新技术介绍资料

新技术简介

2.1磁悬浮技术

引言

伴随科学技术日勺不停发展，尤其是电子和信息技术的发展，促使与之亲密有关的机械

制造技术不停发展。在超高速精密加工、航空航天、能源交通等领域中，人们为了提高

生产效率和机械日勺工作可靠性，不停地提高加工机械日勺速度、效率、自动化和柔性化水

平。而老式日勺机械轴承渐渐日勺达不到人们日勺规定，于是磁悬浮轴承就应运而生了。

磁悬浮轴承是一种全新的支承元件。它借助于永久磁铁或电磁铁欧J磁力将转子悬浮，并

在控制器的控制之下克服外载荷日勺作用，使转子围绕其惯性中心旋转。因其无机械接触,

转子可以到达很高的运转速度，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、

无油污染等长处，从主线上克服了老式支承形式H勺缺陷，从而成为高速、高精度领域最

有发展前景H勺理想支承形式。磁悬浮轴承技术是国际上20世纪60年代中期开始的一项

新的支承技术。人类对磁悬浮轴承的研究成功，标志着老式支承技术革命时期的到来。

近年来，磁悬浮轴承作为一种全新的有机整体，构成机械H勺全新的机械零件，已经走

进了国民经济的各个领域，极大地提高了其应用领域口勺发展水平。

磁悬浮轴承的工作原理

磁悬浮轴承按照磁力提供口勺方式，可分为有源磁悬浮轴承（由电磁铁提供磁力，也称为

积极磁悬浮）、无源磁悬浮轴承（由永久磁铁提供磁力，也称为被动磁悬浮轴承）、混合

磁悬浮釉承（由永久磁铁和电磁铁提供磁力）。一般一种简朴MJ积极磁悬浮轴承系统由转

子、位置传感器、控制器、电磁铁和功率放大器这儿部分构成。

图1主动磁悬浮轴承的工作原理图

图1所示为积极磁悬浮轴承的I工作原理：通过位置传感器检测转子的轴偏差信号，将该

信号送入控制器，通过功率放大器控制电磁铁中的电流，从而产生电磁力的变化，使

转子悬浮于规定H勺位置。积极磁悬浮轴承按支承方式的不一样又分为径向磁悬浮轴承和

轴向磁悬浮轴承。而被动磁悬浮轴承没有积极电子控制系统，它是运用磁场自身的特性

将转子悬浮起来。因此，被动磁悬浮轴承可以在无控制环节的状况下到达稳定，不过它

不能产生阻尼，因此，这个系统日勺稳定域是比较小的，外界较小的干扰也会使它趋于

不稳定。混合磁悬浮轴承是在积极磁悬浮轴承、被动磁悬浮轴承和其他某些辅助支承和

稳定机构基础上形成的一种组合式磁悬浮轴承。

研究现实状况

磁悬浮轴承是磁悬浮技术的重要应用。20世纪初，Earnshanws发现了抗磁物体可

以在磁场中自由悬浮，此后，Braunbeck进行了严格的理论证明。在1937年，德国的

Kenper申请了第一种磁悬浮技术专利，他认为要使得铁磁体实现稳定的磁悬浮，必须

根据物体的悬浮状态不停地调整磁场力的大小，即采用可控的电磁铁就可以实现。这一

思想成为后来开展磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究口勺主导思想。据有关资料记载：1969年,

法国军部科研试验室(LRBN)开始对磁悬浮轴承进行研究；1972年，将第一种磁悬浮轴承

应用于卫星导向谣飞轮支承上，从而揭开了磁悬浮轴承发展的序幕。此后，磁悬浮轴承

很快被应用到国防、航天等重要日勺领域。1976年，法国SEP企业和瑞典SKF轴承企业联合

成立了S2M企业，专门开发工业用的磁悬浮轴承。1984年，S2M企业又与日本精工电子工

业企业联合，成立了日本电磁轴承企业，在日本生产、销售涡轮分子泵和机床电磁主轴

等。通过30数年日勺发展，磁悬浮轴承在国外的应用场所深入扩大，从应用角度看，磁悬

浮轴承在高速旋转和有关高精度口勺应用场所具有极大日勺优势。不过，目前研究单位和生

产磁悬浮轴承的企业大部分都是单独设计和生产，给设计、制造磁悬浮机器，如磁悬浮

机床，带来了极大的不便，同步也没有针对某行业的磁悬浮轴承原则。为了以便设计、

制造和推广应用磁悬浮轴承，必须对磁悬浮轴承系列化和原则化。有某些企业已实现了

上述规定，如1996年，芬兰欧JRanma—Repola企业和两所大学共同研制开发的磁悬浮轴

承产品已系列化。目前日勺世界最大磁悬浮轴承企业一一法国S2M企业，在生产用于机床

的磁悬浮轴承主轴方面，已实现系列化、原则化。磁悬浮轴承作为一种机械零件，其原

则化和系列化，将极大地推进磁悬浮轴承H勺应用。

磁悬浮轴承的发展与研究越来越受到国内外工程界和学术界的广泛关注。自1988年起，

国际上每两年举行一届磁悬浮轴承会议，交流和研究该领域的最新研究成果。美国也是

从1991年后，每两年召开一次磁悬浮技术会议。目前，美国、法国、瑞士、日本和我国

都在大力支持开展磁悬浮轴承的研究工作。国际上的这些努力，将会极大地增进磁悬浮

轴承在工业上的广泛应用.

