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超精密加工设备的机床数控系统

超精密机床的数控系统

超精密机床数控系统的特点是 高编程分辨率(1nm)和高精度的伺 服控制软硬环境。在高编程分辨率条件下满足高质量切削条件,意味着 需要高的控制速度,例如插补周期小 于 1ms( 普通数控为 10ms 左右 ),伺 服闭环采样周期小于 0.1ms。 

PC机的发展给数控技术带 来 新 的 变 化,基 于 PC 的 数 控 系 统已成为超精密数控系统的趋 势。 例 如 美 国 的NANOPATH 和 P R E C I T E C H’S U L T R A P A T H TM都是基于 DSP的超精密数控 系统。数据系统的硬件运动控制模 块(PMAC)开发及运用越来越广泛, 使基于PC的数控系统的可靠性和 可重构性得到提高。新的芯片 ( 如 SERCOS)和网络协议的发展又给数 控系统提供了一种分布网络式的新 结构,使其可靠性和开放性更好。 

超精密数控机床不难实现高定 位精度,?#35789;?#22312;超精密概念下有一些 非线性环节,采用?#23454;?#30340;控制算法 都可以得到很高的定位精度。但是 当机床作非直线运动时 (多轴联动)对指定轮廓 曲线的控制精度(跟踪 精度)还取决于机床各 维运动的动态特性。因 此,很难保证高的跟踪精 度。一些?#23454;?#30340;控制技 术(如解耦控制技术)可 ?#36234;?#22810;维运动参数加以 解耦来提高跟踪精度。 

多轴联动数控系统 的精度主要从单个伺服 轴的运动控制精度和联 动轴耦合轮廓精度 2 方 面来评价。对于单个伺服轴的运动 控制,当要求的运动精度达到纳米级 时,传统的超精密机床传动方式在 低速、微动状态下表现出强非线性特 性,常规的运动控制策略已经很难保 证伺服系统实现理想的纳米级随动 精度。 

此外,多轴联动系统的轮廓误差 由各伺服轴的运动误差耦?#31995;?#21040;, 耦 合误差的建模?#26696;?#36724;相应的补偿控制量的计算都需要大量的齐次坐标 变换运算,这为实际的多轴联动耦合 控制器的设计带来了很大的不便。 智能控制理论与方法将可能为此问 题提供理想的解决方法。此外,要实 现多轴联动纳米级轮廓控制精度, 还 有一个不可忽视的问题,即联动轴的 同步问题。同步精度的高低直接影 响到系统的轮廓跟踪精度。严格意 义上的多轴伺服系统同步涉及到复 杂的数控和伺服系统接口规范的制 定。目前,在可以实现亚微米级加工 的高档多轴联动超精密数控机床研 制方面,我国尚未取得突破?#36234;?#23637;。 至于可实现大型复杂曲面,特别是自 由曲面的纳米级超精密加工的五轴 联动机床,至今仍是一个世界上尚未 解决的难题。


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