超高速数控机床控制系统的发展趋势

高速数控加工技术是一门综合技术，实际应用中还有许多问题等待解决。这些问题包括：高速机床的动态、热态特性，刀具材料、几何形状与耐用度的关系，高速机床刀具、工夹具及工艺参数，冷却润滑、切属排除和安全操作，CNC高速高精度控制系统等。近来，航空工业总公司为了解决在航空领域中数控加工的综合技术问题，在北京航空工艺研究所成立了“数控制造技术航空科技重点实验室”（LANCMT），将高速数控加工技术列为主要研究内容之一。

1.矢量控制的PWM交流变频控制器

电主轴是高速数控机床的关键部件，目前国际上最高水平的电主轴产品如瑞士Fisher公司产品，nmax＝40000r/min，P＝40kw

；法国 Forest-Line公司的产品ORB17，nmax＝40000r/min，P＝40kW，M＝9.5N·m等。轴承多采用陶瓷球轴承、磁浮轴承和空气静压轴承。高水平的电主轴从静止到最高速仅需1.5s，加速度达到1g。这些参数要求主轴控制器具有极高的动态品质、精度、可靠性和可维护性。矢量控制的PWM交流变频系统是这种控制的最佳选择。

矢量控制包括坐标变换、矢量运算（非线性的复杂运算）及参数检测。对于交流电动机瞬时值进行控制的必要条件是高速运算。应用专用CPU的32位DSP提高了运算速度，执行一条指令只需见纳秒，从而达到了转矩快速响应的目标。高速化的另一个因素是采用了固体驱动电路。全数字化的H/W电流控制系统，电动机转速的自适应辨识系统和电压、电流测试信号经过采样数据的处理，求出可信度极高的电动机动态参数值。这种关量控制PWM变频器的性能及规格要求是：采用矢量控制，在1Hz时有150％以上的高启动转矩；采用1GBT智能功率模块，载波频率高（＞15kHz）；采用 32位DSP（Digital Signal Processor）及MPU芯片，由双CPU实现全信号数字处理的复杂矢量运算和PWM控制；故障自诊断监控及显示；参数自检测和离线自设定功能；基于神经网络的自适应转速辨识能力；两种速度控制方式：恒转矩和恒功率；输出频率范围0.1～400Hz；加减速时间等于0.1～300s等。

2.快速响应，高定位精度，瞬时变结构，实时控制伺服系统和直线电动机驱动

超高速加工不但要求机床有极高的主轴速度，而且要求有很高的进给速度和加速度、进给速度一般大于30m/min，加速度达到1g。在滚珠丝杠驱动方式下其极限值约为60m/min和1g，而使用直线电动机后可达到160m/min以上和2.5g以上，定位精度可高达0.5～0.05µm。采用快速、精密、高速度和耐用的直线电动机，避免了滚珠丝杠（齿轮，齿条）传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点，实现了无接触直接驱动，可获得一致公认的高精度、高速度位移运动（在高速位移中的极高的定位精度和重复定位精度），并获得极好的稳定性。但要达到这些要求，必须有高性能和高灵敏度的伺服驱动系统。

目前，全数字交流驱动系统已作为产品得到较普遍应用，它为伺服控制的高灵敏度及变结构控制打下了基础。用专用CPU进行电流环、速度环、位置环的全闭环控制，采用前馈控制，利用伺服跟踪预测进行前向补偿以减少跟踪误差，加快了响应速度，增加了非线性补偿控制功能，补偿了驱动机械静摩擦和粘性阻力产生的误差；利用鲁棒控制理论进行自校正控制，克服了转矩惯性及负载变化引起的误差；在高速运动中为保证高定位精度，而应用磁式高分辨率绝对位置编码器，如每转100万条刻线，分辨率0.01µm等先进技术，为了达到高速加工中的响应速度快、抗干扰能力强及高的定位精度等优良性能，目前多采用一种变结构的伺服控制方式。这种控制方式能够在系统瞬态变化过程中改变系统结构，而这种变化是由系统当前的状态所决定的。且这种系统具有对系统参数及外扰变化的不敏感性，并能够改善系统的动态特性，使系统快速、准确地定位或跟踪给定曲线。

3.精简指令集的CNC控制系统

为了在超高速加工复杂零件时获得高精度，许多CNC系统采用了精简指令集系统，简称RISC。它可以计算系统参数产生的预期误差，并根据实际需要进行修正，从而使实际轨迹精确地跟踪编程轨迹，消除跟踪误差。RISC还具有控制加、减速，优化执行程序等功能。这种系统（以FANUC16，西门子840为代表）均已采用32位CPU，有些已采用64位CPU，并带有小型数据库，兼有CAM功能，具有MAP3.0通讯能力；采用C语言编程，具有工具监控功能。

