随着人工智能技术的发展，人形机器人的研发受到了广泛的关注。而作为关键核心运动部件的行星滚柱丝杠，在机器人关节的构成中起到关键作用。机器人关节参考人体关节结构，通过连杆和枢纽进行机械模拟，通过手臂、腿上的线性执行器对关节进行操控，模拟人类四肢运动，操纵关节的线性执行器。

特斯拉Optimus作为一个人形机器人，在其14个线性关节中使用了行星滚柱丝杠。每个关节所使用的行星滚柱丝杠的价值将达到1.5万元，而到2030年，人形机器人市场上的行星滚柱丝杠市场空间将约为268亿元人民币。

丝杠：直线传动精密部件

丝杠是将旋转运动转换为直线运动的精密传动部件，行星滚柱丝杠性能最优。根据结构不同，丝杠可分为梯形丝杠、滚珠丝杠和行星滚柱丝杠，行星滚柱丝杠是丝杠所有品类中性能最优异的子类。我们测算，以智能汽车、人形机器人为主的新需求有望拉动国内丝杠市场规模由173亿元（2023年）增长至747亿元（2030年）。国内可成熟供应丝杠前道设备，但后道核心设备数控螺纹磨床的国产化率低，特别是生产高端丝杠的高精度螺纹磨床基本完全依赖进口。在丝杠行业迎来大规模扩产需求、进口设备产能紧缺的背景下，国产前道设备商收入增速有望提高，后道设备国产替代进程有望加快。

机器人线性执行器主要由行星滚柱丝杠、伺服电机，传感器和结构件组成。其中上肢左右手臂各三个线性执行器，下肢单腿各4个线性执行器，故单台人形机器人预计搭载14个线性执行器。由于相关部位既要保持小巧紧凑的结构，又对力距的要求较高，所以行星滚柱丝杠在整套执行器机构中，起到核心关键的作用。

标准式行星滚柱丝杠主要由丝杠、螺母、滚柱、内齿圈及保持架等部分组成，它主要是依靠 多个滚柱与丝杠、螺母之间的螺纹啮合传动来将伺服电机的旋转运动转化为直线运动，其滚 柱通过保持架均匀的分布在丝杠、螺母之间，为了防止滚柱相对于螺母发生轴向窜动的现象， 保持架与螺母之间轴向方向相对固定，另外滚柱两边加工有直齿轮，目的是为了避免滚柱相 对于螺母的滑动而产生零件偏斜现象。当丝杠旋转时，滚柱通过与丝杠之间的螺纹啮合一方 面会沿着丝杠轴线方向作直线运动，另一方面会在丝杠、螺母之间作行星运动，而螺母则通 过保持架使其与滚柱之间无相对轴向位移，因此螺母与滚柱保持着相同的轴向移动速度。

相较其他直线机构，行星滚柱丝杠具有大承载、长寿命、响应速度快和小体积等优势；相较 滚珠丝杠，滚动丝杠的承载能力主要取决于滚动体之间接触面的曲率半径，接触点数目以及 接触面硬度与光洁度。在相同接触表面硬度、光洁度与精度的条件下，滚柱丝杠比滚珠丝杠 具有更多的接触点，滚柱接触面的包络圆曲率半径亦远大于滚珠丝杠钢球的曲率半径，这就 决定了滚柱丝杠比普通的滚珠丝杠具有更高的承载能力。

行星滚柱丝杠具有高精度，高刚性，高速度，低噪音长寿命等诸多优点。不仅可用于人形机器人关节，还可广泛应用于自动化设备，汽车制造，航空航天，智能工业机器人，石油化工，军工，核工业及光学测量等领域，应用前景十分广阔。

在数控机床领域，行星滚柱丝杠可以实现高精度定位和移动，提高加工精度和效率。而在机器人领域，行星滚柱丝杠可以实现高精度运动控制，使机器人可以快速、准确地完成复杂任务。

