机械一周解一惑系列：丝杆与直线导轨：高精密直线运动核心部件

本周关注：长盛轴承、秦川机床、华中数控、精测电子、巨星科技本周核心观点：关注人形机器人产业催化及通用复苏 丝杆与直线导轨：高精密直线运动核心部件。丝杆是一种机械传动元件，通常用于将旋转运动转换为线性运动，主要由丝杆和螺母两部分组成。目前市场主流产品包括滚珠丝杆、梯形丝杆与行星滚柱丝杆。直线导轨要由导轨和导向块两部分组成，导轨一般由钢或铝等材料制成，而导向块则一般由滑块、滑板等部件组成，通过在导轨上滑动实现对工件的定位和运动控制。丝杆与直线导轨广泛应用于数控机床、自动化生产线、医疗器械、机器人、半导体等高精密机械等领域。 滚珠丝杆：高精密丝杆代表，2022年预计全球近20亿美元，中国近30亿元。滚珠丝杠组件由内螺纹螺母和螺杆组成，当滚珠丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动。国内将滚珠丝杠分为定位滚珠丝杠副(P)和传动滚珠丝杠(T)两种，精度等级主要分为七个等级，即1/2/3/4/5/7/10级，1级精度最高，依次逐渐降低。国外产品一般不分传动还是定位，一律以C0~C10或具体数值表示，一般来说，通用机械或普通数控机械选C7（任意300行程内定位误差±0.05）或以下，高精度数控机械选 C5 （±0.018）以上C3（±0.008）以下，光学或检测机械选C3以上。目前全球主要的滚珠丝杆厂商有NSK、THK、SKF等，CR5市占率达到约46%，日本和欧洲滚珠丝杆企业占据了全球约70%份额。国内主要玩家包括中国台湾的上银、银泰，中国大陆的汉江、南京工艺，德国的力士乐以及日本的THK、NSK。在中低端滚珠丝杆领域，中国台湾和中国大陆的企业已经实现了大规模的国产替代，而在高端市场领域，德国和日本的头部占据了90%的份额，国产化空间较大。 行星滚柱丝杆：丝杆里的塔尖，2022年全球规模约6.5亿元，国内约1.1亿元，欧洲企业占绝对优势。行星滚柱丝杆以丝杆旋转作为驱动，通过丝杆与滚柱之间的螺旋运动，由滚柱带动螺母做直线运动，行星滚柱丝杆主要由丝杆、螺母和滚柱组成。行星滚柱丝杆承载力强（比同规格滚珠丝杆副高出3倍以上，最高超过10倍）、体积小（在相同载荷的情况下，行星滚柱丝杆体积比滚珠丝杆小1/3的空间）、精度高（315mm行程下，导程精度KL5=±0.005mm，导程精度KL10(标准)=±0.01mm）。但目前行星滚柱丝杆价格较高（国内均价约1.1万元/支）导致目前需求场景并不多，参考IHS Market预测，2022年全球行星滚柱丝杆市场规模约6.5亿元，国内约1.1亿元。目前全球参与市场竞争的厂家主要有：SKF、Rollvis、GSA、Rexroth、CMC、南京工艺、济宁博特、优仕特等。 直线导轨：常见的线运动装置，2020年全球20亿美元，国内约5.2亿美元。参考QY Research预测，2020年全球直线导轨市场达到20.1亿美元，预计2027年将达到28.6亿美元，国内2020年约5.16亿美元，预计到2027年将达8.21亿美元。目前国内直线导轨的高端市场被瑞士施耐博格、德国INA、力士乐、日本NSK、THK等品牌瓜分，中端市场则主要是中国台湾上银和银泰的天下，国内主要企业有高新凯特、南京工艺、山东博特、汉江机床等，但整体实力与海外差距较大。 投资建议：建议关注布局滚珠丝杆领域的鼎智科技、秦川机床、贝斯特、长盛轴承、恒立液压等。 风险提示：行业需求偏弱风险、生产设备及原材料采购风险。 1丝杆与直线导轨：高精密直线运动核心部件 1.1丝杆工作原理及特点 丝杆是一种机械传动元件，通常用于将旋转运动转换为线性运动。它主要由丝杆和螺母两部分组成。丝杆是一种具有螺纹母线的长条状零件，而螺母则是一种外部具有螺纹母线的零件。螺母可以通过转动丝杆来移动沿丝杆的方向。 1.1.1丝杆的工作原理 丝杆与螺母的工作原理类似于螺旋桨，它们的旋转运动将转换成直线运动。