高精度加工是從20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的機(jī)械加工新工藝，它不同于傳統(tǒng)的加工方法，其更大的特點(diǎn)是綜合應(yīng)用機(jī)械發(fā)展的新成就，以及現(xiàn)代電子技術(shù)、測量、計(jì)算機(jī)等新技術(shù)，是機(jī)電一體化的結(jié)晶。高速高精度加工技術(shù)隨著數(shù)控加工設(shè)備與高性能加工刀具技術(shù)的發(fā)展而日益成熟，其飛速發(fā)展得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。
  高速數(shù)控沖床必須同時(shí)具有高速主軸系統(tǒng)和高速進(jìn)給系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)材料切削過程的高速化。為實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給，除了可以采用經(jīng)過改進(jìn)的滾珠絲杠以外，還可采用“直線電機(jī)”和“并聯(lián)虛擬軸機(jī)構(gòu)’’等新型的高速進(jìn)給方式。從結(jié)構(gòu)、性能到總體布局，三者之間都有很大的差別，形成了蘭種截然不同的高速進(jìn)給系統(tǒng)。高速加工的切削速度是常規(guī)切削度的10倍左右，為保證零件的加工精度、表面質(zhì)量和刀具的耐用度，則進(jìn)給速度也必須相應(yīng)提高10倍左右，達(dá)到60m/min以上，有的甚至高達(dá)120m/min，在滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)方式下其極限值約為進(jìn)給速度60m/min和加速度1g，而使用直線電機(jī)后可達(dá)到l 60m/min以上和2.5g以上，定位精度可高達(dá)0.5～0.05 um。
  一、直線電機(jī)
  1993年德國Excello公司首次采用德國Indramat公司開發(fā)成功的感應(yīng)式直線電機(jī)生產(chǎn)HSC-240型高速加工中心，該加工中心采用德國Indramat開發(fā)豹感應(yīng)式直線電機(jī)，該機(jī)床最高主軸轉(zhuǎn)速為24000r/min，工作臺更大進(jìn)給速度為60m/min。同時(shí)，美國Ingersoll公司采用美國Anorad公司生產(chǎn)的永磁式直線電機(jī)也研制成功HVM．800型高速加工中心。其進(jìn)給最高速度達(dá)76.2mfmin，進(jìn)給加速度達(dá)l-J.5g。意大利Vigolzone公司生產(chǎn)的三軸采用直線電機(jī)的高速臥式加工中心，進(jìn)給速度三軸均達(dá)到70m/min，加速度達(dá)到lg。德國西門子公司直線電機(jī)更大進(jìn)給速度達(dá)200m/min，加速度可達(dá)2.5g以上。
  最近美國Cincinnati機(jī)床公司采用直線電機(jī)作為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為航空航天工業(yè)成功的開發(fā)了Super Mach大型高速加工中心，其X軸的行程長達(dá)46m，工作臺更大進(jìn)給速度60m/min．快速行程100m/min，加速度2g，主軸最高轉(zhuǎn)速60000r/min，主電機(jī)功率80kw，生產(chǎn)效率極高。
  采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速進(jìn)給單元的特點(diǎn)是：速度離、加速度大，定位精度高、承載能力強(qiáng)，是超高速、大行程、高精度機(jī)床理想的進(jìn)給系統(tǒng)，有良好的應(yīng)用發(fā)展前景，有望成為2l世紀(jì)高速數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的基本方式。但是其成本較高，而且要求必須有高性能和高靈敏度的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，很難被中小企業(yè)接受．同時(shí)存在如發(fā)熱、隔磁、結(jié)構(gòu)輕化等問題，還有待進(jìn)一步的研究。
  二、并聯(lián)虛擬軸機(jī)構(gòu)
  近年來出現(xiàn)了一種全新概念的機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)—并聯(lián)虛擬軸機(jī)構(gòu)。它的基本原理建立在1964年由英國人Steward設(shè)計(jì)并獲得專利的六桿結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上（稱之為Steward平臺）。具有這種進(jìn)給機(jī)構(gòu)的機(jī)床稱為“并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)床”(Parallel Kinematic Machine，PKM)。1994年美國Giddings& Lewis公司和英國Geodetic公司在芝加哥國際機(jī)床博覽會(huì)上，首次展出了由這種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床和加工中心，引起國際機(jī)床界的轟動(dòng)，被認(rèn)為是機(jī)床結(jié)構(gòu)的重大革命。近IO年來，這種機(jī)床在國內(nèi)外發(fā)展很快，并已開始用于生產(chǎn)。
  虛擬軸機(jī)構(gòu)是機(jī)床實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給的—個(gè)很有發(fā)前途的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)部件，受到國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究者的普遍關(guān)注，但由于存在的問題比較多，解決起來也較困難。因此，并聯(lián)虛擬軸機(jī)床要被工程技術(shù)界接受和生產(chǎn)應(yīng)用尚需時(shí)日。
  目前，采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)仍是高速伺服系統(tǒng)主要的驅(qū)動(dòng)裝置，其加速度可以達(dá)到1g，進(jìn)給速度可以達(dá)到40-60m/rnin，定位精度20-50um。與采用直線電機(jī)相比，高速化的滾珠絲杠傳動(dòng)能夠大幅度降低生產(chǎn)成本。日本已經(jīng)研制出實(shí)現(xiàn)超高速、高剛度以及高承載能力的滾珠絲杠，其進(jìn)給速度高達(dá)1OOm/mm。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以往擔(dān)心大導(dǎo)程滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)對加工中心精度的影響，設(shè)計(jì)時(shí)取導(dǎo)程Ph<lOmm。而在1999年日本國際機(jī)床展覽會(huì)上看到大部分高速加工中心都使用大導(dǎo)程滾珠絲杠副。如日本馬扎克公司在FF660機(jī)床上使用滾珠絲杠副，機(jī)床快速移動(dòng)速度達(dá)90m/min，加速度達(dá)1.5g。如此看來采取有效的改進(jìn)措施如：16-32mm大導(dǎo)程、加強(qiáng)滾珠循環(huán)部分零件、多頭螺紋以增加有效圈數(shù)、改進(jìn)滾道形狀等，可以提高滾珠絲杠副的驅(qū)動(dòng)速度，加快高速加工發(fā)展的歷程（如表1.4所示）
