(报告出品方/作者:国信证券,唐旭霞、孙树林)
总结:车端和人形机器人的部分零部件具一定技术相通性,供应链重合度较高,汽车领域有产品和技术储备的玩家有望实现车端向人形机器人产业的延伸。特斯拉机器人产品迭代迅速,有望给全球机器人市场带来“鲶鱼效应”,激发人形机器人玩家的活力。在车端与机器人端零部件共通性较高的前提下,叠加大厂入局+技术迭代+政策催化的加持,人形机器人发展有望持续推进,2025 年有望成为量产元年,带来相关零部件企业的投资机遇。
机器人与车端供应链高度重合
特斯拉于 2021 年提出人形机器人相关设计概念,于2022 年9 月在AI Day上首次展示 Optimus 人形机器人产品,2023 年 5 月特斯拉展示Optimus 的进展,能够执行如捡起物品等任务,并在特斯拉工厂中执行简单任务,到23 年底发布OptimusGen-2 产品,实现性能、能力的全方位提升;马斯克预计特斯拉Optimus机器人价格最终可能会低于 2 万美元,量产预计可达数百万台,并宣称人形机器人将成为未来特斯拉长期重要价值来源;后续英伟达发布人型机器人模型,加速行业升级。我们认为特斯拉人形机器人有望给全球机器人市场带来类似于其在新能源汽车领域的“鲶鱼效应”,激发人形机器人玩家的活力。
多家互联网科技巨头入局人形机器人赛道。国际方面,2024 年3 月英伟达推出人形机器人通用基础模型 Project GR00T 和基于 NVIDIA Thor 系统级芯片(SoC)的新型人形机器人开发套件 Jetson Thor,高效运行多模态生成式AI 模型,为人形机器人提供强大的算力支持,并于 2024 年 10 月推出AI 小模型HOVER,仅有1.5M参数的神经网络,但足以控制人形机器人执行多种机体运动;英伟达投资的Figure AI 在 2024 年 8 月推出新一代人形机器人 Figure 02;国内方面,小米于2022 年发布全栈自研人形仿生机器人 CyberOne,可实现双足运动姿态平衡,全身拥有 21 个自由度,可实现各自由度 0.5ms 级别的实时响应,充分模拟人各项动作。华为 2023 年 6 月成立全资子公司极目机器,2024 年与乐聚机器人签署战略合作协议,24 年 6 月,华为与乐聚机器人合作的跨服机器人在华为HDC 2024开发者大会首度亮相,是国内首款搭载鸿蒙操作系统的全尺寸人形机器人。
传统智能汽车与机器人可分为感知、决策、执行三大层面。智能汽车可大致分为底盘之上+之下,底盘之上是智能座舱下人机交互实现场景,细分产业链为“芯片-系统-应用-显示”;底盘之下主要为智能电动和智能驾驶,智能电动集成三电系统,为整车运动核心能源支撑;智能驾驶主要基于“传感器-计算平台-自动驾驶算法”作用到执行层面,实现横向和纵向运动控制,整体可分为“感知-决策-执行”三大层面;人形机器人指能够模仿人类运动、表情、互动及动作的机器人,本质上同样可划分为感知、决策、执行三大层面。
以特斯拉汽车与人形机器人为例,其 Optimus 在多个层面沿用汽车领域技术: 机械结构:据特斯拉 AI DAY,特斯拉正为 Optimus 研发电池、执行器,以将功耗保持最低水平,从传感到融合、再到充电管理等方面,借鉴了在汽车设计方面的经验;并采用与汽车相同的芯片,支持Wi-Fi、LTE 链接和音频交流。 软件方面:Optimus 有望共用汽车 FSD 自动驾驶系统及Autopilot 神经网络技术,同时特斯拉基于汽车安全模拟分析能力打造机器人安全性,在交通事故模拟中,特斯拉通过软件优化+电池保护等提升系统软硬件的安全性保障。
车端和人形机器人部分零部件具一定共性,供应链重合度较高,汽零公司有望向机器人领域延伸。如线控制动,车端线控制动核心部件包括电机、滚珠丝杠、模拟器、电磁阀、传感器、ECU 等。而人形机器人线性执行器的核心零部件包括无框力矩电机、传感器、行星滚柱丝杠、轴承等部件,与车端线控制动核心部件具一定重合。因此机器人零部件与汽车零部件在原材料、设计、工艺、设备、装配,以及成本管控能力、产品质量管控能力体系等方面具有一定相通性,在汽车领域具有相关产品、技术储备的公司,有望实现产品从车端向人形机器人端的延伸。
如我们前文所言,在车端与机器人端零部件共通性较高的前提下,人形机器人的发展在大厂入局+技术迭代+政策催化的加持下有望持续提速,带来相关零部件企业的投资机会,基于此,结合 AI DAY 信息我们大概拆解特斯拉Optimus 内部构造:总览:全身共有 40 个驱动器(躯干 28+手部 12 个),身高约173cm,体重73kg,设计行走速度 8km/h,可搬运约 20 磅的货物,搭载2.3Kwh 的电池组。1)感知层:主要包括摄像头、毫米波雷达等传感器;2)决策层:为机器人大脑,预计主要为AI 芯片、FSD 系统等;3)执行层:线性执行器、旋转执行器以及手部关节;4)其他:主要包括电池及管理系统,机体结构(仿生结构、其他特殊材料等)。
2025 年有望成为量产元年,带来零部件投资新机会
2025 年有望成为人形机器人量产元年。特斯拉从一代人形机器人到二代迭代仅用9 个月。伴随以 Optimus 为代表的人形机器人的快速进化与创新,人形机器人商业化应用将迎来逐步落地,行业趋势有望加速:1)应用场景:预计后续特斯拉Optimus 应用场景将会从 Tesla 超级工厂逐渐向外蔓延,后续辐射到其他制造工厂或相关细分应用场景(商用),远期随机器人持续迭代升级,逐渐落地至通用性(家用)场景;2)量产节奏:预计短期以特定场景为主导,节奏具一定分散性、阶段性,远期为大批量通用性量产(类似汽车),核心驱动力预计主要为政策、技术、降本和应用场景的需求。
总结:丝杠是一种将旋转运动(电机端)转化为直线运动(输出端)的机械部件,主流丝杠方案包括梯形丝杠、滚珠丝杠和行星滚柱丝杠。相比梯形丝杠,滚珠丝杠和行星滚柱丝杠将传统的滑动摩擦转为滚动摩擦,极大提升传动效率、传动精度、寿命、传动速度;其中行星滚柱丝杠虽制造成本较高,但具备传动效率高、传动精度高、寿命长、负载能力大等优势,在人形机器人中有较好的适配性。反向式滚柱丝杠一体化、小型化程度高,便于集成为机电集成装置,预计是特斯拉Optimus 机器人线性关节的选择方案。 丝杠是一种将旋转运动(电机端)转化为直线运动(输出端)的机械部件,广泛应用于具有直线运动功能需求的机器设备。电机通过联轴器带动丝杠轴转动,丝杠轴上的螺母在螺旋形螺纹的驱动下实现直线往复运动,从而将电机的旋转力矩转化为设备运动所需要的直线方向的驱动力。以精密运动平台为例,其基本结构为电机-滚珠丝杠副-导轨-载物台,其中动力源为步进电机,传动单元为滚珠丝杠副,引导单元为交叉滚柱导轨,执行单元为载物台,滚珠丝杠的主要功能是将电机输出的旋转运动转换为直线运动。
按摩擦特性,丝杠可分为滑动丝杠、静压丝杠和滚动丝杠:1)滑动丝杠:最典型的是梯形丝杠,因其牙型截面为梯形而得名;梯形丝杠由丝杠和螺母组成,导程较大,可在低速转动时实现较快的进给,承载能力强。2)静压丝杠:螺纹牙形与标准梯形螺纹牙形相同,但牙形高于同规格标准螺纹1.5~2 倍,目的在于获得良好油封及提高承载能力;静压丝杠调整较麻烦,需一套液压系统,工艺复杂,成本较高。 3)滚动丝杠:在螺母与螺杆之间加入钢珠、滚柱等滚动部件,将传统螺杆滑动接触转换成滚动接触,将螺母内的钢珠、滚柱的回转运动转为线性运动。相比滑动和静压丝杠,滚动丝杠传动过程中能量损耗较少、传动效率也较高,主要包含滚珠丝杠和行星滚柱丝杠。行星滚柱丝杠与滚珠丝杠的主要区别是行星滚柱丝杠负载的传递单元使用螺纹滚柱而不是滚珠,从而能够承受更高的静态和动态负载,具更强刚度和抗冲击能力,可提供更高转速及更大加速度。此外行星滚柱丝杠为螺纹传动,螺距设计范围更广,导程可比滚珠丝杠更小。
产业链拆解来看,以行星滚柱丝杠为例,行星滚柱丝杠产业链由上游原材料与零部件供应、中游行星滚柱丝杠制造、下游多应用领域构成。上游环节,行星滚柱丝杠中丝杠选用的材料多为合金结构钢,螺母和滚柱选用的材料多为高碳铬轴承钢;零部件包括丝杠、螺母、滚柱、内齿圈等关键部件;下游应用场景涵盖多个行业,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,应用空间广阔。