此外，在制造设备和精密仪器领域，行星滚柱丝杠也起着关键作用。目前，行星滚柱丝杠市场的竞争格局主要集中在欧洲和美国等地，国内企业起步较晚，规模较小，主要依靠海外进口来满足国内市场需求。

但是，随着国内企业加速布局，国产行星滚柱丝杠的市场份额也有望得到提升。行星滚柱丝杠市场的机会在于国内企业加速布局以及国产替代的推动。

行星滚柱丝杠技术壁垒较高

国产突破不易

行星滚柱丝杠副的技术壁垒主要体现在：

1）加工精度：行星滚柱丝杠副是通过螺纹啮合来实现精密传动，因此滚道表面粗糙度宜采用较高精度等级。同时，行星齿轮的 齿形较小，为了保证行星滚柱丝杠副的装配精度，齿轮副的也应采用较高加工精度等级。

2）工件材料：行星滚柱丝杠副在工作时，丝杠、滚柱及螺母的螺纹滚道会受到连续性、周期性和频繁的振动、冲击及摩擦，导 致丝杠副的温度升高，且随着转速和承载的提高，温升会显著增大，最终导致滚道磨损、蠕变松弛、热变形、疲劳、屈服等。 因此，应选择硬度高、耐磨性强、抗疲劳性强、承载力高、温度适应性较好、切削性能及经济性较好的材料。

3）表面热处理：分为预备热处理和最终热处理两大类。预备热处理可以改善丝杠切削性能、消除残余应力；最终热处理可以提 高螺纹的表面硬度及耐磨性。目前，国内高转速、高承载的精密行星滚柱丝杠副精度及可靠性差是制约热处理发展的重要因素； 不当的热处理工艺会使行星滚柱丝杠副的寿命降低。

4）磨削工艺：行星滚柱丝杠副承载能力较大，且其螺纹牙经过热处理后硬度较大，因此螺纹加工采用磨削方法。螺纹磨削利用 砂轮替代车刀、铣刀进行加工，因此磨削精度受磨削工艺参数、砂轮参数、磨削力与磨削热、磨削液的选用及数控磨床综合性 能等因素的影响。

目前，中国大陆丝杠厂商仅在中低端市场有所突破，中高端市场国产化率提升空间大。2022年，中国大陆厂商占国内高端滚珠丝杠市场 5%，占国内中端滚珠丝杠市场的30%。Ewellix（伊维莱）、Rollvis、GSA、博世力士乐四家欧洲厂商占据国内行星滚柱丝杠市场约78%的份额。

中国大陆丝杠厂商尚未实现中高端突破的原因在于加工工艺不成熟、加工高端丝杠的核心设备自主化率低、国产原材料质量较差。国产厂商位于国内丝杠市场第三梯队。

第一，对加工工艺理解程度不深，同时缺乏终端龙头厂商的反馈。日、欧厂商对滚珠丝杠和行星滚柱丝杠的研发可追溯到 20世纪30年代，而国内最早从20世纪60年代开始研发滚珠丝杠，对行星滚柱丝杠的研发在2000年以后才开始，因此对于加工工艺的积淀较浅。

第二，高精度加工设备国产化率低，海外设备价格贵、交期长限制国内丝杠厂商扩产。目前，加工高端丝杠的核心设备的国产化率低。海外设备价格高昂使得丝杠厂商生产成本高企。海外设备商的交期延长造成设备紧缺，限制了国内丝杠厂商的扩产。

第三，原材料纯度低、热处理工艺不成熟导致国产丝杠生产过程中废品率高，实际使用过程中容易接触疲劳失效。

国内丝杠产业高端突破的核心要素：（1）通过对材料学、摩擦学等底层基础学科进一步精进以及通过终端龙头客户反馈进行技术迭代的方式来提升丝杠加工工艺水平。（2）高精度加工设备国产化，打破海外设备产能与交期对国内扩产的限制。（3）国产原材料纯净度提升。

