新技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1磁懸浮技術(shù)

引言

伴隨科學(xué)技術(shù)日勺不停發(fā)展，尤其是電子和信息技術(shù)的發(fā)展，促使與之親密有關(guān)的機(jī)械

制造技術(shù)不停發(fā)展。在超高速精密加工、航空航天、能源交通等領(lǐng)域中，人們?yōu)榱颂岣?/p>

生產(chǎn)效率和機(jī)械日勺工作可靠性，不停地提高加工機(jī)械日勺速度、效率、自動(dòng)化和柔性化水

平。而老式日勺機(jī)械軸承漸漸日勺達(dá)不到人們?nèi)丈滓?guī)定，于是磁懸浮軸承就應(yīng)運(yùn)而生了。

磁懸浮軸承是一種全新的支承元件。它借助于永久磁鐵或電磁鐵歐J磁力將轉(zhuǎn)子懸浮，并

在控制器的控制之下克服外載荷日勺作用，使轉(zhuǎn)子圍繞其慣性中心旋轉(zhuǎn)。因其無機(jī)械接觸,

轉(zhuǎn)子可以到達(dá)很高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，具有機(jī)械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長(zhǎng)、無需潤(rùn)滑、

無油污染等長(zhǎng)處，從主線上克服了老式支承形式H勺缺陷，從而成為高速、高精度領(lǐng)域最

有發(fā)展前景H勺理想支承形式。磁懸浮軸承技術(shù)是國(guó)際上20世紀(jì)60年代中期開始的一項(xiàng)

新的支承技術(shù)。人類對(duì)磁懸浮軸承的研究成功，標(biāo)志著老式支承技術(shù)革命時(shí)期的到來。

近年來，磁懸浮軸承作為一種全新的有機(jī)整體，構(gòu)成機(jī)械H勺全新的機(jī)械零件，已經(jīng)走

進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，極大地提高了其應(yīng)用領(lǐng)域口勺發(fā)展水平。

磁懸浮軸承的工作原理

磁懸浮軸承按照磁力提供口勺方式，可分為有源磁懸浮軸承（由電磁鐵提供磁力，也稱為

積極磁懸?。?、無源磁懸浮軸承（由永久磁鐵提供磁力，也稱為被動(dòng)磁懸浮軸承）、混合

磁懸浮釉承（由永久磁鐵和電磁鐵提供磁力）。一般一種簡(jiǎn)樸MJ積極磁懸浮軸承系統(tǒng)由轉(zhuǎn)

子、位置傳感器、控制器、電磁鐵和功率放大器這兒部分構(gòu)成。

圖1主動(dòng)磁懸浮軸承的工作原理圖

圖1所示為積極磁懸浮軸承的I工作原理：通過位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的軸偏差信號(hào)，將該

信號(hào)送入控制器，通過功率放大器控制電磁鐵中的電流，從而產(chǎn)生電磁力的變化，使

轉(zhuǎn)子懸浮于規(guī)定H勺位置。積極磁懸浮軸承按支承方式的不一樣又分為徑向磁懸浮軸承和

軸向磁懸浮軸承。而被動(dòng)磁懸浮軸承沒有積極電子控制系統(tǒng)，它是運(yùn)用磁場(chǎng)自身的特性

將轉(zhuǎn)子懸浮起來。因此，被動(dòng)磁懸浮軸承可以在無控制環(huán)節(jié)的狀況下到達(dá)穩(wěn)定，不過它

不能產(chǎn)生阻尼，因此，這個(gè)系統(tǒng)日勺穩(wěn)定域是比較小的，外界較小的干擾也會(huì)使它趨于

不穩(wěn)定?；旌洗艖腋≥S承是在積極磁懸浮軸承、被動(dòng)磁懸浮軸承和其他某些輔助支承和

穩(wěn)定機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上形成的一種組合式磁懸浮軸承。

研究現(xiàn)實(shí)狀況

磁懸浮軸承是磁懸浮技術(shù)的重要應(yīng)用。20世紀(jì)初，Earnshanws發(fā)現(xiàn)了抗磁物體可

以在磁場(chǎng)中自由懸浮，此后，Braunbeck進(jìn)行了嚴(yán)格的理論證明。在1937年，德國(guó)的

Kenper申請(qǐng)了第一種磁懸浮技術(shù)專利，他認(rèn)為要使得鐵磁體實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的磁懸浮，必須

根據(jù)物體的懸浮狀態(tài)不停地調(diào)整磁場(chǎng)力的大小，即采用可控的電磁鐵就可以實(shí)現(xiàn)。這一

思想成為后來開展磁懸浮列車和磁懸浮軸承研究口勺主導(dǎo)思想。據(jù)有關(guān)資料記載：1969年,

法國(guó)軍部科研試驗(yàn)室(LRBN)開始對(duì)磁懸浮軸承進(jìn)行研究；1972年，將第一種磁懸浮軸承

應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)向謠飛輪支承上，從而揭開了磁懸浮軸承發(fā)展的序幕。此后，磁懸浮軸承

很快被應(yīng)用到國(guó)防、航天等重要日勺領(lǐng)域。1976年，法國(guó)SEP企業(yè)和瑞典SKF軸承企業(yè)聯(lián)合

成立了S2M企業(yè)，專門開發(fā)工業(yè)用的磁懸浮軸承。1984年，S2M企業(yè)又與日本精工電子工

業(yè)企業(yè)聯(lián)合，成立了日本電磁軸承企業(yè)，在日本生產(chǎn)、銷售渦輪分子泵和機(jī)床電磁主軸

等。通過30數(shù)年日勺發(fā)展，磁懸浮軸承在國(guó)外的應(yīng)用場(chǎng)所深入擴(kuò)大，從應(yīng)用角度看，磁懸

浮軸承在高速旋轉(zhuǎn)和有關(guān)高精度口勺應(yīng)用場(chǎng)所具有極大日勺優(yōu)勢(shì)。不過，目前研究單位和生

產(chǎn)磁懸浮軸承的企業(yè)大部分都是單獨(dú)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，給設(shè)計(jì)、制造磁懸浮機(jī)器，如磁懸浮

機(jī)床，帶來了極大的不便，同步也沒有針對(duì)某行業(yè)的磁懸浮軸承原則。為了以便設(shè)計(jì)、

制造和推廣應(yīng)用磁懸浮軸承，必須對(duì)磁懸浮軸承系列化和原則化。有某些企業(yè)已實(shí)現(xiàn)了

上述規(guī)定，如1996年，芬蘭歐JRanma—Repola企業(yè)和兩所大學(xué)共同研制開發(fā)的磁懸浮軸

承產(chǎn)品已系列化。目前日勺世界最大磁懸浮軸承企業(yè)一一法國(guó)S2M企業(yè)，在生產(chǎn)用于機(jī)床

的磁懸浮軸承主軸方面，已實(shí)現(xiàn)系列化、原則化。磁懸浮軸承作為一種機(jī)械零件，其原

則化和系列化，將極大地推進(jìn)磁懸浮軸承H勺應(yīng)用。

磁懸浮軸承的發(fā)展與研究越來越受到國(guó)內(nèi)外工程界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。自1988年起，

國(guó)際上每?jī)赡昱e行一屆磁懸浮軸承會(huì)議，交流和研究該領(lǐng)域的最新研究成果。美國(guó)也是

從1991年后，每?jī)赡暾匍_一次磁懸浮技術(shù)會(huì)議。目前，美國(guó)、法國(guó)、瑞士、日本和我國(guó)

都在大力支持開展磁懸浮軸承的研究工作。國(guó)際上的這些努力，將會(huì)極大地增進(jìn)磁懸浮

軸承在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用.

