高速數(shù)控加工技術(shù)是一門綜合技術(shù)，實際應(yÄ«ng)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(tÇ’ng)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(tÇ’ng)、CNC系統(tÇ’ng)等方面，對超高速數(shù)控機床的控制系統(tÇ’ng)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(chÇŽn)品如瑞士Fisher公司產(chÇŽn)品，nmax＝40000r/min，P＝40kw；法國 Forest-Line公司的產(chÇŽn)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(tÇ’ng)是這種控制的最佳選擇。 　　矢量控制包括坐標(biāo)變換、矢量運算（非線性的復(fù)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(yÄ«ng)用專用CPUçš„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(dá)到了轉(zhuÇŽn)矩快速響應(yÄ«ng)的目標(biāo)。高速化的另一個因素是采用了固體驅(qÅ«)動電路。全數(shù)字化的H/W電流控制系統(tÇ’ng)，電動機轉(zhuÇŽn)速的自適應(yÄ«ng)辨識系統(tÇ’ng)和電壓、電流測試信號經(jÄ«ng)過采樣數(shù)æ“š(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(guÄ«)格要求是：采用矢量控制，在1Hz時有150％以上的高啟動轉(zhuÇŽn)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(fù)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(shè)定功能；基于神經(jÄ«ng)網(wÇŽng)絡(luò)的自適應(yÄ«ng)轉(zhuÇŽn)速辨識能力；兩種速度控制方式：恒轉(zhuÇŽn)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(yÄ«ng)，高定位精度，瞬時變結(jié)構(gòu)，實時控制伺服系統(tÇ’ng)和直線電動機驅(qÅ«)å‹• 　　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(dá)到1g。在滾珠絲杠驅(qÅ«)動方式下其極限值約為60m/minå’Œ1g，而使用直線電動機后可達(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(qÅ«)動，可獲得一致公認(rèn)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(fù)定位精度），并獲得極好的穩(wÄ›n)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(qÅ«)動系統(tÇ’ng)。 　　目前，全數(shù)字交流驅(qÅ«)動系統(tÇ’ng)已作為產(chÇŽn)品得到較普遍應(yÄ«ng)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(chÇ”)。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(yù)測進行前向補償以減少跟蹤誤差，加快了響應(yÄ«ng)速度，增加了非線性補償控制功能，補償了驅(qÅ«)動機械靜摩擦和粘性阻力產(chÇŽn)生的誤差；利用魯棒控制理論進行自校正控制，克服了轉(zhuÇŽn)矩慣性及負(fù)載變化引起的誤差；在高速運動中為保證高定位精度，而應(yÄ«ng)用磁式高分辨率絕對位置編碼器，如每轉(zhuÇŽn)100萬條刻線，分辨率0.01µm等先進技術(shù)，為了達(dá)到高速加工中的響應(yÄ«ng)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(tÇ’ng)瞬態(tài)變化過程中改變系統(tÇ’ng)結(jié)構(gòu)，而這種變化是由系統(tÇ’ng)當(dāng)前的狀態(tài)所決定的。且這種系統(tÇ’ng)具有對系統(tÇ’ng)參數(shù)及外擾變化的不敏感性，并能夠改善系統(tÇ’ng)çš„å‹•æ…‹(tài)特性，使系統(tÇ’ng)快速、準(zhÇ”n)確地定位或跟蹤給定曲線。 　　3.精簡指令集的CNC控制系統(tÇ’ng) 　　為了在超高速加工復(fù)雜零件時獲得高精度，許多CNC系統(tÇ’ng)采用了精簡指令集系統(tÇ’ng)，簡稱RISC。它可以計算系統(tÇ’ng)參數(shù)產(chÇŽn)生的預(yù)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(tÇ’ng)（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)æ“š(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(tÇ’ng)運行的可靠性，提高產(chÇŽn)品質(zhì)量和加工效率，目前較先進NC系統(tÇ’ng)均帶有下述功能： 　　故障診斷的人工智能（AI）功能。在系統(tÇ’ng)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(tÇ’ng)，利用知識庫找出產(chÇŽn)生機械故障的原因； 　　隨著CNCå…§(nèi)存的擴大而裝有小型工藝數(shù)æ“š(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(chÇ”)上，應(yÄ«ng)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。 　　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(zhuÇŽn)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(dāng)龍門間有效行程大于2m時，必須采用雙邊同步系統(tÇ’ng)。主軸功率在20kW以上的較重型的機床，雙邊同步隨動系統(tÇ’ng)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(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PMCå…§(nèi)部可編程機床控制器快速響應(yÄ«ng)，即； 　　在熱變形中進行多變量控制算法，在多輸入、多輸出系統(tÇ’ng)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(yù)冷或預(yù)熱； 　　由于主軸以每分鐘幾萬轉(zhuÇŽn)速度高速回轉(zhuÇŽn)，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(tÇ’ng)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?zé)嵩矗瑫斐蓹C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(tÇ’ng)，在主軸高速切削中如發(fā)生任何問題，就可能產(chÇŽn)生極大的損失或人身傷亡，所以往往不設(shè)置換刀機械手而由主軸頭移動直接換刀。對控制系統(tÇ’ng)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(dá)到應(yÄ«ng)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(chÇŽn)準(zhÇ”n)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(dá)不到，因為高速主軸的切削力矩是很小的，一般只有幾十牛·米（N·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(chÇŽn)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)çµ±(tÇ’ng)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(chÇŽn)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(shè)計和選擇經(jÄ«ng)過試驗的工藝參數(shù)。 　　目前國際上雖有直線電動機作為產(chÇŽn)品用于高速進給系統(tÇ’ng)中，但是還存在發(fā)熱嚴(yán)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。