2.3　计算机数控系统硬件结构

2.3.1　概述

作为现代数控系统核心的CNC装置实际是一台专门用于数控加工的计算机系统。数控系统的主要功能和主要性能指标都取决于CNC装置的硬件结构和软件系统。其硬件结构从CNC系统的总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种。所谓整体式结构，是把CRT和MDI面板、操作面板以及功能模块板组成的电路板等安装在同一机箱内。这种方式的优点是结构紧凑，便于安装。分体式结构通常把CRT和MDI面板、操作面板等做成一个部件，而把功能模块组成的电路板安装在一个机箱内，两者之间用导线或光纤连接。许多CNC机床把操作面板也单独作为一个部件，这是由于所控制机床的要求不同，操作面板相应地要改变，做成分体式有利于更换和安装。按CNC装置中CPU的个数，可分为单处理器结构和多处理器结构。

2.3.2　单CPU结构

单CPU数控的系统结构：用一个CPU完成控制软件的运行及各控制程序间的调度，如图2-30所示。

2.3.3　多CPU结构

多CPU结构：是指在CNC系统中有两个或两个以上的CPU能控制系统总线或主存储器进行工作的系统结构，如图2-31所示。

现代的CNC系统大多采用多CPU结构。在这种结构中，每个CPU完成系统中规定的一部分功能，独立执行程序，它与单CPU结构相比，提高了计算机的处理速度。多CPU结构的CNC系统采用模块化设计，将软件和硬件模块形成一定的功能模块。模块间有明确的符合工业标准的接口，彼此间可以进行信息交换。这样可以形成模块化结构，缩短了设计制造周期，并且具有良好的适应性和扩展性，结构紧凑。多CPU的CNC系统由于每个CPU分管各自的任务，形成若干个模块，如果某个模块出了故障，其他模块仍然照常工作。并且插件模块更换方便，可以使故障对系统的影响减少到最小限度，提高了可靠性。性能价格比高，适合于多轴控制、高进给速度、高精度的数控机床。

多CPU系统的各种功能模块如下。

①管理模块　该模块是管理和组织整个CNC系统工作的模块，主要功能包括：初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统硬件与软件故障诊断等功能。

②插补模块　该模块是进行零件程序的译码、刀具补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等计算，然后进行插补计算，并给定各坐标轴的位置值。

③位置控制模块　对坐标位置给定值与由位置检测装置测到的实际位置值进行比较并获得差值、进行自动加减速、回基准点、对伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压（或速度的数字量），去驱动进给电动机。

④PLC模块　零件程序的开关量（S、M、T）和机床面板来的信号在这个模块中进行逻辑处理，实现机床电气设备的启停、刀具交换、转台分度、工件数量和运转时间的计数等。

⑤命令与数据输入输出模块　指零件程序、参数和数据、各种操作指令的输入输出，以及显示所需要的各种接口电路。

⑥存储器模块　是程序和数据的主存储器，或是功能模块数据传送用的共享存储器。

2.3.4　微机基本系统

通常微机基本系统是由CPU、存储器（EPROM、RAM）、定时器、中断控制器等几个主要部分组成。

①CPU　CPU是整个数控系统的核心，常见的中低档数控系统基本上采用8位或16位CPU，如8088/8086、8031等。随着CPU系统向高精度方向发展，要求其最小设定单位越来越小，同时又要求CPU系统能满足大型机床的需要，当最小设定单位是1μm时，16位二进制数所表示的最大坐标为-32.767～32.767mm，这显然是不够的，而采用32位二进制数时，最大坐标范围为-2000～2000m，因此数控系统一般采用24位二进制数，其坐标范围为-8388.607～8388.607mm。因此选用8位CPU就需要三个或四个字节运算，这就严重影响了运算速度，当最小设定单位为0.1μm时，这个问题将更加严重。因此现代数控系统大多采用16位或32位的CPU，以满足其性能指标，如采用8位CPU，则为多CPU结构。例如FANUC15、SIEMENS840、FAGOR8050等系统均为32位CPU，而FAGOR8025系统则采用8位多CPU结构。

②EPROM　EPROM用于固化系统控制软件，数控系统的所有功能都是固化在EPROM中的程序控制下完成的。在数控系统中，硬软件有密切的关系，由于软件的执行速度较硬件慢，当CPU功能较弱时，则需要专用硬件解决问题或采用多CPU结构。现代数控系统常采用标准化与通用化总线结构，因此不同的机床数控系统可以采用基本相同的硬件结构，并且系统的改进与扩展十分方便。

在硬件相对不变的情况下，软件仍有相当大的灵活性。扩充软件就可以扩展CNC的功能，而且软件的这种灵活性有时会对数控系统的功能产生极大的影响。在国外，软件的成本甚至超过硬件。例如FANUC3T与3M的差别仅在EPROM中的软件，FANUC3M二轴半联动变为三轴联动也仅需要更换EPROM中的软件。

