亚商投顾-万亿赛道，扬帆起航！人形机器人系列之丝杠！

 

接上篇人形机器人的内容，今日小编给大家带来另一个核心零部件—丝杠，接下来从了解丝杠行业的概况入手，了解在国内需求持续扩大背景下及国家对于高端制造业政策利好驱动下丝杠行业的未来发展情况，顺着丝杠行业产业链线索，了解该行业在发展历程中的竞争格局及相关重点企业。

 

一、丝杠行业概述

 

1.概念

 

丝杠是工程机械和精密机械上最常使用的传动部件。丝杠的主要结构由丝杆与螺母构成，其主要功能为将旋转运动转化成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力。其原理为当丝杠作为主动体时，螺母随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化为直线运动。被动工件可通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。总的来说，丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。

 

2.丝杠分类

 

根据结构不同，丝杠可分为滚珠丝杠、行星滚柱丝杠和梯形丝杠。滚珠丝杠由螺母、螺纹丝杠、滚珠构成，以点接触的形式，将回转运动转化为直线运动，具有摩擦小、精度高等优势。行星滚柱丝杠主要由丝杠、滚柱、螺母、内齿圈、保持架和弹性挡圈组成，融合了行星减速器和丝杠的原理，转变为线/面接触的形式，性能显著优于滚珠丝杠，但设计、加工、设备采购难度高。梯形丝杠由螺母和螺纹丝杠构成，以面接触的形式产生直线运动，自锁性能好，但传动效率低。

 

 

3.行星滚柱丝杠

 

行星滚柱丝杠是人形机器人的核心零部件之一，以特斯拉Optimus为例，共有14个线性关节，或每个关节包含1个行星滚柱丝杠，预计2030年（人形机器人年需求278万台）时价值量占比约19%。

 

 

1）行星滚柱丝杠：高承载、体积小、高精度

 

行星滚柱丝杠：主要由丝杠、螺母、滚柱、内齿圈及保持架等部分组成，行星滚柱丝杠在主螺纹丝杠的周围，行星布置安装了6-8个螺纹滚柱小丝杠，依靠多个滚柱与丝杠、螺母之间的螺纹啮合传动来将伺服电机的旋转运动转化为直线运动。

 

相比于滚珠丝杠，行星滚柱丝杠具备高承载、耐冲击、体积小、高速度、噪音低、高精度、长寿命、易安装维护以及环境适应强的优势。

 

 

2）行星滚柱丝杠：非常适合用于高速重载的应用场合

 

行星滚柱丝杠综合了行星轮系、滚珠丝杠、滚针轴承的运动特点，通过在丝杠周围设置若干行星螺纹滚柱，可大幅增加传动过程中丝杠副的受力接触面积，使机构可以承受更大的载荷和冲击，可靠性高，行星滚柱丝杠传动非常适合用于高速重载工作的应用场合。

 

 

3）行星滚柱丝杠：可分为五种主要类型

 

 

4）倒置行星滚柱丝杠：特斯拉人形机器人Optimus中应用广泛

 

倒置行星滚柱丝杠：因其可将螺母作为电机转子实现电机和直线传动机构融合设计的特点，在要求空间紧凑的机电伺服系统中得到了越来越多的应用。特斯拉的人形机器人Optimus或将采用14个倒置行星滚柱丝杠。

 

倒置行星滚柱丝杠由螺母旋转作为主动输入，丝杠直线运动作为被动输出。螺母旋转时，滚柱既绕着螺母轴线公转，又绕着自身轴线自转。丝杠及滚柱两端加工直齿以保证滚柱与丝杠轴线平行；滚柱丝杠圆周均匀分布，由滚柱保持架约束其相对位置；为了保证滚柱与丝杠无轴向相对位移，丝杠及螺母头数与结构参数具有独特的匹配关系。

 

 

5）倒置行星滚柱丝杠：特斯拉人形机器人Optimus中价值量占19%

 

行星滚柱丝杠制造难度大、壁垒高，预计2030年，人形机器人中新型滚柱丝杠价值量占比将达19%。

 

特斯拉Optimus中或将采用大、中、小三种、14个行星滚柱丝

 

二、行星滚柱丝杠产业链梳理

 

上游原材料和零部件：行星滚柱丝杠中丝杠选用的材料多为合金结构钢42CrMo，螺母和滚柱选用的材料为高碳铬轴承钢GCrl5；零部件包括丝杠、螺母等关键部件。

 

下游应用场景：涵盖了多个行业，从汽车、石油天然气、医疗器械到光学仪器、工程机械、机器人、自动化和机床设备等。

 

 

三、行星滚柱丝杠加工壁垒高，国内厂商替代空间广阔

 

1.行星滚柱丝杠制造加工壁垒高

 

 

2.参考滚珠丝杠螺距误差来源，磨削加工过程影响大

 

 

3.高精度磨床是核心设备，该设备目前多为海外进口

 

行星滚柱丝杠的生产多以磨削为主，高精度磨床为核心设备。

 

