加工中心從誕生之初到現(xiàn)在已有幾十年的時間，得益于CNC數(shù)控系統(tǒng)及裝備制造業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在的加工中心技術和加工功能已經(jīng)今非昔比，已經(jīng)可以完美加工以往想都不敢的工件，特別是一些曲面多、輪廓復雜的工件，現(xiàn)在再加工中心上已經(jīng)不是什么難事。

CNC數(shù)控系統(tǒng)的組成

隨著大規(guī)模集成電路技術和表面安裝技術的發(fā)展，CNC數(shù)控系統(tǒng)硬件模塊及安裝方式不斷改進。那么我們現(xiàn)在對其結(jié)構方面進行一個數(shù)控培訓了解。從CNC數(shù)控系統(tǒng)的總體安裝結(jié)構看，有整體式結(jié)構和分體式結(jié)構兩種。

所謂整體式結(jié)構是把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箱內(nèi)。這種方式的優(yōu)點是結(jié)構緊湊，便于安裝，但有時可能造成某些信號連線過長。分體式結(jié)構通常把CRT和MDI面板、操作面板等做成一個部件，而把功能模塊組成的電路板安裝在一個機箱內(nèi)，兩者之間用導線或光纖連接。許多CNC機床把操作面板也單獨作為一個部件，這是由于所控制機床的要求不同,操作面板相應地要改變，做成分體式有利于更換和安裝。

CNC操作面板在機床上的安裝形式有吊掛式、床頭式、控制柜式、控制臺式等多種。

從組成CNC系統(tǒng)的電路板的結(jié)構特點來看，有兩種常見的結(jié)構，即大板式結(jié)構和模塊化結(jié)構。大板式結(jié)構的特點是,一個系統(tǒng)一般都有一塊大板，稱為主板。主板上裝有主CPU和各軸的位置控制電路等。其他相關的子板（完成一定功能的電路板），如ROM板、零件程序存儲器板和PLC板都直接插在主板上面，組成CNC系統(tǒng)的核心部分。由此可見，大板式結(jié)構緊湊，體積小，可靠性高，價格低，有很高的性能／價格比，也便于機床的一體化設計，大板結(jié)構雖有上述優(yōu)點，但它的硬件功能不易變動，不利于組織生產(chǎn)。

CNC數(shù)控系統(tǒng)主板上的各個組成元件

另外一種柔性比較高的結(jié)構就是總線模塊化的開放系統(tǒng)結(jié)構，其特點是將CPU、存儲器、輸入輸出控制分別做成插件板（稱為硬件模塊），甚至將CPU、存儲器、輸入輸出控制組成獨立微型計算機級的硬件模塊，相應的軟件也是模塊結(jié)構，固化在硬件模塊中。硬軟件模塊形成一個特定的功能單元，稱為功能模塊。功能模塊間有明確定義的接口，接口是固定的，成為工廠標準或工業(yè)標準，彼此可以進行信息交換。于是可以積木式組成CNC系統(tǒng)，使設計簡單，有良好的適應性和擴展性，試制周期短，調(diào)整維護方便，效率高。

從CNC系統(tǒng)使用的CPU及結(jié)構來分，CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構一般分為單CPU和多CPU結(jié)構兩大類。初期的CNC系統(tǒng)和現(xiàn)在的一些經(jīng)濟型CNC系統(tǒng)采用單CPU結(jié)構，而多CPU結(jié)構可以滿足數(shù)控機床高進給速度、高加工精度和許多復雜功能的要求，也適應于并入FMS和CIMS運行的需要，從而得到了迅速的發(fā)展，它反映了當今數(shù)控系統(tǒng)的新水平。

CNC裝置是按模塊化設計的方法構造的

模塊化設計方法：將控制系統(tǒng)按功能劃分成若干種具有獨立功能的單元模塊，并配上相應的驅(qū)動軟件。系統(tǒng)設計時按功能的要求選擇不同的功能模塊，并將其插入控制單元母板上，即可組成一個完整的控制系統(tǒng)的方法。其中單元母板一般為總線結(jié)構的無源母板，它提供模塊間互聯(lián)的信號通路。

實現(xiàn)CNC系統(tǒng)模塊化設計的條件是總線(BUS)標準化。采用模塊化結(jié)構時，CNC系統(tǒng)設計工作則可歸結(jié)為功能模塊的合理選用。

1、計算機主板和系統(tǒng)總線(母板)

