图1  液力静压丝杠驱动机构能够把伺服电动机的旋转运动转换为线性运动，在这一运动转换过程中，驱动系统所消耗的能量非常少

人们都了解重达几吨的石球在水幕上轻松滚动的原理，而液体静压丝杠的工作原理与石球-水幕的原理非常相似，实践证明，这是一种无磨损且能源需求非常小的动力驱动方式。

滚珠丝杠的缺点众所周知（如其各个滚动体所承受的扭矩不同），这也是线性驱动和液体静压丝杠驱动系统诞生的重要原因（图1）。Schonfeld有限责任公司就是在液体静压丝杠生产领域中一家技术领先的研发和生产企业。

液体静压丝杠（简称“HGT丝杠”）像滚珠丝杠一样能够把伺服电动机的旋转运动转换为直线运动。HGT的螺母悬浮在梯形螺纹丝杠牙型表面的液压油膜上运动，这是一种无磨损的传动副。进入螺母的液压油的油量由申请了专利的PM调节器（步进量调节器）来控制。静压油膜的厚度完全与负载和重量无关，几乎是一个恒定的数值。这就大大提高了螺母与丝杠之间的刚性，与滚珠丝杠相比提高了2~3倍。同时，这也实现了绝对的无间隙传动。8个PM步进量调节器都固定在螺母上，并通过油泵和螺母油池中的压力差补充油量。因此，在使用液体静压丝杠传动机构时，用户只需使用很少的液压油就可以保持液体静压丝杠驱动机构预定的压力了。HGT驱动系统的摩擦力矩相当低，且与转速成比例，因此在丝杠换向时不会发生驱动力矩的突变。这些都是保证高精度定位、轨迹运动、短行程以及精确慢速运动所需的必不可少的前提。

在动力消耗相对较少且运动速度相对较高的情况下，电能能够更加有效地转换为机械能。因此，在电力进给驱动系统中通常都会使用高速电机和螺纹丝杠驱动装置控制滑台缓慢运动，传递较高的进给力。电动机的电能经较高的传动比传递到滑台上，然后在高质量传动系的帮助下，滑台由很小的驱动力驱动，进行精确地运动。

有时间保障的直线电机驱动

直线电机就是根据上述原理进行工作的。因为直接产生较大的驱动力需要很强的磁场，在直线电机中，只有通过强大的电流或电磁感应很强的线圈绕组才能实现。由于每一个有电流流过的线圈都表示一定的“电气材料”，因此在动态负载变化时需要很高的电气材料转换速度，即使保持运动滑台定位时也是如此。在使用较高的电压时，电机驱动力的转换需要耗费一定的时间。这样，直线电机调节所需的定位调节范围就比HGT液体静压丝杠要大的多。

在大多数切削加工运动中，机动切削时间内进给动力滑台的运动速度一般为0.1~0.4m/min，但所需的进给力很大。据生产厂家介绍，像这种额定驱动力为6600N的直线电机在低进给速度时的功率损耗约为5.4kW。而这种功率损耗会引起设备过热，为了使设备再冷却将消耗约4kW的功率。所以，要实现6600N的进给驱动力共计要消耗约9kW的功率。

典型的HGT液体静压丝杠驱动机构在高速输出10000N的进给驱动力时所需的液压油流量为2.5L/min，油泵工作压力5MPa。驱动液压油泵和空气-油热交换器的液压油冷却设备所需的功率约为0.5kW。伺服电动机在400mm/min的进给速度、10000N进给力和50％效率下的功率只有0.14kW。这样，总的功率需求约0.7kW，与直线电机相比可以减少功率消耗约8.3kW。由于在车削和铣削加工机床中直线电机一般都不在满负荷的情况下工作的，因此可以节能5kW左右。

在刚性和缓冲性能的比较中，HGT也有很大优势。在直线电机中，系统的刚性取决于滚动轴承的设计和线性光栅尺的共同作用，若没有轴承的调节，直线电机的刚性就为零，但在抵抗静态负载时，直线电机的刚性很高。在使用线性光栅尺的HGT液体静压丝杠系统中也是如此。

通过对位移和反映时间的控制及对电磁场产生时间的检测可以看到：直线电机的动态刚性是很小的。据直线电机生产厂家介绍：当进给滑台的质量为100kg时，直线电机的动态刚性为30N/μm，当质量增加到600kg时为120N/μm。由于在振动的滑台运动方向没有缓冲，因此很容易引起共振。

HGT的小动态定位误差

与直线电机的动态性能相反，液体静压丝杠传动机构HGT的动态刚性很好：公称直径为50mm、有效传动长度为400mm的HGT丝杠的动态刚性为350~400N/μm，而且传动轴的弹性也包括在内。在两端固定的液力静压丝杠中，其动态刚性还要高。结合极高的缓冲和极高的由传动轴振动力矩引起的综合作用，其定位误差比直线电机更小。在这种缓冲性能的作用下，HGT液体静压丝杠传动系统的运动振动也会很快被吸收平衡。

不仅是在振动负载时直线电机的定位误差较大，在对直线电机和HGT液体静压丝杠传动系统这两种方式驱动的进给滑台运动检测数据的比较中，也可以清楚的看到这种情况（图2）。

在直线电机和HGT液体静压丝杠传动系统的其他检测比较中，两种驱动系统的性能特性指标对比如下：

加速度：当进给滑台质量较轻时，直线电机允许的加速度较大，当进给滑台的质量达到800kg时，HGT液体静压丝杠传动系统的加速效果较好。

进给力：HGT液体静压丝杠传动系统可以传递的进给力远远大于直线电机。当前常用的直线电机能够达到的公称进给力为10kN，而公称直径为50mm的HGT液体静压丝杠则能够传递20kN的进给力。

滑台进给速度：在特殊情况下，HGT液体静压丝杠传动系统可以达到的进给速度为120m/min，常规情况下为80m/min。在这一进给速度范围内，直线电机的表现良好，但当滑台质量较大时往往会在高速运动过程中因断电而带来麻烦。

垂直轴：在失电时直线电机很难保证垂直轴的正常工作。HGT液体静压丝杠传动系统则相反：通过伺服电机的制动器能够很好地保持其垂直轴工况不变。另外，普通螺距的HGT液体静压丝杠在断电时能够自锁。

HGT液体静压丝杠传动系统的公称直径有40mm、50mm、63mm、80mm、100mm、125mm和160mm，最大长度可达5m，允许负载范围在10~300kN之间，在特殊情况下还可提高60%。像滚珠轴承丝杠一样，HGT丝杠的末端也可以按照用户的要求制造。