下游需求高增 2030年我国丝杠行业有望达747亿元规模

根据开源证券测算，2023年国内丝杠市场规模约173亿元，以人形机器人产量达到100万台假设，2030年国内丝杠市场规模有望增长至747亿元。

1、汽车智能化升级 2030年国内车载丝杠市场有望增长至389亿元

线控底盘是汽车智能化浪潮下的黄金赛道，其中最为关键的线控转向和线控制动系统目前均使用滚珠丝杠。线控制动、线控转向、电子驻车系统渗透率提升以及更高价值量的行星滚柱丝杠对滚珠丝杠的替代将共同推动汽车用丝杠市场规模扩大。

开源证券测算，2023年，国内应用于乘用车线控底盘的丝杠市场规模预计为75.8亿元，2030年有望增长至388.9亿元。

2、特斯拉人形机器人有望为行星滚柱丝杠带来百亿新市场

根据特斯拉2022 AI day发布会以及我们的预计，特斯拉人形机器人单机14个线性执行器中各使用1根行星滚柱丝杠，12个灵巧手内的空心杯关节各使用 1根微型行星滚柱丝杠。

开源证券预计，当特斯拉人形机器人产量达到100万台时，单根行星滚柱丝杠价格约降至907元，单根微型行星滚柱丝杠价格约降至302元，此后产量增加价格基本不再下降。当产量达到100万、200万台时，所需行星滚柱丝杠市场规模分别达到 163亿元、327亿元。此外，滚珠丝杠在工业机器人、移动机器人市场也有应用。

3、机床产业高端化升级有望拉动机床用滚珠丝杠市场规模翻倍

滚珠丝杠是数控机床核心零部件，通常安装在高精度数控机床的直线轴中。如五轴联动机床由3个直线轴和2个旋转轴构成，一般会在 X、Y、Z轴分别安装一个高精度滚珠丝杠。

开源证券测算，2023年我国机床用滚珠丝杠市场空间约为97亿元，2030年有望增长至 190.6亿元，市场规模翻倍。

4、工程机械电动节能化趋势助力行星滚柱丝杠渗透率提升

工程机械、注塑机电动化、节能化趋势推动行星滚柱丝杠电动缸对液压缸的替代。工程机械领域长期使用液压缸作为液压系统中将液压能转变成直线、摆动往复式机械运动的一种重要执行元件。行星滚柱丝杠电动缸是液压缸和气动缸的技术升级产品，更清洁、能效更高并且消除了液压系统中高压油易泄露的风险，在高空作业平台、叉车、挖掘机等工程机械上被逐步推广使用。

以挖掘机、叉车代表行星滚柱丝杠在工程机械领域的主要下游，测算得2023年国内工程机械行业用行星滚柱丝杠市场约2500万元，到2030年有望增长至3.76亿元。

5、其他要求精准直线运动的领域：医疗、半导体、航空航天等

除了以数控机床、机器人、注塑机为代表的自动化行业，以叉车、挖掘机为代表的工程机械行业以外，滚珠丝杠以及行星滚柱丝杠也应用在医疗器械、半导体设备以及航空航天等对线性驱动的精确性、准确程度要求极高的领域。

1）医疗：影像设备、眼科、牙科检测设备等。

2）半导体：光刻机（光刻机驱动平台通常使用P1级别精密滚珠丝杠+光栅驱动）、焊线机（P1-P2级滚珠丝杠）、测试探针台（P1-P2级滚珠丝杠）等。

3）航空航天：航空航天工况呈现出很强的非常态性，比如强过载，要求精密丝杠副在数倍甚至十倍以上的额定载荷下正常运行；高可靠性，保证无润滑条件下长期运行等。因此，行星滚柱丝杠在很多应用领域对滚珠丝杠进行替代。中国航天科技集团 7 院、中国运载火箭技术研究院也分别在 2010、2011 年开始着手行星滚柱丝杠的研发。