計算機主板是CNC裝置的核心。

功能結(jié)構：

CPU及其外圍芯片；內(nèi)存單元及其外圍芯片；通訊接口(串口，并口，鍵盤接口)。軟、硬驅(qū)動器接口。

計算機主板的主要作用：

對輸入到CNC裝置中的各種數(shù)據(jù)、信息(零件加工程序，各種I/O信息等)進行相應的算術和邏輯運算。并根據(jù)其處理結(jié)果，向各功能模塊發(fā)出控制命令，傳送數(shù)據(jù)，使用戶的指令得以執(zhí)行。

系統(tǒng)總線(母板)：由一組傳送數(shù)字信息的物理導線組成，它是計算機系統(tǒng)內(nèi)部進行數(shù)據(jù)或信息交換的通道：

數(shù)據(jù)總線：8根數(shù)據(jù)線、總線寬度8位；地址總線：16根地址線（直接尋址64k）；

控制總線：

工業(yè)用PC機的總線母板是獨立的無源四層板（走線面、元件面、電源層和地線層），它的可靠性高于兩層板。其規(guī)格有6槽、8槽、12槽、14槽等。

2、顯示模塊(顯示卡)

顯示卡的主要作用：

接收來自CPU的控制命令和顯示用的數(shù)據(jù)，經(jīng)與CRT的掃描信號調(diào)制后，產(chǎn)生CRT顯示器所需要的視頻信號，在CRT上產(chǎn)生所需要的畫面。

在CNC裝置中，CRT顯示是一個非常重要的功能，它是人機交流的重要媒介，它給用戶提供了一個直觀的操作環(huán)境，可使用戶能快速地熟悉適應其操作過程。

顯示卡是一個通用性很強的模塊。它不僅隨時可以在市場上買到，而且它還有非常豐富的支持軟件，因此無需用戶自己開發(fā)。

3、輸入/輸出模塊(多功能卡)

它是CNC裝置與外界進行數(shù)據(jù)和信息交換的接口板，即CNC裝置通過該接口可以從輸入設備獲取數(shù)據(jù)，也可以將CNC裝置中的數(shù)據(jù)送給輸出設備。

該模塊也是標準的PC機模塊，一般不需要用戶自己開發(fā)。如果計算機主板選用的是標準主板，則此板可省略。

以上三部分（計算機主板、顯示卡、輸入/輸出），再配上鍵盤、電源、機箱，實際上是一部通用的微型計算機系統(tǒng)，它是CNC裝置的核心，從某種意義上講，CNC裝置的檔次和性能是由它決定的。因此，CNC裝置中計算機系統(tǒng)的合理選用是至關重要的。

4、電子盤(存儲模塊)

電子盤是CNC裝置特有的存儲模塊。在CNC裝置中它用來存放下列數(shù)據(jù)和參數(shù)：

系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)固有數(shù)據(jù)；系統(tǒng)的配置參數(shù)(系統(tǒng)所能控制的進給軸數(shù)，軸的定義，系統(tǒng)增益等)；用戶的零件加工程序。

計算機領域所用存儲器件有三類：

磁存儲器件，如：軟/硬磁盤（讀/寫）。光存儲器件，如：光盤（只讀）。電子（半導體）存儲器件，如RAM、ROM、FLASH等。

前兩類一般用作外存儲器，其特點是容量大，價格低。

電子存儲器件一般用作內(nèi)存儲器，其價格高于前兩類。若按其讀寫性能來看，它又可分為三類：

只讀存儲元件（ROM、PROM、EPROM、E2PROM）；易失性隨機讀寫存儲元件（RAM）。非易失性讀寫存儲元件。

這類器件有：

E2PROM；FLASH；帶后備電池的RAM。

在CNC裝置中，常采用電子存儲器件作為外存儲器，主要是考慮到CNC裝置的工作環(huán)境有可能受到電磁干擾，磁性器件的可靠性低，而電子存儲器件的抗電磁干擾能力相對來講要強一些。

因電子器件組成的存儲單元是按磁盤的管理方式進行的，故稱其為電子盤。電子盤的規(guī)格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB等。

5、PLC(ProgrammableLogicController)模塊

PLC模塊：CNC裝置實現(xiàn)順序控制的模塊。

PLC模塊的作用：接收來自操作面板、機床上的各行程開關、傳感器、按鈕、強電柜里的繼電器以及主軸控制、刀庫控制的有關信號，經(jīng)處理后輸出去控制相應器件的運行。

CNC裝置與被控設備交換的信息有三類：

開關信號、模擬信號、脈沖信號。

上述信號由于其類型、電平、功率以及抗干擾的原因，一般不能直接與CNC裝置相聯(lián)，需要一個接口對這些信號進行變換處理。

PLC模塊變換處理其目的：

滿足CNC系統(tǒng)的輸入輸出要求。信號轉(zhuǎn)換主要包括幾個方面：

電平轉(zhuǎn)換；A/D、D/A轉(zhuǎn)換；數(shù)字量與脈沖量相互轉(zhuǎn)換；功率匹配；阻斷外部的干擾信號進入計算機，在電氣上將CNC裝置與外部信號進行隔離，以提高CNC裝置運行的可靠性。

