丝杠是基于螺旋传动以实现回转运动与直线运动转换的元件，主要有梯形丝杠、滚珠丝 杠和行星滚柱丝杠三种类型。螺旋传动依靠的是螺旋与螺纹牙面之间的旋合，常见为梯 形螺纹的滑动螺旋传动，但由于滑动摩擦产生的磨损较大，这种传动方式已不太能适应 高速高精高效的现代化机械工作要求。滚珠丝杠诞生于 1874 年，其采用的滚动螺旋传动 方式在传动效率、精度等级、容许转速以及寿命等方面相比滑动螺旋传动可谓发生质的 飞跃，因而在 20 世纪中后期汽车、数字控制机床和微电子技术等的快速地发展下获得广泛应用。 近年来，超精密加工、航天航空和武器装备领域的发展推动行星滚柱丝杠成为国内外研 究热点，作为设计精巧的高性能机械传动元件，行星滚柱丝杠产品价值量大、市场具备 较高成长潜力，有能力研发的国内企业有望在该赛道抢占先机。
滚珠丝杠是利用直线滚动轴承原理，实现电机的旋转运动与螺母轴向直线运动相互转换 的精密传动机构。滚珠丝杠主要由丝杠、螺母、滚珠和回程引导装置组成；丝杠属于转 动部件，其上加工有半圆形的螺纹槽滚道用于滚珠滚动。螺母用来固定需要移动的负载 （例如工作台、移动滑块），其内部也有类似丝杠的半圆形螺纹槽，与丝杠上的螺纹槽共 同组成圆形的螺纹滚道。滚珠直接承受载荷，同时作为中间传动元件以滚动方式传递运 动。在丝杠转动时，滚珠组成的滚珠链沿螺纹滚道向前运动，驱动螺母直线运动。为防 止滚珠从滚道内跑出，螺母内还设计有回程引导装置，如回流管和反向器，与螺纹滚道 形成一个闭合的循环回路。
根据滚珠循环方式的不同，可以将滚珠丝杠分为内循环式和外循环式两类。主要区别在 于，内循环式螺母通过反向器组成滚珠循环回路，每个反向器组成一圈滚珠链，而外循 环式螺母的回程引导装置在螺母外部，比如通过回流管组成滚珠循环回路。相比之下， 内循环式螺母的尺寸更小，反向器固定牢靠、刚性好、不易磨损，但缺点是承载能力较 小，且反向器的回珠槽加工复杂，因此价格也更高，适合小导程或丝杠外径较小的应用。 外循环式螺母的尺寸较大，这种结构制造工艺简单、承载能力高，适合大导程或丝杠外 径较大的应用。
精度等级是滚珠丝杠的最主要性能参数之一，业内通常参照国内标准 GB/T 17587.3-2017 和日本工业标准 JIS B 1192-3:2018。精度等级划分的基本原理是传动中实际移动距离与 理想移动距离的偏差，一般用任意 300mm 行程内允许的行程变动量来描述。选用何种精 度的滚珠丝杠需要根据具体的应用要求，一般而言精度等级越高则性能越高，但也意味着更高的技术要求和制造成本。 现行国家标准 GB/T 17587.3-2017 是在国际标准 ISO 3408-3:2006 的基础上改编而来， 将滚珠丝杠分为 0、1、2、3、4、5、7、10 共 8 个标准公差等级，0 级（P0）代表的 精度和性能最高。一般情况下，定位滚珠丝杠（P 型）采用 0 到 5 的标准公差等级， 传动滚珠丝杠（T 型）采用 7 和 10 的标准公差等级。 日本工业标准 JIS B 1192-3:2018 将滚珠丝杠划分为 C0、C1、C3、C5、C7、C10 共 6 个标准公差等级，除 C7 和 C10 等级为普通滚珠丝杠外，其余均为精密滚珠丝杠。 其中，C3 对应的 300mm 行程变动量相当于国内 P2 等级，C5 介于 P4 和 P5 之间。
