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敬请参阅最后一页特别声明-1-证券研究报告 2024 年 2 月 20 日 行业研究 丝 杠：线性 传动核 心部 件，国产替 代星 辰大 海 人形机 器人行 业 系列报 告（四）电力设备新能源 特斯拉机 器人 Optimus 躯 干 共有 28 个 关节，旋转 关 节和直线 关节各 14 个。其中线性执 行器配 备反向 式行 星滚柱丝 杠，将电机 的旋转 运动转换 为直线 运动。相比其他直 线机构，丝杠 在 承 载能力、位置可 控性、抗冲 击性 等多 方面具 备优势，具备效率 高，紧 凑性好、耐 用性 强 等 特点。产品 方面 滚珠丝杠：传动 效率 高、定 位精度高。精度 等级有 P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10。根 据秦川 机床公 告，2022 年全 球市场 规模 预 计为 18.6 亿美 元，我国市 场规模 27.7 亿元。目 前国内 行 业供需缺 口明显，2021 年 国内 需求量 约 1406 万套，产量约 983 万套。滚珠丝 杠 高端市场 基本被 德国力 士 乐、日本 THK、NSK 占据，中端市场 则由德 国、日 本品 牌（力士 乐、THK、NSK），中国台 湾品牌（上银、银泰），中国大 陆品牌（汉 江、南工 艺）占 据。行星滚柱 丝杠：高承载，耐 冲击，长 寿命，体积小。主 要分为标 准式、反向式、循环式、轴承 环式 和 差动式 四类。标准精 度等级 为 G1、G3、G5。根据 IHSMarkit，2022 年 全球销 售数量 8.6 万根，销 售额 6.5 亿元人 民 币，其中 中国 销 售数量 1.0万根，销 售额 1.1 亿元人 民 币。目前 国内市 场中，SKF、Rollvis、GSA 等国际 品牌市占率 较高，此外还 有南 京工艺和 济宁 博 特两家 国 内 品牌。工 艺方 面 工艺方面，需 综合考 虑丝杠 精度与生 产效率 的平衡。按 照精度排 序，依次是 磨削旋风铣 辊轧，按照生 产效 率排序，依次是 辊轧 旋风 铣 磨削，而硬 车削通 常作为螺纹滚 道半精 加工 的 选择 之一。为了 满足人 形机器 人 降本、放量 的要求，行星滚柱丝杠 的生产 效率和 量产 成本需在 当前水 平基础 上有 较大下降。我 们预计，在满足精度 要求的 前提下，中 精度丝杠 使用旋 风铣、辊 轧 更能适应 大批量、快速交付的要求，而磨 床将在 高精 度丝杠中 继续占 据不可 替代 的地位。投 资建 议：人形机器 人与人 工智能 技术 不断突破，产 业链正 处于放 量前夕，相关 产业链 面 临巨大投资 机遇。丝 杠作为 人 形机器人 核心 传动 部件，正 面临新一 轮产业 机遇。其中行星滚 柱 丝杠 为了满 足人 形机器人 降本、放量 的要求，生产效 率和 量产成 本需在当前水 平基础 上有较 大下 降，生产工 艺正持 续优化 中，设备、技 术等均 存在较大国产替 代空间。产品层面：行 星滚柱 丝杠 部 分厂商已 具备生 产能力 并向 下游客户 送样；工艺 层面：磨削、旋 风铣、辊轧、硬态 车削预计 都将发 挥作用。建议关注：（1）积极 布局 行星滚柱 丝杠产 品的 贝 斯特、五洲新 春、恒 立液压；（2）高 端磨床、“以 车代 磨”、“以铣代 磨”等 工艺 路线：浙 海德曼、华辰 装备、秦川 机床、日发精 机。风 险分 析：（1）产 业化进 程不及预 期；（2）竞 争加 剧风险；（3）核心技 术进步不及预 期。买入（维持）作者 分析师：殷中 枢 执业证 书编 号：S0930518040004 010-58452071 分析师：黄帅 斌 执业证 书编 号：S0930520080005 0755-23915357 分析师：和霖 执业证 书编 号：S0930523070006 021-52523853 分析师：陈佳 宁 执业证 书编 号：S0930512120001 021-52523851 联系人：李佳 琦 021-52523853 行业与沪深 300 指数对比图-40%-20%0%20%2022/12/30 2023/04/30 2023/08/29 2023/12/28电力设备(申万)沪深300 资料来源：Wind 相关研报 经典五指 灵巧手 拆机：科研及 通用 篇 人 形机器人专题（三）（2023-11-27）经典五指 灵巧手 拆机：医疗假 肢篇 人形 机器人专题（二）（2023-11-18）经典五指 灵巧手 拆机：航空航 天篇 人形 机器人专题（一）（2023-11-16）要点 敬请参阅最后一页特别声明-2-证券研究报告 电 力设 备新 能源 投资聚 焦 随着大模 型等 AI 技术 取得 突破性进 展，作 为其重 要载 体的人形 机器 人 受到广 泛关注。