2024年人形机器人行业专题策略（二）：人形机器人催生丝杠需求，“卖铲人”有望优先受益

行业专题 行业评级：领先大市-A 人形机器人催生丝杠需求，“卖铲人”有望优先受益 ——2024年人形机器人专题策略（二） 国投证券研究机械团队 分析师郭倩倩S1450521120004 联系人陈之馨S1450122060030 2024年1月24日 证券研究报告 核心观点 研究背景：随着人形机器人底层技术成熟度不断进化，应用场景和商业模式日渐清晰，叠加国家政策催化，人形机器人量产渐行渐近。我们在《2024年人形机器人专题策略（一）：量产渐行渐近，未来不远》中提出，展望2024年，从投资机会来看，核心关注的方向之一是机器人上游机加工设备（卖铲人）。本篇报告围绕核心零部件上游机加工设备相关的磨床、车床、刀具、绕线机等，通过对加工原理、工艺、设备、市场规模、格局等做详实介绍和分析，同时对国内主要加工设备厂商进行梳理，希望挖掘出具备投资价值的优质国内制造企业。 行星滚珠丝杠价值量占比高、技术壁垒高，是人形机器人核心零部件。行星滚柱丝杠将电机的旋转运动转化为关节的直线运动，具备高承载、高刚度、高精度、长寿命等优势，主要应用于人形机器人线性关节和灵巧手部位。根据我们对特斯拉Optimus的成本拆分，丝杠总成本占比11.6%，其中行星滚柱丝杠占比9.47%，仅次于电机的成本占比，是目前人形机器人关键的降本环节。滚柱丝杠的技术壁垒主要体现在：①材料端：行星滚柱丝杠采用的钢材特性差异大，特种合金调质钢成为高端市场材料端的技术壁垒；②加工端：行星滚柱丝杠体积小、制造精密程度高，其中螺母的内螺纹加工为主要加工难点；③服务端：行星滚柱丝杠故障类型复杂，对供应商配套的装配、检修服务要求较高。 高精度丝杠加工核心在于磨床，国产替代势在必行。丝杠加工主要流程为前处理粗加工精加工热处理组装，粗加工环节存在磨削/ 铣削/滚轧等技术路线分歧，加工精度来看，磨削>铣削>滚轧，加工效率来看，滚轧>铣削>磨削；而精加工环节中磨床为必备设备。 市场空间：人形机器人催生丝杠需求，磨床市场空间广阔。根据我们测算，假设到2030年人形机器人年产量100万台，单台人形机器人所需滚柱丝杠、行星小丝杠、螺母数量分别为14/112/14个，单台磨床加工上述零部件产量分别为8/2/10个/分钟，按单台磨床价值量100万计算，到2030年人形机器人滚柱丝杠用磨床的市场空间有望达到33亿元。 竞争格局：进口磨床企业发展早、精度高、稳定性强，国内企业起步晚，在工艺流程和设备制作环节缺乏经验积淀，目前头部丝杠企业主要采用日本、欧洲的磨床设备。从需求端看，人形机器人降本诉求较强，对定制化程度、加工效率以及交付周期等要求较高；从供给端看，进口设备价格高、交付周期长，而国产企业具备一定磨床工艺技术积累，同时在性价比以及售后服务等方面更具优势，随着国产机床企业加工工艺、规模化生产能力持续迭代精进，人形机器人降本诉求驱动的背景下，磨床设备国产替代势在必行。 投资建议：人形机器人量产渐行渐近，卖铲人（核心零部件上游生产设备）有望优先受益。从价值量排序来看，机床＞刀具＞绕线设备；从国产替代进度来看，绕线设备＞刀具＞机床。复盘2023年机器人板块股价涨跌，主要呈现出业绩期回调，非业绩期催化的趋势，因此，我们建议重视行业因需求未恢复带来的业绩期股价回调时的低位布局投资机会。建议关注：①磨床：【日发精机】、【华辰装备】、【秦川机床】；②车床：【浙海德曼】；③刀具：【沃尔德】；④绕线设备：【田中精机】等。 风险提示：人形机器人产业进度不及预期、行业竞争加剧、政策风险、宏观经济复苏不及预期，市场空间测算误差风险。 