镗铣加工中心数控系统的硬件结构
2.3镗铣加工中心数控系统的硬件结构
tx1600g镗铣加工中心是一种镗铣床复合式的数控机床，由于镗铣床共用一 个工作台，所以镗铣床不能同时工作，必须被分在两个轴组中，所以对其控制的 数控系统要有多通道多轴控制的能力。基于控制功能和稳定性要求，本加工中心 选用了 umac多轴运动控制器为下位机，以工控机（ipc)为上位机，即采用“nc 嵌入pc”型开放式数控系统控制镗铣加工中心。该数控系统的硬件结构采用主从 结构，ipc的cpu为主cpu,主要负责数控系统的管理和人机交互等功能的实现。 umac的dsp为从cpu,负责底层的速度和轨迹控制等。其中工控机与umac 通过以太网进行通讯，加工中心数控系统硬件结构如图2.4所示。
2.3.1镗铣加工中心umac的配置
配置umac运动控制器首先选择umac的cpu类型，加工中心选择了 turbo pmac2作为umac的cpu,可同时控制32根轴，多可以设置16个坐标系， 足以满足加工中心的多轴组多通道的控制需求。而镗铣加工中心镗床的x、y、z、 z2 (同步轴），铣床yl、z1轴，还有2个主轴和1个刀库电机均需要连接1个轴 口。在umac中每块轴卡多有4个轴口，因此镗铣加工中心需要选择3块轴卡。 由于该加工中心选取的是模拟量控制，所以选择了 3块acc24e-2a轴卡。加工中 心的机床控制面板上的控制按钮、选择开关、各指示灯及手摇的控制等都通过i/o 接口实现与数控系统的通讯。由于加工中心复杂的控制功能，需要大量的输入输 出接口，数控系统选择了 3块具有24输入/24输出的acc-65e i/o接口板和1块 具有48输入的acc-66e i/o接口板。
2.3.2伺服系统的控制原理
伺服系统按照有无检测反馈装置，分为开环控制、半闭环控制和闭环控制。
开环控制数控机床中没有位置检测反馈装置，一般配置步进电机，系统输出 的指令脉冲经驱动电路的功率放大，驱动电机转动，经传动部件转化为工作台或 刀架的位移[2]。由于没有反馈装置，该系统的控制精度主要取决于电机步距角和丝 杠的精度，所以精度低，但这种系统稳定性好，维修方便，价格便宜，适合精度 要求不高的中小型机床。
为了减小机械传动环节的非线性因素对稳定性的影响，半闭环控制将检测元 件安装在伺服电机或丝杠端部，电机的编码器可以直接检测电机轴的角位移，进 而推知当前执行机构的实际位置。半闭环控制虽然有反馈装置，但它只可以间接 计算出当前的位置信息，对机械传动链误差引起的位置误差难以排出，所以控制 精度不能满足精度要求很高的数控机床[2]。但这种控制方式稳定性好，价格相对便 宜，因此得到广泛应用。
闭环控制系统是一种将检测元件安装在机床移动部件上（如工作台），能够直接检测执行机构的实际位置，形成位置环控制。
该镗铣加工中心采用的是全闭环控制，其控制原理如图2.5所示，在工作台上安装了海德汉的光栅尺，用以检测实际的运动位移。光栅尺将采集到的脉冲信号反馈到umac中与指令位置进行比较，将比较得到的误差值存放到偏差寄存器中，该偏差再经pid控制处理转化成控制电机的转速。安装在伺服电机上的旋转变压 器（旋变）用于检测电机的转速，形成速度环。与位置环类似，旋转变压器将检 测到的速度信号反馈给伺服系统并与指令速度进行比较，得到速度偏差，再经调 节转变成直接控制电机的电流，控制电机正转或反转，从而减小速度偏差和位置 偏差[4]。当没有位置偏差信号时，电机才停止运动，这种控制方式消除了传动链 引起的误差，控制精度高于半闭环控制，通过闭环控制原理可以看出闭环控制的 位置精度与检测装置的精度有关。
2.3.3伺服控制模式
伺服驱动的控制模式一般分为三种：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馈元件反馈的位置指令（脉冲量），由于位置环在控 制系统的外层，需要将位置指令经转换变成电流控制电机运动，驱动器需要进 行大量的运算，所以响应速度慢，但它控制的位置和速度准确性高[31]。
扭矩控制模式中驱动器接收的是控制器发送的扭矩（力）指令，即通过模拟 电流控制电机的运动，形成电流环，在控制环的内层。在这种控制模式中驱动 器运算量小，响应速度快，但是pid调节会有些困难，有时会出现波动，主要 用在对受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中。
速度控制模式中驱动器接收传感器的速度反馈指令，与量化误差和速度环的 采样频率无关，具有很强的抗*力和较高的刚度，其响应速度介于位置和扭 矩模式之间，所以采用速度控制模式的比较多。加工中心采用的是速度控制模式， 速度控制模式是通过模拟电压来控制速度的，当加工中心的工控机向umac输入 运动程序时，umac会将输入的指令进行一系列的前馈计算处理，向伺服放大器 发送模拟电压，其范围在-10v~+10v，伺服放大器通过模数(a/d)转换器将其转换为数字信号，经微处理器（mpu)处理，同时通过数模(d/a)转换器将mpu输 出的数字信号转换成模拟信号控制电动机的转动速度，从而实现机床的运动[3()]。