2023 年 10 月，工信 部 印发 人 形机器 人创新 发 展指导意 见，称 人 形机器人有望 成为继 计算机、智 能手机、新能 源汽车 后的颠 覆性产品。为 此，我们撰写一系列 有关人 形机器 人的 报告，对相关 产品、技术 进 行梳理，并提 示相关 的投资机会。我们与市场的不 同 之处 市场对于 行星滚 柱丝杠 的制 造工艺尚 缺乏清 晰的框 架，我们从 丝 杠精度 与生产 效率出发，系统性 对比了 磨削、硬车削、旋风 硬铣、辊轧 等路线的 优劣势，并对 长期趋势做 出预判。股价上涨的催化 因 素（1）重 大节 点性 事件催 化。人形机器人产 业正处 于产业 化前 夕，容易 受到重大节点性 事件催 化，如 特斯 拉举办 AIDAY，Optimus 产品 发布新 进展，以及其他 国内外 人形机 器人 厂商发布 新产品 等；（2）人 形机 器人 技术取 得突 破性进 展。人形机器人的 成熟建 立在 AI 大模型、自动驾驶 等多项 前沿技 术之 上，底 层技术 的快速 成熟有 助于进一 步推动人形机器 人产业 化落地；（3）订 单与 投资。随着人形机器 人在诸多 场景落 地，产 业将 迎来实质 性落地。如果行业 内披露 相关订 单、投资计划，将对 股价形 成催 化。投资观点 产品层面：行星滚 柱丝杠 部 分厂商已 具备生 产能力 并向 下游客户 送样；工 艺层面：磨削、旋 风铣、辊轧、硬态 车削预计 都将发 挥作用。建议关注：（1）积 极布局 行星滚 柱丝 杠产品的 贝斯特、五洲 新春、恒立液 压；（2）高 端磨床、“以 车代 磨”、“以铣代 磨”等 工艺 路线：浙 海德曼、华辰 装备、秦川 机床、日发精 机。WUDWuNtOnOqRpRmPmRoRmN8OaO8OsQrRoMqMkPpPoMfQpNnPaQnNvNuOtQsRMYqRuN 敬请参阅最后一页特别声明-3-证券研究报告 电 力设 备新 能源 目录 1、丝杠：高 性能线性传动机构.6 2、滚珠丝杠：广泛应用，高效精准.7 2.1、滚珠丝 杠较 滑动 丝杠 更具 优势.7 2.2、滚珠丝 杠分 内循 环、外循 环两大 类型.8 2.3、滚珠丝 杠市 场：国内 企业 正向中 高端 渗透.10 3、行星滚柱 丝杠：下一代高承载产 品.13 3.1、行星滚 柱丝 杠：高承 载、高速度、长 寿命.13 3.2、行星滚 柱丝 杠主 要具 有五 种类型.14 3.3、行星滚 柱丝 杠市 场：国内 外企业 差距 相对 较大.15 4、滚珠丝杠 与行星滚柱丝杠的对比.17 5、丝杠加工 工艺：生 产效率与产品 精度的平衡.19 5.1、辊轧路 线：精密 滚轧 技术 提效降 本潜 力大.21 5.2、先 车 后 磨：经 典 工 序 精 度 高，生 产 效 率 更 待 提 升.23 5.3、热 处 理：隐 形 壁 垒，需 控 制 精 度.24 5.4、旋 风 硬 铣：新 兴 工 艺，兼 具 生 产 效 率 与 产 品 精 度.25 5.5、硬 态 车 削：螺 纹 滚 道 半 精 加 工 方 案.28 6、工艺路线 对比：精度、成本、效 率、环境.31 6.1、国内在 专利、经 验、原材 料的差 距.32 6.1.1、专利：国 内正 在持 续追赶 中.32 6.1.2、经 验：需 要 不 断 积 累 以 提 高 精 度.33 6.1.3、原材 料：上下 游要 协同，提升 纯净 度.34 6.2、发展趋 势：面向 量产 任务，设备 与原 材料 升级.35 7、投资建议.36 7.1、产品方面.36 7.2、工艺方面.37 8、风险分析.41 敬请参阅最后一页特别声明-4-证券研究报告 电 力设 备新 能源 图目录 图1：特斯 拉Optimus 的6 类执行 器.6 图2：特斯 拉Optimus 旋转 执行器 与线 性执 行器.6 图3：滑动 丝杠 与滚 珠丝 杠传动 效率 对比.7 图4：导程 精度 的说 明.9 图5：不同 用途 区分 的滚 珠丝杠 精度 等级 表.10 图6：各行 业领 域应 用滚 珠丝杠 比例（2020 年）.11 图7：2015-2022 年全 球滚 珠丝杠 市场 规模.11 图8：2015-2022 