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人形機(jī)器人絲杠行業(yè)深度報(bào)告:核心傳動(dòng)精密部件,國產(chǎn)化未來可期
點(diǎn)擊次數(shù):160 更新時(shí)間:2024-10-11 打印本頁面 返回

報(bào)告出品方:國海證券

以下為報(bào)告原文節(jié)選

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01 核心壁壘在于精加工&設(shè)備,未來硬車應(yīng)用有望擴(kuò)大

1 . 1、特斯拉人形機(jī)器人執(zhí)行器與絲杠分布

特斯拉人形機(jī)器人有28個(gè)執(zhí)行器,其中線性執(zhí)行器搭載行星滾柱絲杠。根據(jù)特斯拉2022AIDAY,特斯拉人形機(jī)器人全身28個(gè)執(zhí)行器(14個(gè)線性執(zhí)行器+14個(gè)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器),旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器=無框力矩電機(jī)+諧波減速器+扭矩傳感器+編碼器,直線執(zhí)行器=無邊框力矩電機(jī)+行星滾柱絲杠+力傳感器+編碼器,其中14個(gè)線性執(zhí)行器分布在大臂(2)、小臂(4)、大腿(4)、小腿(4),對(duì)應(yīng)14個(gè)行星滾柱絲杠。


1 .2、絲杠是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)

定義:行星滾柱絲杠是一種通過螺母、滾柱、絲桿等零部件將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。
組成結(jié)構(gòu):標(biāo)準(zhǔn)滾柱絲杠(PRS)主要由幾個(gè)關(guān)鍵組件構(gòu)成:絲桿、滾柱、螺母三個(gè)主要部件以及直齒、內(nèi)齒圈、滾柱保持架和彈簧擋圈等輔助部件。其中,絲桿設(shè)計(jì)為牙型角90°的多頭螺紋;滾柱則是具有相同牙型角的單頭螺紋設(shè)計(jì);螺母內(nèi)部具備與絲杠頭數(shù)和牙型相匹配的內(nèi)螺紋。
工作原理:由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的絲杠利用摩擦轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)滾柱轉(zhuǎn)動(dòng),繼而將絲杠的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為螺母的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。


1 .2、絲杠具備傳動(dòng)效率高、精度高、傳動(dòng)可逆性等特點(diǎn)

絲杠作為負(fù)責(zé)將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線傳動(dòng)的傳動(dòng)精密件,具備摩擦小、精度高、剛度高、傳動(dòng)可逆性等特點(diǎn):ü 摩擦損失小、傳動(dòng)效率高。由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到1/3以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滑動(dòng)絲杠副的1/3,在省電方面很有幫助。
精度高。滾珠絲杠副一般是用高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的,特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對(duì)溫度、濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。
精確微進(jìn)給。滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。
軸向剛度高。滾珠絲杠副可以加與預(yù)壓,由于預(yù)壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí),由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng))。
不能自鎖、具有傳動(dòng)的可逆性。由于滾珠絲杠軸沒有自鎖能力,所以具有傳動(dòng)的可逆性。在垂直升降傳動(dòng)系統(tǒng)中使用時(shí),必須增加自鎖裝置或制動(dòng)裝置,以防止反向傳動(dòng)。

1 .2、絲杠核心參數(shù)是精度,各國標(biāo)準(zhǔn)不同

精度。按國內(nèi)分類,中國大陸精度等級(jí)為P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10,中國臺(tái)灣省采用JIS等級(jí),精度等級(jí)為C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10;日本、韓國采用JIS等級(jí),即C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10;歐洲國家的標(biāo)準(zhǔn)采用的是IT0、IT1、IT2、IT3、IT4、IT5、IT7、IT10。一般來說,普通機(jī)械采用C7、C10級(jí),數(shù)控設(shè)備一般采用C5、C3級(jí)。航空制造設(shè)備,精密投影及三坐標(biāo)測量設(shè)備等一般采用C3、C2精度。

