工业机器人及工控系统：人形机器人系列报告（二） ：行星滚柱丝杠——“卡脖子”零件，高价值的必需品

2023年07月23日 行业研究●证券研究报告 工业机器人及工控系统 行业深度分析 人形机器人系列报告（二）：行星滚柱丝杠——“卡脖子”零件，高价值的必需品投资要点 我们站在特斯拉角度，将Optimus人形机器人潜在零部件厂商分为以下几类： 1）与特斯拉有长期合作关系，配合度高，原有合作领域相关产品可直接应用于人形机器人领域，优先选择；2）细分领域有头部公司，由于原有市场空间较小，且有一定技术壁垒，行业龙头未切入该细分领域，其他零部件厂商短期内较难实现大规模供应，但长期有竞争加剧趋势，如空心杯电机和无框力矩电机等领域；3）细分领域有龙头公司，原有市场空间较小，且技术上know-how壁垒较高，其他零部件厂商短期较难突破技术壁垒，中期较难实现大规模量产，这类厂商具有较强的不可替代性，如谐波减速器领域；4）产品壁垒不高，原有市场空间较大，厂商多，市场集中度较低，如连接器、编码器等产品，侧重响应快、配合度高、管理能力强的公司。5）原有市场空间较小，产品壁垒非常高，原有市场中生产这类产品性价比低，市场集中度高，而在人形机器人中价值量大，降本难度大，是“卡脖子”的零部件，如行星滚柱丝杠。我们认为在选择以行星滚柱丝杠为代表的第5类厂商时可能的要求：1）能够突破技术壁垒，实现应用2）长期具有大幅降低成本的可能3）具备大规模量产的能力4）初期降低性能要求，逐步优化迭代。人形机器人中，丝杠类型选取核心制约因素是小型化，小型化诉求下优先级为：倒置行星滚柱丝杠>行星滚柱丝杠>滚珠丝杠。Optimus因为有“人形”要求，小型化是“能不能用”的问题，承载能力是“好不好用”的问题，单位寿命的价格是“贵不贵”的问题。丝杠的寿命和额定负载正相关，额定负载和体积正相关，因此制约寿命和负载的原因就是体积要求。行星滚柱丝杠相比滚珠丝杠有明显优势的核心就是易满足小型化要求。体现在：1）可以倒置。从结构上来看，行星滚柱丝杠具有行星滚子部件，其螺母可作为伺服电机的转子，螺母旋转带动丝杠做轴向运动。而滚珠丝杠螺母上的反向循环装置无法驱动滚柱大幅度移动，因此无法倒置。2）单位体积承载力高。行星滚柱丝杠是面接触而滚珠丝杠是点接触，因此在相同丝杠直径下，前者比后者的承载能力提高6倍，相同负载下节省1/3空间，寿命提高14倍。行星滚柱丝杠核心难点在于制造工艺，加工精度主要影响寿命。行星滚柱丝杠价值量高，单价约2万元，方案明确；滚珠丝杠价值量较低，价格在几十元到几百元，方案尚不明确，不过由于两者结构相似，生产过程中部分设备和工艺通用，部分滚珠丝杠厂商具备切入行星滚柱丝杠的可能性。因此本篇报告我们以行星滚柱丝杠为主，滚珠丝杠为辅。我们认为行星滚柱丝杠领域工艺壁垒>设备壁垒>设计壁垒>材料壁垒。行星滚柱丝杠设计难度不算太大，难点在于制造。考虑到特斯拉对供应商扶持力度较大，目前全球已有成熟的制造设备，因此设备不是“有无”的问题，只是“价格高低”的问题。而工艺问题较难用资金实现突破， 投资评级领先大市-B维持一年行业表现 资料来源：聚源 升幅%1M3M12M相对收益-8.9214.613.1绝对收益-10.019.383.32 分析师刘荆 SAC执业证书编号：S0910520020001liujing1@huajinsc.cn 相关报告耐普矿机：业绩超预期，海外市场潜力逐步兑现-耐普矿机2023半年度业绩快报点评2023.7.21工业机器人及工控系统：特斯拉Optimus性能全面升级，“身具智能”引领未来趋势-机器人行业点评2023.5.22通用设备：通用设备机床板块2022年报、2023Q1季报综述-机械行业周报2023.5.7博实股份：22年业绩略低于预期，23年一季度整体经营情况大幅改善，公司订单饱满业绩有望集中兑现-博实股份一季报点评2023.5.4卓然股份：年报业绩符合预期，新订单落地炼化景气周期启动-卓然股份年报点评2023.4.26精工科技：国产碳纤维设备整线龙头，订单饱满业绩腾飞-精工科技深度报告2023.4.24纽威数控：公司业绩符合预期，盈利能力持续增强，海外营收占比提升-纽威数控年报点评2023.4.17 且特斯拉在工艺方面很难提供大的支持，因此对行星滚柱丝杠领域厂商来说，核心是掌握制造工艺。 