通过滚珠丝杠间接传动方式的优点是技术成熟，结构相对简单，加速度特性受运动部件载荷变化的影响较小，且目前已有许多国内外厂家进行标准化，系列化和模块化的专业化生产。但是普通传动用的滚珠丝杠，由于存在惯量大，导程小，又受到临界转速的限制等，其所能提供的进给/快移速度只有10m/min~20m/min，加速度为0.3g，满足不了高速加工的要求，因此，高速加工用的进给滚珠丝杠普遍采取如下的改进措施。 

　　加大丝杠的导程和增加螺纹的头数，前者为提高丝杠每转的进给量(即进给速度)，后者则为弥补丝杠导程增大后所带来的轴向刚度和承载能力的下降。 

　　将实心丝杠改为空心的，这既是为减少丝杠的重量和惯量，也是为便于对丝杠采取通水内冷，以利于提高丝杠转速，提高进给/快移速度和加速的能力，减少热影响； 

　　改进回珠器和滚道的设计制造质量，使滚珠的循环更流畅，摩擦损耗更少； 

　　采用滚珠丝杠固定，螺母与联结在移动部件上的伺服电机集成在一起完成旋转和移动，从而避开了丝杠受临界转速的限制等。

　　经过采取这些改进措施后，滚珠丝杠传动的进给方式可提供的进给/快移速度达60m/min~90m/min，加速度可达1~2g。但是由于受到原理结构的限制，要想进一步提高滚珠丝杠传动的运动速度和加速度很难了，而且受丝杠的可制造长度限制，滚珠丝杠传动所能提供的运动行程也是有限的。 

　　与上述的通过滚珠丝杠间接传动的方式相比，采用直线电机直接驱动的主要特点和优点是将伺服电机的定子和动子分别直接与机床床身及移动部结合在一起，没有了中间环节，传动链的长度缩短为零，即实现了所谓的“零传动”，从而大大提高了机械刚度，减少了传动系统的惯量，获得更高的速度和加速度能力，并易于控制系统的阻尼力和动态特性，直线电机最高的进给/快速度可达120m/min乃至240m/min，加速度可达2g~10g；行程长度可不受限制；适应性强，灵敏度高，随动性好，不存在反向间隙，可利用直线光栅尺作为测量反馈元件，实现全闭环控制，以获得更高的定位精度和跟踪精度等。 

　　但是，直线电机直接驱动也存在一些缺点：如效率低，功耗大，结构尺寸和自重也相对较大；工作过程温升高，要求强冷却；因受磁场力影响易于吸引铁屑和金属物，故需考虑防磁措施等，特别是要注意的是它的加速度值直接反比于运动部件的载荷量(工作台/滑座自重加上工件及其他外载荷)，即对运动载荷较敏感，故宜用于运动件载荷恒定或变化量不大的场合，在载荷变化重大的情况下，必需能在数控编程时予以考虑，否则不能保证加工所要求的效率和质量。另外，直线电机直接驱动不具自锁能力，设计和使用中应注意考虑外加制动措施，特别是在垂直轴进给系统中使用时，尤要注意。 

　　各轴进给运动的相互结构联系 

　　如同一般加工机床一样，高速加工机床一般都有2个以上，多至5个进给运动轴，这些运动轴间的相互结构联系，目前存在着串联，并联和混联三种型式。 

　　串联结构是传统机床普遍采用的型式，其特点是各运动轴的布局采用笛卡尔直角坐标系，机床床身、立柱、溜板、工作台/转台和主轴箱等部件分别通过相应的导轨支承面串联在一起的，各轴运动均可单独地独立进行，由于是串联，各运动部件的重量往往都较大，且不一致，需特殊调整方可保持各轴加速度特性的一致性；进给系统的结构件不仅受拉、压力，而且受弯、扭力矩的作用，变形复杂，后运动部件受到先运动部件的牵动和加速，加工误差由各轴运动误差线性迭加而成，且受导轨精度的影响等，这些都是串联结构的缺点。然而由于串联结构较传统，有长期设计、制造和应用的经验，技术较成熟，故迄今仍为大多数高速加工机床所采用。但串联结构中还有着不同的各运动轴的相互组合配置方式，其所获得的应用效果是不一样的，设计时应以高速加工的特点及其对机床结构设计的要求出发来确定。

