行星滚柱丝杠：工业高精技术集成，人型机器人核心线性关节，国产替代前景广阔 | 多维研究
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财经
2024-07-22 08:15
上海
行星滚柱丝杠技术则作为一种整体上更优的替代方案。传统的滚珠丝杠组件能够为工业机械提供相对精确的直线运动，且成本略低。然而，这一表面上的优势被其在精度、动态性能以及体积庞大等方面的局限所抵消。因此，现代设计师常常发现很难将它们融入当前机械越来越紧凑的结构设计中。行星滚柱丝杠技术具有更优异的承载能力、更精确的定位、更高的功率密度以及始终如一的可靠性，并且使用寿命呈指数级增长。行星滚柱丝杠有几种不同类型的分类，包括标准式、反向式（倒置式）、循环式、轴承环式和差动式，每一种类型都有其特定的特点和适用场景。资料来源：《行星滚柱丝杠传动精度分析与设计_柯浩》行星滚柱丝杠领域工艺壁垒>设备壁垒>设计壁垒>材料壁垒。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，故优化螺纹的加工技术是提升行星滚柱丝杠整体性能的关键。在实际生产加工过程中，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。• 丝杠刚度较低，加工过程中弯曲变形，并且容易产生振动，造成螺距误差；• 工作台伺服电机的齿轮减速机构本身存在制造精度砂轮在磨削过程中的损耗和接触变形的导致控制系统发出的信号并不能完全转化为所要求的理想进给量；• 砂轮在磨削过程中的损耗和接触变形的导致控制系统发出的信号并不能完全转化为所要求的理想进给量• 砂轮的接触点位置在不断变化，丝杠的温度分布不均，加工过程中80%热量被丝杠吸收产生热变形，对加工精度造成极大的影响。磨削是高精度丝杠螺纹的主要加工方法，磨削精度的提升直接决定着丝杠的精度的提升。行星滚柱丝杠螺纹制造工艺方法主要为成型加工，例如目前应用于丝杠副螺纹制造技术主要有磨削技术、滚轧成型和旋风铣削技术三种。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。磨削核心设备是高精度磨床，螺纹磨床精度已跟上，但核心数控系统仍采用国外产品。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。数控系统是螺纹磨床提高精度的关键，但目前高档数控机床配套的数控系统由发那科、西门子等境外厂商所垄断。采用国外数控系统前提下，国产磨床加工精度已达P1及以上精度。行星滚柱丝杠的材料选取决定结构刚度，直接影响形变误差。提高结构的刚度和强度，最有效的途径是选择弹性模量和强度高的材料。材料在行星滚柱丝杠设计具有很重要的作用。行星滚柱丝杠中丝杠选用的材料为合金结构钢42CrMo，螺母和滚柱材料为高碳铬轴承钢，材料壁垒不高。在替代国外进口产品以及未来全电动装备发展中，行星滚柱丝杠存在着巨大的市场应用前景。行星滚柱丝杠作为精密传动零件，国内制造设备虽能达G5级精度，但受限于加工技术、材料、热处理及检测手段，难以规模化生产，影响了其商业化进程。然而，鉴于其在数控机床、机器人、汽车、石油和医疗设备等领域的显著优势，以及对进口产品的潜在替代能力，行星滚柱丝杠拥有广阔的市场前景，尤其是在全电动装备的未来发展中，预期将成为关键技术之一，推动相关行业的升级与革新。克服制造瓶颈，提升产能，将是实现这一潜力的关键。1）人形机器人：预计2030年人形机器人需求量约177万台，全球市场空间有望达1692亿元。单台需14个行星滚柱丝杠，假设行星滚柱丝杠单价约1080元/个，则单台人形机器人所用行星滚柱丝杠价值量达1.5万元，占比19%，2030年人形机器人领域行星滚柱丝杠市场空间约268亿元人民币。