今天分享的是机器人系列深度研究报告：《机器人专题：机器人系列四，怎么看国产替代机遇》。

（报告出品方：华泰研究）

报告共计：24页

精选报告来源：人工智能学派

丝杠:国产化降本需求强烈的核心传动件

应用几何?或搭载反式行星滚柱丝杠+滑动丝杠

丝杠是将电机旋转运动转化为直线运动的核心部件，行星滚柱丝杠具有更高的传动效率和承载能力。机器人传动中，一般由电机为螺母/丝杆提供旋转的力，滚子或滚柱利用与螺母和丝杆的摩擦力，进而带动丝杆/螺母做直线运动。按传动原理，丝杠可分为:

(1)T型丝杠:面接触原理，无滚动体，靠滑动摩擦传动，又称为滑动丝杠，结构简单且技术成熟，但滑动摩擦导致传动效率、精度和承载力有限，一般用于低负载、低精度的部位；

(2)滚珠丝杠:点接触原理，靠滚动摩擦传动，滚珠为核心传动件，比T型丝杠的传动效率、精度、承载力高，但结构较复杂，目前广泛应用在机床、汽车和机器人等领域；

)行星滚柱丝杠:线接触原理，行星滚柱为核心传动件，由于其有高数量接触点以及接触点的几何结构，滚柱丝杠较滚珠能承载高动静态负载，静载是滚珠的倍，寿命是滚珠的10-15倍，也有更强的刚度和抗冲击能力，对应的是更复杂的结构和更高的制造难度。

行星滚柱丝杠较滚珠有更强的承载表现、传动效率、使用寿命。相比滚珠丝杠，行星滚柱丝杠的负载传递单元由滚珠替换成了螺纹滚柱，从而由点接触转为线接触，获得了更高数量的接触点和接触点的几何结构，进而能够承受较滚珠丝杠倍的静态负载，有更高转速和加速度、更高刚度和抗冲击力，且寿命是滚珠丝杠的10-15倍。此外行星滚柱丝杠是螺纹传动结构，螺距的设计范围更广，其导程设计可以比滚珠更小。根据物理结构和传动原理不同，滚柱丝杠又可分为标准式、反向式、循环式、差动式。

反向式行星滚柱丝杠或适配人形机器人高传动要求的下半肢。从特斯拉机器人的需求看，特斯拉人形机器人采用了N/0.6kg、N/0.9kg、N/2.2kg的直线执行器，根据特斯拉AIDAY展示的视频，其单个直线执行器可拉动半吨重的钢琴，侧面反映特斯拉机器人对传动效率和承载能力有较高要求。反式行星滚柱丝杠的物理结构与标准式相似，但传动原理不同，其主动件为螺母，输出件是螺杆，滚柱的行程运动是螺母的内螺纹而非沿着丝杠做轴向运动，从而能通过小导程实现更额定负载，降低驱动扭矩。同时从机电作动器(EMA)的运作原理看，EMA中的控制器驱动无刷直流电机做正反向运动，通过齿轮装置降低转速提高扭矩，把丝杠的旋转运动转化为输出杆相对壳体的直线运动。反向式行星滚柱丝杠是螺母为主动件，螺母可充当电机转子，实现丝杠+电机一体化的机电作动器，结构紧凑且节省空间。

考虑到不同部位的传动要求不同以及特斯拉公布的直线执行器结构，我们推断其或会使用滑动丝杠和反式行星滚柱丝杠，滑动丝杠结构简单、成本低且技术成熟，或应用在传动效率和承载力要求较低的部位，反式行星滚柱丝杠有更高承载力、抗冲击能力、高力尺寸比和力重量比，或用在传动要求较高的环节。

壁垒怎么看?或要求C-C4精度，设备与工艺经验铸护城河

我们认为丝杠的核心考察指标为精度控制可行性与能量传递效率，对产品的执行精度和稳定性要求较高。丝杠的精度衡量传动中实际移动距离与理论距离的偏差，以机床用的滚珠丝杠为例，一般普通机械所用滚珠丝杠为C7和C10，数控设备C5和C居多，航空制造设备、精密投影等设备用C和C2。反向式行星滚柱丝杠在机器人中用于承重要求高、高扭矩的场景，驱动环境较复杂，对产品的精度和稳定性有更高要求。若产品精度差，则会出现精度误差叠加向量变更，导致误差累积使得机器人的下一动作表现更差，严重则会宕机。此外，驱动电机需降速提扭，若丝杠摩擦系数高或能量传递效率不高，则会导致传递到终端的能量有较大损耗。