年中 国滚 珠丝杠 市场 规模.11 图9：2014-2022 年中 国滚 珠丝杠 产需 缺口 情况.12 图10：2014-2022 年 中国 滚珠丝 杠价 格走 势情 况.12 图 11：2021 年 国内 滚珠 丝 杠高端 市场.12 图12：2021 年 国内 滚珠 丝 杠中端 市场.12 图13：行 星滚 柱丝 杠结 构 图.13 图14：滚 柱丝 杠与 滚柱 螺 母啮合 原理 图.13 图15：行 星滚 柱丝 杠的 应 用场景.16 图16：2022 年 中国 滚柱 丝 杠份额 预测.16 图17：行 星滚 柱丝 杠成 本 构成.16 图18：滚 柱丝 杠的 销售 预 测.17 图19：滚 珠丝 杠与 行星 滚 柱丝杠 应用 历程 对比.17 图20：行 星滚 柱丝 杠所 有 零件.18 图21：行 星滚 柱丝 杠与 滚 珠丝杠 对比.18 图22：行 星滚 柱丝 杠误 差 来源.19 图23：行 星滚 柱丝 杠关 键 技术.20 图24：不 同类 型丝 杠的 制 造工艺.20 图25：行 星滚 柱丝 杠螺 纹 副的加 工工 艺方 法.21 图26：轧 制滚 珠丝 杠制 作 过程.22 图27：砂 轮加 工外 螺纹 螺 旋面.23 图28：磨 削实 验用 五线 砂 轮.23 图29：丝 杠制 造相 关热 处 理方式.24 图30：切 削温 度与 切削 速 度变化 关系.25 图31：软 铣与 硬铣 的区 别.25 图32：滚 珠丝 杠旋 风铣 削 加工示 意图.26 图33：旋 风铣 外 螺纹.26 图34：旋 风铣 内 螺纹.26 图35：汉 江机 床厂 自主 研 发8m 旋风机 床.27 图36：Leistritz 生产的LWN190 旋 风铣 床.27 图37：三 维螺 纹车 削的 简 化模型.28 图38：螺 纹车 削的 分析 区 域.28 图39：CBN 专 用车 刀与 刀 杆.30 敬请参阅最后一页特别声明-5-证券研究报告 电 力设 备新 能源 图40：丝 杠螺 纹车 削现 场.30 图41：螺 纹车 削的 进刀 方 法.30 图42：径 向进 刀法 的进 刀 量分配 方式.30 图43：专 利申 请趋 势图.32 图44：各 关键 技术 分支 的 专利申 请情 况.33 图45：丝 杠 高 效规 模化 生 产发展 趋势.35 表目录 表1：直线 机构 性能 对比.6 表2：滚珠 丝杠 分类 与特 点.8 表3：滚珠 丝杠 国际 标准 精度等 级（单位：0.001mm）.9 表4：行星 滚柱 丝杠 分类 与特点.14 表5：行星 丝杠 公差 等级.15 表6：行星 滚柱 丝杠 与滚 珠丝杠 对比.18 表7：行星 滚柱 丝杠 产品 竞争品 牌分 析.19 表8：丝杠 工艺 流程.23 表9：滚珠 丝杠 三种 螺纹 制造技 术的 对比.31 表10：滚 珠丝 杠三 种螺 纹 制造技 术环 境对 比.31 表 11：具 体参 数及 要求（单位：mm）.33 表12：材 料的 化学 成分 对 比表（单位：%）.34 表13：丝 杠主 要厂 商.36 表14：国 外各 类型 的磨 床 具有代 表性 的生 产商.37 表15：海 外丝 杠机 床主 要 参与者.38 表16：国 内上 市公 司中 丝 杠行业 主要 参与 者.39 敬请参阅最后一页特别声明-6-证券研究报告 电 力设 备新 能源 1、丝杠：高性能 线性传 动机构 特斯拉机 器人 Optimus 躯 干 共有 28 个关节，旋 转关 节和直线 关节各 14 个。每个关节对 应 1 个执 行器，为 满足大批 量生产 的需要，特 斯拉最终 选取了 6 类执行器应用 于 28 个 关节，6 类执行器 中有 3 类 旋转执 行 器，3 类线 性执行 器，其中线性执 行器重 量从 0.36kg2.20kg 不 等，推力分 别为 500N，3900N 与 8000N，配备反向 式行星 滚柱丝 杠，具备效率 高，紧 凑性好、耐 用性强等 特点。图 1：特斯拉 Optimus 的 6 类 执行器 图 2：特斯拉 Optimus 旋转执 行器与线性执 行器 资料来源：TeslaAIDay2022 资料来源：TeslaAIDay2022 在线性执 行器中，反向 式行 星滚柱 丝 杠负责 将电机 的旋 转运动转 换为直 线运动。相比其他 直线机 构，丝杠 在 承载能力、位 置可 控性、抗 冲击性 等 多方面 具备 优 势。