丝杠是将旋转运动转化为直线运动、或将直线运动转化为旋转运动的理想的产品，是工具机械和精密机械上最常用的传动元件，其优势在于高速运动下保证定位精准，由于摩擦力较低，其传动效率可达 90%。
丝杠由螺母和螺杆/丝杠组成，螺杆是丝杠机构中的旋转部件，通常为圆柱形，外表面有螺旋状的螺纹；螺母是丝杠机构中的直线运动部件，其内表面与螺杆的螺纹相匹配。
丝杠分类
按其摩擦特性，丝杠可分为三类：滑动丝杠、滚动丝杠及静压丝杠。
1）滑动丝杠是最普通的丝杠机械，牙型多为梯形，又称梯形螺纹丝杠。它没有滚动体，靠滑动摩擦传递推力，结构简单，制造方便，具有自锁性，在机床上应用广泛。它连续工作发热严重，传动效率较低（30-50%）。
2）按照滚动体的不同，滚动丝杠可进一步划分为滚珠丝杠和行星滚柱丝杠两类，下文将重点讲述这两类丝杠。
3）静压丝杠需要增加一套供油/气系统，通过在螺母和螺杆之间形成一层流体膜来实现无接触或近乎无接触的运动，大幅减少了摩擦和磨损，可以达到极高的定位精度，但其工艺复杂，加工非常困难，成本较高，应用较少。
精度是衡量滚珠丝杠性能的关键指标之一，高精度的滚珠丝杠可以提供更精确的定位和重复定位能力。根据 ISO（International Organization for Standardization 国际标准化组织）、DIN（Deutsche Industrie Norm 德国工业标准）以及 JIS（Japanese Industrial Standards 日本工业标准）规定，行星滚柱丝杠和滚珠丝杠的精度等级划分大致相同，主要都是通过丝杠任意 300mm 长度的导程误差（V_300）分类。其中，ISO 将精度等级划分为 C0、C1、C3、C5、C7、C10，DIN 将精度等级划分为 C1、C3、C5、C7、C10，除 C0 外，ISO 与 DIN 等级划分基本相同。部分欧美企业采用字母 G 区分精度等级，但含义与 ISO 的等级一一对应。国内滚珠丝杠的精度等级分为 7 类（P1、P2、P3、P4、P5、T7、T10），1-10 精度依次递减，即数字越小代表精度越高。
普通机械大多采用轧制的制作方式，对应 C7 和 C10 精度等级；在对精度要求较高的应用场景中，常采用磨制的方式，对应精度区间为 C0-C5。
丝杠技术壁垒
生产高精度丝杠主要有三大壁垒：原材料、工艺流程、生产设备。
1、原材料
材料是丝杠的制备基础，丝杠对原材料要求严苛。丝杠在反复运动过程中会受到连续振动、冲击和摩擦，因此对于材料的强度、刚性、耐磨性、耐腐蚀性、抗疲劳性、承载力等一定要求，普通的金属材料无法满足需求，通常需要特种金属材料来进行制备。根据博特精工官网，丝杠材料根据不同工作环境、精度、负载等要求，所采用的材料也存在区别，常见材料包括渗碳钢、硬化不锈钢、非合金（碳素）结构钢（如 45、50 钢）、低合金工具钢、轴承钢等，稀有元素 Cr/Mo 的元素配比及加工工艺等因素影响材料的稳定性、熔点和刚度等性能。
原材料质量欠佳和后续热加工工艺不当为国内丝杠较进口丝杠性能存在差距的原因之一。国外丝杠与国产丝杠均采用加入了 Mo 元素的优质合金结构钢，但是国产 Cr/Mo 钢滚珠丝杠的性能与国外进口丝杠仍存在一定的差距。根据《国产 Cr/Mo 钢滚珠丝杠与国外同类产品的质量分析》，国产丝杠存在的带状偏析组织是造成其使用性能不佳的重要原因。带状组织具有显著的方向性是脆弱的部位，容易造成在变形过程中的应力集中，甚至出现裂纹；带状组织还会降低钢的力学性能、切削性能和淬透性，使零件淬火变形倾向增大，强韧性降低。
