机器人系列报告（三）：人形机器人打开丝杠成长空间，国产替代有望加速

来 机器人系列报告（三）：人形机器人打开 丝杠成长空间，国产替代有望加速 2023年8月24日 证券研究报告 行业深度研究 人形机器人打开丝杠成长空间，国产替代有望加速 2023年8月24日 本期核心观点 看好 上次评级 看好 投资评级 电力设备与新能源 丝杠是传动领域的核心部件。丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品，在机器人、汽车、机床等领域有所应用。丝杠按其摩擦特性可分为三类：滑动丝杠、滚动丝杠及静压丝杠。滚动丝杠的精度和传动效率较高，但其制造工艺较为复杂。 武浩电力设备与新能源行业首席分析 师 执业编号：S1500520090001联系电话：010-83326711 邮箱：wuhao@cindasc.com 滚珠丝杠应用场景广泛，国产替代空间大。按照JIS等级标准，可以划分为C0-C10不同精度的产品，部分高精度机床需要采用C0-C3级别的滚珠丝杠。而以工业机器人为例，大多数C3-C5级别丝杠能满足其需求。滚珠丝杠广泛应用于高端机床、航空航天、机器人、电动汽车、3C装备等领域中，在机器人关节上一般采用四连杆的模式进行传动。华经产业研究院预计2022年全球滚珠丝杠市场规模预计约为 18.6亿美元（约合130亿元），2015-2022年复合增长率为6.2%，目前主要市场份额由海外企业占据，未来随着人形机器人发展，潜在市场空间大。我们认为，滚珠丝杠的壁垒主要在加工工艺上，随着国内企业纷纷布局加码，未来国产替代空间较大。 联系电话：18721956681 邮箱：sunran@cindasc.com 孙然电力设备与新能源行业研究助理 行星滚柱丝杠是高精密传动之冠，高壁垒下成长性赛道。相比滚珠丝杠和液压部件，行星滚柱丝杠承载力强、可靠性强，可以替代部分领域滚珠丝杠和液压传动装置，渗透率有望提升。行星滚柱丝杆制造门槛较高，对螺纹加工设备、加工方式和磨削的磨床精度要求较高，壁垒较高。2023年全球行星滚柱丝杠市场规模约3亿美元，而人形机器人应用反式行星滚柱丝杠，有望打开成长空间，看好国产头部企业突破相关壁垒。 投资建议：滚珠丝杠和行星滚柱丝杠下游应用较为广阔，国产化率较低。我们认为人形机器人有望拉动精密丝杠市场快速增长，国内品牌崛起蓄势待发，具有精密加工和较强研发能力的国内企业有望核心受益。推荐工控龙头汇川技术；建议关注国内自润滑龙头企业长盛轴承、微特电机头部企业鼎智科技、轴承领军企业五洲新春、恒立液压、秦川机床。 风险因素：核心技术发展不及预期；人形机器人量产不及预期；地缘政治风险&宏观经济下行风险等。 信达证券股份有限公司 CINDASECURITIESCO.,LTD 北京市西城区闹市口大街9号院1号楼邮编：100031 目录 一、滚珠丝杠：传动领域核心零部件，远期市场可期5 1.1滚珠丝杠：“旋转变直线”关键部件5 1.2人形机器人打开成长天花板，国内企业蓄势待发10 二、行星滚柱丝杠：高精密传动之冠，高壁垒下成长性赛道15 2.1高精尖领域传动之冠，渗透率有望提升15 2.2制造精度要求严格，壁垒较高17 2.3高壁垒下成长性赛道，国产企业大有可为19 三、人形机器人打开成长空间，国产企业已露锋芒22 3.1人形机器人催化，行业成长空间明显22 3.2国产企业加速布局，国产替代浪潮已至22 3.2.1汇川技术：收购韩国SBC，加码精密传动领域布局22 3.2.2长盛轴承：自润滑轴承龙头，滚珠丝杠业务成长可期23 3.2.3鼎智科技：微特电机头部企业，精密运控领域持续成长23 3.2.4五洲新春：多业务协同发展，看好丝杠领域布局24 3.2.5恒立液压：国产液压件龙头，看好电动化布局发展24 3.2.6秦川机床：机床老兵，定增开启新征程24 四、投资建议26 五、风险因素27 图表目录 图表1：不同种类丝杠对比5 图表2：滚珠丝杠结构示意图6 图表3：根据特殊用途划分滚珠丝杠6 图表4：滚珠丝杠副内循环方式7 图表5：滚珠丝杠副外循环方式7 