2）在机床设备、机器人/自动化、医疗器械/光学仪器等领域替代滚珠丝杠：根据Verified Market Research，2022年全球滚珠丝杠市场规模约18亿美元（约合129亿元人民币），预计到2030年将达28亿美元（约合201亿元人民币），2023-2030年CAGR达6%。3）在汽车、工程机械等领域替代液压驱动：2021年全球液压市场空间达304亿欧元（约合2391亿元人民币）。根据前瞻预测，到了2028年，全球液压产业市场规模预测有望达到836亿美元。电动缸较液压系统具备更好的传动性能、更环保等优势，行星滚柱丝杠电动缸有望成为未来技术主力替代方案。尽管行星滚柱丝杠展现出卓越的性能特征和广泛的潜在应用，国内在此领域的探索相较于国际先进水平起步较晚，研究尚处初级阶段，且未构建起全面的理论与实践体系。核心技术的掌握与制造水准相较于德国Schaeffler、美国Exlar、瑞士Rollvis、瑞典SKF、日本NTN等国际领军企业仍存在显著差距，尤其是在基础理论的深度与完整性方面。这直接制约了我国在行星滚柱丝杠研发与产业化方面的进展。行星滚柱丝杠产业链由上游原材料与零部件供应、中游行星滚柱丝杠制造、下游多应用领域构成。在上游环节，行星滚柱丝杠中丝杠选用的材料多为合金结构钢，螺母和滚柱选用的材料为高碳铬轴承钢;零部件包括丝杠、螺母等关键部件。下游应用场景涵盖了多个行业，从汽车、石油天然气、医疗器械到光学仪器、工程机械、机器人、自动化和机床设备等。在行星滚柱丝杠产业链的参与者中，上游原材料厂商有太钢不锈、酒钢宏兴、久立特材、永兴材料等，零部件制造厂商有苏轴股份、丰禾支承、五洲新春、福立旺、明泰股份、晶品压塑等;中游行星滚柱丝杠制造商有南京工艺、博特精工、新剑传动、优士特等;下游应用领域客户包括特斯拉、傅利叶智能等多个领域的公司。行星滚柱丝杠行业主要上市公司：禾川科技(688320.SH)、贝斯特(300580.SZ)、长盛轴承(300718.SZ)、秦川机床(000837.SZ)、恒立液压(601100.SH)、五洲新春(603667.SH)、鼎智科技(873593.BJ)等从我国行星滚柱丝杠行业的企业入场进程来看，国内行星滚柱丝杠龙头企业南京工艺、博特精工成立时间早于1995年，属于近代国内第一批行星滚柱丝杠企业;贝斯特、秦川机床、新剑传动等老牌机械部件生产企业则于1995-2000年间成立;禾川科技、优士特成立时间相对较晚，于2010年后成立。我国行星滚柱丝杠行业代表性企业入场方式主要有自建生产线、成立控股子公司和并购三种方式。当前，海外行业巨头已成功打造出成熟的行星滚柱丝杠产品体系，不仅在精度控制、维护策略、应用拓展等方面积累了丰富的经验，更是在该领域构筑起了技术壁垒。反观国内，尽管已有若干制造商能初步实现小规模生产，但其产品在传动效率、精度、平稳性及耐用性等关键指标上，与国际一流产品相比仍有不小距离。尤其是针对高速、高精、高负载应用场景的高端行星滚柱丝杠，国内市场仍高度依赖进口，这极大阻碍了本土产业的自主创新与发展。根据王有雪《E公司滚柱丝杠产品营销策略研究》的数据，2022年，国外行星滚柱丝杠龙头制造商Rollvis、GSA和Ewellix的中国市场份额占比分别为26%、26%、14%;中国本土行星滚柱丝杠厂商合计市场份额占比为19%，其中以南京工艺、博特精工为代表，市场份额均为8%。除这些品牌外，美国Moog、英国PowerJacks等厂商也具备生产滚柱丝杠的能力。中国大陆厂商南京工艺、博特精工在产品性能上与境外头部厂商仍有差距，未来有望通过提升产品性能提高市占率。https://bigdata-s3.wmcloud.com/researchreport/2023-08/704c44f216f110c2086569277d6009cc.pdfhttps://bg.qianzhan.com/trends/detail/506/231216-2d4c45c0.html
