1 丝杠：机械传动核心零部件，制造工艺复杂
丝杠是一种将旋转运动转化为直线运动的核心机械传动元件，由螺杆（即丝杠轴） 和螺母组成。其核心原理是利用螺纹副的啮合关系传递动力和运动：当螺杆旋转时，螺 母沿螺杆轴线直线移动，移动距离由螺纹的导程，即螺杆旋转一周时螺母移动的距离决 定。这种高效的运动转换机制，使丝杠成为精密机械、自动化设备和高端工业领域的“运 动控制之魂”。 工作原理：当螺杆作为主动旋转体时，螺母就会随螺杆的转动角度按照对应规格的 导程将螺杆的旋转运动转化成直线运动，参与做功的工件可以通过与螺母连接，从而实 现对应的直线运动。螺杆的旋转角度与螺母的直线移动量成正比，比例关系由螺杆的导 程，即螺纹的螺距决定。反之，如果螺母作为主动件移动，也可以使螺杆旋转，这样直 线运动就被转换成了旋转运动。
20 世纪中期以来，丝杠技术迅速发展，凭借其高精度、高承载和高刚度等性能优点， 在制造业中得到广泛应用。行星滚柱丝杠是直线型电驱动执行器的核心组成部分，是精 密制造业的代表产品之一。先进的传动系统是工业强国保持竞争优势的关键，而丝杠作 为精密直线传动领域的核心部件，在高端制造领域拥有着非常重要的地位。 中国在丝杠领域虽然起步较晚，但进展较快。1964 年中国研制出首套滚珠丝杠副， 开启国产化进程。1974 年中国发布首个行业标准《滚珠丝杠副验收技术条件》，逐步建 立技术体系。1982 年中国行业标准 JB3162-1982 等效采用 ISO 标准，与国际接轨。自 2023 年以后，伴随着人形机器人行业的逐步发展以及工业和信息化部印发的《人形机器人创 新发展指导意见》出台，将丝杠产品又推向新的研究热点。此阶段的产品市场以人形机 器人用反向式行星滚柱丝杠副为主。
根据摩擦特性，丝杠主要分为三类： （1）滑动丝杠（梯形丝杠）：螺杆与螺母直接通过螺纹面接触，依靠滑动摩擦传递 动力。其结构简单、成本低，且具备自锁性（可防止负载反向运动），但传动效率仅 30– 50%，易磨损且精度有限，多用于普通机床进给机构、起重机等低速重载场景。 （2）滚动丝杠：其中，滚动丝杠又可以分为两类，滚珠丝杠和行星滚柱丝杠； 滚珠丝杠：在螺杆与螺母间加入滚珠，以滚动摩擦替代滑动摩擦。滚珠在螺旋滚道 内循环运动，传动效率高达 90%以上，精度可达微米级（如 C0-C5 级）。按循环方式分 为内循环式和外循环式，内循环式特点为结构紧凑、噪音低；外循环式特点为承载能力 强；按工艺分为磨削型（精度高）和轧制型（成本低）。 行星滚柱丝杠：以螺纹滚柱替代滚珠，滚柱围绕螺杆做“行星式”公转与自转，推 动螺母直线运动。其接触面积为线接触（滚珠丝杠为点接触）。特点包括：高承载能力、 高刚度与抗冲击能力和长寿命。高承载能力：由于行星滚柱丝杠采用线接触，与滚珠丝 杠的点接触相比，能够在相同条件下提供更高的承载能力。高刚度与抗冲击能力：行星 滚柱丝杠的设计提供了更高的刚度，同时保持了良好的抗冲击性能。长寿命：根据赫兹 压力定律，行星滚柱丝杠的寿命可达到滚珠丝杠的 15 倍，这意味着在相同工况下，行星 滚柱丝杠的维护周期更长，可靠性更高。 （3）静压丝杠：通过液压或气压在螺杆与螺母间形成油膜/气膜，实现零接触摩擦。 其精度极高（纳米级）、刚性大，但需额外供油系统且成本高昂，主要用于光刻机晶圆 台定位、超精密磨床等尖端领域。
滚珠丝杠是当下应用最为广泛的丝杠。在三种丝杠中行星滚柱丝杠的精度最高，但 成本也相对较高。滚珠丝杠则以其高速度和高精度闻名，成本适中，因此性价比较高且 价格适中，应用最为广泛。而梯形丝杠虽然结构简单、成本较低，但在精度上较低。滚 珠丝杠相比梯形丝杠传动效率和精度更高，相比行星滚柱丝杠有更高的效率、更低的后 驱力和价格，所以广泛适用于有精密度和价格都有要求的传动场景。
