中金:风起行星滚柱丝杠,行业谁与争锋?

中金点睛 2022-11-25 08:01

催化剂:2022年特斯拉AI Day,行星滚柱丝杠出现在 Optimus原型机关节方案中[1],引起市场广泛关注。全球行星滚珠丝杠发展阶段迥异,国内理论体系研究及产业化仍处起始阶段。我们认为行星滚柱丝杠作为螺纹丝杠的特种分支,具备充分研究价值,建议关注相关产学研进程。


摘要


新一代直线传动分支,专精特新属性强。行星滚柱丝杠属于螺纹丝杠的高精尖分支,将螺旋与行星运动结合,综合性能要求较高。相比于同规格滚珠丝杠,行星滚柱丝杠体现“重载、高效、高速、寿命长”特点,已在海外军用及高端民用市场规模应用。根据Persistence market research预计,2021年全球行星滚柱丝杠2.3亿美元,未来五年复合增速为5.7%,人形机器人或为行业注入更多可能。


国内行星滚柱丝杠产业化仍处早期。1)需求端:全球行星滚柱丝杠商业化起步于1970年代,美国、德国、英国占据全球行星滚柱丝杠应用半壁江山。中国市场起步较晚,产品认知度需要过程,近年来以华中科技大学等为代表的高校力量推动底层研究。2)供给端:瑞士GSA、美国Moog、美国Nook等占据主流市场,国内参与企业尚未形成规模化能力。


产品壁垒体现在材料、加工端。1)材料:国内以马氏体不锈钢为主,有望借鉴海外调质钢应用经验。2)加工:以Rollvis为代表的欧洲龙头形成磨削与滚轧成形制造经验,国内在制造设备、工艺流程、热处理缺乏系统经验积淀。我们认为高精尖需求拉动行星滚柱丝杠市场,国内品牌崛起大有可为。


风险


人形机器人产业化落地不及预期,宏观经济承压。


正文


前言:行星滚柱丝杠或为下一代风口



特斯拉原型机采用行星滚柱丝杠,关注度迅速攀升


特斯拉人型机器人Optimus采用1:14行星滚柱丝杠。在10月1日特斯拉AI日上,人型机Optimus原型机采用行星滚柱丝杠及谐波减速器作为可选线性关节方案。根据官网渲染图,一台Optimus原型机采用14个谐波减速器及14个行星滚柱丝杠,行星滚柱丝杠作为本次发布会超预期的传动单元设计,引起市场广泛关注。


图表1:Optimus以行星滚柱丝杠作为可选方案

资料来源:特斯拉官网,中金公司研究部


行星滚柱丝杠已在全球高精尖领域运用。全球行星滚柱丝杠体现出专精特新的赛道属性,分布于航空航天、武器装备、核动力等特种领域。比如飞机起落架、直升机悬挂发射装置等。此外民用市场里,机床、汽车ABS系统、石油化工等存在应用需求。


国内外行星滚柱丝杠发展阶段迥异。1942年瑞典Carl Bruno申请行星滚柱丝专利,1954年后市场逐步重视。1970年代起瑞士Rollvis推动规模制造进程,瑞士SKF平分秋色。根据SKF技术期刊报道[2],2000年“电机+行星滚柱丝杠”已在轧钢厂中替代传统液压系统,体现出重载荷、重型、高转速、高线速度、高加速度的特点。由于海外涉及材料、装配等专利保护,市场高度集中,国内行星滚柱丝杠理论研究仍处于早期阶段,缺乏系统技术支撑,市场应用受到制约。


图表2:全球行星滚柱丝杠发展历程

资料来源:新剑公司官网,Moog官网,中国工业报,博特精工等《JBT12604-2016行星滚柱丝杆标准》(2016),古晓明等《一种新型的差动式滚柱丝杠螺母结构》(1991),于兆勤等《一种新型的高速进给传动机构─—行星滚柱丝杠》(1996),中金公司研究部


行星滚柱丝杠:专精特新,研究价值突出



行星滚柱丝杠:新一代直线传动结构分支


行星滚柱丝杠(Planetary Roller Screw, 简称PRS)由行星架、内齿圈、螺母、滚柱、丝杠等组成。标准式行星滚柱丝杠的作用原理为:配套电机带动丝杠旋转,通过啮合滚柱,将电机的旋转运动转换成螺母的直线往复运动。行星滚柱丝杠将螺旋运动和行星运动结合,非常适合综合性能要求较高场合。


