图1

直线伺服系统的优越性不仅在深窄型腔的加工工艺指标上取得了突破性的进展，而且功能领域也空前拓宽。图2是一个Y型（三叶型）电极加工深窄型腔的典型加工实例。Y型（三叶型）电极的厚度仅0.25mm，在人们的传统观念中，如此形状的加工具有相当的难度。深度超过10mm被视为禁区，此加工实例的加工深度为40mm，它表明直线伺服系统的实用化，使我们轻而易举地进入了传统禁区。

 
图2

（2）稳定精加工的保证，高响应速度、高稳定加工的伺服系统

直流伺服系统的电火花成型机中，直线电机与滑板形成了一体化结构。因此，滑板的移位是直线电机的直接移位，两者之间无任何传递环节。这样，在伺服运动中去除了中间环节的损失与响应滞后。图3是直线伺服系统运动轴的指令位置与实际位置的对比关系，从中可看出，在电火花加工这种特殊的可逆伺服运动中，动态响应时间仅在毫秒数量级。因此，直线电机的高速响应系统与传统的旋转交直流伺服电机带动滚珠丝杠的系统相比，提高了一个数量级。

 
图3

众所周知，在电火花加工的精加工过程中，电极与工件不接触，它们之间的有效放电间隙仅十几微米，传统的伺服电机和滚珠丝杠系统在指令脉冲和实际位置间存在着数十至上百毫秒的滞后，实现稳定、平滑的伺服并保持较高的精加工放电效率是十分困难的。直线伺服系统的优越性在电火花小间隙精加工过程中得到了充分的体现。仅数毫秒的高速响应和大于1g的加速性能，确保了可实现电火花放电微观过程小间隙的持续性，使精加工脉冲利用率大幅度提高，进而使精加工的加工速度在直线伺服系统的平滑伺服运动中得到了提高。

（3）实现精密控制及长期精度保持性的综合措施

直线伺服系统的运动方式决定了其伺服单元必须采用直线位置反馈元件作为位置检测环节，这是唯一的方式。因此，直线伺服系统的控制和驱动只可能是一个全闭环的系统，直接检测滑板的直线移位，其中没有丝杠的螺距误差，没有丝杠和联轴节的反向间隙误差，也避免了传动链零件的磨损等干扰因素。直线运动的导向也采用了与直线电机高响应速度相适应的滚动导轨，这些措施的综合使用，实现了机床的精密控制和长期的精度保持性。

（4）慢速微进给的平滑驱动

电火花成形加工的特点是加工的平均伺服速度缓慢。粗加工时每小时进给距离只有几毫米，精加工时每小时进给距离仅零点几毫米甚至更慢。这就要求电火花加工伺服具有优良的动态特性，以适应频繁的制动、反向和保持工具与工件的微小间隙。进而要求系统具有平滑的驱动特性，且必须解决通常AC电机的齿槽效应所造成的影响。为此，沙迪克公司的直线伺服系统的控制当量和驱动当量为0.1μm，同时在制作直线电机时采用了高密稀土类永久磁铁作为磁场材料。在磁体的分布排列上，采取了错落分布的排列方法（如图4所示），加之采用与电机性能相匹配的、可对各相电流进行细微控制的变频交流驱动系统，这一系列方法确保获得最合理的磁场相位关系和合理的电流相位关系，从而最大限度地平衡了直线电机各相电枢绕组之间的推力，克服了动态负载和大范围速率变化的难题，使齿槽效应的不良影响降到了最低，使伺服运动达到平稳。

 
图4

与直线伺服系统配套的相关技术

直线伺服系统电火花成形机的问世及其所显示出的巨大功能潜力，无疑对成千上万的用户形成了强大的吸引力，并必然刺激各制造商争相开发和更新产品以争夺市场。

但是，直线伺服系统机床的商品化过程除必须解决本文前述的有关技术难点外，还必须解决一系列与直线伺服系统配套的相关技术。

（1）垂直滑板（Z轴）的重力平衡和锁轴

因直线伺服系统的高速运动特性和高加速特性，决定了该系统不能以重锤的方式作为重力平衡装置。其原因在于当滑板（Z轴）的运动加速度大于1g的时候，重锤的自由下落不可能跟踪滑板的上升运动，即失去了平衡作用。因此，沙迪克公司的Z轴平衡装置采用了气缸式的机构（如图5），依靠气缸中的气压实现重力平衡。这一装置有如下优点：①机床处于工作状态时，因气压的平衡装置对滑板重力的支承作用，电机工作在微功耗状态，只有在快速跳跃时，电机才进入到大功率的运行状态；②气压平衡使垂直轴的锁轴功能可靠化。驱动器失电后，垂直滑板重力瞬时处于自由下落状态，传统的电磁锁轴此时因动作滞后而极易导致滑板的误移动，对保持位置和加工精度的影响始终是十分困扰人的，气压平衡装置和气压夹紧将使锁定可靠。

 
图5

（2）主轴自重及其承重

直线伺服系统的高速运动特性和高加速特性，使主轴自重和悬挂在主轴头上的工具电极在加速瞬间发生“超重”或“失重”现象。如在加工时的某瞬时，主轴以a的加速度作快速跳跃运动，则此时质量为m的工具电极的瞬时重力W=m（g+a）。重力的变化必然给系统的驱动造成巨大压力。因此，在确保主轴头刚度的同时，兼顾减轻主轴的自重则显得至关重要。具有重量轻、热变形小的人工合成陶瓷材料是实现上述目标的优选材料。但值得注意的是，产品的实用化过程表明，与直线驱动系统相配套的直线导轨的高速响应性及严格对称分布的磁场力，对平滑的驱动和防止滑板受力位移更为重要。因此，位于主轴两侧的一对直线电机和一对直线导轨的位置设计和安置调试工艺必须正确，以达到力的抵消，有利于获得直线度高、平滑性好的驱动。

重力的变化对驱动系统的输出力和主轴承重的夹紧力提出了更高的要求。沙迪克公司制造的直线电机系统输出力可达3000N，直线电机的驱动原理与传统的AC电机相同，可迅速完成与CNC软件匹配的设计开发。与直线电机伺服系统相配套的夹具在与传统系统的承重相同的情况下，结构设计更坚固、夹紧力及安全余量更大，可全面适应从最小几微米的细丝电极、窄筋电极至最重50kg大型电极的平滑稳定的伺服加工。