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20240124_国投证券_2024年人形机器人行业专题策略:人形机器人催生丝杠需求“卖铲人”有望优先受益_41页.pdf

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20240124_国投证券_2024年人形机器人行业专题策略:人形机器人催生丝杠需求“卖铲人”有望优先受益_41页.pdf

-A 2024 2024 1 24 S1450521120004 S1450122060030 2024 2024 Optimus 11.6%9.47%/2030 100 14/112/14 8/2/10/100 2030 33 2023 YWAZwPtOpMoPtNmPmRtMrQ7N8Q8OoMnNtRtPjMnNrQeRtRmR8OmMzRwMnRuMNZnNqP1 2/3.1 2030 33 3.2 3 4/5 1.1 丝杠的定义:能够将旋转与直线 运动相互转化的高精 密机械传动零部件,机械原理与生活中 的螺丝与螺母通过旋 转(“拧螺 丝”)发生轴 向位 移类 似;通 过 搭配 电 机(旋 转丝 杠)与导 轨(固 定螺 母)即可 实现 传 动功 能。常见的丝 杠类型:包括 梯形丝 杠(滑 动丝杠)、滚 珠丝杠 和行星 滚柱丝 杠。梯 形丝杠 结构简 单,但 精度差;滚珠 丝杠精 度高、效率高、价格高;行星滚 柱丝杠 承载力 强、耐 冲击、体积小,但结 构复杂、加工 难度高、成本 昂贵。丝 杠 结构:由丝 杠、螺 母组 成,通 过滑动摩 擦实 现旋 转 直线 传 动 应 用 场景:大负 载但 工 作转 度和 工 作制要求 很低 的应 用 场景 丝 杠 结构:由丝 杠、螺母、滚珠 组 成,还 包 括油 孔 与防 尘片,通过 滚珠 链 的滚动摩 擦实 现旋 转 直线传动 应用 场景:中等 性能要 求的应 用场景 丝 杠 结构:由丝 杠、螺母、滚柱 组 成,还 包 括行 星 架、挡圈、内齿 圈等,通过滚柱的滚 动摩擦 实现旋 转直线 传动 应用场景:高速 重载 工 作的 应 用场 景梯形丝杠 滚珠丝杠 行星滚柱 丝杠丝杠螺母丝杠螺母滚珠丝杠滚柱螺母挡圈行星架内齿圈图:常见 三类丝 杠简要 介绍资料来源:行星滚柱丝杠电动缸应用现状,国投证券研究中心注释:行星滚柱丝杠因其滚柱在围绕丝杠公转的同时完成自转而得名1.1 C0 C1 C2 C3 C5 C7 C10 滚珠丝杆的JIS 等级可分为C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10 级,精度 表 示方 法为 无 论滚 珠丝 杠的 长度 为 多长,任取300mm 的误差都在等级代表的 精度 之内,如精 度 等级 为7 级时,任意300mm 行程 内行 程变 动 量为0.050mm,即C7=0.05。300mm C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C10 300ISO DIN 6 12 23 52 210JIS 3.5 5 8 18 50 210HIWIN 3.5 5 6 8 12 18 23 50 100 210资料来源:上银官网,产业链调研,国投证券研究中心表:滚珠丝杠国际标准精度等级 Dn Ra-表:滚珠丝杠评价指标1.1 30.0%40.0%30.0%CMC THK NSK 5.0%5.0%90.0%CMC THK NSK 从市场格局来看,欧美系、日系、台 系占 据我 国 滚动 功能 部件(丝杠&导轨)中高 端 市场 主导,大陆 制造 商产 品竞 争 力不 足。根 据金 属加工杂志社数据,在国内高 端市场,欧 美日 企业 市 场占 有率 高达90%,中国大陆、中国 台湾 制造 商市 场份 额 各约5%,高端市场 格局相对集中;在国 内中 低端 市 场,大 陆制 造 商拥 有 过约30%,中低 端 市场 格 局相 对 分散。高端市场:对应下游市场主要为高精度切割、高速 加工 和高 速定 位的CNC 机床、印刷机、精密机器人、航空航天、电动汽车、3C 装备等重点 领域。中低端市场:主要以生 产率高、价格低廉,并能保持 机械效率 高、耐磨 性 好的 产品 为主,下 游应 用精 度要 求不 高,下游 主 要 为工 程机械、普 通机床、打包 机、注 塑机等 领域,也包括 医院病 床、手 术台、千斤顶、小型 起重机、阀门 开关 等 应用 场 景。