机械设备深度报告：丝杠及设备—高价值量的核心传动部件

丝杠是高价值量的传动核心，人形机器人带来新增长空间。人形机器人主要应用滚柱丝杠及梯形丝杠，有望推动产品迅速降本及市场规模成长。单台人形机器人可能使用到4个梯形丝杠及10个行星滚柱丝杠，预计2026E/2028E当人形机器人产量突破10/100万台时，梯形丝杠的增量市场规模为2.83/29.83亿元，行星滚柱丝杠的增量市场规模为104.63/399.63亿元。 梯形丝杠制造工艺较为简单，技术水平成熟，但产品精度及效率较低。滚柱丝杠性能更优、使用寿命长、体积小，但加工工艺壁垒较高，市场空间有待成长。行星滚柱丝杠产品目前主要有五种形式，其中特斯拉Optimus中采用的是反向式。行星滚柱丝杠主要集中于欧洲、美国、日本等，国内企业起步较为落后，目前主要仍依赖海外进口。中国大陆厂商在产品布局上有所空缺，在产品性能上与海外头部厂商仍有差距，未来有望随着人形机器人产业链的国产化，在实践中不断进步。 材料端，符合差异特性要求的合金调制钢为高端市场壁垒。国产丝杠原材料与国外同类产品性能存在差距，特种钢质量及产能或成为瓶颈；加工端，螺纹加工的精度决定产品最终品质。螺纹滚柱是传动的关键部分，成形加工工艺和产品质量直接决定行星滚柱丝杠的性能，螺纹切割的精度和表面热处理的退火工艺为加工难点；服务端，售后故障类型复杂、配套装配及检修服务不完备。 制造设备厂商存在发展机遇。一）精密磨床：制造高精度丝杠产品的关键设备。磨削加工精度极高，显著优于车、铣等。我国磨床进出口贸易逆差呈现逐年缩小态势。德国、日本等在高端磨床领域掌握话语权，国内厂商产品主要偏中低端，市场占有率较低。二）冷锻设备：降本增效的金属冷成型新工艺。冷锻是一种在常温下施加压力来改变金属材料形状的金属加工方法。目前冷锻已经在汽车、航空航天、石油天然气等领域得以应用。冷锻技术的主要优势在于高强度、优异的表面质量、节约能源、提高材料的机械性能。冷锻工艺可以替代行星滚柱丝杠制造过程中粗加工的车铣削环节，从而实现降本增效。冷锻成形技术整体供应链涉及材料、模具、设备、产品全流程，未来随着通用人形机器人所需丝杠拉动需求后，能够快速转化出产能的设备公司有望深度受益。三）旋风铣床：旋风硬铣工艺兼顾加工效率及产品精度。旋风硬铣削具备诸多相较于传统切削加工的优势，甚至能够一定程度替代磨削加工。减少切削产生的热量，提高加工精度与表面质量，提高切削速度，提高生产率，降低加工成本，代替电火花加工、磨削加工工艺。旋风硬铣削技术早期在国外发展，逐步引入国内，实现了对于加工效率及产品精度的兼顾。 产业链相关标的： 秦川机床、贝斯特、恒立液压、鼎智科技、五洲新春、华辰装备、日发精机、宇环数控、浙海德曼、沃尔德、国机精工 风险提示： 人形机器人规模化不及预期风险；行星滚柱丝杠降本不达预期风险；人形机器人产业竞争加剧风险；生产设备技术突破受阻风险。 1丝杠——人形机器人高价值量的传动核心 1.1人形机器人带来丝杠新增长空间 丝杠是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力的传动零件，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。其广泛应用于数控机床、制造设备、机器人、精密仪器等领域的传动控制系统之中。根据摩擦特性不同，可以将丝杠分为滑动丝杠、滚动丝杠和静压丝杠，其中滚动丝杠又可分为滚珠丝杠和滚柱丝杠。 人形机器人带来丝杠的新增长空间。丝杠产品在原有数控机床、设备、航空航天等领域已经得到广泛应用，而在人形机器人中也有不少厂商采取了包含丝杠的执行器方案。特斯拉Optimus全身14个线性执行器中，小臂部分安装的4个应用梯形丝杠，其余均使用滚柱丝杠。其他如上海开普勒探索机器人有限公司推出的先行者系列产品，同样采用了自研的行星滚柱丝杠执行器。 图表1：丝杠在人形机器人上的应用 人形机器人主要应用滚柱丝杠及梯形丝杠，有望推动产品迅速降本及市场规模成长。