滚珠丝杠副与直线导轨副共同组成了应用广泛的机械传动装置

滚动功能部件是通过滚动体在接触滚道中的滚动，将传统的滑动摩擦传动形式转换为滚动摩 擦传动，从而大大提高传动效率和运动精度的精密关键部件。滚动功能部件主要包括滚动丝 杠副、滚动直线导轨副、滚柱花键、滚动直线运动装置等，其应用广泛，从数控机床行业逐 渐拓展到医疗器械、新能源汽车、机器人等智能化行业，其中滚珠丝杠副和滑动直线导轨副 的组合技术发展最快、产业化程度最高、应用领域最广。

其中核心部件滚动丝杠副（滚珠、滚柱两大类滚子）是一种可以将旋转运动与直线运动进行 双向转换的传动元件，相较传统的滑动丝杠副传动效率更高。滚动丝杠副构件间的可动联接 不借助于运动副本身，而是通过在丝杠和螺母之间的中间元件滚珠来实现，从而以滚动摩擦 代替了滑动摩擦。与传动的滑动丝杠副相比，滚珠丝杠副只需要原来的三分之一动力即可达 到同一水平的传动效果，其能够减少传动副摩擦、提高传动效率，能够更好满足现代机械传 动在高速度、高效率、高精度等方面的要求。

滚珠丝杠上游材料端直接影响产品性能，下游应用领域广泛。从产业链上游来看，滚珠丝杠 上游主要为滚珠丝杠的零部件，即丝杆、螺母和滚珠等，其原材料主要为钢铁等原材料。构 件所选用的材料影响滚珠丝杠副的刚度、强度、耐磨性等，良好的微量元素配比能够减少加 工流程中的畸变和裂纹，在提高加工效率的同时，能够提高滚珠丝杠的耐磨性和解除疲劳强 度以及使用寿命，因此滚珠丝杠存在材料配方壁垒，厂家通常选用综合性能良好的轴承钢、 合金钢等作为滚珠丝杠副的原材料。从产业链下游来看，滚珠丝杠是众多机械设备不可或缺 的传动元件，其产业链下游应用广泛，包括机床、航空航天、汽车、冶金、医药等多种领域。

（1）滚珠丝杠为工具机械和精密机械上常用传动元件。滚珠丝杠副是由滚珠丝杠、滚珠螺母 和滚珠组成的部件，可以将旋转运动转变为直线运动，也可以将直线运动转变为旋转运动， 具备高精度、可逆性和高效率的特点。滚柱丝杠副行业伴随机床工业发展而发展起来，目前 已广泛应用于机床、汽车、航空航天、医疗器械、建筑、包装印刷等领域。滚珠丝杠主要的 零部件及作用如下：

①丝杠：转动部件，直线度高，具有半圆形螺旋槽的螺纹；

②螺母：用来固定需要移动的负载；

③滚珠：作为承载体、中间传动元件，以滚动方式传递运动；

④防尘片：密封丝杠、螺母，防止外部污染物进入螺母内部；

⑤油孔：用于加润滑油，保持滚柱丝杠结构运行时良好的润滑。

（2）滚动直线导轨副为滚动功能部件的组成部分，具有导向、承载、定位等功能。滚珠直线 导轨副由滑块、滚动体、导轨、反向端盖以及保持架等部分组成，因滚动直线导轨副具备运 动灵敏度高、定位精度高、牵引力小、磨损小、润滑维修简便等优点，其在高档数控机床中 应用广泛。其主要零部件及作用如下：

①滑块：与机床运动部件相连，通过滚动体滚动实现与导轨的相对滑动；

②导轨：固定在基座上，起运动导向作用，其加工精度直接决定了滚珠导轨副精度；

③滚动体：直线导轨副的承载部件，常用类型包括滚珠和滚柱两种，其中滚珠具有摩擦小、 自调心能力强与误差均化优点，但承载能力较小；滚柱有较大承载能力，但摩擦力较大；

④反向器：用于实现滚动体循环运动；

⑤密封端盖：起到密封及防尘作用，同时端盖内密封有润滑油，保持滚道润滑；

⑤保持架/板/链：用于隔离滚动体，防止滚动体之间碰撞和摩擦，有效降低直线导轨副噪声。

根据滚柱相对于丝杠和螺母的运动关系，行星滚柱丝杠可以分成 5 类，分别为标准式、反向 式、循环式、轴承环式和差动式。

①标准式行星滚柱丝杠：适用于高负载、大行程、高速等场合，应用广泛。丝杠、螺母为三 角形多头螺纹，滚柱为具有一定螺旋升角的球形单头螺纹，丝杠为主动件，螺母为输出构件。 其能够实现较大行程，适用于环境恶劣、高负载、高速等场合，主要应用于精密机床、机器 人、军工装备等领域，是目前应用最广泛的类型，其他 4 种类型均为适应不同应用环境而在 其基础上演变而来。