高传动效率、高精度、高转速以及高轴向刚度等优点突出，广泛应用于数控机床、半导 体、精密磨床等工业设备。传动效率方面，滚珠丝杠以滚动摩擦代替滑动摩擦，其传动 效率可达 90%以上，而大多数梯形丝杠的传动效率低于 70%。精度方面，由于本身工艺 要求较为严格，再加上表面经淬硬处理后粗糙度降低，运行时磨损小，滚珠丝杠精度等 级可达 C3 或 C5，属于高精度传动机构。轴向刚度方面，轴向间隙的存在会导致返程误 差，而滚珠丝杠通过预紧方式可以完全消除轴向间隙，从而轴向刚度较高。转速方面， 大导程滚珠丝杠可以实现 100m/min 甚至更高的进给速度。滚珠丝杠的缺点在于制造难度 较高、价格贵，另外由于无自锁能力，虽然获得了传动的可逆性，但是用于垂直升降系 统时必须增设自锁装置或制动装置。鉴于以上特点，滚珠丝杠常配合伺服电机应用于数 控机床进给系统，应用于汽车制动、转向及驻车系统，以及应用于机器人、半导体设备、 医疗器械、航空和航天等领域。
我国是全球滚珠丝杠最重要的市场之一。根据秦川机床公告，2015 年全球滚珠丝杠市场 规模为 12.23 亿美元，2021 年增至 17.50 亿美元，预计 2022 年全球滚珠丝杠市场规模达 到 18.59 亿美元。中国是滚珠丝杠产品重要的消费市场之一，近年来国内市场规模占全球 规模总量的 20%左右，2015 年我国滚珠丝杠市场规模为 14.31 亿元，2020 年我国滚珠丝 杠市场规模增长至 23.61 亿元，2021 年我国滚珠丝杠市场规模约为 25.55 亿元，预计 2022 年我国滚珠丝杠市场规模约为 27.70 亿元。从市场竞争格局看，目前全球主要的滚珠丝杠 厂商有 NSK、THK、SKF 等，日本和欧洲滚珠丝杠企业占据了全球主要的市场份额。
行星滚柱丝杠是一种基于螺纹啮合和齿轮啮合之复合运动的新型线性传动机构。行星滚 柱丝杠的基本部件包括丝杠、滚柱、螺母和行星支架；行星支架支撑 6~12 个小滚柱均布 于丝杠与螺母之间，在传动过程中滚柱围绕丝杠做行星式运动。丝杠和螺母表面具有三 角形多头螺纹，而滚柱中段加工有牙型或圆弧形单头螺纹、两端为小模数花键或齿轮， 行星滚柱丝杠正是依靠螺纹牙之间的啮合实现了载荷的传递。
根据结构组成和运动特征的不同，行星滚柱丝杠可分为标准式、反向式、循环式、轴承 环式和差动式五种： 标准式行星滚柱丝杠在结构组成上除包括丝杠、滚柱、螺母以及行星支架外，还包 括安装在螺母两端的内齿圈。滚柱两端的齿轮与两个内齿圈啮合，从而确保滚柱与 螺母在运行过程中始终轴向平行。该类型滚柱的非循环式设计可以提供非常稳定的 驱动扭矩，也能提供相对滚珠丝杠更高的转速及加速度，实际应用最广。 反向式行星滚柱丝杠的工作原理与标准式类似。不同之处在于，标准式行星滚柱丝 杠的驱动部件为丝杠，将丝杠的轴向移动转化为螺母位移，滚柱与螺母之间无轴向相对运动。而反向式行星滚柱丝杠的驱动部件为螺母，将螺母的旋转运动转化为丝 杠的轴向移动，滚柱与丝杠间无轴向相对运动。这一设计使反向式行星滚柱丝杠更 便于集成，具有结构紧凑、轻量化、安装方便的显著优势。 循环式行星滚柱丝杠的滚柱表面采用凹槽设计，滚柱的循环通过凸轮来完成。该类 型的优点是结合了极高的定位精度和分辨率，同时增加的螺纹啮合点进一步提高了 负载能力和轴向刚度，缺点是高速运行下较大的振动和噪声问题。