1.對快速磨床進(jìn)給系統(tǒng)的要求
進(jìn)給驅(qū)動(dòng)(伺服系統(tǒng))系統(tǒng)包括速度控制、位置控制、伺服電動(dòng)機(jī)及機(jī)械傳動(dòng)部件。數(shù)控磨床對進(jìn)給驅(qū)動(dòng)提出了很高的要求，主要有五個(gè)方面的要求：
　　(1)調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍r。是指進(jìn)給電動(dòng)機(jī)提供的最低轉(zhuǎn)速/'Lmin和最高轉(zhuǎn)速/zmax之比。在各種數(shù)控平面磨床床中，由于加工用刀具、被加工材料、主軸轉(zhuǎn)速以及零件加工工藝要求的不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼臒o級調(diào)速范圍(通常大于1：10000)。尤其在低速(如小于0.1r/min)時(shí)，要仍能平滑運(yùn)動(dòng)而無爬行現(xiàn)象。
　　脈沖當(dāng)量為1um情況下，最先進(jìn)的數(shù)控平面磨床床的進(jìn)給速度從0～240m/min連續(xù)可調(diào)。磨床在1：24000調(diào)速范圍內(nèi)，速度要均勻、穩(wěn)定，無爬行現(xiàn)象；在零速度時(shí)，即工作臺停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，要求電動(dòng)機(jī)有電磁轉(zhuǎn)矩，以維持定位精度，即應(yīng)處于伺服鎖住狀態(tài)。
　　(2)定位精度高要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)特性和較高的剛度，從而達(dá)到較高的定位精度，以保證機(jī)床具有較小的定位誤差與重復(fù)定位誤差(目前進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分辨率可達(dá)1um或0.1um，甚至0.01txm)；同時(shí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還要具有較好的動(dòng)態(tài)性能，以保證機(jī)床具有較高的輪廓跟隨精度。
　　(3)快速響應(yīng)為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快。一方面，在起、制動(dòng)時(shí)，要求加、減加速度足夠大，，以縮短快速磨床進(jìn)給系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間，減小輪廓過渡誤差。一般電動(dòng)機(jī)的速度從零變到最高轉(zhuǎn)速，或從最高轉(zhuǎn)速降至零的時(shí)間在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒。這就要求快速磨床進(jìn)給系統(tǒng)要快速響應(yīng)，但又不能超調(diào)，否則將形成過切，影響加工質(zhì)量；另一方面，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，要求速度的恢復(fù)時(shí)間也要短，且不能有振蕩，這樣才能得到光滑的力n-r.表面。
　　要求進(jìn)給電動(dòng)機(jī)必須具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，盡可能小的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和起動(dòng)電壓。電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有4000r/sz以上的加速度。
　　(4)低速大轉(zhuǎn)矩，過載能力強(qiáng)數(shù)控平面磨床床要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有非常寬的調(diào)速范圍，例如在加工曲線和曲面時(shí)，拐角位置某軸的速度會逐漸降至零。這就要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在低速時(shí)保持恒力矩輸出，無爬行現(xiàn)象，并且具有長時(shí)間內(nèi)較強(qiáng)的過載能力，和頻繁的起動(dòng)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)能力。一般，伺服驅(qū)動(dòng)器具有數(shù)分鐘甚至半小時(shí)內(nèi)1.5倍以上的過載能力，在短時(shí)間內(nèi)可以過載4～6倍而不損壞。
　　(5)高可靠性數(shù)控平面磨床，特別是自動(dòng)生產(chǎn)線上的設(shè)備要求具有長時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定工作的能力，同時(shí)數(shù)控平面磨床床的維護(hù)、維修也較復(fù)雜，因此，要求數(shù)控平面磨床床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)能力，具有很強(qiáng)的抗干擾的能力。
　　2.高速磨床直線電動(dòng)機(jī)快速磨床進(jìn)給系統(tǒng)
　　高效數(shù)控磨床快速反應(yīng)的快速磨床進(jìn)給系統(tǒng)且前一般有兩種：伺服電動(dòng)機(jī)滾珠絲杠系統(tǒng)和直線電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，它們的系統(tǒng)的比較見表。
