在人形機(jī)器人即將量產(chǎn)的背景下， 絲杠行業(yè)有望快速發(fā)展

• 2023年8月16日 來(lái)源：中研網(wǎng) 1339 88
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絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。常見的絲杠產(chǎn)品包括滑動(dòng)絲杠、滾珠絲杠、行星滾柱絲杠等。滾珠絲杠是目前應(yīng)用最廣泛的絲杠產(chǎn)品，在數(shù)控機(jī)床有大量應(yīng)用，其精度高，傳動(dòng)效率高。行星滾柱絲杠是最新一代的精密傳動(dòng)裝置，具備高

絲杠是工程機(jī)械和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)部件。絲杠的主要結(jié)構(gòu)由絲桿與螺母構(gòu)成，其主要功能為將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力。其原理為當(dāng)絲杠作為主動(dòng)體時(shí)，螺母隨絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度按照對(duì)應(yīng)規(guī)格的導(dǎo)程轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。被動(dòng)工件可通過螺母座和螺母連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的直線運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)摩擦特性可將絲杠分為滑動(dòng)絲杠、滾動(dòng)絲杠及靜壓絲杠，其中滾動(dòng)絲杠根據(jù)載荷傳遞元件的區(qū)別，分為滾珠絲杠和滾柱絲杠。

常見的絲杠產(chǎn)品包括滑動(dòng)絲杠、滾珠絲杠、行星滾柱絲杠等。

滾珠絲杠，又名滾珠絲杠副，是工業(yè)精密機(jī)械中常用的傳動(dòng)元件，其主要結(jié)構(gòu)包括滾珠絲杠、滾珠螺母、滾珠三部分。滾珠絲杠軸為螺母運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向軸，其表面具有螺紋，滾珠在螺紋內(nèi)運(yùn)動(dòng)。螺母由預(yù)壓片、反向器、防塵器等組成，是直線運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)體，帶動(dòng)滾珠循環(huán)機(jī)制；其端部密封件用于封裝潤(rùn)滑零件、防止異物進(jìn)入。滾珠是利用低摩擦系數(shù)維持整個(gè)零部件運(yùn)轉(zhuǎn)的媒介，存在外循環(huán)、內(nèi)循環(huán)兩種循環(huán)方式。

滾珠絲杠的核心傳動(dòng)原理是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，化滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦。當(dāng)絲杠相對(duì)螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，絲杠的旋轉(zhuǎn)面通過滾珠的循環(huán)滾動(dòng)推動(dòng)螺母軸向移動(dòng)，化旋轉(zhuǎn)為線性；滾珠的滾動(dòng)使得絲杠和螺母之間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L珠與絲杠、螺母之間的滾動(dòng)摩擦，化滑動(dòng)為滾動(dòng)，大大提升傳動(dòng)效率。

滾珠絲杠可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器，包括機(jī)床、機(jī)器人、注塑機(jī)等。從空間來(lái)看，滾珠絲杠在新能源汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電子駐車系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)等方面都有廣泛應(yīng)用。新能源汽車行業(yè)在汽車銷量逐年上升的同時(shí)追求全電控、智能化發(fā)展，滾珠絲杠的下游需求有望持續(xù)增長(zhǎng)。此外，在機(jī)床應(yīng)用中，全球機(jī)床廠供應(yīng)鏈中主軸、擺頭、轉(zhuǎn)臺(tái)等功能部件多數(shù)機(jī)床廠出于定制化或差異化考慮傾向于自產(chǎn)自制，但滾動(dòng)功能部件基本全部外采，伴隨機(jī)床產(chǎn)業(yè)升級(jí)滾動(dòng)功能部件需求持續(xù)增長(zhǎng)的確定性較強(qiáng)。

隨著全球智能化產(chǎn)業(yè)鏈的不斷擴(kuò)張和自動(dòng)化在各領(lǐng)域的不斷深入，人型機(jī)器人、高檔數(shù)控機(jī)床、電動(dòng)機(jī)械等下游領(lǐng)域有望不斷為包括滾珠絲杠在內(nèi)的滾動(dòng)功能部件提供市場(chǎng)增量，從而擴(kuò)大滾動(dòng)功能部件的總市場(chǎng)空間。