2、工艺流程
工艺经验是机械部件中无形但十分重要的部分，由于丝杠的加工流程冗长而复杂，原材料的配方、热处理的温湿度、机床的参数调整等诸多因素均会对最终丝杠的性能造成影响，丝杠制造厂商需要较长时间的积累才能掌握全部工艺，并且应用和反馈中不断迭代和优化。从全球来看，目前海外高端丝杠的领先企业均有悠久的历史和长期的积累。
丝杠轴的加工技术分为冷轧和研磨两种，冷轧法的退火工艺和研磨法的螺纹切割为加工难点。冷轧效率高、精度低，螺纹一次成型，无需后续的切削加工，可以批量制造，成本较低，通常精度等级在C9至C5。研磨效率低、精度高，首先通过切削加工形成粗螺纹，然后通过精密研磨工艺提高螺纹的精度，工艺复杂，交货期较长，成本较高，市面上可实现 C9至C0的精度跨度。
此外，在工艺流程中，热处理也同样是核心要素，热处理可以改善丝杠的材料性能、切割性能等。技术设备的落后、热处理工艺参数不到位会导致热处理结果变差，热处理后变形较大，进而影响行星滚柱丝杠的寿命。
3、生产设备
设备决定丝杠的加工精度和效率，磨床是丝杠加工的核心技术壁垒，其精度直接决定丝杠精度。磨床通过其高度精密的磨削技术，能够确保丝杠具有一致的螺纹形状和尺寸，从而提供可靠的性能和稳定的运动控制。磨床的精度直接影响着丝杠的轴向精度、径向精度以及整体的运动平稳性。精准的磨床工艺能够确保丝杠的每个螺纹都具有高度一致的规格，防止误差和振动，从而提高了系统的可靠性和工作精度，因而磨床其高精度的加工能力直接决定了丝杠最终的性能和质量。
国内制造高精度磨床的厂家较少，且在精度、稳定性等方面和世界顶尖设备有差距，根据 GGII，目前国产磨床可以满足 C3-C4 精度的中端丝杠加工，但批量加工高端丝杠（C0-C2）时，存在出品不稳定现象。而进口设备非常昂贵且交期较长，日本三井的高精度螺纹磨床价格超过 1000 万元。除了磨床，国内旋风铣设备基本依赖进口，热处理设备、校直设备与进口相比仍有较大差距，基本依赖进口。
滚珠丝杠
滚珠丝杠，又名滚珠丝杠副，适用于精密传动，产生点接触滚动摩擦，与滑动丝杠相比摩擦力小、传动效率高、精度高。
滚珠丝杠主要结构包括滚珠丝杠、滚珠螺母、滚珠三部分。滚珠丝杠轴为螺母运动的导向轴，其表面具有螺纹，滚珠在螺纹内运动；螺母由预压片、反向器、防尘器等组成，是直线运动的移动体，带动滚珠循环机制，此外其端部密封件用于封装润滑零件、防止异物进入；滚珠是利用低摩擦系数维持整个零部件运转的媒介，根据关注循环方式又分为内循环和外循环。
滚珠的内循环、外循环分别适配不同的场景。从结构特点来看，外循环形式的滚珠在循环过程结束后，将通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回螺母并重新进入循环，工艺相对简单，易于制造和维护，径向尺寸较大，负载大，适用于高承载传动系统，如重型机械、某些工业自动化设备等。内循环形式的滚珠始终在螺母内部，其通过反向器实现滚珠的单一封闭式循环，工艺复杂，径向结构紧凑，具有更高的运动效率和定位精度，适用于高精度、高效率、高可靠性、中低速场景，如机床、汽车飞机部件运动控制等。
行星滚柱丝杠
行星滚柱丝杠依托丝杆和滚柱的旋转带动螺母做直线运动。行星滚柱丝杠的结构与滚珠丝杠较为类似，包括丝杠、行星滚柱、保持架、内齿轮和螺母等，其中滚动元件为行星滚柱而非滚珠丝杠中的滚珠。
