人形机器人行业系列深度报告：丝杠：高壁垒&高价值量核心环节国产厂商充分受益量产浪潮

丝杠： 高壁垒高价值量核心环节，国产厂商充分受益量产浪潮 人形机器人系列深度报告： 【华西机械团队】 仅供机构投资者使用证券研究报告行业深度 研究报告 黄瑞连：S1120524030001 2025年2月27日 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 行星滚柱丝杠：人形机器人核心零部件，高壁垒高价值量环节。1）行星滚柱丝杠是人形机器人线性执行器核心部件，主要用于关节直线运动控 制，驱动手足，配合旋转关节实现跑跳等动作。从结构上看，同滚珠丝杠区别在于传动部件为滚柱，主要依靠滚柱与丝杠、螺母之间的螺纹啮合传 动来传递动力，进而将伺服电机的旋转运动转化为直线运动，因此具备承载能力强、寿命长、体积小、传动效率高等优势。2）从价值量占比来看 ，Optimus整体躯干采用14根反向式行星滚柱丝杠，结合灵巧手中微型丝杠用量增加，我们预计丝杠零部件价值量占比超19。3）行星滚柱丝杠的滚道、滚柱、滚柱螺母都具有齿形角90的多头螺纹，尤其反向式中螺母需要精磨内螺纹，大规模高精度量产具备较强的技术难度。 下游展望：机床新能源需求稳健增长，人形机器人打开市场空间。1）滚珠丝杠：2022年全球市场规模约为2305亿美元，细分下游来看，机床 、新能源车、半导体为滚珠丝杠重要应用领域之一，我们预估2025年国内机床丝杠和导轨的市场规模分别为42和70亿元，合计112亿元；新能源汽车催生大量滚珠丝杠需求，我们预计2030年全球车载丝杠市场规模将达到602亿元。2）滚柱丝杠：2022年全球市场规模约127亿美元，市场规模尚小，来自传统行业的需求在于对滚珠丝杠和传统液压系统的加速替代。若我们假设单台人形机器人对于行星滚柱丝杠的需求稳定在14个，则人形机器人产量达到100、500万台时，我们预计对应的行星滚柱丝杠市场需求分别为141和445亿元，将彻底打开行星滚柱丝杠的需求空间。 丝杠厂商扩产竞赛开启，工艺设备为量产关键壁垒。1）从竞争格局来看，高端丝杠仍有海外企业主导，2022年Rollvis、GSA在我国滚柱丝杠 领域的市占率分别高达26，合计占比超过50，南京工艺、济宁博特市场份额分别仅为8、8，国产替代空间较大。2）从加工工艺端来看，滚动丝杠核心壁垒在于螺纹加工，目前磨削仍为主流技术路线，因此磨床为丝杠扩产主要资本支出之一。高端磨床基本由欧洲、日本企业主导，海外产能有限，叠加进口受限，设备供应为另一大产业化壁垒。3）国内厂商在高端滚动丝杠领域加速布局，行业百花齐放：新剑传动官宣扩产计划 ，投入10亿元建设年产100万台人形机器人丝杠项目；恒立液压定增投入约15亿元用于线性执行器项目；此外，轴承和丝杠技术端协同性较强，相关企业纷纷布局，产业有望快速推进。综合批量稳定性及降本维度（规模化生产）考虑，看好具备规模化精密加工能力的厂商迈向终局。 投资建议：人形机器人量产浪潮来临，丝杠作为价值量最高环节之一，国产供应商深度受益；板块投资逐步重视基本面兑现能力，重点推荐具备 大规模量产能力的【恒立液压】，其他受益标的【贝斯特】【震裕科技】【五洲新春】【北特科技】【秦川机床】【鼎智科技】【丰立智能】等。 风险提示：人形机器人产业化不及预期，相关公司新业务拓展不及预期等。 行星滚柱丝杠：人形机器人核心零部件，高壁垒高价值量 一 下游：机床新能源稳健增长，人形机器人打开市场空间 二 三丝杠厂商扩产竞赛开启，工艺设备为量产关键壁垒 四本土重点公司梳理 投资建议与风险提示 五 丝杠传动效率高、精度高、刚度高，是精密机械传动主流方案。通过丝杠和螺母相对旋转，丝杠可将轴端电机的转动转化为直线运动，进而实现高精度位移定位。特别地，丝杠还具有传动可逆性，能够将直线运动变为回转运动。若按结构和工作原理，丝杠可以分为滑动丝杠、滚珠丝杠、滚柱丝杠三大类。 