超高速数控机床控制系统的发展

    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，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