图:中国 品牌在 国内中 低端市 场占据 一席之 地 图:国内 高端 应 用市 场 基本 被 欧美 日 系产 品 垄断资料来源:金属加工杂志社,国投证券研究中心 1.2 滚柱 丝 杠与 滚珠 丝杠 的最 大区 别在 于前 者滚 动体 为“滚柱”而非“滚珠”,滚动体与丝杠 与螺母的接触 形式为“线接 触”而非“点接触”,相比 滚珠丝杠接 触面积更大,能承 受更 大 负荷 和冲 击。因此,相较梯形丝杠与 滚珠丝杠,行星滚柱丝 杠具备大 承载、高刚度、高转速、长寿 命等 优 势,更 适用 于 高速 重 载的 应 用场 景。表:行星 滚柱 丝 杠拥 有 更优 综 合性 能资料来源:航天精密传动机构行星滚柱丝杠的设计与研究,行星滚柱丝杠承载与摩擦特性究,循环式行星滚柱丝杠副的设计及运动连续性研究,观研天下,国投证券研究中心指标 梯形丝杠 滚珠丝杠 行星滚柱丝杠传动效率 低,仅24%-26%高,可达92%-98%,节能显著 较高,摩擦力较小时可达90%转速慢,滑动摩擦发热验证,转速不超过3000RPS较快,点接触滚动摩擦热效应小,转速为3000-5000RPS快,线接触滚动摩擦热效应小且承载力强,转速可达6000RPS导程精度 低,品质参差不齐 较高,受滚珠直径限制,常为毫米级高,可通过调整螺纹头数等因素使导程达到更小的微米级使用寿命 短,滑动摩擦对元器件损伤较大较长,滚动摩擦损伤小,但滚珠碰撞易缩短寿命长,滚柱丝杠10倍以上,荷载运动可达1000 万次以上,5-10倍 滚珠丝杠寿命微进给 难以实现,滑动运动存在爬行现象 可实现,滚珠运动的启动力矩小 可实现,滚柱运动的启动力矩小自锁性有,与导程角大小和工作面粗糙度有关无,需加装制动装置 无,需加装制动装置国产化率 充分 60%以上 起步阶段 Optimus 1.3 根据结构不 同,滚柱 丝杠分为 标准式、反向式、循环式、差动 式 与轴 承 环式,反 向 式结 构(螺母 旋 转,丝杠 传动,与 标准式相 反)长度较大、结构更为紧凑,成为特斯拉Optimus 人形机器人直线关节传动装置的解决方案。表:行星 滚柱 丝 杠主 要 分为 五 类资料来源:行星滚柱丝杠传动精度分析与设计,TeslaAIDay,国投证券研究中心类别 特点 应用 图示标准式行星滚柱丝杠丝杠、螺母 为三 角形 多头 螺纹,滚柱 为具 有一 定 螺旋 升角 的球 形单 头 螺纹,并在其 两端 加工 有 直齿,内 齿圈固定在 螺母两端并 与滚柱两 端的直齿轮 啮合。丝杠为主动 件,螺 母为输 出构件,行程 较大应 用于 环境 恶劣、高 负载、高速等 场景,主 要应 用于 精密 机床、机 器人、军 工装 备等 领域,是目前应用最 广泛的 类型反向式行星滚柱丝杠螺母无内齿圈,丝杠 两端 加工 有直 齿 与滚 柱两 端 的齿 轮啮 合,长度 比 标准 式更大。螺母为主动 件,丝杠 为输 出构 件,优势 为螺 母作 为电 机转 子实 现 电机 和丝杠一 体化 设计,结构更 为紧凑,劣势 为行程 受到螺 母螺纹 长度限 制应 用于 中小 负载、小 行程 和高 速的 场景,可 替代 传统 液压、气压伺 服作 动系 统 应用 于航 空、航天、船舶、电 力等 领 域循环式行星滚柱丝杠螺母无内齿圈,增加 凸轮 环结 构,功 能类似滚珠 丝杠的返 回器,使得 滚柱 在螺母内 旋转 一周 后 回到 初始 位置,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。该结 构增加了参与啮合的螺纹 数量,优 势为 较高 的 刚度 和较 大 的承 载能 力,劣势 为 其凸 轮环结构会产 生振动 冲击,存在 噪 音应 用于 要求 高刚 度、高承 载、高精 度的 场景,如 医疗 器械、光学精密 仪器 等领 域差动式行星滚柱丝杠螺母无内齿圈,滚柱无齿 轮段。滚柱、螺母 均为 环槽 结构,且滚 柱环 槽分 为多段,小中 径段 与 螺母 啮合,大中径段 与丝杠啮合,优势 为 导程 较小,劣势为螺纹滑动,重载 下 易磨 损,导致 精度 丧 失,可 靠性降 低应 用于 传动 比较 大,承载 能力 较高的场景轴承环式行星滚柱丝杠滚柱与循环式相 同,为环 槽结构,螺 母无内齿圈,增加 壳 体、端盖 及 推力 圆柱滚子轴承等部件,较大 提 升承 载能 力,减小构件 间的磨损,提升传动 效率。