就機(jī)床滑臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式而言，除了直線電機(jī)，伺服電機(jī)+滾珠絲杠幾乎是唯一的備選方案。另一個(gè)上佳的選項(xiàng)到目前為止基本上被忽略了：Hyprostatik Sch?nfeld生產(chǎn)的靜壓絲杠。

與滾珠絲杠傳動(dòng)相比，靜壓絲杠傳動(dòng)具有許多優(yōu)點(diǎn)。由于沒(méi)有滾珠循環(huán)滾動(dòng)，所以即使在高速運(yùn)行時(shí)，也完全沒(méi)有振動(dòng)和噪聲。此外，在反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)沒(méi)有磨損，幾乎沒(méi)有位置誤差。此外，“德國(guó)制造”的靜壓絲杠即使在低速運(yùn)行的情況下，也能承受高負(fù)荷和沖擊負(fù)載。

靜壓絲杠傳動(dòng)和直線電機(jī)的比較

兩種技術(shù)的比較顯示出許多不同之處，但也有一些相似之處。兩種傳動(dòng)方式在以下方面幾乎相同：

? 可靠性：靜壓絲杠傳動(dòng)無(wú)磨損且免維護(hù)，只需更換液壓裝置的過(guò)濾器及補(bǔ)充液壓油損耗。直線電機(jī)也是免維護(hù)的，但在大推力或進(jìn)行頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，存在過(guò)熱的危險(xiǎn)。

? 精度與使用壽命無(wú)關(guān)：兩種系統(tǒng)都是無(wú)磨損的，因此避免了精度的降低。但是，直線電機(jī)存在過(guò)載和過(guò)熱的危險(xiǎn)，靜壓絲杠不存在。

? 低維護(hù)成本： 由于兩種傳動(dòng)方案都是無(wú)磨損的，所以維護(hù)成本都很低。

在以下特性存在很大差異：

? 允許的進(jìn)給力：目前最大推力的直線電機(jī)的進(jìn)給力約為14?kN，而即使是公稱直徑為50?mm的靜壓絲杠，進(jìn)給力也可以達(dá)到20?kN。迄今為止商用的負(fù)載能力最大的靜壓絲杠，公稱直徑為125?mm，可承受340?kN的軸向載荷。該絲杠安裝在一臺(tái)拉床上，經(jīng)受了九年最大強(qiáng)度的振動(dòng)負(fù)荷，直到電機(jī)控制系統(tǒng)失靈，造成電機(jī)和靜壓絲杠失效。開(kāi)發(fā)承受1000?kN靜壓絲杠是可行的，盡管最大負(fù)載能力并沒(méi)有絕對(duì)限值。基于負(fù)載能力考慮，直線電機(jī)僅在有限的條件下可用于鐵質(zhì)材料的加工、重型加工及大型機(jī)械；但是靜壓絲杠則不受限制。

? 能源需求，冷卻消耗： 在適度的負(fù)載和高速度條件下，電能可以非常有效地轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。因此，對(duì)于電動(dòng)滑臺(tái)，總是采用高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)，絲杠推動(dòng)滑臺(tái)，產(chǎn)生更高進(jìn)給力和較低的線速度。電機(jī)產(chǎn)生的力通過(guò)一個(gè)很大的杠桿（傳動(dòng)比）傳遞到滑臺(tái)。如果傳動(dòng)鏈節(jié)的質(zhì)量沒(méi)有問(wèn)題，即可以使用較小的推力非常靈敏且精確地移動(dòng)滑臺(tái)。 

