发布时间：2024-08-08 00:45:08 人气：141 次 来源：米乐体育app官方版下载
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。
行星滚柱丝杠依照结构组成及运动关系的不同，可大致分为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(最重要的包含速度、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)四部分所组成。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)三部分所组成。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。
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自于其核心部件的摩擦阻力。最重要的包含角接触轴承(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、常规使用的寿命、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，使用螺纹磨床非常快速地旋转的成型砂轮对加工工件表明上进行高速切削，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。在实际生产的全部过程中，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概能分为静态误差、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。
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。
滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成。是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件，是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。
滚柱丝杠磨制精度和成本高，轧制精度和成本较低。根据中捷众创公司官网公众号，滚珠丝杠根据精度等级分为：轧制和研磨级丝杆，轧制丝杆的精度相对低一点，适用于精度要求不是很高的场合；而研磨级丝杆，精度比较高，适合精度要求高的场合。根据螺母中的滚珠循环方式，可大致分为外循环、内循环、端盖式。端盖式是比较早期的结构，缺点比较明显，现在应用较少。
根据中捷众创公司官网公众号，滚珠丝杠选型包括：1、丝杆轴径2、导程3、精度4、预压等级。丝杠选型过程，首先根据应用场景选择合适的丝杠类型，确定精度等级和预压等级。然后根据负载的大小，确定滚珠丝杆的轴径。第三步根据负载需要的移动速度，确定导程，最后确定导程之后，再根据推力和导程的关系式，确定驱动电机要提供的转矩。
根据 HIWIN 上银，滚珠丝杆精度参数表示主要是 2 个，1.任意取有效螺纹300mm的最大幅度导程误差容许值。2.一般则是用丝杆螺纹长度内任取 300mm 的累积导程误差。
磨制滚柱丝杠精度高达到 P1 级，非常适合给高精度设备做定位部件。冷轧滚珠丝杠生产效率高，但精度低，总停留在 P7 级左右，只能在设备中做传动部件。根据创威达公司官网，轧制滚珠丝杆交货期快捷。研磨滚珠丝杆特点是加工精度高，交货期缓慢，同品牌相比较，比轧制丝杠单价高。
磨削滚珠丝杠是按照基准统一原则，以两端中心孔为加工工艺工序基准，通过热处理、车削、磨削等几十道工序逐一完成。冷轧滚珠丝杠是采用冷加工工艺模具制造，开模工艺自动化程度高，批量生产后成本低，效率高。