行星滚柱丝杠性能优异，长期而言是最佳传动解决方案。行星滚柱丝杠与滚珠丝杠 的主要区别是行星滚柱丝杠负载的传递单元使用螺纹滚柱而不是滚珠，能够承受更高的 静态负载和动态负载，静载为滚珠丝杠的 3 倍，寿命为滚珠丝杠的 15 倍。同时，具有更 强的刚度和抗冲击能力，可以提供更高的转速及更大的加速度。此外，行星滚柱丝杠为 螺纹传动，螺距设计范围更广，行星滚柱丝杠的导程可以比滚珠丝杠更小。
行星滚柱丝杠在发展中衍生出不同种类，主要分为标准式、反向式、循环式和差动 式。 标准式行星滚柱丝杠，为了避免滚柱轴线相对于丝杆倾斜，消除丝杆螺旋升角对滚 柱产生倾覆力矩，滚柱两端带有螺旋齿，这种方式通过内齿圈啮合消除滚柱倾斜力矩， 确保轴线平行于丝杠。标准式行星滚柱丝杠，丝杠为主动件，螺母为输出端，寿命长， 负载能力强，适用于长行程、高负载场景，但导程较大，加工难度高，需精密磨削设备。 反向式行星滚柱丝杠与标准式行星滚柱丝杠的区别在于，反向式行星滚柱丝杠是螺 母作为旋转输入而丝杆作为直线输出，并且丝杆螺纹两端加工有直齿，其优势在于便于 集成，典型应用为电机与丝杠一体化设计，如特斯拉 Optimus 关节。特点是结构紧凑、 集成度高、适合中小负载，但与之而来的问题是小体积带来螺母内螺纹加工复杂 循环式行星滚柱丝杠明显特征在于其滚柱螺纹为螺旋升角为零的环槽，滚柱为无螺 纹环槽结构，通过凸轮环实现滚柱循环复位，类似滚珠丝杠的返回器。滚柱与丝杠/螺母 螺纹啮合数量增加，提升接触点密度。该类行星滚柱丝杠的优势在于可以实现小导程、 高位置精度、啮合点更多和承载能力更高。 差动式行星滚柱丝杠其明显特征在于滚柱和螺母均为无螺旋升角的环槽，且滚柱分 为大直径段和小直径段，大直径段的环槽与丝杆螺纹啮合，小直径段的环槽与螺母环槽 啮合，其优势在于小导程的实现、结构简单且便于加工。 标准式行星滚柱丝杠凭借成熟工艺占据工业机器人市场主导地位，而反向式因一体 化设计成为人形机器人关节主流方案（如特斯拉 Optimus）。循环式和差动式则分别在精 密制造与重型机械领域发挥优势，但均面临加工工艺与成本瓶颈。未来，随着磨削技术 和模块化装配工艺的突破，四类结构将向更高精度、更大负载及智能化集成方向演进。
滚珠丝杠精度等级划分的基本原则是在传动中，实际移动距离和理想移动距离的偏 差，偏差越小，精度越高。丝杠精度等级的划分主要基于导程误差、轴向窜动、径向圆 跳动等核心参数。 针对精度要求，全球不同国家和地区的标准存在显著差异。例如，中国大陆采用的 精度等级涵盖 P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10；中国台湾地区则遵循 JIS 标准，其精度 等级划分为 C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10；日本与韩国同样采用 JIS 等级，即 C0 至 C2、C3、C5、C7、C10。在欧洲，相关标准为 IT0、IT1、IT2、IT3、IT4、IT5、IT7、IT10 等。从应用场景看，普通机械设备通常选用 C7 或 C10 级精度；数控设备更倾向 C5 或 C3 级；而航空制造设备、精密投影及三坐标测量设备等对精度要求严苛，一般需达到 C3 或 C2 级。
不同精度的丝杠应用场景不同，高精度加工设备需要高精度丝杠。 对于机床中的高精度加工设备，如加工中心、磨床、电火花加工机等，其 X、Y 轴 通常对精度要求较高，优先选用 0-3 级丝杠，部分高精密场景可适配 0 级，以满足精密 定位需求。例如，加工中心和磨床的 X、Y 轴因涉及复杂曲面加工，0-2 级丝杠能提供更 优的重复定位精度；而 Z 轴作为垂直进给轴，对刚性亦有要求，多选用 1-3 级丝杠，如 加工中心 Z 轴常用 1-3 级，磨床 Z 轴适配 1-2 级。 车床和铣床的 X 轴精度需求略高于 Z 轴，通常 X 轴可选用 0-3 级丝杠，Z 轴适用 2-4 级，兼顾精度与成本。钻床、线切割机和激光加工机的轴系精度要求相对均衡，X、Y 轴 多采用 2-4 级丝杠，Z 轴则适配 3-5 级，满足一般定位需求即可。 对于木工加工机和一般机械，因加工精度要求较低，丝杠精度可放宽至 3-5 级，以 平衡经济性与实用性。另外，精度等级并非越高越好，需结合具体工况，例如精密磨削 设备需严格控制丝杠误差以避免工件表面粗糙度超标，而普通铣削或钻孔作业则可选择 中低精度等级以降低成本。
