人形机器人线性传动核心部件行业报告：滚珠丝杠、行星滚柱丝杠

特斯拉机器人Optimus躯干共有28个关节，旋转关节和直线关节各14个。其中线性执行器配备反向式行星滚柱丝杠，将电机的旋转运动转换为直线运动。相比其他直线机构，丝杠在承载能力、位置可控性、抗冲击性等多方面具备优势，具备效率高，紧凑性好、耐用性强等特点。 产品方面 滚珠丝杠：传动效率高、定位精度高。精度等级有P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10。根据秦川机床公告，2022年全球市场规模预计为18.6亿美元，我国市场规模27.7亿元。目前国内行业供需缺口明显，2021年国内需求量约1406万套，产量约983万套。滚珠丝杠高端市场基本被德国力士乐、日本THK、NSK占据，中端市场则由德国、日本品牌（力士乐、THK、NSK），中国台湾品牌（上银、银泰），中国大陆品牌（汉江、南工艺）占据。 行星滚柱丝杠：高承载，耐冲击，长寿命，体积小。主要分为标准式、反向式、循环式、轴承环式和差动式四类。标准精度等级为G1、G3、G5。根据IHSMarkit，2022年全球销售数量8.6万根，销售额6.5亿元人民币，其中中国销售数量1.0万根，销售额1.1亿元人民币。目前国内市场中，SKF、Rollvis、GSA等国际品牌市占率较高，此外还有南京工艺和济宁博特两家国内品牌。 工艺方面 工艺方面，需综合考虑丝杠精度与生产效率的平衡。按照精度排序，依次是磨削>旋风铣>辊轧，按照生产效率排序，依次是辊轧>旋风铣>磨削，而硬车削通常作为螺纹滚道半精加工的选择之一。为了满足人形机器人降本、放量的要求，行星滚柱丝杠的生产效率和量产成本需在当前水平基础上有较大下降。我们预计，在满足精度要求的前提下，中精度丝杠使用旋风铣、辊轧更能适应大批量、快速交付的要求，而磨床将在高精度丝杠中继续占据不可替代的地位。 投资建议： 人形机器人与人工智能技术不断突破，产业链正处于放量前夕，相关产业链面临巨大投资机遇。丝杠作为人形机器人核心传动部件，正面临新一轮产业机遇。其中行星滚柱丝杠为了满足人形机器人降本、放量的要求，生产效率和量产成本需在当前水平基础上有较大下降，生产工艺正持续优化中，设备、技术等均存在较大国产替代空间。 产品层面：行星滚柱丝杠部分厂商已具备生产能力并向下游客户送样；工艺层面：磨削、旋风铣、辊轧、硬态车削预计都将发挥作用。 建议关注：（1）积极布局行星滚柱丝杠产品的贝斯特、五洲新春、恒立液压； （2）高端磨床、“以车代磨”、“以铣代磨”等工艺路线：浙海德曼、华辰装备、秦川机床、日发精机。 风险分析：（1）产业化进程不及预期；（2）竞争加剧风险；（3）核心技术进步不及预期。 投资聚焦 随着大模型等AI技术取得突破性进展，作为其重要载体的人形机器人受到广泛关注。2023年10月，工信部印发《人形机器人创新发展指导意见》，称人形机器人有望成为继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品。为此，我们撰写一系列有关人形机器人的报告，对相关产品、技术进行梳理，并提示相关的投资机会。 我们与市场的不同之处 市场对于行星滚柱丝杠的制造工艺尚缺乏清晰的框架，我们从丝杠精度与生产效率出发，系统性对比了磨削、硬车削、旋风硬铣、辊轧等路线的优劣势，并对长期趋势做出预判。 股价上涨的催化因素 （1）重大节点性事件催化。人形机器人产业正处于产业化前夕，容易受到重大节点性事件催化，如特斯拉举办AIDAY，Optimus产品发布新进展，以及其他国内外人形机器人厂商发布新产品等； （2）人形机器人技术取得突破性进展。人形机器人的成熟建立在AI大模型、自动驾驶等多项前沿技术之上，底层技术的快速成熟有助于进一步推动人形机器人产业化落地； （3）订单与投资。随着人形机器人在诸多场景落地，产业将迎来实质性落地。 如果行业内披露相关订单、投资计划，将对股价形成催化。 投资观点 产品层面：行星滚柱丝杠部分厂商已具备生产能力并向下游客户送样；工艺层面：磨削、旋风铣、辊轧、硬态车削预计都将发挥作用。 