在直线电动机尚未普通投入市场的前提下，为了提高系统运行的可靠性，提高产品质量和加工效率，目前较先进NC系统均带有下述功能：

故障诊断的人工智能（AI）功能。在系统中存储了机械故障原因信息及如何消除这些故障的知识库，具有推理系统，利用知识库找出产生机械故障的原因；

随着CNC内存的扩大而装有小型工艺数据库，可以进行一些刀具、材料、切削参数等工艺参数选择控制；

具有很强的图形功能，可显示加工零件图形、走刀轨迹、加工过程动态模拟功能，具有形象、直观、高效的优点，便于提高效率，使高速加工过程中尽量少出现各种误差；

实现加工高速化的另一个途径是尽可能提供较强的插补功能。在直线、圆弧插补基础上，应用样条、渐开线、极坐标、圆柱、指数函数和三角函数等特殊曲线插补。 CNC的高速化，不仅体现在高速加工上，而且还表现在非加工时间的缩短上。为此开发了一种高速专用PLC，主要体现在提高基本指令的执行速度。

配置了一种自动测量机功能，对加工零件进行自动检测，采用刀具长度测量功能并配有五轴刀具补偿功能，可进行刀具校正；

自动重新运转功能 在NC加工中一旦刀具破损，则要重新开始加工，所以，必须有刀具退出、返回、加工的重新开始以及在退出旧刀具装上新刀具后，返回中断点开始新的加工功能；

双边同步技术 在龙门移动型高速数控铣床中，当龙门间有效行程大于2m时，必须采用双边同步系统。主轴功率在20kW以上的较重型的机床，双边同步随动系统采用主从式交叉反馈原理，一般控制最大双边间跟随误差小于0.01mm。

新一代的控制器 CNC（Next Generation Controller）是一个实时加工控制器和工作站控制器。它具有知识库、过程输入/输出、运动控制、实时控制、工作站控制和通信功能。在这种控制器中可将刀具参数优化，即在选择合理刀具材料和结构情况下，自动确定刀具切削速度、切削深度、强化切削用量，并提高刀具耐用度，对提高切削效率十分有用。

4.其它辅助控制技术

高速加工中还会遇到其它一系列问题，它们主要是：机床加工中的非线性、多点热源温升引起的快速变形，刀具和工件的故障检测及安全控制，高速冷却和快速排屑，整体加工中的可靠性及为了提高效率而必须与之相配的科学化管理技术等。

为了解决上述问题，在控制技术方面，主要是通过PMC内部可编程机床控制器快速响应，即；在热变形中进行多变量控制算法，在多输入、多输出系统中，对多个变量实现快速控制，以辅助热源或辅助冷源实现机床预冷或预热；由于主轴以每分钟几万转速度高速回转，极大的离心力可将破裂的刀片如子弹般飞向四周。除了加固防护罩和视窗坚固性外，必须在线监控系统刀具破损和磨钝，一旦发生不正常的迹象，即进行报警和安全保护控制。

高速加工中的大量切屑往往会阻塞工作台面造成运动不畅，并且高速切屑是高温热源，会造成机床变形和烧灼人体。解决这一问题一般办法是通过PMC控制高压冷却液（压力为5516～6895kPa），使流量达4.54m3/min（20gal/min），从而起到排屑和冷却的双重作用。

可靠性问题在高速加工机床中进一步突出。其原因是在这种加工中影响可靠性的综合因素繁多，如自动换刀系统，在主轴高速切削中如发生任何问题，就可能产生极大的损失或人身伤亡，所以往往不设置换刀机械手而由主轴头移动直接换刀。对控制系统而言，它的MTBF（平均无故障工作时间）要高于普通数控机床几十倍，才能达到应有的效率和加工零件质量。

管理技术在所有领域都起着决定作用。但就目前而论，在我国的高速数控加工领域中，矛盾更为突出。一台高速数控机床，必须有一批高水平、高素质的人员组合在一个团组中，互相合作紧密配合解决工艺编程、操作、维护，安排好物料、刀具、工夹具，制定周密的计划，按数控车间的生产准备、计划调度和信息集成软件进行综合管理。否则，一台高速机床不但起不到高速作用，连普通数控机床的水平也达不到，因为高速主轴的切削力矩是很小的，一般只有几十牛·米（N·m）。

5.存在问题和解决办法

高压大流量的冷却液在加工中起到了减小摩擦，降低温度，提高加工精度、表面质量和刀具耐用度，并有利于断屑和排屑的作用。但是使用大量冷却液不但增加了生产成本，而且造成严重的环境污染、根据美国一些企业统计，消耗在冷却液和废液处理方面的费用，目前已占14％～16％，而刀具费用只占2％～4％。为了保护环境和降低生产成本，最好的办法是不采用冷却液，而采用干切削。在进行干切削时，必须选用合适的刀具材料，并进行专门刀具结构设计和选择经过试验的工艺参数。

目前国际上虽有直线电动机作为产品用于高速进给系统中，但是还存在发热严重、功率较小、价格较高和对周围环境要求过高等缺陷。选择合适的材料和制造工艺，这些问题是可以解决的。

高速电主轴单元由主轴、轴承、内装式电动机和刀具夹持装置4部分组成。装入式电动机的采用大大简化了主轴单元结构，但是内装式电动机的发热，使电主轴热态特性和动态特性变差。目前国际上一般采用气油润滑和喷射润滑等技术解决发热问题，并将冷却液通过电主轴孔通向刀柄起到冷却作用。