我国对磁悬浮轴承的研究始于20世纪50年代末，后医多种原因进展不快，没有引起科

研单位欧I足够重视。1986年，广州机床研究所与哈尔滨工业大学首先对“磁力轴承时开

发及其在FMS中的应用”这一课题进行研究。此后，西安交通大学、清华大学、南京航

空航天大学、上海大学等院校先后开展了电磁轴承系统欧I研究。西安交通大学轴承研究

所于1990年在国内初次实现了4自由度磁悬浮轴承的稳定悬浮，最高转速为3000r/min。

清华大学电磁轴承研究室为无锡磨床厂研制了磨床主轴用磁悬浮轴承，并正在开展

10MW高温气冷堆用氮气透平磁悬浮轴承的研究工作，计划在2023年采用磁悬浮轴承日勺

氨气直接循环的透平发电装置投入运行。南京航空航天大学于1992年开始对航空发动机

用磁悬浮轴承系统进行跟踪研究，研究JJ乍获得了江苏省和航空科学基金H勺资助，目

前已建成3个磁悬浮轴承试验台，转速到达60000r7min。与国外H勺磁悬浮轴承相比，我

国在研究水平和应用水平上还存在着一定差距。磁悬浮轴承能否产业化，其发展速度和

水平关系着民族工业H勺前途，其市场潜力也是非常巨大的。我国应加大磁悬浮轴承这种

机械零件的研发力度，使我国的产品在国际市场上占据一席之地。

磁悬浮轴承的应用

作为近几年崛起的机械零件中的科技新星，磁悬浮轴承是机电一体化产品，是控

制理论、电子电力、电磁学、转子动力学及计算机科学等学科交叉的结晶。伴随电子技

术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料日勺发展和转子动力学日勺进展,

磁悬浮技术得到了长足欧I发展，它的应用也越来越广泛。到目前为止，它重要应用在三

方面：

(1)用作支承元件即一般意义下的磁悬浮轴承。磁悬浮轴承与老式日勺支承元件相比，

长处是：支承主轴转速高、回转精度高，消除了转子与轴承之间的摩擦且不需用润滑和

密封，可深入简化构造，可靠性和可维护性大大提高。如应用在高速磨床、铳床、高速

电机、航空发动机、航天器姿态控制装置等机器中。

(2)用作减振器称为电磁减振器或电磁阻尼器，对具有不平衡质量日勺柔性转子系统振

动的控制。现代旋转机器一般都设计成超临界的柔性轴。柔性轴运转时，在多种干扰力

口勺作用下，如突加不平衡、支撑扰动、外部载荷和不稳定口勺自激运动产生的振动，均有

也许引起系统失稳以至干损坏机器，又也许发牛重大H勺事故。因此，在规定机械高速和

高加工精度H勺今天，旋转机械柔性轴日勺不平衡控制显得尤其重要。磁悬浮轴承区别于一

般轴承的明显特点之一，就在于它的高速度和提供了一种可控的电磁力。磁悬浮轴承除

了满足基本的支承作用外，既能作为转子运转日勺检测传感器，又能作为对转子实行控

制的执行器。如将其应用在涡轮机、透平机械和离心机等机器上，控制转子的不平衡，

将会极大日勺提高转子日勺运转精度和工作可靠性。图2为一种磁悬浮轴承控制转子不平衡

口勺模型。在上面口勺模型中，磁悬浮轴承安装在转子的中间，控制转子口勺不平衡响应，两

边用保护轴承作为对转子的支承和保护。

(3)用作动力吸振器我们称之为电磁悬浮动力吸振器，也能很好欧I处理转子振动

控制中日勺问题，如图3所示。

图3磁悬浮动力吸振器系统模型

在这种控制转子不平衡振动的系统中，磁悬浮轴承不必安装在转子的两边，因此可以

兼顾转子的静、动态特性规定，也不随转子旋转，鼓励控制以便且不会因动力吸振器运

动而派生出更大日勺离心力问题；因不随转子旋转，不会增长转子日勺转动惯量。该系统日勺

作用是：在指定日勺多种频率位置，将转子日勺不平衡响应减为零，而在其他较宽的频率

范围内，尽量克制不平衡响应的水平，使之处在非共振量级。目前，电磁悬浮动力吸振

器通过仿真阐明了它对转子振动控制H勺有效性，它的设计和试验正在进行中。

从理论研究日勺角度来讲，电磁悬浮动力吸振器的设计构思将开辟转子动力学领域一种

新的研究方向。采用电磁悬浮动力吸振器的转子积极控制的研究，在国内外尚属空白。

国外仅有YoshiakiIWATA等人曾进行过空气弹簧动力吸振积极控制的研究，而所针对日勺

是轴承处的动力吸振器。从工程应用口勺角度来讲，该设计构思提出了全新口勺转子振动积

极动力吸振措施，是对自动动平衡、多种积极控制轴承等转子减振措施的重要补充，为

设计者提供了新日勺选择方案，有时也许是最优选择方案。

磁悬浮轴承现存的问题

在电磁悬浮动力吸振器H勺研究过程中，我们尚有许多问题需要处理：

(1)控制器的选择伴随控制理论已勺发展以及对磁悬浮系统性能规定日勺不停提高，

磁悬浮系统控制器需要实现日勺控制算法的复杂程度日渐加大。

(2)在系统建模时，怎样减少涡流和磁滞后现象对电流刚度、位移刚度和功率损耗等的

影响。

(3)将电磁悬浮动力吸振器应用于工业生产中，并将其商品化、系列化将是我们最终日勺

目的。

磁悬浮轴承的发展趋势

虽然对磁悬浮轴承的研究还存在诸多问题，但对其理论分析已经形成了较完整的体系。

从总体上来看，国内外磁悬浮轴承的研究具有如下几种发展趋势：

(1)理论分析方面：理论问题的研究将更具有针对性，并在重视控制系统研究向同步，

着重研究系统的转子动力学分析，从而更有效地改善控制措施；采用模糊控制，神经网

络控制等智能控制措施，实现对复杂转子动力学特性H勺控制。

(2)应用方面：成本过高在一定程度上限制了磁悬浮轴承的推广应用，因而实用性的研

究将加强，它的产品化和原则化日勺步伐也将加紧，新产品将越来越多地使用数字控制，

应用范围也将逐渐参军工转向民用。

(3)自检测磁悬浮轴承的讲究。这种轴承在工业上具有很大的应用前景。

(4)多种先进控制器和功率放大器的研究。磁悬浮轴承的动态性能，在很大程度上取决

于控制器和功率放大器的性能，这个领域将是此后研究的热点之一。

(5)超导磁悬浮轴承的研究。这种轴承的体积很小，却有很大的承载能力，这方面的研

究进展在很大程度上依赖于高温超导材料日勺进展。

2.2五轴联动技术