我國(guó)對(duì)磁懸浮軸承的研究始于20世紀(jì)50年代末，后醫(yī)多種原因進(jìn)展不快，沒有引起科

研單位歐I足夠重視。1986年，廣州機(jī)床研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)首先對(duì)“磁力軸承時(shí)開

發(fā)及其在FMS中的應(yīng)用”這一課題進(jìn)行研究。此后，西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、南京航

空航天大學(xué)、上海大學(xué)等院校先后開展了電磁軸承系統(tǒng)歐I研究。西安交通大學(xué)軸承研究

所于1990年在國(guó)內(nèi)初次實(shí)現(xiàn)了4自由度磁懸浮軸承的穩(wěn)定懸浮，最高轉(zhuǎn)速為3000r/min。

清華大學(xué)電磁軸承研究室為無錫磨床廠研制了磨床主軸用磁懸浮軸承，并正在開展

10MW高溫氣冷堆用氮?dú)馔钙酱艖腋≥S承的研究工作，計(jì)劃在2023年采用磁懸浮軸承日勺

氨氣直接循環(huán)的透平發(fā)電裝置投入運(yùn)行。南京航空航天大學(xué)于1992年開始對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)

用磁懸浮軸承系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤研究，研究JJ乍獲得了江蘇省和航空科學(xué)基金H勺資助，目

前已建成3個(gè)磁懸浮軸承試驗(yàn)臺(tái)，轉(zhuǎn)速到達(dá)60000r7min。與國(guó)外H勺磁懸浮軸承相比，我

國(guó)在研究水平和應(yīng)用水平上還存在著一定差距。磁懸浮軸承能否產(chǎn)業(yè)化，其發(fā)展速度和

水平關(guān)系著民族工業(yè)H勺前途，其市場(chǎng)潛力也是非常巨大的。我國(guó)應(yīng)加大磁懸浮軸承這種

機(jī)械零件的研發(fā)力度，使我國(guó)的產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上占據(jù)一席之地。

磁懸浮軸承的應(yīng)用

作為近幾年崛起的機(jī)械零件中的科技新星，磁懸浮軸承是機(jī)電一體化產(chǎn)品，是控

制理論、電子電力、電磁學(xué)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科交叉的結(jié)晶。伴隨電子技

術(shù)、控制工程、信號(hào)處理元器件、電磁理論及新型電磁材料日勺發(fā)展和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)日勺進(jìn)展,

磁懸浮技術(shù)得到了長(zhǎng)足歐I發(fā)展，它的應(yīng)用也越來越廣泛。到目前為止，它重要應(yīng)用在三

方面：

(1)用作支承元件即一般意義下的磁懸浮軸承。磁懸浮軸承與老式日勺支承元件相比，

長(zhǎng)處是：支承主軸轉(zhuǎn)速高、回轉(zhuǎn)精度高，消除了轉(zhuǎn)子與軸承之間的摩擦且不需用潤(rùn)滑和

密封，可深入簡(jiǎn)化構(gòu)造，可靠性和可維護(hù)性大大提高。如應(yīng)用在高速磨床、銃床、高速

電機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天器姿態(tài)控制裝置等機(jī)器中。

(2)用作減振器稱為電磁減振器或電磁阻尼器，對(duì)具有不平衡質(zhì)量日勺柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振

動(dòng)的控制?，F(xiàn)代旋轉(zhuǎn)機(jī)器一般都設(shè)計(jì)成超臨界的柔性軸。柔性軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在多種干擾力

口勺作用下，如突加不平衡、支撐擾動(dòng)、外部載荷和不穩(wěn)定口勺自激運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)，均有

也許引起系統(tǒng)失穩(wěn)以至干損壞機(jī)器，又也許發(fā)牛重大H勺事故。因此，在規(guī)定機(jī)械高速和

高加工精度H勺今天，旋轉(zhuǎn)機(jī)械柔性軸日勺不平衡控制顯得尤其重要。磁懸浮軸承區(qū)別于一

般軸承的明顯特點(diǎn)之一，就在于它的高速度和提供了一種可控的電磁力。磁懸浮軸承除

了滿足基本的支承作用外，既能作為轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)日勺檢測(cè)傳感器，又能作為對(duì)轉(zhuǎn)子實(shí)行控

制的執(zhí)行器。如將其應(yīng)用在渦輪機(jī)、透平機(jī)械和離心機(jī)等機(jī)器上，控制轉(zhuǎn)子的不平衡，

將會(huì)極大日勺提高轉(zhuǎn)子日勺運(yùn)轉(zhuǎn)精度和工作可靠性。圖2為一種磁懸浮軸承控制轉(zhuǎn)子不平衡

口勺模型。在上面口勺模型中，磁懸浮軸承安裝在轉(zhuǎn)子的中間，控制轉(zhuǎn)子口勺不平衡響應(yīng)，兩

邊用保護(hù)軸承作為對(duì)轉(zhuǎn)子的支承和保護(hù)。

(3)用作動(dòng)力吸振器我們稱之為電磁懸浮動(dòng)力吸振器，也能很好歐I處理轉(zhuǎn)子振動(dòng)

控制中日勺問題，如圖3所示。

圖3磁懸浮動(dòng)力吸振器系統(tǒng)模型

在這種控制轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)的系統(tǒng)中，磁懸浮軸承不必安裝在轉(zhuǎn)子的兩邊，因此可以

兼顧轉(zhuǎn)子的靜、動(dòng)態(tài)特性規(guī)定，也不隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，鼓勵(lì)控制以便且不會(huì)因動(dòng)力吸振器運(yùn)

動(dòng)而派生出更大日勺離心力問題；因不隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，不會(huì)增長(zhǎng)轉(zhuǎn)子日勺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。該系統(tǒng)日勺

作用是：在指定日勺多種頻率位置，將轉(zhuǎn)子日勺不平衡響應(yīng)減為零，而在其他較寬的頻率

范圍內(nèi)，盡量克制不平衡響應(yīng)的水平，使之處在非共振量級(jí)。目前，電磁懸浮動(dòng)力吸振

器通過仿真闡明了它對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)控制H勺有效性，它的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)正在進(jìn)行中。

從理論研究日勺角度來講，電磁懸浮動(dòng)力吸振器的設(shè)計(jì)構(gòu)思將開辟轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域一種

新的研究方向。采用電磁懸浮動(dòng)力吸振器的轉(zhuǎn)子積極控制的研究，在國(guó)內(nèi)外尚屬空白。

國(guó)外僅有YoshiakiIWATA等人曾進(jìn)行過空氣彈簧動(dòng)力吸振積極控制的研究，而所針對(duì)日勺

是軸承處的動(dòng)力吸振器。從工程應(yīng)用口勺角度來講，該設(shè)計(jì)構(gòu)思提出了全新口勺轉(zhuǎn)子振動(dòng)積

極動(dòng)力吸振措施，是對(duì)自動(dòng)動(dòng)平衡、多種積極控制軸承等轉(zhuǎn)子減振措施的重要補(bǔ)充，為

設(shè)計(jì)者提供了新日勺選擇方案，有時(shí)也許是最優(yōu)選擇方案。

磁懸浮軸承現(xiàn)存的問題

在電磁懸浮動(dòng)力吸振器H勺研究過程中，我們尚有許多問題需要處理：

(1)控制器的選擇伴隨控制理論已勺發(fā)展以及對(duì)磁懸浮系統(tǒng)性能規(guī)定日勺不停提高，

磁懸浮系統(tǒng)控制器需要實(shí)現(xiàn)日勺控制算法的復(fù)雜程度日漸加大。

(2)在系統(tǒng)建模時(shí)，怎樣減少渦流和磁滯后現(xiàn)象對(duì)電流剛度、位移剛度和功率損耗等的

影響。

(3)將電磁懸浮動(dòng)力吸振器應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，并將其商品化、系列化將是我們最終日勺

目的。

磁懸浮軸承的發(fā)展趨勢(shì)