由于滾珠絲杠在許多情況下不能達(dá)到所需的質(zhì)量要求，因此開(kāi)發(fā)了直線電機(jī)和靜壓絲杠傳為替代方案。

使用直線電機(jī)，無(wú)中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，進(jìn)給力直接由電機(jī)產(chǎn)生。由于沒(méi)有絲杠傳動(dòng)的減速增扭效應(yīng)，需要的力是絲杠傳動(dòng)的10～25倍。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能耗與電機(jī)產(chǎn)生的推力有很強(qiáng)的相關(guān)性，而與速度只有很小的相關(guān)性，所以直線電機(jī)所需能量是絲杠傳動(dòng)的數(shù)倍甚至10倍。這種高能量是在機(jī)床中產(chǎn)生的，必須通過(guò)冷卻，將該能量帶走，使得機(jī)床溫度不至于過(guò)高，為此需要額外的制冷能量。這種高能量需求不僅是一個(gè)環(huán)境問(wèn)題，也是一個(gè)重要的成本因素。但是，在選擇購(gòu)買新機(jī)床時(shí)，這些弊端幾乎不會(huì)被考慮到，因?yàn)檫@些弊端不會(huì)影響機(jī)床制造商，而只會(huì)影響機(jī)床最終用戶。 

在滾珠絲杠傳動(dòng)不能滿足的情況下，靜壓絲杠傳動(dòng)是直線電機(jī)的替代方案。靜壓絲杠傳動(dòng)幾乎沒(méi)有滾珠絲杠傳動(dòng)的缺點(diǎn)，而所需能量比直線電機(jī)少得多。然而，在進(jìn)給力較低，能耗要求不那么重要的情況下，直線電機(jī)更為適合。

圖1 使用直線電機(jī)，無(wú)中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，進(jìn)給力直接由電機(jī)產(chǎn)生

? 固有剛度： 從圖1可以看出，直線電機(jī)的進(jìn)給力直接作用在機(jī)床滑臺(tái)上，不經(jīng)任何中間減速環(huán)節(jié)。因此，這種傳動(dòng)沒(méi)有固有剛度，只有來(lái)自伺服系統(tǒng)位置控制的剛度。在圖2原理圖中，靜壓絲杠的絲杠已被替換為楔形墊塊。在常規(guī)螺距的情況下，要產(chǎn)生相同的進(jìn)給推力，使用 靜壓絲杠僅需要約7％的電動(dòng)力。如果使用轉(zhuǎn)子直徑較大的力矩電機(jī)，這個(gè)電動(dòng)力就會(huì)更小。其余的93％進(jìn)給力直接由絲杠螺母和絲杠之間的油膜，以及絲杠和機(jī)床床身之間的阻尼良好的靜液壓軸承來(lái)承擔(dān)。以公稱直徑為80?mm的靜壓絲杠為例：當(dāng)絲杠由靜壓螺母雙側(cè)預(yù)載，工作臺(tái)行程為2?m時(shí)，總剛度為600?N/μm，其中約50%來(lái)自于阻尼良好的靜壓軸承。由于減速比大，伺服電機(jī)以微小的力推動(dòng)滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，以補(bǔ)償定位誤差。

? 位置控制的精度：靜壓絲杠的摩擦力表現(xiàn)為液體摩擦，摩擦力很小且與速度成正比。當(dāng)反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩完全不會(huì)發(fā)生突跳，因此可實(shí)現(xiàn)軌跡偏差小于0.1?μm。這對(duì)于直線電機(jī)也是可行的，但對(duì)于伺服位置閉環(huán)控制過(guò)程，直線電機(jī)的“位置偏差”至少在幾十分之一 微米的量級(jí)上，而振動(dòng)載荷（例如：在銑削過(guò)程中）會(huì)使其顯著增加。 這也正是 靜壓絲杠的優(yōu)勢(shì)所在，因?yàn)槌溯^小的位置偏差，上面提及的靜壓絲杠固有剛度也提升了位置的穩(wěn)定性，尤其是在振動(dòng)載荷情況下。

? 振動(dòng)載荷，刀具壽命： 直線電機(jī)適用于中等進(jìn)給力和低交變力，通常是超精密機(jī)床的首選方案。然而，較大的進(jìn)給力和明顯的振動(dòng)載荷會(huì)導(dǎo)致較大的位置偏差和位置不穩(wěn)定，顯著增加能源消耗，并可能因過(guò)熱而對(duì)直線電機(jī)產(chǎn)生危害。然而，直線電機(jī)的位置不穩(wěn)定和缺乏減振性會(huì)縮短刀具壽命。

