2024年高精技术集成之作人形机器人线性关节.pdf
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1、行星滚柱丝杠高精技术集成之作,人形机器人线性关节证证券券研研究究报报告告投资评级:()报告日期:行业推荐维持2024年03月28日分析师:林子健SAC编号:S1050523090001行业深度报告诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明2投投 资资 要要 点点 行星滚柱丝杠是人形机器人优质细分赛道以特斯拉Optimus为例,单台人形机器人需要14个行星滚柱丝杠,单价约2,000元/个,单台价值量在2.8万元以上。横向对比机器人其他部件,行星滚柱丝杠占人形机器人价值量较高,其毛利率可达60%,盈利能力位居前列。滚柱丝杠壁垒高,国产替代前景广阔滚柱丝杠技术壁垒和价值量高,应用空间增量前景广
2、阔,但国产化率低。相较于滚珠丝杠,滚柱丝杠具备载荷大、精度高、体积小、使用寿命长等特点,更适配于人形机器人领域。由于滚柱丝杠加工流程长、制造壁垒高,相应价值量较高。未来随着冷锻等工艺趋于成熟,行星滚柱丝杠制造成本有进一步下探空间。国内行星滚柱丝杠市场集中度较高,目前外国企业占据8成市场份额,而国内南京工艺等国内企业产品性能与外国产品差距较小,国产替代前景广阔。乘人形机器人东风,市场空间快速放量机器人的复杂性和功能乃至能力取决于其总自由度的数量以及自由度的配置和控制方式。随着机器人的复杂性和功能性增加,人形机器人自由度数量也将持续上升,人形机器人自由度上限可参考人体上限可参考人体有数百个自由度,
3、而丝杠是实现人形机器人的线性关节,是实现人形机器人自由度的关键部件。从未来市场空间来看,2030年人形机器人出货量有望达205.0万台,对应2870.3亿元的市场空间,到2030年,应用于人形机器人的行星滚柱丝杠价值量为229.6亿元,CAGR为154.1%。推荐逻辑和相关标的伴随着将来人形机器人产品趋于成熟,叠加端到端AI大模型赋能,功能性、实用性兼顾,人形机器人将成为“继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品”,行星滚柱丝杠作为“执行侧”的关键部件,凭借“高技术壁垒&国产替代趋势显著&清晰降本路径”将成为人形机器人赛道的重要细分投资赛道。1)新剑传动:公司已建成国内首条行星滚柱丝杠产线
4、,产品已应用于人形机器人,汽车领域客户包括吉利、理想、华为等头部车企,机器人合作伙伴包括小米、小鹏、智元、科沃斯机器人等;2)鼎智科技:公司线性执行器产品市占率全球第二,通过滚压工艺生产T型丝杠;3)贝斯特:通过子公司宇华精机布局丝杠业务,2023年上半年公司高精度滚珠丝杠产品已送样至战略客户处进行验证;4)秦川机床:子公司汉江机床掌握螺纹铸造核心技术,丝杠产品精度最高可达P0级,目前2级、3级精度的滚珠丝杠已实现量产,同时公司具备螺纹磨床的生产能力。诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明3重 点 关 注 公 司 及 盈 利 预 测重 点 关 注 公 司 及 盈 利 预 测公司代码名
5、称2024-03-28股价EPSPE投资评级20222023E2024E20222023E2024E000837.SZ秦川机床9.160.310.220.3129.9541.6429.38未评级300580.SZ贝斯特26.071.140.800.9722.8732.5926.88买入873593.BJ鼎智科技36.073.050.891.1811.8340.5330.64未评级诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明资料来源:wind,华鑫证券研究(未评级公司盈利预测取自wind一致预期)注:鼎智科技已发布2023年年报,所以2023年EPS和PE是实际值而非预测。诚信、专业、稳健、