但存在 结构 复杂,径向尺 寸大,制造成 本高等 缺点应 用于 高承 载、高效 率等 场景,如石 油化 工、重 型机 械 等领 域图:特斯 拉Optimus 直线关 节应用 反向 式行 星 滚柱 丝 杠行星滚柱反向式行星滚柱丝杠20.87%22.41%8.13%30.8%0.3%0.9%1.8%14.8%+1.4 行星滚柱丝杠是直线执行器中的核心零部件。从价值量占 比来看:根据我们对特斯拉Optimus 的成本拆分,可以得到旋转、线性、手部 关 节执 行器 的价 值量 占比 之和 达51.41%,其中 占机 器人 总 制造 成本的12.07%;核心零部件方面,丝杠总成本占比11.6%,其中行星滚柱丝杠占比9.47%,滚珠丝杠占比2.13%,仅次于电机的成本占比,价值量较高。核心零部件壁垒排序:行星滚柱丝杠 六维力矩传感器谐波减速器空心杯电机无框力矩电机行星减速器轴承资料来源:Tesla AI Day,Ebay,各公司官网,国投证券研究中心图:特斯 拉Optimus 中,关 节成 本 占比 过 半 图:特斯 拉Optimus 中,丝 杠主要 应用于 线性关 节与灵 巧手滚柱:9.47%滚珠:2.13%图:特斯 拉Optimus 中,丝 杠在核 心零部 件成本 占比第 二,达12.07%应用丝杠15.52%12.07%7.76%7.51%5.54%3.02%0%5%10%15%20%2.1资料来源:行星滚柱丝杠传动精度分析与设计,精密行星滚柱丝杠副工艺制造与传动性能研究,国投证券研究中心丝杠 螺母 滚柱 内齿圈 行星架 挡圈 轴端挡圈行星滚柱丝杠丝杠螺母内齿圈挡圈滚柱行星架销钉 行星滚柱丝杠是通过螺纹牙之间的啮合来实现运动和载荷的传递的,因此螺纹和齿轮的加工精度会对其装配、传动及承载特性产生直接影响,进而影响到丝杠副的使用效果与寿命。行星滚柱丝杠中加工难度较大的零部件为 丝杠、滚柱、螺母及内齿圈:1.丝杠:带有三角形螺纹牙的细长杆件(外螺纹);2.滚柱:带有齿轮和圆弧形螺纹牙细小杆件(外螺纹);3.螺母:带有三角形螺纹牙的内螺纹零件(内螺纹);4.内齿圈:壁厚较薄、齿数较多的内啮合齿轮。2.2 行星滚柱丝杠加工难度较大的零部件为丝杆、螺母、滚柱、内齿 圈,加工流程基本一致,可大致分为 前道 的粗加工(车削和 铣削)以及后道 的精 加 工(磨削),以 螺 纹加工 为例,先通过车 削制出 初步的螺 纹滚道,再采取 粗磨、半 精磨、精磨 的方 法制 出成 品丝 杠,根据 精密行 星滚柱 丝杠副 工艺制 造与传 动性能 研究,加工 工艺 周 期约 为30-45 天。资料来源:精密行星滚柱丝杠副工艺制造与传动性能研究,精密滚珠丝杠机械加工工艺规程研究,国投证券研究中心注释:上图工序均为磨制行星滚柱丝杠加工工序丝杠毛坯预备热处理矫直加工端面与中心孔粗车高温时效并检验加工端面修中心孔半精车 铣粗磨感应淬火并检验研中心孔粗磨探伤时效处理并检验研中心孔半精磨 低温时效并检验铣键槽磨端部螺纹精磨并全面检验入库图:丝杠 加工工 序(22道)螺母毛坯预备热处理粗车高温时效并检验半精车铣螺纹粗磨渗碳淬火并检验 粗磨探伤时效处理并检验半精磨低温时效并检验精磨并全面检验入库图:螺母 加工工 序(15道)滚柱毛坯预备热处理矫直加工端面与中心孔粗车高温时效并检验加工端面修中心孔半精车 滚齿铣粗磨表面氮化研中心孔粗磨探伤时效处理并检验研中心孔 半精磨低温时效并检验铣键槽磨端部螺纹研中心孔图:滚柱 加工工 序(24道)精磨并全面检验入库图:内齿 圈加工 工序(12道)下料锻造尺胚去应力退火粗车调质半精车插齿氮化强力喷丸 磷化处理清理表面成品检验 2.2资料来源:精密行星滚柱丝杠副工艺制造与传动性能研究,精密滚珠丝杠机械加工工艺规程研究,国投证券研究中心图:行星 滚柱丝 杠核心 工艺及 对应设 备/粗加 工环 节,技 术路 线 可分 为 磨削/铣削/滚 轧三 种 路线,根据 不 同精 度/加 工效 率/成本/应用 选 择 路线。精加 工环 节,针 对高 精 度丝 杠 加工,目前 磨 床为 关 键必 备 设备。