雖然對(duì)磁懸浮軸承的研究還存在諸多問題，但對(duì)其理論分析已經(jīng)形成了較完整的體系。

從總體上來看，國(guó)內(nèi)外磁懸浮軸承的研究具有如下幾種發(fā)展趨勢(shì)：

(1)理論分析方面：理論問題的研究將更具有針對(duì)性，并在重視控制系統(tǒng)研究向同步，

著重研究系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，從而更有效地改善控制措施；采用模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)

絡(luò)控制等智能控制措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性H勺控制。

(2)應(yīng)用方面：成本過高在一定程度上限制了磁懸浮軸承的推廣應(yīng)用，因而實(shí)用性的研

究將加強(qiáng)，它的產(chǎn)品化和原則化日勺步伐也將加緊，新產(chǎn)品將越來越多地使用數(shù)字控制，

應(yīng)用范圍也將逐漸參軍工轉(zhuǎn)向民用。

(3)自檢測(cè)磁懸浮軸承的講究。這種軸承在工業(yè)上具有很大的應(yīng)用前景。

(4)多種先進(jìn)控制器和功率放大器的研究。磁懸浮軸承的動(dòng)態(tài)性能，在很大程度上取決

于控制器和功率放大器的性能，這個(gè)領(lǐng)域?qū)⑹谴撕笱芯康臒狳c(diǎn)之一。

(5)超導(dǎo)磁懸浮軸承的研究。這種軸承的體積很小，卻有很大的承載能力，這方面的研

究進(jìn)展在很大程度上依賴于高溫超導(dǎo)材料日勺進(jìn)展。

2.2五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是一種科技含量高、精密度高專門用于加工復(fù)雜曲的機(jī)床，這種機(jī)床

系統(tǒng)對(duì)一種國(guó)家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等等行業(yè)，有著

舉足輕重的影響力。目前，大家普遍認(rèn)為，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)是處理葉輪、葉片、

船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型柴油機(jī)曲軸等等加工的唯一手段。

裝備制造業(yè)是一國(guó)工業(yè)之基石，它為新技術(shù)、新產(chǎn)品日勺開發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供重要時(shí)

手段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。雖然是發(fā)達(dá)工業(yè)化國(guó)家，也無不高度重視。近年來,

伴隨我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和國(guó)防建設(shè)的需要，對(duì)高檔曰勺數(shù)控機(jī)床提出了緊迫的大量

需求。機(jī)床是一種國(guó)家制造業(yè)水平的象征。而代表機(jī)床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)

控機(jī)床系統(tǒng)，從某種意義上說，反應(yīng)了一種國(guó)家aJ工業(yè)發(fā)展水平狀況。長(zhǎng)期以來，以美

國(guó)為首日勺西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，一直把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資，實(shí)

行出口許可證制度。尤其是冷戰(zhàn)時(shí)期，對(duì)中國(guó)、前蘇聯(lián)等社會(huì)主義陣營(yíng)實(shí)行封鎖禁運(yùn)。

愛好軍事的朋友也許懂得著名的“東芝事件"：上世紀(jì)末，日本東芝企業(yè)賣給前蘇聯(lián)兒

臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銃床，成果讓前蘇聯(lián)用于制造潛艇的推進(jìn)螺旋槳，上了幾種檔次，

使美國(guó)間諜船日勺聲納監(jiān)聽不到潛艇的聲音了，因此美國(guó)以東芝企業(yè)違反了戰(zhàn)略物資禁

運(yùn)政策，要懲處東芝企業(yè)c由此可見，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)對(duì)一種國(guó)家H勺航空、航天、

軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力。目前，大家

普遍認(rèn)為，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)是處理葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型柴油機(jī)曲軸等等加工的唯一手段。因此，每當(dāng)人們?cè)谠O(shè)計(jì)、研制復(fù)雜

曲面碰到無法處理的難題時(shí)，往往轉(zhuǎn)向求援五軸數(shù)控系統(tǒng)。

五軸聯(lián)動(dòng)加工中心

加工中心一般分為立式加工中心和臥式加工中心，立式加工中心（三軸）最有效的加工

面僅為工件日勺頂面，臥式加工中心借助回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，也只能完畢工件日勺四面加工。目前

高檔H勺加工中心正朝著五軸控制H勺方向發(fā)展，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心有高效率、高精度的特

點(diǎn)，工件一次裝夾就可完畢五面體的加工。如配置上五軸聯(lián)動(dòng)的高檔數(shù)控系統(tǒng)，還可以

對(duì)復(fù)雜的空間曲面進(jìn)行高精度加工，更可以合適象汽車零部件、飛機(jī)構(gòu)造件等現(xiàn)代模具

口勺加工。（本期簡(jiǎn)介立式五軸加工中心）立式五軸加工中心此類加工中心口勺回轉(zhuǎn)軸有兩

種方式，一種是工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸。設(shè)置在床身上的工作臺(tái)可以圍繞X軸回轉(zhuǎn)，定義為A軸，

A軸一般工作范圍+30度至T20度。工作臺(tái)的中間還設(shè)有一種回轉(zhuǎn)臺(tái)，在圖示的位置上

圍繞Z軸回轉(zhuǎn)，定義為C軸，C軸都是360度回轉(zhuǎn)。這樣通過A軸與C軸日勺組合，固定

在工作臺(tái)上H勺工件除了底面之外，其他的五個(gè)面都可以由立式主軸進(jìn)行加工。A軸和C

軸最小分度值一般為0.001度，這樣又可以把工件細(xì)提成任意角度，加工出傾斜面、傾

斜孔等。A軸和C軸如與XYZ三直線軸實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，就可加工出復(fù)雜的空間曲面，當(dāng)然這

需要高檔的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及軟件的支持。這種設(shè)置方式的長(zhǎng)處是主軸啊構(gòu)造比

較簡(jiǎn)樸，主軸剛性非常好，制導(dǎo)致本比較低。但一般工作臺(tái)不能設(shè)計(jì)太大，承重也較小,

尤其是當(dāng)A軸回轉(zhuǎn)不小于等于90度時(shí)，工件切削時(shí)會(huì)對(duì)工作臺(tái)帶來很大的承載力矩。

另一種是依托立式主軸頭的回轉(zhuǎn)。主軸前端是一種回轉(zhuǎn)頭，能自行圍繞Z軸360度，成

為C軸，回轉(zhuǎn)頭上尚有帶可圍繞X軸旋轉(zhuǎn)H勺A軸，一般可達(dá)±90度以上，實(shí)現(xiàn)上述同樣

口勺功能。這種設(shè)置方式的長(zhǎng)處是主軸加工非常靈活，工作臺(tái)也可以設(shè)計(jì)的非常大，客機(jī)

龐大的機(jī)身、巨大的發(fā)動(dòng)機(jī)殼都可以在此類加T中心上加T.c這種設(shè)計(jì)尚有一大長(zhǎng)處：

我們?cè)谑褂们蛎驺|刀加工曲面時(shí)，當(dāng)?shù)毒咧行木€垂直于加工面時(shí)，由于球面銃刀的頂

點(diǎn)線速度為零，頂點(diǎn)切出的工件表面質(zhì)量會(huì)很差，采用主軸回轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)，令主軸相對(duì)

工件轉(zhuǎn)過一種角度，使球面銃刀避開頂點(diǎn)切削，保證有一定的線速度，可提高表面加

工質(zhì)量。這種構(gòu)造非常受模具高精度曲面加工的歡迎，這是工作臺(tái)回轉(zhuǎn)式加工中心難以

做到日勺。為了到達(dá)回轉(zhuǎn)的高精度，高檔的回轉(zhuǎn)軸還配置了圓光柵尺反饋，分度精度都在

幾秒以內(nèi)，當(dāng)然此類主軸內(nèi)回轉(zhuǎn)構(gòu)造比較復(fù)雜，制導(dǎo)致本也較高。

構(gòu)造圖:

