人形机器人深度之四：滚柱丝杠：让运动更丝滑，国产替代蓄势待发

证券研究报告·行业研究·电力设备与新能源行业 滚柱丝杠：让运动更丝滑，国产替代蓄势待发 --人形机器人深度之四 电新首席证券分析师：曾朵红执业证书编号：S0600516080001联系邮箱：zengdh@dwzq.com.cn 电动车首席证券分析师：阮巧燕执业证书编号：S0600517120002联系邮箱：ruanqy@dwzq.com.cn 联系电话：021-60199793 2024年2月26日 摘要 从性能及壁垒排序，滚柱丝杠>滚珠丝杠>梯形丝杠，滚柱及梯形将受益于人形机器人爆发。丝杠是一种常见的机械传动运动，用于将旋转运动转为直线运动，可分为梯形、滚珠、滚柱丝杠等。其中梯形丝杠是一种滑动运动，适用于慢速、精度要求不高等领域，主要为切销工艺，已经成熟广泛推广，价格低，特斯拉人形机器人中将使用4根左右/台；滚珠丝杠和滚柱丝杠其运动原理类似，均是滚动运动，且加工设备基本相同，工艺具备同源性，但滚柱丝杠综合性能更优，包括承载力大、寿命长、体积小、速度快等，其加工工艺难，市场需求远不及滚珠（不足10亿vs超100亿），成本远高于滚珠丝杠。特斯拉人形机器人中将使用8根反转式行星滚柱丝杠，随着规模化，降本空间广。 设备与工艺为滚柱丝杠核心壁垒，良率和效率是滚柱丝杠需突破的重点。行星滚柱丝杠核心三大部件丝杆、滚柱、螺母行星，加工工艺分为冷轧和研磨，核心在于螺纹加工，特别是人形机器人使用反转式滚柱丝杠，螺纹长且是内螺纹，需用研磨工艺，且难度大。冷轧工艺工序简单、但精度低（一般C7级以上）；研磨工艺工序长、但精度高，工序包括预热处理、粗加工（车、铣、粗磨）、半精磨、精磨，前后工序共10-20道，耗时10h以上，其中热处理和精磨是核心环节，特别是精磨对滚珠丝杠的精度起到绝对性影响，对设备依赖度高，且对工艺要求高，需要knowhow积累。目前高精度螺纹磨床依赖进口，订货周期长达1-2年，厂商包括日本三井、美国Drake、德国SMS等。 滚柱丝杠将撬动人形机器人千亿市场，国产化蓄势待发，更看好拥有进口精磨设备厂商。目前滚柱丝杠市场空间不足10亿元，预计2030年人形机器人销量110万台，滚柱丝杠价格跌至3k元，对应空间超300亿，随着良率效率提升，未来成本将至1k以内。格局看，德国舍弗勒依托子公司瑞士GSA、并先后收购瑞士ROLLVIS、Ewellix公司，几乎垄断滚柱丝杠市场，其余厂商均未形成大规模。参考滚珠丝杠发展历程，随着需求爆发，技术外溢至东亚，形成较分散的格局（CR5份额为46%）。目前国内厂商加大滚柱丝杠研发与布局，主要有三类厂商，一是滚珠丝杠厂商延伸，二是购买精磨设备的新厂商（贝斯特、恒立液压），三是代工组装方式（三花链的北特、五洲、斯菱等）。设备端看，我们预计2030年丝杠设备新增市场空间100-150亿，远期600亿，国内磨床公司精度提升后，或受益于国产化替代，此外以车代磨提升效率，车床设备也有望受益于工艺改进。 投资建议：1）滚柱丝杠制造商：首推执行器集成商三花智控、拓普集团，其次推荐三花链潜在丝杠供应商，建议关注贝斯特、北特科技，二者弹性较大，同时建议关注五洲新春、斯菱股份。2）设备：设备先行，但国产化设备精度提升仍需时间，两条主线，一是高精度螺纹磨床国产替代，关注受益标的华晨装备、日发精机，二是以车代磨，用车床替代粗磨环节，提高生产效率，关注受益标的浙海德曼。 风险提示：人形机器人进展不及预期；滚柱丝杠国产化不及预期；未来竞争加剧，价格不及预期。 设备与工艺为核心壁垒，良率和效率是关键 丝杠让运动更丝滑，滚柱综合性能最优 千亿市场空间，国产化蓄势待发 投资建议：布局丝杠制造商及设备生产商 风险提示 目录 丝杠让运动更丝滑，滚柱综合性能最优 人形机器人将成丝杠新增放量市场 丝杠是一种常见的机械传动运动，用于将旋转运动转为直线运动。可以分为滑动丝杠（多为梯形丝杠）、滚珠丝 杠、行星滚柱丝杠、静压丝杠。 