6、高效请阅读最后一页重要免责声明4风风 险险 提提 示示诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明机器人市场风险机器人量产进度不及预期原材料价格风险丝杠原材料多采用高碳铬轴承钢,原材料价格上升会导致丝杠成本上升投产进度不及预期各个公司丝杠产能布局投产进度可能不及预期地缘政治风险丝杠属于高精密产品,生产设备需要高精度螺纹磨床,国内螺纹磨床的进口可能受到外国政策限制推荐公司业绩不及预期目 录CONTENTS5诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明1、线性传动核心部件,高精技术集成之作2、行星滚柱丝杠精度要求高,加工工艺壁垒深厚3、人形机器人关节核心部件,国产替代前景广阔4、国内企业纷
7、纷布局,丝杠产能迎来爆发期0 1线性传动核心部件,高精技术集成之作7诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明71 1、线性传动核心部件,高精技术集成之作、线性传动核心部件,高精技术集成之作标准式行星滚柱丝杠传动机构的结构形式行星滚柱丝杠(PRSM)是一种可将旋转运动和直线运动相互转化的机械传动装置,具有螺纹传动和滚动螺旋传动的综合特征。与滚珠丝杠传动相比,其滚动体不是多个球体,而是含有螺纹的多个滚柱体。螺母或丝杠旋转运动通过滚柱的行星运动转换为直线运动。行星滚柱丝杠传动中特有的滚柱结构,使得滚柱与螺母(或滚柱与丝杠)之间无相对轴向位移,滚柱能够在丝杠和螺母形成的封闭空间内反复循环运动,
8、依靠滚动/滑动摩擦实现运动和动力的传递。资料来源:SKF,Ewellix,柯浩行星滚柱丝杠传动精度分析与设计,华鑫证券研究1.1、行星滚柱丝杠介绍丝杠内齿圈直齿保持架滚柱螺母滚柱丝杠运动形式8诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明8滚柱丝杠不同部件螺纹不同导程是丝杠旋转前进中螺母运动的距离。PRS主要组成元件有:丝杠1,其螺纹牙型是直角的三角形螺纹(至少是3线螺纹);螺母7,其内螺纹牙型与丝杠相同;滚柱5,其螺纹牙型是直角的圆弧螺纹(单线螺纹),在每个滚柱的末端都有一个圆柱形的枢轴和齿轮。枢轴安装在挡板2的圆孔内,这确保了滚柱的径向均匀分布。轮齿与内齿圈4 啮合,这使得滚柱轴向平稳地
9、运行。挡圈3,用来锁紧挡板。平键6,用于联接所传动的物体,其结构简单,拆装方便,对冲性好,适合高速、承受变载、冲击的场合。螺纹线数:沿一条螺旋线形成的螺纹称为单线螺纹,沿轴向等距分布的两条或两条以上的螺旋线形成的螺纹称为多线螺纹。螺距(p)是相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。导程(ph)是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。单线螺纹时,导程=螺距;多线螺纹时,导程=螺距线数。资料来源:冯虎田滚珠丝杠副动力学设计与基础,米思米中国,机械篇丨说说滚珠丝杆的那些事 华鑫证券研究累积实际导程累积代表导程螺纹有效长度累积公称导程累积基准导程丝杠导程单线螺纹和双线螺纹导程区别丝杠
10、和滚柱牙型1.1、行星滚柱丝杠介绍1 1、线性传动核心部件,高精技术集成之作、线性传动核心部件,高精技术集成之作9诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明9丝杠性能指标说明导程精度是划分等级的核心指标,C0精度等级最高。在传动中,实际移动距离和理想移动距离的偏差,其中有分为三种情况:1)旋转一周的运行精度;2)整根丝杠的运行精度;3)任意300mm的运行精度。一般情况下导程精度是指运行300mm的精度。一般来说,普通机械采用C10-C7级,数控设备一般采用C5-C3级。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精度。另外,C10-C7级一般采用轧制方法制造,C5级及以上