  滾珠絲杠還是目前高速加工的主要進(jìn)給系統(tǒng)，所以對于高速下提高精度的滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的研究還是工程師們所研究的主要闖題，在進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)過程中，各部件之間存在的間隙、摩擦、彈性變形會(huì)對機(jī)械伺服系統(tǒng)會(huì)造成不良影響，這已成為伺服系統(tǒng)定位精度、跟蹤精度動(dòng)態(tài)性能提高的瓶頸。因此，研究間隙、摩擦和彈性變形（剛度）等因素對給給伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，采取有效的方法減少、抑制或消除這些不利因素的影響，愈來愈成為近年來許多科學(xué)工作者關(guān)注的焦點(diǎn)之一。
  在采用閉環(huán)控制消除絲杠導(dǎo)程、間隙等誤差后，高速高精度數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)中存在的摩擦就成為輪廓誤差的主要原因，如何有效地消除摩擦的影響已成為相當(dāng)多的研究人員的研究課題。雖然有文獻(xiàn)報(bào)道說可以通過仔細(xì)調(diào)整控制器參數(shù)來對其進(jìn)行一定的抑制，但大多數(shù)研究人員認(rèn)為可通過進(jìn)給位置指令增加額外的指令脈沖來抵消。據(jù)報(bào)道，Tung.E.D等采用重復(fù)控制的方法得到了很好的效果，但這種方法不適合再迸給系統(tǒng)和加工半徑變化的數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)使用。日本農(nóng)工大學(xué)的一個(gè)科研小組在堤正臣教授的帶領(lǐng)下從事高速高精度數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)的研究已有多年，在研究中，科研小組認(rèn)為解決數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)的高速高精度問題首先要了解所研究的對象，建立起合適的數(shù)學(xué)模型，從機(jī)理上認(rèn)識數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)在高速高精度的要求下存在的問題，然后才有可能解決其存在的問題。該小組采用模型適配法（model-matching），通過對所研究的數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ㄈ〉昧艘欢ǖ某尚?，但對于系統(tǒng)中存在的摩擦等影響系統(tǒng)性能的因素還沒有找到很好的解決辦法。
  數(shù)控沖床床的進(jìn)給最高運(yùn)動(dòng)速度、跟蹤精度、定位精度等重要指標(biāo)均取決于驅(qū)動(dòng)及位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能。因此，研究與開發(fā)高性能的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及位置控制系統(tǒng)，一直是研究數(shù)控沖床的關(guān)鍵技術(shù)之一。人們在提高高速數(shù)控機(jī)床的定位精度運(yùn)用了很多方法如：合肥工業(yè)大學(xué)吳焱明采用分段線性精確定位的方法、南京航空航天大學(xué)王宏濤采用滾珠絲杠螺距誤差補(bǔ)償法、北京航空航天大學(xué)周正平采用待加工軌跡監(jiān)控的方法等、在控制上還運(yùn)用了模糊學(xué)、人工智能等前沿學(xué)科的知識，但是要想進(jìn)一步提高，仍需大力提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的響應(yīng)特性以及改進(jìn)控制算法，這仍是今后高速機(jī)床高精度定位的發(fā)展方向。
  另外，如何消除進(jìn)給系統(tǒng)中非線性間隙和摩擦對進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，目前除了改變機(jī)械伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)，選擇更好的潤滑劑以及減小動(dòng)摩擦和靜摩擦之間的差值來解決外，還采用改進(jìn)控制策略的方法。文獻(xiàn)[33]針對系統(tǒng)中非線性間隙環(huán)節(jié)對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，揭示了機(jī)電液伺服系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域與系統(tǒng)各參數(shù)之間的關(guān)系。Kao,J.Y，Cheng.H.E等認(rèn)為間隙使系統(tǒng)產(chǎn)生了靜動(dòng)戀輪廓加工誤差，影響了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精確性l34-38。文獻(xiàn)[39][40]提出了一種基于摩擦參數(shù)辨識的PD控制分析方法，在速度環(huán)中采用PD控制，從而使PD增益的調(diào)節(jié)由純粹的經(jīng)驗(yàn)上拜為理論。B.Friedlartd等將庫侖摩擦表示成時(shí)間的函數(shù)，提出了基于非線性觀測器的自適應(yīng)補(bǔ)償方法[41]。近幾年來，智能控制理論在摩擦補(bǔ)償中得到了廣泛的重視。其中包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)摩擦補(bǔ)償t42-451基于模糊推理的摩擦補(bǔ)償和基于GA的摩擦補(bǔ)償方法。
  總之，數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)作為數(shù)控系統(tǒng)的主要運(yùn)動(dòng)部件，其重要性是很明顯的，可以說，數(shù)控沖床的加工速度和加工精度提高依賴予數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)的進(jìn)給速度和定位精度的提高，沒有性能好的數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)，就不可能有好的數(shù)控系統(tǒng)，可以看出，高速高精度數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)的研發(fā)是研究高速高精度數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵。