摘要
行星滚柱丝杠机构（PRSM）在航空航天、汽车和高精度加工等领域发挥着关键作用，具备承载能力强、精度高和寿命长等优势。然而，在复杂工况下的应用仍面临挑战。本文综述了PRSM在力学与动力学、摩擦学、热行为及可靠性监测方面的研究进展，重点分析其静态与动态特性、润滑磨损机制及热效应影响，并探讨制造缺陷对系统可靠性的作用。尽管已有显著成果，但在极端温度、大变形和多载荷条件下仍存在研究空白。文章提出需建立综合热力学模型并加强实验验证，为开发更可靠、高效的PRSM提供方向，推动其在高端制造与智能装备中的深入应用。
正文
1. 序言
当前主流线性传动机构包括齿轮齿条、直线电机、气缸、液压缸、滚珠丝杠机构（BSM）和行星滚柱丝杠机构（PRSM）。随着装备制造业向自动化与智能化发展，机电执行器（EMA）凭借轻量化、高效率和易维护等优势，逐步取代传统液压与气动系统，广泛应用于航空航天、机器人、汽车和精密机床等领域。作为EMA的核心部件，传动机构的性能直接决定系统的运行表现。
EMA中常用的传动装置为BSM和PRSM。相比BSM采用滚珠作为滚动体，PRSM使用多个螺纹滚柱，通过滚柱与螺杆、螺母间的多点螺旋啮合传递运动与动力。该结构在相同螺杆直径下可实现更高精度、更大负载和更长寿命。数据显示，采用PRSM的EMA在相同推力下重量减轻30%，相同重量下推力提升50%。此外，PRSM支持小导程设计，有利于提升控制精度与动态响应，适用于重载高精场景，已在航空航天伺服系统、医疗设备、海事及汽车领域获得应用。
2. PRSM的发展历程与结构类型
PRSM概念最早由瑞典人Carl Bruno Strandgren于1954年提出，初期为无螺旋角的环形沟槽滚子结构，属循环式PRSM雏形。经多年研究，Strandgren发展出带螺旋角的标准PRSM。1968年，William J. Roantree发明差动式PRSM，采用分段滚子结构，滚子与螺母均具环形凹槽且无螺旋角。1986年，Oliver Saari提出轴承环PRSM，融合循环PRSM与推力圆柱滚子轴承设计，进一步拓展了结构形式。
目前PRSM主要分为四类：标准型、倒置型、循环型和差动型，结构如图1所示。标准型PRSM滚子两端设螺旋齿，防止滚子倾斜，消除倾覆扭矩，确保滚子与螺杆轴平行旋转。倒置型PRSM以螺母为旋转输入、螺杆为线性输出，两端螺纹为直齿，便于集成。循环型PRSM滚子具环形沟槽且无螺旋角，具有导程小、精度高、啮合点多、承载能力强等特点。差动型PRSM滚子与螺母均带环形凹槽，滚子分大小直径段，分别与螺杆和螺母啮合，具备导程小、结构简单、易于制造的优势。
3. 相关技术研究进展
近年来，滚动传动元件在BSM、行星螺纹滚子轴承（PTRB）、EMA和PRSM等领域的进步显著提升了航空航天、医疗设备和机器人等高精度应用的性能。
Okwudire改进了滚珠丝杠-螺母接口模型，引入丝杠弹性变形因素，更准确预测紧凑刚性组件的固有频率，适用于高性能场景。其团队还揭示了轴向、扭转与横向动态之间的耦合效应，挑战传统去耦假设，提升定位精度与疲劳寿命预测准确性。Zhao等人分析高速角接触球轴承（ACBBs）载荷特性与摩擦系数，阐明陀螺力矩与摩擦力平衡机制，对承受轴向载荷至关重要。Chen等人研究双螺母滚珠丝杠动态接触刚度，提出准静态方法，深化对高速运行影响的理解；同时建立摩擦扭矩显式模型，助力精密设计与进给参数优化。
Zheng等人研发新型行星螺纹滚子轴承，大幅提高承载能力，推动高推重比设备发展。Ni等人基于变形协调分析，构建PTRB接触载荷分布模型，增强对重载条件下载荷分布特征的认知。Pochettino与Vanthuyne分别探讨滚柱螺杆在太空任务中的应用，强调寿命与润滑测试对真空环境下长期可靠运行的重要性，并介绍其在Vega发射器电动机械作动器中的集成实践。
Garrison等人提出用于空间应用的双容错电动作动系统，展示电动作动替代液压系统的潜力。Liu、Du、Xiao、Hu、Yao和Guadagno等学者聚焦PRSM优化设计与制造，通过多目标优化、先进建模与创新工艺，解决负载均匀性、接触应力最小化与传动精度提升等问题。Peng、Xu和Wu等人则深入研究滚子矫直、微间距螺纹精密磨削及加工误差与传动精度关系，进一步提升PRSM性能与可靠性，拓展其应用场景。
4. 系统建模与发展趋势
滚珠丝杠进给驱动系统（BSFDS）以微米级定位精度著称。近期研究集中于参数识别、线性变参数模型、热误差建模及非线性、鲁棒控制方法。滚动关节的非线性特性对系统预测精度与效率影响显著，已成为理论建模重点，涵盖非线性静动态行为复现与进给系统解析建模方法的探索。
航空领域向全电飞机转型，推动EMA作为液压系统替代方案的发展。相关文献梳理了EMA配置、优势、局限与测试体系，指出容错电机与热管理为关键技术瓶颈。PRSM作为新兴高性能执行器，受到广泛关注。现有综述系统分析各类PRSM结构特点、优劣势及应用现状，并推进多对动态接触与多体振动系统建模。关于传动特性的研究涵盖运动学、承载能力与动力学模型构建，强调需融合非线性关节与多物理场参数，开展高保真机械建模。
结语
尽管在精密传动机构建模与控制方面取得重要进展，PRSM在复杂工况下面临的独特挑战仍需深入研究。未来应建立涵盖热-力-摩擦-磨损耦合作用的综合模型，强化实验验证，提升模型真实性与工程适用性，为智能制造、航空航天等领域的高精度传动系统发展提供支撑。