机器人硬件拆解七：丝杠生产工艺流程详解

机械设备 机器人硬件拆解七：丝杠生产工艺流程详解 证券研究报告|行业深度 2023年12月21日 丝杠种类繁多，人形机器人打开百亿市场。丝杠种类繁多，梯形丝杠成本低、具有自锁功能，反向式行星滚柱丝杠承载高、体积小、精度高、寿命长，因此特斯拉人形机器人主要用反向式行星滚柱丝杠和梯型丝杠。梯型丝杠通常 用于机器人的手腕部位，每个手腕2个，即每个机器人4个。而行星滚柱丝 杠主要用于机器人的大臂、大腿和小腿等部位，每侧大臂1个、大腿2个、 增持（维持） 行业走势 小腿2个，两侧合计就是10个。我们以特斯拉Optimus为例，其全身预计机械设备沪深300 需要14个丝杠部件，假设未来单台机器人丝杠量产均价为1000元，则单 台机器人丝杠价值量为1.4万元，在100万台机器人销量假设下，机器人丝 杠市场空间将达140亿元。 反向式行星滚柱丝杠的核心难点在于螺母内螺纹加工，硬车和砂轮磨是主流工艺。反向式行星滚柱丝杠的构成为长螺母-短丝杠外加螺旋滚道，螺母作为主动件，由丝杠直线输出，螺母比螺杆还要长。这种结构的最大优点是可 将螺母作为电机的转子实现电机和反向式行星滚柱丝杠的融合设计，螺母作为电机转子可使人形机器人直线传动结构更加紧凑、重量更小，但是其核心的难度在于对螺母的加工提出了更高的要求。反向式行星滚柱丝杠的主流工艺是硬车和砂轮磨，前者的特点在于生产效率更高、成本更低，而后者的特点在于精度更高。反向式行星滚柱丝杠的螺母很长、还是内螺纹，加工时还需要有一个倾斜角，砂轮进去磨，精度很难掌控。砂轮是单边支撑，螺母越长，砂轮就越要往里面伸，砂轮伸得越长、抖动越厉害，很细微的抖动，那么公差都达到微米级别，所以螺母里面公差难以控制。因此，高精度的加工设备成为了反向式行星滚柱丝杠生产的核心壁垒。 进口丝杠价格高昂，国产化的核心是设备国产化。行星滚柱丝杠价格高、制作难度大，此前需求不大，一般为进口。但是进口价格目前为1+万元/副，成本高昂，难以满足人形机器人量产的成本要求，因此国内企业纷纷希望自 行生产行星滚柱丝杠。然而，国内企业自行生产，需要进口相关的螺纹磨床，海外螺纹磨床价格非常高，一般为100-200万欧元/台，并且是定制化磨床。一开始量不大、又是定制，国外企业产能有限，供货的意愿不强。此外，国外厂家的销售模式是以销定产，客户下单后，通常需要2年以后才能拿到设备，生产交付周期很长，未来很难满足人形机器人的量产需求。因此丝杠设备的国产化、定制化是必然趋势。 人形机器人有望带来百亿的高精度螺纹磨床增量需求。我们对人形机器人带来的高精度磨床的市场增量进行测算，假设单台机器人需要行星滚柱丝杠10套，行星滚柱丝杠三个主要部件螺母、螺杆、滚柱（一般一套为6-8根） 需要内螺纹磨床、外螺纹磨床、外圆磨床、内圆磨床等4种不同类型的磨床， 各磨床之间难以通用，假设该4种磨床合计每天生产行星滚柱丝杠数量为 20套，一年有效工作天数为360天，单台磨床价值量按150万元计算，预 计100万台人形机器人将带来83亿的高精度磨床设备需求增量。 投资建议：未来人形机器人的量产为丝杠和丝杠设备带来巨大的增量市场，因此建议关注有可能突破的主流丝杠和丝杠设备企业。（1）丝杠企业：北特科技、贝斯特、恒立液压、鼎智科技、�洲新春、斯菱股份、长盛轴承； （2）丝杠设备企业：日发精机、华辰装备、秦川机床、浙海德曼、同益股份。 风险提示：丝杠增量需求不足预期风险、国产设备替代能力不足风险、市场空间测算误差风险、资本投入不及预期风险。 