行星滚柱丝杠是人形机器人的核心环节,后续降本空间广阔。以特斯拉机器人Optimus 为例,其躯干共有 28 个关节,旋转关节和直线关节各14 个,按照目前的行业情况,预计其中直线关节或采用大、中、小三种共计14 个丝杠,分别位于肘部 2 个、腕部 4 个、大腿前后 4 个和小腿 4 个。根据行业信息,目前人形机器人用行星滚柱丝杠单价为万元级别,成本极高,我们预估后续的降本路径大概为送样阶段(万元级别/套)→小批量生产(几千元/套)→大批量生产(1-2千元/套)的水平,预计批量量产后单台机器人关节丝杠价值量占比约15%-25%左右,是机器人各零部件中价值量占比最高的环节之一,若后续机器人灵巧手部位也采用微分行星滚柱丝杠,则价值量占比有望进一步提升。
丝杠核心参数:丝杠的关键技术指标包括公称直径、传动效率、载荷、螺旋升角、导程、螺距、寿命、精度、轴向间隙、重复定位精度等。其中螺距是指相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离;而导程则是指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。因此当螺纹为单线螺纹时,导程=螺距;多线螺纹时,导程=螺距×线数。
丝杠精度等级:不同国家和地区对丝杠精度等级划分不同的标准,但基本都采用丝杠任意 300mm 行程内的行程变动量来进行衡量。我国国家标准《GB/T17587.3—2017 滚珠丝杠副第 3 部分》将滚珠丝杠分为 0、1、2、3、4、5、7、10共8个公差等级,其中 0 级(P0)精度最高;据上银科技,基于日本JIS 标准,丝杠下游应用领域的精度要求较为多样化。其中,工业母机对丝杠的精度要求较高,如用于加工设备的高精密磨床、车床要求 C0 级别精度。在机器人中,精密的机械臂要求 C1~C4 级精度,一般级别的机械手臂则为 C5~C7 精度。
对比三种丝杠的优劣势:梯形丝杠性能弱于滚珠和行星滚柱丝杠,但成本低、结构简单、制造方便,国产化率较高,通常用于机床等领域;滚珠丝杠传动效率高,但工艺复杂、成本高,适用于高精密传动;行星滚柱丝杠性能更强,传动效率高、精度高、长寿命、高承载,但前期投入成本高,制造壁垒高,国产化率低。
梯形丝杠:成本较低,工艺成熟,但滑动摩擦摩擦力大,影响传动效率+精度较低,一般不用于高速传输,表面损伤较大,寿命较低;梯形丝杠啮合区域较滚珠丝杠大(增大牙形接触面积),提升传动自锁性(可防止工件在断电或停止驱动时滑落);梯形丝杠一次完成工艺效率高,结构简单,成本较低。
滚珠丝杠:摩擦损失小、传动效率高。滚珠丝杠的丝杠轴与丝杠螺母之间有滚珠做滚动运动,实现较高运动效率(可达 90%+);由于滚珠丝杠中的滚珠是滚动摩擦,其静摩擦力与动摩擦力几乎相等,因此不需要大的启动力矩,在启动(或低速时)的时候不会发生颤动,提高传动的灵敏度、准确度和平稳性,能实现精确的微进给。
行星滚柱丝杠:高承载、耐冲击、体积小、高速度、低噪音、高精度、长寿命。行星滚柱丝杠的接触形式为线接触,相比滚珠丝杠大量增加接触点,提升承载力和刚性,利于达到较高的导程精度;相同载荷下,行星滚柱丝杠体积比滚珠丝杠小(预估节省 1/3 左右的空间),且寿命更长。
梯形丝杠:结构简单,一次完成工艺效率高
梯形丝杠由丝杠和螺母组成,二者通过螺纹直接啮合,当电机驱动丝杠旋转时,螺母通过与丝杠之间的滑动摩擦力而沿丝杠轴向移动。梯形丝杠拥有导程较大、价格低、技术成熟等特点,可在低速转动时实现较快进给,且承载能力强,广泛应用于机床、矿山、医疗等领域。同时梯形丝杠具有一定自锁性。
结构简单,加工方便,价格经济:梯形丝杠的结构相对简单,加工起来也较为方便,在成本上较为经济。自锁性:自锁性是指由于梯形丝杆的螺纹外形特性,螺旋升角小于当量摩擦角时,丝杆与螺母不会发生滑动。这种自锁性在特定应用领域具有明显优势,例如垂直升降系统中,带自锁的丝杆副无需加装额外的锁紧装置,在电机失速时自锁性提供了更高的安全系数。
梯形丝杠由于滑动摩擦的特性存在一定劣势:
工作时温升高、磨损大、寿命低,不适用于高速传输:滑动摩擦工作时温升较大,过高的速度将在结合面上产生高热量,导致磨损加剧、寿命较低,因而适合用于重量较轻,速度要求不高的应用中。
传动效率低:梯形丝杠的传动效率低于其他精密丝杠。
滚珠丝杠:精密传动元件,滚动摩擦代替滑动摩擦
滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成,通过滚珠在螺纹带上滚动,将旋转运动转化为线性运动,具高精度、可逆性和高效率的特点。螺母和丝杆的表面被加工成与滚珠配合的螺纹滚道,滚珠作为中间传动介质在螺旋滚道内沿螺旋滚道运动,从而迫使螺母轴向移动;滚珠滚动一圈后,螺母上设置的反向器会使其回到初始位置,构成滚珠循环链。滚珠反复循环运动,带动螺母沿着丝杆轴向运动,实现旋转和直线运动双向转换。滚珠丝杠使用螺母与丝杠滚道之间的滚动运动代替滑动运动,大大提高传动效率,在传动领域有重要的应用。
滚珠丝杠的滚动摩擦原理使其与传统的滑动摩擦方式相比具较多优势:传动效率高:滚珠丝杠在实际工作条件下滚动所产生磨损较小,传动效率高(超 90%),产生的功率消耗也相对较低,约传统丝杠1/4~1/3。 传动精度高:丝杠的轴向间隙可通过预紧力来消除,而热伸长现象则可通过对丝杠预拉伸来补偿,从而可得到较高的定位和进给精度。 传动平稳:传动过程中,滚珠滚动带动丝杠和螺母运动,产生的摩擦阻力很小,启动时无振动、无爬行现象,因此灵敏度较高,可实现精密的微量进给。寿命长:滚珠丝杠在选材上选用综合力学性能较好的钢材,并经过淬硬等热处理或表面改性处理,因此长期使用后磨损较小,工作寿命较长。相比行星滚柱丝杠,滚珠丝杠也存在使用寿命和承载能力低的问题。在高速运转时,滚珠丝杠里的滚珠受离心力作用发生滑动,使机构的径向振动加剧,相比行星滚柱丝杠出现温升过快与寿命下降等问题。在重载工况下,滚珠由于弹性变形和摩擦力作用,易发生卡死导致无法正常运转。
根据螺母中的滚珠循环方式,滚珠丝杠主要分为外循环、内循环。内循环滚珠丝杠:内循环滚珠丝杠主要由丝杠、螺母、滚珠及反向器4个部分组成。滚珠在循环过程中始终不离开丝杠表面,具有结构尺寸小、传动效率高、滚珠循环链短、同步性能好的特点,适合用于结构紧凑的机械设备。但反向器安装在螺母内部,加工难度较高。 外循环滚珠丝杠:在运行中滚珠会离开滚道,通过返向器(突出于滚珠螺母外径之上)回到初始位置;外循环结构承载能力较好,且工艺简单,适于批量生产,但其滚道接缝处较难做得平滑,影响滚珠滚动平稳性,甚至发生卡珠现象,噪声较大;同时外循环弯管突出在螺母外部,导致径向尺寸较大。
行星滚柱丝杠:精度和承载力高,当下机器人关节主流方案
在滚珠丝杠的基础上,行星滚柱丝杠将传动单元变为滚柱,克服传统液压传动装置固有的环境适应性差、可靠性低等缺点,并具极高承载能力、传动精度、传动效率、轴向刚度与高速性能,应用于数控机床、航空航天、武器装备等领域。标准式行星滚柱丝杠主要包括丝杆、滚柱、内齿圈、保持架和螺母等主要零件:1)丝杠上有多头螺纹,2)滚柱有相同牙型角的单头螺纹;3)螺母具与丝杠相同头数和牙型的内螺纹;4)保持架:滚柱通过保持架均匀分布于丝杠、螺母间,防止滚柱相对螺母轴向窜动,保持架与螺母之间轴向方向相对固定;5)直齿:为消除丝杠螺旋升角对滚柱产生的倾斜力矩,在滚柱两端加工有直齿,与内齿圈啮合,确保滚柱轴线平行于丝杠轴线正常滚动,避免滚柱相对于螺母滑动产生偏斜现象。
行星滚柱丝杠的传动原理是电机驱动丝杆旋转,从而带动滚柱绕丝杆轴向公转,同时绕自身轴线自转,然后滚柱带动螺母做轴向运动。其中滚柱与螺母的螺旋升角相等以实现二者之间无相对轴向位移,而丝杆的螺旋升角大于滚柱的螺旋升角以实现轴向和周向运动。与滚珠丝杠相比,行星滚柱丝杠具有以下优势:
承载能力强、工作寿命和可靠性高:滚柱丝杠的主丝杠周围布置有若干行星螺纹滚柱,作为负载的传递单元,相对滚珠方案大幅增加接触面和受力面,接触线长、传动间隙小,尤其在动载荷工况下,多根滚柱可将冲击分散至螺纹接触线上,使其可承受更高静态和动态负载。行星滚柱丝杠拥有高精度、高传动效率、高承载、高可靠性等优点,适合用于要求高负载、高功率、高转速、高线速度、高加速度、极高精度和刚性的环境,且寿命比滚珠丝杠高,可恶劣工况下连续工作上万小时,工作环境温度范围相比滚珠丝杠提高。
传动精度高:滚柱丝杠中丝杠螺旋升角较小,螺距设计范围更广,导程可以设计得比滚珠丝杠更小,定位精度更高,且传动噪声低。
安装空间紧凑:相同负载下,体积较滚珠丝杠节省约1/3,安装空间紧凑。
速度和加速度特性好:滚柱丝杠通过滚柱作为传动体进行传动,与行星齿轮类似,在保持架的作用下能够保证啮合运动的顺畅进行,保证螺母能够顺利的往复直线运动,更多的啮合点保证滚柱丝杠可获得更高的速度和加速度。
行星滚柱丝杠根据其结构组成及运动关系不同可分为标准式、反向式、循环式、差动式、轴承环式行星滚柱丝杠:
标准式行星滚柱丝杠:标准方案;为避免滚柱轴线相对于丝杆倾斜,消除丝杆螺旋升角对滚柱产生倾覆力矩,滚柱两端带有螺旋齿,确保滚柱平行于丝杆轴线而正常转动。
反向式行星滚柱丝杠:与标准式的区别在于,反向式是将电机直接集成到滚柱丝杠螺母上,螺母作为旋转输入而丝杆作为直线输出,丝杠上仅在与滚柱旋合的部位加工有螺纹或螺纹齿。在结构上,相比标准式,反向式的螺母长度比标准式的大,螺母内螺纹长度明显更深,而滚柱和丝杠的长度较短,且无内齿圈,丝杠两端加工有直齿与滚柱两端的直齿啮合。反向式便于集成,一体化、小型化程度高,可将螺母作为电机转子实现电机和丝杠一体化设计,形成结构紧凑的一体式机电装置,缺点是螺母中深长的内螺纹不易加工,对加工条件和设备要求较高,而且行程受到螺母内螺纹长度的限制。
循环式行星滚柱丝杠:相比于标准式,循环式去掉内齿圈,增加凸轮环结构,其功能类似于滚珠丝杠返回器,使滚柱在螺母内旋转一周后回到初始位置,另外滚柱上无螺纹、齿轮结构,为环槽状,环槽间距与丝杠、螺母的螺纹匹配,安装在具有凹槽结构的保持架上。循环式行星滚柱丝杠的结构特点增加了参与啮合的螺纹数量,因此具有较高的刚度和较大的承载能力,主要应用于要求高刚度、高承载、高精度的场合。循环式的缺点在于其凸轮环结构会产生振动冲击,存在噪音问题,而且凸轮环的设计与装配是循环式的难点。
差动式行星滚柱丝杠:与标准式相比,差动式无内齿圈,滚柱上也无齿轮段,滚柱和螺母均为环槽结构。滚柱的环槽分为多段,小直径段环槽与螺母啮合,大直径段环槽与丝杠啮合。差动式丝杠的结构特点使其可获得更小的导程,适用于传动比大、承载能力高的应用场合。但在其运动过程中,螺纹会产生滑动现象,在重载情况下容易产生磨损,导致精度丧失、可靠性降低等问题。
轴承环式行星滚柱丝杠:滚柱与循环式相同为环槽结构,相比标准式,其螺母去掉内齿圈,增加壳体、端盖及推力圆柱滚子轴承等部件;轴承环式丝杠上的推力圆柱滚子轴承提高了承载能力,同时也减小各构件间磨损,增大传动效率,适用于高承载、高效率领域,但结构复杂,径向尺寸大,成本高。
总结:行星滚柱丝杠优异性能的背后支撑是极高的工艺要求和设备壁垒,同时行星滚柱丝杠生产的另一关键点主要体现为精度与效率的权衡,如何在保持加工精度的同时提高加工效率,是降低制造成本、打开应用空间的重要前提。总体来看,行星滚柱丝杠的核心在设备能力、制造工艺 know how、批量生产能力:1)设备方面,丝杠高精度特性对设备要求高,国产磨床加工精度不及进口磨床,出品易不稳定,因此目前高端加工设备依赖进口,但海外高端磨床成本高(近千万元/台)+采购周期长(1 年+);2)工艺方面,螺纹加工存在轧、磨、车、铣等多种方案,目前磨制是应用相对广泛的方案;螺母的内螺纹加工是核心壁垒所在,制造工艺难度较大;3)一致性批量生产:人形机器人远期需求有望达百万台,对于零部件公司的批量生产能力和一致性保持能力同样提出较高要求。
行星滚柱丝杠难度高、壁垒高筑,是人形机器人最高价值环节的零件之一。特斯拉 Optimus 行星滚柱丝杠的核心壁垒在于制造设备和工艺技术的Know-how,我们从设备采购、热处理工艺、加工工艺等方面分析研究行星滚柱丝杠的技术壁垒。
设备资金:丝杠的高精度特性使其对制造设备要求高,目前高精密加工设备主要依赖进口,购置成本较高;1)设备受限于进口,到货周期长:螺纹磨床是提升精度关键设备,包括内螺纹与外螺纹磨床(或车磨一体),国产磨床可满足 C3~C4 精度加工,但批量加工高端丝杠(C0~C2)时易存在出品不稳定现象,外资设备需从日、欧、美等国家采购,交付周期长,到货周期至少一年起步,且设备到场后需定向调试;2)资金要求高:进口精密磨床和精密铣床价格高昂,例如大型丝杠切削制造机床每台价格超过百万美元。
热处理:热处理工序可改善丝杠副各零件材料性能、切削性能及消除残余应力,提高材料的表面硬度及耐磨性;技术设备落后、热处理工艺参数选择不当等原因都可能导致热处理质量较差、热处理后材料变形较大,产生接触疲劳磨损,降低使用寿命。
加工工艺:效率+精度+一致性批量生产。螺纹滚柱、螺母、丝杠作为行星滚柱丝杠传动机构的关键部分,其成形加工工艺的效率和精度直接决定丝杠的成本与性能。在丝杠整体加工工序中螺纹加工是重中之重。目前行星滚柱丝杠螺纹加工方式包括包括有轧制(滚轧)、车削、磨制(磨削)、旋风铣等。在丝杠制造过程中会产生误差与能量损失,行星滚柱丝杠主要有形变误差、制造误差、安装误差等,其中制造环节包括螺纹螺距、螺纹牙型、齿轮齿距、齿轮齿廓、制造偏心等误差,想要避免误差的干扰需较多制造工艺Know-how。此外,人形机器人远期需求有望达百万台,对于零部件公司的批量生产能力和一致性保持能力同样提出较高要求。
工艺:螺纹加工工艺复杂,技术路径尚未收敛,壁垒深厚
在行星滚柱丝杠和滚珠丝杠中,丝杠通过螺纹啮合来实现精密传动,螺纹的加工精度将直接影响丝杠系统的传动精度、使用寿命、平稳性,故螺纹的加工工艺是影响行星滚柱丝杠性能的关键因素,壁垒深厚。 丝杠螺纹加工工艺主要包括轧制和切削法,其中切削包括硬态车削、磨削加工、旋风铣削等工艺,目前看磨削加工是高精密丝杠的精加工主流方案。轧制法采用成形滚压模具使工件产生塑性变形以获得螺纹,而切削法则通过去除材料来形成螺纹。具体来看:1)轧制工艺使用硬化钢模具将工件材料变形为螺纹轮廓,无需切削,加工效率高,但一般精度较低(约 P5~P10 级);2)磨制工艺加工工序复杂、效率较低,但最高精度可达 P0 级,是精密滚珠/滚柱丝杠的主流精加工工艺;3)车削工艺相对磨削效率有所提升(以车代磨的优势),但加工精度不及磨削,且车刀有时存在损耗问题;4)旋风铣介于磨制和轧制工艺之间,精度和加工效率平衡较好,但在高精度方面与磨削还有差距,且铣刀也存在损耗问题。
1)轧制:效率高但精度相对受限的加工工艺
轧制成形螺纹工艺是一种局部连续渐进成形的加工方法,使用滚压轮或搓丝板滚压轧件坯料,利用金属材料的可塑性,坯料表面在滚压力的作用下发生塑性变形而逐渐成形为螺纹。轧制工艺生产滚柱效率高、损伤小,成形率远远高于切削加工成形,其局部连续渐进成形,极少损伤金属纤维,塑性变形又能大大增加螺纹滚柱的表面强度,提升螺纹滚柱的机械性能。
轧制工艺一般可分为热轧和冷轧。冷轧与热轧的界限是以再结晶温度来区分的,低于再结晶温度为冷轧,高于再结晶温度为热轧(钢的再结晶温度450~600℃)。 热轧一般将钢材加热至 1100~1250℃进行轧制,热轧后钢材具更高成型性和可加工性,更易于在后续加工中使用。但热轧钢在冷却阶段有收缩,其最终形状的可控制程度较低,因此热轧常用于不需非常严格精度的场景。 冷轧时钢材不进行加热,需更高压力将其轧制成所需的尺寸。冷轧钢的强度更高,表面光滑,在成型后不会收缩,比热轧钢具有更高强度、硬度、精度,因此在丝杠等高精度产品中,轧制工艺主要使用的是冷轧。