表 1：直线机构性能对比 项目 直线电 机系 统 气动伺 服系 统 液压伺 服系 统 齿轮齿 条系 统 滚珠丝 杠系 统 行星滚 柱丝 杠系统 承载能 力 低 高 很高 高 高 很高 寿命 较长 较长 较长 较长 较长 很长 速度 较快 很快 中等 较快 中等 很快 有无泄 露 无 有 有 有 无 无 位置可 控性 容易 很困难 困难 容易 容易 容易 抗冲击 性 高 高 很高 高 很高 很高 机械刚 度 中等 低 高 高 中等 较高 相对体 积 小 大 大 大 中等 小 摩擦 小 中等 小 小 小 小 效率 中等 中等 很高 很高 较高 安装 简单 复杂 复杂 简单 简单 简单 资料来源：杜兴 行星滚柱丝杠 承载与摩 擦特性研究 常见的丝 杠产品 包括滑 动丝 杠、滚 珠丝杠、行 星滚柱 丝 杠等。丝杠轴 上有圆 弧轮廓，此轮 廓在轴 上按照 一定 的升角（导程角）盘旋 在轴 上，基本 原理是，把丝 杠轴一端或 者两端 沿轴向 固定，用 电机驱 动丝杠 旋转，螺 母就会沿 丝杠轴 线方向 运动。其 中，滑动丝 杠制 造 成 本最低，结构 简单，依靠 螺 母与丝杠 之间的 滑动推 动螺母运动，产生 滑动摩 擦；滚珠丝杠 与行星 滚柱丝 杠 将 滑动摩擦 改为滚 动摩擦，大大提高 了传动 效率。敬请参阅最后一页特别声明-7-证券研究报告 电 力设 备新 能源 2、滚珠丝 杠：广泛应用，高效精准 2.1、滚珠 丝杠 较滑动 丝 杠更具优势 滚珠丝杠 在丝杠 与螺母 上都 磨有圆弧 形的螺 旋槽，两个 圆弧形的 螺旋槽 对合后 形成螺旋线 滚道，丝杠 被电机 带动旋转 时，滚珠在 管道内 做循环运 动，并在螺 旋槽两端设有 回旋引 导装置，使 滚珠循环 流动。滚珠丝杠 的摩擦 系数在 0.003 到 0.01 之 间，而梯 形丝 杠 的摩擦系 数在 0.1 到 0.2之间。因此，由于 滑动摩 擦 系数远高 于滚动 摩擦系 数，滑动丝杠 为避免 产生大 量热量，其 转速一 般不超 过 3000RPM，而滚珠 丝杠可 以 达到 10000RPM。图 3：滑动丝杠与滚珠丝杠传动效率对比 资料来源：NSK 按照滚珠 的循环 方式和 是否 始终与丝 杠保持 接触，滚珠 丝杠主要 分为内 循环与 外循环，外 循环按 结构不 同分 为端部导 流式、管循环 式、端盖式。相比滑动 丝杠，滚珠丝 杠具 有以下特 点：1）传动 效率高：大多数 滚 珠丝杠的 传动效 率可以 达到 90%以上，而 滑动 丝杠的传动效率 大多低于 70%；2）传动 精度、定位精 度高：无爬行 现象，运动平 稳；3）能够 预紧：给予适 当预 紧，可消 除丝杠 和螺母 的螺 纹间隙，反向时 可消除 空行程死区，提高 接触刚 度与 传动精度；4）运动 具有可 逆性：丝杠 和螺母都 能作为 主动件，既 可以化旋 转为直 线运动，也能化直 线运动 为旋转；5）摩擦 损失小：由于 采用 滚动方式，物件 磨损小，使 用寿命长；制造 工艺复 杂，滚珠丝杠 和螺母 原件加 工精 度与表面 粗糙程 度要求 高，带来制造 成本的 上升；敬请参阅最后一页特别声明-8-证券研究报告 电 力设 备新 能源 需要指出，滚 珠丝杠 由于传 动效率较 高，自身一 般不具 有自锁性，滑 动丝杠 具有一定的自 锁性，因此 在丝杠 应用于竖 直方向 时，滚珠丝 杠可能在 断电后 滑落，需要额外结 构或 器 件以确 保安 全。2.2、滚珠 丝杠 分内循 环、外循环两大类 型 由于滚珠 需要无 限循环，所 有 滚珠丝 杠 至少 由丝杠 轴、螺母、滚珠、循环 部件四大零部件 构成。按照滚珠 循 环方 式，可 分为 内循环、外循环 两大类 型：（1）内 循环在 相邻的 导程 间通过马 蹄状导 流器循 环，适合小导 程；（2）外 循环又 分为端 部导 流式、管 循环式、端盖 式。其中 端部 导流式 在螺母 端部沿丝杠 螺纹槽 切线方 向平 滑地将滚 珠掬起，并通 过设 在螺母内 部的贯 通孔循环，适合 高速静 音传送；管 循环式 在 适合滚 珠大小 的循 环管内使 滚珠通 过始点、终点间往 复循环，规 格(轴 径、导 程)的 对应范 围广；端盖 式在螺 母端部 配置拉 升滚珠的端 盖，在 螺母内 设置 的贯通孔 循环，适合大 导程。