摘要文章就超高速數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的高速主軸矢量控制器、快速響應(yīng)的伺服系統(tǒng)、精簡指令集計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及高速切削中的其它輔助功能作一介紹。



高速數(shù)控加工技術(shù)是一門綜合技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用中還有許多問題等待解決。這些問題包括：高速機(jī)床的動(dòng)態(tài)、熱態(tài)特性，刀具材料、幾何形狀與耐用度的關(guān)系，高速機(jī)床刀具、工夾具及工藝參數(shù)，冷卻潤滑、切屬排除和安全操作，CNC高速高精度控制系統(tǒng)等。近來，航空工業(yè)總公司為了解決在航空領(lǐng)域中數(shù)控加工的綜合技術(shù)問題，在北京航空工藝研究所成立了“數(shù)控制造技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”（LANCMT），將高速數(shù)控加工技術(shù)列為主要研究內(nèi)容之一。

本文從主軸控制、伺服系統(tǒng)、CNC系統(tǒng)等方面，對超高速數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)作一介紹。

1.矢量控制的PWM交流變頻控制器


電主軸是高速數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件，目前國際上最高水平的電主軸產(chǎn)品如瑞士Fisher公司產(chǎn)品，nmax＝40000r/min，P＝40kw；法國 Forest-Line公司的產(chǎn)品ORB17，nmax＝40000r/min，P＝40kW，M＝9.5N·m等。軸承多采用陶瓷球軸承、磁浮軸承和空氣靜壓軸承。高水平的電主軸從靜止到最高速僅需1.5s，加速度達(dá)到1g。這些參數(shù)要求主軸控制器具有極高的動(dòng)態(tài)品質(zhì)、精度、可靠性和可維護(hù)性。矢量控制的PWM交流變頻系統(tǒng)是這種控制的最佳選擇。

矢量控制包括坐標(biāo)變換、矢量運(yùn)算（非線性的復(fù)雜運(yùn)算）及參數(shù)檢測。對于交流電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)值進(jìn)行控制的必要條件是高速運(yùn)算。應(yīng)用專用CPU的32位DSP提高了運(yùn)算速度，執(zhí)行一條指令只需見納秒，從而達(dá)到了轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)的目標(biāo)。高速化的另一個(gè)因素是采用了固體驅(qū)動(dòng)電路。全數(shù)字化的H/W電流控制系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)辨識系統(tǒng)和電壓、電流測試信號經(jīng)過采樣數(shù)據(jù)的處理，求出可信度極高的電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)參數(shù)值。這種關(guān)量控制PWM變頻器的性能及規(guī)格要求是：采用矢量控制，在1Hz時(shí)有150％以上的高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；采用1GBT智能功率模塊，載波頻率高（＞15kHz）；采用 32位DSP（Digital Signal Processor）及MPU芯片，由雙CPU實(shí)現(xiàn)全信號數(shù)字處理的復(fù)雜矢量運(yùn)算和PWM控制；故障自診斷監(jiān)控及顯示；參數(shù)自檢測和離線自設(shè)定功能；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速辨識能力；兩種速度控制方式：恒轉(zhuǎn)矩和恒功率；輸出頻率范圍0.1～400Hz；加減速時(shí)間等于0.1～300s等。

2.快速響應(yīng)，高定位精度，瞬時(shí)變結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)控制伺服系統(tǒng)和直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)


超高速加工不但要求機(jī)床有極高的主軸速度，而且要求有很高的進(jìn)給速度和加速度、進(jìn)給速度一般大于30m/min，加速度達(dá)到1g。在滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)方式下其極限值約為60m/min和1g，而使用直線電動(dòng)機(jī)后可達(dá)到160m/min以上和2.5g以上，定位精度可高達(dá)0.5～0.05µm。采用快速、精密、高速度和耐用的直線電動(dòng)機(jī)，避免了滾珠絲杠（齒輪，齒條）傳動(dòng)中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛度不足等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了無接觸直接驅(qū)動(dòng)，可獲得一致公認(rèn)的高精度、高速度位移運(yùn)動(dòng)（在高速位移中的極高的定位精度和重復(fù)定位精度），并獲得極好的穩(wěn)定性。但要達(dá)到這些要求，必須有高性能和高靈敏度的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

