行业周报
丝杠:人形机器人价值量最高的核心硬件
自2022年特斯拉首次在人形机器人关节模组引入行星滚柱丝杠,丝杠已经成为人形机器人价值量占比最高的关键硬件。特斯拉机器人历次迭代最大的边际变化就是丝杠用量持续增加。除线性关节外,灵巧手也使用微型滚珠或者滚柱丝杠;成本占到机器人整体约20%,我们按照人形机器人量产百万台测算,仅特斯拉带来的机器人丝杠市场有望从现在的数亿元扩容至252亿元。我们认为,类比特斯拉在星舰项目中的模式,未来同样会将机器人平台开源,进一步推动供应链量产降本,同时其他人形机器人企业也会以特斯拉的路线和供应链为导向。目前国内近百家人形机器人企业中,使用丝杠方案仅为个位数,未来渗透率有望大幅提升,丝杠的市场空间进一步打开。
人形机器人丝杠需要达到C5级精度,规模化量产壁垒高精度为丝杠的核心技术难点,直接决定了性能及应用领域。根据JIS标准,丝杠的精度等级从C0到C10,其中C0为最高精度,代表丝杠在任意300mm长度内的误差最大为3.5微米。综合人形机器人算法、传感能力及降本维度考虑,我们预计人形机器人丝杠精度需达到C5级。C5精度在丝杠领域属于中高端产品,要求理解电机(需与电机输出功率匹配)输出,同时对材料的理解、内螺纹加工、热处理、车铣加工、螺纹加工、磨制和组装、生产设备定制、刀具管理、检测能力、专业技术人员等都提出了很高的要求。从样品试制、小批量生产、大规模制造交付是三道门槛。
国内丝杠企业具备量产优势,首个大规模量产项目走向落地
此前行星滚柱丝杠在全球范围内应用有限,具备规模化量产能力的企业极少。国内厂商积极拥抱人形机器人,加大研发、工艺投入和积极做量产准备,相比国外厂商有望更快实现落地。12月18日,杭州新剑传动年产100万台人形机器人及汽车行星滚柱丝杠产业化项目开工,成为全球第一家公布大规模量产的企业。 国内丝杠企业具备量产优势,三类具备丝杠底层技术的企业包括:(1)长期深耕丝杠行业的企业:南京化纤(南京工艺)、新剑传动等;(2)精密磨具、精密部件等技术同源性的企业:震裕科技、五洲新春、贝斯特、双林股份等;(3)其他具备精密加工能力的企业:恒立液压。
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正文


此前丝杠的主要痛点在于成本高、有量产能力的供应商少、配套控制算法不成熟等,限制在丝杠在机器人领域的应用。早期丝杠的制造成本较高,生产精密的丝杠和配套部件需要大量投入,有量产能力的供应商少,高成本成为应用障碍。此外,过去丝杠产品普遍较重,占据较大空间,限制了人形机器人在高机动性和灵活性的应用。在早期人形机器人算法不够完善背景下,精确控制丝杠的动作、避免误差积累也成为一大挑战。以上因素限制了丝杠在人形机器人领域的应用。
丝杠具有高承载力、高精度和刚性等突出优势,特斯拉率先采用丝杠方案,并推动工艺优化及供应链量产降本,推动了产业链对丝杠方案的认可。丝杠具有强大的承载力、优异的精度保持性和刚性等优势,能够提供较大的推力和高负载能力,适应人形机器人执行复杂任务时对精细控制和稳定性的需求。特斯拉通过工艺优化,解决了传统方案中精度控制和重量问题,并且通过与供应商合作推动丝杠量产,大幅降低生产成本。随着特斯拉成功应用丝杠方案,人形机器人逐渐展现出丝杠的独特优势,推动了产业链对丝杠方案的广泛认可。


精度代表了丝杠的核心技术难点。丝杠精度指丝杠传动的移动距离与理想移动距离之间的偏差,偏差越小则精度越高。丝杠精度的要求非常高,主要体现在以下三个方面:
(1)旋转一周的运行精度:指的是丝杠旋转一圈时,实际移动的距离与理想值之间的误差。
(2)整根丝杠的运行精度:指的是整根丝杠在运动过程中的精度,通常涉及到丝杠的整体几何误差和负载分布。
(3)任意300mm的运行精度:指的是在丝杠的任意300mm长度范围内,丝杠的精度。通常,精度等级是根据这一段距离内的误差来衡量的。
在国际上,丝杠精度标准之一为JIS标准(日本、韩国和中国台湾等地广泛使用)。根据JIS标准,丝杠的精度等级从C0到C10不等。精度等级为C0时,丝杠在任意300mm长度内的误差最大为3.5微米;精度等级为C10时,误差最大为210微米。


C5精度在丝杠领域属于中高端产品,要求理解电机(需与电机输出功率匹配)输出,同时对材料的理解、内螺纹加工、热处理、车铣加工、螺纹加工、磨制和组装、生产设备定制、刀具管理、检测能力、专业技术人员等都提出了很高的要求。从样品试制、小批量生产、大规模制造交付是三道门槛。
丝杠在生产过程中涉及多个复杂环节,包括设计、材料选择、加工工艺、设备管理等,尤其在人形机器人产业链中,丝杠技术是一个高壁垒的核心环节。
(1)设计与匹配:高精度丝杠设计需要与电机输出功率、负载要求等匹配,要求较强的技术能力。
(2)制造工艺:内螺纹加工是丝杠生产中的主要难点,目前主要依赖磨削工艺,虽然可以满足精度要求,但加工效率较低。此外,热处理工艺的差异是丝杠性能差距的一个重要原因。
(3)生产设备:丝杠生产需要精密设备,如车床、铣床、磨床和热处理设备等,其中螺纹磨床是核心设备,国内设备多依赖进口,扩产周期较长,短期无法迅速扩产。
(4)原材料:国产丝杠原材料与国外相比仍存在差距,主要与成本构成和加工工艺密切相关,原材料的性能提升需要生产企业积累。
(5)专业技术人员:高精度丝杠需要高级技师操作精密设备,人员培训周期通常需要几个月甚至数年,对制造企业的技术人员管理提出了高要求。

2、 人形机器人丝杠重大量产项目落地,国内供应链有望领跑全球
2.1、 国内丝杠企业具备量产优势,首个大规模量产项目走向落地
国内丝杠企业具备量产优势,首个大规模量产项目走向落地。此前行星滚柱丝杠在全球范围内应用有限,具备规模化量产能力的企业极少。国内厂商积极拥抱人形机器人,加大研发、工艺投入和积极做量产准备,相比国外厂商有望更快实现落地。12月18日,杭州新剑传动年产100万台人形机器人及汽车行星滚柱丝杠产业化项目开工,成为全球第一家公布大规模量产的企业。

2.2、 三类具备丝杠底层技术的企业
综合以上分析,三类具备丝杠底层技术的企业包括:
(1)长期深耕丝杠行业的企业:南京化纤(南京工艺)、新剑传动等;
(2)精密磨具、精密部件等技术同源性的企业:震裕科技、五洲新春、贝斯特、双林股份等;
(3)其他具备精密加工能力的企业:恒立液压等。
3、 投资建议
受益标的:(1)丝杠:五洲新春、震裕科技、南京化纤、双林股份;(2)丝杠设备和刀具:浙海德曼、集智股份、秦川机床、恒锋工具、华锐精密。