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,最多可以设置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中每块轴卡最多有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 制系统的最外层,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,在控制环的最内层。在这种控制模式中驱动 器运算量最小,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,具有很强的抗干扰能力和较高的刚度,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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