反向式絲杠副：人形機(jī)器人直線關(guān)節(jié)的精密傳動(dòng)核心

反向式絲杠副憑借長(zhǎng)螺母短絲杠的特殊結(jié)構(gòu)，具備結(jié)構(gòu)緊湊輕量化、高剛性及傳動(dòng)效率穩(wěn)定的核心優(yōu)勢(shì)，是人形機(jī)器人直線關(guān)節(jié)的重要傳動(dòng)部件，承擔(dān)著“機(jī)械肢”精準(zhǔn)位移與動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵功能，直接影響機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)精度、響應(yīng)速度，以及整體肢體動(dòng)作的柔順性與協(xié)調(diào)性。

反向式絲杠副 來源：《人形機(jī)器人用反向式絲杠副現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)》

反向式絲杠副是一種可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置，與標(biāo)準(zhǔn)絲杠相比，其核心優(yōu)勢(shì)在于長(zhǎng)螺母結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過螺母旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)絲杠做直線運(yùn)動(dòng)，不僅便于集成伺服電動(dòng)機(jī)，還能顯著優(yōu)化直線執(zhí)行器的安裝空間。憑借這一特性，反向式絲杠副被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工裝備、機(jī)器人、機(jī)床及醫(yī)療器械等高端制造領(lǐng)域，是精密傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件。

在技術(shù)發(fā)展層面，反向式絲杠副的國(guó)內(nèi)外進(jìn)程呈現(xiàn)差異化特征。國(guó)外起步較早，技術(shù)體系成熟，產(chǎn)品在精度、承載能力、動(dòng)態(tài)特性及可靠性方面表現(xiàn)優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于航空航天、半導(dǎo)體等高端裝備領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)近兩年發(fā)展迅速，精度可達(dá)P3級(jí)，傳動(dòng)效率超 80%，但較國(guó)外略低，壽命長(zhǎng)，已經(jīng)突破了大長(zhǎng)徑比螺紋磨削的核心工藝難題，但高端產(chǎn)品在精度保持性與壽命方面仍與國(guó)外存在差距，超高精度級(jí)別的批量一致性與穩(wěn)定性仍是攻關(guān)重點(diǎn)。

伴隨人形機(jī)器人市場(chǎng)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，直線關(guān)節(jié)需求持續(xù)擴(kuò)容，國(guó)內(nèi)對(duì)反向式絲杠副的性能要求也同步提高。在此背景下，加強(qiáng)反向式絲杠副的技術(shù)研究、改良現(xiàn)有生產(chǎn)工藝、提升產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力，成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前，針對(duì)滾珠和滾柱兩種結(jié)構(gòu)類型的反向式絲杠副，優(yōu)化齒形設(shè)計(jì)、提升承載能力與傳動(dòng)效率，是滿足人形機(jī)器人直線關(guān)節(jié)及其他直線作動(dòng)器高性能需求的關(guān)鍵路徑。

01反向式行星滾柱絲杠副

反向式行星滾柱絲杠副由瑞典人于1966年首次提出，確立了該類產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)框架。該產(chǎn)品通過螺母旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)絲杠直線運(yùn)動(dòng)，可直接與伺服電動(dòng)機(jī)集成，形成緊湊、高效的高動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方案，這也是其在人形機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)中備受青睞的核心原因。

反向式行星滾柱絲杠副與標(biāo)準(zhǔn)行星滾柱絲杠副結(jié)構(gòu)相似，均包含絲杠、螺母、滾柱及彈性擋圈，核心差異在于反向式產(chǎn)品的絲杠上設(shè)有齒輪，其功能等同于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的內(nèi)齒圈。兩者工作原理相近，均通過滾柱的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換。反向式產(chǎn)品以螺母為主動(dòng)件，通過螺紋嚙合將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運(yùn)動(dòng)，齒輪連接可保障滾柱運(yùn)動(dòng)同步及系統(tǒng)循環(huán)穩(wěn)定，該構(gòu)型目前被多數(shù)廠家采用。