五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床一般由3個(gè)平動(dòng)軸加上兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸詳細(xì)構(gòu)造的不一樣可

分為3種形式：刀具雙擺動(dòng)、工作臺(tái)雙旋轉(zhuǎn)和刀具擺動(dòng)加工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)定義旋轉(zhuǎn)軸法

向矢量不變的軸為定向軸，旋轉(zhuǎn)軸法向矢量變化日勺軸為變向軸。由于刀具雙擺動(dòng)的五軸

機(jī)床具有工作臺(tái)、動(dòng)軸的特點(diǎn)，可以加工大型復(fù)雜曲面的零件，并且輕易實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的」高

速性能。

刀具回轉(zhuǎn)/擺動(dòng)型五坐標(biāo)機(jī)床

刀具與工作臺(tái)回轉(zhuǎn)/擺動(dòng)型機(jī)床

2.3控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤賠償機(jī)械精度誤差技術(shù)

數(shù)控機(jī)床日勺數(shù)字化全閉環(huán)控制

高精度位置控制是開發(fā)高精度數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)。近年來，我們針對(duì)發(fā)展國(guó)產(chǎn)高精度

數(shù)控機(jī)床的需求，對(duì)數(shù)字化全閉環(huán)高精度位置控制技術(shù)進(jìn)行了研究，以此為基礎(chǔ)開發(fā)出

新型數(shù)字化全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，并在多種國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行了應(yīng)用，在復(fù)雜精密零

件加工方面獲得了良好效果。下面對(duì)這種新型系統(tǒng)的基本構(gòu)成、動(dòng)態(tài)構(gòu)造、控制器設(shè)計(jì)、

應(yīng)用狀況等作一簡(jiǎn)介。

1常規(guī)數(shù)字式位置控制系統(tǒng)存在的問題

目前，數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中正得到越來越廣泛H勺應(yīng)用。由其構(gòu)成的位置控

制系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1所示。圖中，數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)模塊與伺服電機(jī)等共同構(gòu)成一高精

度角度閉環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)，其輸入為數(shù)控系統(tǒng)給出的指令脈沖，輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)角。在以光碼

盤等為反饋環(huán)節(jié)所實(shí)現(xiàn)口勺閉環(huán)控制下，電機(jī)軸的轉(zhuǎn)角將嚴(yán)格隨指令值變化。通過齒輪副

和絲杠螺母副傳動(dòng)，電機(jī)日勺角位移被轉(zhuǎn)換為所需的工作臺(tái)直線位移。

實(shí)際位移

工作白

絲杠

穌沖光碼盤

向服電機(jī)

圖1常規(guī)數(shù)字式位置控制系統(tǒng)口勺基本構(gòu)成

由圖I可見，顯然以轉(zhuǎn)角為輸出的數(shù)字式伺服系統(tǒng)自身是一閉環(huán)系統(tǒng)，但從以機(jī)床工作

臺(tái)位移為最終被控量的角度看，由其構(gòu)成的位置控制系統(tǒng)卻是一開環(huán)系統(tǒng)（或稱未閉環(huán)

系統(tǒng)）。因此，其位置控制精度不僅與控制系統(tǒng)日勺性能有關(guān)，并且還在很大程度上取決于

機(jī)床日勺機(jī)械構(gòu)造。這樣，系統(tǒng)中信息傳遞環(huán)節(jié)的誤差、機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)日勺誤差以及多種非

線性原因的影響，都會(huì)使工作臺(tái)位移偏離指令值，而升環(huán)系統(tǒng)乂無法對(duì)其進(jìn)行有效校正,

因而使得常規(guī)數(shù)控機(jī)床雖然使用了高性能H勺數(shù)字式伺服系統(tǒng)也難以到達(dá)高H勺加工精度。

2數(shù)字式全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)H勺構(gòu)成

為處理上述問題，本文提出一種數(shù)字化全閉環(huán)位置控制措施，其基本思想是：在對(duì)機(jī)床

運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行數(shù)字式驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，引入直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件最終位移歐I數(shù)字式測(cè)量環(huán)節(jié),

以充足獲取和運(yùn)用系統(tǒng)信息，從反饋控制的角度對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)H勺運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)字化控制，

由此構(gòu)成包括多種誤差源卻非線性環(huán)節(jié)口勺數(shù)字化全閉環(huán)系統(tǒng)。這樣，該系統(tǒng)不僅可使運(yùn)

動(dòng)部件日勺定位精度由檢測(cè)環(huán)節(jié)的測(cè)量精度決定，并且可對(duì)多種干擾和非線性原囚對(duì)運(yùn)動(dòng)

部件位移產(chǎn)生的影響進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)校正，使任何時(shí)刻運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移總是嚴(yán)格跟

隨指令值變化，從向保證機(jī)床各坐標(biāo)日勺運(yùn)動(dòng)具有很高日勺動(dòng)、穩(wěn)態(tài)精度。

根據(jù)上述思緒構(gòu)成的數(shù)字化全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)日勺基本構(gòu)成如圖2所示。該系統(tǒng)采用光

柵作為線位移檢測(cè)裝置直接獲取機(jī)床工作臺(tái)的位移信息，此信息通過前置處理后得到相

位差90°的兩路位移脈沖信號(hào)，其頻率與工作臺(tái)位移速度成正比，其數(shù)量為工作臺(tái)實(shí)際

位移量除以脈沖當(dāng)量。位移脈沖被送入可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值即表

達(dá)了工作臺(tái)的目前實(shí)際位置。系統(tǒng)中位置控制器的作用是，根據(jù)位置給定值與位置反饋

之差，按預(yù)先設(shè)計(jì)的數(shù)字化控制規(guī)律控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，以保證工作臺(tái)位移嚴(yán)格跟隨

指令值變化。

3系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)構(gòu)造與控制器設(shè)計(jì)

圖3數(shù)字化全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)構(gòu)造圖

圖2系統(tǒng)的)動(dòng)態(tài)構(gòu)造如圖3所示，包括數(shù)字位置控制器、廣義對(duì)象和反饋通道3部分。

廣義對(duì)象由零階保持器、脈沖發(fā)生器、數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件等構(gòu)成。其

中，零階保持器起著聯(lián)接離散環(huán)節(jié)(數(shù)字控制器)與持續(xù)環(huán)節(jié)的橋梁作用。脈沖發(fā)生器的

任務(wù)是根據(jù)位置控制器給出的控制信號(hào)產(chǎn)生控制交流伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)指令脈沖，因此該環(huán)

節(jié)為一比例環(huán)節(jié)。交流伺服系統(tǒng)是系統(tǒng)中日勺數(shù)字式驅(qū)動(dòng)裝置，從宏觀上看，伺服電機(jī)日勺

轉(zhuǎn)角0與指令脈沖頻F之間成積分關(guān)系，但從微觀上應(yīng)深入考慮。與F間H勺慣性特性。機(jī)

械運(yùn)動(dòng)部件H勺作用是將電機(jī)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為工作臺(tái)直線位移，假如將傳動(dòng)誤差和非線性原因

口勺影響作為對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)來處理.，也可將該環(huán)節(jié)看作為一比例環(huán)節(jié)。

5結(jié)論

針對(duì)發(fā)展國(guó)產(chǎn)高精度數(shù)控機(jī)床的需求，對(duì)新型數(shù)字化全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究,

重要成果如下：

(1)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行數(shù)字化驅(qū)動(dòng)，不僅可有效消除溫漂、零漂等日勺影響，并且可使被

控對(duì)象具有較理想的動(dòng)態(tài)構(gòu)造。使由此構(gòu)成的I數(shù)字化全閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有了基本保

證。

(2)對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的最終位移進(jìn)行數(shù)字化檢測(cè)，可實(shí)時(shí)獲取運(yùn)動(dòng)部件精確位置信息，為通

