高速數(shù)控加工技術(shù)是一門綜合技術(shù)，實際應(yīng)用中還有許多問題等待解決。這些問題包括：高速機床的動態(tài)、熱態(tài)特性，刀具材料、幾何形狀與耐用度的關(guān)系，高速機床刀具、工夾具及工藝參數(shù)，冷卻潤滑、切屬排除和安全操作，CNC高速高精度控制系統(tǒng)等。近來，航空工業(yè)總公司為了解決在航空領(lǐng)域中數(shù)控加工的綜合技術(shù)問題，在北京航空工藝研究所成立了“數(shù)控制造技術(shù)航空科技重點實驗室”（LANCMT），將高速數(shù)控加工技術(shù)列為主要研究內(nèi)容之一。
本文從主軸控制、伺服系統(tǒng)、CNC系統(tǒng)等方面，對超高速數(shù)控機床的控制系統(tǒng)作一介紹。
1.矢量控制的PWM交流變頻控制器
電主軸是高速數(shù)控機床的關(guān)鍵部件，目前國際上****水平的電主軸產(chǎn)品如瑞士Fisher公司產(chǎn)品，nmax＝40000r/min，P＝40kw；法國 Forest-Line公司的產(chǎn)品ORB17，nmax＝40000r/min，P＝40kW，M＝9.5N·m等。軸承多采用陶瓷球軸承、磁浮軸承和空氣靜壓軸承。高水平的電主軸從靜止到****速僅需1.5s，加速度達到1g。這些參數(shù)要求主軸控制器具有極高的動態(tài)品質(zhì)、精度、可靠性和可維護性。矢量控制的PWM交流變頻系統(tǒng)是這種控制的****選擇。
矢量控制包括坐標變換、矢量運算（非線性的復雜運算）及參數(shù)檢測。對于交流電動機瞬時值進行控制的必要條件是高速運算。應(yīng)用專用CPU的32位DSP提高了運算速度，執(zhí)行一條指令只需見納秒，從而達到了轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)的目標。高速化的另一個因素是采用了固體驅(qū)動電路。全數(shù)字化的H/W電流控制系統(tǒng)，電動機轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)辨識系統(tǒng)和電壓、電流測試信號經(jīng)過采樣數(shù)據(jù)的處理，求出可信度極高的電動機動態(tài)參數(shù)值。這種關(guān)量控制PWM變頻器的性能及規(guī)格要求是：采用矢量控制，在1Hz時有150％以上的高啟動轉(zhuǎn)矩；采用1GBT智能功率模塊，載波頻率高（＞15kHz）；采用 32位DSP（Digital Signal Processor）及MPU芯片，由雙CPU實現(xiàn)全信號數(shù)字處理的復雜矢量運算和PWM控制；故障自診斷監(jiān)控及顯示；參數(shù)自檢測和離線自設(shè)定功能；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速辨識能力；兩種速度控制方式：恒轉(zhuǎn)矩和恒功率；輸出頻率范圍0.1～400Hz；加減速時間等于0.1～300s等。
2.快速響應(yīng)，高定位精度，瞬時變結(jié)構(gòu)，實時控制伺服系統(tǒng)和直線電動機驅(qū)動
超高速加工不但要求機床有極高的主軸速度，而且要求有很高的進給速度和加速度、進給速度一般大于30m/min，加速度達到1g。在滾珠絲杠驅(qū)動方式下其極限值約為60m/min和1g，而使用直線電動機后可達到160m/min以上和2.5g以上，定位精度可高達0.5～0.05µm。采用快速、精密、高速度和耐用的直線電動機，避免了滾珠絲杠（齒輪，齒條）傳動中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛度不足等缺點，實現(xiàn)了無接觸直接驅(qū)動，可獲得一致公認的高精度、高速度位移運動（在高速位移中的極高的定位精度和重復定位精度），并獲得極好的穩(wěn)定性。但要達到這些要求，必須有高性能和高靈敏度的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。
目前，全數(shù)字交流驅(qū)動系統(tǒng)已作為產(chǎn)品得到較普遍應(yīng)用，它為伺服控制的高靈敏度及變結(jié)構(gòu)控制打下了基礎(chǔ)。用專用CPU進行電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的全閉環(huán)控制，采用前饋控制，利用伺服跟蹤預測進行前向補償以減少跟蹤誤差，加快了響應(yīng)速度，增加了非線性補償控制功能，補償了驅(qū)動機械靜摩擦和粘性阻力產(chǎn)生的誤差；利用魯棒控制理論進行自校正控制，克服了轉(zhuǎn)矩慣性及負載變化引起的誤差；在高速運動中為保證高定位精度，而應(yīng)用磁式高分辨率****位置編碼器，如每轉(zhuǎn)100萬條刻線，分辨率0.01µm等先進技術(shù)，為了達到高速加工中的響應(yīng)速度快、抗干擾能力強及高的定位精度等優(yōu)良性能，目前多采用一種變結(jié)構(gòu)的伺服控制方式。這種控制方式能夠在系統(tǒng)瞬態(tài)變化過程中改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而這種變化是由系統(tǒng)當前的狀態(tài)所決定的。且這種系統(tǒng)具有對系統(tǒng)參數(shù)及外擾變化的不敏感性，并能夠改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，使系統(tǒng)快速、準確地定位或跟蹤給定曲線。
3.精簡指令集的CNC控制系統(tǒng)
為了在超高速加工復雜零件時獲得高精度，許多CNC系統(tǒng)采用了精簡指令集系統(tǒng)，簡稱RISC。它可以計算系統(tǒng)參數(shù)產(chǎn)生的預期誤差，并根據(jù)實際需要進行修正，從而使實際軌跡精確地跟蹤編程軌跡，消除跟蹤誤差。RISC還具有控制加、減速，優(yōu)化執(zhí)行程序等功能。這種系統(tǒng)（以FANUC16，西門子840為代表）均已采用32位CPU，有些已采用64位CPU，并帶有小型數(shù)據(jù)庫，兼有CAM功能，具有MAP3.0通訊能力；采用C語言編程，具有工具監(jiān)控功能。
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