丝杠冷轧过程可分为四个阶段:1)进给阶段:滚压轮旋转并向工件表面快速进给,同时开启冷却液,使滚压轮所有齿在圆周上均能受到冷却作用(润滑全面、冷却充分);2)切入阶段:滚压轮与工件表面接触并压入一定深度形成齿痕,同时利用摩擦力带动工件旋转,实现工件轴向分度;形成齿痕的基础上连续进给直至终止位置,形成最终齿廓;3)精整阶段:轧辊停止径向进给,但继续旋转(提高轧件圆度和表面粗糙度),精整螺纹;4)成型结束:滚压轮以相对较慢的速度退出,离开成形区域后再快速退至初始位置,防止因弹性回弹导致工件齿形表面擦伤。冷轧工艺具有生产周期短、高生产效率等优势,效率极高,且冷轧丝杠强度高、疲劳寿命长,抗拉强度高;材料利用率高,可达 90%以上。但是相比磨制、旋风铣等工艺也存在精度不高、应力较为集中等劣势。
2)车削:以车代磨提高效率,但加工精度仍不及磨削
螺纹车削是刀具在丝杆表面沿螺旋线切削出成型槽的工艺,将工件表面以直代曲,刀具沿直线方向施加主切削速度,工件沿进给方向施加进给速度,可以在工件表面以螺纹升角切出螺纹槽。车削的刀具材料是聚晶立方氮化硼PCBN,硬度可高达 HV8000~9000(硬度仅低于金刚石)。
当前车削丝杠的加工工艺主要采用车削+磨削结合:车削工艺流程可大概总结为:下料-预备热处理-车削-淬火-磨削的流程。1)车削:丝杠加工螺纹滚道时,先对螺纹滚道进行粗加工即粗车螺纹,然后进行淬火(提升硬度);2)磨削:淬火完成后,对滚道进行粗磨,之后进行时效处理(去应力),再进行精磨,制成丝杠。而“以车代磨”的方式也有一定潜在的应用空间,但目前还需验证效果:行星滚柱丝杠的主要零件通常采用高硬度材料,如淬硬轴承钢、铬镍铁合金、工具钢等,硬度达 60HRC 左右。传统磨削精加工的生产效率低,同时产生大量的切削热造成丝杠螺纹滚道部分退火,导致硬度下降,而且磨削砂轮容易脱粒,并在工件表面产生磨削烧伤与微裂纹,影响丝杠可靠性。在此背景之下,利用PCBN 等超硬材料作为刀片进行“以车代磨”的精密加工技术逐步出现,此方案能保证行星滚柱丝杠螺纹的加工精度与表面粗糙度,同时还能有效提升加工效率、降低制造成本。硬车削工艺效率较高,但加工精度不及磨削工艺,且刀具易损坏。 优点:硬车削解决了使用砂轮进行大余量磨削加工的工艺难题,在一台机床上就能完成毛坯到成品的加工,有效提升加工效率。硬车削可使用PCBN刀具进行精车,获得的表面粗糙度相当于半精磨水准。车削加工过程中组件的定位精度高,易于保证被加工工件的形状精度和尺寸精度,且车削刀具结构简单,装夹方便,切削过程相对平稳,可采用较大的切削余量。表面残余应力分布更加均匀,增加螺纹部件的疲劳寿命。此外硬车削切屑带走大部分热量,不会产生磨削工艺的表面烧伤问题。 缺点:加工精度不及磨削工艺。此外车削刀具刀刃部分硬而脆,在切削加工过程中产生的排屑干涉会导致刀尖受波动较大的冲击力,使刀具产生磨损。
3)磨制:精度最高的关键精加工工艺,但加工效率较低
磨削是目前高精度丝杠螺纹的主要加工方法,实质是使用螺纹磨床高速旋转的成型砂轮对加工工件表面进行高速切削,砂轮的表面磨粒划擦、刻划和切削工件表面,进而获得更高的精度。磨削砂轮的截面形状与被磨削工件的螺纹截面形状类似,通过高精度的数控磨床可加工出高精度的小螺距螺纹,目前对于热后的高硬度螺纹面或硬脆材料螺纹面的高精度加工,磨削是最为行之有效的加工方式。以滚珠丝杠为例,使用磨削加工后精度最高可达到 P0 级。
行星滚柱丝杠中丝杠、螺母、滚柱等不同部位的磨削工艺存在差异,提高工艺壁垒。磨削工艺流程长、加工复杂繁琐,同时既需要针对丝杠和滚柱的外螺纹磨削,又需要针对螺母的内螺纹磨削,其中螺母内螺纹加工难度最高。外螺纹磨削:主要针对丝杠和滚柱;磨削砂轮高速旋转,砂轮刀刃会在旋转过程中形成回转表面。工件一边绕自身轴线转动,一边沿轴线移动,且在转动一圈的同时沿轴向移动单位导程的距离; 内螺纹磨削:主要针对螺母;内螺纹磨削是行星滚柱丝杠加工的关键难点:加工过程:磨削内螺纹时,砂轮外径尺寸受螺纹内孔直径尺寸限制,为保证砂轮不与螺母发生干涉,砂轮直径不可大于螺母螺纹内孔最小直径,且需利用磨杆带动砂轮伸入螺母内螺纹加工位置进行磨削;在磨削中,螺母绕其轴线旋转,砂轮自身高速旋转的同时沿螺母轴线直线进给以完成螺母内螺纹磨削。加工难点:①内螺纹磨削时磨杆须旋转一个螺旋角,从而使得磨杆可能会和螺母内孔碰撞,无法继续磨削,产生干涉问题,降低磨削精度;②由于磨杆的存在,磨削过程中易造成砂轮振动,振动过大会在加工表面产生振纹,降低螺纹精度,需通过材料和结构等方面改善磨杆振动问题;③螺母内螺纹一般需要经过多次磨削,需要让每次磨削时的砂轮进刀点一致,否则会因为砂轮轨迹(起点、速度)的不同而造成螺纹乱扣,损坏已切好的螺纹沟槽,影响内螺纹精度,需要进行对刀。但是螺母结构尺寸小,半封闭的内部空间非常有限,使得内螺纹自动对刀的难度大大增加;④当内螺纹的牙形尺寸较小时,成形砂轮在磨削加工过程中极易发生磨损和失效,需要对砂轮进行多次重复修整,加工精度和效率很难保证。
丝杠磨削工序整体流程较长,滚珠丝杠的螺杆部分和螺母部分各需经过十多道工艺方可成形,其中包括粗磨和精磨工艺;行星滚柱丝杠则工艺流程更长,且在螺杆、螺母和滚柱中均需采用磨削工艺。
4)旋风铣:兼顾精度与效率,但国内工艺仍需摸索
旋风铣螺纹是采用旋风铣头来加工螺纹,只需一次切削就能完成螺纹的加工方法,借助刀盘旋转中心与工件中心的偏心量完成渐进式高速铣削加工,具有铣削速度高、加工效率快、高精度、低成本等优点。加工过程中,旋风铣被安装在车床中拖板上,采用 6~8 把均匀对称的高强度对称铣刀,车床夹持工件完成低速进给运动,旋风铣带动硬质合金刀具高速旋转,完成切削运动,从工件上铣削出螺纹,工件每转 360°时,刀盘纵向进给一个导程,铣出螺纹。旋风铣的工艺壁垒主要体现在工艺积累和铣刀耗材等方面。工艺积累方面,旋风铣削运动规律复杂,加工过程中刀架安装倾角、偏心距、刀盘直径及转速比等参数都会对最终加工质量产生影响,需较深的工艺积累;铣刀方面,丝杠工件往往硬度较高,铣刀存在损耗问题,影响刀具切削性能。目前海外在旋风铣的基础理论和关键技术等方面具一定领先优势,国内螺纹旋风铣削仍具改进和提升的空间。
旋风铣技术拥有以下优势: 切屑轻薄、切削力小、材料去除率高、切削热量散失快:在切削过程中,刀片只有旋转到靠近工件一侧才参与切削,为刀具提供足够的散热时间,且切削中产生的大部分热量被切屑带走;每次加工区域的空间位置相同,切入到切出的切削厚度与宽度变化为由小变大→由大变小,一定程度提高单位时间的金属切削率,提高整体工艺的性能。 提高加工精度与表面质量:旋风硬铣削常用的刀具材料为PCBN 材料,在加工过程中,高速铣床凭借自身高刚度与精度,进行渐进式的切向断续切削方式,切削深度小,加工精度较高。 提高切削速度,降低加工成本:螺纹旋风铣技术可实现一体化加工、免去磨削和多余热处理工序,可保证加工后丝杠的尺寸精度和表面完整性指标;加工效率可达磨削的几倍,与传统切削相比,刀具使用寿命可提高近70%。 高速旋风铣技术可加工丝杠外螺纹和螺母内螺纹。外螺纹旋风铣一次就可完成符合滚道廓型和表面质量要求的螺纹,同时也可用于螺母内螺纹加工。旋风铣的缺点在于无法加工部分异形丝杠,且精度相对磨削仍存在一定差距。
旋风铣设备方面,旋风铣床前端有负责夹持工件的三爪卡盘用来固定工件,径向移动的滑板位于床鞍上,滑板上的铣削头用来加工螺旋升角。床鞍上的随动支撑机构随铣削头移动而随动支撑工件。旋风铣机床主要包括旋风铣专机、普通车床+旋风铣刀座、走心机+旋风铣刀座三种,目前国内大多数厂商都采用普通车床+旋风铣刀座的方式,投资小但比较低端,只能加工大的丝杠等部件,不能加工接骨螺钉等微型零件且精度有限。在刀片方面,旋风铣多采用PCBN 成型刀片,不使用冷却液,直接干切削硬后的工件,具有高硬度与高耐磨性、高热稳定性与化学稳定性、导热性良好、摩擦系数较低等优点。但是,丝杠的高硬度导致铣刀易产生磨损,影响切削性能。
热处理:工艺复杂、种类繁多,温度把控等多维度要求高
热处理作用是改善丝杠各零件的材料性能、切削性能及消除残余应力,从而提升硬度和韧性。丝杠的热处理工艺包括调质处理(或球化退火)、时效处理、表面热处理、深冷处理等。热处理对于温度把控、设备要求、工艺规范等多个维度有较高要求,技术壁垒较高。 丝杠各零件工作特性和尺寸结构不同,因而热处理方式也有所差异:1)丝杠:采用感应淬火作为表面热处理方法,满足“表面具有较高的硬度、耐磨性和强度,心部具备较强韧性以抵抗冲击载荷作用”的性能要求;2)螺母:采用渗碳淬火作为表面热处理方法,满足硬度和耐磨性,且可承受较大冲击载荷,延长寿命;3)滚柱和内齿圈:整体进行调质处理,使其在较大的动载荷作用下,能很好地承受弯曲和扭转力的作用,且硬度和耐磨性也显著提高。
