CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu),按CPU的多少來(lái)分,分為單機(jī)系統(tǒng)和多機(jī)系統(tǒng)转挽。

1．單機(jī)系統(tǒng):整個(gè)CNC裝置只有一個(gè)CPU,它集中控制和管理整個(gè)系統(tǒng)資源通過(guò)分時(shí)處理的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功能酸穗。

優(yōu)點(diǎn):投資少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單雄工、易于實(shí)現(xiàn)枕络。

缺點(diǎn):功能受CPU字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)寬度番产、尋址能力和運(yùn)算速度的限制搜澈。

2．多機(jī)系統(tǒng):CNC裝置中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU。根據(jù)CPU間的相互關(guān)系不同,又可分為:

(1)主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)逞翰。系統(tǒng)中只有一個(gè)CPU(主CPU)對(duì)系統(tǒng)資源(存儲(chǔ)器乏傀、總線)有控制和使用權(quán),而其他CPU的功能部件(智能部件),其CPU無(wú)權(quán)控制和使用系統(tǒng)資源,只能接受主CPU的控制命令或數(shù)據(jù),或向CPU發(fā)出請(qǐng)求信息以獲得所需數(shù)據(jù)。是一個(gè)CPU處于主導(dǎo)地位,其他CPU處于從屬地位的結(jié)構(gòu)吝都。

(2)多主結(jié)構(gòu)系統(tǒng)杆坪。系統(tǒng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的帶有CPU的功能部件對(duì)系統(tǒng)資源有控制和使用權(quán)。功能部件采用緊偶合(掛在同一系統(tǒng)總線,集中在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)),有集中的操作系統(tǒng),通過(guò)總線仲裁器(軟件投放、硬件)來(lái)解決爭(zhēng)用總線問(wèn)題,通過(guò)公用存儲(chǔ)器來(lái)交換信息奈泪。

(3)分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。系統(tǒng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的帶有CPU的功能模塊,每個(gè)模塊都有自己獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境(總線灸芳、存儲(chǔ)器、操作系統(tǒng)),模塊之間采用松偶合,在空間上可較為分散,采用通信方式交換信息拜姿。

從硬件體系結(jié)構(gòu)看,單機(jī)結(jié)構(gòu)與主從結(jié)構(gòu)極其相似,CPU模塊與單機(jī)結(jié)構(gòu)中的功能模塊是等價(jià)的,只是功能更強(qiáng)而已烙样。所以,稱單機(jī)結(jié)構(gòu)和主從結(jié)構(gòu)為單主結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。

一蕊肥、單機(jī)或主結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹

圖1硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖1為其硬件結(jié)構(gòu)框圖谒获。這類CNC裝置的硬件是由若干功能不同的模塊組成,各模塊既是系統(tǒng)的組成部分,又有相對(duì)的獨(dú)立性,屬模塊化結(jié)構(gòu)。

模塊化設(shè)計(jì)方法:將控制系統(tǒng)按功能劃分成若干種具有獨(dú)立功能的單元模塊壁却。每個(gè)模塊配上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件批狱。按功能的要求選擇不同的功能模塊,將其插入控制單元母板上,就組成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。單元母板一般為總線結(jié)構(gòu)的無(wú)源母板,它提供模塊間互聯(lián)的信號(hào)通道展东。

下面介紹CNC裝置中各硬件模塊的作用赔硫。

(一)計(jì)算機(jī)主板和系統(tǒng)總線(母板)

1．計(jì)算機(jī)主板

它是CNC裝置的核心。目前CNC裝置普遍采用基于PC機(jī)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),即CNC裝置的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在功能上完全與標(biāo)準(zhǔn)的PC機(jī)一樣,各硬件模塊均與PC機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)兼容盐肃。其目的是利用PC機(jī)豐富的軟件和硬件OEM資源估浴。這樣提高系統(tǒng)的適應(yīng)性、開(kāi)放性,降低價(jià)格,縮短開(kāi)發(fā)周期锚倦。

在結(jié)構(gòu)上CNC裝置的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與PC機(jī)略有不同酒管。主板與系統(tǒng)總線分離,總線是無(wú)源母板,主板做成插卡形式,集成度更高:ALL-IN-ONE主板驱宴。

