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高壁垒的成长赛道,受益于自主可控&人形机器人未来发展
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2024-05-10
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高壁垒的成长赛道,受益于自主可控&人形机器人未来发展
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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
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/89291298/bg2.jpg)
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。
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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,
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