表 2：滚珠丝杠分类与特点 丝杠分 类 构造 优点 缺点 图例 内循环 在相邻 的间 距（导程）间，通 过马蹄状导 流器 改变 滚珠 的行 进方 向，返回丝 杠轴 的原 先位 置 滚珠循 环的 回路 短、流畅 性好、效率高、螺 母的 径向 尺寸 小，可进行 紧凑 设计 导流器 加工 困难，装 配调整过 程复 杂 外循环 端部导 流式 在螺母 端部 沿丝 杠螺 纹槽 切线 方向平滑地 将滚 珠掬 起，并通 过设 在螺母内部 贯通 孔循 环 螺母外 径小，可 进行 紧凑 设计，噪音较 小 管路转 弯处 易磨 损 管循环 式 滚珠从 丝杠 轴的 末端 进入 循环 管，再重新 返回 初始 点，实现 往复 循环 结构相 对简 单，规格 应用 范围广 循环回 路长，流 畅性 差 端盖式 滚珠从 端盖 部导 入，通过 丝母 上的贯通孔 返回 起始 位置 适合大 导程 应用 滚珠循 环部 的构 造复杂，缺 乏通 用性 资料来源：NSK、光大证券研究 所 敬请参阅最后一页特别声明-9-证券研究报告 电 力设 备新 能源 滚珠丝杠 精度等 级划分 标准 是任取长 度为 300MM 的一 段丝杠，测 量实际 移动距离 和理想 移动距 离的偏 差，偏差越小，精度越 高。按国 内分类，精 度等级有 P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10；日本、韩国和 中 国台 湾省 采用 JS 等级 即 CO、C1、C2、C3、C5、C7、C10；欧 洲国家采 用的标 准是 IT0、IT1、IT2、IT3、IT4、IT5、IT7、IT10。通常情况 下，普 通机械 采用 C7、C10 级别丝 杠即可 满足 加工要求；数控 设备一般需要 C3、C5 级 别丝杠，其中国内 大部分 数控机 床配 套 C5 级丝杠。航空 制造设备、精 密投影 及三 坐 标测 量设备等 一般采 用 C3、C2 级别丝杠。从功能上 讲，丝杠 分为传 动 级丝杠和 定位级 丝杠。传 动 级丝杠包 括 C6-C10 精度，由于一般 采用辊 轧方式 制造，也被称 为 转造 级 丝杠；定 位级丝杠 包括 C0-C7 精度，由于 一般采 用磨床 方式 制造，也 被称为 研磨 级 丝杠。图 4：导程精度的说明 资料来源：NSK、光大证券研究 所 表 3：滚珠丝杠国际标准精度等级（单位：0.001mm）等级 研磨级 转造级 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C10 300 ISO,DIN 6 12 23 52 210 JIS 3.5 5 8 18 50 210 HIWIN 3.5 5 6 8 12 18 23 50 100 210 资料来源：中国台湾 HIWIN 根据 NSK 披露，数 控机床 中车床、铣床、镗床、钻床、冲床等 常用精 度等级 为C5，磨床、电 火花加 工机械、线切割机 等常用 精度等 级 为 C3，半导 体/印刷版 制造装置常 用精度 等级为 C1，工业机 器人常 用精度 等级 为 C5-C7。敬请参阅最后一页特别声明-10-证券研究报告 电 力设 备新 能源 图 5：不同用途区分的滚珠丝杠精度等级表 资料来源：NSK 2.3、滚珠丝杠市场：国 内企业正向中高 端 渗透 根据 2020 年金属 加工杂 志 社 第三届 滚动功 能部件 用户 调查分析 报告，数控 机床依然是滚 动功能 部件最 主要 的用户。随着制 造业向 数字 化、智能 化的转 型升级，机器人与 生产线 领域的 应用 占比快速 增长。敬请参阅最后一页特别声明-11-证券研究报告 电 力设 备新 能源 图 6：各行业领域应用滚珠丝杠比例（2020 年）54.3%49.7%34.3%30.9%29.7%23.3%19.5%14.7%3.4%0.0%10.0%20.0%30.0%40.0%50.0%60.0%数控机床机器人与生产线航空航天/军工汽车轨道交通3C 消费电子电动注塑机电动缸伺服驱动其他 资料来源：金属加 工杂志社 从市场空 间来看，全球滚 珠 丝杠市场 规模稳 健增长，中 国已成为 最重要 的消费 市场之一，长期 成长空 间可观。根据 秦川机 床公告，2016-2021 年 全球滚 珠丝杠 市场规模从 13.1 亿 美元增 长 至 17.5 亿 美元；同期我 国 滚珠丝杠 市场规 模从 16.8亿元增长 至 25.6 亿元。中 国已成为 滚珠丝 杠产品 重要 的消费市 场之一，约占 全球规模总 量的 20%左 右。从市场竞 争格局 看，目 前全 球主要的 滚珠丝 杠厂商 有 NSK、THK、SKF 等，根据华经产 业研究 院统计，2021 年 CR5 销售 额 市占 率达 到约 46%，其中主 要来自欧洲和日 本，日 本和欧 洲滚 珠丝 杠企 业占据 了全球 约 70%的 市场份 额。