包括一下功能結(jié)構(gòu):

(1)CPU芯片及其外圍芯片；

(2)內(nèi)存單元拌艳、cache及其外圍芯片歧衡；

(3)通信接口(串口、并口橙樟、鍵盤接口)庸颂；

(4)軟、硬驅(qū)動(dòng)器接口阻洋。

作用:對(duì)輸入到CNC裝置中的各種數(shù)據(jù)绕鸯、信息(零件加工程序、各種I/O信息)進(jìn)行相應(yīng)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算败芙。并根據(jù)處理結(jié)果,向其它功能模塊發(fā)出控制命令鹃壤、傳送數(shù)據(jù),是用戶指令得以執(zhí)行。

2．系統(tǒng)總線

有一組傳送數(shù)字信息的物理導(dǎo)線組成壁顶。是計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的通道,從功能上分三組:

(1)數(shù)據(jù)總線:各模塊間數(shù)據(jù)交換的通道珠洗。線的根數(shù)與數(shù)據(jù)寬度相等。是雙向總線若专。

(2)地址總線:是傳送數(shù)據(jù)存放地址的總線许蓖。與數(shù)據(jù)總線結(jié)合,可確定數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)的來(lái)源地和目的地。單向總線调衰。

(3)控制總線:是一組傳送管理或控制信號(hào)的總線(數(shù)據(jù)的讀膊爪、寫(xiě)、控制,中斷嚎莉、復(fù)位米酬、I/O讀寫(xiě)及各種確認(rèn)信號(hào)等)。單向總線趋箩。

(二)顯示模塊(顯示卡)

是通用性很強(qiáng)的模塊,有VGA卡赃额、SVGA卡,早期有:CGA、EGA等叫确。無(wú)需用戶自己開(kāi)發(fā)跳芳。

作用:接受來(lái)自CPU的控制命令和顯示用的數(shù)據(jù),經(jīng)與CRT的掃瞄信號(hào)調(diào)制后,產(chǎn)生CRT所需要的視頻信號(hào)。

(三)輸入/輸出模塊(多功能卡)

該模塊也是標(biāo)準(zhǔn)的PC機(jī)模塊,無(wú)需用戶自己開(kāi)發(fā)玲装。這個(gè)模塊是CNC裝置與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的接口板谍潮。通過(guò)該接口,從外部輸入設(shè)備獲取數(shù)據(jù),也將數(shù)據(jù)輸送給外部設(shè)備。

輸入設(shè)備:紙帶閱讀機(jī)怕翘；

輸出設(shè)備:打印機(jī)易传、紙帶穿孔機(jī)；

輸入/輸出設(shè)備:磁盤驅(qū)動(dòng)器辞镇、錄音機(jī)臭赃、磁帶機(jī)询烤；

通信接口:RS232。

ALL-IN-ONE主板可省略此板尽舱。

以上三部分,配上鍵盤旷酗、電源、機(jī)箱,就是通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng),它是CNC裝置的核心,確定其檔次和性能元炭。

(四)電子盤(存儲(chǔ)模塊)

電子盤是CNC裝置特有的存儲(chǔ)模塊,存放一下數(shù)據(jù)和參數(shù):

(1)系統(tǒng)軟件和固有數(shù)據(jù)星嗜。

(2)系統(tǒng)的配置參數(shù)(進(jìn)給軸數(shù)、軸的定義软吐、系統(tǒng)增益等)

(3)用戶的零件加工程序

目前存儲(chǔ)器件有三類:

(1)磁性存儲(chǔ)器件:軟瘩将、硬磁盤,可隨機(jī)讀寫(xiě)。

(2)光存貯器件:光盤凹耙。

(3)半導(dǎo)體(電子)存貯器件:RAM姿现、ROM、FLASH等肖抱。

前兩類一般作外存儲(chǔ)器,容量大备典、價(jià)格低,電子存貯器件一般作內(nèi)存儲(chǔ)器。電子存儲(chǔ)器件一般用作內(nèi)存儲(chǔ)器意述。

按其讀寫(xiě)性能,可分為三類:

(1)只讀存儲(chǔ)元件(ROM提佣、PROM、EPROM):特點(diǎn)是只能讀出其存放的數(shù)據(jù),而不能隨時(shí)修改它荤崇。用于固化系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)固有的參數(shù)拌屏。

