2.3　計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.3.1　概述

作為現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)核心的CNC裝置實(shí)際是一臺(tái)專門(mén)用于數(shù)控加工的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)的主要功能和主要性能指標(biāo)都取決于CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)。其硬件結(jié)構(gòu)從CNC系統(tǒng)的總體安裝結(jié)構(gòu)看，有整體式結(jié)構(gòu)和分體式結(jié)構(gòu)兩種。所謂整體式結(jié)構(gòu)，是把CRT和MDI面板、操作面板以及功能模塊板組成的電路板等安裝在同一機(jī)箱內(nèi)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝。分體式結(jié)構(gòu)通常把CRT和MDI面板、操作面板等做成一個(gè)部件，而把功能模塊組成的電路板安裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，兩者之間用導(dǎo)線或光纖連接。許多CNC機(jī)床把操作面板也單獨(dú)作為一個(gè)部件，這是由于所控制機(jī)床的要求不同，操作面板相應(yīng)地要改變，做成分體式有利于更換和安裝。按CNC裝置中CPU的個(gè)數(shù)，可分為單處理器結(jié)構(gòu)和多處理器結(jié)構(gòu)。

2.3.2　單CPU結(jié)構(gòu)

單CPU數(shù)控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：用一個(gè)CPU完成控制軟件的運(yùn)行及各控制程序間的調(diào)度，如圖2-30所示。

2.3.3　多CPU結(jié)構(gòu)

多CPU結(jié)構(gòu)：是指在CNC系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU能控制系統(tǒng)總線或主存儲(chǔ)器進(jìn)行工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2-31所示。

現(xiàn)代的CNC系統(tǒng)大多采用多CPU結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，每個(gè)CPU完成系統(tǒng)中規(guī)定的一部分功能，獨(dú)立執(zhí)行程序，它與單CPU結(jié)構(gòu)相比，提高了計(jì)算機(jī)的處理速度。多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，將軟件和硬件模塊形成一定的功能模塊。模塊間有明確的符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，彼此間可以進(jìn)行信息交換。這樣可以形成模塊化結(jié)構(gòu)，縮短了設(shè)計(jì)制造周期，并且具有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，結(jié)構(gòu)緊湊。多CPU的CNC系統(tǒng)由于每個(gè)CPU分管各自的任務(wù)，形成若干個(gè)模塊，如果某個(gè)模塊出了故障，其他模塊仍然照常工作。并且插件模塊更換方便，可以使故障對(duì)系統(tǒng)的影響減少到最小限度，提高了可靠性。性能價(jià)格比高，適合于多軸控制、高進(jìn)給速度、高精度的數(shù)控機(jī)床。

多CPU系統(tǒng)的各種功能模塊如下。

①管理模塊　該模塊是管理和組織整個(gè)CNC系統(tǒng)工作的模塊，主要功能包括：初始化、中斷管理、總線裁決、系統(tǒng)出錯(cuò)識(shí)別和處理、系統(tǒng)硬件與軟件故障診斷等功能。

②插補(bǔ)模塊　該模塊是進(jìn)行零件程序的譯碼、刀具補(bǔ)償、坐標(biāo)位移量計(jì)算、進(jìn)給速度處理等計(jì)算，然后進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，并給定各坐標(biāo)軸的位置值。

③位置控制模塊　對(duì)坐標(biāo)位置給定值與由位置檢測(cè)裝置測(cè)到的實(shí)際位置值進(jìn)行比較并獲得差值、進(jìn)行自動(dòng)加減速、回基準(zhǔn)點(diǎn)、對(duì)伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和漂移補(bǔ)償，最后得到速度控制的模擬電壓（或速度的數(shù)字量），去驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)。

④PLC模塊　零件程序的開(kāi)關(guān)量（S、M、T）和機(jī)床面板來(lái)的信號(hào)在這個(gè)模塊中進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現(xiàn)機(jī)床電氣設(shè)備的啟停、刀具交換、轉(zhuǎn)臺(tái)分度、工件數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的計(jì)數(shù)等。

⑤命令與數(shù)據(jù)輸入輸出模塊　指零件程序、參數(shù)和數(shù)據(jù)、各種操作指令的輸入輸出，以及顯示所需要的各種接口電路。

⑥存儲(chǔ)器模塊　是程序和數(shù)據(jù)的主存儲(chǔ)器，或是功能模塊數(shù)據(jù)傳送用的共享存儲(chǔ)器。

2.3.4　微機(jī)基本系統(tǒng)