适合高精度、中 低速运行，例如应用于精密仪器、精密磨床和医疗器械等精密装备。 轴承环式行星滚柱丝杠的滚柱和螺母表面也有类似循环式的凹槽结构，而非螺纹。 其结构上的最大特点是还包含中间轴承环以及用来固定轴承环的法兰，因而在运动 形式上，丝杠将动力依次传递给滚柱、螺母、轴承环直至螺母外壳，这一点区别于 其他类型行星滚柱丝杠的滚柱直接在丝杠和螺母间传递载荷。轴承环式在高速运动 下能有效减小振动，适合于钢铁业的高速应用，例如轧机。 差动式行星滚柱丝杠的特点是其螺母和滚柱均为环槽设计，通过凹、凸槽啮合实现 传动，结构上比标准式更为简洁。该类型更适应高速重载的工作场合，且在相同体 积下具有更小导程和更大减速比。
行星滚柱丝杠综合性能更为优越，将成为滚珠丝杠在部分领域的主力替代方案。行星滚 柱丝杠标准精度等级为 G1、G3、G5（导程精度：6μm/300mm、12μm/300mm、23μ m/300mm），由于同样利用滚动摩擦，其传动效率与滚珠丝杠相当。两者主要不同之处在于行 星滚柱丝杠以螺纹滚柱而非滚珠来传递负载，更多的接触点以及接触点的特殊几何结构 使得行星滚柱丝杠在承载能力、使用寿命、刚度和强度上都优于滚珠丝杠。另外，行星 滚柱丝杠能将导程设计到 0.5mm 以下，而滚珠丝杠缩小导程不仅要以损失承载力为代价， 还要受滚珠大小的限制。因此，行星滚柱丝杠常应用于高速、重载及高精度场合，在低 温或粉尘等恶劣环境下也能很好适应。
滚柱螺纹及两端齿轮加工构成壁垒，国内生产制造尚处于起步阶段。由于行星滚柱丝杠 独特的传动机制，滚柱零件的螺纹和齿轮加工质量直接决定组件装配难易程度进而影响 整体各方面性能的实现，尤其反向式行星滚柱丝杠螺母内螺纹较长，加工起来难度更高， 很难保证精度。国外多家公司具备成熟的行星滚柱丝杠生产技术，例如瑞士 Rollvis 公司 自 1970 年成立以来致力于行星丝杠的研发，其产品代表当前世界上性能较为领先的直线 传动技术，瑞士 GSA 公司和美国 Moog 公司在该领域也都拥有超过 30 年的生产经验。 相比较而言，国内公司在技术成熟度、产品矩阵丰富性、产品性能以及规模化生产能力 上都与国外先进水平有一定差距。
自动化技术和人形机器人应用成为新增长点，带动未来行星滚柱丝杠成长空间。据 Persistence Market Research 预测，2023-2033 年期间我国滚柱丝杠市场将以 7.5%的年均 复合增长率增长，在 2033 年达到 2610 万美元，约合人民币 1.9 亿元。乐观的市场预期来 源于我国在自动化技术和机器人领域的投资增加，以及国家战略层面对技术创新的重视。
梯形丝杠类属滑动丝杠，利用滑动面传递负载，其螺纹断面为等腰梯形。梯形螺纹分公 制和英制两种，公制即米制，以螺距表示、单位为毫米，英制则以每英寸内的螺纹牙数 来表示、单位为英寸，我国采用公制梯形螺纹，牙型角 30°。虽然相比滚珠丝杠和行星 滚柱丝杠，梯形丝杠摩擦系数大，在传动效率和精度上也远远落后，但是由于其具有轴 向承载力高、能自锁、成本低、维修方便的优点，梯形丝杠也常常在机床、医疗设备、升 降机和工业机器人等机械设备中作为滑动部件使用。
梯形丝杠对生产设备要求较低，一般采用低成本的滚压成型方法，操作简单，国内加工 工艺成熟。另外，梯形丝杠生产制造的一大特点是螺母材料多样，例如以青铜材料制成 可提高载荷，并且具有一定的自润滑作用，或者在尼龙、赛钢、PEEK 等材料中混入特氟 龙（PTFE）能够减少摩擦、提高耐热性。