反向式行星滾柱絲杠副

針對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品齒輪加工難度高、精度保持性差、運(yùn)行摩擦磨損嚴(yán)重等問題，行業(yè)內(nèi)不斷涌現(xiàn)新結(jié)構(gòu)。江蘇潤(rùn)孚動(dòng)力取消了絲杠齒輪/環(huán)槽及滾柱齒輪/環(huán)槽結(jié)構(gòu)，結(jié)合行星架組件的雙重配合機(jī)制，突破復(fù)合結(jié)構(gòu)加工瓶頸，在保障滾柱軸向平行度與恒導(dǎo)程特性的同時(shí)，顯著降低振動(dòng)與噪音，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高精度、規(guī)模化量產(chǎn)。

無齒反式行星滾柱絲杠副來源：潤(rùn)孚動(dòng)力

針對(duì)人形機(jī)器人靈巧手的微型傳動(dòng)需求，四川航天烽火伺服控制技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)了反向差動(dòng)式行星滾柱絲杠副，采用兩段不同功能的螺紋，分別實(shí)現(xiàn)承載與運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定控制，在緊湊空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)極高定位精度、分辨率及大推力輸出。

反向差動(dòng)式行星滾柱絲杠副來源：四川航天烽火伺服控制技術(shù)有限公

02反向式滾珠絲杠副

反向式滾珠絲杠副由絲杠、螺母、反向器及滾珠構(gòu)成，屬于內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠，其核心特點(diǎn)為螺母旋轉(zhuǎn)、絲杠移動(dòng)，反向器安裝于絲杠之上。該產(chǎn)品通過滾珠承載并減小運(yùn)動(dòng)摩擦，傳動(dòng)效率較反向式行星滾柱絲杠副高出約10%，但目前采用該結(jié)構(gòu)的直線關(guān)節(jié)產(chǎn)品較少，核心原因是反向器安裝于絲杠之上，導(dǎo)致設(shè)計(jì)與加工難度大幅提升。

為突破這一局限，行業(yè)持續(xù)探索結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，連云港斯克斯機(jī)器人科技有限公司設(shè)計(jì)的一體式反向滾珠絲杠副便是典型代表。該產(chǎn)品在絲杠相鄰?fù)饴菪凉L道間設(shè)置中心凹陷的回珠通道，與外螺旋滾道構(gòu)成一體式循環(huán)滾道，使絲杠副結(jié)構(gòu)更緊湊、運(yùn)行更順暢，同時(shí)提升了滾珠絲杠與螺母的配合一致性，增強(qiáng)了產(chǎn)品可靠性與運(yùn)行平穩(wěn)性，降低了高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲與振動(dòng)。此外，插片式反向滾珠絲杠通過簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低了生產(chǎn)成本與加工難度，但因絲杠軸需預(yù)留反向器安裝空間，導(dǎo)致產(chǎn)品剛度與強(qiáng)度大幅下降，適用場(chǎng)景受限。

一體式反向滾珠絲杠副 來源：斯克斯機(jī)器人科技有限公司

綜上，反向式絲杠副作為高端精密傳動(dòng)領(lǐng)域的核心部件，尤其是人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)爆發(fā)背景下的關(guān)鍵支撐組件，其技術(shù)迭代與工藝升級(jí)直接影響下游高端裝備的性能突破。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)企業(yè)通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與工藝攻堅(jiān)，逐步縮小與國(guó)外先進(jìn)水平的差距，但在極端工況適應(yīng)性、長(zhǎng)期可靠性及高端規(guī)模化量產(chǎn)能力方面仍有提升空間。未來，隨著多學(xué)科技術(shù)的融合應(yīng)用，反向式絲杠副將朝著更精密、高效、輕量化、長(zhǎng)壽命的方向演進(jìn)；同時(shí)，滾柱與滾珠結(jié)構(gòu)的差異化優(yōu)化、無齒化與集成化設(shè)計(jì)的深化，將進(jìn)一步拓展其在人形機(jī)器人、航空航天等高端領(lǐng)域的應(yīng)用邊界，為我國(guó)高端制造業(yè)的自主可控提供重要支撐。

蔡灝楠.人形機(jī)器人用反向式絲杠副現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

Wu.A review of planetary roller screw mechanism for development and new trends