机械设备行业深度研究：丝杠行业，人形机器人量产前夜，国内企业加速入局助推进口替代

行业报告|行业深度研究 证券研究报告 2023年09月19日 机械设备 丝杠行业：人形机器人量产前夜，国内企业加速入局助推进口替代 作者： 分析师朱晔SAC执业证书编号：S1110522080001 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 行业评级：强于大市（维持评级）上次评级：强于大市 摘要 丝杠是将电机端旋转运动转化为直线运动的机械部件： 1）从设计结构角度分为：梯形丝杠、滚珠丝杠及滚柱丝杠：梯形丝杠无滚动体，靠滑动摩擦传递推力；滚珠和滚柱丝杠有滚动体，靠滚动摩擦传递 推力；当前，滚珠丝杠是行业主流产品，行星滚柱丝杠属于新一代产品。 2）丝杠技术壁垒较高，难点在于工艺及设备：常见工艺有磨削、冷轧和旋风铣削，其中磨削加工精度最高可达P1级，是高精度丝杠螺纹的主要加工方法；原材料质量、热加工工艺、淬火工艺、精加工工艺、检测设备或造成国内外滚珠/滚柱丝杠性能差距。 丝杠部件市场空间广阔，国内企业加速布局或将推动国产替代： 1）国内企业起步较晚，但未来发展空间较为充分：滚珠丝杠在国外起步早、技术成熟，以往国内中高档采用进口比例较大；而国产滚动功能部件行业通过多年努力及政策支持，国产品牌在中高端中应用比例显著提升。 2）滚动功能部件应用场景广泛，数控机床为第一大下游：目前国内数控机床、机器人与生产线、航空航天与军工为三大应用场景，2021年机床在 采购滚动功能部件行业中占比54.3%，推动滚动功能部件需求扩张，2022年对应市场空间为27.41亿美元。同时，人形机器人进入快速迭代升级进展期，由于其大多采用反向式行星滚柱丝杠，丝杠部件或将从中受益，市场空间有望大幅提升。 3）国内滚珠/行星滚柱丝杠供需缺口明显，市场规模稳步增长：2022年中国滚珠丝杠供需缺口或将达到448万套，行星滚柱丝杠同样供需缺口明显； 预计2030年全球及中国滚珠丝杠市场规模分别达405.78、81.16亿美元；预计2023年全球行星滚柱丝杠市场规模增长至3亿美元。 4）日欧企业主导高端市场，行业集中度较高：从国内竞争格局来看，①高端市场，日德企业合计市场份额高达90%，中国大陆、中国台湾企业市场份额各约5%，高端市场格局相对集中；②中端市场，中国大陆厂商的市场份额约30%。从全球市场竞争格局来看，CR5市占率达到约46%；其中欧洲和日本的滚珠丝杠企业占据全球约70%的市场份额。从全球区域分布来看，2020年亚太地区市场份额占比约49.46%，是全球滚珠丝杠主要市场。而行星滚柱丝杠市场较小，行业参与者以海外企业为主；预计2022年我国滚柱丝杠市场Rollvis、GSA、Rexroth、Ewellix合计市占率达 78%，国内厂商南京工艺市占率为8%。 5）国内企业加速布局丝杠领域，有望实现国产替代：与海外知名企业相比，中国厂商生产的丝杠产品存在尺寸系列有限、批量产品质量不稳定、应用场景有限等短板，但随着国内企业对高精密丝杠的研制布局加速，国产化率有望逐步提升。 建议关注：贝斯特、新剑传动、秦川机床、鼎智科技、恒立液压、长盛轴承等。 风险提示：市场竞争加剧风险、原材料价格波动风险、人形机器人发展不及预期风险、市场需求下降风险等。 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明2 1 引子 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明3 数据来源：南京工艺装备制造有限公司官网，华经产业研究院，创威达官网，步进电机网，《E公司滚柱丝杠产品营销策略研究》王有雪，天风证券研究所 4 丝杠是一种将电机端旋转运动转化为直线运动的机械部件，广泛应用于具有直线运动功能的机器设备中。电机通过联轴器带动丝杠轴转动，丝杠轴上的螺母在螺旋形螺纹的驱动下实现直线往复运动，从而将电机的旋转力矩转化为设备运动所需要的直线方向的驱动力。 丝杠从设计结构角度分为：梯形丝杠、滚珠丝杠以及滚柱丝杠。