AC0-C2200 30-45 0.5-0.7AC3-C5 40 20 0.3-0.5AC7-C10 200 5/2.3加工效率:滚轧铣削 研磨加工精度:研磨铣削 滚轧 磨削工艺 采 用螺 纹磨床,适用 于C0-C2 精度 偏上 的丝 杠 加工,需要 粗 磨和 精 磨多 轮 加工,加工效 率较低;铣削工艺 采 用旋 风铣 床,加工 效率 比 磨床 更 快,适 用于C5 级别 精 度的 丝 杠加 工;滚轧工艺 采 用螺 纹滚 轧 机,适 用于C7-C10 精度 较低 的应 用 场景,一般加 工工艺 周期约 为1-3 天,耗时 与 成本 更 低。资料来源:精密滚珠丝杠机械加工工艺规程研究,产业链调研,国投证券研究中心表:丝杠 加工 方 案对 比 THK NSK IKO Schaeffler Rexroth HIWIN PMI TBI 表:主流 丝杠 企 业采 用 方案 2.3 磨 削工 艺 对应 的 核心 设 备为 螺 纹磨 床,根据 加工 类 别主 要分 为外 螺 纹与 内 螺纹 两 类,使 用螺纹 磨床磨 削得到 的丝杠拥 有最高的精密等级,也是行星滚柱丝杠生产工艺的关键必备设备。资料来源:中国传动网,欧洲机床网,国投证券研究中心图:磨削 工艺 对 应设 备 为螺 纹 磨床类别 用途 加工原理 工艺图示 工件图示外螺纹磨床磨 削 加 工 工 件外表面利 用 工件 两端 的 顶尖 孔,把 工 件支 承在 磨 床的 头 架及 尾 座之 间,磨 削时 工 件在 主 轴带 动下 作 旋转 运 动砂轮作横向进给内螺纹磨床磨 削 加 工 工 件的 内 表 面 或 内孔,准 确 去 除工 件 内 表 面 上的材料工 作 时 工 件 固 定 不 动,砂轮 除 绕本 身轴 线 高速 旋 转外 还 绕被 加工 孔 的轴 线 回转,以实现圆周进给外螺纹内螺纹表:丝杠 主要 应 用外 螺 纹与 内 螺纹 螺 纹磨 床 2.3 滚轧工艺(对应 设备为 滚压机)主要 加工步 骤如下:滚压 机将 未 经过 热 处理 的 金属 棒 轧制 出 螺纹 滚 道,后 续进行 热处理 硬化。滚轧 工艺 一般 针对 低精 度 等级 丝杠:一般 而 言,C5 级别以上的丝 杠都需进 行磨削工 艺,轧制丝 杠的精度 通常为C7/C10,但滚 轧在生产效 率上 具有 优 势,一 般加工 工艺周 期约为1-3 天,耗 时与成 本低。铣削工艺(对应设备为旋风铣床)主要加工步骤如下:对金 属圆 棒进 行淬 火和 简单 的外 圆磨 削,来保证丝 杠表面的硬度、尺 寸和公差;使用 旋风 铣将 螺 纹滚 道 直接 铣 削出 来(精度 为C5 左右),最后 需 要用 磨 床对 滚 道进 行 最后 精 磨(精 度能够 达到C0)。旋风铣工艺兼 顾效率和 精度,但 在行 星滚 柱 丝杠 加工 存在 局限 性:旋风 铣 能够 加工 得到 精度 中等 的螺 纹滚 道,配 合磨 削工 艺 能够 得到高精度的丝 杠成品,整体上兼 顾效率与精 度。但由 于行星滚 柱丝杠为多 头螺纹,旋风 铣工 艺需 要采 取锯 齿形 铣 刀才 能够 同 时加 工两条滚道,并且 由于多 头螺纹 的螺距 更短、铣刀刀 头较为 尖锐,易发生 零件的 磨损与 崩坏。资料来源:机床网,科玛特机电,INNOCUT,国投证券研究中心图:丝杠 的滚轧 制作工 艺 图:丝杠 的旋风 铣制作 工艺 图:单头 螺纹(左)多 头螺 纹(右)33 100 14 8 12/96/12 8/2/10/100 100 100 100/14 112 14 1400 11200 1400 300 8h144000 144000 144000/8 2 10/18000 72000 14400 778 1556 972/100 100 100/7.78 15.56 9.72 33.06 38.22 Tesla AI Day 2022 333.1 1 12 8 4 Tesla AI Day 2022 170 15 4005 4 0.5 3.77 45.24 2 50/100/150 3 500 300 500 Tesla AI Day 2022 3.1 50 100 150 50 100 150 12 12 12 12 12 12 3.77 3.77 3.77 3.77 3.77 3.77 45.24 45.24 45.24 45.24 45.24 45.24 2262 4524 6786 2262 4524 6786 500 500 500 300 300 300 8 8 8 8 8 8 500 500 500 500 500 500 1.81 3.62 5.43 3.02 6.03 9.05 19 60 NSK THK BLOHM 