五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲的机床，这种机床

系统对一种国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着

举足轻重的影响力。目前，大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是处理叶轮、叶片、

船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。

装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品日勺开发和现代工业生产提供重要时

手段，是不可或缺的战略性产业。虽然是发达工业化国家，也无不高度重视。近年来,

伴随我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档曰勺数控机床提出了紧迫的大量

需求。机床是一种国家制造业水平的象征。而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数

控机床系统，从某种意义上说，反应了一种国家aJ工业发展水平状况。长期以来，以美

国为首日勺西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实

行出口许可证制度。尤其是冷战时期，对中国、前苏联等社会主义阵营实行封锁禁运。

爱好军事的朋友也许懂得著名的“东芝事件"：上世纪末，日本东芝企业卖给前苏联儿

台五轴联动的数控铳床，成果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几种档次，

使美国间谍船日勺声纳监听不到潜艇的声音了，因此美国以东芝企业违反了战略物资禁

运政策，要惩处东芝企业c由此可见，五轴联动数控机床系统对一种国家H勺航空、航天、

军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力。目前，大家

普遍认为，五轴联动数控机床系统是处理叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、

汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。因此，每当人们在设计、研制复杂

曲面碰到无法处理的难题时，往往转向求援五轴数控系统。

五轴联动加工中心

加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心，立式加工中心（三轴）最有效的加工

面仅为工件日勺顶面，卧式加工中心借助回转工作台，也只能完毕工件日勺四面加工。目前

高档H勺加工中心正朝着五轴控制H勺方向发展，五轴联动加工中心有高效率、高精度的特

点，工件一次装夹就可完毕五面体的加工。如配置上五轴联动的高档数控系统，还可以

对复杂的空间曲面进行高精度加工，更可以合适象汽车零部件、飞机构造件等现代模具

口勺加工。（本期简介立式五轴加工中心）立式五轴加工中心此类加工中心口勺回转轴有两

种方式，一种是工作台回转轴。设置在床身上的工作台可以围绕X轴回转，定义为A轴，

A轴一般工作范围+30度至T20度。工作台的中间还设有一种回转台，在图示的位置上

围绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴日勺组合，固定

在工作台上H勺工件除了底面之外，其他的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C

轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细提成任意角度，加工出倾斜面、倾

斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这

需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的长处是主轴啊构造比

较简朴，主轴刚性非常好，制导致本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小,

尤其是当A轴回转不小于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。

另一种是依托立式主轴头的回转。主轴前端是一种回转头，能自行围绕Z轴360度，成

为C轴，回转头上尚有带可围绕X轴旋转H勺A轴，一般可达±90度以上，实现上述同样

口勺功能。这种设置方式的长处是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机

庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在此类加T中心上加T.c这种设计尚有一大长处：

我们在使用球面铳刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铳刀的顶

点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对

工件转过一种角度，使球面铳刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加

工质量。这种构造非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以

做到日勺。为了到达回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在

几秒以内，当然此类主轴内回转构造比较复杂，制导致本也较高。

构造图:

五轴联动机床一般由3个平动轴加上两个回转轴构成。根据旋转轴详细构造的不一样可

分为3种形式：刀具双摆动、工作台双旋转和刀具摆动加工作台旋转。现定义旋转轴法

向矢量不变的轴为定向轴，旋转轴法向矢量变化日勺轴为变向轴。由于刀具双摆动的五轴

机床具有工作台、动轴的特点，可以加工大型复杂曲面的零件，并且轻易实现优良的」高

速性能。

刀具回转/摆动型五坐标机床

刀具与工作台回转/摆动型机床

2.3控制系统动态跟踪赔偿机械精度误差技术

数控机床日勺数字化全闭环控制

高精度位置控制是开发高精度数控机床的关键技术。近年来，我们针对发展国产高精度

数控机床的需求，对数字化全闭环高精度位置控制技术进行了研究，以此为基础开发出

新型数字化全闭环位置控制系统，并在多种国产数控机床上进行了应用，在复杂精密零

件加工方面获得了良好效果。下面对这种新型系统的基本构成、动态构造、控制器设计、

应用状况等作一简介。

1常规数字式位置控制系统存在的问题

目前，数字式交流伺服系统在数控机床中正得到越来越广泛H勺应用。由其构成的位置控

制系统的基本构成如图1所示。图中，数字式伺服驱动模块与伺服电机等共同构成一高精

度角度闭环随动系统，其输入为数控系统给出的指令脉冲，输出为电机转角。在以光码

盘等为反馈环节所实现口勺闭环控制下，电机轴的转角将严格随指令值变化。通过齿轮副

和丝杠螺母副传动，电机日勺角位移被转换为所需的工作台直线位移。

实际位移

工作白

丝杠

稣冲光码盘

向服电机

图1常规数字式位置控制系统口勺基本构成

由图I可见，显然以转角为输出的数字式伺服系统自身是一闭环系统，但从以机床工作

台位移为最终被控量的角度看，由其构成的位置控制系统却是一开环系统（或称未闭环

系统）。因此，其位置控制精度不仅与控制系统日勺性能有关，并且还在很大程度上取决于

机床日勺机械构造。这样，系统中信息传递环节的误差、机械传动环节日勺误差以及多种非

线性原因的影响，都会使工作台位移偏离指令值，而升环系统乂无法对其进行有效校正,

因而使得常规数控机床虽然使用了高性能H勺数字式伺服系统也难以到达高H勺加工精度。

2数字式全闭环位置控制系统H勺构成

为处理上述问题，本文提出一种数字化全闭环位置控制措施，其基本思想是：在对机床

运动部件进行数字式驱动的基础上，引入直接检测运动部件最终位移欧I数字式测量环节,

以充足获取和运用系统信息，从反馈控制的角度对机床各坐标H勺运动进行数字化控制，

由此构成包括多种误差源却非线性环节口勺数字化全闭环系统。这样，该系统不仅可使运

动部件日勺定位精度由检测环节的测量精度决定，并且可对多种干扰和非线性原囚对运动

部件位移产生的影响进行有效的动态校正，使任何时刻运动部件的实际位移总是严格跟

随指令值变化，从向保证机床各坐标日勺运动具有很高日勺动、稳态精度。

根据上述思绪构成的数字化全闭环位置控制系统日勺基本构成如图2所示。该系统采用光

栅作为线位移检测装置直接获取机床工作台的位移信息，此信息通过前置处理后得到相

位差90°的两路位移脉冲信号，其频率与工作台位移速度成正比，其数量为工作台实际

位移量除以脉冲当量。位移脉冲被送入可逆计数器进行计数，该计数器中的计数值即表

达了工作台的目前实际位置。系统中位置控制器的作用是，根据位置给定值与位置反馈

之差，按预先设计的数字化控制规律控制整个系统的运行，以保证工作台位移严格跟随

指令值变化。

3系统的动态构造与控制器设计

图3数字化全闭环位置控制系统的动态构造图

图2系统的)动态构造如图3所示，包括数字位置控制器、广义对象和反馈通道3部分。

广义对象由零阶保持器、脉冲发生器、数字式交流伺服系统、机械运动部件等构成。其

中，零阶保持器起着联接离散环节(数字控制器)与持续环节的桥梁作用。脉冲发生器的

任务是根据位置控制器给出的控制信号产生控制交流伺服系统运动指令脉冲，因此该环

节为一比例环节。交流伺服系统是系统中日勺数字式驱动装置，从宏观上看，伺服电机日勺

转角0与指令脉冲频F之间成积分关系，但从微观上应深入考虑。与F间H勺惯性特性。机

械运动部件H勺作用是将电机转角转换为工作台直线位移，假如将传动误差和非线性原因

口勺影响作为对系统的动态扰动来处理.，也可将该环节看作为一比例环节。

5结论

针对发展国产高精度数控机床的需求，对新型数字化全闭环位置控制系统进行了研究,

重要成果如下：

(1)对机床运动部件进行数字化驱动，不仅可有效消除温漂、零漂等日勺影响，并且可使被

控对象具有较理想的动态构造。使由此构成的I数字化全闭环系统的动态性能有了基本保

证。

(2)对运动部件的最终位移进行数字化检测，可实时获取运动部件精确位置信息，为通