CNC機床用的PLC一般分為兩類：

內(nèi)裝型（Built-inType）PLC（或集成式、內(nèi)含式）。獨立型（Stand-aloneType）PLC（或通用型）

6、位置控制模塊

位置控制模塊是進給伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)軌跡控制時，CNC裝置與伺服驅(qū)動系統(tǒng)連接的接口模塊。

常用的位置控制模塊有：

開環(huán)位置控制模塊：CNC裝置與步進電機驅(qū)動電源的接口；閉環(huán)（含半閉環(huán)）位置控制模塊：CNC裝置與直流、交流伺服驅(qū)動裝置的接口。

7、功能接口模塊

實現(xiàn)用戶特定功能要求的接口板，實例：

仿形控制器接口；激光加工焦點自動跟蹤器接口；刀具監(jiān)控系統(tǒng)中的信號采集器接口板。

三、數(shù)控系統(tǒng)(硬件)簡介

我國數(shù)控系統(tǒng)是具有自主版權的高性能數(shù)控系統(tǒng)之一。它以通用的工業(yè)PC機為基礎，采用開放式的體系結(jié)構，系統(tǒng)的可靠性和質(zhì)量得到了保證。它適合多坐標(2-5軸)數(shù)控鏜車床和加工中心，在增加相應的軟件模塊后，也可適應于其它類型的數(shù)控機床(數(shù)控磨床、車床、齒輪加工機床等)以及特種加工機床（激光加工機、線切割機等）。

四、多主結(jié)構的CNC系統(tǒng)硬件簡介

多主CPU結(jié)構中，有兩個或兩個以上的CPU部件，部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過總線仲裁器(由硬件和軟件組成)來解決總線爭用問題，通過公共存儲器來進行信息交換。

1、多主結(jié)構的特點：

能實現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實現(xiàn)較復雜的系統(tǒng)功能。容錯能力強，在某模塊出了故障后，通過系統(tǒng)重組仍可斷繼續(xù)工作

2、多主結(jié)構的結(jié)構形式：

共享總線結(jié)構型；共享存儲器結(jié)構型。

結(jié)構特征：

功能模塊分為帶有CPU的主模塊和從模塊(RAM/ROM，I/O模塊)，以系統(tǒng)總線為中心，所有的主、從模塊都插在嚴格定義的標準系統(tǒng)總線上。采用總線仲裁機構(電路)來裁定多個模塊同時請求使用系統(tǒng)總線的競爭問題。

共享總線結(jié)構的優(yōu)點：

結(jié)構簡單、系統(tǒng)組配靈活、成本相對較低、可靠性高；

共享總線結(jié)構的缺點：

總線是系統(tǒng)的“瓶頸”，一旦系統(tǒng)總線出現(xiàn)故障，將使整個系統(tǒng)受到影響；由于使用總線要經(jīng)仲裁，使信息傳輸率降低。

結(jié)構特征：

面向共公存儲器來設計的，即采用多端口來實現(xiàn)各主模塊之間的互連和通訊，采用多端口控制邏輯來解決多個模塊同時訪問多端口存儲器沖突的矛盾。

由于多端口存儲器設計較復雜，而且對兩個以上的主模塊，會因爭用存儲器可能造成存儲器傳輸信息的阻塞，所以這種結(jié)構一般采用雙端口存儲器（雙端口RAM）。

一、概述

CNC裝置從它的硬件組成結(jié)構來看，若按其中含有CPU的多少來分，可分為下面幾類：

單機系統(tǒng)：整個CNC裝置只有一個CPU，它集中控制和管理整個系統(tǒng)資源，通過分時處理的方式來實現(xiàn)各種NC功能。

主從結(jié)構，系統(tǒng)中只有一個CPU(稱為主CPU)對系統(tǒng)的資源有控制和使用權其它帶CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或數(shù)據(jù)，或向主CPU發(fā)出請求信息以獲得所需的數(shù)據(jù)。即它是處于以從屬地位的，故稱之為主從結(jié)構。

多機系統(tǒng)：CNC裝置中有兩個或兩個以上的CPU，即系統(tǒng)中的某些功能模塊自身也帶有CPU，根據(jù)部件間的相互關系又可將其分為：

多主結(jié)構：系統(tǒng)中有兩個或兩個以上帶CPU的模塊部件對系統(tǒng)資源有控制或使用權。模塊之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過仲裁器來解決總線爭用問題，通過共公存儲器進行交換信息。