絲桿軸徑。絲杠軸徑和負(fù)載呈正比 ,而負(fù)載相關(guān)參數(shù)是動(dòng)額定負(fù)荷和靜額定負(fù)荷。常見的規(guī)格有(單位:mm):8、10、12、14、15、20、25、32。
導(dǎo)程。導(dǎo)程指的是絲桿旋轉(zhuǎn)一周,螺母直線運(yùn)動(dòng)的距離。常見的導(dǎo)程有(單位:mm):2、4、5、8、10、20、25、32。
預(yù)壓等級(jí)。預(yù)壓等級(jí)越高,螺母與螺桿配合越緊;反之,等級(jí)越低越松。


1 .3、絲杠分為滑動(dòng)、滾珠、滾柱三大類

絲杠按結(jié)構(gòu)和工作原理可以分為滑動(dòng)絲杠、滾珠絲杠、滾柱絲杠三大類。滑動(dòng)絲杠的摩擦阻力較大,傳動(dòng)效率較低;滾珠絲杠通過滾珠進(jìn)行傳動(dòng),承載能力、傳動(dòng)效率和精度高于滑動(dòng)絲杠,使用壽命長;滾柱絲杠相較于滑動(dòng)絲杠與滾珠絲杠,具備高承載能力、小體積、高精度等優(yōu)勢,是綜合性能最為優(yōu)異的絲杠品種。


1 .3、反向滾柱絲杠重量輕結(jié)構(gòu)緊湊,未來有望應(yīng)用于人形機(jī)器人

根據(jù)滾柱絲杠結(jié)構(gòu)組成及運(yùn)動(dòng)關(guān)系的不同,可以分為標(biāo)準(zhǔn)式、反向式、循環(huán)式、差動(dòng)式、軸承環(huán)式5種類型,其中標(biāo)準(zhǔn)式行星滾柱絲杠是目前應(yīng)用廣泛的類型,其他的4種類型均是為了適應(yīng)于不同的應(yīng)用環(huán)境而在其基礎(chǔ)上演變而來,其中反向行星滾柱絲杠由于可將螺母作為電子轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)電機(jī)絲杠一體化,具備重量輕結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),未來有望應(yīng)用于人形機(jī)器人領(lǐng)域。


1 .4、核心壁壘在于螺母內(nèi)螺紋精磨加工,磨床是絲杠制造的核心設(shè)備

行星滾柱絲杠制造核心壁壘在于螺母內(nèi)螺紋的精磨加工。目前大部分絲杠廠商采取先車后磨的方式進(jìn)行加工制造生產(chǎn),先把原材料車削到一定精度,再用專用絲桿磨床先粗磨再精磨到所需要的尺寸。其中粗車、銑等環(huán)節(jié)對(duì)精度要求低,相對(duì)簡單,難度較高的環(huán)節(jié)是后端的精磨加工部分。需要精磨加工的零部件包括絲杠、滾柱、螺母及內(nèi)齒圈等,其中螺母壁薄容易損壞,再加上螺紋位于內(nèi)部導(dǎo)致砂輪磨削時(shí)需要保持一定傾角,對(duì)穩(wěn)定性要求較高,因此內(nèi)螺紋精磨加工是整個(gè)工藝流程中壁壘最高的環(huán)節(jié)。
磨床是絲杠制造的核心設(shè)備。絲杠制造過程中的工藝流程主要分為車、銑、磨三種加工工序,分別對(duì)應(yīng)設(shè)備為車床、銑床、磨床,由于磨削直接影響到產(chǎn)品的加工精度、表面質(zhì)量及生產(chǎn)效率,因此磨床是絲杠制造過程中的核心設(shè)備。