②反向式行星滚柱丝杠：适用于中小负载、小行程、高速场合。与标准式不同在于有内齿圈， 丝杠两端加工有直齿与滚柱两端的齿轮啮合，螺母作为主动件，丝杠为输出构件，滚柱、丝 杠之间无相对轴向位移。其主要用于中小负载、小行程和高速的应用场景，可用于航空、航 天、船舶、电力等领域，主要缺点为行程受到螺母内螺纹长度的限制。

③循环式行星滚柱丝杠：适用于高刚度、高承载、高精度场合。相比于标准式，去掉了内齿 圈，增加了凸轮环结构，其功能类似于滚珠丝杠的返回器，其滚柱上无螺纹、齿轮结构，为 环槽状，环槽间距与丝杠、螺母的螺纹匹配，其安装在具有凹槽结构的保持架上。同时增加 了参与啮合的螺纹数量，具有较高的刚度和较大的承载能力，主要应用于要求高刚度、高承 载、高精度的场合，如医疗器械、光学精密仪器等领域。缺点在于其凸轮环结构会产生振动 冲击，存在噪音问题。

④差动式行星滚柱丝杠：适用于传动较大、承载能力较高场合。与标准式相比，去掉了内齿 圈，滚柱上无齿轮段。其结构特点使其导程更小，适用于传动较大，承载能力较高的应用场 合。但在运动过程中，螺纹会产生滑动现象，在重载情况下，容易产生磨损，导致精度丧失， 可靠性降低等问题。

⑤轴承环式行星滚柱丝杠：适用于高承载、高效率场合。相比于标准式，螺母上去掉了内齿 圈，增加了壳体、端盖及推力圆柱滚子轴承等部件。推力圆柱滚子轴承提高了其承载能力， 同时减小了各构件间的磨损，增大了传动效率。其主要适用于高承载、高效率等场合，如石 油化工、重型机械等领域。但其存在着结构复杂，径向尺寸大，制造成本高等缺点。

人形机器人是一种模仿人类外貌和运动能力的机器人。人形机器人具有高度通用性，通过多 层次、精密设计，极大提升了机器人应用场景的灵活性，其终极目标是让机器人“解放人类 劳动力”。人形机器人的设计是基于人类功能，同时性能又能超越人类，从替人类搬运、搜救、 排爆、驾驶，到拥有高智能后甚至可以成为人类的陪伴提供情绪价值，其发展存在无限可能。 近年来随着 AI 大模型的超预期发展，以及产业资本的密集投入，人形机器人产业发展加速。

一方面，随着人工智能和机器学习的发展，人形机器人在感知、决策和执行能力方面取得了 巨大进步。另一方面，产业资本关注度提升，多方入场加速布局，各家企业机器人性能亦在 不断完善。比如， Tesla 在 2023 年 5 月的股东大会上发布其人形机器人最新视频，我们可 以看到其性能更加稳定、形态也更加自然。Tesla Optimus 机器人预计量产售价低于 2 万美 金，若能实现该价格，将对人形机器人市场化放量带来标志性时刻。

人形机器人中关节成本占比过半，滚珠丝杠是直线执行器中的重要零部件。关节是人形机器 人身体各个部分的连接点，用于实现运动和姿态调整。人形机器人关节中主要由执行器驱动， 执行器包括旋转执行器、线性执行器和手关节执行器，其中滚珠丝杠主要应用在直线执行器 中，保证了机器人的稳定性和可靠性，以及关节传动的精准控制，为人形机器人的运动控制 和姿态调整提供了可靠的传动解决方案，进而能够执行更复杂和精细的任务。

在人形机器人的运用中，行星滚柱丝杠可以以更高的负载、更小的摩擦力、与更长的寿命对 滚珠丝杠进行替代。行星滚柱丝杠在主螺纹丝杠的周国，行星布置了 6-12 个螺纹滚柱丝杠， 与普通滚珠丝杠的结构相似，区别在于行星滚柱丝杠载荷传递元件为螺纹滚柱，是典型的线 接触；而滚珠丝杠载荷传递元件为滚珠，是点接触。主要优势是有众多的接触点来支撑负载， 能够提供高于滚珠丝杠的额定动载和静载，螺纹滚柱替代滚珠将使负载通过众多接触线迅速 释放，从而能有更高的抗冲击能力。

行星滚柱丝杠也特斯拉人形机器人应用方案中有所涉及，但其与常规方案略微不同。特斯拉 行星滚柱方案称为反向（inverted）行星滚柱丝杠，“反向”意为将螺杆、螺母角色互换。非 反向方案为电机带动螺杆旋转，螺母与主体固定，螺母沿螺纹被螺杆带动将其旋转运动变换 为直线运动。反向方案变为螺母旋转，螺杆与主体固定，此时螺母旋转带动螺杆运动，螺杆 将螺母的旋转运动转换为直线运动。剖面图可以看到伺服电机转子直接带动螺母旋转。

该方 案特点是行星滚子与螺母多点咬合滚动配合，承载能力极强，寿命超长，比常规滚珠丝杠提 升一个数量级，但难点是滚子及螺母磨制工艺复杂耗时，装配时需要匹配不同滚子的相位， 操作难度大，需要通过设计和工艺在保证性能的前提下将成本降低。