分布式結(jié)構：系統(tǒng)有兩個或兩個以上帶CPU的功能模塊，各模塊有自己獨立的運行環(huán)境，模塊間采用松耦合，且采用通訊方式交換信息。

二、單機或主從結(jié)構模塊的功能介紹

CNC裝置是按模塊化設計的方法構造的

模塊化設計方法：將控制系統(tǒng)按功能劃分成若干種具有獨立功能的單元模塊，并配上相應的驅(qū)動軟件。系統(tǒng)設計時按功能的要求選擇不同的功能模塊，并將其插入控制單元母板上，即可組成一個完整的控制系統(tǒng)的方法。其中單元母板一般為總線結(jié)構的無源母板，它提供模塊間互聯(lián)的信號通路。

實現(xiàn)CNC系統(tǒng)模塊化設計的條件是總線(BUS)標準化。采用模塊化結(jié)構時，CNC系統(tǒng)設計工作則可歸結(jié)為功能模塊的合理選用。

1、計算機主板和系統(tǒng)總線(母板)

計算機主板是CNC裝置的核心。

功能結(jié)構：

CPU及其外圍芯片；內(nèi)存單元及其外圍芯片；通訊接口(串口，并口，鍵盤接口)。軟、硬驅(qū)動器接口。

計算機主板的主要作用：

對輸入到CNC裝置中的各種數(shù)據(jù)、信息(零件加工程序，各種I/O信息等)進行相應的算術和邏輯運算。并根據(jù)其處理結(jié)果，向各功能模塊發(fā)出控制命令，傳送數(shù)據(jù)，使用戶的指令得以執(zhí)行。

系統(tǒng)總線(母板)：由一組傳送數(shù)字信息的物理導線組成，它是計算機系統(tǒng)內(nèi)部進行數(shù)據(jù)或信息交換的通道：

數(shù)據(jù)總線：8根數(shù)據(jù)線、總線寬度8位；地址總線：16根地址線（直接尋址64k）；

控制總線：

工業(yè)用PC機的總線母板是獨立的無源四層板（走線面、元件面、電源層和地線層），它的可靠性高于兩層板。其規(guī)格有6槽、8槽、12槽、14槽等。

2、顯示模塊(顯示卡)

顯示卡的主要作用：

接收來自CPU的控制命令和顯示用的數(shù)據(jù)，經(jīng)與CRT的掃描信號調(diào)制后，產(chǎn)生CRT顯示器所需要的視頻信號，在CRT上產(chǎn)生所需要的畫面。

在CNC裝置中，CRT顯示是一個非常重要的功能，它是人機交流的重要媒介，它給用戶提供了一個直觀的操作環(huán)境，可使用戶能快速地熟悉適應其操作過程。

顯示卡是一個通用性很強的模塊。它不僅隨時可以在市場上買到，而且它還有非常豐富的支持軟件，因此無需用戶自己開發(fā)。

3、輸入/輸出模塊(多功能卡)

它是CNC裝置與外界進行數(shù)據(jù)和信息交換的接口板，即CNC裝置通過該接口可以從輸入設備獲取數(shù)據(jù)，也可以將CNC裝置中的數(shù)據(jù)送給輸出設備。

該模塊也是標準的PC機模塊，一般不需要用戶自己開發(fā)。如果計算機主板選用的是標準主板，則此板可省略。

以上三部分（計算機主板、顯示卡、輸入/輸出），再配上鍵盤、電源、機箱，實際上是一部通用的微型計算機系統(tǒng)，它是CNC裝置的核心，從某種意義上講，CNC裝置的檔次和性能是由它決定的。因此，CNC裝置中計算機系統(tǒng)的合理選用是至關重要的。

4、電子盤(存儲模塊)

電子盤是CNC裝置特有的存儲模塊。在CNC裝置中它用來存放下列數(shù)據(jù)和參數(shù)：

系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)固有數(shù)據(jù)；系統(tǒng)的配置參數(shù)(系統(tǒng)所能控制的進給軸數(shù)，軸的定義，系統(tǒng)增益等)；用戶的零件加工程序。

