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。

一、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(DigitalSignalProcessor)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。