核心技術之數控裝置篇

主軸的作用是推動刀(磨)具(銑削/切削/切削)或工件(車削)按給出速率轉動，並傳送切削加工所需的功率和扭矩，使刀(磨)具在工件上實現材料除去。數控機床主軸的發展過程中出現了非變速的交流電機經主軸箱傳動的腳踏式主軸、電機與主軸一體化的電主軸、高速電主軸、高剛度大扭矩高速電主軸和智能式主軸等。

機床走刀軸的伺服驅動方法從步進電機、液壓占比伺服、晶閘管變流和PWM控制的直流電機伺服等形式，發展到現在變成主流的矢量控制交流電機伺服、雙電cnc companies機重心驅動、直線電動機/力矩電動機直接驅動等形式，並且多采用含有位置環、速度環、電流環和“前饋+過濾”的全閉環控制，為各坐標軸走刀提供高速度、高精密、高動態響應的運動控制。此外，伺服控制方式從模擬量控制，經過“模擬量+數字量”混和控制方式，發展為全數顯式現場工業總線控制方式，如串行實時通信協議總線、即時以太網控制自動化控制總線、過程現場總線等。

數控裝置是數控車床控制的中樞，如前所述，數控裝置緊跟電子技術、計算機技術、信息技術的發展而演變演變，其發展過程可分為7代，第1、2、3代是各自選用電子管分立元件、晶體管、集成電路的數控裝置，處在數控裝置發展前期，體積和功耗大，穩定性低，實用性差。第4代為選用小型電子數字計算機的CNC設備，相較於前幾代，其硬件系統結構緊湊、專用性強、穩定性大大提高，數控技術進入到計算機數控的新路軌，從而使數控車床真正地進入到實用階段並加快了迭代和發展，此即為數控機床發展的第1個拐點，直接數控(DNC)、柔性制造系統(FMS)等概念和系統陸續發生。隨著超大規模集成電路微型微處理器技術成熟，第5代數控裝置將基於微控制器的專用硬件或單板機用作其硬件系統，進一步減小了硬件體積，減少了成本，但其硬件結構的兼容性和開放式較差。20世紀80時代，第6代數控裝置中使用了個人微型計算機(PC)，增添了數控機床發展的第2個拐點。借用PC成熟的軟/硬件系統、豐富的運用資源和通用的網絡化接口等特點，數控裝置的研究開發轉為以軟件算法完成各種功能，即進入到開放式、網絡化和軟件化數控階段。隨著工業4.0發展，結合智能傳感、物聯網/工業物聯網、大數據、雲計算、人工智能、數字孿生和賽博物理系統的第7代智能數控裝置及智能機床正在向大家走來，這將給數控技術發展帶來一個新拐點，甚至可能帶來一次新的革命。

數控核心技術之多軸聯動與軌跡插補

多軸聯動控制系統是數控車床控制的關鍵技術之一。數控車床各走刀軸(包含直線座標走刀軸和旋轉座標走刀軸)在數控裝置控制下依照程序指令同時運動稱為多軸聯動控制。高檔數控機床一般都具備3軸或3軸以上聯動控制作用，多為4軸聯動或5軸聯動。每個走刀坐標軸的運動一般由電機在伺服控制器控制下完成，因而，高性能的坐標軸走刀伺服設備構成了完成多軸聯動控制的物理基礎。多軸聯動控制就是根據數控加工程序給出運動軌跡(即進刀軌跡)，通過軌跡插補和實時控制，在每個cnc machined part伺服控制周期給出每個聯動坐標軸的運動增量，實時控制全部坐標軸的同時運動(simultaneousmotion)。

軌跡插補也是數控車床控制的關鍵技術之一。完成插補運算的裝置(或軟件模塊)稱為插補器，當代數控車床普遍采用數字計算機根據軟件完成軌跡插補。軌跡插補技術發展過程如圖7所示。從實現的插補作用角度來看，2軸聯動的平面點位控制、平面直線和圓弧插補是最簡單的插補作用;2.5軸聯動插補事實上只有2軸聯動控制，其第3軸只能完成與此外2軸非聯動的控制，這樣的聯動插補方法可加工3D的曲線和曲面，但效率低、適應性差;3軸聯動插補除了完成平面和空間的直線插補、圓弧插補作用外，高端數控系統還具有螺旋線插補、雙曲線插補等功能;5軸聯動插補可高效方便地完成各種繁雜曲線和曲面插補的功能，並進一步發展樣條插補和先進的速度、加速度、加速度變化率(Jerk)等控制功能，是高速度、高精密、高動態響應加工的關鍵技術。筆者認為，未來的數控裝置還將發展自由曲面直接插補作用(SDI)，並有望與基於人工智能和數字孿生的進刀軌跡規劃相結合，在考慮多軸聯動動力學模型及其軌跡偏差和速率car bumper molding約束下，完成由3D模型驅動的刀軌生成和最優控制的多軸聯動直接插補。

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