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CNC 数控系统的发展趋势 北京机床研究所 李佳特 今年是数控机床发明 50 周年。现代数控机床与 50 年前的数控机床最根本的区别是它们的 加工速度与加工精度极大悬殊的差别。加工精度从 50 年代的 0.01mm 到现在的 0.001µm，提 4 3 高了 10 的数量级。加工速度从每分几十毫米提高到每分几十米，提高了 10 的数量级。数控 机床的发展是制造技术(MT)发展的结果，也是机床自动化技术，特别是以数控系统为代表的 新技术对传统机械制造产业的渗透而形成的机电一体化产品的结果。现代数控系统其技术范围 复盖自动控制技术，电子技术，数字技术，电力电子和电机技术，精密测量技术，软件技术， 通信技术，机械制造技术等。现代数控系统由 50 年前的全硬件、液压驱动、单机控制发展到 目前的软硬结合、交流数字伺服、多机控制。随着信息技术和制造技术的不断发展，数控机床 作为信息技术（IT ）与制造技术（MT ）的结合点，也飞速地发展。当前，数控技术的发展呈 现着 3 个明显的趋势。 一，控制系统的高性能： （1）高精、高速加工 数控加工的输入信息主要是刀具的轨迹和刀具相对工件运动的速度；把它们编制成加工程 序的形式输入到系统。如果它们的信号在传递过程中受阻塞、失真、延时，就会使输出的信息 不可能准确地复制输入的信息。因此机床加工的精度和速度也就不会保证。对于高速、高精加 工，整个信息流都必须高速而不畸变地流动和转化成刀具或工作台运动才能在高速时加工出高 精度的机械零件。数控机床由于采用计算机控制，可以保证加工的零件具有很高的精度重复 性。但是当加工时，由于输入信号要经过一系列的环节处理，不可避免地要失真、延时。因此 在高速加工时，要保持高的加工精度就要采取一定的措施。对于高精、高速的加工，除了机械 设计和制造要保证能实现目标外，对 CNC 系统的要求主要是占用空间小、处理速度快、控制精 度高。CNC 装备在数控机床上，为了保证高的生产率，它主要用在底层加工车间，直接控制 加工。CNC 应能 高速运行各种软件，增强硬件的操作处理性能，采用了必威体育精装版电子及控制技 术。保证软件可以得到高精、高速加工的功能。为了防止扰动，主要集中开发数字滤波器的技 术，以消除机械的谐振。还可以提高伺服系统的位置增益。系统中采用了前馈控制，以提高加 工精度，补偿由于伺服滞后所产生的误差。适当控制进给率和采用恰当的加减速曲线可以减少 加减速滞后所产生的误差。“前瞻”控制在程序执行前对运动数据进行计算，处理和多段缓 冲，从而控制刀具按一定高速运动，误差仍然很小。进给和主轴的伺服系统对高速、高精和高 效十分重要。目前主要从以下几方面提高其性能。减少电机和控制单元的大小，提高编码器的 分辨率；主轴电机开始采用同步电机，它比较适用于齿轮机床的系统，齿轮机床有时需要很低 的速度，但精度很高。比如，FANUC 伺服电机的设计不但体积小，采用高增益控制，伺服电 7 脉冲/转分辨率的编码器。伺服控制采用交流数字伺服 机是无齿槽效应的电机，带有 1.6 ×10 控制，具有很高电流检测精度，采用相应的硬件，可以产生所谓“纳米控制”，也就是在系统 检测分辨率为 1µm 时，插补分辨率可以提高到 1nm （图1）；大大提高了加工的精度和粗糙 度。以控制高速、高精的机床。 纳米插 高增益 机床 NC 指 补 伺服控 令程序 制 CNC 图 1 纳米插补 对于控制直线电机，设计数字滤波器以避免直接驱动机械所带来的多谐振特性以改善 “纳米 控制”的性能。这些性能产生了“高速时的高精”以及“低速时的高精”。在直线电机驱动的 加工中心上加工，加工速度为 30m/min 时，其圆度为 2～3µm；在加工速度为 10m/min 时，其 圆度为 1µm。高速加工目前速度已达 100 m/min，主轴转速达 60, 000 r/min。 在剧烈的加减速时，加工曲率很大、形状很尖的工件时，由于有较大