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2.3.1镗铣加工中心umac的配置
配置umac运动控制器首先选择umac的cpu类型，加工中心选择了 turbo pmac2作为umac的cpu,可同时控制32根轴，多可以设置16个坐标系， 足以满足加工中心的多轴组多通道的控制需求。而镗铣加工中心镗床的x、y、z、 z2 (同步轴），铣床yl、z1轴，还有2个主轴和1个刀库电机均需要连接1个轴 口。在umac中每块轴卡多有4个轴口，因此镗铣加工中心需要选择3块轴卡。 由于该加工中心选取的是模拟量控制，所以选择了 3块acc24e-2a轴卡。加工中 心的机床控制面板上的控制按钮、选择开关、各指示灯及手摇的控制等都通过i/o 接口实现与数控系统的通讯。由于加工中心复杂的控制功能，需要大量的输入输 出接口，数控系统选择了 3块具有24输入/24输出的acc-65e i/o接口板和1块 具有48输入的acc-66e i/o接口板。
2.3.2伺服系统的控制原理
伺服系统按照有无检测反馈装置，分为开环控制、半闭环控制和闭环控制。
开环控制数控机床中没有位置检测反馈装置，一般配置步进电机，系统输出 的指令脉冲经驱动电路的功率放大，驱动电机转动，经传动部件转化为工作台或 刀架的位移[2]。由于没有反馈装置，该系统的控制精度主要取决于电机步距角和丝 杠的精度，所以精度低，但这种系统稳定性好，维修方便，价格便宜，适合精度 要求不高的中小型机床。
为了减小机械传动环节的非线性因素对稳定性的影响，半闭环控制将检测元 件安装在伺服电机或丝杠端部，电机的编码器可以直接检测电机轴的角位移，进 而推知当前执行机构的实际位置。半闭环控制虽然有反馈装置，但它只可以间接 计算出当前的位置信息，对机械传动链误差引起的位置误差难以排出，所以控制 精度不能满足精度要求很高的数控机床[2]。但这种控制方式稳定性好，价格相对便 宜，因此得到广泛应用。
闭环控制系统是一种将检测元件安装在机床移动部件上（如工作台），能够直接检测执行机构的实际位置，形成位置环控制。
该镗铣加工中心采用的是全闭环控制，其控制原理如图2.5所示，在工作台上安装了海德汉的光栅尺，用以检测实际的运动位移。光栅尺将采集到的脉冲信号反馈到umac中与指令位置进行比较，将比较得到的误差值存放到偏差寄存器中，该偏差再经pid控制处理转化成控制电机的转速。安装在伺服电机上的旋转变压 器（旋变）用于检测电机的转速，形成速度环。与位置环类似，旋转变压器将检 测到的速度信号反馈给伺服系统并与指令速度进行比较，得到速度偏差，再经调 节转变成直接控制电机的电流，控制电机正转或反转，从而减小速度偏差和位置 偏差[4]。当没有位置偏差信号时，电机才停止运动，这种控制方式消除了传动链 引起的误差，控制精度高于半闭环控制，通过闭环控制原理可以看出闭环控制的 位置精度与检测装置的精度有关。
2.3.3伺服控制模式
伺服驱动的控制模式一般分为三种：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馈元件反馈的位置指令（脉冲量），由于位置环在控 制系统的外层，需要将位置指令经转换变成电流控制电机运动，驱动器需要进 行大量的运算，所以响应速度慢，但它控制的位置和速度准确性高[31]。
扭矩控制模式中驱动器接收的是控制器发送的扭矩（力）指令，即通过模拟 电流控制电机的运动，形成电流环，在控制环的内层。在这种控制模式中驱动 器运算量小，响应速度快，但是pid调节会有些困难，有时会出现波动，主要 用在对受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中。
速度控制模式中驱动器接收传感器的速度反馈指令，与量化误差和速度环的 采样频率无关，具有很强的抗*力和较高的刚度，其响应速度介于位置和扭 矩模式之间，所以采用速度控制模式的比较多。加工中心采用的是速度控制模式， 速度控制模式是通过模拟电压来控制速度的，当加工中心的工控机向umac输入 运动程序时，umac会将输入的指令进行一系列的前馈计算处理，向伺服放大器 发送模拟电压，其范围在-10v~+10v，伺服放大器通过模数(a/d)转换器将其转换为数字信号，经微处理器（mpu)处理，同时通过数模(d/a)转换器将mpu输 出的数字信号转换成模拟信号控制电动机的转动速度，从而实现机床的运动[3()]。
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