我国机床进入新一轮 8-10 年的更新周期。自 2001 年我国加入 WTO 以来，贸易额迅速增 长拉动了制造业对机床的需求，产量实现较快速提升。2000-2011 年，我国金属切削机床 产量从 17.7 万台提升至 86.0 万台，复合增速达 15.5%。金属切削机床产量在 2011 年达 到历史顶峰，并在 2012-2016 年保持在 70 万台以上的高水平。随着机床存量快速提升， 2017-2019 年机床行业进入低潮期，呈现逐年下行态势。2019 年金属切削机床产量 41.6 万台，相比 2011 年高点的 86 万台下降 52%；2020 年以来金属切削机床产量呈现底部回 升态势，一方面得益于疫情后我国出口需求拉动并推动制造业迅速复苏，另一方面与机 床更新周期形成共振。2023 年我国金属切削机床产量有所提升至 61.25 万台，同比增长 7.1%。
产业转型及自主可控推动机床行业向中高端迈进。相比于欧洲和日本聚焦中高端路线， 国内机床产品多聚集在中低端，产品趋同，红海竞争；同时国内高端机床产业链配套尚 待健全，基础材料、高性能功能部件竞争力弱，无法满足高端需求，导致用户对国产高 端机床信任度较低。随着我国工业结构的优化升级，对作为工业母机的机床的加工精度、 效率、稳定性等精细化指标要求逐渐提升，中高端产品的需求日益增加。在此大背景下， 我国机床市场的结构升级将向自动化成套、客户定制化和普遍的换档升级方向发展，产 品由普通机床向数字控制机床、由低档数控机床向中高档数控机床升级。
机床核心零部件对外依赖度较高。机床行业已经上升到国家发展战略核心的高度，近年 来我国相继出台多项相关政策加快高端数控机床发展，高端机床国产化进程有望提速。 当前我国高端机床数控系统、传动部件和功能部件等一系列核心零部件主要依赖日本及 德国品牌，国产零部件使用率较低。从长远看，实现中高端机床国产化率提升是实现自 主可控关键。导轨丝杠广泛用于数控机床、铣床、车床等工业自动化设备上。通过导轨 丝杠的精确定位和稳定性，能轻松实现对工件的高精度加工和定位。导轨丝杠可用于调节 工件的高度、位置和角度，从而提高工作效率和生产质量。
单台五轴数字控制机床丝杠价值量约为三千元。以五轴数控机床为例，其中包括三个线性轴 和两个旋转轴，每个线性轴需要搭配一根滚珠丝杠和两根导轨，而每个旋转轴则无需配 备。按国产滚珠丝杠单价 1000 元/根进行测算，单台五轴数字控制机床中丝杠价值量约为 3000 元。根据睿工业数据，2023 年我国金切机床整体市场规模 513 亿元，参考海天精工招股 书，传动系统的价值占机床总成本的 20%左右；预计 2023 年我国整体机床领域丝杠导轨 市场规模近百亿元。
丝杠应用在人形机器人直线执行模组和空心杯模组。直线执行模组由手臂和腿部构成， 覆盖腕、肘、髋、膝、踝共计 14 个关节。每个直线执行器=无框力矩电机+反向式行星滚 柱丝杠+一维力传感器＋编码器，构成了精密而高效的运动控制管理系统。目前 Optimus 根据 不同位置的丝杠承载力不同，有 500N、3900N、8000N 三种规格。在灵巧手中，传统腱 绳驱动结构没办法承受推力且需要弹簧结构复位，刚性、精度较低；未来采用线性执行器 （微型丝杠）驱动手指的方案成为一种可能，微型丝杠本身自带一定的减速效果，不需 要再搭配涡轮涡杆，实现更长的寿命和更高的可靠性。