图 7：2015-2022 年全球滚珠丝杠市场规模 图 8：2015-2022 年中国滚珠丝杠市场规模 4 6 8 0 5 10 15 20 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022E市场规模（亿美元）同比（%）（右轴）4 6 8 10 12 14 16 18 0 5 10 15 20 25 30 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022E市场规模（亿元）同比（%）（右轴）资料来源：秦川机 床 公告 预测、光大证券 研究所 资料来源：秦川机 床 公告预测、光大证券 研究所 从国内行 业供需 情况来 看，滚珠丝 杠 需求量 大于产 量，行业供需 缺口明 显。根据华经产业 研究院 统计，2021 年中国滚 珠丝 杠 产量达 到 983 万套，需求 量为 1406万套。价格走 势来看，近 几 年来随着 我国滚 珠丝 杠 行业 市场竞争 加剧，国内 企业向中高端 市场渗 透，外资 品 牌积极抢 占经济 型产品 市场 份额，行业 市场竞 争显著加剧，使 得行业 市场价 格总 体呈现出 明显的 下降态 势。国内滚珠 丝 杠价 格从 2014年 225 元/套的 均价下 降至 2021 年的 181 元/套，预 计 2022 年市 场价格 降至 180元/套，下降 速度趋 缓。敬请参阅最后一页特别声明-12-证券研究报告 电 力设 备新 能源 图 9：2014-2022 年中国滚珠丝杠产需缺口 情况 图 10：2014-2022 年中国滚珠 丝杠 价格走势 情况(10)0 10 20 30 40 0 500 1,000 1,500 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022产需缺口（万套）需求量（万套）产需缺口同比（%）（右 轴）需求量同比（%）（右轴）100 120 140 160 180 200 220 240 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022市场价格（元/套）资料来源：华经产 业研究院、光 大证券研 究所 资料来源：华经产 业研究院、光 大证券研 究所 国内滚珠 丝杠高 端市场 基本 被德国力 士乐、日本 THK、NSK 占据，中端 市场则由德国、日本品 牌（力 士乐、THK、NSK），中国 台湾 品牌（上 银、银 泰），中国大陆品 牌（汉 江、南 工艺）占据。图 11：2021 年国内滚珠 丝杠 高端市场 图 12：2021 年国内滚珠丝杠 中端市场 德国：力士乐日本：THK、NSK,90%中国大陆：汉江、南工艺,10%中国台湾：上银、银泰,10%德国：力士乐日本：THK、NSK,30%中国大陆：汉江、南工艺,40%中国台湾：上银、银泰,30%资料来源：金属加 工微信公众号；销售额 口径 资料来源：金属加 工微信公众号；销售额 口径 敬请参阅最后一页特别声明-13-证券研究报告 电 力设 备新 能源 3、行星滚 柱丝杠：下一 代高承载产品 3.1、行星滚柱丝杠：高 承载、高速度、长 寿命 行星滚柱 丝杠（Planetaryrollerscrew，PRS）与 滚 珠 丝杠类似，是一 种可将 旋转运动和 直线运 动相互 转 化 的机械装 置。PRS 最早由 瑞 典人CarlBrunoStrandgren 于 1942 年发明。至 今未广 泛应 用主要是 由于其 结构复杂、加工 难 度大 和成本 较高。目前主 要应用 在民用 领域，如精密 机床、食 品包装、特种机械、测试 仿真等。随着飞行 器和武 器装备 全电 化发展 以 及石油、化工、机 床等 需要 大推力、高精度、高频率、高效率、长寿 命的 机械装置 作为机 电作动 系统（Electro MechanicalActuator，EMA）的 执行机 构，取 代易污 染、维护 成本高 的传统 液压作动系 统（Electro HydrostaticActuator，EHA）。加之 内、外螺 纹加工 工艺的提高 以及制 造设备 和相 关材料 技 术的发 展，近 年来 行星滚柱 丝杠 被 广泛关注。标准行星 滚柱丝 杠 主要 由滚 柱丝杠、滚柱螺 母、滚柱、内齿圈、压 盖及 挡圈组 成。滚柱丝杠 与滚柱 螺母为 齿形 角 90 的多 头螺纹。滚 柱为 齿形为双 凸圆弧 的单头 螺纹。若 干滚柱 围绕 丝杠均 匀 分布。