过全闭环控制有效克制机械传动误差和非线性原因对机床坐标运动精度的影响奠定了

基础。

(3)运用计算机构成数字位置控制器，可用软件实现带逻辑切换H勺复杂控制规律，使全

闭环位置控制系统具有优良的动、稳态性能，从而有效提高了数控机床的轮廓加工精度。

(4)实践证明，由数字化全闭环位置控制系统控制日勺数控机床在复杂精密零件加工方面

具有良好效果。

基于运动控制器的全闭环控制系统

1引言

运动控制系统是以机械运动的驱动设备一一电动机为控制对象，以控制器为关键，以电

力电子、功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下构成口勺电气传动控制系统。

此类系统控制电动机口勺转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械口勺控制

规定。运动控制系统的发展得益于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料

技术、自动控制技术、微机应用技术日勺最新发展成果。正是这些技术日勺进步使运动控制

技术在近20年内发生了前所未有的变化。运动控制技术的迅速发展同步增进了机电一

体化技术的迅速发展，进而促使机械工业开始了一场技术革命。

近年来国内外各个厂家相继推出运动控制H勺新技术、新产品。运动控制系统的发展也经

历了从直流到交流，从开环到闭环，从模拟到数字，直到基于PC的伺服控制网络

(PC2BasedSSCNET)系统和基于网络日勺运动控制的发展过程。本文将现代运动控制系

统中具有代表性口勺技术:交流伺服驱动技术和运动控制器技术相结合，研究一种高速度、

高精度、集控制与管理于一体的柔性、开放性运动控制系统。

2交流伺服系统构成的全闭环控制

在某些定位精度或动态响应比较高的机电一体化产品中，交流伺服控制系统得到了广泛

日勺应用，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的时尚，并且调试、使用十分

以便，因而倍受青睐。这种伺服系统日勺驱动器采用了先进日勺数字信号处理器(Digital

SignalProcessor,DSP）,可以对电动机轴后端的光电编码器进行位置采样，在驱动器和

电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充足发挥DSP的高速运算能力，自动完

毕整个伺服系统日勺增益调整，甚至可以跟踪负载变化，实时调整系统增益，因而位置控

制辨别率较高，可靠性很好。一般这种带位置环啊伺服系统，位置环的反馈采样取自伺

服电机的编码器，即伺服电机上口勺编码器既作速度环，也作位置环，对于传动链上的间

隙及误差还不能赔偿克服，只能形成半闭环的位置控制系统。为了克服半闭环系统的缺

陷，获得更高的控制精度，可以在最终的运动部分上安装高精度H勺位置反馈元件（如光

栅尺、磁栅尺等），而电机上的编码器此时仅作为速度环日勺反馈，构成全闭环控制系统。

此时，伺服驱动器接受速度指令，完毕速度环的控制，位置环欧I控制则由上位控制器来

完毕，这样就可以消除机械上存在的一切间隙，并且还可以对机械传动上出现的误差进

行赔偿，到达真正全闭环的目的，实现高精度的位置控制。

该系统采用安川SGDM系列的伺服驱动装置，他具有迅速傅里叶变换（FFT）的功能，可

以测算出设备的机械共振点，并通过陷波方式消除机械共振。

3上位控制技术

运动控制系统的上位控制方案一般有单片机系统、专业运动控制PLC.专用控制系统

和“PC+运动控制器二

采用单片机系统来实现运动控制，速度较慢，精度不高，开发难度较大、周期长，成

本相对较低。这种方案一般合用于产品批量较大、控制系统功能较简朴、有单片机系统

开发经验的顾客。许多品牌的PLC都可选配定位控制模块，有些PLC的CPU单元自身就

具有运动控制功能（如松下FP0）。这种方案一般合用于运动过程比较简朴、运动轨迹固定

的设备，如送料器、自动焊机等。

专用控制系统一般是针对专用设备或专用行业，例如西门子的车床数控系统、铳床

数控系统等。

“PC+运动控制器”的方案伴随PC（PcrsonalComputerW、J普及越来越多，将是运动控制系

统一种重要日勺发展趋势。这种方案可充足运用计算机资源，用于运动过程、机械轨迹都

比较复杂，并且柔性比较强H勺机器设备。

本文简介的全闭环控制系统的上位控制方式，采用“PC+运动控制器”方案。运动控制

器与PC机构成主从式控制构造，以DSP和FPGA芯片作为运动控制器的关键处理器，

以PC机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入PC机，即“PC+运动控制器”