目前，全數(shù)字交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已作為產(chǎn)品得到較普遍應(yīng)用，它為伺服控制的高靈敏度及變結(jié)構(gòu)控制打下了基礎(chǔ)。用專用CPU進(jìn)行電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的全閉環(huán)控制，采用前饋控制，利用伺服跟蹤預(yù)測進(jìn)行前向補(bǔ)償以減少跟蹤誤差，加快了響應(yīng)速度，增加了非線性補(bǔ)償控制功能，補(bǔ)償了驅(qū)動(dòng)機(jī)械靜摩擦和粘性阻力產(chǎn)生的誤差；利用魯棒控制理論進(jìn)行自校正控制，克服了轉(zhuǎn)矩慣性及負(fù)載變化引起的誤差；在高速運(yùn)動(dòng)中為保證高定位精度，而應(yīng)用磁式高分辨率絕對位置編碼器，如每轉(zhuǎn)100萬條刻線，分辨率0.01µm等先進(jìn)技術(shù)，為了達(dá)到高速加工中的響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)及高的定位精度等優(yōu)良性能，目前多采用一種變結(jié)構(gòu)的伺服控制方式。這種控制方式能夠在系統(tǒng)瞬態(tài)變化過程中改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而這種變化是由系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)所決定的。且這種系統(tǒng)具有對系統(tǒng)參數(shù)及外擾變化的不敏感性，并能夠改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地定位或跟蹤給定曲線。

3.精簡指令集的CNC控制系統(tǒng)


為了在超高速加工復(fù)雜零件時(shí)獲得高精度，許多CNC系統(tǒng)采用了精簡指令集系統(tǒng)，簡稱RISC。它可以計(jì)算系統(tǒng)參數(shù)產(chǎn)生的預(yù)期誤差，并根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行修正，從而使實(shí)際軌跡精確地跟蹤編程軌跡，消除跟蹤誤差。RISC還具有控制加、減速，優(yōu)化執(zhí)行程序等功能。這種系統(tǒng)（以FANUC16，西門子840為代表）均已采用32位CPU，有些已采用64位CPU，并帶有小型數(shù)據(jù)庫，兼有CAM功能，具有MAP3.0通訊能力；采用C語言編程，具有工具監(jiān)控功能。

在直線電動(dòng)機(jī)尚未普通投入市場的前提下，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，提高產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率，目前較先進(jìn)NC系統(tǒng)均帶有下述功能：


故障診斷的人工智能（AI）功能。在系統(tǒng)中存儲了機(jī)械故障原因信息及如何消除這些故障的知識庫，具有推理系統(tǒng)，利用知識庫找出產(chǎn)生機(jī)械故障的原因；

隨著CNC內(nèi)存的擴(kuò)大而裝有小型工藝數(shù)據(jù)庫，可以進(jìn)行一些刀具、材料、切削參數(shù)等工藝參數(shù)選擇控制；

具有很強(qiáng)的圖形功能，可顯示加工零件圖形、走刀軌跡、加工過程動(dòng)態(tài)模擬功能，具有形象、直觀、高效的優(yōu)點(diǎn)，便于提高效率，使高速加工過程中盡量少出現(xiàn)各種誤差；

實(shí)現(xiàn)加工高速化的另一個(gè)途徑是盡可能提供較強(qiáng)的插補(bǔ)功能。在直線、圓弧插補(bǔ)基礎(chǔ)上，應(yīng)用樣條、漸開線、極坐標(biāo)、圓柱、指數(shù)函數(shù)和三角函數(shù)等特殊曲線插補(bǔ)。

CNC的高速化，不僅體現(xiàn)在高速加工上，而且還表現(xiàn)在非加工時(shí)間的縮短上。為此開發(fā)了一種高速專用PLC，主要體現(xiàn)在提高基本指令的執(zhí)行速度。

配置了一種自動(dòng)測量機(jī)功能，對加工零件進(jìn)行自動(dòng)檢測，采用刀具長度測量功能并配有五軸刀具補(bǔ)償功能，可進(jìn)行刀具校正；

自動(dòng)重新運(yùn)轉(zhuǎn)功能 在NC加工中一旦刀具破損，則要重新開始加工，所以，必須有刀具退出、返回、加工的重新開始以及在退出舊刀具裝上新刀具后，返回中斷點(diǎn)開始新的加工功能；

雙邊同步技術(shù) 在龍門移動(dòng)型高速數(shù)控銑床中，當(dāng)龍門間有效行程大于2m時(shí)，必須采用雙邊同步系統(tǒng)。主軸功率在20kW以上的較重型的機(jī)床，雙邊同步隨動(dòng)系統(tǒng)采用主從式交叉反饋原理，一般控制最大雙邊間跟隨誤差小于0.01mm。

新一代的控制器 CNC（Next Generation Controller）是一個(gè)實(shí)時(shí)加工控制器和工作站控制器。它具有知識庫、過程輸入/輸出、運(yùn)動(dòng)控制、實(shí)時(shí)控制、工作站控制和通信功能。在這種控制器中可將刀具參數(shù)優(yōu)化，即在選擇合理刀具材料和結(jié)構(gòu)情況下，自動(dòng)確定刀具切削速度、切削深度、強(qiáng)化切削用量，并提高刀具耐用度，對提高切削效率十分有用。