我们大致估计单台人形机器人可能搭载14个线性执行器，其中需要使用到4个梯形丝杠及10个行星滚柱丝杠，后续可能随着人形机器人规模上量、降本需求进一步提升而减少单台使用量，对于手臂区域，可能考虑使用2个梯形丝杠在负载及精度要求较低的手肘部替换原本的滚柱丝杠方案，进一步降低成本。 结合此前系列报告中对于人形机器人总需求的预测数据，可得人形机器人量产后有望推动两类丝杠产品迅速降本及市场规模成长，预计2026E/2028E当人形机器人产量突破10/100万台时，梯形丝杠的增量市场规模为2.83/29.83亿元，行星滚柱丝杠的增量市场规模为104.63/399.63亿元。 图表2：2024E-2030E人形机器人市场对丝杠产品需求空间预测 1.2梯形丝杠和滚柱丝杠 梯形丝杆和滚柱丝杠是未来有可能应用在主流通用人形机器人上的两种产品，针对两者差异可以简单梳理成以下表格： 图表3：梯形丝杠和滚柱丝杠产品对比 梯形丝杠制造工艺较为简单，技术水平成熟，但产品精度及效率较低。梯形丝杠是一种滑动丝杠，应用于滑动丝杠的螺纹通常为梯形、锯齿形及矩形三种，梯形丝杠应用最广（常见标准型为30度梯形丝杠），锯齿形主要用于单向受力，矩形螺纹虽然在滑动丝杠中传动效率相对较高，单加工较困难且强度较低，应用较少。梯形丝杠主要用于传动和位置调整装置中，虽然有摩擦力较大、传动效率较低、相对磨损较快等缺点，但同时又具有成本低、承载力大、结构紧凑简单能够自锁等优点，故而广泛应用于各种普通机床和升降机等工业设备。 图表4：梯形丝杠实物图 图表5：30度梯形丝杠的螺纹形状示意图 梯形丝杠的加工工艺原本主要采用车削加工，工艺路线为:冷拔→滚花→车螺纹→校正→钻孔→切断→倒角，整体技术简单，工艺路线成熟，但效率较低、成本较高，且由于材料刚度低，车削、滚花时易变形，小号螺轮无法生产。目前多使用旋风铣削工艺代替车削工艺，将铣丝、滚花一次性完成，工艺路线变为冷拔→滚花、铣丝→校正→钻孔、切断→倒角，改进后减少了由切削力引起的振动，表面粗糙度也减小了。 滚柱丝杠性能更优、使用寿命长、体积小，但加工工艺壁垒较高，市场空间有待成长。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，与滚珠丝杠的主要区别是负载的传递单元使用螺纹滚柱而不是滚珠。 区别于滚珠丝杠：1）行星滚柱丝杠由于高数量的接触点，能够承受更高的静态负载和动态负载，静载为滚珠丝杠的3倍，寿命为滚珠丝杠的15倍；2）大量的接触点和接触点的几何结构使行星丝杠比滚珠丝杠具有更强的刚度和抗冲击能力，同时也可以提供更高的转速及更大的加速度；3）行星滚柱丝杠为螺纹传动，螺距设计范围更广，行星滚柱丝杠的导程可以设计的比滚珠丝杠更小。总的来说，行星滚柱丝杠与滚珠丝杠结构近似，在将传力元件替换为螺纹滚柱之后，其在传动平稳性、负载能力、转速及加速度、寿命等性能方面更具备优势。 图表6：行星滚柱丝杠外观及内部结构图示 行星滚柱丝杠产品目前主要有五种形式，其中特斯拉Optimus中采用的是反向式。五种形式分别为标准式、反向式、循环式、差动式和轴承环式。标准式行星滚柱丝杠是一种高精度大负载的设计，可以提供非常稳定的驱动扭矩，丝杠多应用于大负载，高速及高加速度应用；反向式行星滚柱丝杠，滚柱不沿丝杠进行轴向运动，其行程运动是在螺母的内螺纹，通过较小的导程实现更高的额定负载，从而降低驱动扭矩，使直接导向成为可能；循环式行星滚柱丝杠是循环滚柱设计，滚柱是导向在一个托架中，其运动方式由一套凸轮来控制，适用于高精度、中低速运行；差动式行星滚柱丝杠最大的特点是具备差动运动，可以获得比一般行星滚柱丝杠更小的导程，更适应高速重载的工作场合；轴承环式行星滚柱丝杠与循环式相同，为环槽结构，相比于标准式其螺母上去掉了内齿圈，增加了壳体、端盖及推力圆柱滚子轴承等部件，推力圆柱滚子轴承大大提高承载能力的同时也减小了各构件间的磨损，增大了传动效率。各类型产品具体参数情况如下表： 图表7：常见行星滚柱丝杠类型的技术参数 1.3行星滚柱丝杠市场格局及行业规模 行星滚柱丝杠主要集中于欧洲、美国、日本等，国内企业起步较为落后，目前主要仍依赖海外进口。