机器人系列报告丝杠：高端机床国产替代，机器人再添增长空间

行业报告|行业深度研究 机器人系列报告 证券研究报告 2024年4月26日 丝杠：高端机床国产替代，机器人再添增长空间 作者： 分析师孙潇雅SAC执业证书编号：S1110520080009 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 行业评级：强于大市上次评级：强于大市 (维持评级） 一、丝杠：线性传动部件，下游应用多在机床、工业自动化、汽车等，人形机器人有望打开新空间 丝杠主要包括梯形丝杠、滚珠丝杠及行星滚柱丝杠。螺纹丝杠主要功能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， 同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。丝杠主要有梯形丝杠、滚珠丝杠和行星滚柱丝杠，滚珠丝杠传动效率、精度明显高于梯形丝杠， 故多应用在数控机床等领域，行星滚柱丝杠较滚珠丝杠优势在于抗冲击力、承载力更强。 我们预计全球滚珠/柱丝杠市场空间约在140/20亿元，主要下游是机床/航空航天。目前全球滚珠丝杠市场空间在100-150亿元，其中国内占比约20%，下游包括机床（占比50%+）、工业自动化、汽车；目前全球滚柱丝杠市场空间在20亿元左右，多应用在航空航天。 人形机器人有望扩容滚柱丝杠市场空间30-100亿元。特斯拉人形机器人Optimus的线性执行器核心零部件有滚柱丝杠，我们预计10、50、 100万台人形机器人下对应单价为3000元/个、1500元/个、1000元/个，假设14个线性执行器10个采用滚柱丝杠，对应市场空间为30、75、 100亿元。 二、丝杠行业国产替代空间大，核心壁垒在于设备&工艺know-how 滚珠丝杠头部企业多在欧洲和日本，高端市场国产化率低。滚珠丝杠目前全球头部NSK、THK等CR5市场占有率达到约46%；国内上银+银泰合计市占率接近50%，NSK、THK合计占比15%。 滚柱丝杠海外全面领先国内，典型龙头有德国舍弗勒等，国内尚处于初始阶段。德国Schaeffler、美国Exlar、瑞士Rollvis、瑞典SKF公司、日本NTN株式会社等公司已经形成了相对成熟的行星滚柱丝杠产品系统，国内尚处于小批量生产的初始阶段。 高精度的滚珠丝杠/滚柱丝杠需磨削加工，核心壁垒在于磨床设备、磨削、热处理工艺know-how。我们认为丝杠国产化的第一重壁垒在于磨床设备（高端丝杠产品的磨床依赖进口，典型进口企业有日本三井），此外整个生产涉及几十道工序，在磨削、热处理等环节均考验 know-how，最终考验的是产品的精度保持性和大批量量产的一致性。 磨削丝杠生产周期较长、效率较低，旋风铣削工艺有望降本提效。一般磨削丝杠粗道加工工艺为砂轮磨削，此工艺下整个生产周期在30-45天，效率较低，旋风铣削（通过安装在高速旋转刀盘上的硬质合金成型刀具，从工件上铣削出螺纹的螺纹），可大幅提升生产效率（理论 上比传统加工效率最高可提高10倍），我们认为此技术对要求降本的人形机器人意义较大。 三、投资建议 中高端滚珠丝杠、滚柱丝杠市场多为海外巨头垄断，叠加人形机器人大的产业趋势，中高端丝杠国产替代空间大，建议关注： 1）丝杠：主营汽车底盘零部件，在精密车加工、磨加工、原材料调质、表面热处理积累了较多know-how的【北特科技】；率先布局机床 丝杠，拥有设备先发优势的【贝斯特】。 2））设备：国内轧辊磨床行业的领军企业，现已具备导轨、丝杠研发和生产能力的【华辰装备】；主营高端车床，具备以车代磨技术，客户群涵盖贝斯特、五洲、双环等的【浙海德曼】；已有数控螺纹磨床产品的【日发精机】。 3）耗材：旋风铣削工艺下的PCBN刀具企业【沃尔德】。 风险提示：人形机器人发展不及预期、特斯拉人形机器人进展不及预期、丝杠国产化进展不及预期、测算有主观性。 