丝杠：精密传动部件机器人中必不可少，国产替代蓄势待发

丝杠：精密传动部件，下游应用广泛。丝杠是一种可以使旋转运动变成直线运动的传动副零件，其优势在于高速运动下保证定位精准，丝杠对于精度以及强度要求都较高，原因在于丝杠不仅需要精确地确定工作台位置从而将旋转运动变为直线运动，还需要传导动力，在精度、强度、耐磨性等方面均提出较高要求，故而丝杠的加工工艺以及原材料都有较高要求。 丝杠下游应用较为广泛，可以广泛应用于数控机床、机器人关节、汽车之中。 其中，在对于丝杠性能要求方面，机床最高、机器人次之、汽车则要求最低。 滚珠丝杠：性能优于滑动丝杠，国产替代空间较大。滚珠丝杠是数控机床的核心部件。相较于滑动丝杠，滚珠丝杠具备几大特点：首先，滚珠丝杠依靠滚珠进行滚动摩擦，而滑动丝杠进行的是滑动摩擦，这也导致其摩擦力较大，容易磨损；其次，由于滚动摩擦系数小于滑动摩擦，滚珠丝杠的传动效率相较于滑动丝杠更高；最后，当丝杠传动效率大于50%时，没有自锁性，小于35%时将出现自锁性，因而滚珠丝杠不具备自锁性，滑动丝杠可能产生自锁性。 滚珠丝杠下游应用丰富，可用于自动化机器人领域，作为精确线性传动动力以及同时承受高负载的角色。从我国滚动功能部件的市场格局来看，日本、欧洲企业主导高端市场，日本、欧洲企业合计市场份额高达90%。 我们认为，滚珠丝杠下游应用丰富，未来随着机器人行业的进一步拓展有望持续带动滚珠丝杠需求不断上升，市场不断扩大，目前国内企业相较于海外头部企业尚存在一定差距，市占率较低，未来随着技术壁垒逐步被打破，国内企业有望在高端滚珠丝杠市场进一步拓展，国产替代有望进一步上升。 行星滚柱丝杠：人形机器人中必不可少，未来市场空间广阔。相较于滚珠丝杠以及滑动丝杠，行星滚柱丝杠具备传动效率更高（可达90%）、承载能力最大、速度最高等优势，其下游可主要应用于航天器、望远镜登高精度控制系统，机床、数控机床、精密机器人、半导体设备等。 行星滚柱丝杠技术壁垒较高，国内原材料、工艺及设备均存在一定差距。 首先，原材料方面：在原材料的选择方面，国内企业大多采用马氏体不锈钢，其抗腐蚀性以及硬度有缺陷，而国外大多数领先的行星滚柱丝杠企业大多选择采用加入Mo元素的合金，性能更强。此外，在高端的Cr/Mo合金方面，我国企业也尚且与海外存在一定差距。 其次，在工艺方面：螺纹的制造工艺主要为轧制和磨削两种，其中磨削是加工高精度丝杠螺纹的主要方法，其精度等级范围在C0- C5 ，但生产效率低，成本较高，轧制可批量生产，价格低，但精度最高为 C5 。目前国际束流企业如Ewwllix、Rollvis、GSA等大多采用磨削工艺。 最后，在设备方面：高精度磨床可以提升加工精度，丝杠磨床的可磨直径、螺纹距离和最大螺旋升角较高，主要用于丝杠整体的磨削。目前国产磨床可以满足C3- C4 精度的中端丝杠加工，但批量加工高端丝杠（C0-C2）时，存在出品不稳定现象。 我们认为，行星滚柱丝杠将成为人形机器人中的新增量，有望持续受益于人形机器人的带动，但目前行星滚柱丝杠在原材料、制造工艺以及设备均存在一定的壁垒，未来随着国产企业技术的不断进步，有望进一步拓展市场份额。 相关标的：三花智控、拓普集团、秦川机床、贝斯特、恒立液压、五洲新春、北特科技、鼎智科技、新亚电子、日发精机、华辰装备、宇环数控、浙海德曼、同益股份。 风险提示：人形机器人进展不及预期，技术推进不及预期，宏观经济波动风险，原材料价格波动风险。 一、丝杠：精密传动部件，下游应用广泛 丝杠是一种可以使旋转运动变成直线运动的传动副零件，其优势在于高速运动下保证定位精准，由于摩擦力较低，其传动效率可达90%。丝杠对于精度以及强度要求都较高，原因在于丝杠不仅需要精确地确定工作台位置从而将旋转运动变为直线运动，还需要传导动力，在精度、强度、耐磨性等方面均提出较高要求，故而丝杠的加工工艺以及原材料都有较高要求。 按照摩擦特性，丝杠可以分为三大类：滑动丝杠、滚动丝杠、静压丝杠，其中滚动丝杠又分为滚珠丝杠和滚柱丝杠。 