(2)易失性隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)元件(RAM):特點(diǎn)是可隨時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作,但掉電其存儲(chǔ)信息將全部丟失。主要用作計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的緩寸器cache术荤。

(3)非易失性讀寫(xiě)存儲(chǔ)元件(E2PROM槐壳、FLASH、帶后備電池的RAM):特點(diǎn)是可隨時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作,且掉電其存儲(chǔ)信息也不會(huì)丟失喜每。用于存放系統(tǒng)的配置參數(shù)、零件加工程序拘挖。

CNC裝置常用電子存儲(chǔ)器件作為外存儲(chǔ)器,而不采用磁性存儲(chǔ)器件找鹅。因?yàn)镃NC裝置的工作環(huán)境有可能受電磁干擾,用磁性存儲(chǔ)器件可靠性低,電子存儲(chǔ)器件抗電磁干擾能力強(qiáng)些。

由電子存儲(chǔ)器件組成的存儲(chǔ)單元是按磁盤管理方式進(jìn)行管理的,故稱作電子盤挑画。

(五)設(shè)備輔助控制接口模塊

CNC裝置對(duì)機(jī)床的加工控制有兩類:

一是對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)速度和位置的控制,即軌跡控制轩从。是實(shí)現(xiàn)G指令所規(guī)定的運(yùn)動(dòng)。

二是對(duì)機(jī)床的諸如主軸的啟停猎肄、換向,更換刀具,工件的夾緊融沟、松開(kāi),液壓、冷卻欠住、潤(rùn)滑系統(tǒng)的運(yùn)行等進(jìn)行控制浮烫。這是根據(jù)CNC內(nèi)部和機(jī)床各行程開(kāi)關(guān)佳珊、傳感器、按鈕杆荐、繼電器等開(kāi)關(guān)量信號(hào)狀態(tài),按預(yù)先規(guī)定的邏輯順序所進(jìn)行的控制,即順序控制听公。是實(shí)現(xiàn)M指令規(guī)定的動(dòng)作。

設(shè)備輔助控制接口模塊就是實(shí)現(xiàn)順序控制的模塊诉濒。

CNC裝置要對(duì)機(jī)床的輔助動(dòng)作進(jìn)行順序控制,一要接受來(lái)自機(jī)床上的外部信號(hào)(行程開(kāi)關(guān)周伦、傳感器、按鈕未荒、繼電器等)专挪；二是要用產(chǎn)生的指令去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)器件實(shí)現(xiàn)輔助動(dòng)作。但CNC裝置既不能直接接受來(lái)自機(jī)床外部的信號(hào),因?yàn)檫@些信號(hào)在形式片排、電平與CNC能接受的信號(hào)不匹配,而且還會(huì)夾帶干擾信號(hào)寨腔；又不能直接驅(qū)動(dòng)輔助動(dòng)作執(zhí)行器件,因?yàn)镃NC的輸出指令在形式、電平划纽、功率也不能滿足執(zhí)行器件的輸入要求脆侮。所以,需要有一個(gè)信號(hào)的轉(zhuǎn)換接口,這就是設(shè)備輔助控制接口模塊。該模塊的作用是:

(1)對(duì)CNC的輸入輸出信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換,包括輸電平轉(zhuǎn)換勇劣、模/數(shù)轉(zhuǎn)換靖避、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、數(shù)/脈轉(zhuǎn)換比默、功率匹配轉(zhuǎn)換幻捏。

(2)阻斷外部干擾信號(hào)進(jìn)入CNC計(jì)算機(jī),在電氣上將CNC與外部信號(hào)隔離。

所要轉(zhuǎn)換的信號(hào)有三類:開(kāi)關(guān)量帅唬、模擬量和脈沖量故弟。

圖2PMC模塊硬件邏輯框圖

設(shè)備輔助控制接口的實(shí)現(xiàn)方式主要有:

(1)簡(jiǎn)單I/O接口板。圖2,光電隔離器件起電器隔離和電平轉(zhuǎn)換作用噪怜；調(diào)理電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整形又蝌、濾波處理。

(2)PLC控制:

一類是內(nèi)裝型PLC,與CNC綜合起來(lái)設(shè)計(jì)的,是CNC張只的一部分,與CNC的信息交換在CNC內(nèi)部進(jìn)行,不能獨(dú)立工作予售〕≈拢可與CNC共用一個(gè)CPU,也可以單獨(dú)的CPU。由于CNC的功能與PLC的功能在設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)一考慮,PLC的硬湿斩、軟件整體結(jié)構(gòu)合理,實(shí)用籍投、性價(jià)比高。適用與類型變換不大的數(shù)機(jī)床忧埠。由于PLC與CNC連線較少且信息能CNC的顯示器顯示,十PLC編程更方便圣烤、故障診斷功能有提高,提高CNC系統(tǒng)的可靠性。

另一類是獨(dú)立型PLC,由專業(yè)話生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)順序控制；獨(dú)立于CNC,具有完整的硬喘建、軟件功能,能獨(dú)立完成控制任務(wù)显驼。選型時(shí)主要考慮:輸入/輸出信號(hào)接口技術(shù)規(guī)范、輸入/輸出點(diǎn)數(shù)轧葛、程序存儲(chǔ)容量搂抒、運(yùn)算和控制功能等。生產(chǎn)廠家多,選擇余地大,功能擴(kuò)張比較方便尿扯。

(六)位置控制模塊

位置控制模塊是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分,是CNC與伺服系統(tǒng)連接的接口求晶。作用是:接受CNC插補(bǔ)運(yùn)算后輸出的位置指令,經(jīng)相應(yīng)調(diào)節(jié)運(yùn)算,輸出速度控制指令,然后進(jìn)行相應(yīng)的變換后,輸出速度指令電壓給速度控制單元,去控制伺服電機(jī)運(yùn)行；對(duì)于閉環(huán)和半閉環(huán)控制,還要回收實(shí)際位置和實(shí)際速度信號(hào),供位置和速度閉環(huán)控制使用衷笋。常用的位置控制模塊有如下類型:

1．開(kāi)環(huán)位置控制模

圖3PLC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

如圖3所示,數(shù)字/脈沖變換的功能是將CNC送來(lái)的進(jìn)給指令(數(shù)字量)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率(與進(jìn)給速度相適應(yīng))的指令脈沖量(具有記數(shù)器功能的芯片實(shí)現(xiàn))芳杏；脈沖整形的功能是調(diào)整輸出脈沖的占空比,提高脈沖波形的質(zhì)量(由D觸發(fā)器和相應(yīng)的門電路組成)；環(huán)行分配器的功能是將指令脈沖,按步進(jìn)電機(jī)要求的通電方式進(jìn)行分配使之按規(guī)定的方式通電和斷電,從而控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)辟宗。

2．閉環(huán)位置控制模塊

閉環(huán)位置控制模塊由三部分組成:

速度指令轉(zhuǎn)換部分:由鎖存器爵赵、光電隔離器、D/A轉(zhuǎn)換器和方向控制與功率放大組成泊脐。鎖存器接受來(lái)自CPU計(jì)算的速度指令值并進(jìn)行鎖存,該數(shù)據(jù)經(jīng)光電隔離器進(jìn)行電氣隔離,由D/A轉(zhuǎn)換器將速度指令值這一數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量,再經(jīng)功率放大后得到速度指令電壓,由它控制進(jìn)給速度的大小空幻。方向控制電路控制進(jìn)給速度的方向。

位置反饋脈沖回收部分:由幅值比較電路容客、倍頻電路秕铛、展寬選通電路、光電隔離器和記數(shù)器組成蛙途。幅值比較電路接受來(lái)自光電脈沖編碼盤的三組脈沖信號(hào),輸出A讯完、B、C三相脈沖汤袭。作用是:改善脈沖波形前沿,濾掉干擾信號(hào)于扳。A、B兩相脈沖輸入到四倍頻器,從CK端輸出波形頻率是A席栅、B的四倍的信號(hào),從Q端輸出電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的信號(hào)(當(dāng)A超前B,電機(jī)正轉(zhuǎn),Q=0,反之,Q=1),作為方向選通信號(hào)炸穿。CK端輸出的脈沖經(jīng)展寬電路后,送入選通電路,該電路將根據(jù)Q的極性分別將反饋脈沖送入正向計(jì)數(shù)器或負(fù)向計(jì)數(shù)器；經(jīng)光電隔離后,計(jì)數(shù)器對(duì)反饋脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),CPU則定時(shí)從計(jì)數(shù)器讀取計(jì)數(shù)值署霸。經(jīng)運(yùn)算處理得電機(jī)的實(shí)際位移勘春。