以滚珠丝杠为例，拆解具体结构和传动原理。1）从结构来看：丝杠本质就是一根圆柱轴（红1），丝杠轴上面制有外螺旋滚道 ；左右两端为轴颈（蓝2和蓝3），其中左端轴颈连负责联结丝杠和电机，通过联轴器或同步带实现动力传递；右端轴颈起到支撑作用。滚珠螺母是用来连接和固定需要移动的负载，螺母制有内螺旋滚道；反向循环装置的作用是引导将钢球回到起始点，做往复运动。简单概括，滚珠丝杠主要由四个核心部件组成，包括丝杠轴、滚珠螺母、滚珠螺母内的钢球以及反向循环装置。 图：滚珠丝杠装配明细图（主要部件明细标注）图：丝杠具有传动可逆性 2 3 1 3 2）传动原理：丝杠轴上制有外螺旋滚道，螺母制有内螺旋滚道，将它们套装在一起时，这些槽对合起来就形成了圆弧形螺旋通道，钢球（滚珠）能够在通道内循环滚动。当丝杠相对于螺母旋转时（由电机驱动），滚珠在滚道内自转，同时又在封闭的滚道内循环运动，使丝杠和螺母相对产生轴向运动，即可实现精准定位功能。 3）VS梯形丝杠：以滚动摩擦替代滑动摩擦，使得滚珠丝杠具有更高的传动效率，同时具备更高的刚性和精度等特点，广泛运用于数控机床、半导体、自动化等场景。梯形丝杠传动效率较低，但具备一定自锁性优势。 图：滚珠螺母内滚珠之于滚道循环运动示意图图：滚珠丝杠具备刚性高、高速给进、动力更省、高精度以及微给进可能性等优点 刚性高 丝杆可以加预压，由于预压力可使轴向间隙达到负值，进而得到较高的刚性。 高速进给 丝杆由于运动效率高、发热小，所以可实现高速进给 运动。 动力更省 驱动力矩仅为滑动丝杠副的13，具有较高的运动效率，可以更加省电。 微进给可能 丝杆由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，能保证实现精确的微进给。 高精度 丝杆都是由高水平的机械设备连贯生产出来的，制作精度更高。 4 从工作原理上来看，滚珠丝杠有内循环与外循环两种运行方式。滚珠在循环过程中始终不离开丝杠表面的称为内循环；反之则为外循环。常见的浮动式、矩阵式结构为内循环，插管式及端块式或端盖式结构为外循环，如下图所示。在相同导程与承载滚珠圈数的情况下，内循环存在无滚珠滚道区，故在轴向尺寸上较长；而外循环在轴向尺寸上结构相对紧凑，但滚珠的循环路线需要额外占用螺母的径向区域，即在相同情况下螺母的直径会增大，需要根据具体尺寸需求选取合适的滚珠丝杠结构。 图：根据循环方式的不同，滚珠丝杆可分为浮动式、矩阵式、插管式、端块式或端盖式四大类 浮动式矩阵式插管式端块式或端盖式 内循环外循环 5 内循环与外循环的滚珠丝杠互有优劣，滚珠丝杠安装形式对运动精度控制影响较大。常见安装方式有4种：一端固定，另一端自由 ；两端支撑；一端固定，另一端支撑；两端固定。各安装方式所适用的加工情况如下：方式适用于低速回转、丝杠较短的情况 ；方式适用于中速回转、精度不高的情况；方式适用于中速回转、高精度的情况；方式适用于高速回转、高精度的情况。 1、内循环滚珠丝杠外形尺寸较小，反向器固定牢靠、刚性好且不易磨损； 2、滚珠丝杆的反向通道短，滚珠数目少，流畅性好，摩擦损失小，传动效率高； 3、相同公称直径的内循环螺母外径比外循环要小，适合安装空间比较紧凑的场合； 4、内循环螺母配合的滚珠丝杠轴必须有一头小于谷径； 5、相对于来说内循环的抗冲击能力比不上外循环，所以大型丝杆以及高负载丝杆大都使用外循环结构； 6、内循环多用塑料反向器，对工作温度有一定的要求。 图：内循环与外循环的滚珠丝杠互有优劣图：固定自由图：支撑支撑 图：固定支撑图：固定固定 6 行星滚柱丝杠以滚柱替代滚珠，承载能力、适用性等性能明显优于滚珠丝杠。1）从器件结构来看：行星滚柱丝杠由丝杠轴、螺母、滚柱、内齿圈和保持架等部分组成，同滚珠丝杠的区别在于传动部件从滚珠变成滚柱。 2）从运行原理来看：丝杠轴上的滚道、滚柱、滚柱螺母都具有齿形角90的多头螺纹，通常56头，其中行星滚柱有双凸圆弧的单头螺纹（工艺核心难点）。类似滚珠丝杠，滚柱与滚道和滚柱螺母形成啮合，丝杠上的扭矩通过滚柱传递到螺母上面，把转矩转化成推力，当滚柱丝杠旋转时，滚柱既围绕丝杠轴作公转，又围绕自身轴线作自传，带动滚柱螺母作轴向移动。 图：典型的行星滚柱丝杠副结构 滚柱 保持架 丝杠 螺母 左图：滚珠丝杠中滚珠和螺母配合截面图右图：滚柱丝杠中滚柱与螺母啮合原理图 7 3）VS滚珠丝杠：由于滚柱刚性强，行星滚柱丝杠可实现负载更大，同等规格下，额定重载能力是滚珠丝杠的36倍；同时接触点依旧是滚动摩擦，尽管传动效率略低于滚珠丝杠，但依旧保持在较高的水平。综合来看，行星滚柱丝杠具备承载能力强、寿命长、体积小、传动效率高、动态性能好、适用性强和安装维护方便等优点，在数控机床、医疗器械、重型机械、武器装备、航空航天等精密传动领域具备广阔的应用场景。 图表：相较滚珠丝杠，滚柱丝杠在承载能力、使用寿命、调节能力等维度具备明显优势 序号 优势点 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13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、旋转和减速的能力，转速可达6000rmin、直线速度2ms、加速度7000rads2、而滚珠丝杠很难达到上述指标。 4 采用行星机构控制滚柱运动，不需要滚动件循环装置，且高速运转时产生的振动噪声较小 5 可在恶劣环境下使用。滚柱两端的直齿与安装在螺母内的内齿圈啮合，容易保证正常运转。 6 拆卸方便，拆卸时可不拆下滚柱，直接将螺母旋出。 根据滚柱相对于丝杠、螺母运动关系的不同，行星滚柱丝杠主要分为标准式、反向式、循环式、差动式和轴承环式五大类。在标准式行星滚柱丝杠中，丝杠为主动件，螺母为输出构件，可实现较大行程，主要应用于精密机床、机器人、军工装备等领域，是应用最广泛的行星滚柱丝杠产品类型，其余四类均为适用不同环境，而在其基础上演变出来的产品类别。 图表：不同类别行星滚柱丝杠的结构、运行特点及应用领域对比 标准式行星滚柱丝杠 反向式行星滚柱丝杠 循环式行星滚柱丝杠 差动式行星滚柱丝杠 轴承环式行星滚柱丝杠 图示 丝杠、螺母为三角形多头螺 纹，滚柱为具有一定螺旋升角 其结构形式与标准式类似，不同在于其没有内齿圈，丝杠两端加工有直齿与滚柱两端的齿轮啮合，且螺母作为主动件，其长度比标准式的 大得多。 相比于标准式去掉内齿圈，增加凸 轮环结构（为了让滚柱在螺母内旋转 与标准式相比去掉内齿圈，滚柱上也没有齿轮段。其滚柱、螺母均为环槽结构，且滚柱的环槽分为多段，其中小中径段与螺母啮合，大中径段与丝杠啮合。 其滚柱与循环式相同，为环槽结 结构 的球形单头螺纹，并在其两端 加工有直齿，内齿圈固定在 一周后回到初始位置），另外其滚柱上无螺纹、齿轮结构，为环槽状，环 构，相比于标准式，其螺母上去掉了内齿圈，增加了壳体、端盖及推 螺母两端并与滚柱两端的直齿 槽间距与丝杠、螺母的螺纹匹配，安 力圆柱滚子轴承等部件。 轮啮合。 装在具有凹槽结构的保持架上。 一般情况下，丝杠为主动件， 一般情况下，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，于航空、航天、船舶、电力等领域。主要缺点为行程受到螺母内螺纹长度 的限制。 增加参与啮合的螺纹数量，故具有较 可以获得更小导程，适用于传动 推力圆柱滚子轴承大大提高承载能力，同时也减小各构件间的磨损，增大传动效率，其主要适用于高承载、高效率等场合，如石油化工、重型机械等领域。但其存在着结构复杂，径向尺寸大，制造成本高等 缺点。 螺母为输出构件。它能够实现 高的刚度和较大的承载能力，主要应 比较大，承载能力较高的场景。 运行特点适 较大行程，适用于环境恶劣 用于要求高刚度、高承载、高精度的 但在其运动过程中，螺纹会产生 用领域 、高负载、高速等场合，主要 场合