日勺模式。PC机负责人机交互界面日勺管理和控制系统的实时监控等方面日勺工作（例如键盘

和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的I发送、外部信号的监控等

等）；运动控制器完毕运动控制日勺所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、模拟输出、自

动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。这样将PC机的信息处理能力和开放

式H勺特点与运动控制器H勺运动轨迹控制能力有机地结合在♦起，具有信息处理能力强、

开放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好的特点。运动控制器构造构成如图1所示。

图1运动控制器构造框图

该系统中的运动控制器采用深圳固高企业的GT2023SV2PCI运动卡，他是以ADSP2181

数字信号处理器为关键，结合FPGA现场逻辑可编程器件的灵活性完毕运动控制的硬件

架构。运动控制过程中，由DSP实现运动规划、多轴插补、伺服控制滤波等数据运算和

实时控制管理，可以实现高性能日勺控制计算。FPGA逻辑可编程器件和其他有关器件构

成伺服控制和位置反馈硬件接口，实现译码、倍频、脉冲分派、定期、计数等功能。

该运动控制器以IBM2PC及其兼容机为主机，采用原则日勺PCI总线，提供C语言函数库和

Windows动态链接库,实现复杂H勺控制功能。顾客可以将这些控制函数与自己控制系统

所需H勺数据处理、界面显示、顾客接口等应用程序模块集成在一起，开发符合特定应用

规定H勺控制软件。

4基于运动控制器的全比环控制系统

基于运动控制器的全闭环控制系统，如图2所示。

工作台位置也测

图2基于运动控制器的全闭环控制系统

该系统采用光栅尺作为直线位移检测装置，直接获取工作台H勺位移信息，此信息通

过前置处理后得到相位差为90°日勺两路位移脉冲信号，其频率与工作台位移速度成正比,

其数量为工作台实际位移量除以脉冲当量。

运动卡接受到PC机的指令后，向交流伺服驱动器发出控制脉冲信号，经驱动器放大后

驱动电机，使电机按摄影应的频率和角位移运行。光电编码器返回的脉冲信号进入交流

伺服驱动相构成速度环，光栅尺反馈日勺两路位移脉冲信号进入运动控制器构成位置环。

位移脉冲被送入运动控制器中的可逆计数器进行计数，该计数器中的计数值即表达了工

作台日勺目前实际位置。运动控制器的作用是，根据位置给定值与位置反馈值之差，按预

先设计的控制规律控制整个系统日勺运行，以保证工作台位移严格跟随指令值日勺变化。

5控制系统软件的开发

GT2023SV随卡提供了Windows98/2023下的设备驱动程序，同步提供DOS下的运动函

数库和Windows下的运动函数动态链接库，顾客通过主机程序调用对应的函数，也就是

发出运动控制命令，运动控制器将根据主机的规定，自动完毕轨沸规划、安全检测、伺

服刷新等复杂运算，计算成果转换成对应的模拟电压控制伺服电机运动。顾客可以使用

VC,VB,Delphi三种高级语言来开发。软件程序框图如图3所示。

（川蛇化）

图3程序框图

运动参数设定包括轴号、初速度、最高速度、加速度和移动距离等；运动控制程序

包括急停、缓停、清零、常速和迅速等；控制效果显示包括位置和速度显示等。程序略。

6结语

以DSP和FPGA芯片为关键处理器H勺运动控制器，其运动控制功能由硬件电路实现，集

成度高，可靠性好；他只需从PC机接受控制命令，就可以完毕与运动有关日勺控制，使用

非常以便，大大地缩短研制和开发周期，还能实现更完善的全闭环控制系统，可以满足

对伺服电机H勺控制规定。

在运动控制领域中,PID调整器以其构造简朴，可靠性高等长处得到了广泛日勺应用。但对

于运动控制精度规定高的场所，常规PID调整就难以得到满意的控制效果。PID控制可

与其他控制算法结合，形成许多有价值的捽制方略，司高企业日勺运动捽制器采用多种改

善型H勺PID控制算法，更精确地保证了系统日勺控制精度。

2.4激光切割技术

序言

激光切割是激光加工行业中最重要H勺一项应用技术，也是激光加工中应用最早、使

用最多的加工措施。它占整个激光加工业日勺70%以上,激光切割与其他切割措施相比，最

大区别是它具有高速、高精度和高适应性的特点。同步还具有割缝细、热影响区小、切

割面质量好、切割时无噪声、切缝边缘垂直度好、切边光滑、切割过程轻易实现自动化

控制等长处。可切割碳钢、不锈钢、合金钢、木材、塑料、橡胶、布、石英、陶瓷、玻

璃、复合材料等。激光切割板材时，不需要模具，可以替代某些需要采用复杂大型模具

日勺冲切加工措施，能大大缩短生产周期和减少成本。因此，目前激光切割已广泛地应用

于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中。

近年来，激光切割技术发展很快，国际上每年都以15%-20%的速度增长。我国自1985

年以来，更以每年25%以上的速度增长。当然，由于我国激光工业基础较差，激光加工

技术日勺应用尚不普遍，激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距。因此。在我国,

激光切割技术的推广和应用潜力很大。激光切割系统重要由机床主机、激光器、控制系

统二大重要部分构成.控制系统是整个系统的控制中枢，负责协调整个系统的J正常T作,