計算機領域所用存儲器件有三類：

磁存儲器件，如：軟/硬磁盤（讀/寫）。光存儲器件，如：光盤（只讀）。電子（半導體）存儲器件，如RAM、ROM、FLASH等。

前兩類一般用作外存儲器，其特點是容量大，價格低。

電子存儲器件一般用作內(nèi)存儲器，其價格高于前兩類。若按其讀寫性能來看，它又可分為三類：

只讀存儲元件（ROM、PROM、EPROM、E2PROM）；易失性隨機讀寫存儲元件（RAM）。非易失性讀寫存儲元件。

這類器件有：

E2PROM；FLASH；帶后備電池的RAM。

在CNC裝置中，常采用電子存儲器件作為外存儲器，主要是考慮到CNC裝置的工作環(huán)境有可能受到電磁干擾，磁性器件的可靠性低，而電子存儲器件的抗電磁干擾能力相對來講要強一些。

因電子器件組成的存儲單元是按磁盤的管理方式進行的，故稱其為電子盤。電子盤的規(guī)格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB等。

5、PLC(ProgrammableLogicController)模塊

PLC模塊：CNC裝置實現(xiàn)順序控制的模塊。

PLC模塊的作用：接收來自操作面板、機床上的各行程開關、傳感器、按鈕、強電柜里的繼電器以及主軸控制、刀庫控制的有關信號，經(jīng)處理后輸出去控制相應器件的運行。

CNC裝置與被控設備交換的信息有三類：

開關信號、模擬信號、脈沖信號。

上述信號由于其類型、電平、功率以及抗干擾的原因，一般不能直接與CNC裝置相聯(lián)，需要一個接口對這些信號進行變換處理。

PLC模塊變換處理其目的：

滿足CNC系統(tǒng)的輸入輸出要求。信號轉(zhuǎn)換主要包括幾個方面：

電平轉(zhuǎn)換；A/D、D/A轉(zhuǎn)換；數(shù)字量與脈沖量相互轉(zhuǎn)換；功率匹配；阻斷外部的干擾信號進入計算機，在電氣上將CNC裝置與外部信號進行隔離，以提高CNC裝置運行的可靠性。

CNC機床用的PLC一般分為兩類：

內(nèi)裝型（Built-inType）PLC（或集成式、內(nèi)含式）。獨立型（Stand-aloneType）PLC（或通用型）

6、位置控制模塊

位置控制模塊是進給伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)軌跡控制時，CNC裝置與伺服驅(qū)動系統(tǒng)連接的接口模塊。

常用的位置控制模塊有：

開環(huán)位置控制模塊：CNC裝置與步進電機驅(qū)動電源的接口；閉環(huán)（含半閉環(huán)）位置控制模塊：CNC裝置與直流、交流伺服驅(qū)動裝置的接口。

7、功能接口模塊

實現(xiàn)用戶特定功能要求的接口板，實例：

仿形控制器接口；激光加工焦點自動跟蹤器接口；刀具監(jiān)控系統(tǒng)中的信號采集器接口板。

三、數(shù)控系統(tǒng)(硬件)簡介

我國數(shù)控系統(tǒng)是具有自主版權的高性能數(shù)控系統(tǒng)之一。它以通用的工業(yè)PC機為基礎，采用開放式的體系結(jié)構，系統(tǒng)的可靠性和質(zhì)量得到了保證。它適合多坐標(2-5軸)數(shù)控鏜車床和加工中心，在增加相應的軟件模塊后，也可適應于其它類型的數(shù)控機床(數(shù)控磨床、車床、齒輪加工機床等)以及特種加工機床（激光加工機、線切割機等）。

四、多主結(jié)構的CNC系統(tǒng)硬件簡介

多主CPU結(jié)構中，有兩個或兩個以上的CPU部件，部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過總線仲裁器(由硬件和軟件組成)來解決總線爭用問題，通過公共存儲器來進行信息交換。

1、多主結(jié)構的特點：

能實現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實現(xiàn)較復雜的系統(tǒng)功能。容錯能力強，在某模塊出了故障后，通過系統(tǒng)重組仍可斷繼續(xù)工作

2、多主結(jié)構的結(jié)構形式：

共享總線結(jié)構型；共享存儲器結(jié)構型。

結(jié)構特征：

功能模塊分為帶有CPU的主模塊和從模塊(RAM/ROM，I/O模塊)，以系統(tǒng)總線為中心，所有的主、從模塊都插在嚴格定義的標準系統(tǒng)總線上。采用總線仲裁機構(電路)來裁定多個模塊同時請求使用系統(tǒng)總線的競爭問題。

共享總線結(jié)構的優(yōu)點：

結(jié)構簡單、系統(tǒng)組配靈活、成本相對較低、可靠性高；

共享總線結(jié)構的缺點：

總線是系統(tǒng)的“瓶頸”，一旦系統(tǒng)總線出現(xiàn)故障，將使整個系統(tǒng)受到影響；由于使用總線要經(jīng)仲裁，使信息傳輸率降低。
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