一、丝杠：线性传动部件，下游应用多在机床、工业自动化、汽车等，人形机器人有望打开新空间 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明4 螺纹丝杠主要功能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，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。常见的螺旋丝杠传动形式主要有梯形螺纹丝杠、滚珠丝杠和行星滚柱丝杠三种。 梯形螺纹丝杠：其螺旋形式是一种普通的等腰梯形，传动时存在表面滑动摩擦，连续工作发热严重。此外，传动效率也较低，一 般适用于大负载但工作转度和工作制要求很低的应用场合。 滚珠丝杠：利用滚珠链在丝杠轴与螺母之间做滚动运动，将旋转运动转换成直线运动，由于滚珠不断在两个负载承载面之间循环，存在相互碰撞及末端急剧转向，导致高转速条件下丝杠传动效率降低、噪声大，一般只适用于中等性能要求的应用场合。 行星滚柱丝杠：以丝杠旋转作为驱动，通过丝杠与滚柱之间的螺旋运动，由滚柱带动螺母做直线运动。行星滚柱丝杠主要由丝杠、螺母和滚柱组成，丝杠和螺母为多头螺纹，行星滚柱一般为单头螺纹，滚柱两端设置了螺纹齿，与内齿圈螺纹啮合，其传动原理与行星轮系相似，丝杠类似太阳轮，滚柱作为行星轮，螺母作为齿圈，当丝杠旋转时，滚柱围绕丝杠作行星运动，同时通过螺旋 传动原理将丝杠旋转运动转化为螺母直线往复运动。 图：梯形/滚珠/滚柱丝杠 梯形丝杠滚珠丝杠滚柱丝杠 滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成，是行业主流产品，主要参数包括公称直径、导程、长度、螺母形式、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。一般来说，普通机械采用C7，C10级，数控设备一般采用C5，C3级(C5较多，国内大部分数控机床都是C5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。 表：滚珠丝杠主要参数图：滚珠丝杠构成 来源：方元明科技公众号、方元明鑫官网、天风证券研究所 7 滚柱是线接触，滚珠是点接触。行星滚柱丝杠载荷传递元件为螺纹滚柱，是典型的线接触；而滚珠丝杠载荷传递元件为滚珠，是点接触。 滚柱丝杠抗冲击力更好，其轴向承载力高滚珠3~5倍以上。滚柱丝杠的螺纹滚柱替代滚珠将使负载通过众多接触点迅速释放，从而能 有更高的抗冲能力。行星滚柱丝杠机构综合了行星轮系、滚珠丝杠、滚针轴承的运动特点，通过在丝杠周围设置若干行星螺纹滚柱，可大幅增加传动过程中丝杠副的受力接触面积，使机构可以承受更大的载荷和冲击，可靠性高，行星滚柱丝杠传动非常适合用于高速重载工作的应用场合。 滚柱寿命更长，是滚珠的10倍以上。在同样体积的情况下，滚柱丝杠有更大的接触面积，将承载力平均分散在更大的表面。从而减小了摩擦力并延长了使用寿命。 滚柱丝杠较滚珠噪音更小。滚珠丝杠内的珠子在辊道内需要在某一点上做方向切换，滚柱与主丝杠与同步做圆周运动，故滚柱丝杠拥有更小振动和噪音。 表：行星滚柱丝杠优点VS滚珠丝杠优点 来源：《行星滚柱丝杠传动精度分析与设计》柯浩、《行星滚柱丝杠设计》王家健、天风证券研究所 8 行星滚柱丝杠在主螺纹丝杠的周围行星布置了6-12个螺纹滚柱丝杠，滚柱螺母内使用的是小螺纹滚柱与主丝杠相互啮合，这时螺母 的结构类似于行星齿轮箱。 行星滚柱丝杠按照结构和运动特点分类，有标准式行星滚柱丝杠、反向式行星滚柱丝杠（特斯拉机器人用的）、循环式行星滚柱丝杠、差动式行星滚柱丝杠和轴承环式行星滚柱丝杠五种形式。 标准式行星滚柱丝杠主要由丝杠、滚柱、螺母、内齿圈、保持架和挡圈组成。丝杠通常作为动力输入端，只绕自身轴线转动；螺母 通常与负载连接，只沿自身轴线移动；滚柱在丝杠的作用下在螺母和丝杠之间做行星运动和轴向移动；内齿圈固连在螺母上，滚柱 端齿与内齿圈啮合保证滚柱在螺母上为滚动，滚柱与螺母相对轴向位移为零，与螺母一起沿轴向移动。 