CNC装置硬件结构

CNC硬件结构分类：
按体系结构可分为：专用体系结构和开放式体系结构；
按功能可分为：经济型CNC装置和高级型CNC装置。
按照控制功能的复杂程度可分为：单微处理器结构和多微处理器结构。
按组成CNC装置的印刷电路板的结构特点和插拔方式可分为：大板式结构和模块化结构两类。
经济型CNC装置一般采用单微处理器大板结构，高级型CNC装置常采用多处理器模块化结构。
CNC装置采用了多微处理机结构，就能使数控机床向高速度、高精度和高智能化方向发展。
一、单微处理机结构的CNC装置
单微处理机数控装置是以一个CPU（中央处理器）为核心，CPU通过总线与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务。

1. 微处理器
微处理器是CNC装置的核心，由控制器和运算器组成。在CNC装置中，控制器的控制任务为：从程序储存器中依次取出的指令，经过解释，向CNC装置各部分按顺序发出执行操作的控制信号，使指令得以执行。而且又接收执行部件发回来的反馈信号，控制器根据程序中的指令信息及这些反馈信息，决定下一步命令操作。运算器的任务主要是：零件加工程序的译码、刀补计算、插补计算、位置控制计算及其它数据的计算和逻辑运算。
由于所有数控功能都由一个CPU来完成，因此CNC装置的功能受微处理器的字长、寻址能力和运算速度等因素的限制。为了提高处理速度，增强数控功能，常采用以下措施：
⑴由硬件完成一部分插补工作；
⑵采用带有微处理器的plc等智能部件。
2．总线
在单微处理器的CNC系统中常采用总线结构。总线一般可分为数据总线、地址总线、和控制总 线三组。数据总线为各部分之间传送数据，数据总线的位数和传送的数据宽度相等，采用双方向线。地址总线传送的是地址信号，与数据总线结合使用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地，采用单方向线。控制总线传输的是一些控制信号，如数据传输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用单方向线。
3．存储器
CNC装置的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两类。ROM一般采用可擦除的 只读存储器（EPROM），存储器的内容由CNC装置的生产厂家固化写入，即使断电，EPROM中信息也不会丢失。若要改变EPROM中的内容，必须用紫外线抹除之后重新写入。RAM中的信息可以随时被CPU读或写，但断电后，信息也随之消失。如果需要断电后保留信息，一般需采用后备电池。
4．输入/输出（I／O）接口
CNC装置和机床之间的信号传输是通过输入（Input）和输出（Output）接口电路来完成。信号经接口电路送至系统寄存器的某一位，CPU定时读取寄存器状态，经数据滤波后作相应处理。同时CPU定时向输出接口送出相应的控制信号。I/O接口电路可以起到电气隔离的作用，防止干扰信号引起误动作。一般在接口电路中采用光电耦合器或继电器将CNC装置和机床之间的信号在电气上加以隔离。
5．位置控制器
CNC装置中的位置控制器主要是对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制。坐标轴控制是数控机床上要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动和位置的精度有严格要求，在多轴联动时，还要求各移动轴有很好的动态配合。对于主轴的控制，要求在很宽的范围内速度连续可调，并且每一种速度下均能提供足够的切削所需的功率和扭矩。在某些高性能的CNC机床上还要求能实现主轴的定向准停，也就是主轴在某一给定角度位置停止转动。
6．MDI／CRT接口
MDI接口是通过操作面板上的键盘，手动输入数据的接口。CRT接口是在CNC软件配合下，将字符和图形显示在显示器上。显示器一般是阴极射线管（CRT），也可以是平板式液晶显示器（LCD）。
7．可编程序控制器（PLC）
可编程序控制器用来代替传统机床强电的继电器逻辑控制，实现各种开关量（S、M、T）的控制。如主轴正转、反转及停止，刀具交换，工件的夹紧及松开，切削液的开、关以及润滑系统的运行等，同时还包括主轴驱动以及机床报警处理等。
8．通信接口
通信接口用来与外部设备进行信息传输，如与上位计算机或直接数字控制器DNC等进行数字通信，一般采用RS232C串口。
单微处理器结构由于CPU通过总线与各个控制单元相连，完成信息交换，结构比较简单，但是由于只用一个微处理器来集中控制，CNC的功能受到微处理器字长、寻址功能和运算速度等因素的限制。
二、单微处理器CNC装置的结构特点:
1. CNC装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等功能都由它集中控制，分时处理。
2. 微处理器通过总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC装置；
3. 结构简单，容易实现；
4. 单微处理器因为只有一个微处理器进行集中控制，其功能将受微处理器字长、数据宽度，寻址能力和运算速度等因素限制。
二、多微处理机结构的CNC装置
多微处理器结构中有两个或两个以上微处理器。多微处理器CNC装置采用模块化技术，由多个功能模块组成。一般包括如下几种功能模块：
1．CNC管理模块 管理和组织整个CNC系统的工作，包括系统初始化、中断处理、总线冲突裁决、系统出错识别和处理、软硬件诊断等功能。
2．CNC插补模块 完成零件加工程序的译码、刀具半径的补偿、坐标位移量的计算和进给速度处理等插补前的预处理，以及进行插补计算，确定各坐标轴的位置。
3．位置控制模块 插补后的坐标位置给定值与位置检测装置测得的位置实际值进行比较，进行自动加减速、回基准点、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，去驱动进给电机。
4．存储器模块 主要用于存放程序和数据，也可以是各功能模块间进行数据传送的共享存储器。
5．操作面板监控和显示模块 包括零件的数控程序、参数、各种操作命令和数据的输入、输出、显示所需要的各种接口电路。
6．PLC模块 零件程序中的开关功能和从机床来的信号在这个模块中作逻辑处理，实现各开关功能和机床操作方式之间的对应关系，如机床主轴的启停、冷却液的开关、刀具交换、回转工作台的分度、工件数量和运转时间的计数等。
根据CNC装置的需要，还可再增加相应的模块实现某些扩展功能。
多微处理器CNC装置在结构上可分为共享总线型和共享存储器型，通过共享总线或共享存储器，来实现各模块之间的互联和通信。
1．共享总线结构 共享总线结构以系统总线为中心，把组成CNC装置的各个功能部件划分为带有CPU的主模块和不带CPU的从模块（如各种RAM、ROM模块，I／O等）两大类。所有主、从模块都插在配有总线插座的机柜内，共享标准的系统总线。系统总线的作用是把各个模块有效地连接在一起，按照标准协议交换各种数据和控制信息，实现各种预定的功能，如图4-5所示。

