行星滚柱丝杠——高精技术集成之作，人形机器人线性关节

分析师：林子健 SAC编号：S1050523090001 行行业业深度报告 证券研究报告 行星滚柱丝杠——高精技术集成之作，人形机器人线性关节 投资评级：推荐（维持） 报告日期：2024年03月28日 行星滚柱丝杠是人形机器人优质细分赛道 以特斯拉Optimus为例，单台人形机器人需要14个行星滚柱丝杠，单价约2,000元/个，单台价值量在2.8万元以上。横向对比机器人其他部件，行星滚柱丝杠占人形机器人价值量较高，其毛利率可达60%，盈利能力位居前列。 滚柱丝杠壁垒高，国产替代前景广阔 滚柱丝杠技术壁垒和价值量高，应用空间增量前景广阔，但国产化率低。相较于滚珠丝杠，滚柱丝杠具备载荷大、精度高、体积小、使用寿命长等特点，更适配于人形机器人领域。由于滚柱丝杠加工流程长、制造壁垒高，相应价值量较高。未来随着冷锻等工艺趋于成熟，行星滚柱丝杠制造成本有进一步下探空间。国内行星滚柱丝杠市场集中度较高，目前外国企业占据8成市场份额，而国内南京工艺等国内企业产品性能与外国产品差距较小，国产替代前景广阔。 乘人形机器人东风，市场空间快速放量 机器人的复杂性和功能乃至能力取决于其总自由度的数量以及自由度的配置和控制方式。随着机器人的复杂性和功能性增加，人形机器人自由度数量也将持续上升，人形机器人自由度上限可参考人体上限可参考人体有数百个自由度，而丝杠是实现人形机器人的线性关节，是实现人形机器人自由度的关键部件。从未来市场空间来看，2030年人形机器人出货量有望达205.0万台，对应2870.3亿元的市场空间，到2030年，应用于人形机器人的行星滚柱丝杠价值量为229.6亿元，CAGR为154.1%。 推荐逻辑和相关标的 伴随着将来人形机器人产品趋于成熟，叠加端到端AI大模型赋能，功能性、实用性兼顾，人形机器人将成为“继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品”，行星滚柱丝杠作为“执行侧”的关键部件，凭借“高技术壁垒&国产替代趋势显著&清晰降本路径”将成为人形机器人赛道的重要细分投资赛道。1）新剑传动：公司已建成国内首条行星滚柱丝杠产线，产品已应用于人形机器人，汽车领域客户包括吉利、理想、华为等头部车 企，机器人合作伙伴包括小米、小鹏、智元、科沃斯机器人等；2）鼎智科技：公司线性执行器产品市占率全球第二，通过滚压工艺生产T型丝杠；3）贝斯特：通过子公司宇华精机布局丝杠业务，2023年上半年公司高精度滚珠丝杠产品已送样至战略客户处进行验证；4）秦川机床：子公司汉江机床掌握螺纹铸造核心技术，丝杠产品精度最高可达P0级，目前2级、3级精度的滚珠丝杠已实现量产，同时公司具备螺纹磨床的生产能力。 公司代码 名称 2024-03-28股价 EPS PE 投资评级 2022 2023E 2024E 2022 2023E 2024E 000837.SZ 秦川机床 9.16 0.31 0.22 0.31 29.95 41.64 29.38 未评级 300580.SZ 贝斯特 26.07 1.14 0.80 0.97 22.87 32.59 26.88买入 873593.BJ 鼎智科技 36.07 3.05 0.89 1.18 11.83 40.53 30.64 未评级 注：鼎智科技已发布2023年年报，所以2023年EPS和PE是实际值而非预测。 资料来源：wind，华鑫证券研究（未评级公司盈利预测取自wind一致预期） 机器人市场风险 机器人量产进度不及预期 原材料价格风险 丝杠原材料多采用高碳铬轴承钢，原材料价格上升会导致丝杠成本上升 投产进度不及预期 各个公司丝杠产能布局投产进度可能不及预期 地缘政治风险 丝杠属于高精密产品，生产设备需要高精度螺纹磨床，国内螺纹磨床的进口可能受到外国政策限制 推荐公司业绩不及预期 目录 CONTENTS 1、线性传动核心部件，高精技术集成之作 2、行星滚柱丝杠精度要求高，加工工艺壁垒深厚 3、人形机器人关节核心部件，国产替代前景广阔 4、国内企业纷纷布局，丝杠产能迎来爆发期 01 线性传动核心部件，高精技术集成之作 1.1、行星滚柱丝杠介绍 行星滚柱丝杠(PRSM)是一种可将旋转运动和直线运动相互转化的机械传动装置，具有螺纹传动和滚动螺旋传动的综合特征。