建议关注： （1）积极布局行星滚柱丝杠产品的贝斯特、五洲新春、恒立液压； （2）高端磨床、“以车代磨”、“以铣代磨”等工艺路线：浙海德曼、华辰装备、秦川机床、日发精机。 国投瑞银 1、丝杠：高性能线性传动机构 特斯拉机器人Optimus躯干共有28个关节，旋转关节和直线关节各14个。每个关节对应1个执行器，为满足大批量生产的需要，特斯拉最终选取了6类执行器应用于28个关节，6类执行器中有3类旋转执行器，3类线性执行器，其中线性执行器重量从0.36kg~2.20kg不等，推力分别为500N，3900N与8000N，配备反向式行星滚柱丝杠，具备效率高，紧凑性好、耐用性强等特点。 图1：特斯拉Optimus的6类执行器 图2：特斯拉Optimus旋转执行器与线性执行器 在线性执行器中，反向式行星滚柱丝杠负责将电机的旋转运动转换为直线运动。 相比其他直线机构，丝杠在承载能力、位置可控性、抗冲击性等多方面具备优势。 表1：直线机构性能对比 常见的丝杠产品包括滑动丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠等。丝杠轴上有圆弧轮廓，此轮廓在轴上按照一定的升角（导程角）盘旋在轴上，基本原理是，把丝杠轴一端或者两端沿轴向固定，用电机驱动丝杠旋转，螺母就会沿丝杠轴线方向运动。其中，滑动丝杠制造成本最低，结构简单，依靠螺母与丝杠之间的滑动推动螺母运动，产生滑动摩擦；滚珠丝杠与行星滚柱丝杠将滑动摩擦改为滚动摩擦，大大提高了传动效率。 2、滚珠丝杠：广泛应用，高效精准 2.1、滚珠丝杠较滑动丝杠更具优势 滚珠丝杠在丝杠与螺母上都磨有圆弧形的螺旋槽，两个圆弧形的螺旋槽对合后形成螺旋线滚道，丝杠被电机带动旋转时，滚珠在管道内做循环运动，并在螺旋槽两端设有回旋引导装置，使滚珠循环流动。 滚珠丝杠的摩擦系数在0.003到0.01之间，而梯形丝杠的摩擦系数在0.1到0.2之间。因此，由于滑动摩擦系数远高于滚动摩擦系数，滑动丝杠为避免产生大量热量，其转速一般不超过3000RPM，而滚珠丝杠可以达到10000RPM。 图3：滑动丝杠与滚珠丝杠传动效率对比 按照滚珠的循环方式和是否始终与丝杠保持接触，滚珠丝杠主要分为内循环与外循环，外循环按结构不同分为端部导流式、管循环式、端盖式。 相比滑动丝杠，滚珠丝杠具有以下特点： 1）传动效率高：大多数滚珠丝杠的传动效率可以达到90%以上，而滑动丝杠的传动效率大多低于70%； 2）传动精度、定位精度高：无爬行现象，运动平稳； 3）能够预紧：给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时可消除空行程死区，提高接触刚度与传动精度； 4）运动具有可逆性：丝杠和螺母都能作为主动件，既可以化旋转为直线运动，也能化直线运动为旋转； 5）摩擦损失小：由于采用滚动方式，物件磨损小，使用寿命长；制造工艺复杂，滚珠丝杠和螺母原件加工精度与表面粗糙程度要求高，带来制造成本的上升； 需要指出，滚珠丝杠由于传动效率较高，自身一般不具有自锁性，滑动丝杠具有一定的自锁性，因此在丝杠应用于竖直方向时，滚珠丝杠可能在断电后滑落，需要额外结构或器件以确保安全。 2.2、滚珠丝杠分内循环、外循环两大类型 由于滚珠需要无限循环，所有滚珠丝杠至少由丝杠轴、螺母、滚珠、循环部件四大零部件构成。 按照滚珠循环方式，可分为内循环、外循环两大类型： （1）内循环在相邻的导程间通过马蹄状导流器循环，适合小导程； （2）外循环又分为端部导流式、管循环式、端盖式。其中端部导流式在螺母端部沿丝杠螺纹槽切线方向平滑地将滚珠掬起，并通过设在螺母内部的贯通孔循环，适合高速静音传送；管循环式在适合滚珠大小的循环管内使滚珠通过始点、终点间往复循环，规格(轴径、导程)的对应范围广；端盖式在螺母端部配置拉升滚珠的端盖，在螺母内设置的贯通孔循环，适合大导程。 表2：滚珠丝杠分类与特点 滚珠丝杠精度等级划分标准是任取长度为300MM的一段丝杠，测量实际移动距离和理想移动距离的偏差，偏差越小，精度越高。