行星滚柱丝杠的工作原理与太阳系中行星围绕太阳旋转的模式相似，其中丝杆相当于太阳，行星滚柱相当于行星，而螺母则相当于太阳系中的轨道。丝杆主动旋转带动滚柱绕丝杆轴向公转同时绕自身轴线自转，从而带动螺母做轴向直线运动。行星滚柱丝杠通过啮合滚柱产生线接触滚动摩擦，大幅增加丝杠传动过程的接触面和受力面，与以往用于精密传动的滚珠丝杠相比，在传动效率损失不大的前提下，又同时具备了高转速、高载荷、高刚度、高范围导程以及更小体积、更低噪音、更方便维护拆卸等特点。
行星滚柱丝杠相比滚珠丝杠的性能更优。滚珠丝杠载荷传递元件为滚珠，是点接触；而行星滚柱丝杠载荷传递元件为螺纹滚柱，是线接触。因此，行星滚柱丝杠具有高负载、耐冲击、体积小、高速等优点，目前已经在航空航天、武器装备、核动力等全球高精尖领域运用，同时在机床、精密机器人、汽车 ABS 系统、石油化工等民用场景下也存在广泛的应用需求。
优势一：承载能力及寿命更强
优势二：导程和节距灵活，体积小，节省空间
优势三：速度和加速度更高
1）标准式：也称为非循环滚柱丝杠，丝杠通常作为动力输入端，只绕自身轴线转动；螺母通常与负载连接，只沿自身轴线移动；滚柱在丝杠的作用下在螺母和丝杠之间做行星运动和轴向移动；内齿圈固连在螺母上，滚柱端齿与内齿圈啮合保证滚柱在螺母上为滚动，滚柱与螺母相对轴向位移为零，与螺母一起沿轴向移动。
2）反向式：螺母和螺钉的功能反转，结构更紧凑，适用于小行程、需要一体化设计工作场景。工作原理与标准滚柱丝杠相同，螺母和螺钉的功能相对滚柱相反。滚子在螺母内轴向移动，螺母被拉长以允许传动轴的全行程，以较小的导程实现更高的额定负载，空间利用率高，但行程受螺母螺纹长度限制。目前特斯拉 Optimus 采取的正是反向式行星滚柱丝杠。
3）循环式：循环滚柱设计，适用于高精度，中低速运行工作场景。循环式滚柱丝杠的滚柱在螺母内轴向移动，直到绕杠丝旋转一圈后返回原来的位置。由于最小螺距与循环滚柱设计，可以实现非常高的定位精度、分辨率与极高的负载力。
4）差动式：具备差动运动特点，导程更小，适用于传动较大、负载较高的工作场景。差动式行星滚柱丝杠采用分段环槽结构，具备差动运动，可以获得比一般行星滚柱丝杠更小的导程与更大的减速比，且因其紧凑的结构可以使机电作动器具有更高的功率体积比和功率质量比。
5）轴承环式：结构复杂，制造成本较高，适用于承载能力要求极高的工作场景。增加滚子轴承、端盖、壳体等部件，承载能力大，在高负载的情况下，大大减少磨损率，但其结构复杂，制造成本高。
反向式行星滚柱丝杠与标准式行星滚柱丝杠的差别在于螺母作为动力输入构件，绕自身轴线旋转，丝杠作为执行部件，沿轴向移动；丝杠两端增加齿轮替代内齿圈与滚柱端齿啮合，保证滚柱在丝杠上为滚动，滚柱与丝杠没有相对轴向位移，一起沿轴向移动。反向式行星滚柱丝杠的螺母为主动件，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，其最大的优势在于可将其螺母作为电机转子实现电机和丝杠一体化设计，形成结构紧凑的一体式机电作动器。这种设计确实带来了额外的工程挑战，最大难点在于螺母内螺纹加工。普通式是螺杆固定，螺母运动；反转式是固定螺母，螺杆运动。由于反转式的螺母长度远远高于普通式，如何在如此高长度的螺母内加工螺纹是难点，需要精密的机械加工技术和高质量的控制。
行星滚柱丝杠是人形机器人“肢体”的核心组成部分，可以广泛应用于机器人的手臂、腿部以及灵巧手等多个方面，为机器人提供精确的线性运动控制。特斯拉人形机器人 Optimus 躯干共使用 14 个旋转关节、14 个直线关节、以及手部的 12 个空心杯关节，其中直线关节部分采用了14个反向式行星滚柱丝杠（肘部 2 个，腕部 4 个，腿部 8 个），这些丝杠分为500N、3900N、8000N三种规格，以适应不同关节的承载需求。