► 滚柱:具有相同牙型角(螺纹相邻两牙侧交角)的单道旋转槽螺纹


► 丝杠:牙型角为90°的多头(旋转槽)螺纹


► 螺母:内螺纹与丝杠的牙型角和头数一致


► 其他:1)滚柱保持架:确保滚柱沿圆周均匀分布;2)直齿:避免滚柱由于螺母的运动产生偏移


图表3:行星滚柱丝杠示意图及实物图

资料来源:李凯等《精密行星滚柱丝杠的传动特性》(2016),中金公司研究部


行星滚柱丝杠属于螺纹丝杠的高精尖分支。常见螺纹丝杠可分为三角螺纹、梯形螺纹、滚珠丝杠与行星滚柱丝杠四种。1)三角螺纹丝杠:又叫普通螺纹丝杠,牙型为等边三角形,用于连接紧固。2)梯形螺纹丝杆:螺旋形式为普通等腰梯形/滑动摩擦,传动效率26~46%,适用于木工机械,包装机械等,国产化率较为充分。3)滚珠丝杠:滚珠链在丝杠轴与螺母之间做滚动摩擦,传动效率超过90%[3],广泛用于机床、电子机械、机器人等场景,据智研咨询统计测算,国产化率不足60%[4]。4)行星滚柱丝杠:据李凯等《精密行星滚柱丝杠的传动特性》[5],行星滚柱丝杠综合了行星轮、滚珠丝杠、滚针轴承等优点,通过在主丝杠布置若干行星滚柱,大幅增加丝杠传动过程的接触面和受力面,传动效率略低于滚珠丝杠,在润滑条件较好时也可达到90%以上。国内研究应用及规模化量产尚处初期阶段。


在实际应用上,行星滚柱丝杠至少有5-13个滚柱,3道旋转槽以上的丝杠及螺母。与滚珠丝杠相比,行星滚柱丝杠具有如下性能优势:


► 高承载、高刚度:由于每个滚柱同时受力接触,相同高载荷情况下,行星滚柱丝杠体积比滚珠丝杠小1/3的空间,寿命是滚珠丝杠的15倍。通常情况上,行星滚柱丝杠副轴向刚度比滚珠丝杠副大约50%。


► 高范围导程:相较于导程受滚珠直径限制,常为毫米级的滚珠丝杠,行星滚柱丝杠可通过调整螺纹头数等因素使导程达到更小的微米级。


► 高速度、低噪音:滚珠丝杠副运行过程中需要反相器使滚珠循环,在速度增大时,离心力较大,且造成噪声。行星滚柱丝杠结构大都无需返回装置,转速可达每分钟6000转,加速度可达7000rad/s2。


► 维护方便:拆装时不会出现滚珠丝杠副滚珠散落情况,可直接将拆下的丝杠旋入螺母并保持精度不变。


图表4:不同种类螺纹丝杠对比

资料来源:斯科勒自动化官网,ROLLVIS catalogue 2019,陈琦《行星滚柱丝杠电动缸应用现状》(2017),中金公司研究部



市场空间:2025年全球预计3.3亿美元,未来或充满更多可能


全球行星滚柱丝杠渗透率不断扩张:


► 对滚珠丝杠替代:不需要滚珠返回器,规避噪音问题。此外行星滚柱丝杠啮合点更多,在恶劣工况具备更优刚度和承载能力。在机床等领域,行星滚柱丝杠因其更小导程,更高负载,不断受到青睐;在机器人、自动化等电动缸领域,因响应快等逐步采用。


► 对液压传动替代:液压传动需要液压泵阀等,采用行星滚柱丝杠后,总体积缩减,规避漏油问题,拆装维修简单。在工程机械领域,通过行星滚柱丝杠取代大负载液压系统,可有效实现电控化、易替换。在新能源汽车领域,通过电子机械制动系统(EMB)替换液压制动,响应更快。


根据Persistence market research预计, 2012-2020年全球行星滚柱丝杠市场规模CAGR约为4.8%增长至2.3亿美元,约合人民币约为15.2亿元。自2020年起,随新能源需求不断增加,Persistence market research预计2020-2025年将达到5.7%的复合增长率,达到3.3亿美元,约合人民币20.1亿元。


图表5:2021-2025年全球行星滚柱丝杠市场复合增速5.7%

注:2020年美元数据采用2020/12/31日美元对人民币汇率转换
资料来源:Persistence market research,QYResearch,中金公司研究部


为应对不同应用环境,全球行星滚柱丝杠结构在标准式的基础上,额外衍生出四类派系:


