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人形機(jī)器人行業(yè):行星滾柱絲杠，“卡脖子”零件，高價(jià)值的必需品

2023-07-24 09:03 作者:報(bào)告派 0人讀過(guò) | 我要投稿

報(bào)告出品方：華金證券

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一、行星滾柱絲杠：高難度、高價(jià)值，國(guó)內(nèi)起步較晚

（一）什么是行星滾柱絲杠？
行星滾柱絲杠是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)單元為絲杠及螺母之間的滾柱。根據(jù)新劍機(jī)電傳動(dòng)公眾號(hào)，行星滾柱絲杠在主螺紋絲杠的周?chē)行遣贾冒惭b了 6-8 個(gè)螺紋滾柱小絲杠，利用電機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為絲杠或螺母的直線運(yùn)動(dòng)。絲杠、滾柱、螺母三者之間通過(guò)螺紋嚙合實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。絲杠是牙型角為 90°的多頭螺紋;滾柱是具有相同牙型角的單頭螺紋;螺母是具有與絲杠相同頭數(shù)和牙型的內(nèi)螺紋。行星滾柱絲杠結(jié)構(gòu)與滾珠絲杠相似，是將滾珠替換為具有螺紋結(jié)構(gòu)的滾柱，而絲桿和螺母結(jié)構(gòu)基本相似。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使螺母完成直線運(yùn)動(dòng)。行星滾柱絲杠副的工作原理為:絲杠可視為太陽(yáng)輪，滾柱視為行星輪，螺母視為中心輪，當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)且螺母的周向固定時(shí)，滾柱在圓周方向做類(lèi)行星運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)螺旋傳動(dòng)將絲杠(或螺母)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為螺母(或絲杠)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。行星滾柱絲杠工作原理和滾珠絲杠同樣類(lèi)似的，即伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使行星滾柱螺母總成帶動(dòng)電動(dòng)缸推桿完成直線往復(fù)推拉運(yùn)動(dòng)。

行星滾柱絲杠根據(jù)結(jié)構(gòu)組成及運(yùn)動(dòng)關(guān)系的不同，可以分為 5 種類(lèi)型：標(biāo)準(zhǔn)式行星滾柱絲杠、反向式行星滾柱絲杠、循環(huán)式行星滾柱絲杠、差動(dòng)式行星滾柱絲杠、軸承環(huán)式行星滾柱絲杠。

反向式行星滾柱絲杠，螺母既作為傳力部件又作為電機(jī)的的轉(zhuǎn)子，一體化、小型化程度高。
各類(lèi)行星滾柱絲杠傳動(dòng)是機(jī)電裝置重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，常見(jiàn)的機(jī)電作動(dòng)器可分為集成式機(jī)電作動(dòng)器(I-EMA)和一體式機(jī)電作動(dòng)器(C-EMA)兩種4。典型的集成式機(jī)電作動(dòng)器結(jié)構(gòu)由直流無(wú)刷電機(jī)、控制器(主要包括速度、位置、扭矩控制器和功率轉(zhuǎn)換器)、減速器(齒輪傳動(dòng)或帶傳動(dòng))、滾珠絲杠(或行星滾柱絲杠)四部分組成。一體式機(jī)電作動(dòng)器結(jié)構(gòu)主要由行星滾柱絲杠(絲杠、滾柱和螺母)、電機(jī)(磁鐵和線圈繞組)、控制器(控制、測(cè)量、反饋單元及對(duì)應(yīng)接口)三部分組成。對(duì)于反向式行星滾柱絲杠，螺母既作為傳力部件又作為電機(jī)轉(zhuǎn)子，通過(guò)絲杠、滾柱和螺母三者的嚙合傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線伺服，是真正意義上的一體化機(jī)電作動(dòng)器。

（二）生產(chǎn)難度大，磨削工藝精度最高

絲杠材料為合金結(jié)構(gòu)鋼 42CrMo，螺母和滾柱材料為高碳鉻軸承鋼，材料壁壘不高。根據(jù)Rollvis 中國(guó)大陸核心代理商天譽(yù)科技公司官網(wǎng)，行星滾柱絲杠中絲杠選用的材料為合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo，合金結(jié)構(gòu)鋼 42CrMo 強(qiáng)度和淬透性比 35CrMo 有所增高，調(diào)質(zhì)后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。螺母和滾柱選用的材料為高碳鉻軸承鋼 GCr15，高碳鉻軸承鋼 GCr15 綜合性能良好，淬火和回火后具有高而均勻的硬度，良好的耐磨性和高的接觸疲勞壽命，熱加工變形性能和切削加工性能均好。根據(jù)撫順特鋼官網(wǎng)，合金結(jié)構(gòu)鋼 42CrMo 價(jià)格為9150 元/噸，高碳鉻軸承鋼 GCr15 價(jià)格 10000 元/噸。