工艺流程看，丝杠是一条完整的产线，前处理→粗加工→研磨/铣削/滚轧→热处理→组装，不同精度对应不同的加工工艺，C7和C10低精度大多用轧制工艺，C和C5中高精度一般用研磨和切削，C0-C2更高精度一般使用研磨工艺。其中轧制工艺是用螺纹滚轧机，先在光杆材料切槽，再用搓牙机辊压，精度中等偏下；研磨对应螺纹磨床，在压轧基础上，用专用外圆磨床加工圆弧槽，精度中等偏上，需要粗磨和精磨多轮加工；铣磨为旋风铣床切削沟槽，再打磨外表面。目前国外大多采用轴端硬车加工，简单高效，而国内仍以轴端退火后再车削轴承座为主，周期长工序多，根据《精密滚珠丝杠机械加工工艺规程研究》，磨制滚珠丝杠的加工工艺周期约0-45天。

高执行精度和稳定性决定高加工精度和装配精度，铸就行业高竞争壁垒：

（1）加工工艺：螺母的加工精度直接影响丝杠的传动性能，反向式的加工难点或在于螺母和行星柱。根据《精密行星滚柱丝杠副工艺制造与传动性能研究》，滚柱丝杠的螺杆、滚柱、螺母螺纹的工艺流程基本一致，分为前道的粗加工（车削和铣削）和后道的精加工（磨削），如螺母的工序为毛坯-粗车-半精车-铣螺纹-粗磨-半精磨-精磨，行星滚柱在此之外要先加工螺纹再加工齿轮，两端齿轮在热处理前完成滚齿加工。从工艺上看，我们认为螺母内螺纹的加工难度更高，一方面螺纹牙的加工误差会直接改变丝杠/滚柱/螺母间的啮合点位置和接触角大小，进而影响传动精度，一方面反向式行星滚柱丝杠的螺母更长，加工难度更大，因此螺纹一般采用更高精度的数控磨削工艺（车削是旋转工件再用刀具切削，铣削是旋转刀具来切削表面，磨削是用砂轮替代车刀和铣刀做切削，精度更高），加工时用夹具固定好工件，因螺母较长，砂轮磨削需伸长、并要将砂轮偏转一定角度进行磨削，同时要保证砂轮界面轮廓和工件螺纹牙的法向轮廓相同，因此加工难度加大。

高加工难度和磨削工序高权重，决定高精度磨床设备和机加工know-how为加工环节的核心壁垒。我们判断，螺母内螺纹大概率用磨削，行星柱和丝杆可以考虑轧制，其他工艺如直接车削成型、后道以车代磨，我们认为使用概率有限，主要系磨削精度强而生产效率低，车削生产效率高而精度不足，而目前丝杠国产化首要任务是做出一定精度等级的样件，以车代磨需花费大精力解决精度问题。考虑到丝杠螺纹的高磨削难度以及磨削工序占总工序工时的权重较高，我们认为高精度磨床和磨削工艺为丝杠的核心竞争壁垒，高精度磨床一方面保证加工精度，一方面依赖交付期长、售价贵的进口产品，比如PSS、联合磨削集团、哈挺机床、法孚、滨井、AM、三井、东洋先进等，高端领域的国产化尚有发展空间；而精加工工艺则依赖深刻的knowhow积淀，以保证生产精度和量产稳定性。

（2）装配工艺：从行星滚柱丝杠的结构看，螺杆是有螺旋升角的多头螺纹，一般是5或6头；螺母内有内螺纹，牙型呈三角形且其牙型半角与滚柱牙型半角相同；滚柱一般是单线螺纹，螺旋面会加工出有较大接触半径的原型轮廓，同时滚柱与螺母的螺旋角相同，保证滚柱滚动时与螺母无相对轴向位移，一般滚柱为9-1个。反向式滚柱丝杠的滚柱螺纹与丝杠螺纹长度一致，并在丝杠螺纹两端加工有外齿，丝杠齿与滚柱齿做外啮合，因此要内螺纹更长的螺母保证丝杠的行程。加工出所有零件后，要先组装出螺母组件，再把丝杠旋入螺母组件。

（）热处理：核心在于提高螺纹的表面硬度和耐磨性，目前国内因技术设备落后、热处理工艺参数有待改善等，导致行星滚柱丝杠的主要损坏方式为接触疲劳磨损。

（4）材料：滚柱丝杠面临高转速高承载的工作环境，工作温度较高，应选择硬度高、耐磨性强、抗疲劳强、承载力高、温升适应好，且有良好切削性能和经济性的材料，此外各零部件的材料选型需要差异化，相同材料在配合运动中易发生胶合现象。一般丝杠材料用GCr15高碳铬轴承钢、螺母用20CrMnMo合金结构钢、滚柱和啮合齿轮用8CrMnAl合金结构钢、行星支架等用45钢。

国产机遇何在？看好技术与商务双强的企业

国内行星滚柱丝杠起步晚，但产研学快速推进。目前我们滚柱丝杠市场仍为外资主导，根据论文《E公司滚柱丝杠产品营销策略研究》的测算，当前我国国产化率仍较低，21年市场80%左右的份额为外资占据。但从专利申请数量来看，年后我国在行星滚柱丝杠领域的专利申请量快速提升，产研学发展有望加快滚柱丝杠国产化进程。

