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

人形机器人系列深度报告： 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 【华西机械团队】 黄瑞连：S1120524030001 2025年2月27日 投资要点 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230.5亿美元，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12.7亿美元，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。 目录 本土重点公司梳理 四 投资建议与风险提示 五 1.1丝杠：旋转驱动转化为直线运动的核心部件 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。 1.1丝杠：旋转驱动转化为直线运动的核心部件 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。 高速进给 动力更省 •丝杆由于运动效率高、发热小，所以可实现高速进给(运动)。 •驱动力矩仅为滑动丝杠副的1/3，具有较高的运动效率，可以更加省电。 •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。 微进给可能 高精度 •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。 •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。 1.1丝杠：旋转驱动转化为直线运动的核心部件 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。 1.1丝杠：旋转驱动转化为直线运动的核心部件 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：①一端固定，另一端自由；②两端支撑；③一端固定，另一端支撑；④两端固定。各安装方式所适用的加工情况如下：方式①适用于低速回转、丝杠较短的情况；方式②适用于中速回转、精度不高的情况；方式③适用于中速回转、高精度的情况；方式④适用于高速回转、高精度的情况。 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。 1.2行星滚柱丝杠：承载能力大幅提升，综合性能指标最优 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5-6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。 1.2行星滚柱丝杠：承载能力大幅提升，综合性能指标最优 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3-6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。 1.2行星滚柱丝杠：承载能力大幅提升，综合性能指标最优 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。 1.2行星滚柱丝杠：承载能力大幅提升，综合性能指标最优 1.3 Optimus：线性执行器核心部件，高壁垒&高价值量环节 丝杠为人形机器人线性执行器核心部件，我们预计价值量占比超19%。线性执行器主要用于人形机器人关节的直线运动控制，完成手臂、双足的驱动，配合旋转关节实现跑跳、拾取等动作。图：人形机器人中丝杠应用部位 1）从结构来看：主要由无框力矩电机+行星滚柱丝杠+驱动器+编码器+力传感器等组成，其中丝杠是将无框力矩电机的旋转驱动转化为线性传动的核心部件。 2）从价值量来看：根据Tesla AI Day，2023年丝杠在人形机器人核心零部件价值量中占比达到14%。Optimus历次迭代以来，丝杠用量不断增长；随着灵巧手广泛应用，目前市场主流玩家多采用微型滚柱丝杠，因此丝杠价值量有望持续提升。根据觅途咨询最新《2024人形机器人产业链白皮书》，丝杠价值量占比19%。 1.3 Optimus：14个线性执行器，反向式行星滚柱丝杠为主 Optimus主要采用反向式行星滚柱丝杠，通过驱动螺母带动丝杠轴向运动（螺母作为主动件），可以理解成将螺母作为电机转子实现电机和直线传动机构（丝杠）融合的复合产品，好处就是在同等扭矩的基础上可以产生更大的负载，同时体积更小。 单机需求量约14个，具体拆分来看：Optimus整体躯干包含28个关节执行器，其中线性执行器和旋转执行器分别14个。1）就分布位置来看，14个线性执行器分别分布在大臂（2个，2*1）、小臂（4个，2*2）、大腿（4个，2*2）、小腿（4个，2*2）。2）就执行器类别来看，14个线性执行器包括三种，额定负载分别为500/3900/8000N。 1.3 Optimus：14个线性执行器，反向式行星滚柱丝杠为主 目录 本土重点公司梳理 四 投资建议与风险提示 五 2.1滚珠丝杠：需求稳健增长，机床、新能源汽车为重要终端 全球滚珠市场稳健增长，我国市场增速明显高于全球平均水平。1）全球：根据Zion Market Research数据，2022年全球滚珠丝杠市场规模约为230.5亿美元，预计2030年全球市场规模可达405.7亿美元，CAGR约为7.32%，保持稳健增长。2）中国：根据秦川机床2023年5月投资者关系活动表，我国2022年滚珠丝杠及滚动直线导轨市场容量约为145亿元，预计年复合增长率达到10%以上，国内市场增速高于全球水平。 2.1滚珠丝杠：需求稳健增长，机床、新能源汽车为重要终端 细分下游来看，滚珠丝杠应用领域广泛，机床为主要应用领域之一。从丝杠产业链来看，作为将旋转电驱动转化为直线运动的核心部件，滚珠丝杠可广泛应用于机床、半导体制造装置、医疗机械、机器人、专用机械、电池制造装置、汽车等众多领域。根据观研报告网，其中机床、半导体制造装置、医疗器械为目前最主要下游应用，占比分别为21.6%、17.3%、15.2%，合计占比高达54.1%。 2.1滚珠丝杠：需求稳健增长，机床、新能源汽车为重要终端 滚珠丝杠广泛应用于机床传动系统，技术指标要求较高。传动系统为机床重要构成，滚珠丝杠的精准度与尺寸稳定性直接影响到机床加工精度。一般来讲，机床整机中包含数套直线传动系统（例如五轴机床3个直线轴，需要3套），一套系统由两道直线导轨和一根滚珠丝杠副组成。 1.数控机床的进给系统 •在数控机床的进给系统中，丝杠通常与电机和伺服控制系统配合，实现工件在工作台上的精确移动。 2.机床的调节系统 下图为不同用途所对应的精度等级的示例，其中“○标记”表示使用例的精度等级范围，“◎标记”表示其中使用例较多的精度等级。（C0、C1、C3、C5、C7、C10，精度依次递减） •在机床的调节系统