11、采用磨削方法制造。资料来源:中捷众创公众号,椿中岛直线运动产品综合样本,华鑫证券研究性能指标说明丝杠轴径常见的规格有:8、10、12、14、15、20、25、32(单位:mm)。一般是轴径越大,负载越大。静/动额定负荷静额定负荷指的是在静止状态下,丝杆可以承受的额定负荷。一般我们只关心动额定负荷就可以。实际负载和额定负荷的比值越小,丝杆的理论寿命越长。导程导程指的是丝杆旋转一周,螺母直线运动的距离。常见的导程有(单位:mm):2、4、5、8、10、20、25、32。精度按国内分类,精度等级有P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10,日本、韩国,还有中国台湾省采用JIS等级,即C0、C1、C2
12、、C3、C5、C7、C10;欧洲国家的标准采用的是IT0,IT1,IT2,IT3,IT4,IT5,IT7,IT10。用途C0C1C3C5C7C10机床加工中心铣床钻床坐标镗床磨床放电加工机射出成形机钢铁设备机械冲床激光加工机通用机械、专用机械木工机化学处理装置电子部件实装机焊线机探测器印刷基板开孔机直交座标型机器人垂直多关节型机器人三元测定机图像处理装置原子能控制棒航空器精度等级C0C1C2C3C5C7C10精度(E300)(m)3.55781850210不同用途丝杠精度需求丝杠精度标准1.2、导程精度是PRS的关键指标1 1、线性传动核心部件,高精技术集成之作、线性传动核心部件,高精技术集成
13、之作10诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明10行星滚柱丝杠与滚柱丝杠性能对比滚珠丝杠螺母组件包含多个滚珠轴承,能够处理中等负载的滚珠轴承有最小尺寸要求。与相似尺寸和导程的滚柱丝杠相比,滚珠轴承的半径需要更粗糙的螺距,导致接触点更少。加上较小的接触半径和允许轴承互相接触的设计,限制了滚珠丝杠的DLR(Dynamic Load Rating),导致较低的力和较短的使用寿命。相比于传统的滚珠丝杠传动,行星滚柱丝杠传动呈现多副(螺纹副和齿轮副)、多体(多个零件参与啮合传递运动和动力)、多点(螺纹副多点接触)的啮合特征,故在相同丝杠直径下,行星滚柱丝杠比滚珠丝杠的承载能力提高6倍,相同负载
14、下节省1/3空间,寿命提高14倍,工作环境温度范围提高2倍。在实际应用中,滚柱相对于螺母无轴向运动,丝杠转速可达6000r/min,螺母直线速度可达2m/s。采用行星滚柱丝杠作为传动机构的EMA与采用滚珠丝杠的EMA相比相同推力下重量减少30%,相同重量下推力提升50%。而且,行星滚柱丝杠可采用微小导程(螺距可达0.3mm),不仅更便于控制传动精度和提升动态频响,而且由于更多接触点同时参与传力,能够实现重载条件下的超高精密传动。资料来源:TOLOMATIC,华鑫证券研究1.3、滚柱丝杠和滚珠丝杠比较优势在于精度、载荷、寿命等多方面性能滚柱丝杠滚珠丝杠动态额定载荷非常高中等寿命很长,几倍于滚珠丝
15、杠一般冲击载荷非常高中等相对体积最小中等加速度高中等精度高一般1 1、线性传动核心部件,高精技术集成之作、线性传动核心部件,高精技术集成之作11诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明11请阅读最后一页重要免责声明资料来源:刘更行星滚柱丝杠传动啮合原理,华鑫证券研究1.4、不同类别行星滚柱丝杠运动方式和应用场景不同类别运作方式结构特点性能特点应用场景图示标准式行星滚柱丝杠丝杠为主动件,螺母为输出构件。当丝杠旋转时,滚柱通过与丝杠之间的螺纹啮合一方面会沿着丝杠轴线方向作直线运动,另一方面会在丝杠、螺母之间作行星运动,丝杠和螺母为多头螺纹,牙型均为三角形。滚柱为单头螺纹,牙型为球形轮廓。滚