Optimus直线关节丝杠,来源:特斯拉机器人2022AI Day
特斯拉在其人形机器人Optimus中使用反向/反转式行星滚柱丝杠，可能是基于其在性能上的优势，尤其是在承载能力和刚度方面。但不排除对承载力要求更低的人形机器人采用成本更低的滚珠丝杠。
丝杠典型应用场景及市场分布
丝杠在不同行业中的广泛应用和市场需求，以下是对新能源汽车、机床、人形机器人应用场景的进一步阐述：
1、新能源汽车中的应用：随着汽车电动化和智能化发展，丝杠在汽车领域的应用不断加深，如汽车轮边线控刹车系统(EMB)、后轮转向系统(iRWS)、线控转向系统(SBW)、悬挂系统等，以及对汽车部件的调节控制装置。
2、机床行业中的应用：丝杠是机床标准核心零部件之一，机床包含旋转轴和直线轴，直线轴由丝杠和导轨组成，实现工件的精确定位和移动。传统机床主要采用梯形丝杠/滑动丝杠，数控机床是在传统机床的基础上，加入数字化控制系统，对传动工件的精度要求更高，目前多采用滚珠丝杠。全球机床厂供应链中主轴、摆头、转台等功能部件多数机床厂出于定制化或差异化考虑倾向于自产自制，但滚动功能部件基本全部外采，伴随机床产业升级滚动功能部件需求持续增长的确定性较强。
3、人形机器人中的应用：人形机器人的执行器分为液压机构和电机机构两种方案。液压机构虽然性能较好，但成本和维护成本较高，目前使用较少。电机方案是当前的主流选择，行星滚柱丝杠承载力强，是人形机器人线性执行器的核心部件，用于实现机器人关节的精确控制。海外的特斯拉、德国慕尼黑大学的 LOLA 机器人，国内理工华汇、开普勒采用了这一技术路线。
对滚珠丝杠而言，从全球市场看，日本和欧洲滚珠丝杆企业占约70% 的市场份额，CR5 约占市场份额46%，亚太是主要应用区域，市场份额为 49.46%（智研咨询数据），主要滚珠丝杠厂商有日本企业 NSK、THK，德国博世力士乐、舍弗勒，瑞典 Ewellix等。国内滚动部件制造厂商众多，但产品集中于中低端市场，工艺水平较国外存在差距，国内厂商包括中国台湾的 HIWIN、银泰等，以及中国大陆的南京工艺、秦川机床等。单看中国市场，根据金属加工公众号信息，国内滚动功能部件的高端市场，日本、欧洲企业合计市场份额高达 90%，中国大陆、中国台湾企业市场份额各约5%，高端市场格局相对集中；在国内滚动功能部件的中低端市场，中国大陆厂商的市场份额约 30%。
对行星滚柱丝杠而言，目前国内行星滚柱丝杠市场主要被国外厂商占据，国外龙头制造商瑞士Rollvis、瑞士GSA和瑞典Ewellix的市场份额占比分别为26%、26%、14%。国内企业在行星滚柱丝杠的核心技术方面与国外企业存在一定差距，但在导程精度、最大动载荷、最大静载荷等性能方面正在逐步追赶，国内行星滚柱丝杠厂商合计市场份额占比为19%。
国外丝杠典型企业
1、舍弗勒舍弗勒的滚珠丝杠和行星滚柱丝杠产品广泛应用于汽车、半导体、工业机器人及自动化、石化等多个领域。
舍弗勒集团利用其模具制造部门的精密机械加工能力，于2009年开始批量生产滚柱丝杠驱动产品，这标志着公司在底盘领域发展新方向的开始。滚柱丝杠已成为许多底盘应用的重要组成部分。
2022年，舍弗勒集团收购了Ewellix公司，这是一家全球领先的驱动和线性运动解决方案制造商和供应商。Ewellix的加入为舍弗勒行星滚柱丝杠部门增添了重要动力，使其拥有了兼顾各种性能和规格的较完备滚柱丝杠产品矩阵。
目前 SKF 丝杠系列产品主要包括精密轧制滚珠丝杠、研磨滚珠丝杠和滚柱丝杠。
