超高速數(shù)控機床控制系統(tǒng)的發(fā)展

摘要文章就超高速數(shù)控機床控制系統(tǒng)的高速主軸矢量控制器、快速響應的伺服系統(tǒng)、精簡指令集計算機系統(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)，實際應用中還有許多問題等待解決。這些問題包括：高速機床的動態(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)航空科技重點實驗室”（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，加速度達到1g。這些參數(shù)要求主軸控制器具有極高的動態(tài)品質(zhì)、精度、可靠性和可維護性。矢量控制的PWM交流變頻系統(tǒng)是這種控制的最佳選擇。

矢量控制包括坐標變換、矢量運算（非線性的復雜運算）及參數(shù)檢測。對于交流電動機瞬時值進行控制的必要條件是高速運算。應用專用CPU的32位DSP提高了運算速度，執(zhí)行一條指令只需見納秒，從而達到了轉(zhuǎn)矩快速響應的目標。高速化的另一個因素是采用了固體驅(qū)動電路。全數(shù)字化的H/W電流控制系統(tǒng)，電動機轉(zhuǎn)速的自適應辨識系統(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機動態(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時有150％以上的高啟動轉(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實現(xiàn)全信號數(shù)字處理的復雜矢量運算和PWM控制；故障自診斷監(jiān)控及顯示；參數(shù)自檢測和離線自設定功能；基于神經(jīng)網(wǎng)絡的自適應轉(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；加減速時間等于0.1～300s等。

2.快速響應，高定位精度，瞬時變結(jié)構(gòu)，實時控制伺服系統(tǒng)和直線電動機驅(qū)動


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

目前，全數(shù)字交流驅(qū)動系統(tǒng)已作為產(chǎn)品得到較普遍應用，它為伺服控制的高靈敏度及變結(jié)構(gòu)控制打下了基礎。用專用CPU進行電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的全閉環(huán)控制，采用前饋控制，利用伺服跟蹤預測進行前向補償以減少跟蹤誤差，加快了響應速度，增加了非線性補償控制功能，補償了驅(qū)動機械靜摩擦和粘性阻力產(chǎn)生的誤差；利用魯棒控制理論進行自校正控制，克服了轉(zhuǎn)矩慣性及負載變化引起的誤差；在高速運動中為保證高定位精度，而應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等先進技術(shù)，為了達到高速加工中的響應速度快、抗干擾能力強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)的動態(tài)特性，使系統(tǒng)快速、準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雜零件時獲得高精度，許多CNC系統(tǒng)采用了精簡指令集系統(tǒng)，簡稱RISC。它可以計算系統(tǒng)參數(shù)產(chǎn)生的預期誤差，并根據(jù)實際需要進行修正，從而使實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。

在直線電動機尚未普通投入市場的前提下，為了提高系統(tǒng)運行的可靠性，提高產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率，目前較先進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)生機械故障的原因；

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

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

實現(xiàn)加工高速化的另一個途徑是盡可能提供較強的插補功能。在直線、圓弧插補基礎上，應用樣條、漸開線、極坐標、圓柱、指數(shù)函數(shù)和三角函數(shù)等特殊曲線插補。

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。

配置了一種自動測量機功能，對加工零件進行自動檢測，采用刀具長度測量功能并配有五軸刀具補償功能，可進行刀具校正；

自動重新運轉(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，返回中斷點開始新的加工功能；

雙邊同步技術(shù) 在龍門移動型高速數(shù)控銑床中，當龍門間有效行程大于2m時，必須采用雙邊同步系統(tǒng)。主軸功率在20kW以上的較重型的機床，雙邊同步隨動系統(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）是一個實時加工控制器和工作站控制器。它具有知識庫、過程輸入/輸出、運動控制、實時控制、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，自動確定刀具切削速度、切削深度、強化切削用量，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)


高速加工中還會遇到其它一系列問題，它們主要是：機床加工中的非線性、多點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)部可編程機床控制器快速響應，即；


在熱變形中進行多變量控制算法，在多輸入、多輸出系統(tǒng)中，對多個變量實現(xiàn)快速控制，以輔助熱源或輔助冷源實現(xiàn)機床預冷或預熱；

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。除了加固防護罩和視窗堅固性外，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，即進行報警和安全保護控制。

高速加工中的大量切屑往往會阻塞工作臺面造成運動不暢，并且高速切屑是高溫熱源，會造成機床變形和燒灼人體。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床中進一步突出。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，所以往往不設置換刀機械手而由主軸頭移動直接換刀。對控制系統(tǒng)而言，
它的MTBF（平均無故障工作時間）要高于普通數(shù)控機床幾十倍，才能達到應有的效率和加工零件質(zhì)量。
管理技術(shù)在所有領域都起著決定作用。但就目前而論，在我國的高速數(shù)控加工領域中，矛盾更為突出。一臺高速數(shù)控機床，必須有一批高水平、高素質(zhì)的人員組合在一個團組中，互相合作緊密配合解決工藝編程、操作、維護，安排好物料、刀具、工夾具，制定周密的計劃，按數(shù)控車間的生產(chǎn)準備、計劃調(diào)度和信息集成軟件進行綜合管理。否則，一臺高速機床不但起不到高速作用，連普通數(shù)控機床的水平也達不到，因為高速主軸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，而且造成嚴重的環(huán)境污染、根據(jù)美國一些企業(yè)統(tǒng)計，消耗在冷卻液和廢液處理方面的費用，目前已占14％～16％，而刀具費用只占2％～4％。為了保護環(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。在進行干切削時，必須選用合適的刀具材料，并進行專門刀具結(jié)構(gòu)設計和選擇經(jīng)過試驗的工藝參數(shù)。

目前國際上雖有直線電動機作為產(chǎn)品用于高速進給系統(tǒng)中，但是還存在發(fā)熱嚴重、功率較小、價格較高和對周圍環(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)裝式電動機和刀具夾持裝置4部分組成。裝入式電動機的采用大大簡化了主軸單元結(jié)構(gòu)，但是內(nèi)裝式電動機的發(fā)熱，使電主軸熱態(tài)特性和動態(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。