其中，梯形丝杠中无滚动体，靠滑动摩擦传递推力，传动效率较低；滚珠和滚柱丝杠具有钢球或螺杆型的滚动体，靠滚动摩擦传递推力，传动效率较高。当前，滚珠丝杠是行业主流产品，相较之梯形丝杠，其在传动效率、传动速度、使用寿命等方面的优势明显。 滚珠丝杠的传动效率大约是90-96%，滑动丝杠的传动效率大约是25-50%。即如果驱动传动效率同样大的负载，采用滚珠丝杠可以使用更小的驱动功率，例如更小功率的电机，既可降低 成本，亦可降低能耗。 对比结果 对比项 表：滚珠丝杠和滑动丝杠（梯形丝杠）的对比图：滚珠丝杠传动效率优于滑动丝杠 传动速度滚珠丝杠是滚动摩擦，滑动丝杠是滑动摩擦，工作时前者的温升远低于后者，因此可以承担高速传动任务。 使用寿命滚动摩擦的表面损伤比滑动摩擦的小很多，因此在清洁、润滑等条件符合时，滚珠丝杠的维持寿命比滑动丝杠高得多。 经济性滚珠丝杠因其结构较滑动丝杠复杂，价格仍然比滑动丝杠高。不过，随着自动化设备的增多而产量增大，价格差异越来越小。 自锁性自锁性一般与传动效率成反比，因此，滚珠丝杠几乎没有自锁性，而滑动丝杠具有一定的自锁性。 滚珠丝杠大多数用在数控机床、定位工作台等需要精密定位传动的场合，多配合伺服电机 应用与步进电机使用；滑动丝杠一般情况下仅用于传递力、没有较高定位要求且不长时间连续使用的场合。 滚珠丝杠副的定义：其是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。 滚珠丝杠 螺纹部分 图：滚珠丝杠副的构成 滚珠丝杠副 滚珠螺母 表：滚珠丝杠副的特点 滚珠螺母体 滚珠循环装置密封件 特点 描述 传动效率高 在滚珠丝杠副中，自由滚动的滚珠将力与运动在丝杠与螺母之间传递。这一传动方式取代了传统螺纹丝杠副的丝杠与螺母间直接作用方式，因而以极小滚动摩擦代替了传统丝杠的滑动摩擦，使滚珠丝杠副传动效率达到90%以上，整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杠的1/3左右，发热率也因此得以大幅降低。 定位精度高 滚珠丝杠副发热率低，温升小以及在加工过程中对丝杠采取预拉伸并预紧消除轴向间隙等措施，使丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度。 润滑剂 传动可逆性 滚珠丝杠副没有滑动丝杠粘滞摩擦，消除了在传动过程中可能出现的爬行现象，滚珠丝杠副能够实现两种传动方式——将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动并传递动力。 预紧元件 支承轴颈 其他部分 负荷滚珠 间隔滚珠 其他 使用寿命长由于对丝杠滚道形状的准确性、表面硬度、材料的选择等方面加以严格控制，滚珠丝杠副的实际寿命远高于滑动丝杠。 滚珠 由于滚珠丝杠副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致性，采用同步性能好多套滚珠丝杠副方案驱动同一装置或多个相同部件时，可获得很好 的同步工作。 滚珠丝杠副的结构：滚珠丝杠副按循环方式分为：内循环端块式(DK)，内循环端盖式(DG)，内循环浮动式(F)，内循环矩阵式(J)和外循环插管式(C)。 图：内循环浮动式(F)、内循环矩阵式(J)结构图 表：滚珠丝杠副的结构（按循环方式） 图：内循环端块式(DK)/端盖式(DG)结构图 图：外循环插管式(C)结构图 循环方式内循环端块式(DK)内循环端盖式(DG)内循环浮动式(F)内循环矩阵式(J)外循环插管式(C) 滚珠运动平稳，适用于高速运动场合；适用于大导程、高速、精度要求不高螺母安装尺寸小，适用于中、小导程，中、低速度，制螺母安装尺寸大，应用场合较广，制特点一个完整的滚珠循环链含有多个圈数的运动场合；一个完整的滚珠循环链造工艺相对简单，一个完整的滚珠循环链只有一个圈数。造工艺相对复杂，一个完整的滚珠循 含有多个圈数环链含有多个圈数。 螺母外径 小 小 大 循环圈数 多种选择（一般≤6圈） 0.8圈或1.8圈 多种选择（一般≤8圈） 多种选择 螺旋线数 一般为1 2或4 一般为1 一般为1 滚珠丝杠副的结构：滚珠丝杠副按预紧方式分为：双螺母垫片预紧(D)，双螺母螺纹预紧(L)，单螺母变位导程预紧(B)，单螺母增大滚珠直径预紧(Z)。 