按国内分类，精度等级有P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10；日本、韩国和中国台湾省采用JS等级即CO、 C1 、C2、C3、 C5 、C7、C10；欧洲国家采用的标准是IT0、IT1、IT2、IT3、IT4、IT5、IT7、IT10。 通常情况下，普通机械采用C7、C10级别丝杠即可满足加工要求；数控设备一般需要C3、 C5 级别丝杠，其中国内大部分数控机床配套 C5 级丝杠。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级别丝杠。 从功能上讲，丝杠分为传动级丝杠和定位级丝杠。传动级丝杠包括C6-C10精度，由于一般采用辊轧方式制造，也被称为转造级丝杠；定位级丝杠包括C0-C7精度，由于一般采用磨床方式制造，也被称为研磨级丝杠。 图4：导程精度的说明 表3：滚珠丝杠国际标准精度等级（单位：0.001mm） 根据NSK披露，数控机床中车床、铣床、镗床、钻床、冲床等常用精度等级为C5 ，磨床、电火花加工机械、线切割机等常用精度等级为C3，半导体/印刷版制造装置常用精度等级为 C1 ，工业机器人常用精度等级为 C5 -C7。 图5：不同用途区分的滚珠丝杠精度等级表 2.3、滚珠丝杠市场：国内企业正向中高端渗透 根据2020年金属加工杂志社第三届滚动功能部件用户调查分析报告，数控机床依然是滚动功能部件最主要的用户。随着制造业向数字化、智能化的转型升级，机器人与生产线领域的应用占比快速增长。 图6：各行业领域应用滚珠丝杠比例（2020年） 从市场空间来看，全球滚珠丝杠市场规模稳健增长，中国已成为最重要的消费市场之一，长期成长空间可观。根据秦川机床公告，2016-2021年全球滚珠丝杠市场规模从13.1亿美元增长至17.5亿美元；同期我国滚珠丝杠市场规模从16.8亿元增长至25.6亿元。中国已成为滚珠丝杠产品重要的消费市场之一，约占全球规模总量的20%左右。 从市场竞争格局看，目前全球主要的滚珠丝杠厂商有NSK、THK、SKF等，根据华经产业研究院统计，2021年CR5销售额市占率达到约46%，其中主要来自欧洲和日本，日本和欧洲滚珠丝杠企业占据了全球约70%的市场份额。 图7：2015-2022年全球滚珠丝杠市场规模 图8：2015-2022年中国滚珠丝杠市场规模 从国内行业供需情况来看，滚珠丝杠需求量大于产量，行业供需缺口明显。根据华经产业研究院统计，2021年中国滚珠丝杠产量达到983万套，需求量为1406万套。价格走势来看，近几年来随着我国滚珠丝杠行业市场竞争加剧，国内企业向中高端市场渗透，外资品牌积极抢占经济型产品市场份额，行业市场竞争显著加剧，使得行业市场价格总体呈现出明显的下降态势。国内滚珠丝杠价格从2014年225元/套的均价下降至2021年的181元/套，预计2022年市场价格降至180元/套，下降速度趋缓。 图9：2014-2022年中国滚珠丝杠产需缺口情况 图10：2014-2022年中国滚珠丝杠价格走势情况 国内滚珠丝杠高端市场基本被德国力士乐、日本THK、NSK占据，中端市场则由德国、日本品牌（力士乐、THK、NSK），中国台湾品牌（上银、银泰），中国大陆品牌（汉江、南工艺）占据。 图11：2021年国内滚珠丝杠高端市场 图12：2021年国内滚珠丝杠中端市场 3、行星滚柱丝杠：下一代高承载产品 3.1、行星滚柱丝杠：高承载、高速度、长寿命 行星滚柱丝杠（Planetaryrollerscrew，PRS）与滚珠丝杠类似，是一种可将旋转运动和直线运动相互转化的机械装置。PRS最早由瑞典人 CarlBrunoStrandgren于1942年发明。至今未广泛应用主要是由于其结构复杂、加工难度大和成本较高。目前主要应用在民用领域，如精密机床、食品包装、特种机械、测试仿真等。 随着飞行器和武器装备全电化发展以及石油、化工、机床等需要大推力、高精度、高频率、高效率、长寿命的机械装置作为机电作动系统（Electro－