既然要了聊高精度機(jī)床的制造難度，那就要從機(jī)床的構(gòu)成和核心部件，以及如何控制機(jī)床的精度方面，來聊聊不一樣的干貨。（咱們不聊硬件刮研，聊CNC算法）

首先要說，這是一個機(jī)床行業(yè)的綜合文章。對于做過機(jī)床的朋友可能更深有體會。

1、當(dāng)代的數(shù)控機(jī)床，尤其是高精度的數(shù)控機(jī)床構(gòu)成：cnc是大腦，伺服是手臂，光柵和編碼器是控制精度的傳感器

數(shù)控機(jī)床整體構(gòu)成

不要將數(shù)控機(jī)床想象得很深奧，深奧的是數(shù)控機(jī)床的代碼和加工不同材料的時候，需要考慮的各種參數(shù)和工藝。真正的數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)，其實不復(fù)雜。

我們用FANUC的數(shù)控系統(tǒng)來做一個解釋。

1、CNC控制單元（數(shù)值控制器部分）。數(shù)控系統(tǒng)相當(dāng)于我們電腦的操作系統(tǒng)，在這上面有各種應(yīng)用，以及廠商已經(jīng)根據(jù)掌握的工藝編輯好的各種加工軟件包。

我們可以類比為：windows系統(tǒng)就是cnc系統(tǒng)，windows中自帶的office辦公軟件就是其中一種工藝應(yīng)用軟件。office在CNC中相當(dāng)于車床加工的各類直線圓弧，動作等等。

2、PMC控制器。這其實就是運(yùn)動控制器的大門類的一種。

所謂的運(yùn)動控制器，類似于人類的小腦和中樞脊椎，你可以靈活運(yùn)動全靠中樞神經(jīng)的脊椎，大腦發(fā)出信號：看到前面有座山，我們要過去，那么小腦開始控制四肢運(yùn)動，控制跑步中的四肢協(xié)調(diào)，不要順拐，順拐容易跌到。

3、伺服驅(qū)動單元和進(jìn)給伺服電動機(jī)。主軸驅(qū)動單元和主軸電動機(jī)。伺服電機(jī)就是給機(jī)床提供動力的部分。所謂的伺服電機(jī)通俗的理解就是：一個普通的馬達(dá)，加上了一個可以精確測量電機(jī)轉(zhuǎn)多少弧度的編碼器，驅(qū)動電機(jī)的是驅(qū)動器。也叫伺服放大器，這個東西說白了就是中樞神經(jīng)。將數(shù)字信號變成電信號輸出給電機(jī)。

4、機(jī)床強(qiáng)電柜控制信號的輸入和輸出單元。這就是外部信號的輸入和信息輸出，用來外接設(shè)備。相當(dāng)于人的感官的中的一種。

例如刀庫、交換工作臺、上下料機(jī)械手等驅(qū)動軸信息的輸入輸出設(shè)備。

5、電腦磁盤機(jī)、存儲卡、鍵盤專用信息存儲設(shè)備。這個是數(shù)控系統(tǒng)的主機(jī)的存儲設(shè)備。用來存儲數(shù)據(jù)。

