高精度加工是從20世紀60年代發(fā)展起來的機械加工新工藝，它不同于傳統(tǒng)的加工方法，其更大的特點是綜合應用機械發(fā)展的新成就，以及現(xiàn)代電子技術、測量、計算機等新技術，是機電一體化的結晶。高速高精度加工技術隨著數(shù)控加工設備與高性能加工刀具技術的發(fā)展而日益成熟，其飛速發(fā)展得到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注。
  高速數(shù)控沖床必須同時具有高速主軸系統(tǒng)和高速進給系統(tǒng)，才能實現(xiàn)材料切削過程的高速化。為實現(xiàn)高速進給，除了可以采用經過改進的滾珠絲杠以外，還可采用“直線電機”和“并聯(lián)虛擬軸機構’’等新型的高速進給方式。從結構、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、表面質量和刀具的耐用度，則進給速度也必須相應提高10倍左右，達到60m/min以上，有的甚至高達120m/min，在滾珠絲杠驅動方式下其極限值約為進給速度60m/min和加速度1g，而使用直線電機后可達到l 60m/min以上和2.5g以上，定位精度可高達0.5～0.05 um。
  一、直線電機
  1993年德國Excello公司首次采用德國Indramat公司開發(fā)成功的感應式直線電機生產HSC-240型高速加工中心，該加工中心采用德國Indramat開發(fā)豹感應式直線電機，該機床最高主軸轉速為24000r/min，工作臺更大進給速度為60m/min。同時，美國Ingersoll公司采用美國Anorad公司生產的永磁式直線電機也研制成功HVM．800型高速加工中心。其進給最高速度達76.2mfmin，進給加速度達l-J.5g。意大利Vigolzone公司生產的三軸采用直線電機的高速臥式加工中心，進給速度三軸均達到70m/min，加速度達到lg。德國西門子公司直線電機更大進給速度達200m/min，加速度可達2.5g以上。
  最近美國Cincinnati機床公司采用直線電機作為進給驅動系統(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46m，工作臺更大進給速度60m/min．快速行程100m/min，加速度2g，主軸最高轉速60000r/min，主電機功率80kw，生產效率極高。
  采用直線電機驅動的高速進給單元的特點是：速度離、加速度大，定位精度高、承載能力強，是超高速、大行程、高精度機床理想的進給系統(tǒng)，有良好的應用發(fā)展前景，有望成為2l世紀高速數(shù)控機床進給系統(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動系統(tǒng)，很難被中小企業(yè)接受．同時存在如發(fā)熱、隔磁、結構輕化等問題，還有待進一步的研究。
  二、并聯(lián)虛擬軸機構
  近年來出現(xiàn)了一種全新概念的機床進給機構—并聯(lián)虛擬軸機構。它的基本原理建立在1964年由英國人Steward設計并獲得專利的六桿結構的基礎上（稱之為Steward平臺）。具有這種進給機構的機床稱為“并聯(lián)運動學機床”(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床博覽會上，首次展出了由這種機構實現(xiàn)多坐標進給運動的數(shù)控機床和加工中心，引起國際機床界的轟動，被認為是機床結構的重大革命。近IO年來，這種機床在國內外發(fā)展很快，并已開始用于生產。
  虛擬軸機構是機床實現(xiàn)高速進給的—個很有發(fā)前途的進給驅動部件，受到國內外相關領域研究者的普遍關注，但由于存在的問題比較多，解決起來也較困難。因此，并聯(lián)虛擬軸機床要被工程技術界接受和生產應用尚需時日。
  目前，采用交流伺服電機驅動的滾珠絲杠進給系統(tǒng)仍是高速伺服系統(tǒng)主要的驅動裝置，其加速度可以達到1g，進給速度可以達到40-60m/rnin，定位精度20-50um。與采用直線電機相比，高速化的滾珠絲杠傳動能夠大幅度降低生產成本。日本已經研制出實現(xiàn)超高速、高剛度以及高承載能力的滾珠絲杠，其進給速度高達1OOm/mm。隨著科學技術的進步，以往擔心大導程滾珠絲杠副驅動對加工中心精度的影響，設計時取導程Ph<lOmm。而在1999年日本國際機床展覽會上看到大部分高速加工中心都使用大導程滾珠絲杠副。如日本馬扎克公司在FF660機床上使用滾珠絲杠副，機床快速移動速度達90m/min，加速度達1.5g。如此看來采取有效的改進措施如：16-32mm大導程、加強滾珠循環(huán)部分零件、多頭螺紋以增加有效圈數(shù)、改進滾道形狀等，可以提高滾珠絲杠副的驅動速度，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給系統(tǒng)，所以對于高速下提高精度的滾珠絲杠進給系統(tǒng)的研究還是工程師們所研究的主要闖題，在進給系統(tǒng)的傳動過程中，各部件之間存在的間隙、摩擦、彈性變形會對機械伺服系統(tǒng)會造成不良影響，這已成為伺服系統(tǒng)定位精度、跟蹤精度動態(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工作者關注的焦點之一。