单 BOT 丝杠价值量约为 36200 元。根据特斯拉 AI Day 发布会展示的解决方案，每个直 线执行模组则配置了一根行星滚柱丝杠；在灵巧手模块中，线性微型丝杠方案驱动或成 为一种可能性，假设每个空心杯电机模组均搭载了一根微型丝杠，总计单 BOT 需要 26 根丝杠；结合国产厂商定价，我们假定行星滚柱丝杠的价格为 2500 元/根，微型丝杠价格 为 100 元/根，经过测算，单 BOT 的丝杠价值量约为 36200 元。
我们对特斯拉人形机器人丝杠的未来空间进行测算，参考上述测算及产业链相关情况， 假设目前丝杠单 BOT 价值量约为 36000 元，并随量产规模价格递减。 根据测算结果，在特斯拉 Optimus 量产达到 10/50/100 万台时，预计丝杠的单 BOT 价值 量分别为 36000/28000/18000 元；对应的市场规模分别为 36/140/180 亿元。
恒立液压成立于 2005 年，从液压油缸制造发展成为集液压元件、精密铸件、液压系统等 产业于一体的大型综合性企业。公司在中国、德国、美国、日本、墨西哥分别建有液压研 发中心与生产制造基地，技术水平和生产规模已跻身于世界液压领域前列。液压元件及 系统作为大型机械核心传动装置，公司液压产品下游应用机械包括：以挖掘机为代表的行走机械、以盾构机为代表的地下掘进设备、以港口机械为代表的海工海事机械、以高 空作业平台为代表的特种车辆、以及风电太阳能等行业与领域。下游客户包括：美国卡 特彼勒、日本神钢、日立建机、久保田建机、三一、徐工、柳工、中铁工程、铁建重工等 世界 500 强和全球知名主机客户。
公司募投的线性驱动器项目已初步完成各项基建，其丝杠事业部和导轨事业部预计将形 成年产标准滚珠丝杠 66 万米、精密滚珠丝杠 42.2 万米、行星滚珠丝杠 1 万米、标准滚 珠丝杠电动缸 10.4 万根、重载型滚珠丝杠电动缸 2.5 万根和行星滚柱丝杠电动缸 1750 根 的生产能力。目前滚珠丝杠、滚柱丝杠、导轨等部分样品在试制中，于 2024 年一季度试 生产。
北特科技主体业务包括底盘零部件业务、铝合金轻量化业务、空调压缩机业务三大板块， 主要生产配套各类乘用车、商用车、新能源汽车关键零部件。公司深耕汽车底盘领域二 十余载，在国内转向器齿条以及减振器活塞杆细分行业内绝对领先；空调压缩机产品广 泛应用于重型卡车、轻微型卡车、工程车、客车等商用车以及新能源汽车等领域的主机 厂配套，近年来也在商用车同行业中保持领先地位。
公司十分看好人形机器人产业未来发展，并提出了“汽车零部件业务为基石，人形机器 人业务为未来”的双引擎战略。技术工艺方面，公司多年来所积累的汽车底盘零部件生 产工艺与丝杠产品的生产的基本工艺有较高的同源性，相关管理体系和生产方案也能快速实现 复制或转换，具备业务外延扩张的技术条件。产品研发方面，公司主要根据客户需求， 一则配合推进人形机器人用丝杠产品（包括行星滚柱丝杠和梯形丝杠）的样件研发工作， 二则配合汽车 Tier1 客户进行丝杠产品应用于汽车后轮转向系统（RWS）的研发工作。产 能建设方面，公司将大力推进基础设施工程、产线设备采购、安装、调优等规模化产线 的建设工作，以响应客户未来可能性的量产落地。据公司公告，其拟以 1 亿元设立全资 子公司上海北特机器人部件有限公司，专门从事机器人和汽车相关零部件等的研发业务。