全球代表性的行星滚柱丝杠企业主要分布在欧洲的德国、瑞士、瑞典等地，例如德国的Ewellix（目前为Schaeffler子公司）、瑞士的GSA/Rollvis等，美国企业主要有CMC、Moog，日本企业主要有NSK、THK两家，国内则是以HIWIN、南京工艺、博特精工等。 图表8：全球代表性行星滚柱丝杠企业区域图 根据前瞻产业研究院引用的《E公司滚柱丝杠产品营销策略研究》（王有雪）数据，2022年国外行星滚柱丝杠龙头制造商Rollvis、GSA及Ewellix在中国市场的份额占比分别为26%、26%、14%，中国本土行星滚柱丝杠厂商合计市场份额占比为19%，其中以南京工艺、博特精工为代表，市场份额均为8%，除此之外，美国Moog、英国PowerJacks等厂商也具备生产滚柱丝杠的能力。中国大陆厂商在产品性能上与海外头部厂商仍有差距，未来有望通过提升产品性能提高市占率。 图表9：2022年国内行星滚柱丝杠市场格局 受限于制造工艺难度高，生产设备及原有市场需求有限，全球滚柱丝杠市场规模仅有近3亿美元。根据根据Persistence Market Research的统计数据，2022年全球滚柱丝杠市场规模约为2.85亿美元，预计2023年增长至3.03亿美元，后续随着滚柱丝杠导入人形机器人产业链，市场规模有望大幅提升。 图表10：2019-2023E全球滚柱丝杠市场规模（亿美元） 国内行星滚柱丝杠厂商产品布局有所空缺，性能方面与国外同规格产品存在一定差距。1942年瑞典发明家Carl Bruno Strandgren申请了循环式滚柱丝杠的专利，1954年他又申请了标准式和反向式行星滚柱丝杠的专利，从那以后，行星滚柱丝杠产品就在国外市场逐步得到发展。国内厂商整体起步较晚，目前已有后进者能够小规模生产，但性能参数方面与国外产品存在一定差距。未来随着人形机器人产业链的国产化，国内行星滚柱丝杠厂商有望在实践中不断进步。 图表11：全代表性行星滚柱丝杠企业及其产品 2行星滚柱丝杠的生产制造壁垒：加工工艺是重难点 2.1材料端，符合差异特性要求的合金调制钢为高端市场壁垒 行星滚柱丝杠采用的钢材特性差异大，符合差异特性要求的合金调制钢为高端市场壁垒。国内标准行星滚柱丝杠材料绝大部分采用马氏体不锈钢，满足一般性强度、硬度和耐磨性要求，但高硬度与抗腐蚀度难以同时达成：而国外厂商以合金调制钢为原材料，具备较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，以及良好的低温冲击韧性。 国产丝杠原材料与国外同类产品性能存在差距，特种钢质量及产能或成为瓶颈。据世界钢铁统计数据2022年度调查，中国大陆粗钢产量101.3千万吨，维持全球产量首位，但同年特种钢进口数据达到了850多万吨，说明了我国在特定场景所需的特种钢上无法自给自足。根据《国产Cr/Mo钢滚珠丝杠与国外同类产品的质量分析》（丁震，王倩等）分析可知，国产Cr/Mo钢滚珠丝杠与国外同类滚珠丝杠的显微组织对比可知,国产丝杠存在的带状偏析组织，是造成产品使用性能不佳的重要原因。带状组织具有显著的方向性,并且容易造成在变形过程中的应力集中，甚至出现裂纹。严重的带状组织往往伴随着品粒尺寸的不均匀，导致各部位的性能不一致，在发生变形时容易在品粒粗大的、脆弱的部位首先形成微裂纹，从而导致断裂。因此,带状组织是脆弱的部位,是裂纹萌生的敏感区域，有利于裂纹的形成及扩展,带状组织越严重,对塑韧性的危害就越大。此外，带状组织还会降低钢的力学性能、切削性能和淬透性，使零件淬火变形倾向增大，强韧性降低。 2.2加工端，螺纹加工的精度决定产品最终品质 图表12：行星滚柱丝杠加工工序 螺纹滚柱是传动的关键部分，成形加工工艺和产品质量直接决定行星滚柱丝杠的性能。当行星滚柱丝杠传动机构工作时，多个螺纹滚柱共同承受载荷，避免任何一个螺纹滚柱因承载过大而造成损伤失效。螺纹滚柱作为行星滚柱丝杠传动机构的关键部分，其成形加工工艺和产