► 反向式:螺母作为主动件,丝杠为输出构件,没有内齿圈。最大优势在于结构紧凑,用于小行程工作场景。


► 循环式:去掉了内齿圈,增加返回器(凸轮环结构),滚柱可在螺母内旋转一周后归位。通过增加螺纹数量,具有更高刚度能力,用于医疗器械、光学精密仪器等领域。


► 轴承环式:增加壳体、端盖、圆柱滚子轴承等部件,大大提高承载能力,应用于重型机械、石油化工等领域,制造成本高昂。


► 差动式:滚柱为分段环槽结构,去除内齿圈,适用于传动较大的场合。但在运动过程中,螺纹会出现滑动,在大负载情况下易磨损。


图表6:行星滚柱丝杠品类与下游应用场景

资料来源:柯浩《行星滚柱丝杠传动精度分析与设计》(2020),中金公司研究部


欧美品牌垄断市场,国内崛起大有可为。根据Persistence market research统计,目前美国为全球行星滚柱丝杠最大需求国,德国、英国紧随其后,三地区合计占据总体市场50%。中国市场起步较晚,市场认知需要过程,参与企业较为稀缺。近年来以华中科技大学、西北工业大学、南京理工大学为代表的高校力量推动底层研究,学术成果频频。


特斯拉远期人形机器人百万台,或带来更多可能。2022特斯拉 AI Day中,马斯克希冀人形机器人3-5年内实现规模化销售[6],我们认为人形机器人有望为行星滚柱丝杠产业化注入风口。


图表7:2020年美国为全球行星滚柱丝杠最大市场

资料来源:Persistence market research,中金公司研究部


图表8:2020年标准式行星滚柱丝杠占比72%

资料来源:Persistence market research,中金公司研究部


产业链:壁垒明显,国产崛起势在必行



原材料:国内材料选择局限,调质钢有望补齐


国外厂商多以合金结构调质钢为主,以不锈钢为备选。Ewellix、SKF采用的42/50CrMo4,Barnes Industries针对不同部件采用的SAE 6150 Alloy,SAE 4130 Alloy钢等等均重视微量元素对钢材的加成,并通过表面预处理,达到较高的疲劳极限和抗多次冲击能力,以及良好的低温冲击韧性。


国内以马氏体不锈钢为主,有望借鉴调质钢应用经验。国内标准行星滚柱丝杠材料绝大部分采用马氏体不锈钢,满足一般性强度、硬度和耐磨性要求,但高硬度与抗腐蚀度难以同时达成。


图表9:Ewellix产品可选钢材性质对比

资料来源:Ewellix catalogue 2020,中金公司研究所



生产端:海外制造能力雄厚,国内差距明显


以Rollvis为代表的欧洲龙头提出两类成熟制造方法,分别为磨削与滚轧成形,国内主要采用切削或非精密磨削。具体三种方式如下:1)切削:滚动体(滚柱)需要棒材—粗加工—精加工,车削或铣削无法保障齿距误差和定位误差,最终精度5-6级。2)磨削:螺纹磨床仅一次对刀,对砂轮要求较高。3)滚轧成形:近几年快速发展,效率至少为切削10倍,易于配合上下料自动化。


图表10:行星滚柱丝杠螺纹滚柱加工工艺区别

注:滚柱长度以不长于80mm为准
资料来源:侯源君《钛合金梯形内螺纹振动挤压加工技术基础研究》(2020),陈晖《行星滚柱丝杠螺纹的硬态车削加工技术研究》(2018),《行星滚柱丝杠副滚柱塑性成形的探讨》(2015),中金公司研究部


机床传动、热变形、装配将对精度产生影响。由于少有行星滚柱丝杠加工报道,我们以滚柱丝杠为例,分析误差来源。除国内高精度机床自给率不足外,热变形及装配误差处理为重要考量因素。1)热变形:国内鲜有相关文献探讨,以竞品滚珠丝杠为例,在磨削生产中,滚珠丝杠表面温度将会上升2-3度,丝杠伸长量将达10μm左右,占丝杠总误差的40-70%。2)装配误差:据牛星《精密滚珠丝杠磨削加工精度及其测试方法研究》[7],国内多依靠车间师傅工作经验,引入数字化的误差补偿手段有待提升。


