数控系统与伺服驱动系统的关键技术

　　数控装备的高速度、高精度、高柔性和高自动化程度，向数控系统和伺服驱动系统提出了相应的要求，下面主要从数控系统与伺服驱动系统方面介绍其关键技术。 

　　1.高速化技术要实现数控设备高速化，首先要求数控系统能对由微小程序段构成的加工程序进行高速处理，以计算出伺服电机的移动量，同时要求伺服电机能高速度地作出反应。采用32 位微处理器，是提高数控系统高速处理能力的有效手段。在数控设备高速化中，提高主轴转速占有重要地位。主轴高速化的手段是直接把电机与主轴连接成一体，从而可将主轴转速大大提高。采用直线电机技术来替代目前机床传动中常用的滚珠丝杠技术，在提高轮廓加工速率的同时，提高了加速度。除不断采用新型功能部件外，还需在以下几个方面进行深入研究： 

　　1)高速加工动力学建模及控制 高速运动下的对象已经不能用纯静态的方法处理，数控问题也不再能归结为几何问题或静力学问题。作为一个动态对象，它并不是“亦步亦趋”地跟随所施加的控制，而力图表现出它的“个性”；另一方面，所施加的控制必须充分顾及被控制对象的动态特性，才能得到预期的控制效果。因此，已经不能像传统的数控系统那样，可以将控制系统与被控制对象分开来研究和制造，而必须作为一个整体来处理，研究其在高速状态下的动力学问题，以及超高速运动控制条件下光、电信号的时滞影响及其消除的问题。在高速情况下，必须研究集数控系统与控制对象为一体的整体动力学建模、基于整体动力学模型的非线性控制策略、智能化控制方法等。 

　　2)机电特性参数的辨识、分析与控制优化高速控制的核心在于实现高加速度，为此需要使伺服机构处于最佳工作状态，从而获得系统最大运动加速度。因此，基于系统整体建模的加速度控制曲线选择、伺服机电参数的辨识优化、多轴增益的协调控制等是当前研究的热点。 

　　3)高速、高精插补运算和控制算法高速、高精插补是将复杂轨迹按控制规律分解成伺服控制指令。轮廓加工时，加工程序由巨量微小线段构成，高速加工除需保证微段程序连续执行外，还需根据轨迹变化及时预测各轴状态，实现高加速度运行要求。这就要求对微段程序的高速、高精插补、高速预处理，微段程序的加减速控制，超前G 代码预测(Look ahead)，复杂轨迹的直接插补以及高速数据传输等进行深入的研究。 

　　4)面向高速高精加工的数控编程原理及方法 

　　传统的数控编程解决了中低速加工中的刀位轨迹生成问题，但是高速加工却对数控编程从原理与方法上提出了更高的要求。为此．必须在研究高速加工工艺机理的基础上，研究适用于高速高精加工的数控编程原理及方法。在这方面，高速加工工艺机理、高速加工工艺参数知识库、基于高速加工非线性运动误差补偿的刀位轨迹规划、加工程序平滑过渡、高速加工中进给速度优化、基于STEP标准、面向加工特征的高级NC 代码语言等都是需要研究的内容。 

　　2.高精度化技术提高数控机床的加工精度，一般可通过减少数控系统的误差和采用机床误差补偿技术来实现。在减少CNC 系统控制误差方面，通常采取提高数控系统的分辨率，提高位置检测精度的方法。然而在高速、高精加工的情况下，在线动态测量和补偿存在着高精度与大量程几何量之间的矛盾，是传统检测方法难以完成的。因此，需要研究新的测量和补偿机理，即进行高精度、大量程几何量的在线动态检测原理研究，以及控制误差的在线和实时检测、预报和补偿方法等研究，在位置伺服系统中采用前馈控制与非线性控制等方法。为解决在高速、高精加工中的小步长与大行程之间的矛盾，需要研究新的高速驱动原理及机构。在机床误差补偿技术方面，除采用齿隙补偿、丝杠螺距误差补偿和刀具补偿等技术外，近年来对设备热变形误差补偿和空间误差综合补偿技术的研究已成为世界范围的研究课题。 

　　3.智能化技术模糊数学、神经网络、数据库、知识库、以范例和模型为基础的决策系统、专家系统等理论与技术的发展及其在制造业中的成功运用，为数控设备智能化水平的提高建立了可靠的技术基础。智能化正成为数控设备研究及发展的热点，目前采取的主要技术措施包括： 

　　1)自适应控制技术提高加工效率是制造加工技术发展永恒追求的目标。现在的数控机床对加工过程的控制还是开环控制，即它们只能忠实地执行人们预先为它编好的加工程序，而对加工过程中工况的变化，缺乏相应的识别能力和足够的自律控制能力。因此，零件的加工质量和加工效率强烈地依赖于工艺人员的经验和知识。此外，加工状况复杂多变，工艺人员为了确保安全往往选择较保守的加工参数，使加工效率和质量的提高受到限制。同时，加工状况(如刀具状况、加工中的振动等)将直接影响设备加工的效率、质量和安全，这种情况在铣削加工大型零件(如加工大型水轮机叶片)时更是如此。因此，加工过程的自适应控制技术，对提高大型零件加工的效率，保障加工设备安全可靠运行是十分重要的。 

　　加工过程的自适应控制技术是指数控装备能检测对自己有影响的信息，并自动连续调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。如通过监控切削过程中的刀具磨损、破损、切屑形态、切削力及零件的加工质量等，向数控系统反馈信息，通过将过程控制、过程监控、过程优化结合在一起，实现自适应调节，以提高加工精度和降低工件表面粗糙度，并保证加工设备安全。有资料表明，应用该技术在铣削加工时其效率可以提高30％左右。 

　　2)专家系统技术将专家的经验和切削加工的一般规律与特殊规律存人计算机中，以加工工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统，提供经过优化的切削参数，使加工系统始终处于最优和最经济的工作状态，从而达到提高编程效率和降低对操作人员的技术要求，大大缩短生产准备时间的目的。 

　　3)故障自诊断技术故障诊断专家系统是诊断装置发展的最新动向，它为数控设备提供了一个包括二次监测、故障诊断、安全保障和经济策略等方面在内的智能诊断及维护决策信息集成系统。 

　　4)智能化交流伺服驱动技术 目前已开始研究能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置，使驱动系统获得最佳运行参数。 

　　4.网络化技术数控设备的网络化技术是指能支持远程监视、诊断和控制，支持网络制造资源共享、支持装备参与网络化环境下制造系统集成的技术。其主要技术内容有： 

　　1)网络环境下的数控装备的集成技术研究网络环境下的数控装备网络互连技术(包括装备间的互连技术和装备内部的互连技术)，网络环境下的数字化制造装备分布式协同处理技术和异构设备网络集成技术等。 

　　2)远程操作、监控与远程诊断技术研究实时监测数据的特征提取、识别和融合，诊断知识的组织以及推理算法，实时可靠的通信协议及数据的共享标准等；网络环境下数控装备运行状态的智能检测、监控和诊断技术；数控装备的网络全局调度技术、远程设计编程技术及远程操作技术等。 

　　3)网络管理技术的研究在网络制造环境下，网络除了用于传输加工程序、实现网络操作和控制和远程诊断外，更为重要的是进一步提高机床的生产率。为此需要研究网络管理技术，即网络生产管理系统，网络CAD／CAM系统，面向网络化制造环境的数控装备的网络安全机制与防范技术等。 

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