　　直線電動(dòng)機(jī)是直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。它可以看成是旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)演化而來的。與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相對應(yīng)，直線電動(dòng)機(jī)按機(jī)種分類可分為直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線同步電動(dòng)機(jī)、直線直流電動(dòng)機(jī)和其他直線電動(dòng)機(jī)(如直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等)。旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子，在直線電動(dòng)機(jī)中稱為初級和次級。為了在運(yùn)動(dòng)過程中始終保持初級和次級耦合，初級側(cè)或次級側(cè)中的一側(cè)必須做得較長。在直線電動(dòng)機(jī)中，直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最廣泛，因?yàn)樗拇渭壙梢允钦麎K均勻的金屬材料，即采用實(shí)心結(jié)構(gòu)，成本較低，適宜于做得較長。
　　LMCF平板直線電動(dòng)機(jī)(圖6)主要應(yīng)用在數(shù)控磨床上。產(chǎn)品特點(diǎn)：連續(xù)、峰值推力大；紋波推力小；內(nèi)置水冷和過熱保護(hù)；模塊化設(shè)計(jì)，行程可任意延長等。直線電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)如下：
　　
　　圖6 LMCF平板直線電動(dòng)機(jī)
　　1)靜/動(dòng)態(tài)剛度高。采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)直接和負(fù)載連接，不存在中間機(jī)械傳動(dòng)間隙(齒輪間隙，絲緲螺母間隙)，即零間隙；高剛度(低柔性)：同時(shí)避免了高速運(yùn)動(dòng)時(shí)在起動(dòng)、變速和換向階段因多個(gè)傳動(dòng)環(huán)節(jié)的彈性變形導(dǎo)致的機(jī)械諧振現(xiàn)象，整個(gè)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)剛度均大大提高，從而容易獲得較高的K因子。
　　2)高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由于系統(tǒng)中取消了絲杠等一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動(dòng)件，使運(yùn)動(dòng)慣量變小，伺服環(huán)(速度環(huán)，位置環(huán))可以有較高的閉環(huán)寬帶。高帶寬使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高，表現(xiàn)為極快的響應(yīng)速度和更強(qiáng)的抗負(fù)荷擾動(dòng)能力。閉環(huán)控制系統(tǒng)的整體伺服性能大幅提高，反應(yīng)異常靈敏快捷。
　　3)高精度且穩(wěn)定性好。沒有中間環(huán)節(jié)的傳動(dòng)誤差。減少了插補(bǔ)時(shí)因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過位置檢測反饋控制，即可大大提高定位精度。其定位精度完全取決于位置反饋檢測元件的精度。
　　4)極佳的速度控制性。直線電動(dòng)機(jī)能滿足其所需的超高/低速要求，可以獲得小于1μm/s的低速和獲得5m/s以上的高速。其高速響應(yīng)性熊使加減速過程大大縮短，可實(shí)現(xiàn)瞬間連到高速，高速運(yùn)行時(shí)又能瞬時(shí)準(zhǔn)停，最高速的加速度可達(dá)10g。而且力矩線性度好，調(diào)速范圍更寬，速度變化范圍甚至可以達(dá)到l：10000以上。
　　5)靜音運(yùn)行。由于直線電動(dòng)機(jī)沒有傳動(dòng)絲杠、變速箱等部件產(chǎn)生的機(jī)械摩擦，導(dǎo)軌也可以采用滾動(dòng)導(dǎo)軌或磁懸浮軌道(無機(jī)械接觸)，因此其高速運(yùn)動(dòng)時(shí)傳動(dòng)平穩(wěn)，無振動(dòng)，運(yùn)行噪聲大大降低，聽覺噪聲一般可降低20dB左右，可以實(shí)現(xiàn)靜音運(yùn)行的效果。
　　3.伺服電動(dòng)機(jī)滾珠絲杠進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制形式
　　進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種控制方式，根據(jù)控制方式，把進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。開環(huán)控制與閉環(huán)控制敝主要區(qū)別為是否采用了位置和速度檢測反饋元件組成了反饋系統(tǒng)。閉環(huán)控制_般采用伺服電葫機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，根據(jù)位置檢測元件所處在數(shù)控平面磨床床不同的位置，它可以分為半閉環(huán)、全閉環(huán)和混合閉環(huán)三種。
