超高速数控机床控制系统的发展（一）

长江一号

　　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。
, y; \' z) c! u5 [  F　　本文从主轴控制、伺服系统、CNC系统等方面，对超高速数控机床的控制系统作一介绍。
　　1.矢量控制的PWM交流变频控制器
; G: _1 j( p' r% z1 Y- u　　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。
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