通常微機(jī)基本系統(tǒng)是由CPU、存儲(chǔ)器（EPROM、RAM）、定時(shí)器、中斷控制器等幾個(gè)主要部分組成。

①CPU　CPU是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的核心，常見(jiàn)的中低檔數(shù)控系統(tǒng)基本上采用8位或16位CPU，如8088/8086、8031等。隨著CPU系統(tǒng)向高精度方向發(fā)展，要求其最小設(shè)定單位越來(lái)越小，同時(shí)又要求CPU系統(tǒng)能滿足大型機(jī)床的需要，當(dāng)最小設(shè)定單位是1μm時(shí)，16位二進(jìn)制數(shù)所表示的最大坐標(biāo)為-32.767～32.767mm，這顯然是不夠的，而采用32位二進(jìn)制數(shù)時(shí)，最大坐標(biāo)范圍為-2000～2000m，因此數(shù)控系統(tǒng)一般采用24位二進(jìn)制數(shù)，其坐標(biāo)范圍為-8388.607～8388.607mm。因此選用8位CPU就需要三個(gè)或四個(gè)字節(jié)運(yùn)算，這就嚴(yán)重影響了運(yùn)算速度，當(dāng)最小設(shè)定單位為0.1μm時(shí)，這個(gè)問(wèn)題將更加嚴(yán)重。因此現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)大多采用16位或32位的CPU，以滿足其性能指標(biāo)，如采用8位CPU，則為多CPU結(jié)構(gòu)。例如FANUC15、SIEMENS840、FAGOR8050等系統(tǒng)均為32位CPU，而FAGOR8025系統(tǒng)則采用8位多CPU結(jié)構(gòu)。

②EPROM　EPROM用于固化系統(tǒng)控制軟件，數(shù)控系統(tǒng)的所有功能都是固化在EPROM中的程序控制下完成的。在數(shù)控系統(tǒng)中，硬軟件有密切的關(guān)系，由于軟件的執(zhí)行速度較硬件慢，當(dāng)CPU功能較弱時(shí)，則需要專用硬件解決問(wèn)題或采用多CPU結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)常采用標(biāo)準(zhǔn)化與通用化總線結(jié)構(gòu)，因此不同的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)可以采用基本相同的硬件結(jié)構(gòu)，并且系統(tǒng)的改進(jìn)與擴(kuò)展十分方便。

在硬件相對(duì)不變的情況下，軟件仍有相當(dāng)大的靈活性。擴(kuò)充軟件就可以擴(kuò)展CNC的功能，而且軟件的這種靈活性有時(shí)會(huì)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的功能產(chǎn)生極大的影響。在國(guó)外，軟件的成本甚至超過(guò)硬件。例如FANUC3T與3M的差別僅在EPROM中的軟件，F(xiàn)ANUC3M二軸半聯(lián)動(dòng)變?yōu)槿S聯(lián)動(dòng)也僅需要更換EPROM中的軟件。

③RAM　RAM中存放可能改寫(xiě)的信息，在圖2-32（a）中，除中斷堆棧存放區(qū)和控制軟件數(shù)據(jù)暫存區(qū)外，均有后備電池掉電保護(hù)功能，即當(dāng)電源消失后，由電池來(lái)維持RAM芯片電壓，以保持其中信息，其原理示意圖如圖2-32（b）所示。現(xiàn)在大量使用的CMOS半導(dǎo)體RAM芯片如62648（8K）、62256（32K）、628128（128K），其維持功耗很低。如日立HM628128芯片，其電源電壓大于2V即可維持信息不丟失，并且維持電流小于1μA，這就大大延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

④定時(shí)器與中斷控制器　定時(shí)器與中斷控制器用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的定時(shí)控制與多級(jí)中斷管理。

2.3.5　接口

（1）人機(jī)界面接口

數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面包括以下四部分：鍵盤(pán)（MDI），用于加工程序的編制以及參數(shù)的輸入等；顯示器（CRT），用于顯示程序、數(shù)據(jù)以及加工信息等；操作面板（OPERATOR PANEL），用于對(duì)機(jī)床的操作。手搖脈沖發(fā)生器（MPG），用于手動(dòng)控制機(jī)床坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，類似普通機(jī)床的搖手柄。

①鍵盤(pán)在數(shù)控系統(tǒng)中亦稱MDI（Manual Data Input）面板或數(shù)控面板，它由英文字母鍵、功能鍵、數(shù)字鍵等組成，用于編制加工程序、修改參數(shù)等。鍵盤(pán)的接口比較簡(jiǎn)單，大多仍采用掃描矩陣原理，這與通常的計(jì)算機(jī)是一樣的。