近年來(lái)，工信部等國(guó)家部門不斷推行相關(guān)政策，促使高端裝備制造業(yè)等發(fā)展：22年3月工信部發(fā)布《先進(jìn)裝備制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2022-2024年）》，提出了先進(jìn)裝備制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展等具體目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)，推動(dòng)裝備制造業(yè)等升級(jí)轉(zhuǎn)型。23年2月，工信部發(fā)布《智能檢測(cè)裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2023—2025年）》的通知》，要求各企業(yè)著力突破核心技術(shù)、增強(qiáng)高端供給、加快推廣應(yīng)用、壯大市場(chǎng)主體，打造適應(yīng)智能制造發(fā)展等智能檢測(cè)裝備產(chǎn)業(yè)體系，以支撐制造強(qiáng)國(guó)、質(zhì)量強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)建設(shè)。高端制造行業(yè)包括智能制造裝備、軌道交通裝備、航空航天裝備、汽車制造裝備等子行業(yè)，對(duì)滾珠絲杠有廣泛應(yīng)用。隨著應(yīng)用場(chǎng)景不斷開發(fā)擴(kuò)大，滾珠絲杠也將極大拓展應(yīng)用范圍，預(yù)計(jì)到2026年，全球滾珠絲杠應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅饕杏诤娇铡⒛茉春凸彩聵I(yè)。

與滾珠絲杠相比，滾柱絲杠具有一定的優(yōu)勢(shì)：

1）高載荷：更多的接觸點(diǎn)，接觸總表面積增加，因而具有更大的動(dòng)態(tài)載荷承載能力和靜態(tài)載荷承載能力；

2）可靠性、壽命優(yōu)化：無(wú)再循環(huán)元件、衛(wèi)星滾柱分布均勻，排除潛在的故障模式、因相互摩擦和沖擊造成的故障率降低；

3）小導(dǎo)程下仍兼具較高的承載能力和軸向剛度：最大限度地降低輸入扭矩要求，同時(shí)保證定位精度。

滾柱絲杠又分為標(biāo)準(zhǔn)型行星滾柱絲杠、反轉(zhuǎn)型行星滾柱絲杠、循環(huán)式滾柱絲杠。

行星滾柱絲杠通過嚙合滾柱產(chǎn)生線接觸滾動(dòng)摩擦，大幅增加絲杠傳動(dòng)過程的接觸面和受力面，與以往用于精密傳動(dòng)的滾珠絲杠相比，在傳動(dòng)效率損失不大的前提下，又同時(shí)具備了高轉(zhuǎn)速、高載荷、高剛度、高范圍導(dǎo)程以及更小體積、更低噪音、更方便維護(hù)拆卸等特點(diǎn)。目前已經(jīng)在航空航天、武器裝備、核動(dòng)力等全球高精尖領(lǐng)域運(yùn)用，同時(shí)在機(jī)床、汽車ABS系統(tǒng)、石油化工等民用場(chǎng)景下也存在廣泛的應(yīng)用需求。

行星滾柱絲杠在標(biāo)準(zhǔn)式基礎(chǔ)上衍生出四種類型，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)和功能上具有不同的特點(diǎn)，從而適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

1）反向式：螺母和螺釘?shù)墓δ芊崔D(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)更緊湊，適用于小行程、需要一體化設(shè)計(jì)工作場(chǎng)景反向行星滾柱絲杠工作原理與標(biāo)準(zhǔn)滾柱絲杠相同，但螺母和螺釘?shù)墓δ芊崔D(zhuǎn)。滾子在螺母內(nèi)軸向移動(dòng)，螺母被拉長(zhǎng)以允許傳動(dòng)軸的全行程，以較小的導(dǎo)程實(shí)現(xiàn)更高的額定負(fù)載，空間利用率高，但行程受螺母螺紋長(zhǎng)度限制。

