通用设备：高壁垒的成长赛道，受益于自主可控人形机器人未来发展

发布者：彭泽先生 2023-7-17 09:58

（每日研选深度报告导读，请关注：报告派）

报告出品方：东吴证券

以下为报告原文节选

------

1. 丝杠导轨：精密机械中最常用传动部件

1.1. 丝杠导轨为核心传动部件，直接影响设备精度和稳定性

滚珠丝杠是将旋转运动转换成线性运动的理想传动装置，主要由丝杠轴、螺母、滚珠以及循环部件组成。丝杠轴、螺母和端盖 (一类滚珠循环部件，此处以“端盖式循环”为例解释滚珠丝杠传动原理) 上都制有圆弧形螺旋槽，将它们套装在一起时，这些槽对合起来就形成了螺旋通道，滚珠能够在通道内循环滚动。当丝杠相对于螺母旋转时，滚珠在滚道内自转，同时又在封闭的滚道内循环运动，使丝杠和螺母相对产生轴向运动。

滚珠丝杠主要可分为内循环和外循环两大类，外循环中又可再分为端部导流、管循环和端盖式。外循环式滚珠丝杠运动时，部分滚珠与丝杠不接触，其优点为工艺简单且易于制造，而缺点为效率较低；内循环式滚珠丝杠运动时，滚珠始终与丝杠接触，适用于高速高敏高刚度场景，但缺点为加工困难。

相较普通滑动丝杠，滚珠丝杠使用滚珠传递运动，具有传动效率高、定位精度高和传动刚度大等明显优势。滑动丝杠的优点在于结构简单、加工方便、成本低和能自锁，缺点是摩擦阻力大，易磨损，传动效率低。目前已逐步被滚珠丝杠所替代，但在部分需要自锁功能和对精度传动效率要求不高的场景仍有应用。

导轨副实现支撑和机械导向作用，主要由导轨和滑座组成。导轨副，简称导轨。一副导轨主要由两部分组成：在工作时固定不动，起到支撑作用的部分称为支承导轨 (或导轨)；另一个相对支承导轨作直线或回转运动，起到机械导向作用的部分称为滑座。常用导轨种类包括一般滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等，其中滚动导轨摩擦系数小，故运动灵敏且定位精度高。

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 ITO、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。
直线导轨精度按行走 100mm 的平行度划分，可分为普通级（C）、高级（H）、精密级（P）、超精密级（SP）与超高精密级（UP）五个等级，其中平行度是指将导轨以螺栓固定在基准面上，使滑块在导轨全长上运行时，滑块与导轨基准面之间的平行度误差。

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。根据公司招股书，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，CAGR 为 8.8%。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。
目前没有权威机构对导轨销售规模情况进行追踪统计，但导轨与滚珠丝杠常常配套使用和采购，生产端（主流厂商同时生产丝杠和导轨）便可基于过去生产实践，对两者的市场规模之比做出合理估计。根据我们的草根调研，滚珠丝杠和导轨的市场规模之比约为 1：4，即滚珠丝杠&导轨的整体市场空间可基于滚珠丝杠市场规模值的五倍进行推算。根据我们测算，2021 年全球滚珠丝杠&导轨市场空间约为 87.5 亿美元，国内滚珠丝杠&导轨市场空间约为 127.8 亿元。

1.2. 机床、自动化&汽车为丝杠导轨主要下游应用领域

机床系丝杠导轨最主要下游应用：

1）从使用量来看，一台机床通常搭配三套丝杠导轨：普通三轴机床在其 XYZ 三个线性轴基本采用丝杠导轨传动，1 根丝杠搭配 2 根导轨进行运动。而四五轴旋转轴一般不采用丝杠导轨传动（因此通常来说一台机床搭配三根丝杠+6 根导轨）。但对于部分精度要求较低的中低端机床，会使用皮带或同步轮搭配导轨传动，而替换掉价值量更高的丝杠。
2）从精度水平来看，机床对于丝杠导轨精度要求更高：相较于自动化&汽车等下游，机床对丝杠导轨精度要求更高，基本上使用的是精度 C5 以上的研磨级丝杠。
3）从市场空间来看，机床是丝杠导轨市场最大下游：根据科德数控和纽威数控招股书披露的机床原材料采购情况，传动系统部件占机床成本的平均比例约 15%。根据MIR 睿工业数据，2021 年国内数控金属加工机床消费额约为 500-600 亿元，可以测算出对应传动系统（以滚珠丝杠&导轨为主）的消费额约为 75-90 亿元。

自动化下游中丝杠导轨应用广泛，人形机器人打开长期空间：

直线导轨通常被应用在机器人&自动化领域：一方面直线导轨精度较高，能够保障机器人运动时的准确度；另一方面直线导轨稳定性好，能够保证机器人在高速运动中不会出现晃动和失控的现象。而在自动化系统中，丝杠通常被用于控制工作台、传送带、夹具等部件的运动。
人形机器人产业快速发展，带来丝杠导轨应用新舞台。随着特斯拉人形机器人产业化推进，人工交互及人工智能成为一大趋势，人形机器人作为“具身智能”最理想载体，站在多重产业共振的交汇点，有望引领未来产业变革。人形机器人全身使用 12 个线性驱动器，采用力矩电机+行星滚柱丝杠的方案，实现高传动精度的同时也可以保持高精度的控制速度。

