cnc裝置硬件結構的主要特點

cnc裝置硬件結構的主要特點

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　　cnc裝置硬件結構的主要特點?

　　CNC裝置的硬件結構

　　一、概述

　　CNC裝置的硬件結構，按CPU的多少來分，分為單機系統和多機系統。

　　1. 單機系統：整個CNC裝置只有一個CPU，它集中控制和治理整個系統資源通過分時處理的方式來實現各種數控功能。

　　優點：投資少、結構簡單、易于實現。

　　缺點：功能受CPU字長、數據寬度、尋址能力和運算速度的限制。

　　2. 多機系統：CNC裝置中有兩個或兩個以上的CPU。根據CPU間的相互關系不同，又可分為：

　　(1)主從結構系統。系統中只有一個CPU(主CPU)對系統資源(存儲器、總線)有控制和使用權，而其他CPU的功能部件(智能部件)，其CPU無權控制和使用系統資源，只能接受主CPU的控制命令或數據，或向CPU發出請求信息以獲得所需數據。是一個CPU處于主導地位，其他CPU處于從屬地位的結構。

　　(2)多主結構系統。系統有兩個或兩個以上的帶有CPU的功能部件對系統資源有控制和使用權。功能部件采用緊偶合(掛在同一系統總線，集中在一個機箱內)，有集中的操縱系統，通過總線仲裁器(軟件、硬件)來解決爭用總線題目，通過公用存儲器來交換信息。

　　(3)分布式結構系統。系統有兩個或兩個以上的帶有CPU的功能模塊，每個模塊都有自己獨立的運行環境(總線、存儲器、操縱系統)，模塊之間采用松偶合，在空間上可較為分散，采用通訊方式交換信息。

　　從硬件體系結構看，單機結構與主從結構極其相似，CPU模塊與單機結構中的功能模塊是等價的，只是功能更強而已。所以，稱單機結構和主從結構為單主結構的系統。

　　二、單機或主結構模塊的功能介紹

　　圖1 硬件結構框圖

　　圖1為其硬件結構框圖。這類CNC裝置的硬件是由若干功能不同的模塊組成，各模塊既是系統的組成部分，又有相對的獨立性，屬模塊化結構。

　　模塊化設計方法：將控制系統按功能劃分成若干種具有獨立功能的單元模塊。每個模塊配上相應的驅動軟件。按功能的要求選擇不同的功能模塊，將其插進控制單元母板上，就組成一個完整的控制系統。單元母板一般為總線結構的無源母板，它提供模塊間互聯的信號通道。

　　下面介紹CNC裝置中各硬件模塊的作用。

　　(一) 計算機主板和系統總線(母板)

　　1. 計算機主板

　　它是CNC裝置的核心。目前CNC裝置普遍采用基于PC機的系統體系結構，即CNC裝置的計算機系統在功能上完全與標準的PC機一樣，各硬件模塊均與PC機總線標準兼容。其目的是利用PC機豐富的軟件和硬件OEM資源。這樣進步系統的適應性、開放性，降低價格，縮短開發周期。

　　在結構上CNC裝置的計算機系統與PC機略有不同。主板與系統總線分離，總線是無源母板，主板做成插卡形式，集成度更高：ALL-IN-ONE主板。

　　包括一下功能結構：

　　(1) CPU芯片及其外圍芯片;

　　(2) 內存單元、cache及其外圍芯片;

　　(3) 通訊接口(串口、并口、鍵盤接口);

　　(4) 軟、硬驅動器接口。

　　作用：對輸進到CNC裝置中的各種數據、信息(零件加工程序、各種 I/O信息)進行相應的算術和邏輯運算。并根據處理結果，向其它功能模塊發出控制命令、傳送數據，是用戶指令得以執行。

　　2. 系統總線

　　有一組傳送數字信息的物理導線組成。是計算機內部進行數據和信息交換的通道，從功能上分三組：

　　(1)數據總線：各模塊間數據交換的通道。線的根數與數據寬度相等。是雙向總線。

　　(2)地址總線：是傳送數據存放地址的總線。與數據總線結合，可確定數據總線上數據的來源地和目的地。單向總線。

　　(3)控制總線：是一組傳送治理或控制信號的總線(數據的讀、寫、控制，中斷、復位、I/O讀寫及各種確認信號等)。單向總線。

　　(二) 顯示模塊(顯示卡)