行星滚柱丝杠在承载、刚度、精度、小型化方面均优于滚珠丝杠。由于螺纹传动结构的存在，使得行星滚柱丝杠副具备以下优势。(1) 高承载能力、高刚度。安装空间相同时，滚珠丝杠副由于滚珠直径的限制，滚珠与丝杠滚道之间的啮合点数量远小于行星滚柱丝杠副中滚柱螺纹与丝杠螺纹间的啮合点数量，而啮合点数量增多会使得丝杠副承载能力变强。(2) 实现小导程精密传动。(3) 所需工作空间小。
行星滚柱丝杠具备多副、多体、多点优势，性能优于滚珠丝杠等一系列传动装置。相比于传统的滚珠丝杠传动，行星滚柱丝杠传动呈现多副(螺纹副和齿轮副)、多体(多个零件参与啮合传递运动和动力)、多点(螺纹副多点接触)的啮合特征，故在相同丝杠直径下，行星滚柱丝杠比滚珠丝杠的承载能力提高 6 倍，相同负载下节省 1/3 空间，寿命提高14 倍，工作环境温度范围提高2倍。采用行星滚柱丝杠作为传动机构的 EMA 与采用滚珠丝杠的EMA 相比，相同推力下重量减少 30%，相同重量下推力提升 50%。根据亿诚欧特官网，标准滚柱丝杠驱动可实现超过130吨力的动态负载能力（单驱动能力超过液压缸）。
丝杠寿命与额定载荷正相关，与实际工作载荷、转速负相关。根据勃曼工业官网，滚珠丝杠寿命计算公式为： L10 = (C / P)³ x 【1 / （60 x n）)】x 10⁶ 其中，L10 为滚珠丝杠的寿命，单位为米； C 为额定基本动载荷，单位为牛顿（N）； P 为实际工作载荷，单位为牛顿（N）；n为转速，单位为转每分钟（RPM）。根据天誉科技官网，单螺母行星滚柱丝杠理论寿命为L10=(C/ F)³ x 10⁶，C 为额定动载，F 为单螺母含齿隙的加权平均负载，单位均为N，L10为理论寿命的转数。
加工精度差会导致载荷分布不均，进而导致寿命降低，其中主要发生在滚柱上。由于反向式行星滚柱丝杠（IPRS）上所有螺纹同时参与啮合，接触点多，在承受轴向载荷时会产生载荷分布不均的问题。当 IPRS 载荷分布不均现象严重时，会导致其传动精度及使用寿命大大降低。IPRS的失效形式分为 3 种：偶然失效，磨损失效及疲劳失效。在润滑良好的情况下，接触表面疲劳失效是机构失效的主要原因。从断裂力学的角度来看，表面疲劳破坏通常经历裂纹萌生和裂纹拓展两个阶段。通常裂纹的萌生寿命是构成接触面全寿命的主要部分。IPRS 的接触疲劳破坏主要发生在滚柱上，其次发生在丝杠上。
特斯拉机器人 Optimus 躯干共有 28 个关节，旋转关节和直线 个。每个关节对应一个执行器，此外手部有 12 个执行器。根据 2022 年特斯拉 AI Day 直播显示，我们对28个执行器位置和数量进行预计，大臂关节相当于“肱二头肌”，共 2 个，腕关节共4 个，每条大腿前后侧各一个，共 4 个，每个小腿各 2 个，共 4 个。机器人能拿起约 9 公斤重物体，可以使用工具，实现精准抓取小部件。
通过仿真模拟，考虑成本和重量两个因素，选出每个关节执行器最优解。根据2022年特斯拉AI Day 直播显示，在设计关节驱动器时，最重要的事情就是确定驱动器的工作范围。首先对于机器人的工况做了假设，针对这些工况进行了仿真，在仿真中模拟出了机器人在各种情景下关节的输出力矩。之后将输出力矩投影到了关节驱动器的效率图中，采用的是市面上可以买的标准品电机+减速机，之后根据不同的电机和不同减速比减速器组合，最终组合出十几万种结果，红色的曲线就是系统成本和重量的最优曲线，再选出最合适的电机与减速比方案。之后将全身所有关节都做这样的分析，可以得到全身关节的最优组合。
从局部最优进一步到整体最优，28 个躯干关节最终选出 6 款执行器。为了降低生产成本，对执行器数量进行了精简，即从局部的成本与重量最优，到全身的成本与重量最优。最终特斯拉选择出了三款旋转关节，三款直线关节，旋转关节的扭矩为 20、110、180Nm，直线N，其中最大的线性执行器可平稳吊起半吨重的钢琴。
直线关节采用倒置行星滚柱丝杠，满足高承载、小型化需求。在高速端，直线关节部分采用了内转子电机和普通的球轴承。在低速端，直线关节部分采用了倒置行星滚柱丝杆，相比于传统的滚珠丝杆，可以承受更大的负载，相比于正置的行星滚柱丝杠优势是小型化。在传感器方面，关节在高速端和低速端都配备了位置传感器以及力和力矩传感器。