3、NSK成立于 1916 年，是日本首家也是日本最大的轴承制造商，NSK 利用生产轴承锤炼出的精密加工技术，开展工业机械轴承、精密机械及零部件以及汽车轴承和组件业务。
在滚珠丝杠生产中，NSK 目前在全球市场占有率第二，研发水平与产品先进性居世界前沿。主要应用场景为机床、注塑机、普通机械，也有半导体及液晶的制造装置等特殊工况。在研发与产品更新上，NSK 全球首创开发出用于 EV•混合动力汽车的能量回生协同制动系统用低摩擦力矩滚珠丝杠，研发出世界最大的高负载能力的超大型滚珠丝杠。
5、HIWIN创立于 1989 年，2009 年在中国台湾证券交易所挂牌上市，目前已经成为全球范围内传动控制产品与系统科技产品的专业制造者。HIWIN丝杠提供多种精度等级，满足不同应用需求，精密等级以JIS C0-C7为主。
6、Rexroth隶属于博世力士乐集团，是一家主要生产液压系统、减速机、电控技术以及机电一体化产品的大型工业品公司。在线性传动技术领域，Rexroth 提供直线导轨、滚珠和滚柱丝杠、丝杠传动装置、电动缸和直线运动模组等产品，其滚柱丝杠产品是在近 10 年内推出的新产品，采用轧制成型技术以满足追求更高经济性的客户需求，但在有高精度和高寿命要求的场景下无法使用。 主要产品是 PLSA 行星滚柱丝杠传动系统，也用于其生产的机电作动器，但产品可供选择的直径范围较小，产品系列全面性相较于舍弗勒和 SKF 有一定差距。
国内丝杠典型企业
国内目前的丝杠制造商体量偏小，产品主要以中低端为主。新竞争者纷纷入围，行业有望进入高质量发展阶段。
1、汉江机床汉江机床是国家第三个五年计划时期兴建的三线建设重点工程之一，机械工业大型骨干企业，国内螺纹磨床主导企业。公司主营产品包括机床与滚动功能部件，滚动功能部件滚珠丝杠副、滚动直线导轨副、滚动导轨块、滚珠花键、滚珠导套、精密十字工作台、自锁器、线性模组、精密滚柱交叉导轨副、精密滚针交叉导轨副等，具有 50 年的设计制造经验，拥有规格、数量、精度齐全的滚动功能部件加工设备 和行业先进的螺纹检测仪器、滚动直线导轨综合精度检测仪，具备年产各类滚珠丝杠 20 万副、滚珠直线导轨10 万米的生产能力。
2、南京工艺南京工艺在滚动功能部件领域具有 70 年的研究制造历史，产品为高速、高精中高档数控机床大批量配套，推进了国产滚动功能部件的提档升级和替代进口。
南京工艺目前产品包括滚动导轨、滚珠丝杠、滚动花键、行星滚柱丝杠、数控精密工作台等。
3、鼎智科技（江苏雷利）成立于 2008 年，是以微特电机为主要构成的定制化精密运动控制解决方案提供商。目前，公司主要产品包括线性执行器、混合式步进电机、直流电机等，广泛应用于医疗器械领域，以及机器人、精密电子设备等工业自动化领域。
公司线性执行器包括滑动丝杠线性执行器、滚珠丝杠线性执行器和永磁电机线性执行器。公司的丝杆螺母目前完全自主生产，包括设计、工艺、模具、注塑等，在效率、噪音等方面国内领先。公司的微型行星滚柱丝杆的研发与生产上已有里程碑式达成。
4、广东凯特精密机械成立于 1993 年，公司产品包括直线模组、直线导轨、钳制器、滚珠丝杠等，具有二十多年的行业制造经验。
公司主要产品包括滚珠丝杠、直线导轨、CNC 工作台、电主轴、机械主轴、动静压主轴、梯形丝杠等。公司精密主轴、主轴单元市场占有率全国第一位，滚珠丝杠副市场占有率居全国前三位，梯形丝杠为全国唯一部优产品。“高速精密电主轴”、“高速精密滚珠丝杠副”被科技部认定为“国家级火炬计划重点新产品”。
6、秦川机床机床工具行业的龙头骨干企业，具备高精度螺纹磨床生产能力；依托先进机床，先发布局高精度滚动丝杠及导轨生产，竞争优势显著。
