荊 鑫

（寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750000）

對于數(shù)控系統(tǒng)而言，薄壁零件、模具行業(yè)的復(fù)雜曲面以及航空航天領(lǐng)域高速高精度的加工更是對其提出了嚴(yán)格的要求。進(jìn)給驅(qū)動、機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)、CNC控制以及主軸、刀夾裝置、冷卻系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)等其它輔助部分共同實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的高速、高精度化。這些技術(shù)是相互促進(jìn)、相互聯(lián)系的關(guān)系，而并不是相互獨立的。目前數(shù)控機(jī)床高速高精的實現(xiàn)方法，需要在以下幾個方面做足功課。

1 微處理器的位數(shù)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(shù)和速度。DSP非常適合于大數(shù)據(jù)量的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實時控制系統(tǒng)，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(shù)控系統(tǒng)中的開發(fā)應(yīng)用，大大提高了CNC的速度。DSP也成功的應(yīng)用于刀具快速伺服裝置、機(jī)床保護(hù)以及刀具檢測系統(tǒng)中。

2 提高主軸旋轉(zhuǎn)速度

想要高速切削，那么就必須提高主軸旋轉(zhuǎn)速度。為了提高生產(chǎn)效率，縮短加工時間，需要提高主軸轉(zhuǎn)速，加快進(jìn)給軸速度。同時，減少二次拋光加工作業(yè)，降低工件表面粗糙度。在加工中產(chǎn)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(xiàn)微細(xì)加工，提高加工品質(zhì)。相關(guān)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(shè)計中，高速主軸的一個關(guān)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(yù)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(xiàn)尤為出色，是各國競相開發(fā)研究的一個高新技術(shù)領(lǐng)域。它采用的電磁控制技術(shù)，作用在主軸上，在磁場中懸浮并做高速旋轉(zhuǎn)，避免了實體接觸，優(yōu)點突出，不僅剛性強(qiáng)，轉(zhuǎn)速高，而且熱膨脹系數(shù)小，潤滑要求低。

（2）選用直線電機(jī)。傳統(tǒng)的間接式直線傳動中，由于滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)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(dá)到0.98m/s2～2.94m/s2）。而直接直線傳動的選用，響應(yīng)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(huán)節(jié)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(huán)節(jié)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(jī)床結(jié)構(gòu)。缺點是，直線電機(jī)價格昂貴，不適于垂直方向驅(qū)動，并且有嚴(yán)格的防塵要求。

3 選用高速切削刀具

刀具技術(shù)在切削技術(shù)高速發(fā)展的過程中，也取得了長足的發(fā)展，如雨后春筍般的涌現(xiàn)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(shù)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(zhuǎn)，由于離心力的作用，刀柄的開口會產(chǎn)生擴(kuò)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(jìn)而產(chǎn)品不合格。作為德國研究開發(fā)的產(chǎn)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(fù)定位精準(zhǔn)，加緊可靠，受到了業(yè)界的廣泛好評。

4 從軟件方面來改善數(shù)控系統(tǒng)的性能

超精密技術(shù)的不斷發(fā)展，對機(jī)床的伺服控制系統(tǒng)提出了更高的要求，不僅是綜合精度指標(biāo)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(shù)控機(jī)床的加工精度目標(biāo)的達(dá)成，需要采用補(bǔ)償技術(shù)減少數(shù)控系統(tǒng)的誤差。CNC系統(tǒng)控制誤差的減小，需要提高數(shù)控系統(tǒng)的分辯率（辨識率），提高位置檢測精度，使CNC控制單元精細(xì)化，以微小程序段實現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，以及位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等。

（1）采用補(bǔ)償技術(shù)。①熱變形補(bǔ)償，熱變形補(bǔ)償、刀具補(bǔ)償、絲杠螺距補(bǔ)償以及間隙補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)是補(bǔ)償技術(shù)方面經(jīng)常采用的方法，這其中使用最為廣泛的就是熱變形補(bǔ)償。機(jī)床各零部件，在工作的過程中，會因發(fā)熱變形，進(jìn)而產(chǎn)生誤差。鑒于以上問題，很多專家和學(xué)者在試驗時一方面實現(xiàn)熱補(bǔ)償技術(shù)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(bǔ)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(nèi)裝主軸電主軸和主軸軸承進(jìn)行冷卻。②前饋控制，輪廓精度一直以來都是CNC系統(tǒng)的重要精度指標(biāo)，隨著加工需求的不斷增長，高精度復(fù)雜型面零件加工的極限一直被超越。CNC系統(tǒng)的輪廓加工軌跡，涉及到機(jī)床進(jìn)給軸動態(tài)特性和參數(shù)匹配，需要多軸協(xié)調(diào)運動。這方面的研究經(jīng)驗比較空白，現(xiàn)有的歸納起來可以分為兩個方面：一是為了實現(xiàn)改善系統(tǒng)輪廓精度的要求，并提高伺服軸的動態(tài)性能，而對機(jī)床各進(jìn)給軸的位置控制環(huán)的性能進(jìn)行改善，并借助于各種先進(jìn)的控制補(bǔ)償技術(shù)；二是采用耦臺輪廓補(bǔ)償?shù)霓k法，改善機(jī)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(huán)的情況下，協(xié)調(diào)各軸的進(jìn)給運動，進(jìn)而減小系統(tǒng)的輪廓誤差。

（2）改進(jìn)插補(bǔ)算法。根據(jù)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(jī)數(shù)控系統(tǒng)的一個最基本的任務(wù)。在這個過程中，需要計算機(jī)床的各運動坐標(biāo)軸的進(jìn)給指令，并最終實現(xiàn)工件，刀具的運動軌跡，也就是插補(bǔ)法。其軌跡不僅有很好的運動學(xué)型面，而且能準(zhǔn)確地描述所期望的路徑，以便于伺服系統(tǒng)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(jī)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(tài)補(bǔ)償，從而實現(xiàn)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的智能化。一般認(rèn)為，構(gòu)建決策模型的理論基礎(chǔ)為智能控制理論，這種控制決策模型，對其訓(xùn)練算法、功能結(jié)構(gòu)等進(jìn)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(xiàn)。對于自動控制工作者而言，出現(xiàn)的問題日益復(fù)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(chǔ)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(tǒng)的智能化水平的提高，也要求工作人員具有極強(qiáng)的自學(xué)能力，以適應(yīng)復(fù)雜的問題，多變的控制要求，從而實現(xiàn)以任意精度逼近任意非線性連續(xù)函數(shù)的特性。所以，數(shù)控機(jī)床行業(yè)的發(fā)展，是全面素質(zhì)提升的長足進(jìn)步才能帶來的，而機(jī)床運動控制性能的全面提升，不僅需要數(shù)控機(jī)床行業(yè)的高速發(fā)展，也是國家人才儲備的必要結(jié)果。