人形机器人打开市场空间，丝杠迎国产化新机遇

投资要点 丝杠为常用的精密滚动部件，广泛应用于机床、机器人、汽车等领域。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产品，广泛应用于数控机床、机器人、汽车等各种机械设备。按照摩擦特性，丝杠可划分为滑动丝杠、滚动丝杠和静压丝杠；其中滚动丝杠包括滚珠丝杠（最常用）和行星滚柱丝杠（特斯拉人形机器人应用其为传动部件）两类。2022年全球滚珠丝杠市场规模约120亿元，我国市场规模为25.6亿元，全球占比超过20%。 高精度丝杠生产壁垒高，主要体现在设备和工艺两端。滚珠丝杠生产工艺主要分为冷轧、磨削、旋风铣三种。其中冷轧工艺只能生产C7、C10等低端丝杠，旋风铣可生产中高端丝杠；高端丝杠生产工艺复杂，壁垒较高，当前多采用磨削工艺。高端丝杠生产需要高端设备，包括磨床、热处理设备、校直设备等，高度依赖进口，价格高昂且交期较长，而国产设备精度及稳定性仍有较大差距，形成丝杠生产的设备壁垒。此外，生产工艺的把控和经验积累对批量化生产高精度丝杠至关重要。 滚珠丝杠国产化率低，行星滚柱丝杠国内不具备批量生产能力。国内滚动功能部件高端市场格局相对集中，日欧企业合计市场份额高达90%，中国大陆、中国台湾企业各约5%，在国内滚动功能部件的中低端市场，中国大陆厂商市场份额约30%。1）滚珠丝杠：全球滚珠丝杠市场主要生产商有德国Rexroth、德国Schaeffler、日本NSK、日本THK、台湾上银等，日欧企业占全球滚珠丝杠市场约70%市场份额，CR5市占率达到约46%。我国滚珠丝杠厂商集中在品种单一、技术含量不高的中低档产品，制造工艺水平与国外相比存在一定差距。2）行星滚柱丝杠：目前世界范围内生产滚柱丝杠厂商主要有瑞士Rollvis、瑞士GSA、德国Rexroth、瑞典Ewellix等，国内行星滚柱丝杠则尚未有系列化的可批量生产的自主品牌产品，亟需国产化。 人形机器人Optimus使用行星滚柱丝杠方案，测算长期万亿蓝海市场，国产化迎来新机遇。特斯拉人形机器人Optimus线性执行器方案采用无框电机+行星滚柱丝杠+力传感器+编码器+深沟球轴承+四点接触球轴承的方案，即单台机器人需要14个行星滚柱丝杠。到2030年，在乐观/中性/悲观情景下，测算Optimus对行星滚柱丝杠的需求空间560/420/224亿元；假设长期全球人口数量为100亿人，人形机器人的渗透率为20%，行星滚柱丝杠单价下降到1000元，测算Optimus行星滚柱丝杠远期市场空间为28万亿。 相关标的：已经具备丝杠产能或正在布局的相关厂商包括汇川技术（300124）、秦川机床（000837）、恒立液压（601100）、恒而达（300946）、贝斯特（300580）、鼎智科技（873593）、长盛轴承（300718）。 风险提示：市场竞争加剧的风险；下游机床、汽车等领域需求不及预期的风险；人形机器人发展不及预期的风险；行业扩产不及预期的风险。 1丝杠为精密滚动部件，高精度产品生产壁垒高 1.1滚珠丝杠最为常用，人形机器人激发行星滚柱丝杠关注度 丝杠是机械设备常用的传动元件。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产品。滚珠丝杠最初发明于1874年，并在美国获得专利，1940年美国通用汽车公司将其大规模应用到汽车转向机构中，随后在工业领域中的应用不断延伸，被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 丝杠分类方式较多，按照摩擦特性，丝杠可划分为滑动丝杠、滚动丝杠和静压丝杠。其中 ，滚珠丝杠是最常用的丝杠形式，人形机器人打开行星滚柱丝杠应用空间。 1）滑动丝杠：无滚动体，靠滑动摩擦传递推力，连续工作发热严重，传动效率较低（30-50%），一般适用精度要求较低的应用场合，具有自锁性。滑动丝杠的牙型多为梯形，又称梯形螺纹丝杠。 2）滚动丝杠：有滚动体，按照滚动体的不同，可进一步划分为滚珠丝杠和行星滚柱丝杠两类。