图表6：滚珠丝杠特性7 图表7：滚珠丝杠选型流程图8 图表8：JIS精度等级标准9 图表9：不同用途对应的精度等级9 图表10：2020年我国滚动功能部件下游应用格局10 图表11：滚珠丝杠在人形机器人中的应用10 图表12：四连杆结构示意图11 图表13：丝杠在特斯拉Optimus人形机器人中的应用11 图表14：2015-2022年全球滚珠丝杠市场规模及增速情况11 图表15：2015-2022年中国滚珠丝杠市场规模及增速情况（亿元）11 图表16：2022年全球滚珠丝杠行业市场竞争格局情况12 图表17：全球滚珠丝杠市场份额情况12 图表18：中国滚珠丝杠市场份额情况12 图表19：国内外滚珠丝杠主要壁垒13 图表20：国内外主要厂商滚珠丝杠产品情况对比13 图表21：国内新入局企业滚珠丝杠布局14 图表22：行星滚柱丝杠结构形式15 图表23：标准式行星滚柱丝杠运动简图15 图表24：不同种类的行星滚柱丝杠16 图表25：行星滚柱丝杠主要优势16 图表26：行星滚柱丝杠误差来源17 图表27：Ewellix滚柱丝杠不同材料对应的性质18 图表28：南京工艺滚柱丝杠主要材料18 图表29：行星滚柱丝杠螺纹副的加工工艺方法18 图表30：全球行星滚柱丝杠市场规模19 图表31：2022年行星滚柱丝杠国内市场份额占比20 图表32：行星滚柱丝杠企业对比情况20 图表33：行星滚柱丝杠全球市场分布情况20 图表34：国内企业行星滚柱丝杠产品布局21 图表35：行星滚柱丝杠成本构成21 图表36：Optimus线性执行器能拉动钢琴22 图表37：特斯拉Optimus采用反式行星滚柱丝杠22 图表38：SBC公司产品结构图23 图表39：长盛轴承2022年9月定增项目23 图表40：鼎智科技线性执行器产品24 图表41：秦川机床“新能源汽车领域滚动功能部件研发与产业化建设项目”概况25 图表42：主要标的情况26 一、滚珠丝杠：传动领域核心零部件，远期市场可期 1.1滚珠丝杠：“旋转变直线”关键部件 丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的传动元件。丝杠主要应用于传动和控制系统中，广泛应用于数控机床、制造设备、机器人、精密仪器等领域。 丝杠按其摩擦特性可分为三类：滑动丝杠、滚动丝杠及静压丝杠： 1）滑动丝杠的牙型多为梯形，这种牙型比三角形具有传动性能好、精度高、加工方便等优点，主要适用于搬运等场景； 2）滚动丝杠分为滚珠丝杠和滚柱丝杠两大类，滚珠丝杠与滚柱丝杠相比而言，摩擦力小、传动效率高、精度高，但其制造工艺较为复杂，可以用于高端机床、机器人、汽车等场景； 3）静压丝杠的螺纹牙形与标准梯形螺纹牙形相同，且标准更高，能够获得良好油封及提高承载能力，但是工艺复杂、初期投入成本较高，适合高速插齿机、砂轮架的进给轴、其他重载场合等。 图表1：不同种类丝杠对比 滑动丝杠 滚动丝杠 静压丝杠 示意图 传动效率 26%-70% 90%-96% 较高 摩擦系数 0.06-0.15 0.0025-0.0035 液体摩擦，低速时无摩擦 传动精度 标准精度±250μm/300mm，精密精度±75μm/300mm 滚柱丝杠最高可达C0级，即±3.5μm/100mm （行星滚柱丝杠定位精度优于1μm） 高于滚珠丝杠 承载能力 一般 较好 （行星滚柱丝杠承载重量不小于50000kg） 较好 使用寿命 较短 较长 （行星滚柱丝杠寿命提高14倍） 极长 自锁性能 完全自锁 无自锁性 较高的自锁性 经济成本 较低 较高 初期成本投入高 应用场景 慢速转移、搬运等 高端机床、航空航天、机器人、电动汽车、3C装备等 高速插齿机、砂轮架的进给轴、其他重载场合等 资料来源：THK官网，Hyprostatik官网，Thomson官网，上海慧腾官网，万捷传动官网，李凯、叶佩青、周晓尧等《精密行星滚柱丝杠的传动特性》，自助贸易，任稷机电官网，信达证券研发中心 滚珠丝杠是电动缸常见的传动元件之一，具有精度高、传动效率高等优势。滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成。滚珠丝杠中，滚珠沿螺旋滚道滚动带动螺母或丝杠轴向移动，将原先传动中使用的T形丝杠的螺纹摩擦变为滚动摩擦，降低了摩擦阻力，提高了传动精度与传动机械效率，具有良好性能。 图表2：滚珠丝杠结构示意图 资料来源：邓琦《行星滚柱丝杠电动缸应用现状》，信达证券研发中心 根据特殊用途，滚珠丝杠可划分为自润式滚珠丝杠、静音式滚珠丝杠、高速化滚珠丝杠、重负荷型滚珠丝杠： 图表3：根据特殊用途划分滚珠丝杠 主要优势 自润式滚珠丝杠 免供油设备、油量适当、符合环保概念，适用于机械空间限制无法配置供油系统、不能有油污的环境 静音式滚珠丝杠 滚珠位于滑块的内表面，滑块的底部且位于滚珠的上方设置有流油槽，滑块的上表面设置有流油槽相连通的油 孔，从而可以对滑块与长轴的连接处进行全面的封闭，实现隔音的效果，适用于自动化设备、医疗机械、半导体生产装置、夜景设备等领域 高速化滚珠丝杆 循环系统的路径和螺旋路径是平滑且连续的连接；轴向观察螺旋路径为一圆周运动，而循环路径是沿着切线方向和螺旋路径连接；径向观察，循环路径配合着滚珠丝杠的导程角和螺旋路径连接，从而实现滚珠丝杠的高速进 给，提高滚珠丝杠效率 重负荷型滚珠丝杠 加强滚珠循环部位的强度设计，可承受较大的轴向负荷，可延长在高加减速进给上之使用寿命，可应用于全电式射出成形机、冲压机、半导体制造装置、重负荷致动器、产业机械、锻压机械等领域 资料来源：《HIWINRE1系列新产品——自润式滚珠丝杠和自润式直线导轨》，国家知识产权局，NSK官网，屈岳陵《高效率的HIWINSUPER-S高速化滚珠丝杠》，中国台湾上银科技官网，信达证券研发中心 根据循环方式，滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种： 1）内循环：滚珠始终与丝杠保持接触，使用返向器实现滚珠循环。在螺母的外侧钻孔，装上连通相邻滚道的返向器，迫使滚珠越过螺牙顶进入相邻滚道。返向器有两种形式，圆柱凸键反 向器与扁圆镶块返向器，两种返向器相比，后者的尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸，缩短了轴向尺寸，但这种返向器结构复杂制造困难，且不能用于多头螺纹传动； 2）外循环：滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。外循环是在螺母体上轴向相隔数个半导程处钻两个孔，孔与螺旋槽相切，作为滚珠的进口与出口，再在螺母的外表面上铣出回珠槽并沟通两孔，并在两孔处装上挡珠器，以回珠管相连，形成一个封闭的循环滚道，这种结构制造简单，使用广泛。但滚道与挡珠器的接缝处，难以制造平滑，从而影响滚珠滚动的平稳性，并产生噪音。 图表4：滚珠丝杠副内循环方式图表5：滚珠丝杠副外循环方式 资料来源：华欧精密，信达证券研发中心资料来源：孔庆令《外循环滚珠丝杠的几点改进》，信达证券研发中心 图表6：滚珠丝杠特性 主要优势 传动精度高 由于滚珠丝杆采用滚珠运动，起动扭矩极小，不会出现打滑等爬行现象，具有较高的进给精度。 传动效率高 与滑动螺旋相比，滚珠螺旋传动的摩擦阻力小，传动效率可达90%以上，是滑动丝杠传动的的2-4倍，能有效 地将扭矩转化为推力，或将推力转化为扭矩。 同步性能好 由于滚珠丝杠螺旋传动的滚动摩擦特性，摩擦阻力几乎与运转速度无关，因此，运转启动时无颤动，低速下运转 无爬行现象。在需要同步传动的情况下，使用几套相同导程的滚珠丝杠副可以获得良好的同步性能。 传动刚度高 滚珠丝杠副内外滚道均为偏心角双弧面，滚道间隙极小时传动灵活。如有必要，可消除轴向间隙和初级弹性变 形，以获得良好的刚性。 使用寿命长 滚珠螺旋副的丝杠、螺母和滚珠都经过淬硬，而且滚动摩擦产生的磨损极小，故螺旋副经长期使用仍能保持其精度，工作寿命很长。 传动的可逆性（不能自锁） 它既可把回转运动变成直线运动（正传动），又可把直线运动变成回转运动（逆传动），滚珠丝杠具有可逆性， 但缺点是不