高性能、高精度行星滚柱丝杠产品依靠先进的加工工艺与检测技术，工艺流程较长。 为保证产品流畅性和载荷均匀，丝杠、螺母、滚柱批量生产，螺纹螺距精度、齿形轮廓 精度、中径尺寸及一致性控制要求高，尤其是内螺纹加工、精确检测难度较大。行星滚 柱丝杠螺纹是由特定参数设计而成，其制造工艺方法主要为成型加工，例如旋风铣削、 磨削加工、硬态车削、滚压成型等。目前国内多采用磨削加工丝杠螺纹副，但存在磨削 加工工序复杂、对砂轮品质要求高、生产能耗大、会产生粉尘污染等问题，难以满足精 密制造需求。
车削工艺是在零件热处理后，采用高刚性、高精度数控车床进行硬切削，该方式加 工效率高，对加工装备的要求不高。切屑可带走部分切削热，降低了螺纹表面烧伤或产 生裂纹的风险。在设备精度保证下，利用高精度成型刀片，可实现较好的表面质量和螺 纹轮廓稳定性。缺点是无法加工根部圆弧半径 R≤0.2mm 的丝杠螺纹，刀片磨损快。 铣削工艺是在零件淬火后，采用高精度专用加工设备，以工件外圆为基准，利用安 装在高速旋转刀盘上的成型铣刀，实现螺纹滚道加工。该方法加工效率高，加工过程中 刀盘与工件同向旋转，工件旋转速度低，丝杠加工精度较高。优点是采用干切削绿色环 保，加工工序短，生产率高。缺点是前期设备投入较大，对刀具的精度、耐磨性和寿命 要求高。
磨削工艺是以中心孔及外圆为基准，核心在于螺纹磨床、磨削参数、热处理参数及 变形控制。一般分为粗加工、半精加工和精加工，该方法加工的螺纹轮廓精度、螺距精 度、中径尺寸及一致性精度最高，表面粗糙度值较低，产品精度保持性高，寿命长，可 加工小螺距行星丝杠。缺点是加工工序多、效率较低，制造成本较高，受材料和磨削参 数影响大。 轧制工艺是材料在软态情况下采用挤压方式加工，使材料产生塑性变形，然后进行 淬火处理，经抛光后表面光滑。该方法加工自动化程度高，生产成本低，效率高，加工 长径比大，适合系列化大批量生产。缺点是加工的产品精度低，无法准确控制螺纹底部 较小的圆弧半径，齿形精度取决于轧辊精度及寿命，设备成本高。 行星滚柱丝杠的传动性能高度依赖零件间的螺纹啮合精度，因此螺纹加工质量直接 决定了系统的传动精度、使用寿命及运行稳定性。丝杠螺纹根据结构形式分为外螺纹与内螺纹，其加工工艺存在显著差异：外螺纹加工主要采用硬车削、磨削、滚轧及旋铣等 技术路线，其中磨削工艺可达到最高精度等级，滚轧工艺以高效率见长，而硬车削与硬 态旋铣则在精度与效率间实现平衡；内螺纹加工因涉及深孔磨削、复杂几何形状控制等 技术挑战，目前仍以磨削工艺为主流，尽管存在加工效率低、设备要求苛刻等问题，但 仍是保障高精度的核心手段。
高精度丝杠所需的磨削工艺，工序繁多导致周期冗长，设备要求高。工艺包含 22 道 工序，其中磨削相关步骤（粗磨、半精磨、精磨、研磨）达 7 道，加上多次热处理和检 验，总周期长达 30-45 天。每道工序的装夹、对刀、检测时间占比高，且一旦某环节出 现废品，如砂轮崩裂导致工件报废，返工成本极高。设备与工装要求的精密磨削需依赖 高精度磨床，如数控外圆磨床、螺纹磨床。两顶尖装夹方式对机床刚性要求苛刻，振动 或热变形会直接影响加工精度。
2 丝杠下游应用广泛，人形机器人带动高端丝杠市场扩容
2.1 丝杠下游应用广泛，是制造业核心零部件
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