与滚珠丝杠传动相比，其滚动体不是多个球体，而是含有螺纹的多个滚柱体。螺母或丝杠旋转运动通过滚柱的行星运动转换为直线运动。行星滚柱丝杠传动中特有的滚柱结构，使得滚柱与螺母(或滚柱与丝杠)之间无相对轴向位移，滚柱能够在丝杠和螺母形成的封闭空间内反复循环运动，依靠滚动/滑动摩擦实现运动和动力的传递。 标准式行星滚柱丝杠传动机构的结构形式 滚柱丝杠运动形式 丝杠内齿圈螺母 保持架 直齿 滚柱 7 资料来源：SKF，Ewellix，柯浩《行星滚柱丝杠传动精度分析与设计》，华鑫证券研究 1.1、行星滚柱丝杠介绍 导程是丝杠旋转前进中螺母运动的距离。PRS主要组成元件有：丝杠1，其螺纹牙型是直角的三角形螺纹（至少是3线螺纹）；螺母7，其内螺纹牙型与丝杠相同；滚柱5，其螺纹牙型是直角的圆弧螺纹(单线螺纹)，在每个滚柱的末端都有一个圆柱形的枢轴和齿轮。枢轴安装在挡板2的圆孔内，这确保了滚柱的径向均匀分布。轮齿与内齿圈4啮合，这使得滚柱轴向平稳地运行。挡圈3，用来锁紧挡板。平键6，用于联接所传动的物体，其结构简单，拆装方便，对冲性好，适合高速、承受变载、冲击的场合。 螺纹线数：沿一条螺旋线形成的螺纹称为单线螺纹，沿轴向等距分布的两条或两条以上的螺旋线形成的螺纹称为多线螺纹。 螺距（p）是相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。 螺纹有效长度 累积公称导程 累积基准导程 累积实际导程 累积代表导程 导程（ph）是同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。 单线螺纹时，导程=螺距；多线螺纹时，导程=螺距×线数。 丝杠和滚柱 牙型 滚柱丝杠不同部件螺纹不同 丝杠导程 8 单线螺纹和双线螺纹导程区别 资料来源：冯虎田《滚珠丝杠副动力学设计与基础》，米思米中国，《机械篇丨说说滚珠丝杆的那些事》华鑫证券研究 1.2、导程精度是PRS的关键指标 导程精度是划分等级的核心指标，C0精度等级最高。在传动中，实际移动距离和理想移动距离的偏差，其中有分为三种情况：1）旋转一周的运行精度；2）整根丝杠的运行精度；3）任意300mm的运行精度。一般情况下导程精度是指运行300mm的精度。 一般来说，普通机械采用C10-C7级，数控设备一般采用C5-C3级。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。另 外，C10-C7级一般采用轧制方法制造，C5级及以上采用磨削方法制造。 用途 C0 C1 C3 C5 C7 C10 机床 ○ ○ ○ ○ 加工中心 ○ ○ ○ 铣床 ○ ○ ○ 钻床 ○ ○ ○ 坐标镗床 ○ ○ 磨床 ○ ○ ○ 放电加工机 ○ ○ 射出成形机 ○ ○ 钢铁设备机械 ○ ○ 冲床 ○ ○ 激光加工机 ○ ○ 通用机械、专用机械 ○ ○ ○ ○ 木工机 ○ ○ ○ 化学处理装置 ○ ○ 电子部件实装机 ○ ○ ○ 焊线机 ○ ○ ○ 探测器 ○ ○ 印刷基板开孔机 ○ ○ ○ 直交座标型机器人 ○ ○ 垂直多关节型机器人 ○ ○ 三元测定机 ○ ○ ○ 图像处理装置 ○ ○ ○ 原子能控制棒 ○ ○ ○ 航空器 ○ ○ ○ 丝杠性能指标说明 不同用途丝杠精度需求 性能指标 说明 丝杠轴径 常见的规格有：8、10、12、14、15、20、25、32（单位： mm）。一般是轴径越大，负载越大。 静/动额定负荷 静额定负荷指的是在静止状态下，丝杆可以承受的额定负荷。一般我们只关心动额定负荷就可以。实际负载和额定负荷的比值越小，丝杆的理论寿命越长。 导程 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、8、10、20、25、32。 