試論數控機床的高速高精技術

荊 鑫

（寧夏職業技術學院，寧夏 銀川 750000）

對于數控系統而言，薄壁零件、模具行業的復雜曲面以及航空航天領域高速高精度的加工更是對其提出了嚴格的要求。進給驅動、機床的機械結構、CNC控制以及主軸、刀夾裝置、冷卻系統、排屑系統等其它輔助部分共同實現數控機床的高速、高精度化。這些技術是相互促進、相互聯系的關系，而并不是相互獨立的。目前數控機床高速高精的實現方法，需要在以下幾個方面做足功課。

1 微處理器的位數和速度的提高

CNC速度提高，其中最有效的手段之一就是提高微處理器的位數和速度。DSP非常適合于大數據量的高速數據采集系統和實時控制系統，它擁有短至幾十納秒的指令周期。作為一種極好的策略，DSP在高性能的超精密數控系統中的開發應用，大大提高了CNC的速度。DSP也成功的應用于刀具快速伺服裝置、機床保護以及刀具檢測系統中。

2 提高主軸旋轉速度

想要高速切削，那么就必須提高主軸旋轉速度。為了提高生產效率，縮短加工時間，需要提高主軸轉速，加快進給軸速度。同時，減少二次拋光加工作業，降低工件表面粗糙度。在加工中產生的熱量，會使零件升熱變形，熱量由切削屑排除，可以降低影響，實現微細加工，提高加工品質。相關研究表明，主軸的高速度化，較之以往使得切削時間縮短80%，主軸的高速度化的手段可以參考以下幾個方面：

（1）使用高速電主軸。在單元設計中，高速主軸的一個關鍵問題是主軸軸承的選用，由于要考慮到承載、冷卻、潤滑、變速、預加載等諸多因素，所以在主軸軸承選用上，可以作為備用的高速軸承并不多，主要有浮軸承、陶瓷滾珠軸承、動液軸承、靜液軸承等。其中，磁浮軸承在超高速切削上表現尤為出色，是各國競相開發研究的一個高新技術領域。它采用的電磁控制技術，作用在主軸上，在磁場中懸浮并做高速旋轉，避免了實體接觸，優點突出，不僅剛性強，轉速高，而且熱膨脹系數小，潤滑要求低。

（2）選用直線電機。傳統的間接式直線傳動中，由于滾珠絲杠的扭轉剛度很低，加工軌跡運動的過程中，過渡時間長，并且容易形成高階振蕩，得到高的瞬間加、減速度（一般只能達到0.98m/s2～2.94m/s2）。而直接直線傳動的選用，響應快是其最突出的特點，瞬時高加速度或減速度（9.8m/s2～58.8m/s2）。并且滾珠絲杠等中間環節以及同步齒形帶、齒輪等減速器也得以省去。這樣由于中間環節的磨損、彈性變形等帶來的運動誤差就可以被避免，而且簡化了機床結構。缺點是，直線電機價格昂貴，不適于垂直方向驅動，并且有嚴格的防塵要求。

3 選用高速切削刀具

刀具技術在切削技術高速發展的過程中，也取得了長足的發展，如雨后春筍般的涌現出很多適合高速切削的新型刀具材料。而這其中，最為突出的是聚晶立方氮化硼以及聚晶金剛石兩種刀具。作為高速切削刀具技術中的一個重要分支，刀柄的研究始終是一個繞不開的話題。隨著刀具高速旋轉，由于離心力的作用，刀柄的開口會產生擴張，不僅會造成剛性下降，更重要的是，刀具的定位精度也會受到影響，進而產品不合格。作為德國研究開發的產品，HSK（短錐空心柄）刀柄特別適合高速主軸，其接觸剛度高，重復定位精準，加緊可靠，受到了業界的廣泛好評。

4 從軟件方面來改善數控系統的性能

超精密技術的不斷發展，對機床的伺服控制系統提出了更高的要求，不僅是綜合精度指標提升到亞微米級別，加工軌跡的控制算法也在不斷地升級迭代。

一般來說，數控機床的加工精度目標的達成，需要采用補償技術減少數控系統的誤差。CNC系統控制誤差的減小，需要提高數控系統的分辯率（辨識率），提高位置檢測精度，使CNC控制單元精細化，以微小程序段實現連續進給，以及位置伺服系統采用前饋控制與非線性控制等。

（1）采用補償技術。①熱變形補償，熱變形補償、刀具補償、絲杠螺距補償以及間隙補償等技術是補償技術方面經常采用的方法，這其中使用最為廣泛的就是熱變形補償。機床各零部件，在工作的過程中，會因發熱變形，進而產生誤差。鑒于以上問題，很多專家和學者在試驗時一方面實現熱補償技術時借助軟件，建立熱變形的誤差模型，以切削實驗的方式，實時補償熱變形誤差的溫度傳感器放置點；另一方面使用物理降溫（熱傳遞）的方法減少熱量，如流動油液對內裝主軸電主軸和主軸軸承進行冷卻。②前饋控制，輪廓精度一直以來都是CNC系統的重要精度指標，隨著加工需求的不斷增長，高精度復雜型面零件加工的極限一直被超越。CNC系統的輪廓加工軌跡，涉及到機床進給軸動態特性和參數匹配，需要多軸協調運動。這方面的研究經驗比較空白，現有的歸納起來可以分為兩個方面：一是為了實現改善系統輪廓精度的要求，并提高伺服軸的動態性能，而對機床各進給軸的位置控制環的性能進行改善，并借助于各種先進的控制補償技術；二是采用耦臺輪廓補償的辦法，改善機床輪廓誤差。通過向各軸提供附加輪廓信息，在不改變各軸位置環的情況下，協調各軸的進給運動，進而減小系統的輪廓誤差。

（2）改進插補算法。根據被加工零件的外形輪廓尺寸以及精度要求編制加工程序，是計算機數控系統的一個最基本的任務。在這個過程中，需要計算機床的各運動坐標軸的進給指令，并最終實現工件，刀具的運動軌跡，也就是插補法。其軌跡不僅有很好的運動學型面，而且能準確地描述所期望的路徑，以便于伺服系統能夠平滑地運動。

5 采用智能化方法

采用全新的控制決策模型，機床的運動控制，才能高度支持對所有的不確定擾動實時動態補償，從而實現控制系統體系結構的智能化。一般認為，構建決策模型的理論基礎為智能控制理論，這種控制決策模型，對其訓練算法、功能結構等進行了深入的討論。

綜上所述，社會需求的不斷增加，更高的要求也在不斷出現。對于自動控制工作者而言，出現的問題日益復雜，各種不確定性或者難以確切描述的非線性特性，不僅對基礎操作有了更高的要求，同時還有其背后的幾何理論知識的隱性要求。同時，控制系統的智能化水平的提高，也要求工作人員具有極強的自學能力，以適應復雜的問題，多變的控制要求，從而實現以任意精度逼近任意非線性連續函數的特性。所以，數控機床行業的發展，是全面素質提升的長足進步才能帶來的，而機床運動控制性能的全面提升，不僅需要數控機床行業的高速發展，也是國家人才儲備的必要結果。