2）循環(huán)式：循環(huán)滾柱設(shè)計(jì)，適用于高精度，中低速運(yùn)行工作場(chǎng)景循環(huán)式行星滾柱絲杠是循環(huán)滾柱設(shè)計(jì)，由一套凸輪來(lái)控制滾柱在螺母內(nèi)軸向移動(dòng)，滾柱繞絲杠旋轉(zhuǎn)一圈后返回到原來(lái)的位置。由于最小螺距與循環(huán)滾柱設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)非常高的定位精度、分辨率與極高的負(fù)載力。

3）差動(dòng)式：具備差動(dòng)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，導(dǎo)程更小，適用于傳動(dòng)較大、負(fù)載較高的工作場(chǎng)景差動(dòng)式行星滾柱絲杠采用分段環(huán)槽結(jié)構(gòu)，具備差動(dòng)運(yùn)動(dòng)，可以獲得比一般行星滾柱絲杠更小的導(dǎo)程與更大的減速比，且因其緊湊的結(jié)構(gòu)可以使機(jī)電作動(dòng)器具有更高的功率體積比和功率質(zhì)量比。

4）軸承環(huán)式：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高，適用于承載能力要求極高的工作場(chǎng)景增加滾子軸承、端蓋、殼體等部件，承載能力大，在高負(fù)載的情況下，大大減少磨損率，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。

行星滾柱絲杠為絲杠中的高精尖分支，從無(wú)人問津到炙手可熱，未來(lái)滲透率有望繼續(xù)提升。行星滾柱絲杠最早起源于1942年，瑞典發(fā)明家CarlBrunoStrandgren申請(qǐng)了第一個(gè)循環(huán)式滾柱絲杠專利，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大、成本較高，其一度無(wú)人問津。而后從70年代起，由于各類武器裝備技術(shù)及通用專用裝備的興起，機(jī)械設(shè)備需要大推力、高精度、高效率、長(zhǎng)壽命的傳動(dòng)部件，行星滾柱絲杠需求大幅提升。

全球行星滾柱絲杠研究已進(jìn)入全面成長(zhǎng)期，我國(guó)相關(guān)專利數(shù)量持續(xù)上升。行星滾柱絲杠技術(shù)方面的相關(guān)專利從20世紀(jì)40年代開始出現(xiàn)，而后大致可分為兩個(gè)階段，即萌芽期（2009年之前）和成長(zhǎng)期（2010年至今）。在萌芽期，技術(shù)專利主要涉及行星滾柱絲杠的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其加工制造技術(shù)方面，主要申請(qǐng)人有日本豐田、德國(guó)舍弗勒、SKF等。在成長(zhǎng)期階段，我國(guó)專利申請(qǐng)數(shù)量不斷提升，專利內(nèi)容從總體結(jié)構(gòu)加工制造發(fā)散至對(duì)傳動(dòng)精度、效率等的提升。
行星滾柱絲杠作為一種性能強(qiáng)勁的傳動(dòng)部件，有望在多領(lǐng)域替代原有的滾珠絲杠及傳統(tǒng)液壓傳動(dòng)裝置。行星滾柱絲杠主要應(yīng)用在民用領(lǐng)域，但伴隨武器裝備全電化發(fā)展疊加石油、化工、機(jī)床等領(lǐng)域需要大推力、高精度、高頻響、高效率、長(zhǎng)壽命的機(jī)械裝置作為機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其將逐步取代易污染、維護(hù)成本高的傳統(tǒng)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)由于其在精度、傳輸效率、負(fù)載等方面優(yōu)于滾珠絲杠，目前在機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域也將逐步替代滾珠絲杠。

根據(jù)PersistenceMarketResearch預(yù)測(cè)，2022年全球行星滾柱絲杠市場(chǎng)規(guī)模為2.85億美元，2023年預(yù)計(jì)將達(dá)到3.03億美元，到2033年其預(yù)測(cè)全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到5.32億美元，2023-2033年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)5.8%。伴隨行星滾柱絲杠下游場(chǎng)景不斷拓寬，全球行星滾柱絲杠市場(chǎng)將不斷擴(kuò)大。

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