圖1
直線伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性不僅在深窄型腔的加工工藝指標上取得了突破性的進展，而且功能領(lǐng)域也空前拓寬。圖2是一個Y型（三葉型）電極加工深窄型腔的典型加工實例。Y型（三葉型）電極的厚度僅0.25mm，在人們的傳統(tǒng)觀念中，如此形狀的加工具有相當?shù)碾y度。深度超過10mm被視為禁區(qū)，此加工實例的加工深度為40mm，它表明直線伺服系統(tǒng)的實用化，使我們輕而易舉地進入了傳統(tǒng)禁區(qū)。
圖2
（2）穩(wěn)定精加工的保證，高響應速度、高穩(wěn)定加工的伺服系統(tǒng)
直流伺服系統(tǒng)的電火花成型機中，直線電機與滑板形成了一體化結(jié)構(gòu)。因此，滑板的移位是直線電機的直接移位，兩者之間無任何傳遞環(huán)節(jié)。這樣，在伺服運動中去除了中間環(huán)節(jié)的損失與響應滯后。圖3是直線伺服系統(tǒng)運動軸的指令位置與實際位置的對比關(guān)系，從中可看出，在電火花加工這種特殊的可逆伺服運動中，動態(tài)響應時間僅在毫秒數(shù)量級。因此，直線電機的高速響應系統(tǒng)與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)交直流伺服電機帶動滾珠絲杠的系統(tǒng)相比，提高了一個數(shù)量級。
圖3
眾所周知，在電火花加工的精加工過程中，電極與工件不接觸，它們之間的有效放電間隙僅十幾微米，傳統(tǒng)的伺服電機和滾珠絲杠系統(tǒng)在指令脈沖和實際位置間存在著數(shù)十至上百毫秒的滯后，實現(xiàn)穩(wěn)定、平滑的伺服并保持較高的精加工放電效率是十分困難的。直線伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性在電火花小間隙精加工過程中得到了充分的體現(xiàn)。僅數(shù)毫秒的高速響應和大于1g的加速性能，確保了可實現(xiàn)電火花放電微觀過程小間隙的持續(xù)性，使精加工脈沖利用率大幅度提高，進而使精加工的加工速度在直線伺服系統(tǒng)的平滑伺服運動中得到了提高。
（3）實現(xiàn)精密控制及長期精度保持性的綜合措施
直線伺服系統(tǒng)的運動方式?jīng)Q定了其伺服單元必須采用直線位置反饋元件作為位置檢測環(huán)節(jié)，這是唯一的方式。因此，直線伺服系統(tǒng)的控制和驅(qū)動只可能是一個全閉環(huán)的系統(tǒng)，直接檢測滑板的直線移位，其中沒有絲杠的螺距誤差，沒有絲杠和聯(lián)軸節(jié)的反向間隙誤差，也避免了傳動鏈零件的磨損等干擾因素。直線運動的導向也采用了與直線電機高響應速度相適應的滾動導軌，這些措施的綜合使用，實現(xiàn)了機床的精密控制和長期的精度保持性。
（4）慢速微進給的平滑驅(qū)動
電火花成形加工的特點是加工的平均伺服速度緩慢。粗加工時每小時進給距離只有幾毫米，精加工時每小時進給距離僅零點幾毫米甚至更慢。這就要求電火花加工伺服具有優(yōu)良的動態(tài)特性，以適應頻繁的制動、反向和保持工具與工件的微小間隙。進而要求系統(tǒng)具有平滑的驅(qū)動特性，且必須解決通常AC電機的齒槽效應所造成的影響。為此，沙迪克公司的直線伺服系統(tǒng)的控制當量和驅(qū)動當量為0.1μm，同時在制作直線電機時采用了高密稀土類永久磁鐵作為磁場材料。在磁體的分布排列上，采取了錯落分布的排列方法（如圖4所示），加之采用與電機性能相匹配的、可對各相電流進行細微控制的變頻交流驅(qū)動系統(tǒng)，這一系列方法確保獲得最合理的磁場相位關(guān)系和合理的電流相位關(guān)系，從而最大限度地平衡了直線電機各相電樞繞組之間的推力，克服了動態(tài)負載和大范圍速率變化的難題，使齒槽效應的不良影響降到了最低，使伺服運動達到平穩(wěn)。