螺紋滾柱是傳動(dòng)的關(guān)鍵部分，成形加工工藝和產(chǎn)品質(zhì)量直接決定行星滾柱絲杠。當(dāng)行星滾柱絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作時(shí)，多個(gè)螺紋滾柱共同承受載荷，避免任何一個(gè)螺紋滾柱因承載過(guò)大而造成損傷失效。在行星螺紋滾柱中，中間的螺紋部分的主要工作是傳遞載荷，齒輪部分和螺母內(nèi)部的固定齒圈相嚙合。螺紋滾柱作為行星滾柱絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部分，其成形加工工藝和產(chǎn)品質(zhì)量直接決定行星滾柱絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配質(zhì)量和性能。

行星滾柱絲杠主要有形變誤差、制造誤差、安裝誤差等，制造工藝對(duì)減小誤差十分關(guān)鍵。其中制造環(huán)節(jié)包括螺紋螺距、螺紋牙型、齒輪齒距、齒輪齒廓、制造偏心等誤差，對(duì)制造提出了非常高的精度要求。

行星滾柱絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的能量損失主要來(lái)源于其關(guān)鍵部件的摩擦阻力。主要包括角接觸軸承(或圓錐滾子軸承)接觸摩擦、絲桿與滾柱側(cè)螺紋嚙合摩擦、滾柱與螺母?jìng)?cè)螺紋嚙合摩擦、滾柱齒與內(nèi)齒圈摩擦以及保持架和滾柱、螺母間的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦損失。

行星滾柱絲杠通過(guò)螺紋嚙合實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，螺紋的加工方式有旋風(fēng)銑削、磨削加工、硬態(tài)車(chē)削、滾壓成型等。行星滾柱絲杠依靠零件間的螺紋嚙合實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)功能，螺紋的加工精度將直接影響系統(tǒng)的傳動(dòng)精度、使用壽命、與平穩(wěn)性。行星滾柱絲杠螺紋是由特定參數(shù)設(shè)計(jì)而成，其制造工藝方法主要為成型加工，例如旋風(fēng)銑削、磨削加工、硬態(tài)車(chē)削、滾壓成型等。

現(xiàn)有的軋制成形加工工藝有兩種軋制成形方法：（1）在一臺(tái)設(shè)備上安裝螺紋和齒輪兩種模具，按加工工藝順序在不同的時(shí)間內(nèi)先后軋制成形螺紋和齒輪；（2）在多臺(tái)設(shè)備上分別安裝螺紋和齒輪兩種模具，按加工工藝順序在不同的時(shí)間內(nèi)先后軋制成形螺紋和齒輪。

磨削是加工螺紋精度最高的工藝，可達(dá)到 P1 級(jí)。磨削是高精度絲杠螺紋的主要加工方法，磨削的實(shí)質(zhì)是砂輪的表面很多磨粒劃擦、刻劃和切削工件表面，使用螺紋磨床高速旋轉(zhuǎn)的成型砂輪對(duì)加工工件表面進(jìn)行高速切削，使用磨削加工的滾珠絲杠最高可達(dá)到 P1 級(jí)。

磨削的核心設(shè)備是高精度磨床。根據(jù)中金企信國(guó)際咨詢(xún)，磨床屬于精度較高的加工機(jī)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，提升下游機(jī)械的運(yùn)行平穩(wěn)性、使用精度等性能。不同類(lèi)別金屬切削工藝的加工精度、表面粗糙度范圍也不同。

滾珠絲杠磨削加工精度的主要標(biāo)準(zhǔn)是螺距誤差。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于各方面原因共同作用的結(jié)果，絲杠旋轉(zhuǎn)一周，而工作臺(tái)并非恰好行進(jìn)一個(gè)螺距，這樣就會(huì)形成螺距誤差。滾珠絲杠螺距誤差來(lái)源大致可以分為靜態(tài)誤差、動(dòng)態(tài)誤差和隨機(jī)誤差，這三種誤差又包括很多種，其中機(jī)床誤差座、砂輪磨損和彈性變形以及熱變形誤差以及熱變形誤差對(duì)螺距誤差影響較大。