從數(shù)控機(jī)床的誕生到現(xiàn)在，其進(jìn)給驅(qū)動(dòng)技術(shù)經(jīng)歷了由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)、及目前廣泛應(yīng)用的交流伺服系統(tǒng)三個(gè)階段。雖然進(jìn)給驅(qū)動(dòng)技術(shù)在不斷發(fā)展變化，但其基本的傳動(dòng)形式始終是“旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠”模式，對于刀具和工作臺(tái)等被控對象是直線形式的運(yùn)動(dòng)路徑，只能借助于機(jī)械變換中間環(huán)節(jié)“間接”地獲得最終的直線運(yùn)動(dòng)，由此帶來一系列的問題：
首先，中間變換環(huán)節(jié)導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度降低，尤其細(xì)長的滾珠絲杠是剛度的薄弱環(huán)節(jié)，起動(dòng)和制動(dòng)初期的能量都消耗在克服中間環(huán)節(jié)的彈性變形上，而且彈性變形也是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生機(jī)械諧振的根源。
其次，中間環(huán)節(jié)增大了運(yùn)動(dòng)的慣量，使系統(tǒng)的速度、位移響應(yīng)變慢；而制造精度的限制，不可避免地存在間隙死區(qū)與磨擦，使系統(tǒng)非線性因素增加，增大了進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度的難度。
隨著大功率電力半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，控制器件和控制原則的不斷更新和完善，特別是PWM調(diào)制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得采用三環(huán)結(jié)構(gòu)(位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán))的位置伺服系統(tǒng)的控制理論和技術(shù)日臻成熟，在實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確定位等方面已達(dá)到相當(dāng)高的水準(zhǔn)。但隨著高速和超高速精密加工技術(shù)的迅速發(fā)展，要求數(shù)控機(jī)床有一個(gè)反應(yīng)快速靈敏、高速輕便的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。而傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式所能達(dá)到的最高進(jìn)給速度與超高速切削要求相差甚遠(yuǎn)。為適應(yīng)現(xiàn)代加工技術(shù)發(fā)展的需要，采用直線伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)來替代“旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠”模式，從而消除中間變換環(huán)節(jié)的直線進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
一、直線進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀
直線進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)是采用直線交流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。直線交流伺服電動(dòng)機(jī)可視為將旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)定子沿徑向剖開，并將圓周展開成直線作初級(jí)，用一導(dǎo)電金屬平板代替轉(zhuǎn)子作次級(jí)，就構(gòu)成了直線電動(dòng)機(jī)。在初級(jí)中嵌入三相繞組制成動(dòng)子，與機(jī)床移動(dòng)工作臺(tái)相連，次級(jí)作為定子固定在機(jī)床導(dǎo)軌上，兩者之間保持約1mm的氣隙。目前已開始應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床上的直線電動(dòng)機(jī)主要有感應(yīng)式直線交流伺服電動(dòng)機(jī)和永磁式直線交流伺服電動(dòng)機(jī)。
1.感應(yīng)式直線交流伺服電動(dòng)機(jī)
感應(yīng)式直線交流伺服電動(dòng)機(jī)通常由SPWM變頻供電，采用次級(jí)磁場定向的矢量變換控制技術(shù)，對其運(yùn)動(dòng)位置、速度、推力等參量進(jìn)行快速而又準(zhǔn)確的控制。由于感應(yīng)式直線伺服電動(dòng)機(jī)的初級(jí)鐵心長度有限，縱向兩端開斷，在兩個(gè)縱向邊緣形成“端部效應(yīng)”(endeffect)，使得三相繞組之間互感不相等，引起電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行不對稱。消除這種不對稱的方法有三種：
同時(shí)使用三臺(tái)相同的電動(dòng)機(jī)，將其繞組交叉串聯(lián)，這樣可獲得對稱的三相電流；
對于不能同時(shí)使用三臺(tái)電動(dòng)機(jī)的場合，可采用增加極數(shù)的辦法來減小各相之間的差別；
在鐵心端部外面安裝補(bǔ)償線圈。
2.永磁式直線伺服電動(dòng)機(jī)
永磁式直線伺服電動(dòng)機(jī)的次級(jí)是采用高能永磁體，電動(dòng)機(jī)采用矩形波或正弦波電流控制，由IGBT組成的電壓源逆變器供電，PWM調(diào)制。
當(dāng)向動(dòng)子繞組中通入三相對稱正弦電流后，直線電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生沿直線方向平移并呈正弦分布的行波磁場，與永磁體的勵(lì)磁磁場相互作用產(chǎn)生電磁推力，推動(dòng)動(dòng)子沿行波磁場運(yùn)動(dòng)的相反方向作直線運(yùn)動(dòng)。其控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是PID組成的速度—電流雙閉環(huán)控制，直接受控的是電流，通常采用id=0的控制策略，使電磁推力與id具有線性關(guān)系。
二、直線進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)