4.其它輔助控制技術(shù)


高速加工中還會(huì)遇到其它一系列問題，它們主要是：機(jī)床加工中的非線性、多點(diǎn)熱源溫升引起的快速變形，刀具和工件的故障檢測及安全控制，高速冷卻和快速排屑，整體加工中的可靠性及為了提高效率而必須與之相配的科學(xué)化管理技術(shù)等。

為了解決上述問題，在控制技術(shù)方面，主要是通過PMC內(nèi)部可編程機(jī)床控制器快速響應(yīng)，即；


在熱變形中進(jìn)行多變量控制算法，在多輸入、多輸出系統(tǒng)中，對多個(gè)變量實(shí)現(xiàn)快速控制，以輔助熱源或輔助冷源實(shí)現(xiàn)機(jī)床預(yù)冷或預(yù)熱；

由于主軸以每分鐘幾萬轉(zhuǎn)速度高速回轉(zhuǎn)，極大的離心力可將破裂的刀片如子彈般飛向四周。除了加固防護(hù)罩和視窗堅(jiān)固性外，必須在線監(jiān)控系統(tǒng)刀具破損和磨鈍，一旦發(fā)生不正常的跡象，即進(jìn)行報(bào)警和安全保護(hù)控制。

高速加工中的大量切屑往往會(huì)阻塞工作臺面造成運(yùn)動(dòng)不暢，并且高速切屑是高溫?zé)嵩�，�?huì)造成機(jī)床變形和燒灼人體。解決這一問題一般辦法是通過PMC控制高壓冷卻液（壓力為5516～6895kPa），使流量達(dá)4.54m3/min（20gal/min），從而起到排屑和冷卻的雙重作用。

可靠性問題在高速加工機(jī)床中進(jìn)一步突出。其原因是在這種加工中影響可靠性的綜合因素繁多，如自動(dòng)換刀系統(tǒng)，在主軸高速切削中如發(fā)生任何問題，就可能產(chǎn)生極大的損失或人身傷亡，所以往往不設(shè)置換刀機(jī)械手而由主軸頭移動(dòng)直接換刀。對控制系統(tǒng)而言，
它的MTBF（平均無故障工作時(shí)間）要高于普通數(shù)控機(jī)床幾十倍，才能達(dá)到應(yīng)有的效率和加工零件質(zhì)量。
管理技術(shù)在所有領(lǐng)域都起著決定作用。但就目前而論，在我國的高速數(shù)控加工領(lǐng)域中，矛盾更為突出。一臺高速數(shù)控機(jī)床，必須有一批高水平、高素質(zhì)的人員組合在一個(gè)團(tuán)組中，互相合作緊密配合解決工藝編程、操作、維護(hù)，安排好物料、刀具、工夾具，制定周密的計(jì)劃，按數(shù)控車間的生產(chǎn)準(zhǔn)備、計(jì)劃調(diào)度和信息集成軟件進(jìn)行綜合管理。否則，一臺高速機(jī)床不但起不到高速作用，連普通數(shù)控機(jī)床的水平也達(dá)不到，因?yàn)楦咚僦鬏S的切削力矩是很小的，一般只有幾十�！っ祝∟·m）。


5.存在問題和解決辦法


高壓大流量的冷卻液在加工中起到了減小摩擦，降低溫度，提高加工精度、表面質(zhì)量和刀具耐用度，并有利于斷屑和排屑的作用。但是使用大量冷卻液不但增加了生產(chǎn)成本，而且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染、根據(jù)美國一些企業(yè)統(tǒng)計(jì)，消耗在冷卻液和廢液處理方面的費(fèi)用，目前已占14％～16％，而刀具費(fèi)用只占2％～4％。為了保護(hù)環(huán)境和降低生產(chǎn)成本，最好的辦法是不采用冷卻液，而采用干切削。在進(jìn)行干切削時(shí)，必須選用合適的刀具材料，并進(jìn)行專門刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇經(jīng)過試驗(yàn)的工藝參數(shù)。

目前國際上雖有直線電動(dòng)機(jī)作為產(chǎn)品用于高速進(jìn)給系統(tǒng)中，但是還存在發(fā)熱嚴(yán)重、功率較小、價(jià)格較高和對周圍環(huán)境要求過高等缺陷。選擇合適的材料和制造工藝，這些問題是可以解決的。

高速電主軸單元由主軸、軸承、內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)和刀具夾持裝置4部分組成。裝入式電動(dòng)機(jī)的采用大大簡化了主軸單元結(jié)構(gòu)，但是內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱，使電主軸熱態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性變差。目前國際上一般采用氣油潤滑和噴射潤滑等技術(shù)解決發(fā)熱問題，并將冷卻液通過電主軸孔通向刀柄起到冷卻作用。