中国厂商短板是工艺和设备，欧洲厂商短板是人力成本、能源价格和产业链稳定性，前者是短期、可解决的，后者是难解决的。根据特斯拉2022年AIDay,我们推测Optimus中共用到14个线性执行器，均采用倒置行星滚柱丝杠。当前行星滚柱丝杠单价约2万元，倒置的工艺更复杂，价值量更高，因此不考虑量产后降本因素，行星滚柱丝杠在单台机器人价值量近30万元。由于工艺复杂，国内行星滚柱丝杠执行器的应用起步不久，主要集中在国外德国LTK、瑞士Rollvis、瑞典SKF等公司，其中Rollvis全球市占率达40%。目前滚柱丝杠的加工还无法实现自动化，扩大产能就必须同时增加必要的生产人员，欧洲高昂的人力成本、俄乌冲突带来的能源危机等问题下，欧洲有色金属协会甚至提出欧洲面临“永久去工业化”的风险，我们认为欧洲厂商很难成为特斯拉长期大批量生产零部件的选择。 相关标的 恒力液压、秦川机床、鼎智科技、贝斯特、长盛轴承等。 风险提示：人形机器人发展进度不及预期风险；人形机器人需求不及预期风险；产能不及预期风险。 内容目录 一、行星滚柱丝杠：高难度、高价值，国内起步较晚5 （一）什么是行星滚柱丝杠？5 （二）生产难度大，磨削工艺精度最高7 （三）瑞士Rollvis全球市占率40%，国内处于起步阶段11 二、行星滚柱丝杠性能优势显著，为Optimus直线关节方案13 （一）滚珠丝杠与行星滚柱丝杠结构类似，部分设备工艺通用13 （二）行星滚柱丝杠核心优势是高承载，高承载带来一系列优势16 （三）加工精度主要影响寿命，疲劳破坏主要在滚柱18 （四）Optimus直线关节为反式行星滚柱丝杠，核心优势是小型化19 三、投资建议23 （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23 （二）秦川机床：滚珠丝杠已量产，行星滚柱丝杠的“卖铲人”24 （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二24 （四）贝斯特：特斯拉汽车供应商，已布局高精度滚珠丝杠25 （五）长盛轴承：特斯拉二级供应商，具备人形机器人滚珠丝杠生产能力25 四、风险提示26 图表目录 图1：行星滚柱丝杠示意图5 图2：滚珠丝杠示意图5 图3：行星滚柱丝杠主要部件6 图4：行星滚柱丝杠的电动缸结构示意图6 图5：I-EMA结构7 图6：C-EMA结构7 图7：合金结构钢42CrMo7 图8：高碳铬轴承钢GCr157 图9：行星螺纹滚柱8 图10：行星滚柱丝杠误差来源8 图11：行星滚柱丝杠能量损失9 图12：行星滚柱丝杠螺纹副的加工工艺方法9 图13：螺纹磨床10 图14：砂轮磨削原理10 图15：滚珠丝杠螺距误差11 图16：行星滚柱丝杠应用领域12 图17：战斗机起落架-电动作动器12 图18：滚柱丝杠国内市场份额（2022年预测）12 图19：行星滚柱丝杠成本构成12 图20：滚珠丝杠副构成13 图21：滚珠丝杠示意图13 图22：滚珠丝杠螺母中的滚珠循环方式14 图23：滚珠丝杠精度等级（单位：0.001mm）14 图24：各种机械适应的精度等级15 图25：行星滚柱和滚珠丝杠受力承载面积比较17 图26：滚珠丝杠和滚柱丝杠受力示意图18 