行星滚柱丝杠——高精技术集成之作，人形机器人线性关节

投资评级：（）报告日期：推荐维持2024年03月28日 ◼分析师：林子健◼SAC编号：S1050523090001 投 资 要 点 ◆行星滚柱丝杠是人形机器人优质细分赛道 以特斯拉Optimus为例，单台人形机器人需要14个行星滚柱丝杠，单价约2,000元/个，单台价值量在2.8万元以上。横向对比机器人其他部件，行星滚柱丝杠占人形机器人价值量较高，其毛利率可达60%，盈利能力位居前列。 ◆滚柱丝杠壁垒高，国产替代前景广阔 滚柱丝杠技术壁垒和价值量高，应用空间增量前景广阔，但国产化率低。相较于滚珠丝杠，滚柱丝杠具备载荷大、精度高、体积小、使用寿命长等特点，更适配于人形机器人领域。由于滚柱丝杠加工流程长、制造壁垒高，相应价值量较高。未来随着冷锻等工艺趋于成熟，行星滚柱丝杠制造成本有进一步下探空间。国内行星滚柱丝杠市场集中度较高，目前外国企业占据8成市场份额，而国内南京工艺等国内企业产品性能与外国产品差距较小，国产替代前景广阔。 ◆乘人形机器人东风，市场空间快速放量 机器人的复杂性和功能乃至能力取决于其总自由度的数量以及自由度的配置和控制方式。随着机器人的复杂性和功能性增加，人形机器人自由度数量也将持续上升，人形机器人自由度上限可参考人体上限可参考人体有数百个自由度，而丝杠是实现人形机器人的线性关节，是实现人形机器人自由度的关键部件。从未来市场空间来看，2030年人形机器人出货量有望达205.0万台，对应2870.3亿元的市场空间，到2030年，应用于人形机器人的行星滚柱丝杠价值量为229.6亿元，CAGR为154.1%。 ◆推荐逻辑和相关标的 伴随着将来人形机器人产品趋于成熟，叠加端到端AI大模型赋能，功能性、实用性兼顾，人形机器人将成为“继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品”，行星滚柱丝杠作为“执行侧”的关键部件，凭借“高技术壁垒&国产替代趋势显著&清晰降本路径”将成为人形机器人赛道的重要细分投资赛道。1）新剑传动：公司已建成国内首条行星滚柱丝杠产线，产品已应用于人形机器人，汽车领域客户包括吉利、理想、华为等头部车企，机器人合作伙伴包括小米、小鹏、智元、科沃斯机器人等；2）鼎智科技：公司线性执行器产品市占率全球第二，通过滚压工艺生产T型丝杠；3）贝斯特：通过子公司宇华精机布局丝杠业务，2023年上半年公司高精度滚珠丝杠产品已送样至战略客户处进行验证；4）秦川机床：子公司汉江机床掌握螺纹铸造核心技术，丝杠产品精度最高可达P0级，目前2级、3级精度的滚珠丝杠已实现量产，同时公司具备螺纹磨床的生产能力。 诚信、专业、稳健、高效诚信、专业、稳健、高效 风 险 提 示 机器人市场风险 机器人量产进度不及预期 原材料价格风险 丝杠原材料多采用高碳铬轴承钢，原材料价格上升会导致丝杠成本上升 投产进度不及预期 各个公司丝杠产能布局投产进度可能不及预期 地缘政治风险 丝杠属于高精密产品，生产设备需要高精度螺纹磨床，国内螺纹磨床的进口可能受到外国政策限制 推荐公司业绩不及预期 1、线性传动核心部件，高精技术集成之作 目录CONTENTS 2、行星滚柱丝杠精度要求高，加工工艺壁垒深厚 3、人形机器人关节核心部件，国产替代前景广阔 4、国内企业纷纷布局，丝杠产能迎来爆发期 线性传动核心部件，高精技术集成之作 1、线性传动核心部件，高精技术集成之作 1.1、行星滚柱丝杠介绍 行星滚柱丝杠(PRSM)是一种可将旋转运动和直线运动相互转化的机械传动装置，具有螺纹传动和滚动螺旋传动的综合特征。与滚珠丝杠传动相比，其滚动体不是多个球体，而是含有螺纹的多个滚柱体。螺母或丝杠旋转运动通过滚柱的行星运动转换为直线运动。行星滚柱丝杠传动中特有的滚柱结构，使得滚柱与螺母(或滚柱与丝杠)之间无相对轴向位移，滚柱能够在丝杠和螺母形成的封闭空间内反复循环运动，依靠滚动/滑动摩擦实现运动和动力的传递。 1、线性传动核心部件，高精技术集成之作 1.1、行星滚柱丝杠介绍 导程是丝杠旋转前进中螺母运动的距离。