反向式行星滚柱丝杠与标准式行星滚柱丝杠的差别在于螺母作为动力输入构件，绕自身轴线旋转，丝杠作为执行部件，沿轴向移动； 丝杠两端增加齿轮替代内齿圈与滚柱端齿啮合，保证滚柱在丝杠上为滚动，滚柱与丝杠没有相对轴向位移，一起沿轴向移动。反向 式行星滚柱丝杠的螺母为主动件，丝杠为输出构件，滚柱、丝杠之间无相对轴向位移，其主要用于中小负载、小行程和高速的应用场景，其最大的优势在于可将其螺母作为电机转子实现电机和丝杠一体化设计，形成结构紧凑的一体式机电作动器。 表：标准式行星滚柱丝杠结构表：反向式行星滚柱丝杠结构 我们预计目前全球滚珠丝杠市场空间在100-150亿元，其中国内占比约20%。根据秦川机床22年定增募集说明书：预计2022年全球滚珠丝杆市场规模有望达到18.59亿美元（约合136亿人民币），其中我国滚珠丝杆市场规模约为27.7亿元。 丝杠下游主要是机床（占比50%+）、工业自动化、汽车。机床中的传动系统需要包括两道滚动直线导轨及一根滚珠丝杠副（一根 丝杠、一根螺母、多个钢球组合）来实现精确的移动。根据中国机床协会统计2022年中国机床消费额为274.1亿美元，我们假设按照滚动功能部件在机床中价值量占比10%计算（考虑成形机床传动系统要求低于金切机床），其能够为滚动功能部件(包括丝杠+导轨）提供的市场空间折合人民币为184亿元。 表：滚珠丝杠产业链 目前全球滚柱丝杠市场空间在20亿元左右，多应用在航空航天。根据persistencemarketresearch预测2023年滚柱丝杠全球市场 规模约3亿美元，国内市场规模约1300万美元。 特斯拉人形机器人Optimus线性执行器有14个，线性关节执行器均使用丝杠（旋转执行器采用谐波），从AIDAY视频看大部分采 用的是行星滚柱丝杠。 考虑到丝杠在线性执行器的作用对应在旋转执行器为谐波减速器，我们预计未来量产价格在小几千元级别，我们预计机器人10、50、100万台下对应单价为3000元/个、1500元/个、1000元/个，假设14个线性执行器10个采用滚柱丝杠，对应市场空间为30、75、100亿元。 图：特斯拉Optimus线性执行器 二、丝杠行业国产替代空间大，核心壁垒在于设备&工艺know-how 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明11 从全球供应格局看，NSK、THK等CR5市场占有率达到约46%。 从国内供应格局看，上银+银泰合计市占率接近50%，NSK、THK合计占比15%。上银科技22年营收67亿元（导轨占比64%，丝杠占比22%），毛利率37%，净利润10亿元。 从消费区域看，亚太地区是全球滚珠丝杠的主要市场。2020年亚太、欧洲、北美地区市场份额分别为49.5%、27.9%、15.7%。 图：2022年国内高端（左）/中端（右）滚珠丝杠市场竞争格局图：2020年全球滚珠丝杠区域分布情况 德国Schaeffler、美国Exlar、瑞士Rollvis、瑞典SKF公司、日本NTN株式会社等公司已经形成了相对成熟的行星滚柱丝杠产品 系统，并在其精度等级、润滑维护、应用平台等方面形成了一定的理论体系，基本在行星滚柱丝杠领域形成了技术垄断。 舍弗勒收购Ewellix，成为全球滚柱丝杠绝对龙头。舍弗勒是全球滚动轴承和直线运动产品的龙头企业（22年实现营收158亿欧元， EBIT9.74亿欧元）。舍弗勒于2022年7月24日以5.82亿欧元的价格收购瑞典企业Ewellix（全球领先的线性运动及驱动方案的供 应商，主要产品是驱动器、滚珠丝杠、滚柱丝杠等，2021年实现营收2.16亿欧元）。 目前国内厂家对行星滚柱丝杠的研制还处在初始阶段。虽然已有部分厂家能够形成小规模的生产，但是其生产出来的产品性能较国外产品还有较大的差距。 图：2022年中国滚柱丝杠市场竞争格局 滚珠丝杠从加工工艺角度划分为磨削滚珠丝杠和冷轧滚珠丝杠。 磨削滚珠丝杠：以两端中心孔为加工工艺工序基准，通过热 处理、车削、磨削等几十道工序逐一完成，适合给高精度设备做定位部件； 冷轧滚珠丝杠：采用冷加工工艺模具制造，开