目录 1、行星滚柱丝杠价值量占比大、技术壁垒高，是人形机器人核心零部件 2、加工设备：研磨/切削/滚轧工艺各有优势，磨制精度最高，滚轧效率最高 3、丝杠制造主要瓶颈在于高精度磨床设备，进口替代空间广阔 •3.1市场规模：预计到2030年，人形机器人有望带来33亿磨床需求 •3.2竞争格局：磨床进口依赖度高，机床设备国产替代势在必行 4、国内相关机床/刀具厂商梳理 5、投资建议和风险提示 1.1丝杠是将旋转与直线运动相互转化的机械传动装置 丝杠的定义：能够将旋转与直线运动相互转化的高精密机械传动零部件，机械原理与生活中的螺丝与螺母通过旋转（“拧螺丝”）发生轴向位移类似；通过搭配电机（旋转丝杠）与导轨（固定螺母）即可实现传动功能。 常见的丝杠类型：包括梯形丝杠（滑动丝杠）、滚珠丝杠和行星滚柱丝杠。梯形丝杠结构简单，但精度差；滚珠丝杠精度高、效率高、 价格高；行星滚柱丝杠承载力强、耐冲击、体积小，但结构复杂、加工难度高、成本昂贵。 图：常见三类丝杠简要介绍 螺母 丝杠 螺母 滚珠 丝杠 行星架 丝杠 滚柱 内齿圈 螺母 挡圈 丝杠结构：由丝杠、螺母组成，通过滑动摩擦实现旋转直线传动应用场景：大负载但工作转度和工作制要求很低的应用场景 丝杠结构：由丝杠、螺母、滚珠组成，还包括油孔与防尘片，通过滚珠链的滚动摩擦实现旋转直线传动 应用场景：中等性能要求的应用场景 丝杠结构：由丝杠、螺母、滚柱组成，还包括行星架、挡圈、内齿圈等，通过滚柱的滚动摩擦实现旋转直线传动 应用场景：高速重载工作的应用场景 梯形丝杠 滚珠丝杠 行星滚柱丝杠 资料来源：《行星滚柱丝杠电动缸应用现状》，国投证券研究中心 注释：行星滚柱丝杠因其滚柱在围绕丝杠公转的同时完成自转而得名 1.1丝杠精度等级可分为C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10级 滚珠丝杆的JIS等级可分为C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10级，精度表示方法为无论滚珠丝杠的长度为多长，任取300mm的误差都在等级代表的精度之内，如精度等级为7级时，任意300mm行程内行程变动量为0.050mm，即C7=0.05。 表：滚珠丝杠国际标准精度等级 等级 研磨级 任意300mm行程内误差 轧制级 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C10 𝓋300 ISO，DIN 6 12 23 52 210 JIS 3.5 5 8 18 50 210 HIWIN 3.5 5 6 8 12 18 23 50 100 210 表：滚珠丝杠评价指标 指标 表征 影响因素 精度 导程精度 加工精度 寿命 耐久性 材料、热处理、加工精度 许容速度Dn值 运转速度 轴径、循环方式 摩擦波动 运转稳定性 加工精度、Ra 音响震动 低振动 加工精度 价格 - 精度、轴径、长度、特殊要求 资料来源：上银官网，产业链调研，国投证券研究中心 1.1高端市场被外资占据，国产制造商加速布局 从市场格局来看，欧美系、日系、台系占据我国滚动功能部件（丝杠&导轨）中高端市场主导，大陆制造商产品竞争力不足。根据金属加工杂志社数据，在国内高端市场，欧美日企业市场占有率高达90%，中国大陆、中国台湾制造商市场份额各约5%，高端市场格局相对集中;在国内中低端市场，大陆制造商拥有过约30%，中低端市场格局相对分散。 高端市场：对应下游市场主要为高精度切割、高速加工和高速定位的CNC机床、印刷机、精密机器人、航空航天、电动汽车、3C装备等重点领域。 中低端市场：主要以生产率高、价格低廉，并能保持机械效率高、耐磨性好的产品为主，下游应用精度要求不高，下游主要为工程机械、普通机床、打包机、注塑机等领域，也包括医院病床、手术台、千斤顶、小型起重机、阀门开关等应用场景。 图：中国品牌在国内中低端市场占据一席之地图：国内高端应用市场基本被欧美日系产品垄断 5.0% 5.0% 30.0% 30.0% 中国大陆：汉江机床、南京工艺等中国台湾：上银、银泰 中国大陆：汉江机床、南京工艺等中国台湾：上银、银泰 40.0% 欧美：力士乐、舍弗勒、CMC等日系：THK、NSK等 90.0% 欧美：力士乐、舍弗勒、CMC等日系：THK、NSK等 资料来源：金属加工杂志社，国投证券研究中心 1.2 行星滚柱丝杠具备高承载、高刚度、高精度、长寿命等优势 滚柱丝杠与滚珠丝杠的最大区别在于前者滚动体为“滚柱”而非“滚珠”，滚动体与丝杠与螺母的接触形式为“线接触”而非“点接触”，相比滚珠丝杠接触面积更大，能承受更大负荷和冲击。