今天分享的是：机器人系列深度研究报告：机器人话题机器人系列四、如何看待国产替代的机会
报告出料者：华泰研究）。
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特色报告**：人工智能学院
应用几何？ 或配备跨行星滚柱丝杠+滑动丝杠
丝绸杆是将电机的旋转运动转换为直线运动的核心部件，行星滚柱丝杠具有更高的传动效率和承载能力。 在机器人传动中，一般由电机为螺母丝杆提供旋转力，滚子或滚子利用与螺母和丝杆的摩擦力，然后带动丝杠螺母做直线运动。 根据传动原理，丝杠可分为：
1）T型丝杠：表面接触原理，无滚动体，传动靠滑动摩擦，又称滑动丝杠，结构简单，技术成熟，但滑动摩擦导致传动效率、精度和承载能力有限，一般用于低载荷、低精度的零件;
2）滚珠丝杠：点接触原理，由滚动摩擦驱动，以滚珠为核心传动部分，传动效率高，精度和承载能力比T型丝杠高，但结构更复杂，广泛应用于机床、汽车和机器人等领域;
3）行星滚柱丝杠：直线接触原理，行星滚子是核心传动部分，由于其接触点数量多和接触点的几何结构，滚柱丝杠可以承受比球高的动静载荷，静载荷是球的3倍， 寿命是球的10-15倍，并且还具有更强的刚性和抗冲击性，对应的是更复杂的结构和更高的制造难度。
行星滚柱丝杠比滚珠具有更强的承重性能、传动效率和使用寿命。 与滚珠丝杠相比，行星滚柱丝杠的载荷传递单元被螺纹滚子取代，使点接触改为线接触，获得更多的接触点和接触点几何形状，进而可以承受滚珠丝杠3倍的静载荷， 具有更高的速度和加速度，更高的刚度和抗冲击性，寿命是滚珠丝杠的10-15倍。此外，行星滚柱丝杠为螺纹传动结构，节距的设计范围更宽，其导程设计可以小于球体。 根据不同的物理结构和传动原理，滚柱丝杠可分为标准式、反向式、循环式和差速式。
反向行星滚柱丝杠或下肢适应人形机器人的高传动要求。 从特斯拉机器人需求来看，特斯拉人形机器人使用500n 036kg、3900n/0.9kg、8000n/2.2kg的线性执行器，根据特斯拉2022 AI Day显示屏**，其单个线性执行器可以拉动半吨钢琴，体现了特斯拉机器人对传动效率和承载能力的高要求。 跨行星滚柱丝杠的物理结构与标准型相似，但传动原理不同，驱动部分是螺母，输出部分是丝杠，滚子的行程运动是螺母的内螺纹，而不是沿丝杠的轴向运动， 这样可以通过小引线实现更高的额定负载，并降低驱动转矩。同时，从机电执行机构（EMA）的工作原理来看，EMA中的控制器通过齿轮装置驱动无刷直流电机做正反转运动，降低转速，增加转矩，将丝杠的旋转运动转换为输出杆相对于壳体的直线运动。 反向行星滚柱丝杠是以螺母为驱动部件，螺母可作为电机转子，实现丝杠+电机一体化的机电执行机构，小巧节省空间。
考虑到不同零件的不同传动要求和特斯拉公布的直线执行器结构，我们推断它可能使用滑动丝杠和跨行星滚柱丝杠，结构简单、成本低、技术成熟的滑动丝杠，或者应用于传动效率和承载能力要求较低的零件，跨行星滚柱丝杠具有更高的承载能力， 抗冲击性、高力尺寸比和力重比，或用于传动要求较高的环节。
您如何看待这些障碍？ 或者需要C3-C4的精度、设备和工艺经验来铸造护城河
我们认为，丝杠的核心检测指标是精确控制和能量传递效率的可行性，产品的执行精度和稳定性都很高。 丝杠的精度是衡量传动中实际移动距离与理论距离之间的偏差，以机床中使用的滚珠丝杠为例，一般机械中使用的滚珠丝杠为C7和C10，数控设备C5和C3居多，航空制造设备为主， 精密投影等设备有C3和C2。反向行星滚柱丝杠用于机器人中，用于承重要求高、扭矩大的场景，且行驶环境复杂，对产品精度和稳定性要求更高。 如果产品的精度较差，精度误差叠加向量就会发生变化，导致误差的累积，这将使机器人的下一步动作表现更差，严重时会下降。 此外，驱动电机需要减速和扭转，如果丝杠的摩擦系数高或能量传递效率不高，则会导致传递到端子的能量损失大。
