1 电-机伺服进给系统

1. 几何精度
   进给几何精度影响到工件的尺寸、形状和位置精度，它表现为进给中的角度误差以及定位误差，由测量系统和中间传动元件的误差以及摩擦滞后引起，市场上可购得静态定位误差在(5～15)µm 的进给轴，通过优化滚珠丝杆、导轨及轴承的刚性和摩擦性能，可以大大减小摩擦反向死区乃至定位误差。
2. 进给速度和加速能力
   限于滚珠丝杆传动的寿命、临界弯曲振动频率以及发热，目前最大进给速度为(40～50)m/min，通过减小摩擦磨损和采用较大的螺旋升角，不远的将来进给速度可以达到(60～80)m/min。为了能够在加工自由型面时沿着任意空间轮廓线保持恒定的高的轨迹进给速度，直角坐标轴运动方向必须经常加速和急停，其最大值等于在曲率半径上的向心加速度，电-机伺服直线进给理论上的最大加速度为(10～20)m/s2，现有高速切削机床只达到其一半数值。
   为避免进给速度的编程值超过轴的实际加速能力而产生不允许的运动轨迹失真，可以利用高速CNC 控制的前瞻功能预先检验轮廓和相应地降低轨迹进给速度。
3. 运动的均匀性
   永久励磁的伺服电机的转速、各极和定子槽都会影响运动的均匀性以及高速铣削加工的表面质量。这种影响随转速提高而下降，可以通过较大的减速传动来使位移误差小于1µm，但同时降低了最大进给速度。
   
   图2 直线电机构造原理
4. 机械传动件的动力学特性
   机械传动件和滑台处在加工位置和支承大件之间力的传递作用线上，要求它们静态和动态刚度高，阻尼大。
   在直接位置测量的位置调节范围内，机械系统在进给方向的固有振动决定性地限制速度增益，K_V的最大值不超过6(m/min)/mm，因此应当尽可能提高谐振频率和模态阻尼。此外，这种固有振动通常还决定着整台机床的动态特性。
   用轴承在滚珠丝杆两端固定，并且使丝杆螺母和轴承预紧，可以大大提高结构刚度进而提高谐振频率。不过预紧要求适当，以免滚动件的摩擦力矩增加过大。滚柱导轨刚度很高，能够决定性地提高机床的整体结构刚度。采用轻型结构来减小运动件的质量，同样可以提高谐振频率。
   与直线电机驱动相反，电-机伺服直线进给由于滚珠丝杆传动静刚度高和机械减速传动，进给力对驱动部分的反作用很小，表现为动态负载刚性高，即阶跃干扰力F_S同引起的位移变化DX₁(t)之比较大。但系统的无量纲组尼系数只达到0.05，因为力作用线上的滚动导轨、丝杆螺母和轴承等机械传动件阻尼微弱。
5. 动态轨迹精度在高速切削高进给速度下，电-机伺服进给系统显著的时间滞后性可以导致毫米级拖动滞后，使运动轨迹产生大的失真。由于不可能通过使K_V>6(m/min)/mm 来减小拖动误差，实践中常用预控制方法来部分地补偿加速和急停时产生的拖动误差。
   动态轨道精度还受到非线性的摩擦反向死区的不利影响。在导轨、轴承及滚珠丝杆内的粘附和库仑摩擦共同作用下，加上丝杆的柔性，在进给启动和换向时运动轨迹失真，造成例如圆形轮廓的象限过渡误差。借助CNC控制中的补偿装置发出附加转动当量脉冲，可以大大减小误差。
6. 机械传动件的热特性
   由于转速高，高速进给系统机械传动件如滚珠丝杆螺母、轴承内的磨擦，能够造成(0.5～1)kW功率损失，成为高速切削机床除了电机主轴外主要的发热源。
   丝杆的热弹性伸长产生附加的位移偏差，使间接位置测量静态定位偏差放大(5～10)倍。在两端固定的丝杆传动中，丝杆的热伸长产生kN 级的作用力而降低轴承寿命。轴承及丝杆螺母的发热传导到周边零件和机床滑台，引起多种不可补偿的误差。
   为减小以上热影响，可在结构设计方面采取措施，如选用合适的螺旋升角来补偿平均位移偏差，拉伸预紧滚珠丝杆，强制冷却空心丝杆直接排出热量。
   采用计算模型从控制技术方面补偿热位移，可以使持续运行下的偏差降低到小于相对残余误差的5%，使间接位置滑量用最低的传感器代价达到直接位置测量的精度。此外，还可以从理论上查明迄今未知的流向周边零件和机床滑台的热流，以及丝杆热伸长对轴承的推挤作用。