丝杠具备强烈国产降本诉求，看好技术同源+有高精设备储备+商务能力强的本土企业实现突破。特斯拉人形机器人所采用的反向式行星滚柱丝杠，国外售价单根高达上万元，有强烈的国产化降本需求。同时，因其要求精度较高，尤其是螺母内螺纹的加工难度最高，决定了该环节的核心竞争壁垒在于高精设备和加工工艺，其中后道精磨需要高精度磨床，依赖交付期长、售价贵的进口产品；加工工艺则需要深刻knowhow积淀，保证生产精度和量产稳定性。我们看好技术同源有工艺know-how（如滚珠丝杠/机床丝杠/齿条/轴承/模数齿轮领域）且有高精设备储备的企业切入。同时从供应链关系看，机器人与汽车供应链有强共通性，丝杠作为传动核心部件，直供和间供可能并存，商务能力同样为重要竞争力，我们看好技术与商务双强的本土企业。

减速器:国产化概率较高的旋转运动核心件

应用几何?或搭配谐波与类RV减速器

减速器是机器人旋转传动的核心部件，在动力机构和执行机构间降低转速提高扭矩。工业机器人领域使用谐波减速器、RV减速器、行星减速器的传统悠久，根据特斯拉机器人过往视频展现的能力，我们判断减速器使用谐波搭配类RV方案的概率较大，或在传动效率不高、承载要求不高的环节使用谐波，在传动效率高、有更高承载冲击要求的部位(如腰胯部)使用RV，同时考虑到传统RV体积较大，人形机器人搭载会显得身形厚重，不排除出现新型、结构更紧凑体积更小的RV方案。

1)谐波减速器：体积小传动比大，而负载能力和抗疲劳弱。由柔轮+波发生器+刚轮构成，结构简单、质量体积较小，其传动的核心原理是波发生器旋转带动柔轮产生弹性形变，使得长轴与刚轮啮合、短轴与刚轮脱离，当波发生器顺时针旋转1圈，柔轮逆时针移动2个齿槽的错齿运动，进而完成运动传递。其优势在于：因存在柔轮和刚轮齿数差，有较大减速比范围；同时因0%的啮合齿数实现了%对称位置的同时啮合，在啮合误差平均效应下，有较高的位置精度和旋转精度；此外其啮合齿数多，齿面相对滑动位移很小，有较高传动效率和较低磨损率。但其劣势在于：因为柔轮需不断变形传递扭矩，易疲劳损坏，寿命短，不适合大扭矩和高载荷场景。

2)RV减速器：传动比大承载能力强，而结构复杂。由前级的渐开线行星齿轮+后级的摆线针轮组成，是2级减速结构，前级结构的输入齿轮（太阳轮）与电机相连同步旋转，带动多个较大的行星轮以及曲柄轴转动，实现第一级减速，曲柄轴的偏心部和后级机构的滚动轴承相连，滚动轴承带动摆线轮跟随曲柄轴运动，摆线轮和针齿接触同时做偏心运动，逆时针旋转一个齿数，实现第二级减速，而摆线轮外接输出轴向外传动。其优势在于：RV的啮合齿数更多、两端支撑的输出结构，有更强的承载能力、更高的扭转刚度、更大的传动比，两级传动结构也带来更大减速比，同时其摆线针轮的传动件接触应力小且刚度高，易实现高精度从而有高传动效率、高抗疲劳性。其劣势在于，结构复杂加工难度高，量产标准化难度和加工精度要求高。

)行星减速器：包括行星架、内齿轮和若干滚子，行星架开设内圈外滚道，内齿圈开设外圈内滚道，行星架和内齿圈通过若干个滚子转动连接。人形机器人的准直驱关节一般采用高扭矩密度电机和低减速比行星齿轮减速器，但受行星减速器齿轮啮合回查影响，其运动精度较低。

壁垒与机遇何在？非量化指标决定know-how为核心竞争力

非量化经验指标或为减速器核心考量指标。减速器产品选型的性能指标包括减速比、传动精度、传动效率、扭转刚度、转矩指标、寿命指标、噪音等，我们单从量化数据对比，国内主要企业与日企在RV减速器的转矩上有差异、在谐波减速器的减速比范围、转矩、寿命上有差异外，其他指标并无太大差异。而从竞争格局看，日企仍占据国内减速器市场的头部，根据华经产业研究院，21年我国机器人谐波减速器市占率第一第二分别为哈默（5.5%），绿的（24.7%），我国机器人RV减速器市占率第一第二分别为纳博（51.8%），环动科技（15.1%）。我们认为主要系非量化经验指标也为减速器产品选型的重要指标，虽产品量化参数差异不大，但实际应用中，减速器在高强度复杂环境工作下，可能面临易疲劳、噪声大、升温、实际寿命短等不稳定问题，导致市面有较多减速器产品，而主机厂选择和复购的范围有限，进而导致后来者抢占份额较慢。

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