双系统数控机床B：软硬件系统的选择

1 驱动系统选型

数控机床伺服系统是以机械位移为直接控制目标的控制系统。数控机床的伺服系统主要有两种：一种是进给伺服系统，其控制机床坐标轴的切削进给运动，以直线运动为主；另一种是主轴伺服系统，它控制主轴的切削运动，以旋转运动为主。且机床的驱动系统主要作用概括如下：

(1). 放大CNC装置的控制信号，且具有功率输出的能力；

(2). 根据CNC装置发出的控制信号对机床移动部件的位置和速度进行控制。

对于该铣床和车床控制系统进给轴部分，双系统均采用半闭环控制。与开环控制和闭环控制相比，半闭环驱动设计方便、传动系统简单、结构紧凑、制造成本较低、性价比高，且电气控制和机械传动部分之间有明显的分界，机械部分间隙、摩擦死区、刚度等非线性环节都在闭环以外，因此系统稳定性好，调试方便，在数控机床上得到广泛应用。

半闭环控制的进给驱动系统

考虑到加工精度以及半闭环控制模式，在采购雕铣机时将步进电机更换成利用外部脉冲输入进行控制的通用型数字伺服驱动器，通过改变输入脉冲的频率和数量即可以达到控制速度和位置的目的。该类型的驱动器在数控系统中是完全独立的部件。

但是配置通用型数字伺服驱动器的数控系统，由于CNC内部没有位置环，位置和速度检测也不需要反馈到CNC中，CNC的主要作用是对输入的G代码进行处理，经过插补运算后，脉冲经过脉冲分配器分配给3个驱动器，在此过程中不能通过CNC对伺服参数进行设置和优化。

2 数控系统选型

由于之前已经有同学对工控+运控卡搭建的开放式数控进行选型，并搭建了开放式数控，现只需选择CNC系统以完成双系统数控机床的搭建。

就目前市场上的数控系统，FANUC和SIMENS系列性能较好，技术较成熟，可靠性好，而华中数控世纪星系列产品采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC，可选配各种类型的脉冲指令式驱动单元，并且考虑到机床属于教学型数控机床，所以我们选择世纪星HNC-21T/M分别作为数控车/铣床的数控系统。

HNC-21T/M操作面板示意图

其功能主要如下：

(1) 基于工业PC的数控系统，先进的开放式体系结构；

(2) 可与数控车、铣、加工中心、车铣复合等机床配套；

(3) 可选配电子盘、内存卡、硬盘、软件等存储器，用户程序断电存储容量超过16MB；

(4) DNC接口通信和网络连接功能，实线数控机床联网；

可选配数字交流伺服和伺服电机、数字伺服主轴和主轴电动机。

3 伺服系统

对于双系统数控机床其控制系统的一个重要部分是伺服系统，其中既包括数字式交流伺服驱动器与伺服电机的进给伺服，也包括变频器和主轴电机组成的主轴伺服单元。前者运行在位置控制模式下，后者运行在速度控制模式下。这是由于机床进给轴是与加工的进给量有关的，需要进行位置控制；而后者则是与切削速度有关，需要对其速度量进行控制。如图2-6所示，数字伺服系统通过“转换开关”A、B、C可以工作在几种工作模式下,其中A切换速度模式的内/外部控制信号，B切换位置控制和非位置控制，C切换速度和转矩控制模式。

半闭环位置模式下驱动器控制原理示意图

其中位置、速度、转矩控制模式如下所述：

(1) 位置控制模式：输入信号为脉冲，可以是正/反脉冲、正交脉冲、脉冲+符号三种形式。例如在数控机床中对于进给坐标轴的控制就需要采用该模式，其使用方法和步进电机相似。

(2) 转矩控制模式：用电压信号来限定伺服电机所能输出的最大转矩

(3) 速度控制模式：输入模拟电压，进行速度设定和控制。

另外系统还提供诸如伺服系统启动、控制方式确认、内部速度选择、左右转向锁定、报警清除等许多控制信号的输入端口。

4 控制系统硬件配置

由于对于双系统数控铣床在之前已经有学长完成工控机部分的硬件搭建，综和已有装置，控制系统技术方案配置表如下

硬件配置