直線進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是具有比旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)大得多的加、減速度(可達(dá)10～30倍)，能夠在很高的進(jìn)給速度下實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)達(dá)到設(shè)定的高速狀態(tài)和在高速下瞬時(shí)準(zhǔn)確停止運(yùn)動(dòng)。加減速過程的縮短，可改善加工表面質(zhì)量，提高刀具使用壽命和生產(chǎn)效率；減少了中間環(huán)節(jié)，使傳動(dòng)剛度提高，有效地提高了傳動(dòng)精度和可靠性，而且進(jìn)給行程幾乎不受限制。
三、直線進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用現(xiàn)狀
作為一種嶄新的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)技術(shù)，其優(yōu)越的高速性能和極高的動(dòng)態(tài)性能，使其在生產(chǎn)當(dāng)中迅速得到廣泛應(yīng)用。在上個(gè)世紀(jì)90年代中期：
首先由德國Ex—cell—o公司開發(fā)的XHC240型高速臥式加工中心，3個(gè)進(jìn)給軸均首次采用感應(yīng)式直線交流伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)；
接著美國Ingersoll銑床公司生產(chǎn)的高速臥式加工中心HVM4800和HVM600,X、Y、Z軸均采用永磁式同步直線伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；
日本三井精機(jī)公司生產(chǎn)的高速工具磨床，上下快速移動(dòng)的Z軸亦是采用直線伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。特別是在1999年的巴黎國際EMO(Electromechanicaloptical)博覽會(huì)上展出的高速加工中心，最高速度達(dá)400m/min，成為新一代數(shù)控機(jī)床的代表性技術(shù)。
我國臺(tái)灣省上銀科技公司也已將直線伺服電動(dòng)機(jī)用于三坐標(biāo)測量機(jī)上，實(shí)現(xiàn)三軸直接驅(qū)動(dòng)。
現(xiàn)在世界各國的著名機(jī)床制造商(如日本的Mazak公司和韓國的大宇公司)都紛紛推出直線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，而德國的DMG公司在2001年便已銷售采用直線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床約1000臺(tái)，2002年達(dá)到近2000臺(tái)。各種跡象表明，直線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)在高速高精加工機(jī)床上的應(yīng)用已進(jìn)入加速增長期。
目前一種新型的多工序并聯(lián)機(jī)構(gòu)數(shù)控機(jī)床即所謂“六條腿機(jī)床”，又稱作“六足蟲”，以及目前正在開發(fā)研究中的“三條腿”虛擬軸機(jī)床，是直線伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。
四、直線進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制模式
高速和超高速加工要求數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)裝置具有極高的加、減速度性能，而且對伺服精度同樣提出了相當(dāng)高的要求。高速和高精度是矛盾的，往往難以同時(shí)得到滿足，但在直線伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中必須同時(shí)得到滿足，這就要求控制系統(tǒng)必須采取有效的控制策略抑制各種擾動(dòng)。一個(gè)成功的控制策略總是基于對對象模型結(jié)構(gòu)基本清楚的認(rèn)識(shí)，從某一具體對象的特性出發(fā)，針對產(chǎn)生擾動(dòng)的不同原因，采取相應(yīng)的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有效控制。在滿足主要要求的同時(shí)，兼顧伺服系統(tǒng)對指令的跟蹤能力和抗干擾能力。在直線進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)中采用的控制策略主要包括：
1.傳統(tǒng)的控制模式
在對象模型確定、不變化且為線性，操作條件、運(yùn)動(dòng)環(huán)境不變的情況下，采用傳統(tǒng)控制模式是一種有效的控制方法。
傳統(tǒng)的控制模式包括PID反饋控制、解耦控制、Smith預(yù)估控制算法等。其中PID控制算法是交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最基本的控制形式，控制應(yīng)用廣泛。Smith預(yù)估計(jì)器與控制器并聯(lián)，對解決伺服系統(tǒng)中逆變器電力傳輸延遲和速度測量滯后所造成的速度反饋滯后影響十分有效，與其它控制算法結(jié)合，可形成更有效的控制策略。
2.現(xiàn)代控制模式
在高精度微進(jìn)給的加工領(lǐng)域，必須考慮對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化、各種非線性的影響、運(yùn)行環(huán)境的改變和干擾等時(shí)變和不確定因素，才能得到滿意的控制結(jié)果。因此，將現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用于直線伺服電動(dòng)機(jī)的控制研究得到了控制專家的高度重視。
(1)自適應(yīng)控制