 

4.行星滚柱丝杠：国内厂商起步较晚，效率、承载和精度仍有差异

 

1942年，瑞典发明家Carl Bruno Strandgren申请了第一个循环式滚柱丝杠专利，但是由于结构复杂、加工难度大和成本较高，最初并未得到广泛的应用。1954年，他申请了标准式和反向式行星滚柱丝杠的专利，市场逐步意识到滚柱丝杠的重要性。

 

从70年代起，随着武器装备技术发展以及石油、化工、数控机床等对大推力、高精度、高效率、长寿命的需求提升。1970年瑞士的Rollvis公司开始研制行星滚柱丝杠，同时期的SKF也在研制行星滚柱丝杠，与Rollvis平分秋色。

 

2020年，国内厂商已能够小规模生产行星滚柱丝杠，但是性能与国外的产品差距很大，主要体现在效率、承载能力和精度上。

 

 

5.行星滚柱丝杠：主要依靠海外进口，国产厂商市占率合计约19%

 

目前，行星滚柱丝杠产能主要集中于欧洲、美国等，国内企业起步较晚，规模较小，国内市场主要依靠海外进口。2022年，国内行星滚柱丝杠厂商市场份额占比为19%，国外龙头制造商Rollvis、GSA和Rexroth的市场份额占比分别为26%、26%、12%。国内厂商如恒立液压、贝斯特、长盛轴承等纷纷布局。

 

 

6.行星滚柱丝杠：近10年专利申请量大幅增长，国产厂商领衔研发

 

行星滚柱丝杠技术领域的专利申请量可划分为2个阶段，即萌芽期(2009年之前)和成长期(2010年至今)。

 

萌芽期：每年的专利申请数量不超过15项，且多数专利来源于日本、德国、法国、美国、中国、瑞士等国家，技术主要涉及行星滚柱丝杠总体结构设计技术、行星滚柱丝杠及螺母螺纹加工制造技术方面，主要申请人有日本丰田公司(TOYOTA)、德国舍弗勒技术公司、瑞典滚珠轴承制造公司(SKF)、日本精工株式会社(NSK)等。

 

成长期：专利数量总体呈现快速增长趋势。第一阶段系2015年之前，专利数量增长动力主要来源于德国、瑞典、法国、日本等国家。第二阶段系2016年以后，中国专利数量的占总申请量比重显著提升。

 

 

四、行业不断催化，上涨空间再度升级

 

1.下游应用空间大

 

行星滚柱丝杠下游应用场景广泛，主要包含汽车及新能源、智能汽车、石油天然气、医疗器械、光学仪器、工程机械、机器人、自动化和机床设备。其中在人形机器人领域，主要用于直线关节部位，具有高承载、快响应、体积小、噪音低、高精度等优点；在汽车、新能源、智能汽车、工程机械领域替代液压驱动，具有响应快、精度高、容易实现电控化等优势；在医疗器械、光学仪器、机器人、自动化和机床设备领域替代滚珠丝杠，具有导程小、精度高、稳定性好、寿命长等特点。

 

 

2.人形机器人即将量产的背景下，丝杠行业有望快速发展

 

人形机器人：2030年全球市场有望达1692亿元，8年CAGR=27%

 

 

根据Persistence Market Research，预计2023年全球滚柱丝杠市场空间约3.0亿美元（折合人民币21.5亿元）。

 

通过测算，人形机器人的年产量达5、100、500万台年产量时，行星滚柱丝杠市场空间分别达16、171、668亿元人民币。预计2030年，全球人形机器人需求有望达177万台，对应行星滚柱丝杠需求市场空间约268亿元。

 

 

2.Optimus产业化落地后有望为行星滚柱丝杠开拓超百亿的增量市场空间

 

假定特斯拉Optimus机器人线性执行器全部采用反向式行星滚柱丝杠，测算在Optimus发展的不同产业阶段可为行星滚柱丝杠创造的增量空间。根据阿里巴巴1688网等报价，当前Rollvis行星滚柱丝杠售价在1.2-2万元之间，假定行星滚柱丝杠实现国产替代，并随着工艺完善、规模效应而不断降低生产成本及售价。测算得当Optimus机器人销量达100万台时，对应的行星滚柱丝杠增量市场空间达140亿元。

 

 

展望未来，根据马斯克采访言论，未来特斯拉人形机器人产量将达百万台，在技术成熟、成本进一步下探的情况下，其远期数量可能超过人类，行星滚柱丝杠将迎来广阔空间。而国内厂商凭借完善产业链配套与较低的人工成本，有望成为特斯拉人形机器人实现低成本产业化的核心力量。从丝杠的制备壁垒来看，我们认为具备丝杠制备相关技术积淀、具备资金实力、较早布局丝杠业务的企业有望乘人形机器人产业化进程推进的东风而充分受益。相关企业如下：

 

 

风险提示：人形机器人发展不如预期的风险、丝杠下游需求不及预期等

 

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