速度反饋電壓轉(zhuǎn)換部分:由四倍頻器CK端輸出的脈沖頻率正比于電機(jī)的轉(zhuǎn)速,利用線性的頻率/電壓轉(zhuǎn)換(F/V變換)電路將該脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓信號(hào),經(jīng)方向控制和功率放大電路變換,獲得帶極性的速度反饋電壓信號(hào)。

(七)功能接口模塊

實(shí)現(xiàn)用戶特定要求的接口板右婚。如:仿形控制器、刀具監(jiān)控系統(tǒng)中的信號(hào)采集器等钮咱。

三耍才、多主結(jié)構(gòu)的CNC裝置硬件簡(jiǎn)介

多主CPU結(jié)構(gòu),有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU部件,且對(duì)系統(tǒng)資源有使用控制權(quán),部件之間采用緊偶合,有集中的操作系統(tǒng),通過(guò)總線仲裁器來(lái)解決總線爭(zhēng)用問(wèn)題,通過(guò)公共存儲(chǔ)器來(lái)進(jìn)行信息交換。

特點(diǎn):并行處理航夺、處理速度快蕉朵、可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng)功能崔涂。容錯(cuò)能力強(qiáng)。

多主CNC裝置的信息交換方式?jīng)Q定其結(jié)構(gòu)形式:

(一)共享總線結(jié)構(gòu)

以系統(tǒng)總線為中心,把CNC裝置內(nèi)各功能模塊劃分成帶有CPU或DMA(直接數(shù)據(jù)存取控制器)的各種主模塊和從模塊(RAM/ROM始衅、I/O模塊),所有主從模塊都插在嚴(yán)格定義的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線上,由于所有主模塊都有權(quán)使用系統(tǒng)總線,而在任何時(shí)刻只能允許一個(gè)主模塊占用總線,因此冷蚂。有一個(gè)總線仲裁機(jī)構(gòu)來(lái)裁定多個(gè)模塊同時(shí)請(qǐng)求使用系統(tǒng)總線的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。

共享總線結(jié)構(gòu)的典型代表是FANUC15系統(tǒng)汛闸。

優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單蝙茶、系統(tǒng)組配靈活、成本相對(duì)較底诸老、可靠性高隆夯。

缺點(diǎn):由于系統(tǒng)總線是“瓶頸”,一旦總線出故障,整個(gè)系統(tǒng)受影響。由于使用總線要經(jīng)仲裁,使信息傳輸率降低别伏。

(二)共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

采用多端口存儲(chǔ)器作為公共存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)各主模塊之間的互連和通信蹄衷。由于同一時(shí)刻只能允許有一個(gè)主模塊對(duì)多端口存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn),所以,有一套多端口控制邏輯來(lái)解決訪問(wèn)沖突。

由于多端口存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)較復(fù)雜,且端口多還會(huì)因爭(zhēng)用存儲(chǔ)器造傳輸信息阻塞,故一般采用雙端口存儲(chǔ)器厘肮。

美國(guó)GE公司的MTC1-CNC采用的就是共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)愧口。共有三個(gè)CPU:中央CPU負(fù)責(zé)數(shù)控程序的編輯、譯碼咆杯、刀具和機(jī)床參數(shù)的輸入幌瓦；顯示CPU把CPU的指令和顯示數(shù)據(jù)送到視頻電路顯示,定時(shí)掃描鍵盤和倍率開(kāi)關(guān)狀態(tài)并送CPU進(jìn)行處理。插補(bǔ)CPU完成插補(bǔ)運(yùn)算瑟捡、位置控制棠雌、I/O控制和RS232C通信等任務(wù)。中央CPU與顯示CPU和插補(bǔ)CPU之間各有512字節(jié)的公用存儲(chǔ)器用于信息交換占航。

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