16、柱两端加工有直齿,与安装于螺母内的内齿圈啮合,以确保滚柱轴线平行于丝杠轴线而正常滚动。能够实现较大行程。适用于环境恶劣、高负载、高速等场合,是目前应用最广泛的类型。主要应用轧钢、切削运动等。反向式行星滚柱丝杠反向式行星滚柱丝杠传动与标准式工作原理一样。与标准式行星滚柱丝杠不同的是,反向式行星滚柱丝杠将螺母作为主动件,由丝杠直线输出,滚柱与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。没有内齿圈。在丝杠螺纹两端加工有外直齿,即由标准式滚柱直齿与内齿圈的内啮合变为丝杠直齿与滚柱直齿的外啮合。行程受到螺母内螺纹长度的限制。用于中小负载、小行程和高速的应用场景。如航空、航天、船舶、电力等
17、领域。循环式行星滚柱丝杠滚柱在完成一个循环后进行位置重置,即回到初始位置重新与丝杠啮合,同滚珠丝杠传动的返回器功能相似。螺母沿径向加工有一个凹槽,滚柱每完成一个循环后在凸轮环作用下将滚柱挡入凹槽,与丝杠螺纹脱离啮合回到起始位置。去掉了内齿圈,增加了一个带有凸轮环的挡圈。滚柱结构形式不是单头螺纹,而是无螺旋升角的“环槽”状,并沿轴线圆周排。可采用更小的螺纹导程,位置精度高,啮合点更多,承载力更大,但摩擦也会增强。应用于要求高刚度、高精度的场合,医疗器械、印刷机械、光学精密仪器等领域。轴承环式行星滚柱丝杠滚柱和螺母之间没有轴向位移,动力由丝杠传给滚柱,再由滚柱传给两端的推力圆柱滚子轴承,螺母可自由
18、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壳体上。丝杠是多头螺纹,滚柱与循环式行星滚柱丝杠的滚柱相似,同为无螺旋升角的“环槽”结构,但螺母不是单个部件,而是由推力圆柱滚子轴承和壳体组成。轴承环的旋转将摩擦力沿圆周方向分散,摩擦力小,传动效率高。适用于较大轴向负载、高轴向刚度、高效率等场合,如石油化工、重型机械等领域。差动式行星滚柱丝杠螺母、滚柱和丝杠螺距相等,滚柱与螺母相对轴向位移为零,端部保持架用于支撑多个滚柱。丝杠做正传动运动,即将丝杠的螺旋运动转换为螺母沿轴向方向的直线运动。省去内齿圈,多了端部保持架和挡圈等。差动式行星滚柱丝杠的滚柱螺纹分为两段,可在螺纹啮合的两端形成
19、稳定支撑,从而防止倾斜。承载能力强、刚度大、磨损小和寿命长,具有更大的传动比。适用于承载能力较高的应用场合。1 1、线性传动核心部件,高精技术集成之作、线性传动核心部件,高精技术集成之作12诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明12典型行业应用细分客户的技术需求滚柱丝杠匹配性医疗器械CT、MRI安全性高、设计紧凑高功率密度放疗设备精度高、刚性高高精度、高刚性自动化设备金属成型机承载能力强、设计紧凑高功率密度精密机床使用寿命长使用寿命长娱乐模拟器精度高、刚性高高精度、高刚性伺服压力机、注塑机速度和加速度高高速、高加速性能汽车生产线技术自冲铆、涂胶轻量化高功率密度伺服点焊设备定位精度高高
20、传动精度寿命长、可靠性强极强的可靠性国外行星滚柱丝杠产品已经在军工装备、汽车自动化产线、大型机床、电动执行器等产品领域获得规模商业化应用。在民用领域,行星滚柱丝杠与电机一体化形成电动执行器,国外已经在阀门执行器、塑料机械、无人汽车、六自由度模拟器、高端汽车生产线等领域得到应用。行星滚柱丝杠在国外军品应用案例包括 F-35B 战斗机电动起落架、潜艇自由度模拟仿真平台、电动造波机、美国鱼鹰战斗机航空武器悬挂发射系统装置、美国武装直升机的航空武器悬挂发射系统装置和螺旋桨高低调节装置等。行星滚柱丝杠属于精密传动零部件,国内目前行星滚柱丝杠加工制造设备主要有采用滚珠丝杠制造设备或者研发专用制造设备,加工
