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(jī)床，由于鏜銑床共用一 個(gè)工作臺(tái)，所以鏜銑床不能同時(shí)工作，必須被分在兩個(gè)軸組中，所以對(duì)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(yùn)動(dòng)控制器為下位機(jī)，以工控機(jī)（IPC)為上位機(jī)，即采用“NC 嵌入PC”型開(kāi)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(jī)交互等功能的實(shí)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(jī)與UMAC 通過(guò)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(yùn)動(dòng)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(shí)控制32根軸，最多可以設(shè)置16個(gè)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(gè)主軸和1個(gè)刀庫(kù)電機(jī)均需要連接1個(gè)軸 口。在UMAC中每塊軸卡最多有4個(gè)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(jī)床控制面板上的控制按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、各指示燈及手搖的控制等都通過(guò)I/O 接口實(shí)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(wú)檢測(cè)反饋裝置，分為開(kāi)環(huán)控制、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制。開(kāi)環(huán)控制精工機(jī)床中沒(méi)有位置檢測(cè)反饋裝置，一般配置步進(jìn)電機(jī)，系統(tǒng)輸出 的指令脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路的功率放大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)或 刀架的位移[2]。由于沒(méi)有反饋裝置，該系統(tǒng)的控制精度主要取決于電機(jī)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(jià)格便宜，適合精度 要求不高的中小型機(jī)床。為了減小機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的非線性因素對(duì)穩(wěn)定性的影響，半閉環(huán)控制將檢測(cè)元 件安裝在伺服電機(jī)或絲杠端部，電機(jī)的編碼器可以直接檢測(cè)電機(jī)軸的角位移，進(jìn) 而推知當(dāng)前執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置。半閉環(huán)控制雖然有反饋裝置，但它只可以間接 計(jì)算出當(dāng)前的位置信息，對(duì)機(jī)械傳動(dòng)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(jī)床[2]。但這種控制方式穩(wěn)定性好，價(jià)格相對(duì)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(cè)元件安裝在機(jī)床移動(dòng)部件上（如工作臺(tái)），能夠直接檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)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(tái)上安裝了海德漢的光柵尺，用以檢測(cè)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)位移。光柵尺將采集到的脈沖信號(hào)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(jī)的轉(zhuǎn)速。安裝在伺服電機(jī)上的旋轉(zhuǎn)變壓 器（旋變）用于檢測(cè)電機(jī)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(cè)到的速度信號(hào)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(jī)的電流，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而減小速度偏差和位置 偏差[4]。當(dāng)沒(méi)有位置偏差信號(hào)時(shí)，電機(jī)才停止運(yùn)動(dòng)，這種控制方式消除了傳動(dòng)鏈 引起的誤差，控制精度高于半閉環(huán)控制，通過(guò)閉環(huán)控制原理可以看出閉環(huán)控制的 位置精度與檢測(cè)裝置的精度有關(guān)。2.3.3伺服控制模式伺服驅(qū)動(dòng)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(jī)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器需要進(jìn) 行大量的運(yùn)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(dòng)器接收的是控制器發(fā)送的扭矩（力）指令，即通過(guò)模擬 電流控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，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(dòng) 器運(yùn)算量最小，響應(yīng)速度快，但是PID調(diào)節(jié)會(huì)有些困難，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，主要 用在對(duì)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(dòng)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(wú)關(guān)，具有很強(qiáng)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(guò)模擬電壓來(lái)控制速度的，當(dāng)加工中心的工控機(jī)向UMAC輸入 運(yùn)動(dòng)程序時(shí)，UMAC會(huì)將輸入的指令進(jìn)行一系列的前饋計(jì)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(guò)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)微處理器（MPU)處理，同時(shí)通過(guò)數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器將MPU輸 出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)[3()]。