试论数控机床的高速高精技术

荆 鑫

（宁夏职业技术学院，宁夏 银川 750000）

对于数控系统而言，薄壁零件、模具行业的复杂曲面以及航空航天领域高速高精度的加工更是对其提出了严格的要求。进给驱动、机床的机械结构、CNC控制以及主轴、刀夹装置、冷却系统、排屑系统等其它辅助部分共同实现数控机床的高速、高精度化。这些技术是相互促进、相互联系的关系，而并不是相互独立的。目前数控机床高速高精的实现方法，需要在以下几个方面做足功课。

1 微处理器的位数和速度的提高

CNC速度提高，其中最有效的手段之一就是提高微处理器的位数和速度。DSP非常适合于大数据量的高速数据采集系统和实时控制系统，它拥有短至几十纳秒的指令周期。作为一种极好的策略，DSP在高性能的超精密数控系统中的开发应用，大大提高了CNC的速度。DSP也成功的应用于刀具快速伺服装置、机床保护以及刀具检测系统中。

2 提高主轴旋转速度

想要高速切削，那么就必须提高主轴旋转速度。为了提高生产效率，缩短加工时间，需要提高主轴转速，加快进给轴速度。同时，减少二次抛光加工作业，降低工件表面粗糙度。在加工中产生的热量，会使零件升热变形，热量由切削屑排除，可以降低影响，实现微细加工，提高加工品质。相关研究表明，主轴的高速度化，较之以往使得切削时间缩短80%，主轴的高速度化的手段可以参考以下几个方面：

（1）使用高速电主轴。在单元设计中，高速主轴的一个关键问题是主轴轴承的选用，由于要考虑到承载、冷却、润滑、变速、预加载等诸多因素，所以在主轴轴承选用上，可以作为备用的高速轴承并不多，主要有浮轴承、陶瓷滚珠轴承、动液轴承、静液轴承等。其中，磁浮轴承在超高速切削上表现尤为出色，是各国竞相开发研究的一个高新技术领域。它采用的电磁控制技术，作用在主轴上，在磁场中悬浮并做高速旋转，避免了实体接触，优点突出，不仅刚性强，转速高，而且热膨胀系数小，润滑要求低。

（2）选用直线电机。传统的间接式直线传动中，由于滚珠丝杠的扭转刚度很低，加工轨迹运动的过程中，过渡时间长，并且容易形成高阶振荡，得到高的瞬间加、减速度（一般只能达到0.98m/s2～2.94m/s2）。而直接直线传动的选用，响应快是其最突出的特点，瞬时高加速度或减速度（9.8m/s2～58.8m/s2）。并且滚珠丝杠等中间环节以及同步齿形带、齿轮等减速器也得以省去。这样由于中间环节的磨损、弹性变形等带来的运动误差就可以被避免，而且简化了机床结构。缺点是，直线电机价格昂贵，不适于垂直方向驱动，并且有严格的防尘要求。

3 选用高速切削刀具

刀具技术在切削技术高速发展的过程中，也取得了长足的发展，如雨后春笋般的涌现出很多适合高速切削的新型刀具材料。而这其中，最为突出的是聚晶立方氮化硼以及聚晶金刚石两种刀具。作为高速切削刀具技术中的一个重要分支，刀柄的研究始终是一个绕不开的话题。随着刀具高速旋转，由于离心力的作用，刀柄的开口会产生扩张，不仅会造成刚性下降，更重要的是，刀具的定位精度也会受到影响，进而产品不合格。作为德国研究开发的产品，HSK（短锥空心柄）刀柄特别适合高速主轴，其接触刚度高，重复定位精准，加紧可靠，受到了业界的广泛好评。

4 从软件方面来改善数控系统的性能

超精密技术的不断发展，对机床的伺服控制系统提出了更高的要求，不仅是综合精度指标提升到亚微米级别，加工轨迹的控制算法也在不断地升级迭代。

一般来说，数控机床的加工精度目标的达成，需要采用补偿技术减少数控系统的误差。CNC系统控制误差的减小，需要提高数控系统的分辩率（辨识率），提高位置检测精度，使CNC控制单元精细化，以微小程序段实现连续进给，以及位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等。

（1）采用补偿技术。①热变形补偿，热变形补偿、刀具补偿、丝杠螺距补偿以及间隙补偿等技术是补偿技术方面经常采用的方法，这其中使用最为广泛的就是热变形补偿。机床各零部件，在工作的过程中，会因发热变形，进而产生误差。鉴于以上问题，很多专家和学者在试验时一方面实现热补偿技术时借助软件，建立热变形的误差模型，以切削实验的方式，实时补偿热变形误差的温度传感器放置点；另一方面使用物理降温（热传递）的方法减少热量，如流动油液对内装主轴电主轴和主轴轴承进行冷却。②前馈控制，轮廓精度一直以来都是CNC系统的重要精度指标，随着加工需求的不断增长，高精度复杂型面零件加工的极限一直被超越。CNC系统的轮廓加工轨迹，涉及到机床进给轴动态特性和参数匹配，需要多轴协调运动。这方面的研究经验比较空白，现有的归纳起来可以分为两个方面：一是为了实现改善系统轮廓精度的要求，并提高伺服轴的动态性能，而对机床各进给轴的位置控制环的性能进行改善，并借助于各种先进的控制补偿技术；二是采用耦台轮廓补偿的办法，改善机床轮廓误差。通过向各轴提供附加轮廓信息，在不改变各轴位置环的情况下，协调各轴的进给运动，进而减小系统的轮廓误差。

（2）改进插补算法。根据被加工零件的外形轮廓尺寸以及精度要求编制加工程序，是计算机数控系统的一个最基本的任务。在这个过程中，需要计算机床的各运动坐标轴的进给指令，并最终实现工件，刀具的运动轨迹，也就是插补法。其轨迹不仅有很好的运动学型面，而且能准确地描述所期望的路径，以便于伺服系统能够平滑地运动。

5 采用智能化方法

采用全新的控制决策模型，机床的运动控制，才能高度支持对所有的不确定扰动实时动态补偿，从而实现控制系统体系结构的智能化。一般认为，构建决策模型的理论基础为智能控制理论，这种控制决策模型，对其训练算法、功能结构等进行了深入的讨论。

综上所述，社会需求的不断增加，更高的要求也在不断出现。对于自动控制工作者而言，出现的问题日益复杂，各种不确定性或者难以确切描述的非线性特性，不仅对基础操作有了更高的要求，同时还有其背后的几何理论知识的隐性要求。同时，控制系统的智能化水平的提高，也要求工作人员具有极强的自学能力，以适应复杂的问题，多变的控制要求，从而实现以任意精度逼近任意非线性连续函数的特性。所以，数控机床行业的发展，是全面素质提升的长足进步才能带来的，而机床运动控制性能的全面提升，不仅需要数控机床行业的高速发展，也是国家人才储备的必要结果。