重要完毕加工轨迹控制、焦点位置控制和机、光、电一体H勺协调控制。数控激光切割机

H勺研制属于机电一体化范围，它的研制使生产系统具有友好的人机界面，以便而易学的

编程方式，以及精确日勺切割轨迹控制功能，适合于工业现场的使用，极大地提高了生产

率。

激光切割是目前世界上先进的切割工艺。它日勺最大长处是由于激光光斑小，能是集中,

因此切割的割缝小、无挂渣、几乎没有热变形，切割面光洁度高。激光切割关键在激光

源。切割厚度大小、切割质量优劣、切割稳定性怎样等都取决于激光源的性能。通用日勺

CO2工业激光源是用电场或高频振荡迫使密封在容器内的混合气体处在激发状态，并产

生受激辐射的单色光，此种光辐射在反射镜及反射透射镜之间往复反射，等积聚到足够

能量后由输出透镜射出。这种激光源电极距离工件远且电极装在激光束之中。电极易烧

损，载流气体消耗大，激光波长有干扰。工作电压高（约10〜25kV）形成操作上时不安

全。激光源体积较大、维修比较复杂。易损件的消耗大。目前比较先进的是用高频谐振

方式激发混合气体的激光源，这种激光源电极距离工件近旦电极装在激光束之外。与通

用的CO2工业激光源相匕电极几乎没有烧损。载流气体消耗少。激光波长不受干扰。

工作电压低（约1〜1.2kV）,操作十分安全。激光器体积小，维修简朴。激光切割由于

速度快、精度高，必须由微机控制的高速切割机来配合。

激光切割机发展现实状况及特点

自从第1台红宝石激光器于1960年问世以来，激光技术己被广泛应用到各行各业,

如平常生活中H勺激光打印、CD唱盘与光盘、VCD与DVD视盘、光纤通信、激光测距、

激光扫描条码。在工业上，激光被用于切割、焊接、标识与热处理等加工领域。中国的

工业激光起步并不比西方国家晚，但由于基础工业口勺微弱和投资力度的局限性，使商品

化的激光切割机研究远远落后于发达国家。目前最大H勺制造厂家是上海雷鸥激光设备厂

(上海嘉定)，每年可生产30台2-5kWH勺横流式CO2激光器，供焊接与表面热处理使用，也

可少许生产1.0—1.5kW轴流式CO2激光器供切割用，南京东方激光企业引进德国技术,

每年可生产1()台152.0kW封闭式轴流式CO2激光器。此外，长春光机所和上海光机所也

生产少许工业激光器。

我国北京机床研究所、核工业部济南铸造锻压机械研究所、北京机电研究院近年也

相继推出了国产H勺数控激光切割机。沈阳机床股份有限企业引进意大利普瑞玛企业数控

激光切割机制造技术合资生产。推出了自己的激光器。

目前我国拥有的整台套的激光切割加工系统局限性千台。并且分布在全国近200家的激

光加工部门中，其中90%为CO2激光器。国产数控激光切割机日勺重要持点是，价格较低,

约是进口价格的1/3；激光器功率较低，一般为1.5kW如下。与国外机相比体现为切

缝宽，表面质量、机械精度、整机的稳定性、柔性较差，但具有价格方面的优势，因此，继

续深入开发和发展国产化的较高质量日勺数控激光切割机。以较低的价格推向市场是一项

很重要的工作。

发展趋势

激光切割是激光加工行业中最量要的一项应用技术，由于具有诸多特点，已广泛地

应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门。

近年来，激光切割技术发展很快，国际上每年都以20%〜3()%的速度增长。我国自1985

年以来，更以每年25%以上的速度增长。由于我国激光工业基础较差，激光加工技术H勺

应用尚不普遍，激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距，相信伴随激光加工技

术的不停进步，这些障碍和局限性会得到处理。激光切割技术必将成为二十一世纪不可

缺乏的重要日勺锁金加工手段。激光切割加工广阔的应用市场，加上现代科学技术的迅猛

发展，使得国内外科技工作者对激光切割加工技术进行不停探入的研究，推进着激光切

割技术不停地向前发展。

(1)伴伴随激光器向大功率发展以及采用高性能ir、jcNc及伺服系统，使用高功率的

激光切割可获得高的加工速度，同步减小热影响区和热畸变；所可以切割欧I材料板厚也

格深入地提高，高功率激光可以通过使用Q开关或加载脉冲波，从而使低功率激光器产

生出高功率激光。

(2)根据激光切割工艺参数的影响状况，改善加工工艺，如：增长辅助气体对切割

熔渣H勺吹力；加入造渣剂提高熔体的流动性；增长辅助能源，并改善能量之间的耦合；

以及改用吸取率更高日勺激光切割。

(3)激光切割将向高度自动化、智能化方向发展，将CAD/CAPP/CAM以及人工智

能运用于激光切割，研制出高度自动化的多功能激光加工系统。

(4)根据加工速度自适应地控制激光功率和激光模式或建立工艺数据库和专家自适

应控制系统使得激光切割整机性能普遍提高。以数据库为系统关键，面向通用化CAPP

开发工具，对激光切割工艺设计所波及的各类数据进行分析，建立相适应日勺数据库构

造。

(5)向多功能日勺激光加工中心发展，将激光切割、激光焊接以及热处理等各道工序

后的质量反馈集成在一起，充足发挥激光加工的整体优势。

(6)随若Internet和WEB技术的发展，建立基于WEB的网络数据库，采用模糊推理机制

和人工神经网络来自动确定激光切割工艺参数，并且可以远程异地访问和控别激光切割

过程成了不可防止的I趋势「

(7)三维高精度大型数控激光切割机及其切割工艺技术，为了满足汽车和航空等工业口勺

立体工件切割的需要，三维激光切割机正向高效率、高精度、多功能和高适应性方向民

