星滚柱丝杠主要有形变误差、制造误差、安装误差等，制造工艺对减小误差十分关键。其中制造环节包括螺纹螺距、螺纹牙型、齿轮齿距、齿轮齿廓、制造偏心等误差，对制造提出了非常高的精度要求。

行星滚柱丝杠传动系统的能量损失主要来源于其关键部件的摩擦阻力。主要包括角接触轴承(或圆锥滚子轴承)接触摩擦、丝杆与滚柱侧螺纹啮合摩擦、滚柱与螺母侧螺纹啮合摩擦、滚柱齿与内齿圈摩擦以及保持架和滚柱、螺母间的转动摩擦损失。

行星滚柱丝杠通过螺纹啮合实现传动，螺纹的加工方式有旋风铣削、磨削加工、硬态车削、滚压成型等。行星滚柱丝杠依靠零件间的螺纹啮合实现传动功能，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。行星滚柱丝杠螺纹是由特定参数设计而成，其制造工艺方法主要为成型加工，例如旋风铣削、磨削加工、硬态车削、滚压成型等。

现有的轧制成形加工工艺有两种轧制成形方法：（1）在一台设备上安装螺纹和齿轮两种模具，按加工工艺顺序在不同的时间内先后轧制成形螺纹和齿轮；（2）在多台设备上分别安装螺纹和齿轮两种模具，按加工工艺顺序在不同的时间内先后轧制成形螺纹和齿轮。

磨削是加工螺纹精度最高的工艺，可达到 P1 级。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切削，使用磨削加工的滚珠丝杠最高可达到P1 级。

磨削的核心设备是高精度磨床。根据中金企信国际咨询，磨床属于精度较高的加工机床，通常在工件加工的后端工序使用，使工件得到更高的加工精度和更低的表面粗糙度，提升下游机械的运行平稳性、使用精度等性能。不同类别金属切削工艺的加工精度、表面粗糙度范围也不同。

滚珠丝杠磨削加工精度的主要标准是螺距误差。在实际生产过程中，由于各方面原因共同作用的结果，丝杠旋转一周，而工作台并非恰好行进一个螺距，这样就会形成螺距误差。滚珠丝杠螺距误差来源大致可以分为静态误差、动态误差和随机误差，这三种误差又包括很多种，其中机床误差座、砂轮磨损和弹性变形以及热变形误差以及热变形误差对螺距误差影响较大。

（三）瑞士 Rollvis 全球市占率40%，国内处于起步阶段

Rollvis 公司在行星滚柱丝杠市占近 40%，国内起步较晚以国防领域为主。根据中船重工智海创新中心，国外已有多家公司具备制造多种结构形式行星滚柱丝杠的能力，如德国LTK，瑞士Rollvis，英国 Power Jacks、瑞典 SKF、美国 Moog 和 Exlar 以及日本NSK等。其中瑞士Rollvis是世界上著名的行星滚柱丝杠专业生产厂家，该公司市场占有率近40%。根据《行星滚柱丝杠电动缸应用现状_邓琦》，国内行星滚柱丝杠电动缸的应用刚刚起步不久，应用领域主要集中在国防、汽车和冶金等领域。国防工业方面，主要应用在航天飞行器姿态控制、导弹发射架姿态控制、坦克炮杆随动系统和起落架收放等方面。

国内市场集中度高，原材料成本约 60%。目前国内市场中，EWELLIX、Rollvis、GSA等国际品牌市占率较高，此外还有南京工艺和济宁博特两家国内品牌，目前两家公司的产品性能与国外还有一定差距，产业化处于早期阶段。EWELLIX 公司行星滚柱丝杠产品成本结构来看，原材料成本占比大概为 60%，工时成本和生产所需成本占比 15%，工厂内的固定成本分摊为15%，集团向法国工厂征收的管理成本占比 10%。2022 年 EWELLIX 产能2.5 万根，产能利用率85%。

磨制生产效率低，扩大产能需投入更多设备和人员。研磨工艺下，由于滚柱丝杠上的每一个螺纹都需要具有高导程精度，同时精度的一致性要求高，致使生产一根合格的丝杠往往需要几天的时间。这意味着如果需要扩大产能，就必须投入更多的机器设备。目前滚柱丝杠的加工还无法实现自动化，如果扩大产能也就必须同时增加必要的生产人员。由于轧制丝杠的制造成本低于研磨丝杠，Rexroth 在国内的售价也比 EWELLIX 低 10%-20%左右的水平。

二、行星滚柱丝杠性能优势显著，为Optimus直线关节方案

（一）滚珠丝杠与行星滚柱丝杠结构类似，部分设备工艺通用

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文琳编辑

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