人形机器人为丝杠新增放量点。梯形丝杠和滚珠丝杠在机械机床领域已成熟应用，行星滚柱丝杠目前仅在航空等高端领域应用。特斯拉人形机器14个线性关键将使用8-10个滚柱丝杠和4-6个梯形丝杠，而国内大部分人形机器人采用电流环方案，无需使用丝杠。 12 线性关节14 8-10个滚柱丝杠 4-6个梯形丝杠 大臂：线性执行器*1*2 小臂：线性执行器*2*2 大腿：线性执行器*2*2 小腿：线性执行器*2*2 图：特斯拉人形机器人线性关节使用丝杠 图：丝杠分类 梯 形 丝 杠 滚 珠 丝 杠 滚 柱 丝 杠 梯形丝杠：技术成熟工艺简单，但精度与效率低 梯形丝杠是一种滑动运动，适用于慢速、精度要求不高等领域。梯形丝杠由螺杆和螺母组成，螺杆上布有梯形螺纹，依靠螺母与螺杆的旋合传递运动和动力，是完全依靠机械接触产生滑动，是一种滑动运动，其传动效率30-70%（低于滚珠90%+），且其高速发热明显，更适用于低速运动，同时精度较低为C10以上（滚珠最高可到C0级），但其有自锁功能（滚珠无，需外加零件）。梯形丝杠多应用于数控机床、自动输送系统、测量设备等。 梯形丝杠加工工艺简单，主要为切销工艺，已经成熟广泛推广。梯形丝杠加工方式有滚压、切削和研磨三种制造方式，从精度看研磨（15um/300mm）>切削（50um/300mm）>滚压（90um/300mm），但由于研磨成本高10倍以上，目前多采用切削方式，技术简单，工艺成熟。切削工艺中，目前多用旋风铣销丝杠设备，可替代此前的车削工艺，可将铣丝、滚花一次完成，减少表面粗糙度。 图：梯形丝杠工作原理图：梯形丝杠生产流程 •螺纹丝杠轴上的螺纹与螺母上的螺纹互相啮合 螺纹啮合 •将电机或其他装置提供的旋转动力输入到螺纹丝杠轴上 旋转输入 冷拔滚花 铣丝 车螺纹 校正 •通过旋转输入，螺纹丝杠轴的旋转使螺母沿着丝杠轴的轴向移动 •螺母的移动导致与螺纹丝杠连在一起的装置沿着丝杠轴的轴向产生直线运动 倒角 直线运动 转动推动 切断 钻孔 滚珠丝杠：精度高应用广，但国产技术仍待提升 滚珠丝杠是滚动运动，传动效率高、精度高。滚珠丝杠由丝杆、螺母、滚珠、回珠器主要部件构成，核心部分是滚珠，滚珠位于丝杆的螺纹槽内，同时与螺母的螺纹槽接触。当丝杠旋转时，滚珠在丝杆和螺母之间滚动，实现力的传递和直线运动。回珠器一般分为内循环式和外循环，在轻载和小型丝杠情况下用内循环，反之使用外循环。 滚珠丝杠工艺分为研磨与轧制，已国产化，但高精度产品技术仍待提升。滚珠丝杠加工核心在于滚道制作，螺母的螺纹采用研磨技术，而丝杆可采用研磨和轧制两种工艺。轧制是采用冷加工工艺模具制造，自动化程度高，适合大批量生产，成本低，但精度偏低一般为C7级以上；而研磨工序长，从热处理、粗加工（车削）、到精磨（磨削），效率低，但精度高，一般为C7级以下，可达到C0级。国产技术已突破，但高精度产品技术仍需提升，全球滚柱丝杠市场空间超120亿。 图：滚珠丝杠工作原理图：滚珠丝杠生产流程 滚柱丝杠：性能更优，但加工难成本高，空间待开发 行星滚柱丝杠是线接触的滚动运动，具备滚珠优势，同时承载力更强、寿命长、体积小。行星滚柱丝杠由主丝杆，6-12根滚柱，螺母，轴承盖和齿套筒组成，与滚珠丝杠的结构相似，区别在于其载荷传递元件为螺纹滚柱，是线接触；而滚珠丝杠载荷传递元件为滚珠，是点接触。滚柱替代滚珠将使负载通过众多接触点迅速释放，从而能有更高载荷和抗冲能力，同规格的滚珠丝杠的载荷是滚珠的3倍，寿命是滚珠的15倍，同载荷情况下，体积是滚珠的1/3。 根据不同的结构设计，滚柱丝杠分为循环式、非循环式、反转式等，其中特斯拉人形机器人采用反转式，难度更高。1）反转式滚柱丝杠：螺母作为主动件（长度长，加工难度大），丝杆为输出构件（滚柱围绕丝杆旋转，区别于围绕螺母旋转），没有内齿圈，优势在于结构紧凑，用于小行程工作场景。2）循环式：去掉了内齿圈，增加返回器（凸轮环结构），滚柱可在螺母内旋转一周后归位，增加螺纹数量，具有更高刚度，用于医疗器械、精密仪器等。