1. 预备热处理:①调质处理:调质处理采用淬火和高温回火来获得均匀细致的回火索氏体组织,为表面淬火和渗氮处理时减少变形作准备;淬火需将炉温升高温后,在 Ms 点以上进行快速冷却,在 Ms 点以下缓慢冷却,以防止淬火变形和开裂。高温回火则主要是为了防止淬火组织在室温下发生缓慢分解,引起体积、尺寸和形状变化。②球化退火:球化退火主要可降低工件的硬度,改善切削性能,为后续表面淬火做准备。 2. 时效处理:在滚珠/滚柱丝杠的机械加工过程中,车削、磨削等工艺会产生较大的应力,造成丝杠的畸变,降低使用寿命,需进行时效处理来消除应力,主要包括高温时效和低温时效;①高温时效:目的在于清除机械加工过程中由切削力引起的工件残余内应力,为减小中频淬火变形创造条件。精密丝杠刚性较差,常在粗加工、半精加工之间安排多次时效处理;②低温时效(稳定性热处理):磨削加工会产生很大的磨削应力,可能引起尺寸变化和表面裂纹,加快磨损与疲劳,须进行低温时效,需注意工件的力学性能要求以及防止发生回火脆性和工件变形。 3. 表面热处理:丝杆和螺母在表面热处理时采用不同的淬火方式,丝杆采用表面感应淬火,螺母则采用渗碳淬火。 ①感应淬火:丝杠表面热处理工艺,丝杠表面承受扭转、弯曲力,需具较高硬度、耐磨性和强度,且心部需有较强韧性。采用感应淬火,利用电磁感应原理(磁场中电流分布原理,表层电流密度大,中心处小),将丝杠表面快速加热至淬火温度后急剧冷却,使表面硬度提高,中心未被加热而变形小从而具备心部韧性。 ②渗碳淬火:螺母的表面热处理工艺;螺母承受高强度的冲击、扭转及弯曲,螺纹部分须有足够硬度和耐磨性。渗碳淬火后螺母可承受较大冲击载荷,延长寿命。渗碳淬火的工艺存在较高的技术壁垒,不合理的渗碳淬火工艺可能会导致明显裂纹,降低接触疲劳寿命。 4. 深冷处理:一般以液氮作为低温介质,通过调控处理温度、处理时间、降温速率和冷热循环次数等参数,使工件冷却到-190℃以下,使材料的微观结构在低温环境下发生变化,可显著提高使用寿命、耐磨性及尺寸稳定性。
设备:尖端设备受制于海外厂商,进口价格高昂
据北特科技公告,人形机器人用丝杠产线相应工序的设备包括粗车设备、硬车设备、热处理淬火机、外圆磨磨床、螺纹磨床、检测设备、实验分析仪器等,高端机加工设备仍然受制于海外。尽管我国机床进口数量呈现下降趋势,说明国产机床能够产生替代效应,但进口机床的均价持续提升。一方面,国内制造业的升级导致对高精度、高效率、智能化机床的需求增加,推高了进口机床的均价。另一方面,进口机床均价升高也在一定程度上表明国产机床替代的进口机床主要是在中低端市场,高端机床的替代不明显。
在热处理设备方面,国内热处理设备性能已接近国际水平,但可靠性和稳定性仍存不足。热处理工艺为装备制造的基础工艺之一,参与材料预处理以及后续精加工多个环节,对金属工件的硬度、韧性、尺寸稳定性和精度等起到至关重要的影响。以滚珠/滚柱丝杠为例,主要热处理工艺包括调质处理、球化退火、感应淬火、时效处理。目前我国热处理装备制造所需钢材/铜材、冷却机、传感器、液压系统等其性能已达到或接近国际先进水平,除数控系统外其余原材料及部件基本可自主供应。但国产配件的关键问题在于产品可靠性和稳定性较低,导致国产热处理设备在精度和寿命各方面较海外一流的同类型产品仍有差距,仍需依赖进口。
在加工设备方面,根据应用分类,金属加工机床可分为金属切削机床、金属成形机床和木工机床,其中金属切削机床是最主要的一类机床,占金属加工机床总量约 2/3。在丝杠的加工工艺中,金属成形机床主要应用于轧制工艺,金属切削机床则主要应用于切削工艺(车、磨、铣)。金属成形机床即锻压设备,指通过对金属施加压力使之成形的机床,主要包括冷锻机、液压机、机械压力机、冲压机、折弯机等。金属切削机床是用切削等方法主要用于加工金属工件的机器,使得工件被加工成要求的形状、尺寸精度和表面之类。按加工方式划分,金属切削机床可以分为铣床、车床、磨床、钻床、镗床等 12 类。
在磨床设备方面,目前精密磨床依然依赖于进口,到货周期长。磨床进口均价明显高于出口均价,国外高端磨床设备的获取成本高,本土品牌磨床的竞争力仍不足。欧洲磨床单价在七八百万元左右,甚至超过千万元,到货周期至少一年起步,而国产磨床价格为两三百万元左右,整体来看磨床设备对供应商资金实力要求高。
我国数控磨床市场的竞争格局可分为三个层次:第一梯队为国际性磨床企业,如日本三井精机、德国 Peter Wolters、美国 Lapmaster 等,产品技术含量高,价格昂贵,占据我国数控磨床的高端市场。第二梯队为国内具备一定核心竞争力的企业,比如宇环数控、上海机床厂有限公司、杭州杭机股份有限公司等。第三梯队为低端企业,产品技术含量低,同质化严重,缺乏核心竞争力,竞争激烈。国内磨床向中高端领域突破。国内磨床企业包括华辰装备、秦川机床、日发精机、宇环数控、宇晶股份、华中数控等,依靠自身优势在不同磨床细分领域深耕,在加工精度、市场占有率、客户拓展、出海等方面均取得了一定进展。
旋风铣设备方面,国外生产数控旋风铣床的厂家主要有GWT 公司,德国Lerstritz,Burgsmulle,Linsinger,奥地利 WEINGARTNER-MASCHINENBAU 等。欧美等发达国家已成功的将旋风切削技术应用于大型丝杠的制造,而我国发展较慢,大型丝杠切削制造机床主要依赖进口,每台过百万美元的价格是关键制约因素。
总结:外资品牌舍弗勒基于长期技术积累、客户合作和产业整合等方式占据行业龙头地位,主导高端精密丝杠市场;国内产品受限于磨削等工艺、设备等方面限制,在精度、可靠性等指标与国外头部企业相比仍有提升空间;但部分国内优秀玩家也逐步基于原有的能力禀赋(如基于工业母机、车用丝杠等的工艺和设备储备)切入人形机器人丝杠产业布局,国产滚柱丝杠正逐渐被高端应用领域认可和采用;市场空间来看,测算中性情形下,中期全球人形机器人关节用行星滚柱丝杠市场空间约 150-200 亿元。
格局:外资品牌先发优势明显,国产品牌处于追赶阶段
外资滚柱丝杠玩家起步早,具有长期的技术研发积累和客户合作经验。全球丝杠龙头舍弗勒已经积累大量的生产应用经验,并已经具备成熟的产品系列,形成明显的先发优势,占据市场主导地位。舍弗勒目前旗下三大行星滚柱丝杠业务主体:1)旗下公司瑞士 GSA 行星滚柱制造公司;2)GSA 于2016 年收购瑞士 Rollvis(1970 年开始研制行星滚柱丝杠);3)2022 年7 月舍弗勒以约5.8亿欧元价格从 Triton 收购瑞典 Ewellix(前身为瑞典SKF 线性运动技术事业部),23 年 1 月 Ewellix 正式成为舍弗勒集团的新业务板块。Rollvis、Ewellix、GSA三家公司均在丝杠领域有长期耕耘,至此舍弗勒成为全球丝杠龙头厂商,经过多年技术积累与先发优势,占据主导地位。 行星滚柱丝杠领域国产玩家起步较晚。90 年代后随着数控机床对高精度丝杠的需求上升,中国企业开始研发相关产品。2016 年部分企业的行星滚柱丝杠进入生产阶段,小部分企业实现小批量供货,中国市场进入发展期。目前尽管国内滚柱丝杠已具一定产业基础,南京工艺、博特精工等厂商已能够小规模生产行星滚柱丝杠,但是性能与国外竞品相比,在效率、承载能力和精度上仍有提升空间。
在高端丝杠领域,国内产品在精度、可靠性等方面与国外头部企业相比仍存在一定差距,特别在行星滚柱丝杠领域,受限于磨削等加工工艺、加工设备等方面的技术限制,国外企业占据行星滚柱丝杠的绝大部分市场份额。精密丝杠制造具备较高的技术壁垒,中高端丝杠采用磨削加工,需经过热处理、车削、磨削等多道工序加工,对原材料、制造工艺要求较高。另外除加工过程中的工艺优化,想要实现性能的提升,最终面临的是“设计-制造-检测”的闭环体系。海外企业具有先发优势,国产品牌在在精度保持性、功能可靠性、寿命、精度、刚度等关键性能指标上依然落后于境外产品,国产品牌市场占有率低。国产行星滚柱丝杠产品的导程精度最大动载荷、最大静载荷等性能与国际企业相比仍有较大差距。以南京工艺、EWELLIX 和 GSA30mm 直径产品为例进行对比,可看出中国企业缺乏导程精度的统一标准,承载能力显著低于国际企业同规格产品。若要实现国产替代,仍需加大技术研发力度。
滚珠丝杠方面,中端市场国产替代相对明显,高端市场仍由德国企业主导。在中国市场中,本土企业在中端滚珠丝杠市场份额较高,中国台湾和大陆企业份额合并达七成,三成为德国企业。高端市场由德国企业占主导,占据90%的份额。中国企业在丝杠领域起步较晚,企业规模较小,仍未掌握高精度产品技术。但中国企业在丝杠领域进展较快,五洲新春、恒立液压等企业均积极布局高精度丝杠领域,部分已实现量产,推动国产替代进程。 行星滚柱丝杠方面,中国行星滚柱市场基本由国际企业主导,市场集中度高。根据 GGII,外资企业如 Rollvis(瑞士)、GSA(瑞士)、Ewellix(瑞典)、Rexroth(德国)在国内市场份额占比分别为 26%、26%、14%、12%,而国内企业合计占比(含南京工艺、博特精工、台湾优仕特)约 20%左右。据GGII,2023 年瑞士GSA在中国市场的份额已超过 50%。
国产:机加工工艺和设备的共通性驱动零部件厂商积极入局
有精密机加工能力和设备的企业跨界布局滚柱/滚珠丝杠,为精密丝杠市场注入发展新动能。由于丝杠和其他机械零部件在机加工工艺和设备上具技术共通性,国内汽车零部件企业积极跨界精密丝杠市场,国产丝杠企业通过自主创新已经在滚动丝杠这一高精度、高性能传动领域取得一定突破,并且已经有国产行星滚柱丝杠正在逐渐被高端应用领域认可和采用,中国企业南京工艺和济宁博特亦被列入 TOP10 的行列,标志着国内企业在这一关键领域正在从追赶者向竞争者转变。
空间:人形机器人有望催生丝杠全新增量空间
滚珠/滚柱丝杠的应用领域广泛,已成为高精密传动领域中广泛使用的丝杠方案。在机床制造领域,丝杠可做为传动系统核心部件;在汽车制造领域,滚珠丝杠在新能源汽车转向机构、电助力转向系统、电子驻车系统、刹车系统具有应用前景。在工业装备领域,丝杠、导轨亦作为基础传动部件有着广泛的应用;在机器人制造领域,滚珠丝杠可用于机器人传动装置,通过滚珠丝杠组成单轴机器人/电动缸等完成线性驱动,据特斯拉 AI Day 信息,特斯拉人形机器人Optimus 有望采用无框电机与行星滚柱丝杠的线性执行器。
特斯拉 Optimus 机器人全身 14 个线性关节采用行星滚柱丝杠。线性执行器分别位于肘部 2 个、腕部 4 个、大腿前后 4 个和小腿 4 个。肘部和小腿使用负载3900Nm的中型行星滚柱丝杠,腕部使用负载 500Nm 的小型丝杠,大腿使用负载8000Nm的大型丝杠,其中部分采用了反向式行星滚柱丝杠。
随着人形机器人和大模型等技术的持续突破,我们预计人形机器人的逐步放量将为行星滚柱丝杠带来广阔的增量需求。我们测算了人形机器人线性关节用行星滚柱丝杠的市场空间,假设如下: 1、需求假设:根据特斯拉财报电话会信息,预计特斯拉Optimus 2025 年销量为千台级别,主要用于特斯拉自身工厂,26 年逐步对外销售,预计后续人形机器人需求有望提速,假设中性预测下 2030 年全球人形机器人需求为百万台级别;其他机器人玩家比如 Figure、智元、宇树、傅利叶等玩家也将陆续放量。2、配套假设:目前单台 Optimus 需约 14 个线性关节,预计对应14 套行星滚柱丝杠需求;其他厂商机器人丝杠使用情况目前清晰度较低,由于行星滚柱丝杠成本较高,假设其他厂商机器人使用的行星滚柱丝杠数量少于特斯拉Optimus。未来,行星滚柱丝杠产品起量价格降低后,预计行业中使用行星滚柱丝杠的比例提升。3、单价假设:参考行业信息,假设小批量后人形机器人用行星滚柱丝杠单价为5000-10000 元(预估,可能存在偏差),未来随加工效率提高,叠加出货量增加形成规模经济效应,预计行星滚柱丝杠的单价将持续降低,且降本速度逐渐增加。根据以上假设,我们测算得到:乐观情形下,2030 年全球人形机器人用行星滚柱丝杠预计市场空间 287.3 亿元,2025-2030 年复合增长率183%。中性情形下,2030年全球人形机器人用行星滚柱丝杠预计市场空间 187.4 亿元,2025-2030年复合增长率 176%。悲观情形下,2030 年全球人形机器人用行星滚柱丝杠预计市场空间87.5 亿元,2025-2030 年复合增长率 168%。综上,在中性预期下,2030 年全球人形机器人的放量能够为行星滚柱丝杠带来市场规模约187 亿元,可见人形机器人的兴起将催生行星滚柱丝杠庞大增量需求。
拓普集团
汽配板块较稀缺的模块化供应商。拓普集团是围绕汽车底盘打造平台化产品体系的供应商,产品包括减震、内饰、底盘系统、热管理、汽车电子等,客户涵盖全球主流主机厂。2024 年前三季度,拓普实现营收 193.5 亿元,同比36.8%,归母净利润22.3亿元,同比+39.9%,扣非净利润 20.2 亿元,同比+34.8%,预计主要系问界、小米、理想、及吉利等客户贡献。 品系延展:九大产品构筑平台化供应体系。拓普深度锚定电动智能增量市场,九大产品(单车配套价值可达 3 万元)有望逐级增厚业绩,催化自身定位向平台化系统级供应商重塑与升级:减震、内饰业务(第一阶)稳定增利(22 年前三季度营收占比超5成)支持公司新品研发拓展;轻量化底盘及热管理(第二阶)系拓普核心资产,是当下业绩增长的关键支撑;另外基于电控、软件、精密制造等能力延伸的IBS、EPS、空悬、座舱、机器人执行器等(第三阶)板块推进顺利,构筑未来增长新势能。
客户突破:优质客户结构保障业绩成长确定性。绑定客户的能力是汽零供应商最核心的能力之一。拓普初期绑定上海通用积累合作和同步研发经验,2017-2019年自主品牌客户逐渐上量(2019 年吉利收入占比超 30%);后续依托平台化供货+及时响应+正向开发等优势,客户结构持续取得关键突破,形成新能源品牌(特斯拉、新势力、赛力斯、小米、Rivian 等)+自主品牌的优质、稳固的客户矩阵,叠加Tier0.5 级模式引领产业分工新变革下的合作深化,拓普业绩增长具确定性。制造升级:产能扩张与智能制造并举提振盈利能力。产能量(响应)与质(品质)共振:1)产能扩张:围绕产业集群,在宁波(前湾 2600 亩,最重要产地)、重庆、武汉等地扩产;波兰、墨西哥工厂辐射欧洲及北美客户;2)智能制造:推进数字化建设及 MES 管理系统,实现质控+产品追溯+精益生产+设备管理等多维把控。随全球范围产能爬坡催化边际成本持续下行及智能制造的效应逐步兑现,拓普有望持续释放经营杠杆,提升盈利能力。 优质客户的深度绑定以及新产品的陆续量产带来中长期业绩确定性。纵观2024全年,车端为拓普基本盘,公司平台化战略+Tier0.5 模式持续推进,24 年核心看点在于北美客户、华为、理想、吉利、比亚迪以及小米等优质客户放量,叠加新产品等持续落地:拓普空悬目前获 8 个定点项目,于 23Q4 陆续量产;线控制动实现6 个项目定点并正式量产下线;电调管柱已定点 9 个项目;智慧电动门系统也逐步量产,同时热管理工厂覆盖中国、欧洲及美洲,总产能超 400 万套/年;另外公司执行器业务持续推进,24H1年电驱系统业务实现营收 627 万元,毛利率 52.3%,进展顺利。
三花智控
三花智控以热泵技术和热管理系统产品研发应用为核心,从机械部品开发向电子控制集成的系统控制技术解决方案升级,成立至今专注于热管理产品零部件及组件,横向产品品类扩展(阀、泵、散热器、组件等),纵向行业扩展(家电、商用制冷、汽车、储能等)。公司 2024 年前三季度实现营收205.6 亿元,同比增长8.4%,归母净利润 23.0 亿元,同比增长 6.6%。公司业绩增长得益于:1)公司新能源汽车业务订单持续放量,公司汽零业务中新能源车相关占比较高,订单持续放量。2)制冷空调电器业务公司主导产品市场份额稳步提升。热管理行业大赛道、好格局,抓住新能源增量机遇,公司从部件龙头成长为行业龙头。新能源汽车热管理行业单车价值量 6500 元左右,相较于燃油车提升2 倍(主要增量为电池侧以及系统更加复杂),公司把握核心零部件,提升集成组件产品比例,目前单车配套价值量可达 5000 元以上。汽车热管理行业集中度高,预计全球乘用车热管理市场空间约为 1800 亿元,呈现增长趋势,传统国际龙头电装、法雷奥、翰昂、马勒四家企业占据 50%以上的份额。国内企业发力新能源车增量市场,三花智控在车用电子膨胀阀、新能源车热管理集成组件产品市占率全球第一,公司伴随新能源核心客户的快速发展、集成组件收入占比提升,打造行业全球龙头。
开拓储能、机器人等业务,技术具有同源性,布局新的成长点。车用动力电池和储能电池在温控技术方面同源,储能业务公司 2023 年上半年突破行业标杆客户,已实现营收。 机器人方面,公司重点聚焦仿生机器人机电执行器业务(运动控制核心环节,工业机器人中成本占比 70%左右)。机电执行器业务在电机控制技术方面与公司现有产品具备同源性,公司已组建 50 人的机电执行器产品研发团队,并与绿的谐波签署战略合作框架协议。公司未来三年预计将招募在电机、传动、电控、传感器等领域的专业人才,将研发团队扩充至 150 人,预计机电执行器产品总团队规模在300 人以上。公司已与多个客户建立合作,并积极筹划海外生产布局,具备先发优势。投资智能变频控制器、机器人伺服电机控制器、域控制器项目,开拓新增长点。2024年 1 月公司签订《三花智控未来产业中心项目投资协议书》,计划总投资不低于50亿元,项目包括 1)公司控股子公司先途电子智能变频控制器项目,2)三花智控机器人伺服机电执行器项目、热管理域控制器项目。以上布局有利于公司从机械部品开发向电子控制集成的系统控制技术解决方案开发升级,并向变频控制技术与系统集成升级方向延伸发展,有望成为潜在增长点。
北特科技
北特科技成立于 2002 年,于 2014 年上市,公司主要业务分为底盘零部件、汽车空调压缩机、高精密零部件、铝合金轻量化等,在上海、长春、天津、重庆、江苏等地深度布局专业化、规模化生产基地,主要生产配套各类乘用车、商用车、新能源汽车关键零部件,已成为国内最具影响力的专业研发、制造企业之一。2024年前三季度公司实现营收14.6亿元,同比+9.6%,归母净利润0.6亿元,同比+111%。
公司股权集中架构稳定,整体业务矩阵完善。截至2024Q3,北特科技实控人为靳坤,直接持有北特科技 31.57%股份,靳坤的儿子靳晓堂持有8.2%股份,共计持有北特科技 39.77%,控制权相对集中。此外公司设立江苏北特汽车零部件、重庆北特科技、江苏北特科技有限公司等多家子公司,围绕四大主营业务进行全方位布局,整体业务矩阵完善。
公司主要业务包括底盘零部件业务、铝合金轻量化业务、空调压缩机业务三大板块。公司底盘零部件业务在更为细分的转向器齿条、减振器活塞杆行业内占主导地位;空调压缩机业务也在商用车同行业中保持领先地位。公司主要产品包括底盘零部件(细分为转向器类零部件、减振器类零部件、差速器类零部件、高精密类零部件)、铝合金轻量化零部件、空调压缩机及热管理系统。同时公司部分新品也迎来订单增量,如博世智能集成刹车系统核心零部件IPB-Flange、采埃孚(ZF)CDC 减振控制阀零部件、耐世特齿轮、齿条等零部件销量持续增长。
公司已建立一套相对完备的客户体系且客户优质,多为全球汽车零部件50强企业、国内著名合资车企、国内知名自主品牌车企。底盘零部件业务,转向器类、减振器类产品客户体系已基本覆盖所有国内外知名转向系统、减振系统制造企业。转向器类产品主要客户包括豫北机械、耐世特、采埃孚、博世华域、荆州恒隆、蒂森克虏伯、杭州世宝、万都、蜂巢、一汽光洋等;减振器类产品第一大客户为国内减振器总成龙头万都,其余客户包括比亚迪等;高精密类产品主要客户包括采埃孚、费尼亚、博世等。 铝合金轻量化业务,主要客户包括比亚迪、采埃孚等国内外知名整车厂和汽车零部件一级供应商。 空调压缩机业务,主要客户包括北汽福田、一汽奔腾、中国重汽、上汽大通、北汽越野等知名整车厂和江淮松芝、上海良澄、柳州松芝、江西新电、江苏创导空调等知名汽车零部件企业。 财务方面,2019-2023 年北特科技营收复合增速为7.6%,规模实现稳定增长,利润率稳中有升,2023 年公司底盘零部件和铝合金业务逐步释放产能,底盘零部件业务收入同比+7.0%,铝合金轻量化业务随着新项目量产,产销量大幅增长,收入同比+182.1%,空调压缩机业务随着市场回暖,收入同比+3.7%。2024 年前三季度北特科技实现营收 14.6 亿元,同比+9.6%;归母净利润0.6 亿元,同比+111%;扣非净利润 0.5 亿元,同比+127.3%;随着产能建设和项目投入各费用有所增加,但得益于规模效应,成本逐渐摊薄,公司盈利能力有望稳步提升。
贝斯特
起家于工装夹具,深耕涡轮增压领域,积累精密加工工艺与设备。贝斯特成立于1997 年 5 月,1999 年进入铝合金精密零部件制造,2002 年开始进入增压器精密件制造,并于 2017 年上市。2022 年 1 月布局直线运动部件,包括滚珠/滚柱丝杠副、滚动导轨副等。公司主要产品为涡轮增压器精密轴件、涡轮增压器叶轮、涡轮增压器中间壳、新能源汽车精密零部件、工装夹具等业务。
贝斯特核心管理层拥有多年产业经验,专业性强。贝斯特董事长曹余华曾任无锡机床厂工人、主任设计师、非标设计室主任,总经理、副总经理也具备多年的产业经验。
公司股权集中架构稳定。截至 2024Q3,贝斯特实控人为曹余华,直接持有贝斯特5.14%股份,通过持有贝斯特投资从而持有贝斯特49.80%股份;曹余华还持有无锡市鑫石投资合伙企业(有限合伙)37.69%股份,无锡市鑫石投资合伙企业(有限合伙)持有贝斯特 2.43%股份。曹余华的一致行动人为妻子谢似玄、女儿曹逸,分别持有贝斯特 1.40%、2.80%股份,公司控制权相对集中。
贝斯特利用在智能装备及工装领域的丰富技术积淀,将业务延伸至高端航空装备制造、自动化装备、工业母机以及人形机器人等领域,主拓展为三大板块:1)第一梯次产业:涡轮增压器核心零部件、各类精密零部件以及智能装备及工装等原有业务。第一梯次产业是贝斯特稳健发展的压舱石,主要产品包括两大部分:智能装备及工装(工装夹具+飞机机身自动化钻铆系统+生产自动化系统)、精密零部件(燃油车零部件+飞机机舱零部件+其他)。2)第二梯次产业:新能源汽车零部件业务,重点布局新能源汽车轻量化结构件。贝斯特 2019 年收购苏州赫贝斯后拓展新能源车零部件业务,产品包括新能源电动汽车安全扣件、汽车充电扣等铝合金和压铸零配件产品;全资子公司易通轻量化公司主要致力于新能源汽车轻量化产品,包括新能源汽车车载充电机组件、直流变换器组件等;22 年 6 月设立全资子公司布局新能源汽车轻量化结构件等。3)第三梯次产业:工业母机、人形机器人等领域,全面布局直线运动部件,产品包括:高精度滚珠/滚柱丝杠副、高精度滚动导轨副等。贝斯特积极布局人形机器人精密丝杠,行星滚柱丝杠顺利出样。2022 年 1 月贝斯特设立全资子公司“无锡宇华精机有限公司”,布局直线运动部件,产品包括高精度滚珠/滚柱丝杠副、高精度滚动导轨副等,瞄准中高端机床领域、自动化产业、人形机器人、智能网联汽车等领域进行大力开拓。2024 年上半年公司生产的滚珠丝杠副、直线导轨副等产品已应用于国内知名机床商部分型号的机床上;自主研发的行星滚柱丝杠已于 2023 年顺利出样,并紧跟市场发展以及技术方向。
贝斯特客户资源丰富、优质,支撑贝斯特实现稳定业绩和持续发展:精密零部件业务:与盖瑞特、康明斯、博马科技、长春富奥石川岛、博格华纳、皮尔博格等著名汽车涡轮增压器和发动机相关企业建立长期稳定的业务合作关系。在智能装备及工装业务中,公司已成为上汽通用、潍柴动力等整车整机厂的主要供应商之一。 新能源汽车零部件业务:纯电动汽车核心零部件方面,贝斯特已经与新能源汽车领域众多知名企业建立合作。混合动力汽车零部件方面,持续不断地积极主动参与客户新产品的创新研发,并跟随客户将业务拓展至整车客户端,众多主流插电式混动及增程式汽车都搭载了公司涡轮增压器核心零部件。营利稳步增长,人形机器人丝杠相关业务有望成为“第三成长曲线”。2019-2023年贝斯特营收复合增速为 10.86%,利润复合增速 9.5%,保持稳步增长。2024年前三季度营收 10.4 亿元,同比+3.5%,归母 2.3 亿元,同比+7.08%;扣非净利润2.1 亿元,同比+22.4%,毛利率、净利率均保持稳定。贝斯特在智能装备业务、汽车零部件业务上积累了精加工工艺和设备,当前已布局行星滚柱丝杠,未来在人形机器人端有广阔的应用空间,第三梯次的工业母机、人形机器人等领域业务有望为贝斯特带来继智能装备业务、汽车零部件业务后的“第三成长曲线”。