图27：各参数对接触疲劳寿命的影响18 图28：丝杠、螺母及滚柱的可靠性18 图29：Optimus躯干共28个关节19 图30：Optimus手部有6个执行器19 图31：考虑成本和重量选出最优执行器20 图32：28个关节选出各自最优执行器20 图33：Optimus躯干用到共6个关节执行器20 图34：Optimus线性执行器吊起半吨重钢琴20 图35：行星滚柱丝杠直线执行器示意图20 图36：Optimus直线关节传感器21 图37：Optimus直线关节采用行星滚柱丝杠21 图38：标准型和反向式行星滚柱丝杠对比22 图39：Optimus大臂执行器22 图40：Optimus腕部执行器22 图41：Optimus大腿执行器23 图42：Optimus小腿执行器23 图43：汉江机床高精度磨床介绍24 图44：汉江机床滚珠丝杠副系列产品24 图45：鼎智科技滑动丝杆线性执行器25 图46：鼎智科技滚珠丝杠线性执行器25 表1：行星滚柱丝杠五种类型6 表2：同一个轴上成形螺纹和齿轮的加工工艺的比较9 表3：砂轮磨削、硬车削、旋风铣削三种加工工艺对比10 表4：各类加工工艺介绍10 表5：滚珠丝杠螺距误差主要来源11 表6：各品牌行星滚柱丝杠产品介绍13 表7：滚珠丝杠选型指标14 表8：轧制滚珠丝杠和磨制滚珠丝杠对比15 表9：磨削滚珠丝杠机械加工工艺过程16 表10：冷轧滚珠丝杠机械加工工艺过程16 表11：行星滚柱丝杠和滚珠丝杠比较17 表12：各类传动产品性能对比17 表13：恒力液压募投项目介绍24 一、行星滚柱丝杠：高难度、高价值，国内起步较晚 （一）什么是行星滚柱丝杠？ 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。1 图1：行星滚柱丝杠示意图图2：滚珠丝杠示意图 资料来源：《行星滚柱丝杠电动缸应用现状_邓琦》，华金证券研究所资料来源：《滚珠丝杠副发展及研究现状_汤文成等》，华金证券研究所 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。2 1《精密行星滚柱丝杠的传动特性_李凯等》 2《行星滚柱丝杠副刚度及效率的分析与研究_韦振兴》 图3：行星滚柱丝杠主要部件图4：行星滚柱丝杠的电动缸结构示意图 资料来源：《行星滚柱丝杠传动精度分析与设计_柯浩》，华金证券研究所资料来源：麦客厅，华金证券研究所 行星滚柱丝杠根据结构组成及运动关系的不同，可以分为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。3 表1：行星滚柱丝杠五种类型 行星滚柱丝杠类型 介绍 图片 标准式 丝杠为主动件，螺母为输�构件。它能够实现较大行程，适用于环境恶劣、高负载、高速等场合，是目前应用最广泛的类型，其他的4种类型均是为了适应于不同的应用环境而在其基础上演变而来的。主要用于精密机床、机器人、军工装备等领域。 反向式 结构形式与标准式类似，反向式行星滚柱丝杠的螺母为主动件，丝杠为输�构件，滚柱、丝杠之间无相对轴向位移，其主要用于中小负载、小行程和高速的应用场景，其最大的优势在于可将其 螺母作为电机转子实现电机和丝杠一体化设计，形成结构紧凑的一体式机电作动器。 循环式 增加了参与啮合的螺纹数量，因此具有较高的刚度和较大的承载能力，主要应用于要求高刚度、高承载、高精度的场合。缺点在于其凸轮环结构会产生振动冲击，存在噪音问题。主要用于医疗 器械、光学精密仪器等领域。 差动式 结构特点使其可以获得更小的导程，适用于传动比较大，承载能力较高的应用场合。但在其运动过程中，螺纹会产生滑动现象，在重载情况下，容易产生磨损，导致精度丧失，可靠性降低等问 题