16% 0% -16% 2022-122023-042023-082023-12 作者 分析师张一鸣 执业证书编号：S0680522070009邮箱：zhangyiming@gszq.com 分析师邓宇亮 执业证书编号：S0680523090001邮箱：dengyuliang@gszq.com 研究助理刘嘉林 执业证书编号：S0680122080032邮箱：liujialin@gszq.com 相关研究 1、《机械设备：机器人硬件拆解🖂：灵巧手传动装置解析》2023-11-23 2、《机械设备：上海机器人政策落地，2025年将打造千亿级机器人产业规模》2023-10-28 3、《机械设备：谷歌发布RT-2模型，机器人产业进展加快》2023-08-07 请仔细阅读本报告末页声明 重点标的 股票代码 股票名称 投资评级 EPS（元） PE 2022A 2023E 2024E 2025E 2022A 2023E 2024E 2025E 603009.SH 北特科技 - 0.13 0.14 0.18 0.23 46.69 94.96 75.67 57.65 300580.SZ 贝斯特 - 1.14 0.82 1.08 1.42 16.27 40.08 30.64 23.34 601100.SH 恒立液压 增持 1.75 1.99 2.37 2.79 30.15 26.52 22.27 18.91 873593.BJ 鼎智科技 买入 2.10 2.29 3.06 4.17 19.50 17.89 13.39 9.82 603667.SH �洲新春 买入 0.40 0.50 0.72 0.94 53.25 42.60 29.58 22.66 301550.SZ 斯菱股份 - - - - - - - - - 300718.SZ 长盛轴承 - 0.34 0.87 1.01 1.28 66.66 21.86 17.47 13.80 002520.SZ 日发精机 - - - - - - - - - 300809.SZ 华辰装备 - 0.19 0.45 0.60 0.71 99.51 54.75 41.11 34.93 000837.SZ 秦川机床 - 0.31 0.25 0.36 0.47 31.43 44.02 31.13 23.42 688577.SH 浙海德曼 - 1.10 0.66 1.08 1.51 39.14 101.99 62.38 44.67 300538.SZ 同益股份 增持 0.08 0.19 0.41 0.51 234.50 98.74 45.76 36.78 资料来源：Wind，国盛证券研究所（北特科技、长盛轴承、贝斯特、斯菱股份、秦川机床、浙海德曼、华辰装备、日发精机选自2023年12月17日 wind一致预期） 内容目录 1丝杠种类繁多，人形机器人打开百亿市场4 1.1丝杠品类繁多，人形机器人主要用反向式滚柱丝杠和梯型丝杠4 1.2车用+工业母机+机器人，丝杠市场空间巨大9 2多种工艺并行，设备或成丝杠国产化关键13 2.1核心难点在于螺母内螺纹加工，硬车和砂轮磨是主流工艺13 2.2进口丝杠价格高昂，国产化的核心是设备国产化18 3投资建议21 风险提示23 图表目录 图表1：丝杠的分类4 图表2：梯形滑动丝杠结构示意图5 图表3：滚珠丝杠（左）与行星滚柱丝杠（右）的结构示意图6 图表4：静压丝杠的丝杠被替换为楔形垫块6 图表5：不同丝杠的特征对比7 图表6：反向式行星滚柱丝杠结构示意图8 图表7：特斯拉Optimus应用丝杠的部位（右左对称使用）9 图表8：滚珠丝杠市场空间10 图表9：中国滚珠丝杠市场规模及同比增速10 图表10：中国滚珠丝杠产量及需求量情况10 图表11：乘用车丝杠市场空间测算11 图表12：机床丝杠市场空间测算11 图表13：人形机器人丝杠市场空间敏感性分析12 图表14：行星滚柱丝杠误差来源13 图表15：丝杆-冷轧工艺加工示意图14 图表16：丝杠-旋风铣工艺加工示意图14 图表17：丝杠-车床车削加工示意图14 图表18：丝杠-砂轮磨削加工示意图14 图表19：工艺对比-旋风铣VS硬车VS砂轮磨15 图表20：梯形丝杠加工工艺流程16 图表21：滚珠丝杠-螺杆部分工序图16 图表22：滚珠丝杠-螺母部分工序图16 图表23：行星滚柱丝杠-丝杠加工工艺流程17 图表24：行星滚柱丝杠-螺母加工工艺流程17 图表25：行星滚柱丝杠-滚柱加工工艺流程17 图表26：行星滚柱丝杠-内齿圈加工工艺流程18 图表27：国内外螺纹磨床主要参会厂家19 图表28：人形机器人带来高精度磨床设备市场空间20 1丝杠种类繁多，人形机器人打开百亿市场 1.1丝杠品类繁多，人形机器人主要用反向式滚柱丝杠和梯型丝杠 丝杠的工作原理：丝杠轴上有一个螺旋线，而螺母上则有与之相配合的螺旋槽，当丝杠轴旋转时，螺母便沿着丝杠轴的轴向方向移动，将旋转运动转化成线性运动。 