3）非循环：增加壳体、端盖、圆柱滚子轴承等部件，承载力强，应用于重型机械、石油化工等，成本高。 图：滚柱丝杠工作原理图：滚柱丝杠类别 •承载力强 •适用于重型机械 主丝杆 滚柱 保持器 螺母 内齿圈 扁丝卡簧 刮刷器 丝杆：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 螺母：是具有与丝杠相同头数和牙型的内螺纹。 丝杆、滚柱、螺母三者之间通过螺纹啮合实现传动 非循环式 循环式 •体积小精密、刚度强 •用于精密器 械 •结构紧凑 •用于机器人 等 反转式 滚柱丝杠：与滚珠有同源性，在小型领域空间广阔 滚柱丝杠与滚珠有同源性，但综合性能更优，加工难度大及未大规模生产限制成本下降。滚柱丝杠与滚珠丝杠其运动原理类似，且加工设备基本相同，工艺具备同源性。滚柱丝杠综合性能更优，包括承载力大、寿命长、体积小、速度快等，但其加工工艺难，市场需求远不及滚珠（不足10亿vs超100亿），因此成本远高于滚珠丝杠。未来随着人形机器人放量，滚柱丝杠有望大规模化生产。 图：滚柱丝杠与滚珠丝杠对比 滚柱丝杠滚珠丝杠 原理与结构 1）载荷传递元件为螺纹滚柱，优势在于有众多螺 纹线支撑负载，为线接触，载荷强 2）滚柱设计为非循环式，旋转速度是滚珠的2倍 3）导程与行星滚柱丝杠的节距成函数关系，导程 1）载荷传递元件为滚珠，是滚珠支撑负载， 为点接触，载荷低 2）滚珠是循环式，高速旋转时，滚珠发生碰撞，有磨损寿命短 可以设计成整数或者小数，不需要任何丝杆和螺母3）滚珠丝杠的导程受滚珠的直径限制，因此 的几何变化，导程可以设计的更小导程是标准的。 1）滚动体为螺纹小滚柱，其围绕主丝杠轴心做行1）滚动体为滚珠，借助反向机构实现循环滚星运动动 运动机理与受力状态2）滚动体受截面积大，任何时候都同时受截，无2）滚珠受截面积小，且轮流受截，产生循环 循环交变应力，具备更强的刚度和受冲击力交应变力 3）行星机构阻止离心力3）高速运转时产生较大的离心力 优劣势 1）同等规格下，承载力是滚珠的3倍 2）同等条件下，使用寿命是滚珠的15倍（滚珠常 用值为2万小时或5年） 1）工艺较滚柱丝杠成熟，适合大规模量产 2）成本较滚柱丝杠低 3）同等条件下，体积是滚珠的1/3 设备与工艺为核心壁垒，良率和效率是关键 10 滚柱丝杠性能要求：高精度、结构紧凑、负载大 滚柱丝杠评估指标众多，人形机器人中看中高精度、负载大、结构紧凑等性能。在滚柱丝杠选型时，重点关注几个指标精度等级（丝杠旋转一周后，定位精度误差的最大值，一般选300mm螺纹长度测量导程误差）、效率（各种接触界面处耗散的热功率，影响电机扭矩计算）、速度（转速）、负载、额定寿命、刚度等。这与丝杠的直径、导程、螺母设计（单螺母看轴向间隙、预紧螺母看预紧力）、工艺等有关。 精度是滚柱丝杠重要指标，在人形机器人应用时同时追求运动丝滑性。按照中国台湾的JIS等级，精度可分为C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10（若任300mm丝杠长度误差为3.5um以内，则为C0级），普通机械采用C7/C10级，数控设备一般采用C5/C3级，航空等领域采用C3/C2。而在人形机器人应用中，滚柱的精度与滚珠不同，滚珠是追求导轨精度，而滚柱同时追求运动的流畅性。目前滚柱丝杠精度可达C1级别（±5um/300mm），由于结构设计，实际精度表现优于滚珠同等级标定。 丝杠精度影响因素 丝杠轴径 精度等级C0 C1 C2 C3 C5 C7 C10 精度（E300）3.5um 5 7 8 18 50 210 图：丝杠选型指标图：丝杠的精度 指标参数说明 动额定负荷一般是轴径越大，负载越大。实际负载和额定静额定负荷负荷的比值越小，丝杠的理论寿命越长 导程 传动的线速导程指的是丝杠旋转一周，螺母直线运动的距 度 离。导程和轴向间隙没有特别的关系，决定导程的大小是传动的线速度 •滚柱的精度：决定精度的上限