過全閉環(huán)控制有效克制機(jī)械傳動(dòng)誤差和非線性原因?qū)C(jī)床坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)精度的影響奠定了

基礎(chǔ)。

(3)運(yùn)用計(jì)算機(jī)構(gòu)成數(shù)字位置控制器，可用軟件實(shí)現(xiàn)帶邏輯切換H勺復(fù)雜控制規(guī)律，使全

閉環(huán)位置控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能，從而有效提高了數(shù)控機(jī)床的輪廓加工精度。

(4)實(shí)踐證明，由數(shù)字化全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)控制日勺數(shù)控機(jī)床在復(fù)雜精密零件加工方面

具有良好效果。

基于運(yùn)動(dòng)控制器的全閉環(huán)控制系統(tǒng)

1引言

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備一一電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為關(guān)鍵，以電

力電子、功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下構(gòu)成口勺電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)。

此類系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)口勺轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械口勺控制

規(guī)定。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展得益于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料

技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、微機(jī)應(yīng)用技術(shù)日勺最新發(fā)展成果。正是這些技術(shù)日勺進(jìn)步使運(yùn)動(dòng)控制

技術(shù)在近20年內(nèi)發(fā)生了前所未有的變化。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展同步增進(jìn)了機(jī)電一

體化技術(shù)的迅速發(fā)展，進(jìn)而促使機(jī)械工業(yè)開始了一場(chǎng)技術(shù)革命。

近年來國(guó)內(nèi)外各個(gè)廠家相繼推出運(yùn)動(dòng)控制H勺新技術(shù)、新產(chǎn)品。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展也經(jīng)

歷了從直流到交流，從開環(huán)到閉環(huán)，從模擬到數(shù)字，直到基于PC的伺服控制網(wǎng)絡(luò)

(PC2BasedSSCNET)系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)日勺運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展過程。本文將現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系

統(tǒng)中具有代表性口勺技術(shù):交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制器技術(shù)相結(jié)合，研究一種高速度、

高精度、集控制與管理于一體的柔性、開放性運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

2交流伺服系統(tǒng)構(gòu)成的全閉環(huán)控制

在某些定位精度或動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較高的機(jī)電一體化產(chǎn)品中，交流伺服控制系統(tǒng)得到了廣泛

日勺應(yīng)用，其中數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)更符合數(shù)字化控制模式的時(shí)尚，并且調(diào)試、使用十分

以便，因而倍受青睞。這種伺服系統(tǒng)日勺驅(qū)動(dòng)器采用了先進(jìn)日勺數(shù)字信號(hào)處理器(Digital

SignalProcessor,DSP）,可以對(duì)電動(dòng)機(jī)軸后端的光電編碼器進(jìn)行位置采樣，在驅(qū)動(dòng)器和

電機(jī)之間構(gòu)成位置和速度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并充足發(fā)揮DSP的高速運(yùn)算能力，自動(dòng)完

畢整個(gè)伺服系統(tǒng)日勺增益調(diào)整，甚至可以跟蹤負(fù)載變化，實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)增益，因而位置控

制辨別率較高，可靠性很好。一般這種帶位置環(huán)啊伺服系統(tǒng)，位置環(huán)的反饋采樣取自伺

服電機(jī)的編碼器，即伺服電機(jī)上口勺編碼器既作速度環(huán)，也作位置環(huán)，對(duì)于傳動(dòng)鏈上的間

隙及誤差還不能賠償克服，只能形成半閉環(huán)的位置控制系統(tǒng)。為了克服半閉環(huán)系統(tǒng)的缺

陷，獲得更高的控制精度，可以在最終的運(yùn)動(dòng)部分上安裝高精度H勺位置反饋元件（如光

柵尺、磁柵尺等），而電機(jī)上的編碼器此時(shí)僅作為速度環(huán)日勺反饋，構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

此時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器接受速度指令，完畢速度環(huán)的控制，位置環(huán)歐I控制則由上位控制器來

完畢，這樣就可以消除機(jī)械上存在的一切間隙，并且還可以對(duì)機(jī)械傳動(dòng)上出現(xiàn)的誤差進(jìn)

行賠償，到達(dá)真正全閉環(huán)的目的，實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制。

該系統(tǒng)采用安川SGDM系列的伺服驅(qū)動(dòng)裝置，他具有迅速傅里葉變換（FFT）的功能，可

以測(cè)算出設(shè)備的機(jī)械共振點(diǎn)，并通過陷波方式消除機(jī)械共振。

3上位控制技術(shù)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的上位控制方案一般有單片機(jī)系統(tǒng)、專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制PLC.專用控制系統(tǒng)

和“PC+運(yùn)動(dòng)控制器二

采用單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，速度較慢，精度不高，開發(fā)難度較大、周期長(zhǎng)，成

本相對(duì)較低。這種方案一般合用于產(chǎn)品批量較大、控制系統(tǒng)功能較簡(jiǎn)樸、有單片機(jī)系統(tǒng)

開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的顧客。許多品牌的PLC都可選配定位控制模塊，有些PLC的CPU單元自身就

具有運(yùn)動(dòng)控制功能（如松下FP0）。這種方案一般合用于運(yùn)動(dòng)過程比較簡(jiǎn)樸、運(yùn)動(dòng)軌跡固定

的設(shè)備，如送料器、自動(dòng)焊機(jī)等。

專用控制系統(tǒng)一般是針對(duì)專用設(shè)備或?qū)Ｓ眯袠I(yè)，例如西門子的車床數(shù)控系統(tǒng)、銃床

數(shù)控系統(tǒng)等。

“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”的方案伴隨PC（PcrsonalComputerW、J普及越來越多，將是運(yùn)動(dòng)控制系

統(tǒng)一種重要日勺發(fā)展趨勢(shì)。這種方案可充足運(yùn)用計(jì)算機(jī)資源，用于運(yùn)動(dòng)過程、機(jī)械軌跡都

比較復(fù)雜，并且柔性比較強(qiáng)H勺機(jī)器設(shè)備。

本文簡(jiǎn)介的全閉環(huán)控制系統(tǒng)的上位控制方式，采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”方案。運(yùn)動(dòng)控制

器與PC機(jī)構(gòu)成主從式控制構(gòu)造，以DSP和FPGA芯片作為運(yùn)動(dòng)控制器的關(guān)鍵處理器，

以PC機(jī)作為信息處理平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制器以插卡形式嵌入PC機(jī)，即“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”

日勺模式。PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面日勺管理和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面日勺工作（例如鍵盤

和鼠標(biāo)的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、控制指令的I發(fā)送、外部信號(hào)的監(jiān)控等

等）；運(yùn)動(dòng)控制器完畢運(yùn)動(dòng)控制日勺所有細(xì)節(jié)（包括脈沖和方向信號(hào)的輸出、模擬輸出、自

動(dòng)升降速的處理、原點(diǎn)和限位等信號(hào)的檢測(cè)等等）。這樣將PC機(jī)的信息處理能力和開放

式H勺特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制器H勺運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在?起，具有信息處理能力強(qiáng)、

開放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制精確、通用性好的特點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)造構(gòu)成如圖1所示。

圖1運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)造框圖

該系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)控制器采用深圳固高企業(yè)的GT2023SV2PCI運(yùn)動(dòng)卡，他是以ADSP2181

數(shù)字信號(hào)處理器為關(guān)鍵，結(jié)合FPGA現(xiàn)場(chǎng)邏輯可編程器件的靈活性完畢運(yùn)動(dòng)控制的硬件

架構(gòu)。運(yùn)動(dòng)控制過程中，由DSP實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、多軸插補(bǔ)、伺服控制濾波等數(shù)據(jù)運(yùn)算和

實(shí)時(shí)控制管理，可以實(shí)現(xiàn)高性能日勺控制計(jì)算。FPGA邏輯可編程器件和其他有關(guān)器件構(gòu)