PRS主要组成元件有：丝杠1，其螺纹牙型是直角的三角形螺纹（至少是3线螺纹）；螺母7，其内螺纹牙型与丝杠相同；滚柱5，其螺纹牙型是直角的圆弧螺纹(单线螺纹)，在每个滚柱的末端都有一个圆柱形的枢轴和齿轮。枢轴安装在挡板2的圆孔内，这确保了滚柱的径向均匀分布。轮齿与内齿圈4啮合，这使得滚柱轴向平稳地运行。挡圈3，用来锁紧挡板。平键6，用于联接所传动的物体，其结构简单，拆装方便，对冲性好，适合高速、承受变载、冲击的场合。 螺纹线数：沿一条螺旋线形成的螺纹称为单线螺纹，沿轴向等距分布的两条或两条以上的螺旋线形成的螺纹称为多线螺纹。 螺距（p）是相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。导程（ph）是同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。 丝杠导程 丝杠和滚柱牙型 单线螺纹和双线螺纹导程区别 1、线性传动核心部件，高精技术集成之作 导程精度是划分等级的核心指标，C0精度等级最高。在传动中，实际移动距离和理想移动距离的偏差，其中有分为三种情况：1）旋转一周的1.2、导程精度是PRS的关键指标 丝杠性能指标说明运行精度；2）整根丝杠的运行精度；3）任意300mm的运行精度。一般情况下导程精度是指运行300mm的精度。一般来说，普通机械采用C10-C7级，数控设备一般采用C5-C3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。另外，C10-C7级一般采用轧制方法制造，C5级及以上采用磨削方法制造。不同用途丝杠精度需求 1、线性传动核心部件，高精技术集成之作 1.3、滚柱丝杠和滚珠丝杠比较优势在于精度、载荷、寿命等多方面 滚珠丝杠螺母组件包含多个滚珠轴承，能够处理中等负载的滚珠轴承有最小尺寸要求。与相似尺寸和导程的滚柱丝杠相比，滚珠轴承的半径需要更粗糙的螺距，导致接触点更少。加上较小的接触半径和允许轴承互相接触的设计，限制了滚珠丝杠的DLR（Dynamic Load Rating），导致较低的力和较短的使用寿命。相比于传统的滚珠丝杠传动，行星滚柱丝杠传动呈现多副(螺纹副和齿轮副)、多体(多个零件参与啮合传递运动和动力)、多点(螺纹副多点接触)的啮合特征，故在相同丝杠直径下，行星滚柱丝杠比滚珠丝杠的承载能力提高6倍，相同负载下节省1/3空间，寿命提高14倍，工作环境温度范围提高2倍。 在实际应用中，滚柱相对于螺母无轴向运动，丝杠转速可达6000r/min，螺母直线速度可达2m/s。采用行星滚柱丝杠作为传动机构的EMA与采用滚珠丝杠的EMA相比相同推力下重量减少30%，相同重量下推力提升50%。而且，行星滚柱丝杠可采用微小导程(螺距可达0.3mm)，不仅更便于控制传动精度和提升动态频响，而且由于更多接触点同时参与传力，能够实现重载条件下的超高精密传动。 1、线性传动核心部件，高精技术集成之作 1、线性传动核心部件，高精技术集成之作 1.5、行星滚柱丝杠在军工和民用均有大量应用场景 国外行星滚柱丝杠产品已经在军工装备、汽车自动化产线、大型机床、电动执行器等产品领域获得规模商业化应用。在民用领域，行星滚柱丝杠与电机一体化形成电动执行器，国外已经在阀门执行器、塑料机械、无人汽车、六自由度模拟器、高端汽车生产线等领域得到应用。行星滚柱丝杠在国外军品应用案例包括F-35B战斗机电动起落架、潜艇自由度模拟仿真平台、电动造波机、美国鱼鹰战斗机航空武器悬挂发射系统装置、美国武装直升机的航空武器悬挂发射系统装置和螺旋桨高低调节装置等。 行星滚柱丝杠属于精密传动零部件，国内目前行星滚柱丝杠加工制造设备主要有采用滚珠丝杠制造设备或者研发专用制造设备，加工精度基本可以达到G5级精度。国内行星滚柱丝杠厂商受加工设备、加工工艺、材料和热处理工艺、测试设备、产业工人等因素的制约导致产品无法实现规模化地商业推广和应用。