自適應(yīng)控制大體可分為模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制兩種類型。模型參考自適應(yīng)控制是在控制器─控制對象組成的基本回路外，還建立一個(gè)由參考模型和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)組成的附加調(diào)節(jié)電路。自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的輸出可以改變控制器的參數(shù)，或?qū)刂茖ο螽a(chǎn)生附加的控制作用，使伺服電動(dòng)機(jī)的輸出和參考模型的輸出保持一致。自校正控制的控制回路，由辨識(shí)器和控制器設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)組成，辨識(shí)器根據(jù)對象的輸入和輸出信號(hào)，在線估計(jì)對象的參數(shù)，并以此估算作為對象的真值送入控制器的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，按設(shè)計(jì)好的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果送人可調(diào)控制器，形成新的控制輸出，以補(bǔ)償對象的特性變化。對于直線伺服電動(dòng)機(jī)特性參數(shù)變化緩慢的一類擾動(dòng)及其它外界干擾對系統(tǒng)伺服性能的影響，可以采用自適應(yīng)控制策略加以降低或消除。
(2)滑模變結(jié)構(gòu)控制
滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)是一類特殊的非線性系統(tǒng)，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)，即一種使系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”隨時(shí)變化的開關(guān)特性。利用不連續(xù)的控制規(guī)律不斷地變換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，迫使系統(tǒng)的狀態(tài)在預(yù)定的空間軌線上運(yùn)行。最后漸進(jìn)穩(wěn)定于平衡點(diǎn)或平衡點(diǎn)允許的領(lǐng)域內(nèi)，即滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)。該控制方法的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)一旦進(jìn)入滑模狀態(tài)，便對控制對象參數(shù)及擾動(dòng)變化不敏感，無需在線辨識(shí)與設(shè)計(jì)，具有完全的自適應(yīng)性和魯棒性，因而在直線伺服系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用。
(3)魯棒控制
針對伺服系統(tǒng)中控制對象模型存在的不確定性(包括模型不確定性、降階近似、非線性的線性化、參數(shù)與特性的時(shí)變、漂移、外界擾動(dòng)等)，設(shè)法保持系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性和品質(zhì)魯棒性。H∞控制是其中較為成熟的方法，該方法是從系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣出發(fā)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使系統(tǒng)由擾動(dòng)至偏差的傳遞函數(shù)矩陣的H∞范數(shù)取極小或小于某一給定值，并據(jù)此來設(shè)計(jì)控制器，對抑制擾動(dòng)具有良好的效果。
(4)預(yù)見控制
預(yù)見控制不但根據(jù)當(dāng)前目標(biāo)值，而且根據(jù)未來目標(biāo)值及未來干擾來決定當(dāng)前的控制方案，使目標(biāo)值與受控量間偏差整體最小。這是屬于全過程控制期間某一評價(jià)函數(shù)取最小值的最優(yōu)控制理論框架。預(yù)見控制伺服系統(tǒng)是在普通伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)上附加了使用未來信息的前饋補(bǔ)償后構(gòu)成，它能極大地減小目標(biāo)值與被控制量的相位延遲，從而使預(yù)見成為伺服系統(tǒng)真正實(shí)用的控制方法。
3.智能控制模式
對控制對象環(huán)境與任務(wù)復(fù)雜的伺服系統(tǒng)宜采用智能控制方法。
模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家控制是當(dāng)前比較典型的智能控制策略。其中模糊控制器，已有商品化的專用芯片，因其實(shí)時(shí)性好、控制精度高，在伺服系統(tǒng)中已得到應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從理論上講具有很強(qiáng)的信息綜合能力，在計(jì)算速度能夠保證的情況下，可以解決任意復(fù)雜的控制問題。但目前缺乏相應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的硬件支持，在直線伺服中的應(yīng)用有待于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成電路芯片生產(chǎn)的成熟；而專家控制一般用于復(fù)雜的過程控制中，在伺服系統(tǒng)中的研究較少。
五、結(jié)束語
數(shù)控機(jī)床采用直線伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)，雖然省去中間變換環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)所謂零傳動(dòng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有更加的合理性，但是作為一種新的應(yīng)用技術(shù)還面臨許多現(xiàn)實(shí)的技術(shù)難題。諸如控制系統(tǒng)對參數(shù)攝動(dòng)、負(fù)載擾動(dòng)等許多不確定因素的抗干擾問題、直線伺服電動(dòng)機(jī)的強(qiáng)制散熱問題、系統(tǒng)快速吸能制動(dòng)問題及嚴(yán)格防塵隔磁措施等，所有這些實(shí)際問題有待于進(jìn)一步解決和技術(shù)的進(jìn)一步完善。
此外，盡管直線伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用和發(fā)展速度非�？欤@并不意味著它能很快完全取代旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式。在目前及今后相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，主流的應(yīng)用還是旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)方式。但是直線伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的主流發(fā)展方向及廣闊的應(yīng)用前景是勿容置疑的。
