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。
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
电主轴是高速数控机床的关键部件CONTROL ENGINEERING China版权所有,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控制工程网版权所有,nmax=40000r/
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控制工程网版权所有,而应用磁式高分辨率绝对位置编码器,如每转100万条刻线CONTROL ENGINEERING China版权所有,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www.cechina.cn,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