21、精度基本可以达到 G5 级精度。国内行星滚柱丝杠厂商受加工设备、加工工艺、材料和热处理工艺、测试设备、产业工人等因素的制约导致产品无法实现规模化地商业推广和应用。在替代国外进口产品以及未来全电动装备发展中,行星滚柱丝杠存在着巨大的市场应用前景。滚柱丝杠在典型行业应用滚柱丝杠有非常广泛的应用场景 激光设备 机床 光学仪器 医疗器械 测量仪器 连铸机 阀门控制 印刷 电动缸 压力机 望远镜设备 航天航空 军工 生物化学工业 生物化学工业 汽车制造业 核工业 石油行业 半导体行业资料来源:rollivs产品手册,华鑫证券研究资料来源:王有雪E公司滚柱丝杠产品营销策略研究,华鑫证券研究1.5、行星滚柱
22、丝杠在军工和民用均有大量应用场景1 1、线性传动核心部件,高精技术集成之作、线性传动核心部件,高精技术集成之作0 2行星滚柱丝杠精度要求高,加工工艺壁垒深厚14诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明14资料来源:精密行星滚柱丝杠的传动特性_李凯,华鑫证券研究PRS在实际运用过程的传动误差主要包括PRS自身误差、中间装置误差和环境因素引起的误差等。PRS传动误差是指螺母实际位移与理论位移之差。由于PRS传动机构是驱动电机、联轴器、支撑轴承、行星滚柱丝杠、测量装置、控制系统等部件一体化集成设计的复杂的机电设备,因此影响传动精度的误差来源众多,且性质和规律各不相同。PRS传动误差可由丝杠、
23、滚柱和螺母引起的误差进行叠加,但在工程实际中,不能进行简单线性叠加。螺距误差:属于系统误差且为某一固定值。力形变误差和弹性接触形变误差:在轴向载荷和扭转力矩作用下,丝杠会发生力形变,形变量与丝杠的支撑方式和有效长度有关。同轴度误差:PRS在加工制造过程中,螺纹制造误差造成螺纹与轴颈部的同轴度误差,进而引起传动误差。安装误差:与滚珠丝杠类似,PRS自身径向跳动和轴向窜动也会影响到传动精度。可通过设计预紧螺母等硬件调校机构以减少影响。回程误差:指输入轴正向、反向运动一次,实际与理论行程之间的偏差,反映丝杠、滚柱和螺母的螺纹间隙对传动精度的影响。传动误差行星滚柱丝杠误差中间装置误差环境因素引起的误差
24、单向传动误差回程误差驱动电机误差支撑轴承误差螺距误差力形变误差同轴度误差弹力形变误差联轴器误差测量装置误差控制系统误差2 2、行星滚柱丝杠精度要求高,加工工艺壁垒深厚、行星滚柱丝杠精度要求高,加工工艺壁垒深厚2.1、滚柱丝杠加工的核心在于减小误差、提高精度15诚信、专业、稳健、高效请阅读最后一页重要免责声明15在实际生产加工过程中,螺距误差对啮合干涉或啮合间隙影响明显。精密传动行程精度的影响误差大致分为三类:周期性系统误差、随机误差、非周期性系统误差。PRS的行程精度的周期性误差主要由丝杠、滚柱、螺母螺纹同轴度原始误差引起;而非周期性误差则由丝杠、滚柱、螺母中径误差及螺距误差引起;随机误差是温
25、度、湿度、环境因素引起。所有误差因素与行程误差均为正相关,其敏感性指数从大到小依次为:丝杠螺距(2.8570、滚柱螺距(1.0000)、螺 母 螺 距(1.0000)、丝杠螺纹同轴度(0.9800)、螺母螺纹同轴度(0.4750)、滚柱螺纹同轴度(0.0585),滚柱同轴度敏感性指数小于0.1,可以忽略不计。中径误差对行程精度无直接影响,但对轴向间隙有显著影响。相关敏感性指数从大到小依次为:滚柱中径误差(-4)、丝杠中径误差(-2)、螺母中径误差(2)。丝杠、滚柱、螺母中径误差与啮合间隙量在同一数量级上,对啮合点轴向间隙量的影响最大,螺距误差次之,误差会导致啮合干涉或间隙量过大。资料来源:吴翰
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