1 .4、不同加工工藝對(duì)比:旋風(fēng)銑v s磨削v s硬車v s冷軋

旋風(fēng)銑:旋風(fēng)銑削是通過工件與刀具的旋轉(zhuǎn)組合來執(zhí)行加工,優(yōu)點(diǎn)是將螺紋滾道一次成形銑削,減少了工序,而且不必反復(fù)修整刀具和校直,加工效率大幅提升,加工精度等級(jí)可以達(dá)到P3級(jí)。對(duì)應(yīng)的設(shè)備為旋風(fēng)銑床。
砂輪磨削:是按照基準(zhǔn)統(tǒng)一原則,以兩端中心孔為加工工藝工序基準(zhǔn),通過熱處理、車削、磨削等幾十道工序逐一完成。
優(yōu)點(diǎn)是加工精度高(可以達(dá)到P1級(jí)別)。
硬車:又稱之為以車代磨,其采用螺紋滾道硬車削技術(shù),優(yōu)勢是避免在磨削粗加工螺紋滾道過程中,因切削熱導(dǎo)致絲杠硬度降低而引起可靠性差問題的發(fā)生,并且加工效率高,無油煙粉塵污染、綠色環(huán)保。對(duì)應(yīng)的設(shè)備為車床。
冷軋/滾壓:冷軋滾珠絲杠是采用冷加工工藝模具制造,通過軋制、滾壓進(jìn)行精加工,開模工藝自動(dòng)化程度高,批量生產(chǎn)后成本低,效率高,但制造精度低(停留在P7級(jí)左右),只能在設(shè)備中做傳動(dòng)部件。


1 .4、磨削是主流方案,未來硬車或?qū)⒅鸩綌U(kuò)大應(yīng)用范圍

磨削是主流方案,目前加工精度最高。目前,常用的絲杠螺紋加工方法有:滾壓、硬車削、旋風(fēng)銑削和磨削,其中磨削加工精度最高,而冷軋、硬車削和旋風(fēng)銑削多用于粗加工,因此,磨削是高精度絲杠螺紋的主要加工方法。磨削是使用螺紋磨床高速旋轉(zhuǎn)的成型砂輪對(duì)加工工件表面進(jìn)行高速切削,使用磨削加工的滾珠絲杠最高可達(dá)到P1級(jí)。
未來硬車或?qū)⒅鸩綌U(kuò)大應(yīng)用范圍。為了提升行星滾柱絲杠的承載能力與可靠性,零件通常采用硬度在50HRC左右的高硬材料,但是淬硬鋼等高硬材料具有高耐磨性與難加工性,磨削加工耗時(shí)長、污染高、成本高,并不是最佳的加工方式。
利用PCBN等超硬材料作為刀片進(jìn)行以車代磨,可以保證加工精度與表面粗糙度的同時(shí),提升加工效率、降低制造成本、減小環(huán)境污染,廣泛的應(yīng)用到高硬材料加工制造的各個(gè)領(lǐng)域,未來硬車加工工藝的應(yīng)用范圍或?qū)U(kuò)大。


02 人形機(jī)器人絲杠市場快速擴(kuò)容,國產(chǎn)替代未來可期

2. 1、人形機(jī)器人絲杠市場空間預(yù)測

2025-2030年全球人形機(jī)器人絲杠市場規(guī)模CAGR有望達(dá)到182%。根據(jù)特斯拉公開披露,2025年特斯拉人形機(jī)器人將實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),我們認(rèn)為未來在特斯拉optimus下,其他企業(yè)逐步布局人形機(jī)器人領(lǐng)域,全球人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化步伐有望加速。根據(jù)我們測算,2025年和2030年全球人形機(jī)器人絲杠市場規(guī)模分別有望達(dá)到1.4億元和249.5億元,5年復(fù)合增速高達(dá)182%。
假設(shè)1:2025年特斯拉人形機(jī)器人有望量產(chǎn),假設(shè)初期銷量增速較快,后續(xù)年增速逐步下降,2030年全球人形機(jī)器人銷量增長至130萬臺(tái)。
假設(shè)2:根據(jù)特斯拉2022AI DAY公開披露數(shù)據(jù),假設(shè)單臺(tái)人形機(jī)器人配套14個(gè)直線關(guān)節(jié),每個(gè)直線關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)一個(gè)絲杠。
假設(shè)3:參考愛采購目前滾珠絲杠銷售價(jià)格,假設(shè)2025年人形機(jī)器人單個(gè)絲杠價(jià)格為2000元,后續(xù)隨著規(guī)模化量產(chǎn)成本持續(xù)下降,2026E-2030E單個(gè)絲杠價(jià)格同比分別-10%/-8%/-7%/-6%/-5%。