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 转，带 动滚柱螺 母作轴 向移动。因 此，滚 柱丝杠 副滚柱 与丝杠、螺母 为滚动 摩擦，传动 效率最高 可以达 到 90%。行 星滚柱丝 杠副承 载主要靠滚柱螺 纹与丝 杠、螺 母 9 0 齿形角两 边点接 触承载。图 13：行星滚柱丝杠结构图 图 14：滚柱丝杠与滚柱螺母啮合原理图 资料来源：柯浩 行星滚柱丝杠 传动精度 分析与设计 资料来源：肖正义 行星滚柱丝 杠副的研 究 与目前广 泛应用 的滚珠 丝杠 相比，采 用行星 滚柱丝 杠进 行传动，具备以 下优点：1）高承 载，耐 冲击，体积 小。行星 滚柱丝 杠是线 接触，接触面 的增加 使承载 能力和刚性 大大提 高。每个 滚 柱的每条 螺旋线 都同时 与配 合部件受 力接触，同时承受负载。这 种设计 保证负 载 分散在更 多的接 触点上，降 低每个接 触点上 的最大 压力，承 受冲击 载荷能 力强，工作可靠。相 同载荷 情况下，行星 滚柱丝 杠体积 比滚珠丝杠小 1/3 的空间。2）速度 高，噪 声低。不像 滚珠丝杠 那样，钢球需 要反 复加载、卸载，还需要 在滚珠循环 通道两 端急剧 转向，所以行 星滚柱 丝杠转 速可 达 6000RPM，最高 线速度 可达 2000mm/s，最大加 速度可达 3G。滚珠丝 杠机 构的噪声 来源于 滚珠在 循环通道中 的相互 碰撞和 急速 转向，而 行星滚 柱丝杠 的噪 声来源于 滚柱两 端正时 齿轮机构的 啮合，其频 率更高，而且 不会随 丝杠转 速升高 呈指数级 增 加。因此，行星 滚柱丝 杠比滚 珠丝杠 的噪 声更低。敬请参阅最后一页特别声明-14-证券研究报告 电 力设 备新 能源 3）高精 度，长 寿命。丝杠 轴是小导 程角的 非圆弧 螺纹，有 利于 达到较 高的导 程精度，可 实现精 密微进 给。行星滚柱 丝杠能 承受的 静载 为滚珠丝 杠的 3 倍，寿命是滚珠丝 杠的 15 倍。4）易安 装维护，环境 适应。电动缸 中一体 化螺母 组件 很容易 从 丝杠轴 分离，滚动体及相 关零件 不会散 落，便于安装 与维修。电动 缸对 恶劣的环 境（低 温、粉尘、化学沉积 和无润 滑等）的适 应能力较 强。3.2、行星滚柱丝杠 主 要 具有五种类型 经过数十 年的发 展，行 星滚 柱丝杠衍 生出不 同种类，主 要分为标 准式、反向式、循环式、轴承环 式 和差 动 式。（1）对 于标准 式行星 滚柱 丝杠，为 了避免 滚柱轴 线相 对于 丝杠 倾斜，消除丝杠螺旋升角 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 丝杠轴线而正常转 动；（2）反 向式行 星滚柱 丝杠 与标准式 行星滚 柱丝杠 的区 别在于，反向式 行星滚 柱丝杠是螺 母作为 旋转输 入而 丝杠作为 直线输 出，并 且丝杠 螺纹两 端加工 有直齿，其优势在 于便于 集成；（3）循 环式行 星滚柱 丝杠 明显特征 在于其 滚柱螺 纹为 螺旋升角 为零的 环槽，该类行星滚 柱丝杠 的优势 在于 可 以实现 小导程、高位置 精 度、啮合点 更多和 承载能力更高；（4）轴 承环式 行星滚 柱丝杠 中，螺 母不是 单 个部 件，而是由轴 承环、壳体和 端盖组成。动力 由丝杠 传给滚 柱，再 由滚柱 传给轴 承环，轴承环 两 端装有 推力圆柱滚子轴承，轴承 环在推 力 圆 柱滚子轴 承 中 可 自由旋 转并 将动力 传 给推力 圆柱滚 子轴承，最 后由推 力圆柱 滚子 轴承传 到 螺母壳 体上；（5）差 动式行 星滚柱 丝杠 其明显特 征在于 滚柱和 螺母 均为无螺 旋升角 的环槽，且滚柱分 为大直 径段和 小直 径段，大直 径段的 环槽与 丝杠 螺纹啮 合，小直 径段的环槽与螺 母环槽 啮合，其优 势在于小 导程的 实现、结构 简单且便 于加工。表 4：行星滚柱丝杠分类与特点 分类 构造 特点 图例 标准式 丝杠 A 和螺母 B 为 多头 螺纹，牙 型均 为三角 形；C 是滚 柱，为 单头 螺纹，球形 轮廓，为了消 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 D 与内 齿 圈 E 啮合，以 确 保滚柱 轴线平行 于丝 杠轴 线而 正常 滚动；F 为 滚 柱保持 架，使滚柱 沿圆 周均 匀分 布；滚 柱保 持架 则由 弹 簧挡圈 G 轴向 定位。能适应 恶劣 环境、大负 载、高 速运 动 及较大 直线 行程的场 合，如轧 钢、切削 等。