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()] 。