成伺服控制和位置反饋硬件接口，實(shí)現(xiàn)譯碼、倍頻、脈沖分派、定期、計(jì)數(shù)等功能。

該運(yùn)動(dòng)控制器以IBM2PC及其兼容機(jī)為主機(jī)，采用原則日勺PCI總線，提供C語言函數(shù)庫和

Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜H勺控制功能。顧客可以將這些控制函數(shù)與自己控制系統(tǒng)

所需H勺數(shù)據(jù)處理、界面顯示、顧客接口等應(yīng)用程序模塊集成在一起，開發(fā)符合特定應(yīng)用

規(guī)定H勺控制軟件。

4基于運(yùn)動(dòng)控制器的全比環(huán)控制系統(tǒng)

基于運(yùn)動(dòng)控制器的全閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

工作臺(tái)位置也測(cè)

圖2基于運(yùn)動(dòng)控制器的全閉環(huán)控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用光柵尺作為直線位移檢測(cè)裝置，直接獲取工作臺(tái)H勺位移信息，此信息通

過前置處理后得到相位差為90°日勺兩路位移脈沖信號(hào)，其頻率與工作臺(tái)位移速度成正比,

其數(shù)量為工作臺(tái)實(shí)際位移量除以脈沖當(dāng)量。

運(yùn)動(dòng)卡接受到PC機(jī)的指令后，向交流伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大后

驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)按攝影應(yīng)的頻率和角位移運(yùn)行。光電編碼器返回的脈沖信號(hào)進(jìn)入交流

伺服驅(qū)動(dòng)相構(gòu)成速度環(huán)，光柵尺反饋日勺兩路位移脈沖信號(hào)進(jìn)入運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成位置環(huán)。

位移脈沖被送入運(yùn)動(dòng)控制器中的可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值即表達(dá)了工

作臺(tái)日勺目前實(shí)際位置。運(yùn)動(dòng)控制器的作用是，根據(jù)位置給定值與位置反饋值之差，按預(yù)

先設(shè)計(jì)的控制規(guī)律控制整個(gè)系統(tǒng)日勺運(yùn)行，以保證工作臺(tái)位移嚴(yán)格跟隨指令值日勺變化。

5控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)

GT2023SV隨卡提供了Windows98/2023下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，同步提供DOS下的運(yùn)動(dòng)函

數(shù)庫和Windows下的運(yùn)動(dòng)函數(shù)動(dòng)態(tài)鏈接庫，顧客通過主機(jī)程序調(diào)用對(duì)應(yīng)的函數(shù)，也就是

發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制命令，運(yùn)動(dòng)控制器將根據(jù)主機(jī)的規(guī)定，自動(dòng)完畢軌沸規(guī)劃、安全檢測(cè)、伺

服刷新等復(fù)雜運(yùn)算，計(jì)算成果轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬電壓控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。顧客可以使用

VC,VB,Delphi三種高級(jí)語言來開發(fā)。軟件程序框圖如圖3所示。

（川蛇化）

圖3程序框圖

運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定包括軸號(hào)、初速度、最高速度、加速度和移動(dòng)距離等；運(yùn)動(dòng)控制程序

包括急停、緩?fù)！⑶辶?、常速和迅速等；控制效果顯示包括位置和速度顯示等。程序略。

6結(jié)語

以DSP和FPGA芯片為關(guān)鍵處理器H勺運(yùn)動(dòng)控制器，其運(yùn)動(dòng)控制功能由硬件電路實(shí)現(xiàn)，集

成度高，可靠性好；他只需從PC機(jī)接受控制命令，就可以完畢與運(yùn)動(dòng)有關(guān)日勺控制，使用

非常以便，大大地縮短研制和開發(fā)周期，還能實(shí)現(xiàn)更完善的全閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以滿足

對(duì)伺服電機(jī)H勺控制規(guī)定。

在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中,PID調(diào)整器以其構(gòu)造簡(jiǎn)樸，可靠性高等長(zhǎng)處得到了廣泛日勺應(yīng)用。但對(duì)

于運(yùn)動(dòng)控制精度規(guī)定高的場(chǎng)所，常規(guī)PID調(diào)整就難以得到滿意的控制效果。PID控制可

與其他控制算法結(jié)合，形成許多有價(jià)值的捽制方略，司高企業(yè)日勺運(yùn)動(dòng)捽制器采用多種改

善型H勺PID控制算法，更精確地保證了系統(tǒng)日勺控制精度。

2.4激光切割技術(shù)

序言

激光切割是激光加工行業(yè)中最重要H勺一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)，也是激光加工中應(yīng)用最早、使

用最多的加工措施。它占整個(gè)激光加工業(yè)日勺70%以上,激光切割與其他切割措施相比，最

大區(qū)別是它具有高速、高精度和高適應(yīng)性的特點(diǎn)。同步還具有割縫細(xì)、熱影響區(qū)小、切

割面質(zhì)量好、切割時(shí)無噪聲、切縫邊緣垂直度好、切邊光滑、切割過程輕易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

控制等長(zhǎng)處?？汕懈钐间?、不銹鋼、合金鋼、木材、塑料、橡膠、布、石英、陶瓷、玻

璃、復(fù)合材料等。激光切割板材時(shí)，不需要模具，可以替代某些需要采用復(fù)雜大型模具

日勺沖切加工措施，能大大縮短生產(chǎn)周期和減少成本。因此，目前激光切割已廣泛地應(yīng)用

于汽車、機(jī)車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業(yè)部門中。

近年來，激光切割技術(shù)發(fā)展很快，國(guó)際上每年都以15%-20%的速度增長(zhǎng)。我國(guó)自1985

年以來，更以每年25%以上的速度增長(zhǎng)。當(dāng)然，由于我國(guó)激光工業(yè)基礎(chǔ)較差，激光加工

技術(shù)日勺應(yīng)用尚不普遍，激光加工整體水平與先進(jìn)國(guó)家相比仍有較大差距。因此。在我國(guó),

激光切割技術(shù)的推廣和應(yīng)用潛力很大。激光切割系統(tǒng)重要由機(jī)床主機(jī)、激光器、控制系

統(tǒng)二大重要部分構(gòu)成.控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中樞，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的J正常T作,

重要完畢加工軌跡控制、焦點(diǎn)位置控制和機(jī)、光、電一體H勺協(xié)調(diào)控制。數(shù)控激光切割機(jī)

H勺研制屬于機(jī)電一體化范圍，它的研制使生產(chǎn)系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面，以便而易學(xué)的

編程方式，以及精確日勺切割軌跡控制功能，適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用，極大地提高了生產(chǎn)

率。

激光切割是目前世界上先進(jìn)的切割工藝。它日勺最大長(zhǎng)處是由于激光光斑小，能是集中,

因此切割的割縫小、無掛渣、幾乎沒有熱變形，切割面光潔度高。激光切割關(guān)鍵在激光

源。切割厚度大小、切割質(zhì)量?jī)?yōu)劣、切割穩(wěn)定性怎樣等都取決于激光源的性能。通用日勺

CO2工業(yè)激光源是用電場(chǎng)或高頻振蕩迫使密封在容器內(nèi)的混合氣體處在激發(fā)狀態(tài)，并產(chǎn)

生受激輻射的單色光，此種光輻射在反射鏡及反射透射鏡之間往復(fù)反射，等積聚到足夠

能量后由輸出透鏡射出。這種激光源電極距離工件遠(yuǎn)且電極裝在激光束之中。電極易燒

損，載流氣體消耗大，激光波長(zhǎng)有干擾。工作電壓高（約10?25kV）形成操作上時(shí)不安

全。激光源體積較大、維修比較復(fù)雜。易損件的消耗大。目前比較先進(jìn)的是用高頻諧振

方式激發(fā)混合氣體的激光源，這種激光源電極距離工件近旦電極裝在激光束之外。與通

用的CO2工業(yè)激光源相匕電極幾乎沒有燒損。載流氣體消耗少。激光波長(zhǎng)不受干擾。

工作電壓低（約1?1.2kV）,操作十分安全。激光器體積小，維修簡(jiǎn)樸。激光切割由于

速度快、精度高，必須由微機(jī)控制的高速切割機(jī)來配合。

激光切割機(jī)發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況及特點(diǎn)