可能 的 失效模 式为：材料疲 劳失 效和 三大 部件 啮合 螺纹 面 的磨损 失效。反向式 与标准 行星 滚柱 丝杠 工作 原理 一样，不同是 将螺母作为 主动 件，由丝 杠直 线输 出，滚柱 和丝 杠之间没有 相对 轴向 位移，因此 滚柱 螺纹 和丝杠 螺纹长度一 致。与标 准行 星滚 柱丝 杠相 比，去 掉 了内齿圈 E。在 丝杠 螺纹 两端 加工 有外 齿，将标 准式中的 齿 轮内 啮合 变为 丝杠 齿与 滚柱 齿 的外啮 合，功能与 内 啮 合相 同。优点是 可将 螺母 作为 电机 的转 子实 现 电机和 行星滚柱丝 杠 的 融合 设计，螺 母作 为电 机 转子 可 使机 电作动系 统 EMA 的结 构更 加紧 凑、重 量更小；缺 点是需要 加工 较长 的螺 母内 螺纹 以保 证 丝杠行 程，对螺母的 加工 提出 了更 高的 要求。反向式 行星 滚柱 丝杠 也能 适用 于恶 劣 环境、大负 载和高速 场合，但 直线 作动 行程 与螺 母 加工技 术密 切相关，失效 形式 与前 者 相 同。敬请参阅最后一页特别声明-15-证券研究报告 电 力设 备新 能源 循环式 与标准 行星 滚柱 丝杠 相比，区别 在于 滚柱结 构形式不是 单头 螺纹，而是“沟槽”状 并 沿轴线 排列。若 干个 滚柱 沿轴 向均 布在 行星 架 上，去 掉了内齿 圈，增 加了 凸轮 环 H,使滚 柱每 完 成一个 循后即回 到初 始位 置重 新与 丝杠 啮合。主要优 势在 于可 采用 更小 的螺 纹导 程 提供更 高的位置精 度。啮合 点更 多，承载 力更 大，但摩 擦也 会增加。主要 用在 对传 动件 刚度 要求 高 并能实 现精 确定位和 提高 分辨 精度 场合。如 医疗 器 械、印 刷 等。主要失 效模 式与 施加 在滚 柱上 的循 环 应力有 关，在频繁加 载和 卸载 情况 下，这种 失效 模 式很难 预测，且高速 时滚 柱回 位对 凸轮 环的 冲击 和 震动较 大，存在噪声 问题。轴承环 式 与循环 式行 星滚 柱丝 杠类 似，滚 柱 C 和轴承 环 D之 间没 有轴 向位 移，均为 具有 相同 牙 型的“沟槽”。但 螺母 不是 单个 部件，由 轴承 环 D、壳 体 B和端 盖 G 组成。动力 由丝 杠 传 给滚 柱，再由 滚柱传给轴 承环。轴承 环两 端装 有推 力 圆 柱滚子 轴承F，轴 承环 在 F 中可 自由 旋转 并将 动 力 传给 推力圆柱滚 子轴 承，最 后由 推力 圆柱 滚子 轴承传 到螺母壳体 上。通过轴 承环 的旋 转将 由负 载产 生的 摩 擦力沿 圆周方向分 散,最 大程 度减 小了 摩擦 力,提 高了系 统传 动效率。差动式 滚柱和 螺母 均为 无螺 旋升 角的 环槽，且滚柱 分为大直径 段和 小直 径段，大直 径段 的环 槽与丝杠 螺纹啮合，小 直径 段的 环槽 与螺 母环 槽 啮合。实现了 小导 程、结 构简 单且 便于 加工。主 要用 于中速和大 传动 比的 场合。由 于改 变了 啮 合接触 位置，通常是 牙顶 和牙 底接 触，使 得 承 载能 力降低、可靠性不高，位置 控制 精度 较低。失效 模 式通常 是推 力轴承的 疲劳 失效。资料来源：刘更 行星滚柱丝杠 副的新发 展及关键技术、杜兴 行星滚 柱丝杠承 载与摩擦特性研究，光大证券 研究所 行星丝杠 的公差 等级划 分定 义根据 ISO3408-3，决定 因 素为 300mm 螺纹长 度的导程误差 V300p。标 准精度 等级为 G1、G3、G5,更高 精 度等级可 按要求 非标生产。表 5：行星丝杠公差等级 公差等 级 V300p G1 6 m/300mm G3 12m/300mm G5 23m/300mm 资料来源：Rollvis 3.3、行星滚柱丝杠市 场：国内外企业差 距 相对较大 随着装备 制造业 自动化 和智 能化的发 展进程 不断推 进，机电伺服 作动系 统因具 有系统重量 轻、效率高、安 装 与维护方 便等优 点，逐渐代 替了传统 液压伺 服作动 系统和气压 伺服作 动系统，成 为伺服控 制领域 的首要 选择，已广泛应 用于航 空航天、机器人、汽车、高精密 机床 等领域。机电作动 器(electro-mechanicalactuator,EMA)是机电 伺服作动 系统的 核心部件，主要 由电 机、减 速装置 和执行机 构组成，其 中执行 机构是 EMA
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