使用靜壓絲杠時(shí)，由于靜壓油膜的存在，即使在最劇烈的振動(dòng)載荷下也始終避免機(jī)器零件之間的剛性接觸，這就是 靜壓絲杠對(duì)于振動(dòng)載荷具備天然的免疫力。如上文所述，靜壓絲杠運(yùn)用在振動(dòng)載荷很強(qiáng)的拉床中的案例證明了這一點(diǎn)。位置的不穩(wěn)定性也遠(yuǎn)小于直線電機(jī)，因此再加上上述 靜壓絲杠的減振性，微振動(dòng)遠(yuǎn)低于直線電機(jī)，從而大大延長(zhǎng)了刀具壽命。

? 高速度：僅當(dāng)加工時(shí)間短、快速行程長(zhǎng)、加工力適中時(shí)，直線電機(jī)才具備優(yōu)勢(shì)。例如：電路板鉆孔。當(dāng)機(jī)床床身需要銑削加工時(shí)，情況則完全不同：例如在粗加工鋼材的進(jìn)給速度為1?m/min，精加工的進(jìn)給速度為 0.5 m/min。當(dāng)銑削路徑長(zhǎng)度為1?m時(shí)，得出平均速度為 0.667?m/min（粗銑1?m，用時(shí)1?min；精銑1?m，用時(shí)2?min；共3?min）。假設(shè)銑削路徑（粗銑1?m+精銑1?m）和快進(jìn)行程各為 2?m，則銑削耗時(shí)為3?min；快進(jìn)行程采用80?m/min 的高速度，使用直線電機(jī)需要0.025?min完成2?m的快進(jìn)，使用靜壓絲杠時(shí)，線速度30?m/min需要0.0667 ?min完成2?m的快進(jìn)。直線電機(jī)與靜壓絲杠的總時(shí)間比為0.9864，節(jié)省的時(shí)間為 1.36％。在實(shí)際操作中，通過(guò)編程優(yōu)化，快進(jìn)行程的次數(shù)通常至少減半，這也使這一優(yōu)勢(shì)減半。因此，高速度的優(yōu)勢(shì)往往是微不足道的，它可以帶來(lái)高加速度則并非優(yōu)勢(shì)，反而是在重型滑臺(tái)的情況下，只會(huì)對(duì)機(jī)床身造成巨大的載荷。 

圖2 靜壓絲杠的絲杠被替換為楔形墊塊

此外必須重視直線電機(jī)高速度運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的一個(gè)后果：假如一個(gè)重型滑臺(tái)以 80?m/min的速度移動(dòng)，其高動(dòng)能也必須得到安全控制：當(dāng)電機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，當(dāng)控制系統(tǒng)與電機(jī)之間的電纜出現(xiàn)出故障，或斷電的情況下，必須考慮其動(dòng)能的釋放方式。使用擋塊減振器通常不足以釋放如此巨大的動(dòng)能。在機(jī)床調(diào)試過(guò)程中，事故會(huì)導(dǎo)致機(jī)器損壞，甚至造成人身傷害。

? 普適性：如上所述，直線電機(jī)應(yīng)用于鐵質(zhì)材料加工或重型加工時(shí)有諸多限制。但是，配備有單個(gè)或多個(gè)靜壓絲杠傳動(dòng)的機(jī)床不僅可以加工鐵質(zhì)材料，還可以加工鋁材，因此它的普適性更為廣泛。

? 垂直軸：帶有直線電機(jī)的垂直軸運(yùn)行需要采取特殊的附加安全措施，以確保即使在特殊情況下也具有必要的運(yùn)行安全性。靜壓絲杠在此表現(xiàn)了其先天優(yōu)勢(shì)：配備抱閘的伺服電機(jī)即可勝任，當(dāng)關(guān)閉供油裝置時(shí)，靜壓絲杠會(huì)自鎖，尤其在使用靜壓軸承的情況下。

