鏜銑加工中心數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
2.3鏜銑加工中心精工系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)TX1600G鏜銑加工中心是一種鏜銑床復(fù)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(tǒng)要有多通道多軸控制的能力,?；诳刂乒δ芎头€(wěn)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(tǒng)控制鏜銑加工中心,。該精工系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)采用主從 結(jié)構(gòu)，IPC的CPU為主CPU,主要負(fù)責(zé)精工系統(tǒng)的管理和人機交互等功能的實現(xiàn),。 UMAC的DSP為從CPU,負(fù)責(zé)底層的速度和軌跡控制等,。其中工控機與UMAC 通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，加工中心精工系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(shè)置16個坐標(biāo)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(guān)、各指示燈及手搖的控制等都通過I/O 接口實現(xiàn)與精工系統(tǒng)的通訊,。由于加工中心復(fù)雜的控制功能，需要大量的輸入輸 出接口,，精工系統(tǒng)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(tǒng)的控制原理伺服系統(tǒng)按照有無檢測反饋裝置,，分為開環(huán)控制、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制,。開環(huán)控制精工機床中沒有位置檢測反饋裝置,，一般配置步進(jìn)電機,，系統(tǒng)輸出 的指令脈沖經(jīng)驅(qū)動電路的功率放大，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動,，經(jīng)傳動部件轉(zhuǎn)化為工作臺或 刀架的位移[2],。由于沒有反饋裝置，該系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)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(huán)節(jié)的非線性因素對穩(wěn)定性的影響,，半閉環(huán)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(jìn) 而推知當(dāng)前執(zhí)行機構(gòu)的實際位置,。半閉環(huán)控制雖然有反饋裝置,，但它只可以間接 計算出當(dāng)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(wěn)定性好，價格相對便 宜,，因此得到廣泛應(yīng)用。閉環(huán)控制系統(tǒng)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(zhí)行機構(gòu)的實際位置,，形成位置環(huán)控制,。該鏜銑加工中心采用的是全閉環(huán)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(jìn)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(jīng)PID控制處理轉(zhuǎn)化成控制電機的轉(zhuǎn)速,。安裝在伺服電機上的旋轉(zhuǎn)變壓 器（旋變）用于檢測電機的轉(zhuǎn)速,，形成速度環(huán),。與位置環(huán)類似,，旋轉(zhuǎn)變壓器將檢 測到的速度信號反饋給伺服系統(tǒng)并與指令速度進(jìn)行比較，得到速度偏差,，再經(jīng)調(diào) 節(jié)轉(zhuǎn)變成直接控制電機的電流,，控制電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而減小速度偏差和位置 偏差[4],。當(dāng)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(huán)控制,，通過閉環(huán)控制原理可以看出閉環(huán)控制的 位置精度與檢測裝置的精度有關(guān),。2.3.3伺服控制模式伺服驅(qū)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(huán)在控 制系統(tǒng)的最外層,，需要將位置指令經(jīng)轉(zhuǎn)換變成電流控制電機運動,，驅(qū)動器需要進(jìn) 行大量的運算，所以響應(yīng)速度慢,，但它控制的位置和速度準(zhǔn)確性高[31],。扭矩控制模式中驅(qū)動器接收的是控制器發(fā)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(huán),，在控制環(huán)的最內(nèi)層。在這種控制模式中驅(qū)動 器運算量最小,，響應(yīng)速度快，但是PID調(diào)節(jié)會有些困難,，有時會出現(xiàn)波動,，主要 用在對受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中,。速度控制模式中驅(qū)動器接收傳感器的速度反饋指令,，與量化誤差和速度環(huán)的 采樣頻率無關(guān),，具有很強的抗干擾能力和較高的剛度，其響應(yīng)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(dāng)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(jìn)行一系列的前饋計算處理,，向伺服放大器 發(fā)送模擬電壓,，其范圍在-10V~+10V，伺服放大器通過模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,，經(jīng)微處理器（MPU)處理,，同時通過數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器將MPU輸 出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號控制電動機的轉(zhuǎn)動速度,，從而實現(xiàn)機床的運動[3()]。