鏜銑加工中心數控系統的硬件結構
2.3鏜銑加工中心精工系統的硬件結構TX1600G鏜銑加工中心是一種鏜銑床復合式的精工機床，由于鏜銑床共用一 個工作臺，所以鏜銑床不能同時工作，必須被分在兩個軸組中，所以對其控制的 精工系統要有多通道多軸控制的能力。基于控制功能和穩定性要求，本加工中心 選用了 UMAC多軸運動控制器為下位機，以工控機（IPC)為上位機，即采用“NC 嵌入PC”型開放式精工系統控制鏜銑加工中心。該精工系統的硬件結構采用主從 結構，IPC的CPU為主CPU,主要負責精工系統的管理和人機交互等功能的實現。 UMAC的DSP為從CPU,負責底層的速度和軌跡控制等。其中工控機與UMAC 通過以太網進行通訊，加工中心精工系統硬件結構如圖2.4所示。2.3.1鏜銑加工中心UMAC的配置配置UMAC運動控制器首先選擇UMAC的CPU類型，加工中心選擇了 Turbo PMAC2作為UMAC的CPU,可同時控制32根軸，最多可以設置16個坐標系， 足以滿足加工中心的多軸組多通道的控制需求。而鏜銑加工中心鏜床的X、Y、Z、 Z2 (同步軸），銑床Yl、Z1軸，還有2個主軸和1個刀庫電機均需要連接1個軸 口。在UMAC中每塊軸卡最多有4個軸口，因此鏜銑加工中心需要選擇3塊軸卡。 由于該加工中心選取的是模擬量控制，所以選擇了 3塊ACC24E-2A軸卡。加工中 心的機床控制面板上的控制按鈕、選擇開關、各指示燈及手搖的控制等都通過I/O 接口實現與精工系統的通訊。由于加工中心復雜的控制功能，需要大量的輸入輸 出接口，精工系統選擇了 3塊具有24輸入/24輸出的ACC-65E I/O接口板和1塊 具有48輸入的ACC-66E I/O接口板。2.3.2伺服系統的控制原理伺服系統按照有無檢測反饋裝置，分為開環控制、半閉環控制和閉環控制。開環控制精工機床中沒有位置檢測反饋裝置，一般配置步進電機，系統輸出 的指令脈沖經驅動電路的功率放大，驅動電機轉動，經傳動部件轉化為工作臺或 刀架的位移[2]。由于沒有反饋裝置，該系統的控制精度主要取決于電機步距角和絲 杠的精度，所以精度低，但這種系統穩定性好，維修方便，價格便宜，適合精度 要求不高的中小型機床。為了減小機械傳動環節的非線性因素對穩定性的影響，半閉環控制將檢測元 件安裝在伺服電機或絲杠端部，電機的編碼器可以直接檢測電機軸的角位移，進 而推知當前執行機構的實際位置。半閉環控制雖然有反饋裝置，但它只可以間接 計算出當前的位置信息，對機械傳動鏈誤差引起的位置誤差難以排出，所以控制 精度不能滿足精度要求很高的精工機床[2]。但這種控制方式穩定性好，價格相對便 宜，因此得到廣泛應用。閉環控制系統是一種將檢測元件安裝在機床移動部件上（如工作臺），能夠直接檢測執行機構的實際位置，形成位置環控制。該鏜銑加工中心采用的是全閉環控制，其控制原理如圖2.5所示，在工作臺上安裝了海德漢的光柵尺，用以檢測實際的運動位移。光柵尺將采集到的脈沖信號反饋到UMAC中與指令位置進行比較，將比較得到的誤差值存放到偏差寄存器中，該偏差再經PID控制處理轉化成控制電機的轉速。安裝在伺服電機上的旋轉變壓 器（旋變）用于檢測電機的轉速，形成速度環。與位置環類似，旋轉變壓器將檢 測到的速度信號反饋給伺服系統并與指令速度進行比較，得到速度偏差，再經調 節轉變成直接控制電機的電流，控制電機正轉或反轉，從而減小速度偏差和位置 偏差[4]。當沒有位置偏差信號時，電機才停止運動，這種控制方式消除了傳動鏈 引起的誤差，控制精度高于半閉環控制，通過閉環控制原理可以看出閉環控制的 位置精度與檢測裝置的精度有關。2.3.3伺服控制模式伺服驅動的控制模式一般分為三種：位置控制模式、速度控制模式和扭矩控 制模式。位置控制接收位置反饋元件反饋的位置指令（脈沖量），由于位置環在控 制系統的最外層，需要將位置指令經轉換變成電流控制電機運動，驅動器需要進 行大量的運算，所以響應速度慢，但它控制的位置和速度準確性高[31]。扭矩控制模式中驅動器接收的是控制器發送的扭矩（力）指令，即通過模擬 電流控制電機的運動，形成電流環，在控制環的最內層。在這種控制模式中驅動 器運算量最小，響應速度快，但是PID調節會有些困難，有時會出現波動，主要 用在對受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中。速度控制模式中驅動器接收傳感器的速度反饋指令，與量化誤差和速度環的 采樣頻率無關，具有很強的抗干擾能力和較高的剛度，其響應速度介于位置和扭 矩模式之間，所以采用速度控制模式的比較多。加工中心采用的是速度控制模式， 速度控制模式是通過模擬電壓來控制速度的，當加工中心的工控機向UMAC輸入 運動程序時，UMAC會將輸入的指令進行一系列的前饋計算處理，向伺服放大器 發送模擬電壓，其范圍在-10V~+10V，伺服放大器通過模數(A/D)轉換器將其轉換為數字信號，經微處理器（MPU)處理，同時通過數模(D/A)轉換器將MPU輸 出的數字信號轉換成模擬信號控制電動機的轉動速度，從而實現機床的運動[3()]。