在替代国外进口产品以及未来全电动装备发展中，行星滚柱丝杠存在着巨大的市场应用前景。 0 2 行星滚柱丝杠精度要求高，加工工艺壁垒深厚 2、行星滚柱丝杠精度要求高，加工工艺壁垒深厚 2.1、滚柱丝杠加工的核心在于减小误差、提高精度 PRS在实际运用过程的传动误差主要包括PRS自身误差、中间装置误差和环境因素引起的误差等。PRS传动误差是指螺母实际位移与理论位移之差。由于PRS传动机构是驱动电机、联轴器、支撑轴承、行星滚柱丝杠、测量装置、控制系统等部件一体化集成设计的复杂的机电设备，因此影响传动精度的误差来源众多，且性质和规律各不相同。PRS传动误差可由丝杠、滚柱和螺母引起的误差进行叠加，但在工程实际中，不能进行简单线性叠加。 ➢螺距误差：属于系统误差且为某一固定值。 ➢力形变误差和弹性接触形变误差：在轴向载荷和扭转力矩作用下，丝杠会发生力形变，形变量与丝杠的支撑方式和有效长度有关。 ➢同轴度误差：PRS在加工制造过程中，螺纹制造误差造成螺纹与轴颈部的同轴度误差，进而引起传动误差。 ➢安装误差：与滚珠丝杠类似，PRS自身径向跳动和轴向窜动也会影响到传动精度。可通过设计预紧螺母等硬件调校机构以减少影响。 ➢回程误差：指输入轴正向、反向运动一次，实际与理论行程之间的偏差，反映丝杠、滚柱和螺母的螺纹间隙对传动精度的影响。 诚信、专业、稳健、高效 2、行星滚柱丝杠精度要求高，加工工艺壁垒深厚 2.1、丝杠螺距误差是产生误差最主要因素 在实际生产加工过程中，螺距误差对啮合干涉或啮合间隙影响明显。精密传动行程精度的影响误差大致分为三类：周期性系统误差、随机误差、非周期性系统误差。PRS的行程精度的周期性误差主要由丝杠、滚柱、螺母螺纹同轴度原始误差引起；而非周期性误差则由丝杠、滚柱、螺母中径误差及螺距误差引起；随机误差是温度、湿度、环境因素引起。 所有误差因素与行程误差均为正相关，其敏感性指数从大到小依次为：丝杠螺距（2.8570、滚柱螺距（1.0000）、螺母螺距（1.0000）、丝杠螺纹同轴度（0.9800）、螺母螺纹同轴度（0.4750）、滚柱螺纹同轴度（0.0585），滚柱同轴度敏感性指数小于0.1，可以忽略不计。 中径误差对行程精度无直接影响，但对轴向间隙有显著影响。相关敏感性指数从大到小依次为：滚柱中径误差（-4）、丝杠中径误差（-2）、螺母中径误差（2）。丝杠、滚柱、螺母中径误差与啮合间隙量在同一数量级上，对啮合点轴向间隙量的影响最大，螺距误差次之，误差会导致啮合干涉或间隙量过大。 2、行星滚柱丝杠精度要求高，加工工艺壁垒深厚 2.2、螺纹加工工艺是丝杠加工的核心壁垒 行星滚柱丝杠的材料选取决定结构刚度，直接影响形变误差。提高结构的刚度和强度，最有效的途径是选择弹性模量和强度高的材料。材料在行星滚柱丝杠设计具有很重要的作用。 行星滚柱丝杠中丝杠选用的材料为合金结构钢42CrMo，合金结构钢42CrMo强度和淬透性比35CrMo有所增高，调质后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。对合金结构钢42CrMo需做预处理，表硬度不低于54~60HRC。螺母和滚柱选用的材料为高碳铬轴承钢GCr15，其综合性能良好，火和回火后具有高而均匀的硬度，良好的耐磨性和高的接触疲劳寿命，热加工变形性能和切削加工性能均好。对高碳铬轴承钢GCr15需做进行淬火处理，其表面接触硬度为56~60HRC。 丝杠材料选择滚柱的滚动表面与丝杠的两个接触螺纹槽表面是容易产生疲劳点蚀。丝杠和螺母的螺旋槽的表面及滚柱的滚动表面进行渗碳或碳氮共渗处理，可以生成硬化的表层，以延长使用寿命，提高承载能力。 2、行星滚柱丝杠精度要求高，加工工艺壁垒深厚 2.2、螺纹加工工艺是丝杠加工的核心壁垒 三种螺纹加工工艺对比磨削精度高，滚扎效率高，硬旋铣较均衡。行星滚柱丝杠依靠零件间的螺纹啮合实现传动功能，螺纹的加工精度将直接影响系统的传动精度、使用寿命、与平稳性，故优化螺纹的加工技术是提升PRS整体性能的关键。PRS螺纹制造工艺方法主要为成型加工，例如目前应用