图表1：滚珠丝杠示意图 图表2：滚柱丝杠示意图 丝杠下游应用较为广泛，可以广泛应用于数控机床、机器人关节、汽车之中。其中，在对于丝杠性能要求方面，机床最高、机器人次之、汽车则要求最低，高精度磨床要求在C0-C2级；机器人精度要求次之，机械手臂（精密级）精度要求在 C1 - C4 级；汽车丝杠精度要求最低，其中动力转向器、线性制动器精度要求C6-C8、 C5 -C8。 图表3：汽车、机器人、机床丝杠性能要求对比 二、滚珠丝杠：性能优于滑动丝杠，国产替代空间较大 1、滚珠丝杠：广泛应用于机床领域，发展由来已久 滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成，将钢球置于丝杠与螺母之间以滚动摩擦取代滑动摩擦，因而摩擦阻力更小，滚珠丝杠是数控机床的核心部件，在工业母机领域，滚珠丝杠用于直线传动，通常安装在高精度数控机床的直线轴中。 34 图表4：滚珠丝杠内部结构 图表5：滚珠丝杠是高端机床的核心部件 从发展历程来看，总体而言，可以将滚珠丝杠的发展历程划分为三个阶段： （1）萌芽期：1872年，滚珠丝杠基本结构在美国以申请专利的方式问世；1940年，美国首先将滚珠丝杠应用与汽车转向装置，开始商业化之路。 （2）发展期：1952年，第一台数控机床问世，进一步推进了滚珠丝杠产业的发展； 1964年，中国研制出第一套滚珠丝杠副。 （3）成熟期：1982年行业标准JB3162-1982《滚珠丝杠副》的出台标志我国滚珠丝杠发展步入发展期，我国滚珠丝杠相关研究起步较晚，目前相关产品相比海外领先企业尚存在一定差距。 3 4 CSDN：《机器人开发--丝杠与导轨》 立鼎产业研究院：《滚珠丝杠行业下游应用领域分析及2023年国内市场供需现状与趋势分析》 图表6：滚珠丝杠发展历程 从分类来看，按照滚珠返回方式的不同可以将滚珠丝杠分为内循环和外循环：其中，内循环是指滚珠沿着螺母壁返回，低于滚珠螺母的外径，其特点在于滚珠流畅性好，但轴向排列紧凑，轴向尺寸小；外循环是指滚珠通过返回管回到回路的相对端，滚珠返回管突出于滚珠螺母的外径之上。其特点在于反向灵活，结构紧凑，使用可靠，工作寿命长。 图表7：外循环式滚珠螺母 图表8：内循环式滚珠螺母 此外，根据支撑方式的不同，也可将滚珠丝杠划分为四种类型，分别为：一端固定一端自由、一端固定一端支撑、两端支撑、两端固定。 一端固定一端自由：一端组合式角接触轴承一端自由，这种安装方式多用于短程以及垂直传动，结构简单，但刚度和稳定性较差。 一端固定一端支撑：一端组合式角接触轴承，另一端为深沟球轴承。适用于中等速度、刚度及精度都较高的场合。 两端支撑：两端均装深沟球轴承。该类形式结构虽然较为简单，但是受力能力较差，应用场景较少。 两端固定：两端均装组合式角接触轴承，可承受较高的轴向负载，能够较好的弥补滚珠丝杠高速回转中产生的高温问题，但是该类形式整体安装相对复杂。 图表9：一端固定一端自由 图表10：一端固定一端支撑 图表11：两端支撑 图表12：两端固定 2、滚珠丝杠、滑动丝杠与静压丝杠 滑动丝杠又称梯形丝杠，其结构比较简单，制造方便，滑动丝杠摩擦力较大，传动效率较低，根据CSDN，滑动丝杠传动效率一般为26%—46%，磨损快，低速和微调传动出现爬行，易自锁，定位精度和轴向刚度较差。 相较于滑动丝杠，滚珠丝杠具备几大优势：首先，滚珠丝杠依靠滚珠进行滚动摩擦，而滑动丝杠进行的是滑动摩擦，这也导致其摩擦力较大，容易磨损；其次，由于滚动摩擦系数小于滑动摩擦，滚珠丝杠的传动效率相较于滑动丝杠更高；最后，根据山东乐乐机械公司介绍，当丝杠传动效率大于50%时，没有自锁性，小于35%时将出现自锁性，因而滚珠丝杠不具备自锁性，滑动丝杠可能产生自锁性。 根据凯特精机的数据显示，滚珠丝杠副的传动通过滚珠丝杠和滚珠螺母之间的滚珠传递，机械效率可达90%以上，而且摩擦系数比传统的滑动丝杠低，传动扭矩只有滑动丝杠的1/4~1/2，可轻易将回转运动变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动。 