7、恒立液压成立于 2005 年，液压行业龙头企业，液压油缸起家，多维布局油缸、铸件、液压产业。公司从液压油缸制造发展成为涵盖高压油缸、高压柱塞泵、液压多路阀、工业阀、液压系统、液压测试台及高精密液压铸件等产品研发和制造的大型综合性企业。
2021 年，公司定增募资不超过 50 亿元，其中 14 亿元投向线性驱动器项目。该项目达产后将形成年产 10.4 万根标准滚珠丝杆电动缸、4500 根重载滚珠丝杆电动缸、750 根行星滚柱丝杆电动缸、10 万米标准滚珠丝杆和 10 万米重载滚珠丝杆的生产能力。
8、贝斯特成立于 1997 年,主营业务为研发、生产及销售各类精密零部件及工装夹具产品。2022 年设立全资子公司“无锡宇华精机有限公司”，全面布局直线滚动功能部件，主营产品包括高精度滚珠丝杠副、高精度滚动导轨副等，瞄准高端机床领域、半导体装备产业、自动化产业三大市场进行大力开拓。
10、恒而达成立于 1995 年，是切削工具领域头部公司，主要从事金属切削工具及配套智能数控设备、高精度滚动部件的研发、生产和销售。公司的重型模切工具产品在国际及国内市场占有率第一；锯切工具产品性能优异，达到或高于国际、国家标准，是双金属带锯条领域的主要生产企业。
由于金属热处理和加工工艺存在同源性，公司依托多年制造经验切入高精度滚动功能部件生产，高精度直线导轨已迈入产业化进程，并持续开拓滚珠丝杠等工件生产线。
11、南方精工南方精工是一家专业从事传动领域轴承及其相关零部件的制造和研发的公司。公司主要生产滚针轴承、单向离合器和单向滑轮总成，其系列产品已为多家世界500 强企业以及全球诸多著名公司配套。公司滚珠丝杠产品目前主要用于汽车行业。
12、汇川技术创立于 2003 年，专注于工业自动化控制产品的研发、生产和销售，定 位服务于高端设备制造商。2023 年 5 月，汇川技术正式完成对韩国 SBC Linear Co., Ltd.的收购，该公司产品主要包括：滚珠直线导轨（Ball Guide）、滚柱直线导轨（Roller Guide）、轧制丝杠和搬运用滑轨，产品在精度保持性、噪声、刚性等指标居于行业前列。
13、五洲新春主要生产轴承及汽车配件等高端精密零部件。公司主要产品包括轴承、轴承套圈、风电滚子、汽车配件等产品，公司也具备丝杠螺母制造能力。已成功研发 RV 减速器轴承及谐波减速器柔性轴承，并送样知名机器人减速器企业。已成功研发丝杆螺母转向系统轴承组件，具备生产滚珠丝杆系统配件的能力。产品主要应用于新能源汽车转向系统、电子刹车和驻车系统、变速箱和主动悬架系统等。
14、新剑传动成立于1999年，主营业务是为半导体通讯、计算机、电子、汽车、工程机械、人机协作及服务机器人等行业提供蜗轮、蜗杆传动部件和精密零部件产品。2005年成立研发中心，2015年成立研发中心（上海）实验室分部，研发方向为机械传动技术和人工智能应用集成技术。
行星滚柱丝杠电动缸产线系列产品是公司最新研发，2022 年批量化生产的产品， 该产品是省级首台套，替代进口卡脖子工程，将成为液压驱动、滚珠丝杠电动缸的未来技术主力替代方案，广泛应用于汽车、人形机器人等行业。公司建有国内行星滚柱丝杠首条批量化生产线，2022 年 3 月批量化生产，已具备 350 万套的批量化生产能力，并且在汽车行业首先进行了应用。
15、宁波慈兴2018 年慈兴集团设立宁波慈兴汽车轴承与滚珠丝杆研究院，核心研究开发方向为高端汽车轴承、新能源汽车用轴承、车用滚珠丝杆组件等。2022 年公司年产能为6亿套轴承，500万只滚珠丝杠。