2 直线电机驱动的进给系统

1. 模拟和数字式接口
   ±10V 的国际标准模拟接口在以往模拟调节的驱动中达到很高的效率，缺点是D/A转换一般分辨率有限，不耐干扰。未来在高速切削中使用数字调节伺服驱动时采用数字式接口。它摈弃了D/A转换，32位数据长度是模拟接口时的两倍，而且对干扰不敏感。
   通过欧洲标准的数字式接口SERCOS 可以交换位置理论值(位置调节)，速度理论值(转速调节)和加速度理论值(力调节)。其中CNC 与驱动之间的任务划分见图3。位置理论值以CNC 控制的插补节奏通过接口向驱动器传输，在那里的NC处理中接着进行精确插补和位置、转速、转矩调节。系统初始化时必须选择插补节奏，分别是0.062ms, 0.125ms, 0.25ms, 0.5ms或1ms的整数倍。
   
   图3 SERCOS 接口的任务划分
   图4 直线电机驱动进给系统及其位置调节模型方框图
2. 扫描和计算时间延误对K_V的影响
   直线电机驱动进给系统及位置调节回路的简化描述如图4。调节回路可达到的K_V最大值受到所希望阻尼的限制。一般认为，动态特性随着扫描时间的增加变差。能够达到的K_V值同扫描时间成反比。计算时间长短有类似的作用。扫描和计算时间的延误会减小调节回路的阻尼，只能通过减小K_V值来弥补。
3. 负载刚性
   除K_V值外，动态负载刚性C_dyn=F_s/max [D X₁(t)] 是影响位置调节轨迹精度最重要的参数。在带有P成分的调节器中，它等于稳态负载刚性，C_dyn=C_stat=F_s/DX₁(t)| _t→∞，此处存在着比例关系C_dyn～1/T²和C_dyn～m。
   在直接直线驱动的机床进给运动方向上没有了机械刚性，位置调节能够产生的微小动态负载刚性，对整机结构的静态和动态刚性只产生有限影响。但由于C_dyn 比K_V 值更加依赖于位置调节周期T，导致机床的控制性能决定性地参与影响机床结构的振动特性和刚度。
4. 位置调节结构
   数控机床几乎全部采用各由一个P位置调节器和PI速度调节器组成的级联调节器，并由位置微分得到速度。它结构简单，通过刚性高的直线电机驱动力传递，完全能提供足够的功率。其它优点还有耐用，调节结构经过实际考验，不需要精确识别路程。但它不能主动衰减机床的谐振。
   与P/PI调节器相比，状态调节器结构复杂，难以实施，优化很费力，对参数很敏感。它主要用于机械固有频率低的或阻尼弱的调节回路，通过主动影响参数来产生效果，可以达到比P/PI调节器更高的K_V值，但实际应用很少。直线电机弹性小，仍然可以优先采用常规的级联调节器。
5. 速度与加速度预控制
   许多预控制方法可以减小拖动误差。目前最流行的是速度或速度-加速度预控制方法。此时除位置理论值外，还对速度和加速度理论值系数加权并输入位置调节器。

3 结束语