双林股份
双林股份成立于 2000 年 11 月,并于 2010 年上市,从事汽车部件的研发、制造与销售业务的专业智造企业。公司产品在多个细分领域拥有较强的市场竞争力。在汽车电动座椅关键零部件(HDM)、内外饰注塑件和安全件、车窗升降系统结构件、中大型高强度辊压件、轮毂轴承等领域内已经形成较大的规模和影响力,得到客户和主机厂的广泛认可和肯定。
公司股权集中架构稳定。截至 2024Q3,双林实控人为邬建斌,直接持有双林汽车4.49%股份,通过控制宁波致远投资公司持有双林集团57.14%股权,进而控制双林集团股份有限公司 45.29%的股权,合计控制双林49.78%股份,公司控制权集中。
公司业务布局多样化,内外饰、轮毂轴承、汽车机电等业务布并举,具备平台型供货的能力。各事业部积极提升技术研发能力、拓展客户市场、提高营运效率、优化管理效能等,各种资源得到有效配置,公司司产品以其功能性、可靠性、安全性及过程的管控力在国产零部件替代中占有一定的优势。
1)汽车内外饰及精密部件:内外饰包括保险杠、门板、立柱、中控、背门、侧围条等;精密注塑零部件包括安全气囊盖、油桶、点火线圈等;注塑模具包括汽车门板、保险杠、仪表台、天窗等,公司年模具加工能力1000 余套,检具200余套。2)智能控制系统部件:包括汽车座椅水平驱动器(HDM)与座椅电机。公司2000年开展 HDM 研发,是国内自主研发该产品最早的民营企业,已成为国内生产和销售汽车座椅水平驱动器规模最大企业之一;座椅电机主要包括水平滑轨电机、抬高电机、靠背调角电机等,公司水平滑轨电机已经逐步量产,抬高电机已经测试与小批量开始供货,电动头枕升降电机总成 2024 年下半年将逐步量产。3)新能源动力系统:新能源电动汽车电驱动系统产品包括驱动电机、二合一和三合一一体化电桥等,公司 155 平台电机目前市场保有量超过100 万台,180扁线电机三合一电桥平台于 2023 年 9 月开始逐步实现量产。4)轮毂轴承:全资子公司湖北新火炬,主要研发、生产和销售汽车轴承、轿车轮毂轴承单元,具有年产 1800 万套轮毂轴承及单元的生产能力,是我国轮毂轴承行业的龙头企业。公司境外投资新火炬泰国工厂,已布局3 条高端轮毂轴承生产线,实现全工艺流程本地化生产,2024 年 5 月已开始小批量产。
5)滚珠丝杠:汽车用滚珠丝杠轴承单元系将滚珠丝杠的外套与单列球轴承的内圈融为一体,再将其与轴承外圈、钢球及保持架装成一体,形成小的总成单元,主要用于制动和转向领域。公司计划从 EHB 制动用滚珠丝杠轴承到EMB 制动用滚珠丝杠、转向用滚珠丝杠轴承、机器人用滚柱丝杠产品逐步进行开发。已完成车用滚珠丝杠样件制造,预计 2024 年 12 月实现 EHB 用滚珠丝杠轴承项目定点。在人形机器人滚柱丝杠方面,内部已经完成正式研发立项,目前快速推进中。
较强的汽车零部件研发创新能力,零部件品类协同优势。双林股份设5 大研发中心,建有 1 座院士工作站、2 座博士后科研工作站、3 家高新技术企业研究开发中心、2 家获得 CNAS 认可的实验室。在汽车电动座椅关键零部件(HDM)、内外饰注塑件和安全件、车窗升降系统结构件、中大型高强度辊压件、轮毂轴承等领域内已经形成了较大的规模和影响力,得到客户和主机厂的广泛认可和肯定。随着汽车舒适性、智能化及节能化的要求不断提高,公司持续进行技术升级、产品迭代,以满足整车厂对产品性能不断提高的需求。 客户群体优质稳定,产品具有较强的协同效应。公司拥有稳定的优质客户群体。产品用户包括佛瑞亚、联合电子、博泽、奥托立夫、马勒、采埃孚、李尔、博格华纳、安道拓、麦格纳、法雷奥等全球知名零部件一级配套供应商和上汽通用五菱、大众、长安、日产、一汽、长城、福特、北京现代、东风、吉利、蔚来等主流整车厂。同时随着外延式发展,公司客户及产品协同效应明显。合理的战略布局及稳定的优质客户资源优势。公司已建立合理的战略布局,在国内多地以及泰国、北美等地布局生产、研发或售后服务基地,通过与OEM厂商就近配套,提高快速反应能力。同时公司通过提高产品设计精度、工艺技术进步、提高自动化水平、实施平台生产、推行全员质量成本控制和精益生产等方式,确保对成本的精确控制,不断地降低产品成本,具有成本领先优势。
双林股份 2020-2023 年营收复合增速为 3.7%,自 2020 年起归母净利润逐步上升,利润率稳中有升,各项费用率得到稳定控制。2024 年前三季度实现营收32.4亿元,同比+12.3%;归母净利润 3.7 亿元,同比+274%;扣非净利润2.4 亿元,同比+226.4%;2024 年公司内外饰及机电部件与轮毂轴承部件业务稳步增长,随着180扁线电机三合一电桥平台实现产业化开始放量,新能源电机业务大幅增长,24H1营业收入同比+266.1%,贡献较大的销售额度。
斯菱股份
斯菱股份是一家专业生产汽车轴承的汽车零部件制造企业,主营业务为汽车轴承的研发、制造和销售。所研发的产品涉及轮毂轴承、轮毂轴承单元、圆锥轴承、离合器、涨紧轮及惰轮轴承等多个产品系列。 公司自2004 年成立以来,以市场需求为导向、客户体验为基石、技术创新为动力,在汽车轴承领域积累了多年的售后市场及主机配套市场经验,致力于打造全球领先的汽车轴承民族品牌,成为具有全球竞争力的汽车轴承制造商。
公司主营业务是汽车轴承的研发、制造和销售。主要产品应用于制动系统、动力系统和传动系统。产品包括轮毂轴承单元、轮毂轴承、圆锥轴承、离合器轴承、涨紧轮及惰轮轴承、单项皮带轮、重卡轴承、驱动电机轴承等。在汽车轴承售后市场领域,产品型号覆盖率为各大供应商的核心竞争力之一。公司积累了多年的研发和生产经验,产品体系完善,覆盖多种型号规格。目前公司产品总共四大类产品,型号多达 6,000 余种,其中制动系统类轴承4,800 余种,传动系统类轴承1,000 余种,动力系统类轴承 300 余种,非汽车轴承100 余种。多样化的型号能够满足不同客户的订单需求,并有效减少前期试生产所耗费的时间周期,从而加快从订单下达到产品交付间隔时间,有效提高公司的订单管理能力。
公司重视全球化布局以及优质客户的深度绑定:
销售渠道及客户资源:经过多年的业务积累和并购整合,公司已实现北美、欧洲、亚洲等境外主要售后市场销售渠道的全覆盖。同时凭借在质量、产品体系、研发、组织管理等方面优势,公司在与众多知名企业的合作交流中,发展和积累了一批优质的客户资源,并与之建立长期稳定的合作关系。
海外产能布局:公司 2019 年设立泰国子公司,2023 年对泰国子公司进行第二期投资建设,新购置土地和厂房,并添置热锻线、正火线、感应热处理生产线等设备扩产,除此之外,公司已初步建立北美市场的本地服务能力,进一步加快公司主业全球化产业布局的节奏。
后续看点:根据公司战略发展规划,公司持续关注不断增长的机器人零部件市场。2023 年,公司完成组建专门的研发、技术团队,对机器人关节零部件产品进行研究开发,并取得相应成果。同时,公司已协作下游客户及上游供应商,组成完整的产业链,2024 年公司将会以产业链协同的形式参与新产品的投产工作。斯菱股份营收稳定,2019-2023 年营收复合增速为 18.94%,利润复合增速43.10%,毛利率与净利率持续增长,各项费用率稳定控制。2024 年前三季度实现营收5.57亿元,同比+5.06%;归母净利润 1.37 亿元,同比+28.13%;扣非净利润1.28亿元,同比+22.5%。公司主要业务制动系统类轴承与传动系统类轴承均实现30%+毛利率,高端汽车轴承智能化建设项目投产后预计释放大量产能。
(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)
精选报告来源:【未来智库】。