在共享总线结构中，只有主模块有权控制使用系统总线。但由于有多个主模块，可能会同时请求使用总线，而某一时刻只能由一个主模块占有总线。为了解决这一矛盾，系统设有总线仲裁电路。按照每个主模块负担的任务的重要程度，预先安排各自的优先级别顺序。总线仲裁电路在多个主模块争用总线而发生冲突时，能够判别出发生冲突的各个主模块的优先级别的高低，最后决定由优先级高的主模块优先使用总线。
共享总线结构中由于多个主模块共享总线，易引起冲突，使数据传输效率降低；总线一旦出现故障，会影响整个CNC装置的性能。但由于其结构简单、系统配置灵活、实现容易等优点而被广泛采用。
2．共享存储器结构
共享存储器结构通常采用多端口存储器来实现各微处理器之间的连接与信息交换，由多端口控制逻辑电路解决访问冲突，其结构框图如图4-6所示。

在共享存储器结构中，各个主模块都有权控制使用系统存储器。即便是多个主模块同时请求使用存储器，只要存储器容量有空闲，一般不会发生冲突。在各模块请求使用存储器时，由多端口的控制逻辑电路来控制。
共享存储器结构中多个主模块共享存储器时，引起冲突的可能较小，数据传输效率较高，结构也不复杂，所以也被广泛采用。
3．多微处理机结构CNC装置的优点
(1)运算速度快、性能价格比高；
(2)适应性强、扩展容易；
(3)可靠性高；
(4)硬件易于组织规模生产。
三、开放式体系结构系统
开放式体系结构数控系统充分利用计算机的软件和硬件资源，根据控制对象的不同要求，灵活地变更软硬件组成，适应不同用户的需求。开放式体系结构成为数控发展的趋势。
主要目的：解决复杂变化的市场需求与控制系统专一的固定模式之问的矛盾，使数控系统易变、紧凑、廉价，并具很强的适应性和二次开发性。
1．开放式体系结构CNC系统的定义
参照IEEE对开放式系统的规定，开放式体系结构CNC系统必须具有提供不同应用程序协调地运行于系统平台之上的能力，提供面向功能的动态重构工具，同时提供统一标准化的应用程序界面。
2. 开放式CNC系统的体系结构
开放式数控系统基本上有三种结构形式：
（1）专用CNC PC主板；
（2）通用PC 开放式运动控制器；
（3）完全PC型的全软件形式的数控系统。
3.开放式数控系统特点
（1）系统构件（软件和硬件）具有标准与多样化和互换性的特征；
（2）允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”的集成构造，应该是可移植的和透明的。