图：滚珠丝杠副的结构（按预紧方式） 表：滚珠丝杠常用参数 参数名称 参数介绍 即丝杠的外径，常见规格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120，但各厂家一般只备16-50的货，其他直径大部分都是期货（见单生 公称直径 产，货期大约在30-60天，日系产品大约是2-2.5个月，欧美产品大约是3-4个月）。公称直径和负载基本成正比，直径越大的负载越大。至于动额定负荷与静额定负荷，前者指运动状态下的额定轴向负载，后者是指静止状态下的额定轴向负载。设计时参考前者即可。额定负荷并非最大负荷，实际负荷与额定负荷的比值越小，丝杠的理论寿命越高。 导程指的是丝杆旋转一周，螺母直线运动的距离。常见的导程有（单位：mm）：2、4、5、6、8、10、16、20、25、32、40，跟导程有关系的参数是螺母运动速度和滚珠丝杆可提供的直线推力。 导程 导程越大，相同转速情况下，直线运动速度越快，具体的计算关系为：v=ri。其中v：螺母的移动速度（单位：mm/s）；r：丝杆的旋转速度（单位：r/s）； i：导程（单位：mm）。 导程和丝杆推力的关系：F=（2πTn）/i。其中F：丝杆推力（单位：N）；T：电机提供的扭矩（单位N·m）；n：传动效率（滚珠丝杆的传动效率一般为 85%-95%）；i：导程（单位：m）。 长度 长度有两个概念，一个是全长，另一个是螺纹长度。螺纹长度中也有两个部分，一个是螺纹全长，一个是有效行程，前者是指螺纹部分的总长度，后者是指螺母直线移动的理论最大长度，螺纹长度=有效行程+螺母长度+设计裕量（如果需要安装防护罩，还要考虑防护罩压缩后的长度，一般按防护罩最大长度的1/8计算）。 在设计绘图时，丝杠的全长大致可以按照以下参数累加，丝杠全长=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度（轴承宽度+锁紧螺母宽度+裕量）+动力输入连接长度（如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半+裕量）。 螺母形式 按法兰形式分大约有圆法兰、单切边法兰、双切边法兰和无法兰几种。按螺母长度分有单螺母和双螺母（注意，单螺母和双螺母没有负载和刚性差异，单螺母和双螺母的主要差异是后者可以调整预压而前者不能，另外后者的价格和长度大致均是前者的2倍）。在安装尺寸和性能允许的情况下，设计者在选用时应尽量选择常规形式，以避免维护时备件的货期问题。 精度 按国内分类，精度等级有P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10；日本、韩国以及中国台湾省采用JIS等级，即C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10；欧洲国家的标准采用的是IT0，IT1，IT2，IT3，IT4，IT5，IT7，IT10。 预压等级 也叫预紧，预压等级越高，螺母与螺杆配合越紧；反之，等级越低越松。 遵循的原则是：大直径、双螺母、高精度、驱动力矩较大，当丝杆的应用出现以上的情况时，预压等级可以选高一点，反之选低一点。 图：各种机械适用精度等级 精度等级：根据使用范围及要求将滚珠丝杠分为定位滚珠丝杠副(P)和传动 滚珠丝杠(T)两种，精度等级主要分为七个等级，即1.2.3.4.5.7.10级（1 级精度最高，依次逐渐降低）。 右图为根据南京工艺装备制造有限公司的实际经验，按不同用途选择精度等级的示例，其中○标记表示使用较多的精度等级范围，通过该图可以初步选定滚珠丝杠副的精度等级。 标准式行星滚柱丝杠主要由丝杠、螺母、滚柱、内齿圈及保持架等部分组成，它主要是依靠多个滚柱与丝杠、螺母之间的螺纹啮合传动来将伺服电机的旋转运动转化为直线运动，其滚 柱通过保持架均匀的分布在丝杠、螺母之间，为了防止滚柱相对于螺母发生轴向窜动的现象，保持架与螺母之间轴向方向相对固定，另外滚柱两边加工有直齿轮，目的是为了避免滚柱相对于螺母的滑动而产生零件偏斜现