①滚珠丝杠：主要由螺杆、螺母、滚珠、循环反向装置组成，螺母与丝杠表面被加工成凹圆弧形成螺纹滚道，滚道之间放入滚珠，滚珠在螺母内沿着螺旋滚道滚动并通过反向器在螺母内循环，带动螺母沿丝杠轴向运动；滚珠丝杠摩擦力小、传动效率高（超过90%）、精度高，是最常使用的丝杠形式。②行星滚柱丝杠：结构和滚珠丝杠相似，区别在于载荷传递元件为螺纹滚柱，而非滚珠，具有高承载、耐冲击、体积小、高速度、低噪音、高精度、长寿命等优点，被应用于特斯拉人形机器人，市场关注度因此大幅提高，随着人形机器人放量，其市场空间将被打开。 3）静压丝杠：静压丝杠通常由外壳、螺纹、导轨和气体或液体膜组成，是一种新型的液压传动元件，它利用压缩空气或液体在丝杠周围形成气体或液体膜，使得螺母和丝杠发生相对运动时本身并不接触，减少接触面积和摩擦力，因此可以达到极高的定位精度，但其工艺复杂，加工非常困难，成本较高。 图1：按照摩擦特性，丝杠可划分为三大类 图2：滚珠丝杠传动效率远远高于滑动丝杠 表1：相对滚珠丝杠，行星滚柱丝杠性能优异、成本高 按照滚珠循环方式，滚珠丝杠可分为外循环、内循环两类。1）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；2）内循环：内循环均采用反向器实现滚珠循环。简单来说，滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。内循环结构紧凑，同类螺母体积小于外循环，一般适用于小型、轻负载的工作场合；外循环结构多样，适应性宽广，不过相对内循环来说一般需要较大的安装空间。 图3：按照循环方式，滚珠丝杠可以分为外循环、内循环两类 行星滚柱丝杠按结构分成五类，其中反向式行星滚柱丝杠加工较为困难。1）按照结构和运动特点分类，行星滚柱丝杠可分为标准式、反向式、循环式、差动式和轴承环式等五种形式；其中，反向式行星滚柱丝杠的螺母比较长，螺母越长，砂轮轴与螺母内壁之间容易出现干涉现象，加工较为困难，特斯拉人形机器人即使用反向式行星滚柱丝杠作为主要的传动装置。 表2：行星滚柱丝杠的分类 1.2滚珠丝杠应用领域广泛，数控机床用精度要求较高 滚珠丝杠广泛应用于数控机床、机器人、汽车等各类机械设备。作为成熟的精密传动部件，滚珠丝杠广泛应用于各类机械设备。根据金属加工杂志社，数控机床是滚珠丝杠最主要的应用领域，其次是机器人与生产线、航空航天&军工、汽车、轨道交通、3C消费电子、电动注塑机、电动缸伺服驱动等。随着制造业向数字化、智能化的转型升级与深入，机器人与生产线领域的应用占比快速增长。 1）数控机床：滚珠丝杠与直线导轨构成的滚动功能部件是机床重要的传动元件，通常情况下，一个进给方向需要一根滚珠丝杠和两条导轨。 2）机器人：工业机器人的驱动源通过传动部件来驱动关节的移动或转动，从而实现机身、手臂和手腕的运动，因此滚珠丝杠等传动部件是工业机器人的重要组成部分。 最近关注度较高的人形机器人则在线性执行器中应用了行星滚柱丝杠。 3）汽车：滚珠丝杠广泛应用于汽车的转向系统、制动系统、驻车系统和悬架系统等领域，随着汽车智能化程度提高，滚珠丝杠的市场空间将进一步提高。 图4：滚珠丝杠广泛应用于数控机床、机器人等各行各业 按照JIS标准，丝杠精度按从高到低可分成7个等级。一般用螺纹长度300mm累积导程误差表示其精度，日本、韩国、中国台湾通常使用JIS标准，将丝杠的精度分为C0， C1 ，C2，C3， C5 ，C7， C1 0等7个等级，C0为最高级，即任意行程300mm的精度误差小于3.5um。国内则将丝杠的精度等级划分为P1，P2，P3，P4，P5，P7，P10等7个等级。 表3：滚珠丝杠的精度等级 数控机床对丝杠精度要求较高，工业机器人、汽车次之。不同的机械设备需要的滚珠丝杠等级不同，一般来说，航空制造设备、精密投影及三坐标测量设备等一般采用C3、C2精度，数控机床则一般采用 C5 、C3级，工业机器人和汽车领域对滚珠丝杠的精度要求低于数控机床，一般采用C7、C10级滚珠丝杠即可。 