图表13：滚珠丝杠与滑动丝杠效率对比 静压丝杠可分为液体静压丝杠和气体静压丝杠，液体静压丝杠的油腔位于螺母上，静压油膜位于静压螺母和精密丝杠之间，静压螺母和丝杠本身并不接触，因此没有磨损，但液体静压丝杠装置较大，且其静压油腔加工困难，且存在环境污染问题。 相比与液体静压丝杠，气体静压丝杠中起支撑润滑作用的是气膜，由于空气的可压缩性较强，气膜厚度要比液体静压丝杠中的油膜小，因此定位精度更高，但同时刚度和承载能力较低。 静压丝杠具备摩擦力合速度呈正比，低速时几乎为0的特点，同时其具备一定的减振性，可以消除滚珠丝杠存在的震动和噪音，比较适合需要频繁震动附在的情形。 3、滚珠丝杠加工有一定难度，未来市场空间广阔，国产替代仍需发力 精密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两大类，磨削滚珠丝杠是按照基准统一原则，通过热处理、车削等几十道工序完成。冷轧滚珠丝杠是采用冷加工工艺模具制造，开模工艺自动化程度高，批量化生产成本较低，但最终的成果精度较差。 图表14：磨削滚柱丝杠机械加工工艺过程 螺纹的加工精度对滚珠丝杠的性能有较大的影响。在滚珠丝杠的制造过程中易产生螺距误差。滚珠丝杠的螺距误差主要来自静态误差、动态误差和随机误差，其中机床误差、砂轮磨损误差和弹性变形以及热变形误差对螺距误差影响较大。 图表15：滚珠丝杠螺距误差来源 滚珠丝杠在选型时需要考虑精度等级，轴向距离等因素，其中精度等级是首要因素，我国常用的精度等级主要有P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10；日韩以及中国台湾采用C0、C1 、C3、 C5 、C7、C10，其中数字越小代表精度越高。 滚珠丝杠应用丰富，市场空间广阔。滚珠丝杠下游应用丰富，可用于自动化机器人领域，作为精确线性传动动力以及同时承受高负载的角色；可用于精密仪器和医疗设备、航天航空等方面，此外还能够应用于新能源汽车电缸、换挡系统、刹车、转向系统等等。 图表16：滚珠丝杠可应用于新能源车换挡系统中 根据百谏方略（DIResaerch）研究统计，全球滚珠丝杠市场规模呈现稳步扩张的态势，2023年全球滚珠丝杠市场销售额将达到153亿元，预计2030年将达到235亿元，2023-2030年复合增长率为6.32%。其中，亚太是滚珠丝杠最大的消费市场，2023年亚太滚珠丝杠市场销售额将达到87亿元，预计2030年将达到135亿元，2023-2030年复合增长率为6.48%。 图表17：全球滚珠丝杠市场规模预测（亿元） 分类来看，根据百谏方略数据显示，内循环滚珠丝杠占据主要市场地位，2023年占全球市场份额58.43%，外循环滚珠丝杠占全球市场份额41.57%。从下游行业来看，机床和注塑机领域应用占比最大，2023年机床和注塑机领域应用占比为59.11%。 图表18：分类型滚珠丝杠市场占比（2023年） 图表19：滚珠丝杠下游应用占比（2023年） 国内市场供不应求，国产替代仍需发力。滚珠丝杠生产具备一定技术壁垒，我国相关研究起步较晚，国内滚珠丝杠精品制造商较少，导致市场供应量较少，但滚珠丝杠下游应用丰富可用于机器人、新能源汽车等领域导致需求量较大，根据智研咨询统计，2022年，中国滚珠丝杠产量将达到1100万套，需求量将达到1555万套，仍处于供不应求的局面。 图表20：2014-2022年中国滚珠丝杠产需情况（万套） 从我国滚动功能部件的市场格局来看，日本、欧洲企业主导高端市场，根据南京工艺，截止2022年，国内滚动功能部件的高端市场，日本、欧洲企业合计市场份额高达90%，中国大陆、中国台湾企业市场份额各约5%，高端市场格局相对集中。 图表21：我国高端滚动功能部件市场份额（2022年） 我们认为，滚珠丝杠下游应用丰富，未来随着机器人行业的进一步拓展有望持续带动滚珠丝杠需求不断上升，市场不断扩大，目前国内企业相较于海外头部企业尚存在一定差距，市占率