3.2 3.2 Precision Surfacing Solution(PSS)1948 Lapmaster Peter Wolters ELB aba REFORM KEHREN MICRON ISOG Barnes 9 United Grinding Group 1978 20 2300 Hardinge 1980 125 65 Fives 1812 120 141 Hamai Company 1921 90 AM Technology 2000/ADL VRG CE Mitsui Seiki 1928 100%TOYO 1953 2006 10000 2022 255 2000 80%1993 T 1965 2022/38/18/-/2000 80%30 25 2010 A 2014 MCM 2018 Airwork 2023H1 MCM4.84 54.23%20.46%SKF FAG NSK JTEKT BOSCH ZYS CSC Fersa MTU Ruag GE RR MCM3.56 5.92%18.26%MRO Freightways DHL ASL Blue Air Airwork0.53 39.85%5.04%4.1-5.76%-38.93%-52.94%-3107.87%95.28%-4000%-3000%-2000%-1000%0%1000%-20-15-10-5052018 2019 2020 2021 2022 2023Q1-Q3%36.97%35.66%35.84%32.72%26.54%19.77%-80%-60%-40%-20%0%20%40%60%2018 2019 2020 2021 2022 2023Q1-Q3(%)(%)2023Q1-Q3 14.46-4.58%Airwork 2022-15.26 Airwork-15.64 MCM-26.54pct 2023Q1-Q3-0.54+95.28%9.71%-11.36%14.11%-2.09%-4.58%-20%-10%0%10%20%05101520252019 2020 2021 2022 2023Q1-Q3 yoy%0%10%20%30%40%50%2019 2020 2021 2022 2023Q1-Q3%2023Q1-Q3 14.46-4.58%2023Q1-Q3-0.54+95.28%Wind 4.1 2000 2021 2023 1000 2023 4.1 1993 2012 2020 30 1 2 2023Q1-Q3 4.65+3.62%2023Q1-Q3 0.22-58.04%27.13%-6.59pct Wind-9.97%6.71%31.73%16.68%3.62%-20%-10%0%10%20%30%40%01234567%-20.92%16.75%37.14%-19.08%-58.04%-80%-60%-40%-20%0%20%40%60%00.10.20.30.40.50.60.70.8%35.81%34.21%35.21%34.43%31.86%27.13%13.49%11.85%12.97%13.50%9.36%4.82%0%5%10%15%20%25%30%35%40%(%)(%)2023Q1-Q3 4.65+3.62%2023Q1-Q3 0.22-58.04%4.2 1 2+ISO 40%+10 3/ISO VC7000 0.015mm 0.004mm 73.33%300mm 0.02mm 0.01mm 50.00%0.01mm 0.005mm 50.00%0.008mm 0.004mm 50.00%0.005mm 0.002mm 60.00%0.015mm 0.008mm 46.70%0.015mm 0.008mm 46.70%X/Z 0.032/0.022mm 0.012/0.008mm 62.5%/63.6%X/Z 0.032/0.022mm 0.012/0.008mm 62.5%/63.6%X/Z 0.01/0.006mm 0.005/0.003mm 50%/50%0.01mm 0.002mm 80.00%ISO 40%+T55 QT150L LYNX235II Hardinge Gs200 15/11KW 15/11KW 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