6、以太網(wǎng)、HSSB、RS-232等現(xiàn)場加工用的局域網(wǎng)。

這個通訊協(xié)議，就是機(jī)床內(nèi)部的信息交換方式，類似于人體內(nèi)部的神經(jīng)是依靠酶來傳遞信息的。

整個機(jī)床的元器件組合就是如下的樣子，這是fanuc的0i-TD數(shù)控機(jī)床，可以進(jìn)行納米插補(bǔ)的車床用納米CNC。

0i-TD系列硬件構(gòu)成

為什么討論：高精度機(jī)床要聊這幾大件？雖然這是不少人都知道的，但具體原因，咱們接下來慢慢聊。

2、機(jī)床控制構(gòu)成：是什么讓機(jī)床可以很精密地切削，車銑，切割，誤差精度的±0.001mm以內(nèi)的？

CNC的功能概況

仔細(xì)看上面整個圖：上面黑色的字體，都是展現(xiàn)在使用者面前的內(nèi)容，屬于應(yīng)用層面的東西。

但是紅色的字體，就是控制機(jī)床各個軸，最后合成一個復(fù)雜動作，機(jī)床的末端精度就是這些在控制。

先來簡單介紹一下運(yùn)控控制：當(dāng)你伸手去接一個排球。需要哪些動作？

接排球動作

最末端是兩只手臂接到排球，但是全身所有的關(guān)節(jié)都要移動。這就是一個復(fù)合動作。那么控制這個復(fù)合動作的就是：

1、各個關(guān)節(jié)的快速移動，根據(jù)視覺判斷球的位置，進(jìn)行精確的位置控制，讓手達(dá)到球的落點。（這叫閉環(huán)反饋的運(yùn)動控制）

2、達(dá)到預(yù)定位置后，發(fā)現(xiàn)球因為風(fēng)速或者外力的原因，偏移了，手快接不到了，或者說發(fā)現(xiàn)球的力度太大，這個姿勢接不住球了，即使碰到球也容易脫手。那就要開始進(jìn)行動力學(xué)的補(bǔ)償和調(diào)整。【所謂的動力學(xué)軌跡補(bǔ)償，就是身體所有部分都進(jìn)行移動，不是單單的手再伸長一點，那樣會重心不穩(wěn)，摔倒】

這就是一個復(fù)雜的機(jī)床精度，在運(yùn)動中最直白的說明：運(yùn)動控制和動力學(xué)控制。

有體育老師說過，你看到球了不要只伸手，要全身移動去接球。這就是運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的覆蓋。

當(dāng)然機(jī)械的動力學(xué)包含的內(nèi)容不是動起來這個概念，包括了系統(tǒng)振動抑制，路徑規(guī)劃，力反饋控制等等，這里咱們不展開了說。

3、硬件方面控制機(jī)床精度的核心：編碼器控制伺服精度，光柵尺檢測直線精度。上面我們也說了，機(jī)床要運(yùn)動，動力來自于電動機(jī)。那么電動機(jī)到底轉(zhuǎn)了多少？帶動行走的軸走了多少距離這就是直接決定了機(jī)床的精度。

伺服電機(jī)的控制模式

電機(jī)的轉(zhuǎn)速快慢，和轉(zhuǎn)動多少角度（反饋在直線上面就是多少圈）決定了位置控制。這都是由編碼器決定的。

編碼器決定了機(jī)床原始精度的數(shù)據(jù)，也就是根據(jù)CNC大腦的數(shù)據(jù)指定，轉(zhuǎn)動多少距離。所謂的編碼器就是在電動機(jī)的后面，連通電動機(jī)的主軸上面，會有一個碼盤。通過電磁或者是光電的形式，記錄變化的數(shù)值。（目前最高可以記錄23位數(shù)值）

絕對式編碼器

增量式脈沖編碼器

編碼器的精度，已經(jīng)比較精確了，但是由于工件安裝誤差，和元器件磨損，以及振動等情況，反饋到最后的末端的精度肯定不是這個精度。

那么就需要在末端直接進(jìn)行一個測量：直接測量是將直線型檢測裝置（光柵尺）安裝在移動部件上，用來直接測量工作臺的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號，而構(gòu)成位置閉環(huán)控制。其優(yōu)點是準(zhǔn)確性高、可靠性好，缺點是測量裝置要和工作臺行程等長，所以在大型數(shù)控機(jī)床上受到一定限制。

光柵尺

這就是機(jī)床兩種精度測試的辦法：直接用光柵尺測量末端的運(yùn)動數(shù)據(jù)，以及在驅(qū)動電機(jī)上面控制精度。

到這里就到了不少朋友想問的了：那么桁架，絲桿的精度都還沒說，裝配的精度都還沒有講，溫度，磨損造成的誤差都還沒有說。

還有重復(fù)定位精度，絕對精度等等。

不急，咱們慢慢來說。

4、硬件地控制著絕對精度。我們假設(shè)一個機(jī)床，絲桿，導(dǎo)軌，光柵尺，電機(jī)，乃至刀具都加工的非常完美，精度都達(dá)到了±0.001mm，而且裝配得也非常好。機(jī)床結(jié)構(gòu)也是在地底沒有震動的狀態(tài)放了好幾年，沒有形變量的情況下，完全無塵空間裝配好的。（看清楚啊，我們這是假設(shè)）