图表11:以磨削为例,行星滚柱丝杠加工通用误差来源

资料来源:牛星《精密滚珠丝杠磨削加工精度及其测试方法研究》(2021),中金公司研究部



产品端:国产竞争力提升大有可为


欧美龙头率先起步,占据技术先发优势。目前参与行星滚柱丝杠产品研发的商家多为欧美国际巨头,在传动件领域具备深厚积累。


► 瑞士GSA:1982年起生产行星滚柱丝杠,同集团兄弟公司GZ公司专注螺纹磨削。2016年并购Rollvis后,成为行星滚柱丝杠全球大型供应商。(注:Rollvis从1970年起开始生产行星滚柱丝杠产品,目前已覆盖非循环式、反向式、差动式以及循环式产品。)


► 瑞典SKF:全球第二大行星滚柱丝杠生产商,最大的通用件厂商之一。面对普通领域与高精技术场合分别推出标准式与循环式行星滚柱丝杠。


► Ewellix:原隶属于SKF线性运动技术事业部,2018年被欧洲投资公司收购后改名,并以SKF时期技术与客户基础参与市场竞争,在滚珠丝杠、导轨、行星滚柱丝杠领域均有较强实力。


► Moog:美国Moog创立于1951年,通过航空航天、特种伺服阀起家,旗下核心产品包括伺服驱动器,伺服电机与流量控制阀等,是全球大型通用件供应商之一。Moog已有超过30年的行星滚柱丝杠定制历史,可以做到6周内之内迅速交货。


► Nook:美国Nook创立于1969年,旗下核心产品包括梯形螺纹丝杠、滚珠丝杠与其他传动产品,是最大的传动通用件提供者之一。在21世纪初,Nook开始进入行星滚柱丝杠领域,已有生产标准型与高精度型号的能力。


► 美国Exlar、英国Power Jack等:致力于反向式行星滚柱丝杠电动缸的研发。


图表12:全球行星滚柱丝杠龙头产品简介

资料来源:各公司官网,柯浩《行星滚柱丝杠传动精度分析与设计》(2020),中金公司研究部


国内行星滚柱丝杠生产商较为稀缺,具备小批量研发制造能力企业主要包括:博特精工、汉江机床等。从性能参数看,产品差异体现在如下方面:


► 传动精度:若传动精度不足,会增加伺服系统的超调量和调整时间。行星滚柱丝杠主要依靠零部件间的螺纹啮合实现传动性能,而螺纹的加工精度会直接影响系统的传动精度、使用寿命。国内产品在传动精度上小部分已能达到G3精度,相较国外G1-G5全覆盖仍有差距。


► 承载能力:国内产品在承载能力上仍未达到国际最大载荷水平,在航天航空、特种等领域的更多高精尖需求促使国内产品迭代。


► 使用寿命:国外行星滚柱丝杠产品已能接近同规格滚珠丝杠15倍生存寿命的基础上,国内产品寿命和使用可靠性有待提升。


► 产品尺寸:大部分国内领先厂商于2010年后开始研发,仅能完成对直径70mm以下产品的标准化生产,更多尺寸则需定制后通过较长的交货周期完成。


图表13:国内外领先行星滚柱丝杠生产公司产品参数对比

注:各厂商均采用标准式行星滚柱丝杠,以d0=30mm为基准作为同规格对比产品
资料来源:SKF catalogue 2003,ROLLVIS catalogue 2019,博特精工官网,中金公司研究部


[1]https://new.qq.com/rain/a/20221003A01BV000

[2]https://evolution.skf.com/us/skf-roller-screws-keep-steel-mills-rolling-along/

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/dX7SDEnE3XbtmZWA-4E9IQ

[4]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1713102129485730964&wfr=spider&for=pc

[5]https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&dbname=CJFDLAST2016&filename=GXJM201608012&uniplatform=NZKPT&v=Lde58WCykaQy8Gg951_27SLTtkIsE7hanfw2ikyOf3iKHOB9kQioDDRdu3fPT3Z8

[6]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1745626838515321981&wfr=spider&for=pc

[7]https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CMFD&dbname=CMFD202201&filename=1021037944.nh&uniplatform=NZKPT&v=yJg1z0djvZ4YLXGhLhwTpa14CE_4WCo-eu4NOOzieWqTFsC0JU4VmqfkVDglbddr


文章来源

本文摘自:2022年11月24日已经发布的《专精系列:风起行星滚柱丝杠,行业谁与争锋?》

分析员 郭威秀 SAC 执证编号:S0080521120004 SFC CE Ref:BSI157

联系人 王梓琳 SAC 执证编号:S0080121060117

分析员 陈显帆  SAC 执证编号:S0080521050004 SFC CE Ref:BRO897


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