②數(shù)控系統(tǒng)處于不同的操作功能時(shí)，顯示器所顯示的內(nèi)容是不同的。在編程時(shí)，其顯示的是被編輯的加工程序，而加工時(shí)，則顯示當(dāng)前各坐標(biāo)軸的坐標(biāo)位置和機(jī)床的狀態(tài)信息。有些數(shù)控系統(tǒng)還具有圖形模擬功能，這時(shí)顯示器則顯示模擬加工過(guò)程的刀具走刀路徑，可以檢查加工程序的正確與否。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)已大量采用高分辨率彩色顯示器或液晶顯示器，顯示的圖形也由二維平面圖形變?yōu)槿S動(dòng)態(tài)圖形。

③操作面板又稱機(jī)床操作面板，不同的數(shù)控機(jī)床由于其所需的動(dòng)作不同，所配操作面板也是不同的。操作面板主要用于手動(dòng)方式下對(duì)機(jī)床的操作以及自動(dòng)方式下對(duì)運(yùn)動(dòng)的操作或干涉。

（2）通信接口

通常數(shù)控系統(tǒng)均具有標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行通信接口，因此與外設(shè)備以及上一級(jí)計(jì)算機(jī)的連接很方便。高檔數(shù)控系統(tǒng)還具有RS485、MAP以及其他各種網(wǎng)絡(luò)接口，從而能夠?qū)崿F(xiàn)柔性生產(chǎn)線FMS以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS。

（3）進(jìn)給軸的位置控制接口

實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸的位置控制包括三個(gè)方面的內(nèi)容：一是進(jìn)給速度的控制；二是插補(bǔ)運(yùn)算；三是位置閉環(huán)控制。插補(bǔ)方法有基準(zhǔn)脈沖法與采樣數(shù)據(jù)法。基準(zhǔn)脈沖法就是CNC系統(tǒng)每次插補(bǔ)以脈沖的形式提供給位置控制單元，這種插補(bǔ)方法的進(jìn)給速度與控制精度較低，主要用于開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。而采樣數(shù)據(jù)法計(jì)算出給定時(shí)間間隔內(nèi)各坐標(biāo)軸的位置增量，同時(shí)接收機(jī)床的實(shí)際位置反饋，根據(jù)插補(bǔ)所得到的命令位置與反饋位置的差來(lái)控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)，因此采樣數(shù)據(jù)法可以根據(jù)進(jìn)給速度的大小來(lái)計(jì)算一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的位置增量。只要CPU的運(yùn)算速度較快，給定時(shí)間間隔選擇得較小，就可以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的位置控制。

進(jìn)給軸位置控制接口包括模擬量輸出接口和位置反饋計(jì)數(shù)接口。模擬量輸出接口采用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC（一般為十二位至十六位），輸出模擬電壓的范圍為-10～10V，用以控制速度伺服單元。模擬電壓的正負(fù)和大小分別決定了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。位置反饋計(jì)數(shù)接口能檢測(cè)并記錄位置反饋元件（如光電編碼器）所發(fā)回的信號(hào)，從而得到進(jìn)給軸的實(shí)際位置。此接口還具有失線檢測(cè)功能，任意一根反饋信號(hào)的線斷了都會(huì)引起失線報(bào)警。在進(jìn)行位置控制的同時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)還通過(guò)軟件進(jìn)行自動(dòng)升降速處理，即當(dāng)機(jī)床啟動(dòng)、停止或在加工過(guò)程中改變進(jìn)給速度時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行線性規(guī)律或指數(shù)規(guī)律的速度升降處理。對(duì)于一般機(jī)床，可采用較為簡(jiǎn)單的直線線性升降速處理；對(duì)于重型機(jī)床，則需使用指數(shù)升降速處理，以便使速度變化平滑。

（4）主軸控制接口

主軸S功能可分為無(wú)級(jí)變速、有級(jí)變速和分段無(wú)級(jí)變速三大類。當(dāng)數(shù)控機(jī)床配有主軸驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，可利用系統(tǒng)的主軸控制接口輸出模擬量進(jìn)行無(wú)級(jí)變速，否則需要S、M、T接口實(shí)現(xiàn)有級(jí)變速。為提高低速輸出轉(zhuǎn)矩，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床多采用分段無(wú)級(jí)變速，這可以利用輔助功能和主軸模擬量控制配合完成。

主軸的位置反饋主要用于螺紋切削功能、主軸準(zhǔn)停功能以及主軸轉(zhuǎn)速監(jiān)控等。

（5）MST控制接口

數(shù)控系統(tǒng)的MST功能是通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入/輸出接口完成。數(shù)控系統(tǒng)所要執(zhí)行的MST功能，通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出接口送至強(qiáng)電箱，而機(jī)床與強(qiáng)電箱的信號(hào)則通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入接口送至數(shù)控系統(tǒng)。MST功能的開(kāi)關(guān)量控制邏輯關(guān)系復(fù)雜，在數(shù)控機(jī)床中，一般采用可編程控制器（PLC）來(lái)實(shí)現(xiàn)MST功能。