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丝杠行业：人形机器人量产前夜，国内企业加速入局助推进口替代

引子

滚珠丝杠简介

丝杠是一种将电机端旋转运动转化为直线运动的机械部件，广泛应用于具有直线运动功能的机器设备中。

电机通过联轴器带动丝杠轴转动，丝杠轴上的螺母在螺旋形螺纹的驱动下实现直线往复运动，从而将电机

的旋转力矩转化为设备运动所需要的直线方向的驱动力。

丝杠从设计结构角度分为：梯形丝杠、滚珠丝杠以及滚柱丝杠。其中，梯形丝杠中无滚动体，靠滑动摩擦

传递推力，传动效率较低；滚珠和滚柱丝杠具有钢球或螺杆型的滚动体，靠滚动摩擦传递推力，传动效率

较高。当前，滚珠丝杠是行业主流产品，相较之梯形丝杠，其在传动效率、传动速度、使用寿命等方面的

优势明显。

滚珠丝杠副的定义：其是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，作用是将旋转运动转变为直线运动

或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其

广泛运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。

滚珠丝杠副的结构：滚珠丝杠副按循环方式分为：内循环端块式(DK)，内循环端盖式(DG)，内循环浮动

式(F)，内循环矩阵式(J)和外循环插管式(C)。

行星滚柱丝杠工作原理

标准式行星滚柱丝杠主要由丝杠、螺母、滚柱、内齿圈及保持架等部分组成，它主要是依靠多个滚柱与丝

杠、螺母之间的螺纹啮合传动来将伺服电机的旋转运动转化为直线运动，其滚柱通过保持架均匀的分布在

丝杠、螺母之间，为了防止滚柱相对于螺母发生轴向窜动的现象，保持架与螺母之间轴向方向相对固定，

另外滚柱两边加工有直齿轮，目的是为了避免滚柱相对于螺母的滑动而产生零件偏斜现象。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，而螺母则通过保持架使其与滚柱之间无相对轴向位移，因此螺母与滚柱保持着相同的轴向移动

速度。

相较其他直线机构，行星滚柱丝杠具有大承载、长寿命、响应速度快和小体积等优势；相较滚珠丝杠，滚

动丝杠的承载能力主要取决于滚动体之间接触面的曲率半径，接触点数目以及接触面硬度与光洁度。在相

同接触表面硬度、光洁度与精度的条件下，滚柱丝杠比滚珠丝杠具有更多的接触点，滚柱接触面的包络圆

曲率半径亦远大于滚珠丝杠钢球的曲率半径，这就决定了滚柱丝杠比普通的滚珠丝杠具有更高的承载能力。

滚珠丝杠工艺：磨削VS冷轧

精密滚珠丝杠从加工工艺角度划分为磨削滚珠丝杠和冷轧滚珠丝杠两大类，磨削滚珠丝杠是按照基准统一

原则，以两端中心孔为加工工艺工序基准，通过热处理、车削、磨削等几十道工序逐一完成，制造精度高

达到P1级，适合给高精度设备做定位部件；冷轧滚珠丝杠是采用冷加工工艺模具制造，开模工艺自动化

程度高，批量生产后成本低，效率高，但制造精度不甚理想，总停留在P7级左右，一般在设备中做传动

部件。

在实际生产过程中，由于各方面原因共同作用的结果，丝杠旋转一周，而工作台并非恰好行进一个螺距，

这样就会形成螺距误差。滚珠丝杠螺距误差来源大致可以分为静态误差、动态误差和随机误差，这三种误

差又包括很多种，其中机床误差、砂轮磨损和弹性变形以及热变形误差对螺距误差影响较大。

行星滚柱丝杠属于新一代丝杠，技术壁垒较高

行星滚柱丝杠副的技术壁垒主要体现在：1）加工精度：行星滚柱丝杠副是通过螺纹啮合来实现精密传动，

因此滚道表面粗糙度宜采用较高精度等级。同时，行星齿轮的齿形较小，为了保证行星滚柱丝杠副的装配

精度，齿轮副的也应采用较高加工精度等级。2）工件材料：行星滚柱丝杠副在工作时，丝杠、滚柱及螺母

的螺纹滚道会受到连续性、周期性和频繁的振动、冲击及摩擦，导致丝杠副的温度升高，且随着转速和承

载的提高，温升会显著增大，最终导致滚道磨损、蠕变松弛、热变形、疲劳、屈服等。因此，应选择硬度

高、耐磨性强、抗疲劳性强、承载力高、温度适应性较好、切削性能及经济性较好的材料。3）表面热处理：

分为预备热处理和最终热处理两大类。预备热处理可以改善丝杠切削性能、消除残余应力；最终热处理可

以提高螺纹的表面硬度及耐磨性。目前，国内高转速、高承载的精密行星滚柱丝杠副精度及可靠性差是制

约热处理发展的重要因素；不当的热处理工艺会使行星滚柱丝杠副的寿命降低。4）磨削工艺：行星滚柱丝

杠副承载能力较大，且其螺纹牙经过热处理后硬度较大，因此螺纹加工采用磨削方法。螺纹磨削利用砂轮

替代车刀、铣刀进行加工，因此磨削精度受磨削工艺参数、砂轮参数、磨削力与磨削热、磨削液的选用及

数控磨床综合性能