根据方元明科技公司官网，行星滚柱丝杠电动缸的体积和重量仍然无法和传统的液压缸和气缸比较，原因就在于其仍然需要“背”着伺服电机来驱动丝杠。从内到外的结构是：螺纹－滚柱组－套筒滑块。如果将这个结构顺序反过来，从内到外为：推杆滑块－滚柱组－螺纹，这就是反置式行星滚柱丝杠。 螺母反置式行星滚柱丝杠的推杆是通过外部的内螺纹套筒旋转驱动的，所以只要能够让套筒旋转就可以推动推杆的直线运动。只需要将套筒外部贴上永磁体，即可让内螺纹套筒作为伺服电机的转子，在定子线圈的磁场作用下，就可以让套筒旋转了，省去了原来在伺服电机和缸体之间的传动机构，提升了传动效率的同时，还极大了减少了电缸的体积和重量，但价格和质量要求也更高。
根据不同关节承载力需求和体积大小，特斯拉小、中、大三种型号线性执行器中，我们预计大腿 4 个为大型号，大臂为 2 个中型号，小腿和腕部共 8 个小型号。
（一）恒力液压：21 年定增布局线性驱动器，兼具滚珠丝杠与行星滚柱丝杠
2021 年 9 月公司发布非公开发行股票预案，恒立墨西哥项目、线性驱动器项目、通用液压泵技改项目等项目，22 年底募集资金 20 亿元，截至公司 2022 年年报，项目均在稳步推进中。
公司精密磨床包括螺纹磨床、蜗杆磨床、外圆磨床等，其中螺纹磨床可用于滚珠丝杠副、螺杆副、精密蜗杆等产品的加工，多项产品填补了国内空白，磨削精度可稳定达到P1级。秦川机床所属汉江机床生产 2 级、3 级精度的滚珠丝杠、直线导轨，有较高的精度保持性，完全可以满足中高档数控机床的要求，其滚动功能部件包括高精度滚珠丝杠副、行星滚柱丝杠副等近十种产品。近年来公司通过自主研发及制造，对螺纹磨床系列产品的高效升级改造，公司丝杠产品精加工水平得到有效的改善，丝杠产品由 P1 级提升到 P0 级，精度水平达到国际先进水平。子公司汉江机床的丝杠产品精加工全部为其自主研发制造的螺纹磨床。
（三）鼎智科技：微型行星滚柱丝杆里程碑式达成，线性执行器市占率全球第二
公司线性传动产品包括滑动丝杆、滚动丝杆，行星滚柱丝杆。公司在微型行星滚柱丝杆的研发与生产上已有里程碑式达成。在线性执行器方向公司最主要的竞争对手是美国海顿科克，目前公司在全球市场占有率排名第二，在国内市占率已经超过对方成为第一。公司的丝杆螺母目前完全自主生产，包括设计、工艺、模具、注塑等。 对于高效率、高精度、更长寿命的应用场合，鼎智可以根据客户能接受的合理费用为电机选配不同规格的滚珠丝杆，C7 是标准精度等级，有 C5/C3 精度等级可选。
公司表示于 2020 年 2 月份正式取得特斯拉供应商代码，成为特斯拉合格供应商，且双方已签订相应的《汽车零部件产品及服务框架合同》，公司向特斯拉供货的产品为部分汽车零部件精密小件。 宇华精机成立于 2022 年初，是贝斯特全资子公司，其承载了落实公司“高端装备核心滚动功能部件研发及产业化项目”的战略使命，该项目将引进生产及检测等进口设备约300台套（其中研发设备 70 台），配套软件及系统、公辅设施等 30 余套。项目建成后，主营产品包括高精度滚珠丝杠副、高精度滚动导轨副等，将瞄准高端机床领域、半导体装备产业、自动化产业三大市场进行大力开拓。
根据公司投资者关系活动记录表，公司滚珠丝杠产品主要使用在于商用车变速箱，乘用车制动、转向及驻车系统，暂未应用在人形机器人上，但具备相关的生产能力，将把开发机器人市场提到重要工作日程上。2022 年 9 月，公司发布定增预案，拟募集资金不超过4.46 亿元，其中包括扩建年产自润滑轴承 1.67 亿套、滚珠丝杠 3 万套项目。
公司在互动易表示公司产品已在工业减速器中大范围的应用，了解到滑动轴承产品在人形机器人的精密减速器中的应用机会，计划开发对应的产品以拓展相关业务。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