新能源汽车也是丝杠导轨的重要下游应用，未来潜在市场空间有望达 250 亿元：丝杠导轨可用于新能源汽车的车辆转向系统、刹车系统、加速踏板、座椅调节和玻璃升降等领域，以转向系统为例，滚珠丝杠用于转换驾驶员的转向输入为前轮的转向运动，以实现灵活、精确的转向操控，提供驾驶的稳定性和准确性。
新能源车用丝杠导轨对精度要求略低，但胜在汽车市场销量基数大。我们预计一辆新能源车在完美状态下会使用 4 套左右的丝杠导轨，假设 1 套价格约 500 元，则单车价值量可达 2000 元左右。假设未来新能源车渗透率提升至 50%，国内汽车销量稳定在 2500万辆，则新能源汽车用丝杠导轨市场空间有望达 250 亿元。

2. 竞争格局：高端领域被外资垄断，国产厂商逐步向上渗透

从主流厂商来看，丝杠导轨市场分为两大阵营：1）非中国大陆厂商包括上银、银泰、日本 THK 和 TSK：特点是成立时间早、经验积累丰富，产品定位高端精密丝杠市场，并配合先进机械的前沿需求不断创新升级。平均营收体量破百亿，完全主导中高端丝杠导轨市场；2）中国大陆厂商包括南京工艺、汉江机床（秦川子公司）、博特精工和华特机械等：特点是起步时间晚，公司规模小，产品主要为精度较低的丝杠导轨。

从竞争格局来看，国内丝杠导轨市场基本被以日资、台资为代表的外企垄断，两者市占率合计达到 65%。滚动功能部件加工技术壁垒极高、工序流程复杂，特别是对滚道和轴颈螺纹的精磨工艺将极大地影响后续使用时的定位精度。海外企业具有先发优势，在产品迭代和可靠性测试方面积累大量数据，因此产品具有较强竞争力。根据秦川机床公告，目前上银、银泰国内市场占有率接近 50%，日本 NSK、THK 等日企市场占有率约 15%；外资合计占比达 65%, 基本垄断国内市场。
除了市占率存在较大差距，外资厂商的优秀市场竞争力还体现在收入体量和产品均价上。1）从收入体量角度看：2021 年全球丝杠导轨龙头上银科技总营收达 61 亿元，净利润达 8 亿元。秦川机床下设子公司汉江机床主要负责丝杠导轨、螺纹磨床等业务。根据公司 2022 年报披露，汉江机床总营收仅为 4 亿元，若扣除螺纹磨床收入，秦川机床丝杠导轨业务收入不足 4 亿元，同外资收入体量相比差距明显。2）从产品均价看：根据草跟调研反馈，国产头部企业的产品均价尚未达到外资龙头产品均价的 50%，说明外资厂商具有较强的议价能力。

深究造成巨大差距的原因，主要在于产品的综合竞争力，而国产厂商的短板在于：

1）产品初始性能差距：国产滚珠丝杠出厂时和外资相比就有性能差距。根据《滚珠丝杠副可靠性增长关键技术研究》实验结果表明（见下图），针对同一批次的丝杠，大陆样件的摩擦力矩的均值变化量在 20%以上，而中国台湾产品的不到 10%。而从行程误差的分析来看，单个滚道中国台湾的丝杠性能也更加优异。究其原因，主要系大陆厂商的预紧的操作不够规范，同时在施加完预紧力后，缺乏成熟的摩擦力矩快速检测方法，来验证预紧力的施加是否合适，导致滚珠丝杠的综合性能产生差距。

2）精度保持性差距：在使用初期，国产滚珠丝杠能够达到设计时要求的重复定位精度，但经过使用磨耗后滚珠丝杠组件中的背隙会逐渐变大，导致重复定位精度下降，造成设备定位不准的问题。在上文同一试验中，大陆丝杠和中国台湾丝杠在试验过程中均出现不同程度的性能退化，但相较之下大陆丝杠的精度保持性低于中国台湾丝杠。
3）批量生产稳定性：国内企业实际上充分具备做出高精度丝杠的能力，但在大批量加工时无法保证良品合格率。

具体分析国产厂商短板成因，主要是国内磨床水平较低和淬火等工艺经验积累不足。
在丝杠导轨的加工过程中，对螺纹滚道和轴颈的精细磨削是最关键的环节，需要使用高精度磨床配合加工。而国内外磨床水平差距过大，进口磨床不仅精度高，同时能够做到可靠性好，保障批量加工的稳定性。此外工艺决定生产效率，从钢材的选用、前端热处理，到粗磨、精磨、后段检测等环节都需要一些通过实践总结的参数经验，而不是仅依靠理论设计。国内企业起步晚，仍需时间和机会去不断试错，积累经验。

专项政策扶持下，国产头部厂商加速产品迭代。南京工艺、汉江机床等国产头部厂商，在国家政策和 04 专项的支持下，迅速进行技术迭代。2020 年由南理工、南京工艺、汉江机床、博特精工等国产头部企业共同完成的「滚动功能部件服役性能成套测评方法与装备及性能提升关键技术」荣获技术发明一等奖。该项目聚焦于滚动功能部件的 4 项核心指标：可靠性、精度、刚性和预紧力，攻克了丝杠高精研磨改性和高效旋铣等性能提升关键技术，并成功研制出双螺母预紧高速精密滚珠丝杠副 DKFZD5020，首次为高档数控机床配套。

3. 行星滚柱丝杠：人形机器人打开长期成长空间

3.1. 行星滚柱丝杠在承载力、运动平稳性等多方面优于滚珠丝杠

行星滚柱丝杠主要是由滚柱丝杠、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传，带动滚柱螺母作轴向移动。行星滚柱丝杠结构与滚珠丝杠类似，只是传力元件为螺旋滚柱，属于典型的线接触；而滚珠丝杠的传力元件为滚珠，属于点接触。