  在采用閉環(huán)控制消除絲杠導程、間隙等誤差后，高速高精度數(shù)控進給伺服系統(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多的研究人員的研究課題。雖然有文獻報道說可以通過仔細調整控制器參數(shù)來對其進行一定的抑制，但大多數(shù)研究人員認為可通過進給位置指令增加額外的指令脈沖來抵消。據報道，Tung.E.D等采用重復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)控進給伺服系統(tǒng)使用。日本農工大學的一個科研小組在堤正臣教授的帶領下從事高速高精度數(shù)控進給伺服系統(tǒng)的研究已有多年，在研究中，科研小組認為解決數(shù)控進給伺服系統(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)學模型，從機理上認識數(shù)控進給伺服系統(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)控進給伺服系統(tǒng)建立數(shù)學模型進行補償?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)控沖床床的進給最高運動速度、跟蹤精度、定位精度等重要指標均取決于驅動及位置控制系統(tǒng)的動態(tài)與靜態(tài)性能。因此，研究與開發(fā)高性能的驅動系統(tǒng)及位置控制系統(tǒng)，一直是研究數(shù)控沖床的關鍵技術之一。人們在提高高速數(shù)控機床的定位精度運用了很多方法如：合肥工業(yè)大學吳焱明采用分段線性精確定位的方法、南京航空航天大學王宏濤采用滾珠絲杠螺距誤差補償法、北京航空航天大學周正平采用待加工軌跡監(jiān)控的方法等、在控制上還運用了模糊學、人工智能等前沿學科的知識，但是要想進一步提高，仍需大力提高驅動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的響應特性以及改進控制算法，這仍是今后高速機床高精度定位的發(fā)展方向。
  另外，如何消除進給系統(tǒng)中非線性間隙和摩擦對進給系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，目前除了改變機械伺服系統(tǒng)的結構設計，減少傳動環(huán)節(jié)，選擇更好的潤滑劑以及減小動摩擦和靜摩擦之間的差值來解決外，還采用改進控制策略的方法。文獻[33]針對系統(tǒng)中非線性間隙環(huán)節(jié)對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響進行了理論分析和實驗研究，揭示了機電液伺服系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域與系統(tǒng)各參數(shù)之間的關系。Kao,J.Y，Cheng.H.E等認為間隙使系統(tǒng)產生了靜動戀輪廓加工誤差，影響了系統(tǒng)的運動精確性l34-38。文獻[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增益的調節(jié)由純粹的經驗上拜為理論。B.Friedlartd等將庫侖摩擦表示成時間的函數(shù)，提出了基于非線性觀測器的自適應補償方法[41]。近幾年來，智能控制理論在摩擦補償中得到了廣泛的重視。其中包括神經網絡自適應摩擦補償t42-451基于模糊推理的摩擦補償和基于GA的摩擦補償方法。
  總之，數(shù)控進給系統(tǒng)作為數(shù)控系統(tǒng)的主要運動部件，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)控進給伺服系統(tǒng)的進給速度和定位精度的提高，沒有性能好的數(shù)控進給伺服系統(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)的關鍵。