图5 Stewart平台式并联结构机床 

　　并联结构的典型代表是Stewart平台式的所谓虚拟轴机床(图5)。它的特点是运动部件是一个由伺服电机分别控制的6根可自由伸缩的杆子所支承的动平台，该平台可同时作6个自由度的运动，但没有像串联结构那样的物理上固定的X、Y、Z轴和相应的运动支承导轨，而且任何一轴运动都必须由6根可伸缩杆的协同运动来完成。一般刀具/主轴头就安装在该动平台上，工件则固定在机床的机架上，此外就不再有溜板、导轨等支承件了。与传统串联结构的机床相比，并联结构型式的机床主要有如下优点： 

　　运动部件重量轻，惯量小，更有利于实现进给运动高的速度和加速度； 

　　刀具主轴头可同时实现5轴联动，结构简单，且主要的6根伸缩杆具有相同的结构和驱动方式，便于模块化，标准化和系列化生产； 

　　伸缩杆的两端分别由球铰和虎克铰链与相关件连结，使杆子只受拉、压力，不受弯扭力作用，刚度高，并易于通过预加载荷来提高整个进给系统的综合刚度。 

　　理论精度高，因为它不像串联结构那样，各轴运动误差有可能被累积和放大，故并联结构的进给运动的综合误差一般不会大于6根伸缩杆运动误差的平均值。

　　并联结构的缺点是： 

　　在同一台机床上，其进给的行程随着各伸缩杆的伸出长度和动平台的位姿角变化而变化，故由行程所决定的可加工空间是非规则形，不方便应用； 

　　因受球铰和虎克铰转角的限制，带主轴头的动平台所能倾斜的角度较小(一般只有±40°)从而影响了机床的可加工范围； 

　　运动编程较复杂，而且在任一轴向上的简单直线运动，也要有6根杆的协调伸缩运动才能完成等。

　　由于有这些问题的存在，并联结构的应用，目前尚不十分广泛，还有待于进一步研究和发展。

图6 混联结构机床示意图 

　　数控、伺服控制系统 

　　数控、伺服控制系统是保证实现高速加工的核心技术装置，对它的要求是：既能实现所需的高进给速度和加减速度的控制，又要保证所需的轨迹跟踪精度和加工质量。因此，数控伺服系统首先应具有很高的运算速度(即更短的单个程序段的处理时间)和数据存贮及传输的能力，以处理大量的插补和控制数据；二是强大的前瞻功能，以保持最佳的进给速度和加速度，最佳的路径变换，识别拐角，及时调整，保证规定的动态精度曲线，使加工速度不超过机床的运行特性范围；三是有效的速度、加速度稳定功能和自适应加工轮廓变化的能力，因为加工平滑轮廓和非平滑轮廓时，施加在机床驱动系统上的力量不一样的，因此系统必需具有自调节能力，以保证机床永不过载，又能保持最佳的加工效率和质量，四是系统要力求具有开放性，包括人机界面开放(即具有标准的软硬件平台，如PC硬件，Windows操作系统，人机界面开发工具等)、控制逻辑开放(即具有可编程的机床逻辑控制，网络功能等)和数控内核开放(如供几何坐标系统与数控轴直连的接口等)，以使机床生产厂和用户可以集成自己的人机界面，设计高效、高可靠性的控制逻辑和专有的坐标变换及补偿控制软件等；五是系统应有足够的(如0.1µm)分辨率和多轴联动控制的功能，以保证高精、高速、高效加工的实现。目前德国西门子公司生产的Sinumerik 840D和日本FANUC公司生产的FS16i/18i/21i MODEL B等系统，都是具有一定开放性的系统，能基本满足上述功能要求。

图7 HSK中空短锥刀柄