丝杠的种类：根据摩擦特性，丝杠可以分为滑动丝杠、滚动丝杠以及静压丝杠。 滑动丝杠与滚动丝杠具有不同精度标准：1）滑动丝杠有4~9共6个等级，精度依次降低，其中4级最高，一般很少使用；5级用于精密仪器与精密机床，如坐标镗订、螺纹磨床等；6级用于精密仪器、精密机床和数控机床；7级用于精密螺纹车床、齿轮加工 机床及数控机床；8级用于一般机床，如卧式车床、铣床；9级用于刨床、钻床及一般机床的进给机构。2）滚动丝杠一般有6~7个精度等级，如在JIS标准中，滚珠丝杠精度等级分为C0、C1、C3、C5、C7、C10共6个等级，而国内等级精度分为P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10共7个等级。 图表1：丝杠的分类 资料来源：机械网，国盛证券研究所 滑动丝杠：主要由丝杆、螺母、滑块和导向装置等组成。结构简单，制造方便，常用于恒速传动领域，如数控机床、注塑机、模压机等。丝杠通过在螺母中旋转来传 递运动，螺母是与丝杆螺距相同的螺纹，与丝杆进行相对运动，滑块与丝杆一起运动，将旋转运动转化为直线运动，导向装置用来支撑和引导滑块沿着丝杆轴向方向移动。此外，还包括一些辅助部件，如润滑系统、密封件等，用于保持丝杠的正常运行和防止外部环境对丝杠的影响。滑动丝杠的摩擦阻力较大，传动效率较低，定位精度和轴向刚度较差。 图表2：梯形滑动丝杠结构示意图 资料来源：济宁利兴精密机械制造有限公司官网，国盛证券研究所 滚珠丝杠：由螺杆、螺母、滚珠和预压片组成。螺纹轴表面刻有螺纹形状的凹槽，用于放置滚珠，螺母是与螺纹轴配合使用的零件，内部有与滚珠相匹配的导槽，滚 珠位于螺纹轴和螺母之间，预压片用于对滚珠施加预压力，消除间隙并提高丝杠的刚度。反向器、防尘器用来保证滚珠丝杠的正常运行和防止外部环境对丝杠的影响。滚珠丝杆相比于普通的梯形丝杆，其在自锁性、传动速度、使用寿命、精度和传动效率方面优势明显。滚珠丝杠采用滚珠和钢球等滚动体，不仅适用于更高速的运动，相对应的机械损耗也较小，其线性运动精度要比滑动类型丝杠更高，并且在传动精度稳定性方面表现更出色，使用寿命更长。 滚柱丝杠：由螺杆、行星滚柱、螺母组成，按照价值量占比来看。 原理：丝杠是牙型角为90°的多头螺纹，滚柱是具有相同牙型角的单头螺纹，其牙型轮廓通常加工成球面，目的是提高承载能力、降低摩擦、提高效率。螺母是具有 与丝杠相同头数和牙型的内螺纹。若干个滚柱沿丝杠圆周方向均匀分布，当丝杠旋转时，滚柱既绕着丝杠轴线公转，又绕自身轴线自转。滚柱与螺母具有相同的螺旋升角，与螺母啮合时能够确保纯滚动并且没有相对轴向位移。 特点：滚柱丝杠在满足精度的同时，承载能力大大加强，但是其结构复杂、加工难度大和成本较高。滚柱丝杠采用滚柱作为滚动体，相比滚珠丝杠具有更大的接触面积，能够承受更大的负荷和冲击，因此具有高刚性和高效率的特点。另外，制造精 度和传动精度都很高，能够保证设备的精确定位和稳定运动。 与滚珠丝杠相比的优势：（1）滚柱与丝杠接触半径更大，且所有滚柱同时参与啮合，接触点多，比滚珠丝杠在相同丝杠直径下承载能力提高6倍、相同负载下比滚珠丝 杠节省1/3空间、寿命提高14倍、工作环境温度范围提高2倍。当滚柱丝杠直径为120mm时，其推力可达120t。（2）滚柱丝杠用滚动摩擦代替滑动摩擦，与滚珠丝杠传动效率相当，润滑良好的情况下效率可达90%。（3）滚柱相对于螺母没有轴向运动，因此具有加速、旋