③RAM　RAM中存放可能改写的信息，在图2-32（a）中，除中断堆栈存放区和控制软件数据暂存区外，均有后备电池掉电保护功能，即当电源消失后，由电池来维持RAM芯片电压，以保持其中信息，其原理示意图如图2-32（b）所示。现在大量使用的CMOS半导体RAM芯片如62648（8K）、62256（32K）、628128（128K），其维持功耗很低。如日立HM628128芯片，其电源电压大于2V即可维持信息不丢失，并且维持电流小于1μA，这就大大延长了电池的使用寿命。

④定时器与中断控制器　定时器与中断控制器用于计算机系统的定时控制与多级中断管理。

2.3.5　接口

（1）人机界面接口

数控系统的人机界面包括以下四部分：键盘（MDI），用于加工程序的编制以及参数的输入等；显示器（CRT），用于显示程序、数据以及加工信息等；操作面板（OPERATOR PANEL），用于对机床的操作。手摇脉冲发生器（MPG），用于手动控制机床坐标轴的运动，类似普通机床的摇手柄。

①键盘在数控系统中亦称MDI（Manual Data Input）面板或数控面板，它由英文字母键、功能键、数字键等组成，用于编制加工程序、修改参数等。键盘的接口比较简单，大多仍采用扫描矩阵原理，这与通常的计算机是一样的。

②数控系统处于不同的操作功能时，显示器所显示的内容是不同的。在编程时，其显示的是被编辑的加工程序，而加工时，则显示当前各坐标轴的坐标位置和机床的状态信息。有些数控系统还具有图形模拟功能，这时显示器则显示模拟加工过程的刀具走刀路径，可以检查加工程序的正确与否。现代数控系统已大量采用高分辨率彩色显示器或液晶显示器，显示的图形也由二维平面图形变为三维动态图形。

③操作面板又称机床操作面板，不同的数控机床由于其所需的动作不同，所配操作面板也是不同的。操作面板主要用于手动方式下对机床的操作以及自动方式下对运动的操作或干涉。

（2）通信接口

通常数控系统均具有标准的RS232串行通信接口，因此与外设备以及上一级计算机的连接很方便。高档数控系统还具有RS485、MAP以及其他各种网络接口，从而能够实现柔性生产线FMS以及计算机集成制造系统CIMS。

（3）进给轴的位置控制接口

实现进给轴的位置控制包括三个方面的内容：一是进给速度的控制；二是插补运算；三是位置闭环控制。插补方法有基准脉冲法与采样数据法。基准脉冲法就是CNC系统每次插补以脉冲的形式提供给位置控制单元，这种插补方法的进给速度与控制精度较低，主要用于开环数控系统。而采样数据法计算出给定时间间隔内各坐标轴的位置增量，同时接收机床的实际位置反馈，根据插补所得到的命令位置与反馈位置的差来控制机床运动，因此采样数据法可以根据进给速度的大小来计算一个时间间隔内的位置增量。只要CPU的运算速度较快，给定时间间隔选择得较小，就可以实现高速、高精度的位置控制。

进给轴位置控制接口包括模拟量输出接口和位置反馈计数接口。模拟量输出接口采用数/模转换器DAC（一般为十二位至十六位），输出模拟电压的范围为-10～10V，用以控制速度伺服单元。模拟电压的正负和大小分别决定了电动机的转动方向和转速。位置反馈计数接口能检测并记录位置反馈元件（如光电编码器）所发回的信号，从而得到进给轴的实际位置。此接口还具有失线检测功能，任意一根反馈信号的线断了都会引起失线报警。在进行位置控制的同时，数控系统还通过软件进行自动升降速处理，即当机床启动、停止或在加工过程中改变进给速度时，数控系统自动进行线性规律或指数规律的速度升降处理。对于一般机床，可采用较为简单的直线线性升降速处理；对于重型机床，则需使用指数升降速处理，以便使速度变化平滑。

（4）主轴控制接口

主轴S功能可分为无级变速、有级变速和分段无级变速三大类。当数控机床配有主轴驱动装置时，可利用系统的主轴控制接口输出模拟量进行无级变速，否则需要S、M、T接口实现有级变速。为提高低速输出转矩，现代数控机床多采用分段无级变速，这可以利用辅助功能和主轴模拟量控制配合完成。

主轴的位置反馈主要用于螺纹切削功能、主轴准停功能以及主轴转速监控等。

（5）MST控制接口

数控系统的MST功能是通过开关量输入/输出接口完成。数控系统所要执行的MST功能，通过开关量输出接口送至强电箱，而机床与强电箱的信号则通过开关量输入接口送至数控系统。MST功能的开关量控制逻辑关系复杂，在数控机床中，一般采用可编程控制器（PLC）来实现MST功能。