通过控制电机或手摇轮的旋转，可以随时调整螺母所在的位置，从而达到控制设备的目的。这种转换特别适用于需要获得精确定位的设备或机器人。 丝杆一端具有螺纹，并与螺母套在一起。当丝杆旋转时，螺母将移动，从而将旋转运动转换为线性运动。螺母通常由塑料或金属制成，并具有内部螺纹，以便与丝杆的螺纹相匹配螺母可以通过支架或支柱固定在需要的位置，从而实现控制机器人或设备。 丝杆的工作原理相对简单，但它需要合适的力来保证螺母与丝杆之间的摩擦力不大，从而实现滑动移动。此外，丝杆还应具有足够的刚度和强度，以便在运动时不会产生变形和弯曲。 1.1.2丝杆的特点 丝杆具有多种特点，使其在机械传动中被广泛应 1）较小的滑动摩擦系数：丝杆和螺母之间的滑动摩擦系数相对较小，从而确保线性运动的平顺性和精度。由于滑动摩擦系数很小，因此可以更轻松地将螺母沿着丝杆移动，从而减少对电机或手摇轮的功率需求。 2）高效率：丝杆的传动效率高，因为它将旋转运动转换为线性运动并消耗较少的能量。丝杆的高效率可以使机械传动更加稳定和可靠。 3）长寿命：丝杆的操作和使用寿命长，因为它们采用钢或其他坚固的金属制造而成。丝杆的坚固和耐用性可以减少设备故障和维修成本。 4）可逆转：丝杆的方向可以自由调整，从而让设备可以适应不同的操作需求。 丝杆的可逆性使其可以在不改变传动系统的前提下灵活适应不同的应用 5）易于控制：丝杆的控制非常简单，因为它们可以通过电机或手动轮控制。 这种控制程序可以通过编程或其他电子手段自动化，从而进一步提高设备的生产效率和精度。 丝杆作为一种机械传动元件，已被广泛应用于各种生产过程中，由于其具有低滑动摩擦系数、高效率、长寿命、可逆和易于控制等优点，因此是非常理想的传动元件之一。现今，丝杆在机场、轨道交通系统、自动化设备、机器人、制造系统等行业中得到广泛的应用。 1.2丝杆的分类及对比 1.2.1丝杆的分类 常见螺纹丝杠可分为三角螺纹、梯形螺纹、滚珠丝杠与行星滚柱丝杠四种。 1）三角螺纹丝杠：又叫普通螺纹丝杠，牙型为等边三角形，用于连接紧固。 2）梯形螺纹丝杆：螺旋形式为普通等腰梯形/滑动摩擦，传动效率26~46%，适用于木工机械，包装机械等，国产化率较为充分。 3）滚珠丝杠：滚珠链在丝杠轴与螺母之间做滚动摩擦，传动效率超过90%，广泛用于机床、电子机械、机器人等场景，据智研咨询统计测算，国产化率不足60%。 4）行星滚柱丝杠：据李凯等《精密行星滚柱丝杠的传动特性》，行星滚柱丝杠综合了行星轮、滚珠丝杠、滚针轴承等优点，通过在主丝杠布置若干行星滚柱，大幅增加丝杠传动过程的接触面和受力面，传动效率略低于滚珠丝杠，在润滑条件较好时也可达到90%以上。国内研究应用及规模化量产尚处初期阶段。 表1：滚珠丝杆、滚柱丝杆、梯形丝杆的特点对比 2滚珠丝杆：高精度丝杆代表 2.1滚珠丝杆由丝杆轴与螺母构成 1898年，人们首次尝试在螺帽与螺杆之间加入钢珠，将传统螺杆的滑动接触转换成滚动接触；以滚动摩擦取代滑动摩擦，将螺帽内的钢珠回转运动转为线性运动，将扭矩转换成轴向反复作用力，以此来改善传统螺杆定位不佳及易损害的情况。 在凹槽内部，包含在螺母里的是许多由铬钢制成的小球。当滚珠在螺母中循环时，滚珠在螺杆下方提供平稳运动，导流板或返回系统保持球并使它们通过螺母循环。 滚珠丝杠组件由内螺纹螺母和螺杆组成，螺母的螺旋槽与螺杆的螺旋槽相匹配。当滚珠丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。 图1：滚珠丝杆钢珠运动结构 图2：螺纹螺母和螺杆的螺旋槽相匹配 与电机一起使用时，滚珠丝杠的效率高达90％。它们相当精确，每英尺几千分之一英寸的精度。许多行业都使用滚珠丝杠进行精确控制，包括航空航天，计算机，电子，汽车和医疗行业。 丝杆主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点，所以其在精度、强度及耐磨性等方面都有很高的要求，因此其加工从毛坯到成品的每道工序都要周密考虑。