从工艺流程来看，丝杠是一条完整的生产线，前处理、粗加工、磨削、铣削、轧制、热处理、装配，不同的精度对应不同的加工工艺，C7和C10低精度多采用轧制工艺，C3和C5中等精度一般采用磨削和切削，C0-C2精度较高的一般采用磨削工艺。 其中，轧制工艺是采用螺纹轧机，先在光滑的棒材上开槽，再用搓齿机轧制，精度为中低; 磨削对应螺纹磨床，在压轧的基础上，用专用外圆磨床加工弧槽，精度中高，需要多轮粗磨和精磨; 铣削是一种旋风铣床，它切割凹槽，然后研磨外表面。 目前国外大多采用轴端硬车削，简单高效，而国内仍以轴端退火再车削轴承座为主，周期长，工序多，根据《精密滚珠丝杠加工工艺规范研究》，磨削滚珠丝杠的加工周期约为30-45天。
高执行精度和稳定性决定了高加工精度和装配精度，在行业中形成了较高的竞争壁垒
1）加工工艺：螺母的加工精度直接影响丝杠的传动性能，逆向加工的难点可能在于螺母和行星柱。根据《精密行星滚柱丝杠副工艺制造及传动性能研究》，滚柱丝杠的丝杠、滚子和螺母螺纹的工艺流程基本相同，分为前端的粗加工（车铣）和后路的精加工（磨削），如螺母的工艺是毛坯-粗车-半精车-铣螺纹-粗磨-半精磨-精磨-精细磨削时，行星滚子应先加工螺纹，再加工齿轮，两端齿轮完成滚齿后再进行热处理。从技术上看，我们认为螺母内螺纹的加工难度较高，一方面，螺纹齿的加工误差会直接改变丝杠滚子螺母之间的啮合点位置和接触角大小，进而影响传动精度，另一方面， 反向行星滚柱丝杠的螺母较长，加工难度较大，因此螺纹一般采用精度较高的数控磨削工艺（车削是旋转工件然后用刀具切割，铣削是旋转刀具切割表面，磨削是用砂轮代替车刀和铣刀做切削， 且精度较高），加工时用夹具固定工件，由于螺母较长，砂轮磨削需要拉长，砂轮应偏转一定
磨削工艺的高加工难度和高重量决定了高精度磨床设备和加工技术作为加工过程中的核心障碍。 我们判断螺母内螺纹磨削的概率很高，行星柱和丝杆可以考虑轧制，其他工序如直接车削成型，而采用后路代替磨削，我们认为使用概率有限，主要是因为磨削精度强，生产效率低， 车削生产效率高，精度不足，目前丝杠国产化的首要任务是使试样达到一定的精度水平，解决汽车磨削的精度问题需要花费大量精力。考虑到丝杠螺纹磨削难度高，磨削工艺在总工时数上重量大，我们认为高精度磨床和磨削工艺是丝杠的核心竞争壁垒，高精度磨床一方面保证了加工精度， 另一方面，依托交期长、价格贵的进口产品，如PSS、联合磨削集团、哈丁机床、法孚、滨迈、AM、三井物产、东洋先进等，在高端领域国产化仍有发展空间;精加工过程依靠深厚的专业知识积累，以确保生产精度和批量生产的稳定性。
2）装配工艺：从行星滚柱丝杠的结构来看，丝杠是螺旋上升角的多头螺纹，一般为5或6头;螺母内有内螺纹，齿形为三角形，其齿形半角与辊齿形相同; 滚子一般是单螺纹，螺旋面会加工出接触半径大的原型型材，滚子与螺母的螺旋角相同，从而保证滚子辊子辊时与螺母没有相对轴向位移，一般滚子为9-13。 反向滚柱丝杠的滚子螺纹与丝杠的螺纹长度一致，丝杠螺纹两端加工有外齿，丝杠齿和滚子齿做外啮合，因此需要内螺纹较长的螺母来保证丝杠的行程。 所有零件加工完成后，组装螺母组件，然后将丝杠拧入螺母组件中。
3）热处理：核心是提高螺纹的表面硬度和耐磨性，目前由于技术设备落后，热处理工艺参数有待改进等，行星滚柱丝杠的主要破坏方式是接触疲劳磨损。
4）材料：滚柱丝杠面对的是高速、高轴承的工作环境，工作温度高，因此应选择硬度高、耐磨性强、抗疲劳性强、承载能力高、温升适应性好、切削性能好、经济性好的材料。一般丝杠材料用GCR15高碳铬轴承钢，螺母用20CrMnmo合金结构钢，滚子和啮合齿轮用38CrMnal合金结构钢，行星支架用45钢等。
国内生产的机会是什么？ 看好科技型企业和企业
国产行星滚柱丝杠起步较晚，但生产和研究机构进展迅速。 目前，我们的滚柱丝杠市场仍由外资主导，根据第一期《E公司滚柱丝杠产品营销策略研究》的计算，目前在国内的国产化率仍然很低，21年约80%的市场份额被外资占据。 不过，从专利申请数量来看，2010年以后，我国行星滚柱丝杠领域的专利申请数量迅速增加，产研研的发展有望加速滚柱丝杠的国产化进程。