展，激光切割机器人的应用范围将会愈来愈大。激光切割正向着激光切割单元FMC、无

人化和自动化方向发展。

图1搭载型激光切割机LMXVII

BlackmanandWhiteLtd企业模块式真空工作台

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等离子切割技术

数控等离子切割技术是集数控技术，计算机软、硬件技术，等离子切割技术，精密机

械技术于一体的高新技术,发展数控等离子切割机可以彻底变化国内热切割行业的装备

水平，扭转热切割工业目前存在的效率低，质量差，劳动强度大，材料运用率低，环境脏

乱差的局面，缩小与国外先进国家口勺差距。同步，数控等离子切割技术的发展可带动有

关领域和学科到达国际先进水平。

火焰切割、等离子切割和激光切割是热切割的三种重要方式，其技术经济性对例如下表

所示。

火焰切割具有切割变形大，适应不了高精度切割的需要，并且切割速度较低，切割前需

预热，花费时间，难以适应无人化操作日勺需要。等离子切割具有切割范围宽，可切割一切

金属板材和许多非金属材料，最高切割速度可达lOnVmin,是火焰切割口勺10倍。在水下

切割能消除切割时产生的噪声，粉尘、有害气体和弧光，有助于环境的保护，符合二十

一世纪对环境保护的规定。目前伴随大功率等离子切割技术日勺成熟，切割厚度已达

130mm,采用水射流技术的大功率等离子切割已使切割质量靠近激光切割H勺下限（土

0.2mm）o由于激光切割机价格昂贵，且目前只适合于薄板切割（一般厚板打孔时间长）,

而精细等离子切割机切割精度可达激光切割口勺卜.限，切割表面质量近似，但切割成本

远低于激光切割，约为其1/3,最大切割厚度可达12mm,因此用精细等离子切割机来取

代价格昂贵的激光切割机，有助于以最经济的方式对用量较大的中、薄板实行高速精细

切割。此外，数控等离子切割与自动套料编程软件配合可以提高材料运用率5%-10%,

按年切割2023万In，则年可节省钢材100〜200万I,价值几|亿元。故在工业发达国

家已出现以数控等离子切割机取代火焰切割机和激光切割机欧I发展趋势。

数控等离子切割技术在我国的I现实状

况与发展

引言

在工业生产中，金属热切割一般有气割、等离子切割、激光切割等。其中等离子切割与

气割相比，其切割范围更广、效率更高。而精细等离子切割技术在材料的切割表面质量

方面已靠近了激光切割的质量，但成本却远低于激光切割。因此，等离子切割自20世纪

50年代中期在美国研制成功以来，得到迅速发展。伴随计算机及数字控制技术的迅速发

展，数控切割也得以蓬勃发展，并在改善加工精度。节省材料、提高劳动生产率等方面

显示出巨大优势。这促使等离子切割技术从手工或半自动逐渐向数控方向发展，并成为

数控切割技术发展的重要方向之一。数控等离子切割技术是集数控技术、等离子切割技

术、逆变电源技术等于一体日勺高新技术，它日勺发展建立在计算机控制、等离子弧特性研

究、电力电子等学科共同进步基础之上。我国的数控切割技术起步于20世纪80年代，而

数控等离子切割技术起步更晚。但近年来，国内某些高校、科研单位、制造厂商对数控

等离子切割技术进行了研究，并逐渐开发生产了多种规格口勺数控等离子切割设备，缩小

了与国外先进技术的差距°

1.国内数控等离子切割的现实状况

我国工厂的板材下料中应用最为普遍的是火焰切割和等离子切割，所用的设备包括手工

下料、仿形机下料、半自动切割机下料及数控切割机下料等。与其他切割方式比较而言,

手工下料随意性大、灵活以便，并且不需要专用配套下料设备。但手工切割下料的缺陷

也是显而易见的，其割缝质量差、尺寸误差大、材料挥霍大、后道加工工序的工作量大,

同步劳动条件恶劣。用仿形机下料，虽可大大提高下料工件的质量，但必须预先加工与

工件相适应的靠模，不适于单件、小批量和大工件下料。半自动切割机虽然减少了工人

劳动强度，但其功能简朴，只适合一种形状日勺切割。上述3种切割方式，相对于数控切割

来说由于设备成本较低、操作简朴，因此在我国的中小企业甚至在某些大型企业中仍在

广泛使用。

伴随国内经济形势欧I蓬勃发展以及“以焊代铸趋势的加速，数控切割欧I优势正在逐渐为

人们所认识。数控切割不仅使板材运用率大幅度提高，产品质量得到改善，并且改善了

工人的劳动环境，劳动效率深入提高。目前，我国金属加工行业使用欧I数控切割机是以

火焰和一般等离子切割机为主，但纯火焰切割，已不能适应现代生产日勺需要，而目前市

场需求的数控切割机多为数控等离子切割机，该类切割机可满足不一样材料、不一样厚

度的金属板材日勺下料以及金属零件的加工的需要，因此需求量将会越来越大，但与国外

的差距仍极为明显，重要体现为：发达国家金属加工行业90%为数控切割机下料，仅

10%为手工下料；而我国数控切割机下料仅占下料总量的10%,其中数控等离子切割下

料所占比例更小。究其原因，较高口勺设备成本、复杂和维护和操作制约了数控切割在我

国的I深入普及。因此国内数控切割机生产厂家引进了国外控制系统技术，通过二次开发

后运用到了切割领域中，设计出了适合我国国情的数控切割机。某些厂家开发生产口勺专

用数控切割设备，在技术上已经到达或超过了国外同类产品。

我国数控切割机每年市场需求量约在400〜500台之间，产品重要以数控等离子切割机为

主。相较而言，仿形切割机每年销售几千台，半自动切割机每年销售达上万台。由此可

见，我国数控切割市场，尤其是数控等离子切割市场内发展潜力是巨大的。

1.1等离子切割种类简介

a.一般等离子弧切割。根据所使用的重要工作气体，重