自從第1臺(tái)紅寶石激光器于1960年問世以來，激光技術(shù)己被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè),

如平常生活中H勺激光打印、CD唱盤與光盤、VCD與DVD視盤、光纖通信、激光測(cè)距、

激光掃描條碼。在工業(yè)上，激光被用于切割、焊接、標(biāo)識(shí)與熱處理等加工領(lǐng)域。中國(guó)的

工業(yè)激光起步并不比西方國(guó)家晚，但由于基礎(chǔ)工業(yè)口勺微弱和投資力度的局限性，使商品

化的激光切割機(jī)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。目前最大H勺制造廠家是上海雷鷗激光設(shè)備廠

(上海嘉定)，每年可生產(chǎn)30臺(tái)2-5kWH勺橫流式CO2激光器，供焊接與表面熱處理使用，也

可少許生產(chǎn)1.0—1.5kW軸流式CO2激光器供切割用，南京東方激光企業(yè)引進(jìn)德國(guó)技術(shù),

每年可生產(chǎn)1()臺(tái)152.0kW封閉式軸流式CO2激光器。此外，長(zhǎng)春光機(jī)所和上海光機(jī)所也

生產(chǎn)少許工業(yè)激光器。

我國(guó)北京機(jī)床研究所、核工業(yè)部濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所、北京機(jī)電研究院近年也

相繼推出了國(guó)產(chǎn)H勺數(shù)控激光切割機(jī)。沈陽機(jī)床股份有限企業(yè)引進(jìn)意大利普瑞瑪企業(yè)數(shù)控

激光切割機(jī)制造技術(shù)合資生產(chǎn)。推出了自己的激光器。

目前我國(guó)擁有的整臺(tái)套的激光切割加工系統(tǒng)局限性千臺(tái)。并且分布在全國(guó)近200家的激

光加工部門中，其中90%為CO2激光器。國(guó)產(chǎn)數(shù)控激光切割機(jī)日勺重要持點(diǎn)是，價(jià)格較低,

約是進(jìn)口價(jià)格的1/3；激光器功率較低，一般為1.5kW如下。與國(guó)外機(jī)相比體現(xiàn)為切

縫寬，表面質(zhì)量、機(jī)械精度、整機(jī)的穩(wěn)定性、柔性較差，但具有價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)，因此，繼

續(xù)深入開發(fā)和發(fā)展國(guó)產(chǎn)化的較高質(zhì)量日勺數(shù)控激光切割機(jī)。以較低的價(jià)格推向市場(chǎng)是一項(xiàng)

很重要的工作。

發(fā)展趨勢(shì)

激光切割是激光加工行業(yè)中最量要的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)，由于具有諸多特點(diǎn)，已廣泛地

應(yīng)用于汽車、機(jī)車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業(yè)部門。

近年來，激光切割技術(shù)發(fā)展很快，國(guó)際上每年都以20%?3()%的速度增長(zhǎng)。我國(guó)自1985

年以來，更以每年25%以上的速度增長(zhǎng)。由于我國(guó)激光工業(yè)基礎(chǔ)較差，激光加工技術(shù)H勺

應(yīng)用尚不普遍，激光加工整體水平與先進(jìn)國(guó)家相比仍有較大差距，相信伴隨激光加工技

術(shù)的不停進(jìn)步，這些障礙和局限性會(huì)得到處理。激光切割技術(shù)必將成為二十一世紀(jì)不可

缺乏的重要日勺鎖金加工手段。激光切割加工廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，加上現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛

發(fā)展，使得國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)激光切割加工技術(shù)進(jìn)行不停探入的研究，推進(jìn)著激光切

割技術(shù)不停地向前發(fā)展。

(1)伴伴隨激光器向大功率發(fā)展以及采用高性能ir、jcNc及伺服系統(tǒng)，使用高功率的

激光切割可獲得高的加工速度，同步減小熱影響區(qū)和熱畸變；所可以切割歐I材料板厚也

格深入地提高，高功率激光可以通過使用Q開關(guān)或加載脈沖波，從而使低功率激光器產(chǎn)

生出高功率激光。

(2)根據(jù)激光切割工藝參數(shù)的影響狀況，改善加工工藝，如：增長(zhǎng)輔助氣體對(duì)切割

熔渣H勺吹力；加入造渣劑提高熔體的流動(dòng)性；增長(zhǎng)輔助能源，并改善能量之間的耦合；

以及改用吸取率更高日勺激光切割。

(3)激光切割將向高度自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，將CAD/CAPP/CAM以及人工智

能運(yùn)用于激光切割，研制出高度自動(dòng)化的多功能激光加工系統(tǒng)。

(4)根據(jù)加工速度自適應(yīng)地控制激光功率和激光模式或建立工藝數(shù)據(jù)庫和專家自適

應(yīng)控制系統(tǒng)使得激光切割整機(jī)性能普遍提高。以數(shù)據(jù)庫為系統(tǒng)關(guān)鍵，面向通用化CAPP

開發(fā)工具，對(duì)激光切割工藝設(shè)計(jì)所波及的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立相適應(yīng)日勺數(shù)據(jù)庫構(gòu)

造。

(5)向多功能日勺激光加工中心發(fā)展，將激光切割、激光焊接以及熱處理等各道工序

后的質(zhì)量反饋集成在一起，充足發(fā)揮激光加工的整體優(yōu)勢(shì)。

(6)隨若Internet和WEB技術(shù)的發(fā)展，建立基于WEB的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，采用模糊推理機(jī)制

和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來自動(dòng)確定激光切割工藝參數(shù)，并且可以遠(yuǎn)程異地訪問和控別激光切割

過程成了不可防止的I趨勢(shì)「

(7)三維高精度大型數(shù)控激光切割機(jī)及其切割工藝技術(shù)，為了滿足汽車和航空等工業(yè)口勺

立體工件切割的需要，三維激光切割機(jī)正向高效率、高精度、多功能和高適應(yīng)性方向民

展，激光切割機(jī)器人的應(yīng)用范圍將會(huì)愈來愈大。激光切割正向著激光切割單元FMC、無

人化和自動(dòng)化方向發(fā)展。

圖1搭載型激光切割機(jī)LMXVII

BlackmanandWhiteLtd企業(yè)模塊式真空工作臺(tái)

MaterialHandlingsystem

MaximumIndustries,Inc.

steel,stainless,ABS,acrylic,teflon,andmostallengineeredplastics

Laserhead

Laderfiber

Nozzlealignment

Vision“rtteS/camer*

VisionzooAi

Couplingnit

burn.

WindaiM

holder

Window

High-pre39urc

widerfilter

Nozzle*

holder〕.High-pressure

waterconnection

Nazzel

caverPower

rtietcr

Protection'

Airjet\?