精度 按国内分类，精度等级有P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10，日本、韩国，还有中国台湾省采用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。 9 精度等级 C0 C1 C2 C3 C5 C7 C10 精度 （E300)(μm） 3.5 5 7 8 18 50 210 丝杠精度标准 资料来源：中捷众创公众号，椿中岛《直线运动产品综合样本》，华鑫证券研究 10 1.3、滚柱丝杠和滚珠丝杠比较优势在于精度、载荷、寿命等多方面 滚珠丝杠螺母组件包含多个滚珠轴承，能够处理中等负载的滚珠轴承有最小尺寸要求。与相似尺寸和导程的滚柱丝杠相比，滚珠轴承的半径需要更粗糙的螺距，导致接触点更少。加上较小的接触半径和允许轴承互相接触的设计，限制了滚珠丝杠的DLR（DynamicLoadRating），导致较低的力和较短的使用寿命。相比于传统的滚珠丝杠传动，行星滚柱丝杠传动呈现多副(螺纹副和齿轮副)、多体(多个零件参与啮合传递 运动和动力)、多点(螺纹副多点接触)的啮合特征，故在相同丝杠直径下，行星滚柱丝杠比滚珠丝杠的承载能力提高6倍，相同负载下节省1/3空间，寿命提高14倍，工作环境温度范围提高2倍。 在实际应用中，滚柱相对于螺母无轴向运动，丝杠转速可达6000r/min，螺母直线速度可达2m/s。采用行星滚柱丝杠作为传动机构的EMA与采用滚珠丝杠的EMA相比相同推力下重量减少30%，相同重量下推力提升50%。而且，行星滚柱丝杠可采用微小导程(螺距可达0.3mm)，不仅更便于控制传动精度和提升动态频响，而且由于更多接触点同时参与传力，能够实现重载条件下的超高精密传动。 性能滚柱丝杠滚珠丝杠 行星滚柱丝杠与滚柱丝杠性能对比 动态额定载荷非常高中等 滚珠丝杠 冲击载荷 非常高 中等 相对体积 最小 中等 加速度 高 中等 精度 高 一般 寿命很长，几倍于一般 资料来源：TOLOMATIC，华鑫证券研究 反向式 行星滚柱丝杠 反向式行星滚柱丝杠传动与标准式工作原理一样。与标准式行星滚柱丝杠不同的是，反向式行星滚柱丝杠将螺母作为主动件，由丝杠直线输出，滚柱与丝杠之间没有相对轴向位移。因此，滚柱螺纹和丝杠螺纹长度一致。 没有内齿圈。在丝杠螺纹两端加工有外直齿，即由标准式滚柱直齿与内齿圈的内啮合变为丝杠直齿与滚柱直齿的外啮合。 行程受到螺母内 用于中小负载、小行程和 螺纹长度的限制。高速的应用场景。如航空、 航天、船舶、电力等领域。 丝杠为主动件，螺母为输出构件。当丝杠旋标准式转时，滚柱通过与丝杠之间的螺纹啮合一方 行星滚柱丝杠面会沿着丝杠轴线方向作直线运动，另一方面会在丝杠、螺母之间作行星运动， 丝杠和螺母为多头螺纹,牙型均为三角形。滚柱为单头螺纹,牙型为球形轮廓。滚柱两端加工有直齿,与安装于螺母内的内齿圈啮合,以确保滚柱轴线平行于丝杠轴线而正常滚动。 适用于环境恶劣、高负载、能够实现较大行高速等场合，是目前应用 程。 最广泛的类型。主要应用轧钢、切削运动等。 类别运作方式结构特点性能特点应用场景图示 1.4、不同类别行星滚柱丝杠运动方式和应用场景不同 循环式 行星滚柱丝杠 滚柱在完成一个循环后进行位置重置，即回到初始位置重新与丝杠啮合，同滚珠丝杠传动的返回器功能相似。螺母沿径向加工有一个凹槽，滚柱每完成一个循环后在凸轮环作用下将滚柱挡入凹槽，与丝杠螺纹脱离啮合回到起始位置。 去掉了内齿圈，增加了一个带有凸轮环的挡圈。滚柱结构形式不是单头螺纹，而是无螺旋升角的“环槽”状，并沿轴线圆周排。 可采用更小的螺纹导程，位置精度高，啮合点更多，承载力更大，但摩擦也会增强。 应用于要求高刚度、、高精度的场合，医疗器械、印刷机械、光学精密仪器等领域。 差动式 行星滚柱丝杠 螺母、滚柱和丝杠螺距相等，滚柱与螺母相对轴向位移为零，端部保持架用于支撑多个滚柱。丝杠做正传动运动，即将丝杠