　　是通用性很強的模塊，有VGA卡、SVGA卡，早期有：CGA、EGA等。無需用戶自己開發。

　　作用：接受來自CPU的控制命令和顯示用的數據，經與CRT的掃瞄信號調制后，產生CRT所需要的視頻信號。

　　(三) 輸進/輸出模塊(多功能卡)

　　該模塊也是標準的PC機模塊，無需用戶自己開發。這個模塊是CNC裝置與外界進行數據和信息交換的接口板。通過該接口，從外部輸進設備獲取數據，也將數據輸送給外部設備。

　　輸進設備：紙帶閱讀機;

　　輸出設備：打印機、紙帶穿孔機;

　　輸進/輸出設備：磁盤驅動器、錄音機、磁帶機;

　　通訊接口：RS232。

　　ALL-IN-ONE主板可省略此板。

　　以上三部分，配上鍵盤、電源、機箱，就是通用計算機系統，它是CNC裝置的核心，確定其檔次和性能。

　　(四)電子盤(存儲模塊)

　　電子盤是CNC裝置特有的存儲模塊，存放一下數據和參數：

　　(1)系統軟件和固有數據。

　　(2)系統的配置參數(進給軸數、軸的定義、系統增益等)

　　(3)用戶的零件加工程序

　　目前存儲器件有三類：

　　(1)磁性存儲器件：軟、硬磁盤，可隨機讀寫。

　　(2)光存貯器件：光盤。

　　(3)半導體(電子)存貯器件：RAM、ROM、FLASH等。

　　前兩類一般作外存儲器，容量大、價格低，電子存貯器件一般作內存儲器。電子存儲器件一般用作內存儲器。

　　按其讀寫性能，可分為三類：

　　(1) 只讀存儲元件(ROM、PROM、EPROM)：特點是只能讀出其存放的數據，而不能隨時修改它。用于固化系統軟件和系統固有的參數。

　　(2)易失性隨機讀寫存儲元件(RAM)：特點是可隨時進行讀寫操縱，但掉電其存儲信息將全部丟失。主要用作計算機系統的緩寸器cache。

　　(3)非易失性讀寫存儲元件(E2PROM、FLASH、帶后備電池的RAM)：特點是可隨時進行讀寫操縱，且掉電其存儲信息也不會丟失。用于存放系統的配置參數、零件加工程序。

　　CNC裝置常用電子存儲器件作為外存儲器，而不采用磁性存儲器件。由于CNC裝置的工作環境有可能受電磁干擾，用磁性存儲器件可靠性低，電子存儲器件抗電磁干擾能力強些。

　　由電子存儲器件組成的存儲單元是按磁盤治理方式進行治理的，故稱作電子盤。

　　(五)設備輔助控制接口模塊

　　CNC裝置對機床的加工控制有兩類：

　　一是對機床各坐標軸的運動速度和位置的控制，即軌跡控制。是實現G指令所規定的運動。

　　二是對機床的諸如主軸的啟停、換向，更換刀具，工件的夾緊、松開，液壓、冷卻、潤滑系統的運行等進行控制。這是根據CNC內部和機床各行程開關、傳感器、按鈕、繼電器等開關量信號狀態，按預先規定的邏輯順序所進行的控制，即順序控制。是實現M指令規定的動作。

　　設備輔助控制接口模塊就是實現順序控制的模塊。

　　CNC裝置要對機床的輔助動作進行順序控制，一要接受來自機床上的外部信號(行程開關、傳感器、按鈕、繼電器等);二是要用產生的指令往驅動相應器件實現輔助動作。但CNC裝置既不能直接接受來自機床外部的信號，由于這些信號在形式、電平與CNC能接受的信號不匹配，而且還會夾帶干擾信號;又不能直接驅動輔助動作執行器件，由于CNC的輸出指令在形式、電平、功率也不能滿足執行器件的輸進要求。所以，需要有一個信號的轉換接口，這就是設備輔助控制接口模塊。該模塊的作用是：