稀土的可獲得性：生產(chǎn)直線電機(jī)比生產(chǎn)伺服電機(jī)需要更大量的高質(zhì)量的磁鐵，尤其是直線電機(jī)行程較長(zhǎng)時(shí)。只要生產(chǎn)所需的高質(zhì)量磁鐵需要用到稀土材料，其可獲得性就是一個(gè)首要問(wèn)題。尤其是，除了在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中使用這些磁鐵之外，越來(lái)越多的電動(dòng)汽車也需要它。

? 成本比較：直線電機(jī)傳動(dòng)方案的投資成本明顯低于采用靜壓絲杠的方案。尤其是在需要較低進(jìn)給力且其對(duì)能源效率要求不高，后期的能耗成本影響較小的情況下。然而，一旦需要更高的驅(qū)動(dòng)力，可能一個(gè)直線軸需要兩個(gè)或更多的直線電機(jī)以獲得足夠的推力，所需要的控制系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)更加復(fù)雜和昂貴，以及后期更高能耗費(fèi)用都要計(jì)入成本核算中，使用靜壓絲杠解決方案肯定會(huì)比直線電機(jī)更便宜，或者至少不增加成本。

因此，即便使用靜壓絲杠會(huì)導(dǎo)致更多的初期成本投入，其收益將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)投資成本。畢竟，“專業(yè)人員有好工具”的說(shuō)法總是適用的。例如：如果在一臺(tái)價(jià)值750?000歐元的全自動(dòng)機(jī)床上使用 靜壓絲杠代替直線電機(jī)，需要額外支付 15?000 歐元，這僅多支付2％的費(fèi)用。作為回報(bào)，客戶將收獲上述優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)在多班次高強(qiáng)度的生產(chǎn)中尤為重要。

總結(jié)及結(jié)論

因此，當(dāng)只需要低進(jìn)給力和很高的速度時(shí)，直線電機(jī)是最好的選擇。靜壓絲杠傳動(dòng)更適合于：需要較高的進(jìn)給推力以及具有頻繁振動(dòng)負(fù)載的場(chǎng)合。這類應(yīng)用要求進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)具有較高的被動(dòng)剛度，同時(shí)要求傳動(dòng)系具有良好的減振性，靜壓絲杠便是最佳選擇。當(dāng)“位置穩(wěn)定性”和普適性很重要時(shí)，靜壓絲杠也特別適合，對(duì)于垂直軸應(yīng)用也是如此。 

總而言之，筆者作為機(jī)床從業(yè)工程師，從事機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工作超過(guò) 57 年，其中作為企業(yè)家身份在機(jī)床制造行業(yè)從業(yè)約30年，從而可以深刻地對(duì)機(jī)床制造領(lǐng)域內(nèi)直線傳動(dòng)技術(shù)的市場(chǎng)情況進(jìn)行分析和梳理。

這是一個(gè)被著名的直線電機(jī)制造商占據(jù)的市場(chǎng)。與之相對(duì)的，位于格平根 (G?ppingen) 的Hydrostatik Sch?nfeld這家小公司是目前唯一一家生產(chǎn)靜壓絲杠（HSD）傳動(dòng)裝置的供應(yīng)商。 

筆者認(rèn)為，這也是靜壓絲杠即使在具有明顯優(yōu)勢(shì)的情況下，仍未得到廣泛應(yīng)用的唯一原因。然而，筆者希望這篇客觀的論文能夠鼓勵(lì)一些機(jī)床制造商和用戶考慮將靜壓絲杠傳動(dòng)作為直線電機(jī)或滾珠絲杠傳動(dòng)的替代方案。當(dāng)您已經(jīng)采用靜壓導(dǎo)軌時(shí)，采用靜壓絲杠變得相當(dāng)簡(jiǎn)單易行。