超高速數控機床控制系統是一門綜合技術,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、熱態特性,刀具材料、幾何形狀與耐用度的關系,高速機床刀具、工夾具及工藝參數,冷卻潤滑、切屬排除和安全操作,CNC高速高精度控制系統等。
近來,航空工業總公司為了解決在航空領域中數控加工的綜合技術問題,在北京航空工藝研究所成立了“數控制造技術航空科技重點實驗室”(LANCMT),將超高速數控機床控制系統列為主要研究內容之一。
超高速數控機床控制系統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,實現了無接觸直接驅動,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動系統。
目前,全數字交流驅動系統已作為產品得到較普遍應用,它為伺服控制的高靈敏度及變結構控制打下了基礎。用專用CPU進行電流環、速度環、位置環的全閉環控制,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,補償了驅動機械靜摩擦和粘性阻力產生的誤差;利用魯棒控制理論進行自校正控制,克服了轉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100萬條刻線,分辨率0.01µm等先進技術,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良性能,目前多采用一種變結構的伺服控制方式。這種控制方式能夠在系統瞬態變化過程中改變系統結構,而這種變化是由系統當前的狀態所決定的。且這種系統具有對系統參數及外擾變化的不敏感性,并能夠改善系統的動態特性,使系統快速、準確地定位或跟蹤給定曲線。