因此，相较梯形丝杠与滚珠丝杠，行星滚柱丝杠具备大承载、高刚度、高转速、长寿命等优势，更适用于高速重载的应用场景。 表：行星滚柱丝杠拥有更优综合性能 指标 梯形丝杠 滚珠丝杠 行星滚柱丝杠 传动效率 低，仅24%-26% 高，可达92%-98%，节能显著 较高，摩擦力较小时可达90% 转速 慢，滑动摩擦发热验证，转速不超过 3000RPS 较快，点接触滚动摩擦热效应小，转 速为3000-5000RPS 快，线接触滚动摩擦热效应小且承载力强，转速可达6000RPS 导程精度 低，品质参差不齐 较高，受滚珠直径限制，常为毫米级 高，可通过调整螺纹头数等因素使导程达到更小的微米级 使用寿命 短，滑动摩擦对元器件损伤较大 较长，滚动摩擦损伤小，但滚珠碰撞易缩短寿命 长，滚柱丝杠10倍以上，荷载运动可达1000万次以上，5-10倍滚珠丝杠寿命 微进给 难以实现，滑动运动存在爬行现象 可实现，滚珠运动的启动力矩小 可实现，滚柱运动的启动力矩小 自锁性 有，与导程角大小和工作面粗糙度有 关 无，需加装制动装置 无，需加装制动装置 国产化率 充分 60%以上 起步阶段 资料来源：《航天精密传动机构行星滚柱丝杠的设计与研究》，《行星滚柱丝杠承载与摩擦特性究》，《循环式行星滚柱丝杠副的设计及运动连续性研究》，观研天下，国投证券研究中心 1.3 行星滚柱丝杠主要分为五类，其中反向式应用于Optimus 根据结构不同，滚柱丝杠分为标准式、反向式、循环式、差动式与轴承环式，反向式结构（螺母旋转，丝杠传动，与标准式相反）长度较大、结构更为紧凑，成为特斯拉Optimus人形机器人直线关节传动装置的解决方案。 、 类别 特点 应用 图示 标准式行星滚柱丝杠 丝杠、螺母为三角形多头螺纹，滚柱为具有一定螺旋升角的球形单头螺纹，并在其两端加工有直齿，内齿圈固定在螺母两端并与滚柱两端的直齿轮啮合。丝杠为主动件，螺母为输出构件，行程较大 应用于环境恶劣、高负载、高速等场景，主要应用于精密机床、机器人、军工装备等领域，是目前应用最广泛的类型 反向式行星滚柱丝杠 螺母无内齿圈，丝杠两端加工有直齿与滚柱两端的齿轮啮合，长度比标准式更大。螺母为主动件，丝杠为输出构件，优势为螺母作为电机转子实现电机和丝杠一体化设计，结构更为紧凑，劣势为行程受到螺母螺纹长度限制 应用于中小负载、小行程和高速的场景，可替代传统液压、气压伺服作动系统应用于航空、航天船舶、电力等领域 循环式行星滚柱丝杠 螺母无内齿圈，增加凸轮环结构，功能类似滚珠丝杠的返回器，使得滚柱在螺母内旋转一周后回到初始位置，滚柱上无螺纹、齿轮结构，为环槽状，环槽间距与丝杠、螺母的螺纹匹配，安装在具有凹槽结构的保持架上。该结构增加了参与啮合的螺纹数量，优势为较高的刚度和较大的承载能力，劣势为其凸轮环结构会产生振动冲击，存在噪音 应用于要求高刚度、高承载、高精度的场景，如医疗器械、光学精密仪器等领域 差动式行星滚柱丝杠 螺母无内齿圈，滚柱无齿轮段。滚柱、螺母均为环槽结构，且滚柱环槽分为多段，小中径段与螺母啮合，大中径段与丝杠啮合，优势为导程较小，劣势为螺纹滑动，重载下易磨损，导致精度丧失，可靠性降低 应用于传动比较大，承载能力较高的场景 轴承环式行星滚柱丝杠 滚柱与循环式相同，为环槽结构，螺母无内齿圈，增加壳体、端盖及推力圆柱滚子轴承等部件，较大提升承载能力，减小构件间的磨损，提升传动效率。但存在结构复杂，径向尺寸大，制造成本高等缺点 应用于高承载、高效率等场景，如石油化工、重型机械等领域 表：行星滚柱丝杠主要分为五类 资料来源：《行星滚柱丝杠传动精度分析与设计》，TeslaAIDay，国投证券研究中心 图：特斯拉Opt