　　(1)開環(huán)控制無位置反饋裝置的控制方式就稱為開環(huán)控制，采用開環(huán)控制作為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，則稱開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。如圖7所示，一般使用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為伺服執(zhí)行元件，所以也叫步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，數(shù)控裝置輸出的脈沖，經(jīng)過步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的環(huán)形分配器或脈沖分配軟件的處理，在驅(qū)動(dòng)電路中進(jìn)行功率放大后控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，最終控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)再經(jīng)過減速裝置帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠將角位移轉(zhuǎn)換為移動(dòng)部件的直線位移。因此，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速，就可以間接控制移動(dòng)部件的移動(dòng)。
　　
　　圖7開環(huán)控制的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
　　采用開環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控平面磨床結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低，但是由于系統(tǒng)對移動(dòng)部件的實(shí)際位移量不進(jìn)行檢測，因此無法通過反饋?zhàn)詣?dòng)進(jìn)行誤差檢測和校正。另外，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角誤差、齒輪與絲杠等部件的傳動(dòng)誤差，最終都將影響被加工零件的精度。特別是在負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，將導(dǎo)致加工出錯(cuò)。因此，開環(huán)控制僅適用于加工精度要求不高，負(fù)載較輕且變化不大的簡易、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控平面磨床床上。
　　(2)半閉環(huán)控制 圖28所示為半閉環(huán)控制系統(tǒng)的進(jìn)給控制框圖。半閉環(huán)位置檢測方式一般將位置檢測元件安裝在電動(dòng)機(jī)的軸上，用以精確控制電動(dòng)機(jī)的角度，然后通過滾珠絲杠等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將角度轉(zhuǎn)換成工作臺的直線位移，如果滾珠絲杠的精度足夠高，間隙小，精度要求一般可以得到滿足。而且傳動(dòng)鏈上有規(guī)律的誤差(如間隙及螺距誤差)可以由數(shù)控裝置加以補(bǔ)償，因而可進(jìn)一步提高精度，因此在精度要求適中的中、小型數(shù)控平面磨床床上半閉環(huán)控制得到了廣泛的應(yīng)用。
　　半閉環(huán)控制方式的優(yōu)點(diǎn)是它的閉環(huán)環(huán)路短，因而系統(tǒng)容易達(dá)到較高的位置增益，不發(fā)生置輸出的脈沖，經(jīng)過步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的環(huán)形分配器或脈沖分配軟件的處理，在驅(qū)動(dòng)電路中進(jìn)行功率放大后控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，最終控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)再經(jīng)過減速裝置帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠將角位移轉(zhuǎn)換為移動(dòng)部件的直線位移。因此，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速，就可以間接控制移動(dòng)部件的移動(dòng)。
　　
　　圖8半閉環(huán)控制系統(tǒng)的進(jìn)給控制框圖振蕩現(xiàn)象。它的快速性好，動(dòng)態(tài)精度高，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的非線性因素對系統(tǒng)的影響小。但如果傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差過大或誤差不穩(wěn)定，則數(shù)控系統(tǒng)難以補(bǔ)償。例如，由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的扭曲變形所引起的彈性變形，因其與負(fù)載力矩有關(guān)，故無法補(bǔ)償。由制造與安裝所引起的重復(fù)定位誤差，以及由于環(huán)境溫度與絲杠溫度的變化所引起的絲杠螺距誤差也不能補(bǔ)償。因此，要進(jìn)一步提高精度，只有采用全閉環(huán)控制方式。