丝杠对国内降本需求强烈，看好本土企业以同等技术+高精度设备储备+较强的经营能力实现突破。 特斯拉人形机器人使用的反向行星滚柱丝杠在国外售价高达上万元，国产化、降本需求旺盛。 同时，由于其精度要求高，特别是螺母内螺纹的加工难度最高，这一环节的核心竞争壁垒在于高精度的设备和加工工艺，其中后精磨需要高精度磨床，依赖进口产品，交货时间长，价格昂贵; 加工技术需要深厚的专业知识积累，以确保生产精度和批量生产的稳定性。 我们看好同源技术，有工艺诀窍（如滚珠丝杠、机床丝杠、齿条轴承、模数、齿轮）和高精度设备储备的企业切入。 同时，从第一链关系来看，机器人与汽车链有很强的共性，丝杠作为传动的核心部件，直接供货和间接供货可能并存，业务能力也是一个重要的竞争力，我们看好两者的技术与业务两强本土企业。
应用几何？ 或使用谐波和类似RV的减速器
减速器是机器人旋转传动的核心部件，它降低了速度，增加了动力机构和执行机构之间的扭矩。 根据特斯拉机器人过去的能力，我们判断使用类RV方案谐波的概率更大，或者在传动效率和低轴承要求中使用谐波，RV用于传动效率高、轴承冲击要求较高的部位（如腰部和胯部）， 而考虑到传统房车的体积较大，人形机器人会显得很重，不排除新车型的出现，更紧凑、更小的房车解决方案。
1）谐波减速机：体积小，传动比大，负载能力弱，抗疲劳性强。它由柔性轮+波发生器+刚性轮组成，结构简单，质量体积小，其传动的核心原理是波浪发生器旋转带动柔性轮产生弹性变形，使长轴与刚性轮啮合，短轴与刚性轮分离， 当波发生器顺时针旋转1圈时，柔性轮逆时针移动2个齿槽的错误齿运动，然后完成运动传递。其优点是：由于柔性轮和刚性轮的齿数存在差异，因此减速比范围大; 同时，由于啮合齿数为30%，实现了180%对称位置的同时啮合，在啮合误差的平均影响下，位置精度和旋转精度更高。 此外，啮合齿数大，齿面相对滑动位移很小，传动效率高，磨损率低。 但其缺点是，由于柔性皮带轮需要不断变形才能传递扭矩，容易疲劳损坏，寿命短，因此不适合大扭矩和高负载场景。
2）RV减速机：传动比大，承载能力强，结构复杂。由前级的渐开线行星齿轮+后级的摆线风车，为2级减速结构，前级结构的输入齿轮（太阳轮）与电机同步旋转连接，带动多个较大的行星轮和曲轴旋转，实现一级减速， 曲轴的偏心部分与后级机构的滚动轴承连接，滚动轴承带动摆线轮跟随曲轴运动，摆线轮与针齿接触同时做偏心运动，逆时针旋转一个齿数，实现第二级减速， 摆线轮的外部输出轴向向外传递运动。其优点是：RV的啮合齿数较多，两端支撑的输出结构承载能力更强，扭转刚度更高，传动比更大，两级传动结构也带来更大的减速比，而摆线针轮的传动部分接触应力小，刚度高，容易实现高精度，从而具有高传动效率和高抗疲劳性。 其缺点在于结构复杂，加工难度高，批量生产标准化难度高，加工精度要求高。
3）行星减速机：包括行星架、内齿轮和多个滚子，行星架提供内圈外滚道，内圈齿轮提供内圈内滚道，行星架和内齿轮圈由多个滚子旋转连接。人形机器人的准直驱动关节一般采用高扭矩密度电机和低减速比行星齿轮减速机，但受行星减速机齿轮啮合回检的影响，其运动精度较低。
障碍和机遇在哪里？ 非量化指标确定技术诀窍是核心竞争力
非定量实证指标可能是减速器的核心考虑指标。 减速机产品选型的性能指标包括减速比、传动精度、传动效率、扭转刚度、转矩指数、寿命指数、噪音等，我们仅从定量数据上比较，国内各大企业和日本企业在RV减速机的转矩方面存在差异，在谐波减速机的减速比范围内，转矩、寿命差异，其他指标相差不大。 据华景工业研究院统计，21年来中国机器人谐波减速机的市场份额第一和第二是哈默（35）。5%），绿色（24.）。7%），国内机器人RV减速机市场占有率第一和第二的分别是纳博（51%）。8%）、环东科技（15%）1%）。虽然产品的数量参数相差不大，但在实际应用中，减速机在高强度复杂环境下的工作下，可能会面临疲劳、噪音大、发热、实际寿命短等不稳定问题，导致市场上的减速机产品较多，主机厂的选择和回购范围有限， 这导致后来者的份额较慢。
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