圖4
與直線伺服系統(tǒng)配套的相關(guān)技術(shù)
直線伺服系統(tǒng)電火花成形機的問世及其所顯示出的巨大功能潛力，無疑對成千上萬的用戶形成了強大的吸引力，并必然刺激各制造商爭相開發(fā)和更新產(chǎn)品以爭奪市場。
但是，直線伺服系統(tǒng)機床的商品化過程除必須解決本文前述的有關(guān)技術(shù)難點外，還必須解決一系列與直線伺服系統(tǒng)配套的相關(guān)技術(shù)。
（1）垂直滑板（Z軸）的重力平衡和鎖軸
因直線伺服系統(tǒng)的高速運動特性和高加速特性，決定了該系統(tǒng)不能以重錘的方式作為重力平衡裝置。其原因在于當滑板（Z軸）的運動加速度大于1g的時候，重錘的自由下落不可能跟蹤滑板的上升運動，即失去了平衡作用。因此，沙迪克公司的Z軸平衡裝置采用了氣缸式的機構(gòu)（如圖5），依靠氣缸中的氣壓實現(xiàn)重力平衡。這一裝置有如下優(yōu)點：①機床處于工作狀態(tài)時，因氣壓的平衡裝置對滑板重力的支承作用，電機工作在微功耗狀態(tài)，只有在快速跳躍時，電機才進入到大功率的運行狀態(tài)；②氣壓平衡使垂直軸的鎖軸功能可靠化。驅(qū)動器失電后，垂直滑板重力瞬時處于自由下落狀態(tài)，傳統(tǒng)的電磁鎖軸此時因動作滯后而極易導致滑板的誤移動，對保持位置和加工精度的影響始終是十分困擾人的，氣壓平衡裝置和氣壓夾緊將使鎖定可靠。
圖5
（2）主軸自重及其承重
直線伺服系統(tǒng)的高速運動特性和高加速特性，使主軸自重和懸掛在主軸頭上的工具電極在加速瞬間發(fā)生“超重”或“失重”現(xiàn)象。如在加工時的某瞬時，主軸以a的加速度作快速跳躍運動，則此時質(zhì)量為m的工具電極的瞬時重力W=m（g+a）。重力的變化必然給系統(tǒng)的驅(qū)動造成巨大壓力。因此，在確保主軸頭剛度的同時，兼顧減輕主軸的自重則顯得至關(guān)重要。具有重量輕、熱變形小的人工合成陶瓷材料是實現(xiàn)上述目標的優(yōu)選材料。但值得注意的是，產(chǎn)品的實用化過程表明，與直線驅(qū)動系統(tǒng)相配套的直線導軌的高速響應性及嚴格對稱分布的磁場力，對平滑的驅(qū)動和防止滑板受力位移更為重要。因此，位于主軸兩側(cè)的一對直線電機和一對直線導軌的位置設(shè)計和安置調(diào)試工藝必須正確，以達到力的抵消，有利于獲得直線度高、平滑性好的驅(qū)動。
重力的變化對驅(qū)動系統(tǒng)的輸出力和主軸承重的夾緊力提出了更高的要求。沙迪克公司制造的直線電機系統(tǒng)輸出力可達3000N，直線電機的驅(qū)動原理與傳統(tǒng)的AC電機相同，可迅速完成與CNC軟件匹配的設(shè)計開發(fā)。與直線電機伺服系統(tǒng)相配套的夾具在與傳統(tǒng)系統(tǒng)的承重相同的情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計更堅固、夾緊力及安全余量更大，可全面適應從最小幾微米的細絲電極、窄筋電極至最重50kg大型電極的平滑穩(wěn)定的伺服加工。