QIM。I

Waterjet-Couplingurtit

2.5等離子切割技術(shù)

數(shù)控等離子切割技術(shù)是集數(shù)控技術(shù)，計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)，等離子切割技術(shù)，精密機(jī)

械技術(shù)于一體的高新技術(shù),發(fā)展數(shù)控等離子切割機(jī)可以徹底變化國(guó)內(nèi)熱切割行業(yè)的裝備

水平，扭轉(zhuǎn)熱切割工業(yè)目前存在的效率低，質(zhì)量差，勞動(dòng)強(qiáng)度大，材料運(yùn)用率低，環(huán)境臟

亂差的局面，縮小與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家口勺差距。同步，數(shù)控等離子切割技術(shù)的發(fā)展可帶動(dòng)有

關(guān)領(lǐng)域和學(xué)科到達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。

火焰切割、等離子切割和激光切割是熱切割的三種重要方式，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)例如下表

所示。

火焰切割具有切割變形大，適應(yīng)不了高精度切割的需要，并且切割速度較低，切割前需

預(yù)熱，花費(fèi)時(shí)間，難以適應(yīng)無人化操作日勺需要。等離子切割具有切割范圍寬，可切割一切

金屬板材和許多非金屬材料，最高切割速度可達(dá)lOnVmin,是火焰切割口勺10倍。在水下

切割能消除切割時(shí)產(chǎn)生的噪聲，粉塵、有害氣體和弧光，有助于環(huán)境的保護(hù)，符合二十

一世紀(jì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的規(guī)定。目前伴隨大功率等離子切割技術(shù)日勺成熟，切割厚度已達(dá)

130mm,采用水射流技術(shù)的大功率等離子切割已使切割質(zhì)量靠近激光切割H勺下限（土

0.2mm）o由于激光切割機(jī)價(jià)格昂貴，且目前只適合于薄板切割（一般厚板打孔時(shí)間長(zhǎng)）,

而精細(xì)等離子切割機(jī)切割精度可達(dá)激光切割口勺卜.限，切割表面質(zhì)量近似，但切割成本

遠(yuǎn)低于激光切割，約為其1/3,最大切割厚度可達(dá)12mm,因此用精細(xì)等離子切割機(jī)來取

代價(jià)格昂貴的激光切割機(jī)，有助于以最經(jīng)濟(jì)的方式對(duì)用量較大的中、薄板實(shí)行高速精細(xì)

切割。此外，數(shù)控等離子切割與自動(dòng)套料編程軟件配合可以提高材料運(yùn)用率5%-10%,

按年切割2023萬In，則年可節(jié)省鋼材100?200萬I,價(jià)值幾|億元。故在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)

家已出現(xiàn)以數(shù)控等離子切割機(jī)取代火焰切割機(jī)和激光切割機(jī)歐I發(fā)展趨勢(shì)。

數(shù)控等離子切割技術(shù)在我國(guó)的I現(xiàn)實(shí)狀

況與發(fā)展

引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬熱切割一般有氣割、等離子切割、激光切割等。其中等離子切割與

氣割相比，其切割范圍更廣、效率更高。而精細(xì)等離子切割技術(shù)在材料的切割表面質(zhì)量

方面已靠近了激光切割的質(zhì)量，但成本卻遠(yuǎn)低于激光切割。因此，等離子切割自20世紀(jì)

50年代中期在美國(guó)研制成功以來，得到迅速發(fā)展。伴隨計(jì)算機(jī)及數(shù)字控制技術(shù)的迅速發(fā)

展，數(shù)控切割也得以蓬勃發(fā)展，并在改善加工精度。節(jié)省材料、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等方面

顯示出巨大優(yōu)勢(shì)。這促使等離子切割技術(shù)從手工或半自動(dòng)逐漸向數(shù)控方向發(fā)展，并成為

數(shù)控切割技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。數(shù)控等離子切割技術(shù)是集數(shù)控技術(shù)、等離子切割技

術(shù)、逆變電源技術(shù)等于一體日勺高新技術(shù)，它日勺發(fā)展建立在計(jì)算機(jī)控制、等離子弧特性研

究、電力電子等學(xué)科共同進(jìn)步基礎(chǔ)之上。我國(guó)的數(shù)控切割技術(shù)起步于20世紀(jì)80年代，而

數(shù)控等離子切割技術(shù)起步更晚。但近年來，國(guó)內(nèi)某些高校、科研單位、制造廠商對(duì)數(shù)控

等離子切割技術(shù)進(jìn)行了研究，并逐漸開發(fā)生產(chǎn)了多種規(guī)格口勺數(shù)控等離子切割設(shè)備，縮小

了與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距°

1.國(guó)內(nèi)數(shù)控等離子切割的現(xiàn)實(shí)狀況

我國(guó)工廠的板材下料中應(yīng)用最為普遍的是火焰切割和等離子切割，所用的設(shè)備包括手工

下料、仿形機(jī)下料、半自動(dòng)切割機(jī)下料及數(shù)控切割機(jī)下料等。與其他切割方式比較而言,

手工下料隨意性大、靈活以便，并且不需要專用配套下料設(shè)備。但手工切割下料的缺陷

也是顯而易見的，其割縫質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料揮霍大、后道加工工序的工作量大,

同步勞動(dòng)條件惡劣。用仿形機(jī)下料，雖可大大提高下料工件的質(zhì)量，但必須預(yù)先加工與

工件相適應(yīng)的靠模，不適于單件、小批量和大工件下料。半自動(dòng)切割機(jī)雖然減少了工人

勞動(dòng)強(qiáng)度，但其功能簡(jiǎn)樸，只適合一種形狀日勺切割。上述3種切割方式，相對(duì)于數(shù)控切割

來說由于設(shè)備成本較低、操作簡(jiǎn)樸，因此在我國(guó)的中小企業(yè)甚至在某些大型企業(yè)中仍在

廣泛使用。

伴隨國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)歐I蓬勃發(fā)展以及“以焊代鑄趨勢(shì)的加速，數(shù)控切割歐I優(yōu)勢(shì)正在逐漸為

人們所認(rèn)識(shí)。數(shù)控切割不僅使板材運(yùn)用率大幅度提高，產(chǎn)品質(zhì)量得到改善，并且改善了

工人的勞動(dòng)環(huán)境，勞動(dòng)效率深入提高。目前，我國(guó)金屬加工行業(yè)使用歐I數(shù)控切割機(jī)是以

火焰和一般等離子切割機(jī)為主，但純火焰切割，已不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)日勺需要，而目前市

場(chǎng)需求的數(shù)控切割機(jī)多為數(shù)控等離子切割機(jī)，該類切割機(jī)可滿足不一樣材料、不一樣厚

度的金屬板材日勺下料以及金屬零件的加工的需要，因此需求量將會(huì)越來越大，但與國(guó)外

的差距仍極為明顯，重要體現(xiàn)為：發(fā)達(dá)國(guó)家金屬加工行業(yè)90%為數(shù)控切割機(jī)下料，僅

10%為手工下料；而我國(guó)數(shù)控切割機(jī)下料僅占下料總量的10%,其中數(shù)控等離子切割下

料所占比例更小。究其原因，較高口勺設(shè)備成本、復(fù)雜和維護(hù)和操作制約了數(shù)控切割在我

國(guó)的I深入普及。因此國(guó)內(nèi)數(shù)控切割機(jī)生產(chǎn)廠家引進(jìn)了國(guó)外控制系統(tǒng)技術(shù)，通過二次開發(fā)

后運(yùn)用到了切割領(lǐng)域中，設(shè)計(jì)出了適合我國(guó)國(guó)情的數(shù)控切割機(jī)。某些廠家開發(fā)生產(chǎn)口勺專

用數(shù)控切割設(shè)備，在技術(shù)上已經(jīng)到達(dá)或超過了國(guó)外同類產(chǎn)品。

我國(guó)數(shù)控切割機(jī)每年市場(chǎng)需求量約在400?500臺(tái)之間，產(chǎn)品重要以數(shù)控等離子切割機(jī)為

主。相較而言，仿形切割機(jī)每年銷售幾千臺(tái)，半自動(dòng)切割機(jī)每年銷售達(dá)上萬臺(tái)。由此可

見，我國(guó)數(shù)控切割市場(chǎng)，尤其是數(shù)控等離子切割市場(chǎng)內(nèi)發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮摹?/p>

1.1等離子切割種類簡(jiǎn)介

a.一般等離子弧切割。根據(jù)所使用的重要工作氣體，重