当前，滚珠丝杆是行业主流产品，相比于普通的丝杆（梯形丝杆），其在自锁性、传动速度、使用寿命和传动效率优势明显。 滚珠丝杆副，又称滚珠丝杆、滚珠丝杠、滚珠螺杆。滚珠丝杆是由丝杆轴和螺母组成，而其中螺母又是由钢球、预压片、反向器、防尘器等组成。 图3：滚珠丝杆构成部分 滚珠丝杠是在艾克姆螺杆上的进一步延伸和发展，其重要意义就是将轴承从滑动动作变成滚动动作，常见的滚珠丝杠包括自润式滚珠丝杠、静音式滚珠丝杠、高速化滚珠丝杠以及重负荷型滚珠丝杠等，而从循环方式看，滚珠丝杆包括内循环、外循环两种，其中内循环是指滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触，外循环是指滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触。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。 表2：滚珠丝杆分类、原理及特点介绍 2.2滚珠丝杆精度国标分7级，国际分6级 包括：精度等级、轴向间隙、额定负载、导程、丝杠轴外径和长度等。 1）精度等级（一般所说的精度时导程精度，要求不高时一般选7、8级）：根据使用范围及要求将滚珠丝杠分为定位滚珠丝杠副(P)和传动滚珠丝杠(T)两种，精度等级主要分为七个等级，即1/2/3/4/5/7/10级。1级精度最高，依次逐渐降低。国外产品一般不分传动还是定位，一律以C0~C10或具体数值表示，一般来说，通用机械或普通数控机械选C7（任意300行程内定位误差±0.05）或以下，高精度数控机械选 C5 （±0.018）以上C3（±0.008）以下，光学或检测机械选C3以上。 下表是南京工艺披露按不同用途选择精度等级的示例。“○”标记表示使用较多的精度等级范围。 表3：不同精度滚珠丝杆在下游设备中的应用 表4：不同精度滚珠丝杆在下游设备中的应用（续） 图4：国内精度标准与国外精度对比情况 2）轴方向间隙： 滚珠丝杠的螺母与丝杠轴轴向的间隙值，一般在0~0.12mm左右，轴向间隙影响物体移动的重复精度（一般在0~+/-0.02mm）。 3）容许轴向负载： 容许轴向负载时指相对于可能使丝杠轴发生屈曲的负载，确保其安全性的负载。施加于丝杠轴的最大轴向负载须小于容许轴向负载。 4）容许转速： 滚珠丝杠的转速取决于必要的进给速度和滚珠丝杠的导程，且须小于容许转速。滚珠丝杠的容许转速小于与丝杠轴固有振动一致的危险速度的80%。 5）寿命： 滚珠丝杠的寿命是指滚珠滚动面或任一滚珠因交变应力而产生疲劳，直至开始产生剥落现象时的总旋转次数、时间、距离。 机床：20000小时；自动控制设备：15000小时； 工业机械：10000小时；计量装置：15000小时。 6）导程： 导程为滚珠螺母相对滚珠丝杠旋转一周（2π弧度，即360°）时的行程。常见丝杠导程有：4、5、6、8、10、12、16、20、32、40、50、60、80、100 2.3下游以机床注塑机机械工业为主 从产业链来看，上游是滚珠丝杆原材料及零部件，原材料主要包括钢铁等，下游应用领域是数控机床、电动注塑机、机械行业等。 图5：滚珠丝杆产业链 2.42022年滚珠丝杆全球近20亿美元，中国近30亿元 2.4.12022年预计全球滚珠丝杆市场近20亿美元 近年来，高速、高精及高品质的加工需求不断提升，尤其是在航母航天、汽车工业、模具制造、光电工程和仪器仪表等应用产业，催生了滚珠丝杆更大且更为高端的市场需求。具体来看，根据华经产业研究院数据显示，2021年全球滚珠丝杆市场规模达到17.5亿美元，同比增长6.0%，2015-2021年均复合增速达到6.2%。 华经产业研究院预计2022年全球市场规模达到18.59亿美元 。 根据MarketWatch预测，全球滚珠丝杆市场将在2028年达到30.83亿美元。 图6：2015-2022年全球滚珠丝杆市场规模及增速情况 2.4.22022年预计中国滚珠丝杆市场近30亿元 从国内市场规模来看，中国作为滚