图5：各机械设备常用的滚珠丝杠副应用精度等级 图6：各机床常用的滚珠丝杠副应用精度等级 1.3高精度丝杠生产壁垒高，主要体现在设备和工艺两端 丝杠的生产工艺主要包括冷轧、磨削、旋风铣三种。 1）冷轧：采用滚丝机轧制工艺一次滚压成型，交货期快捷，价格低廉。轧制工艺的核心是采用辊轧的方法对中心螺杆进行成型，相比磨削工艺成型速度快、制造成本低，但是轧制工艺精度低，一般只能生产出C7和C10两种精度的丝杠，且其负载能力弱、使用寿命低。 2）磨削：按照基准统一原则，以两端中心孔为加工工艺工序基准，再经过热处理、车削、磨削等几十道工序最终完成。其优势在于可生产最高精度的C0级丝杠，缺点在于加工时间长、制造成本高。 3）旋风铣：旋风铣技术已被欧洲研究多年，早在20世纪80年代即推出旋风铣床，并应用于滚珠丝杠螺纹加工。相对于传统磨削工艺，旋风铣的优势在于切削速度快，生产效率高（与磨削加工相比，加工效率是其3-5倍），加工成本低，但在高精度方面与磨削加工还有差距。 表4：轧制滚珠丝杠与磨制滚珠丝杠的比较 图7：旋风铣加工工艺图示 生产高精度丝杠主要有三大壁垒：原材料、生产设备、生产工艺。 1）原材料：一般选用的材料为合金钢或者轴承钢，国产差距较小。根据Rollvis中国大陆核心代理商天誉科技公司官网，行星滚柱丝杠中的丝杠采用合金结构钢42CrMo，螺母和滚柱选用的材料为高碳铬轴承钢GCr15，目前我国在丝杠原材料供应方面基本没有瓶颈。 2）生产设备：依赖进口，国内关键设备仍有较大差距。丝杠磨削加工中最关键的设备为螺纹磨床，国内制造螺纹磨床厂家较少，包括江汉机床、上海机床厂、北京机床厂等，在精度、稳定性等方面和日本或德国的设备有差距。而进口设备非常昂贵且交期较长，日本三井的高精度螺纹磨床价格超过1000万元。除了磨床，国内旋风铣设备基本依赖进口；热处理设备、校直设备与进口相比仍有较大差距，基本依赖进口。 3）生产工艺：需要沉淀积累。高端设备是生产高端丝杠产品的必要非充分条件，若想批量生产精度要求达到μm的高精度丝杠，生产工艺的积累至关重要，需要把控好包括热处理、车削、粗磨、精磨等各个环节。 表5：磨削滚珠丝杠机械加工工艺复杂 表6：轧制滚珠丝杠机械加工工艺简单 2滚珠丝杠：全球市场规模超百亿，日欧企业占70%份额 全球滚珠丝杠市场规模超过100亿元，国内市场规模在30亿元左右。根据华经产业研究院，2021年全球滚珠丝杠市场规模为17.50亿美元，预计2022年达到18.59亿美元，2016-2021年全球滚珠丝杠市场规模CAGR=6.2%。2021年我国滚珠丝杠市场规模为25.60亿元，预计2022年达到28.00亿元，2016-2021年我国滚珠丝杠市场规模CAGR=10.2%。 日本和欧洲企业占全球滚珠丝杠约70%的市场份额。滚珠丝杠广泛应用于机床工具、机器人制造等，其中机床工具是其最大的应用领域。根据华经产业研究院，全球滚珠丝杠市场主要生产商有德国博世力士乐Rexroth、德国舍弗勒Schaeffler、日本NSK、日本THK、日本黑田精密工业、台湾上银、台湾银泰等企业，日本和欧洲企业占全球约70%市场份额，CR5市占率达到约46%。根据金属加工公众号，国内滚动功能部件高端市场格局相对集中，日欧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%，在国内滚动功能部件的中低端市场，中国大陆厂商的市场份额约30%。我国滚动功能部件制造厂商多数只能生产品种单一、技术含量不高的中低档产品，制造工艺水平与国外相比存在一定差距 。 图8：2016-2021年全球滚珠丝杠市场规模CAGR=6.2% 图9：2016-2021年我国滚珠丝杠市场规模CAGR=10.2% 图10：我国滚动功能部件高端市场竞争格局 图11：我国滚动功能部件中低端市场竞争格局 德国博世力士乐（Rexroth）：隶属于博世力士乐集团，是一家主要生产液压系统、减速机、电控技术以及机电一体化产品的大型工业品公司。在