　　(3)全閉環(huán)控制
　　全閉環(huán)控制方式直接從機(jī)床的移動(dòng)部件上獲取位置的實(shí)際移動(dòng)值，因此其檢測精度不受機(jī)械傳動(dòng)精度的影響。但不能認(rèn)為全閉環(huán)方式可以降低對傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求。因閉環(huán)環(huán)路包括了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它的閉環(huán)動(dòng)態(tài)特性不僅與傳動(dòng)部件的剛性、慣性有關(guān)，而且還取決于阻尼、油的粘度、滑動(dòng)面摩擦因數(shù)等因素。這些因素對動(dòng)態(tài)特性的影響在不同條件下還會發(fā)生變化，這給位置閉環(huán)控制的調(diào)整和穩(wěn)定帶來了困難，、導(dǎo)致調(diào)整閉環(huán)環(huán)路時(shí)必須要降低位置增益，從而對跟隨誤差與輪廓加工誤差產(chǎn)生了不利影響。所以，采用全閉環(huán)控制方式時(shí)必須增大機(jī)床的剛性，改善滑動(dòng)面的摩擦特性，減小傳動(dòng)間隙，這樣才有可能提高位置增益。全閉環(huán)控制方式廣泛應(yīng)用在精度要求較高的大型數(shù)控平面磨床上。
　　
　　圖9全閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)給控制框圖
　　由于全閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，它對機(jī)械結(jié)構(gòu)以及傳動(dòng)系統(tǒng)的要求比半閉環(huán)控制系統(tǒng)更高，傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、間隙和導(dǎo)軌的爬行等各種非線性因素將直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)甚至產(chǎn)生振蕩。
　　解決以上問題的最佳途徑是采用直線電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行器件。采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以完全取消傳動(dòng)系統(tǒng)中將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的環(huán)節(jié)，大大簡化機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了所謂的“零傳動(dòng)"。它從根本上消除了傳動(dòng)環(huán)節(jié)對精度、剛度、快速性和穩(wěn)定性的影響，故可以獲得比傳統(tǒng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更高的定位精度、快進(jìn)速度和加速度。
　　(4)混合式閉環(huán)控制 圖30所示為混合閉環(huán)控制的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?；旌祥]環(huán)控制方式采用半閉環(huán)控制與全閉環(huán)控制結(jié)合的方式。它利用半閉環(huán)控制所能達(dá)到的高位置增益，從而獲得了較高的速度與良好的動(dòng)態(tài)特性。它又利用全閉環(huán)控制補(bǔ)償半閉環(huán)控制無法修正的傳動(dòng)誤差，從而提高了系統(tǒng)的精度?；旌祥]環(huán)控制方式適用于重型、超重型數(shù)控平面磨床床，因?yàn)檫@些機(jī)床的移動(dòng)部件很重，設(shè)計(jì)時(shí)提高剛度較困難。
　　
　　圖30混合閉環(huán)控制的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
　　高效磨床的重要特征是可以增大相對加工工件的砂輪切入速度范圍。也就是說以往采用的普通切入速度，根據(jù)91T_對象不同，外圓磨床一般是0.03～0.1mm/min，粗磨二般是0.4～1mm/min，精磨一般是0.03～0.1mm/min，但高效磨削粗磨使用的切入速度就要高得多，一般在10～30mm/min，但精磨使用的切入速度和過去相同。高效磨削進(jìn)給速度范圍要寬得多，一般在0.03～30mm/min，因此大多是采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠數(shù)控或直線電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。伺服電動(dòng)機(jī)通過無間隙傳動(dòng)彈性聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母和砂輪架體殼連接在一起，滾珠絲杠的運(yùn)動(dòng)就帶動(dòng)了砂輪架的前進(jìn)、后退、快速或慢速運(yùn)動(dòng)，由于采用伺服電動(dòng)機(jī)，其進(jìn)給速度可以在更寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，一般為0.01-3000mm/min.