那是不是這個機(jī)床精度就是±0.001mm？是的，理論上確實是。

這個精度，大體上可以等同于，設(shè)備廠商說的：絕對精度。（看清楚，這是大體上，實際情況略有出入，但是可以作為參考理解）

這就是運(yùn)動控制模式下的精度計算方法。以實際的硬件的精度為參考。（暫時不考慮補(bǔ)償）

那么一個絕對精度的±0.001mm的機(jī)床，是不是一直使用中都是±0.001mm？

顯然不是，還有上面的振動，溫度，磨損，這些原因沒有考慮。

那么如果使用超強(qiáng)度的鋼鐵是不是就沒有磨損了呢？

所有的機(jī)床都有磨損，不管是國內(nèi)還是國外的。是材料就一定有磨損，是材料就一定要溫度，振動的影響。

這就要體現(xiàn)出：CNC中動力學(xué)算法，對于動作的補(bǔ)償工藝了。

5、軟件控制重復(fù)定位精度我們前面也說了：間接的測量，是電機(jī)轉(zhuǎn)動的測量，這個不一定非常準(zhǔn)，尤其是在加工的過程中有各種溫度變化，磨損，振動等等。但是直接測量現(xiàn)場的工件情況，那肯定是很準(zhǔn)確的。畢竟直接測量是不動的嘛！

但是光柵尺如果測量出，偏差了0.01mm，那么怎么辦？

反饋給CNC系統(tǒng)，進(jìn)行補(bǔ)償0.01mm，但是很明顯啊，主軸和其他伺服軸的精度控制即使增加0.01mm也不一定最后實際就是0.001mm。（這就好像，你明知道差一厘米，但是你自己的手感在一厘米以內(nèi)已經(jīng)沒有距離的概念了）

那么動力學(xué)算法就可以從接觸的力反饋和路徑規(guī)劃上面進(jìn)行做補(bǔ)償?！?.01mm太小，但是只要碰到工件，就一定有力量反饋，力量的控制可以進(jìn)行其他方式的測量。

同時，考慮運(yùn)動方式容易出現(xiàn)的誤差（例如直角轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動），可以考慮優(yōu)化一下路徑，采用傾斜或者圓弧的方式進(jìn)行加工。是不是就更貼近一些了。

真正在高精密數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，全球各品牌差距最大的其實是算法上面的補(bǔ)償。

算法的補(bǔ)償是保證使用2年，3年，乃至10年機(jī)床都可以保持在一定精度范圍內(nèi)的主要原因。

即使考慮溫度，磨損，振動等因素，最后還是要依靠算法來補(bǔ)償。

這就是重復(fù)定位精度的價值所在。

6、那硬件難道就不影響精度了嗎？硬件確實影響精度。我們討論的是高精密機(jī)床，不是普通機(jī)床。

我們就拿當(dāng)前常見的面銑的機(jī)床做例子。

不管是數(shù)控系統(tǒng)，還是伺服系統(tǒng)，包括光柵尺，都是買國外原廠的產(chǎn)品，都可以買到，暫時不說限制的事情。（暫時不考慮大行程的龍門銑床）。

即便是這樣，還是沒有幾個國家能夠制造出精度在±0.001mm的機(jī)床（國內(nèi)北京精雕目前可以了）。

也就是說，硬件確實是基礎(chǔ)條件，但是動力學(xué)控制的算法，其實才是高端精密機(jī)床的核心。

算法底層的邏輯是買不到的核心技術(shù)的，人家不賣啊?。ㄗ疃喔顿M給你用）

硬件可以不斷地拓展，但是核心控制一直不突破，是絕對做不到穩(wěn)定的高精度機(jī)床產(chǎn)品的。

這才是高精度機(jī)床制造的核心難點。

跟我們常說的導(dǎo)軌刮研，傳感器精度，材料精度等等有關(guān)系，但他們確實都不是核心要素。

倘若是有心人，細(xì)細(xì)的看現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)的大廠，西門子，fanuc，大部分都在走強(qiáng)化軟件的路線。硬件不在主力拓展（當(dāng)然也沒放棄硬件行業(yè)）。

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