2.2、絲杠市場競爭格局:外資位于主導(dǎo)地位,內(nèi)資奮起直追

國外主要“玩家":絲杠供應(yīng)商主要為日資、德資公司。從國外滾珠/滾柱絲杠競爭格局來看,液壓龍頭博世力士樂、THK、NSK是海外絲杠產(chǎn)品的重要廠商,日本、歐洲作為精密制造優(yōu)勢地區(qū),其開展精密加工技術(shù)研發(fā)的時(shí)期相對(duì)較早,上述企業(yè)成立時(shí)間較早,加工技術(shù)布局深,技術(shù)成熟,產(chǎn)品類型豐富。
國內(nèi)主要“玩家":外資廠商占據(jù)市場,內(nèi)資廠商奮起直追。我國在50年代末期開始研究用于程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床的滾珠絲杠副,發(fā)展數(shù)十載,國內(nèi)南京工藝、山東博特等多家企業(yè)已擁有高精密絲杠的研發(fā)及生產(chǎn)能力,但由于國內(nèi)布局高精密絲杠領(lǐng)域相較國外較晚,廠商數(shù)量、產(chǎn)品類型和工藝水平和外資廠商仍有較大差距,國內(nèi)市場仍是外資供應(yīng)商占據(jù)主要份額。近年來,在線控制動(dòng)、人形機(jī)器人等新技術(shù)革命浪潮的下,五洲新春、貝斯特、北特科技、恒力液壓、新劍傳動(dòng)等多家企業(yè)也陸續(xù)布局高精密滾珠/滾柱絲杠市場,國產(chǎn)替代或?qū)⒓铀佟?br/>


2.3、人形機(jī)器人潮起,國產(chǎn)替代加速

人形機(jī)器人浪潮帶來絲杠國產(chǎn)替代機(jī)遇。目前絲杠應(yīng)用終端主要集中在汽車線控制動(dòng)、工業(yè)母機(jī)等領(lǐng)域,其中線控制動(dòng)主要使用梯型絲杠、滾珠絲杠,工業(yè)母機(jī)主要使用滾柱絲杠副及直線導(dǎo)軌副,而人形機(jī)器人絲杠預(yù)計(jì)不同于兩者,預(yù)計(jì)以小型號(hào)反向式行星滾柱絲杠為主,我們認(rèn)為未來人形機(jī)器人的量產(chǎn)是一場對(duì)絲杠技術(shù)的全新革命,有望間接縮短外資廠商和內(nèi)資廠商之間的技術(shù)差距。
人形機(jī)器人量產(chǎn)后對(duì)降本要求提高,國內(nèi)“玩家"有望憑借低成本、技術(shù)迭代快等優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代。我們認(rèn)為目前人形機(jī)器人絲杠的壁壘主要在于內(nèi)螺紋精加工,若成功實(shí)現(xiàn)工藝突破和量產(chǎn)后,機(jī)器人生產(chǎn)商或?qū)阎匦霓D(zhuǎn)向規(guī)模化降本,因此對(duì)供應(yīng)鏈的成本控制能力和良品率將提出較高要求。與外資廠商相比,內(nèi)資廠商具備人力成本低、國產(chǎn)設(shè)備采購價(jià)格低、工藝迭代速度快等多種優(yōu)勢,未來有望緊抓人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化機(jī)遇,快速實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代。


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