自 1997 年成立以来，公司始终专注于精密零部件和智能装备及工装产品的研发、生产及 销售，并进一步利用在智能装备及工装领域的各类先发优势，将业务延伸至高端航空装 备制造、工业自动化装备、工业母机以及人形机器人等领域。面对国内机床、半导体、自 动化、人形机器人等产业高端核心部件的相关问题，公司于 2022 年 1 月设立全资子公司 宇华精机，围绕“高端装备核心滚动功能部件项目”目标，全面布局包含高精度滚珠/滚 柱丝杠、高精度滚动导轨副等在内的直线滚动功能部件，高举高打、抢占先机。
全资子公司宇华精机高端装备核心滚动功能部件项目计划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。依托自身丰厚 技术沉淀，叠加与上游国内头部机床厂商的协同开发和应用验证，公司计划着力打造具 备强竞争力滚动功能部件产品。现目前，公司已成功完成高精度滚珠丝杠的首台套下线， 部分产品在送样验证过程中；其自主研发的行星滚柱丝杠也已顺利出样，未来将紧跟产 业发展以及技术方向，积极贴近客户需求、提升技术水平。（注：截至 2024 年 4 月，宇 华精机行星滚柱丝杠业务在样品阶段，暂未形成业务收入）
公司在轴承和精密零部件制造上拥有二十多年丰富经验，为国内少数涵盖精密锻造、制 管、冷成形、机加工、热处理、磨加工、装配的轴承、精密零部件全产业链企业。通过关 联核心技术并基于原有产业链，公司逐步向新能源汽车零部件、风电滚子、机器人执行 器核心零部件等新兴产业转型，由此进入了新能源和人工智能硬件建设的新格局。其主 要产品包括轴承产品、新能源汽车零部件、热管理系统零部件、丝杠组件及零部件四大 类，前三类大部分属于汽车整机厂的二级供应商，向汽车整机厂一级供应商提供产品， 丝杠产品主要包含梯形丝杠、滚珠丝杠和行星滚柱丝杠三种类型。
公司将丝杠产品研发及市场开拓作为未来发展的重点方向，凭借精密制造技术以及高端 客户群体横向拓展之便利，不断完善丝杠产品的生产的基本工艺并建设相应产能： 梯形丝杠：已成功研发组件并向重点客户送样，产品在新能源汽车刹车、驻车系统 以及机器人线性关节中会有部分应用； 滚珠丝杠：公司 2021 年开始前瞻性研发汽车转向系统丝杠螺母组件，现已研发成功 新能源汽车电子助力转向系统（EPS）中控制精度最高的齿条式电动助力转向系统 （REPS）所需的丝杠螺母组件，还研发成功了新能源汽车电子驻车（EPB）、电子机 械刹车（EMB）及电子液压刹车系统（EHB）等领域滚珠丝杠产品。伴随专业化生 产车间建设，产品将力争在新能源汽车转向及刹车系统领域实现小规模生产； 行星滚柱丝杠：有关产品组件及零部件正处于设计及持续送样改进的进程中，由于 主流产品技术路线尚未定型，目前仅实现少量的样品收入、销售占比极小。下一步 将快速推进行星滚柱丝杠产品的工艺定型和设备选型工作，未来有可能为直线执行 器、旋转执行器和灵巧手提供部件或者成套产品。
《机械设备-“人形机器人的Optimus时刻”系列（八）：丝杠：大水之中，必有大鱼-华创证券[范益民]-20240617【26页】》
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