　　(1)對CNC的輸進輸出信號進行相應的轉換，包括輸電平轉換、模/數轉換、數/模轉換、數/脈轉換、功率匹配轉換。

　　(2)阻斷外部干擾信號進進CNC計算機，在電氣上將CNC與外部信號隔離。

　　所要轉換的信號有三類：開關量、模擬量和脈沖量。

　　圖2 PMC模塊硬件邏輯框圖

　　設備輔助控制接口的實現方式主要有：

　　(1)簡單I/O接口板。圖2，光電隔離器件起電器隔離和電平轉換作用;調理電路對輸進信號進行整形、濾波處理。

　　(2)PLC控制：

　　一類是內裝型PLC，與CNC綜合起來設計的，是CNC張只的一部分，與CNC的信息交換在CNC內部進行，不能獨立工作。可與CNC共用一個CPU，也可以單獨的CPU。由于CNC的功能與PLC的功能在設計時同一考慮，PLC的硬、軟件整體結構公道，實用、性價比高。適用與類型變換不大的數機床。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、故障診斷功能有進步，進步CNC系統的可靠性。

　　另一類是獨立型PLC，由專業話生產廠家生產的PLC來實現順序控制;獨立于CNC，具有完整的硬、軟件功能，能獨立完成控制任務。選型時主要考慮：輸進/輸出信號接口技術規范、輸進/輸出點數、程序存儲容量、運算和控制功能等。生產廠家多，選擇余地大，功能擴張比較方便。

　　(六) 位置控制模塊

　　位置控制模塊是進給伺服系統的重要組成部分，是CNC與伺服系統連接的接口。作用是：接受CNC插補運算后輸出的位置指令，經相應調節運算，輸出速度控制指令，然后進行相應的變換后，輸出速度指令電壓給速度控制單元，往控制伺服電機運行;對于閉環和半閉環控制，還要回收實際位置和實際速度信號，供位置和速度閉環控制使用。常用的位置控制模塊有如下類型：

　　1. 開環位置控制模

　　圖3 PLC系統的基本結構

　　如圖3所示，數字/脈沖變換的功能是將CNC送來的進給指令(數字量)轉換成相應頻率(與進給速度相適應)的指令脈沖量(具有記數器功能的芯片實現);脈沖整形的功能是調整輸出脈沖的占空比，進步脈沖波形的質量(由D觸發器和相應的門電路組成);環行分配器的功能是將指令脈沖，按步進電機要求的通電方式進行分配使之按規定的方式通電和斷電，從而控制步進電機旋轉。

　　2. 閉環位置控制模塊

　　閉環位置控制模塊由三部分組成：

　　速度指令轉換部分：由鎖存器、光電隔離器、D/A轉換器和方向控制與功率放大組成。鎖存器接受來自CPU計算的速度指令值并進行鎖存，該數據經光電隔離器進行電氣隔離，由D/A轉換器將速度指令值這一數字量轉換成模擬量，再經功率放大后得到速度指令電壓，由它控制進給速度的大小。方向控制電路控制進給速度的方向。

　　位置反饋脈沖回收部分：由幅值比較電路、倍頻電路、展寬選通電路、光電隔離器和記數器組成。幅值比較電路接受來自光電脈沖編碼盤的三組脈沖信號，輸出A、B、C三相脈沖。作用是：改善脈沖波形前沿，濾掉干擾信號。A、B兩相脈沖輸進到四倍頻器，從CK端輸出波形頻率是A、B的四倍的信號，從Q端輸出電機旋轉方向的信號(當A超前B，電機正轉，Q=0，反之，Q=1)，作為方向選通訊號。CK端輸出的脈沖經展寬電路后，送進選通電路，該電路將根據Q的極性分別將反饋脈沖送進正向計數器或負向計數器;經光電隔離后，計數器對反饋脈沖進行計數，CPU則定時從計數器讀取計數值。經運算處理得電機的實際位移。

　　速度反饋電壓轉換部分：由四倍頻器CK端輸出的脈沖頻率正比于電機的轉速，利用線性的頻率/電壓轉換(F/V變換)電路將該脈沖信號轉換成正比于電機轉速的電壓信號，經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。

　　(七) 功能接口模塊

　　實現用戶特定要求的接口板。如：仿形控制器、刀具監控系統中的信號采集器等。

　　三、多主結構的CNC裝置硬件簡介

　　多主CPU結構，有兩個或兩個以上的CPU部件，且對系統資源有使用控制權，部件之間采用緊偶合，有集中的操縱系統，通過總線仲裁器來解決總線爭用題目，通過公共存儲器來進行信息交換。

　　特點：并行處理、處理速度快、可實現較復雜的系統功能。容錯能力強。

　　多主CNC裝置的信息交換方式決定其結構形式：

　　(一) 共享總線結構

　　以系統總線為中心，把CNC裝置內各功能模塊劃分成帶有CPU或DMA(直接數據存取控制器)的各種主模塊和從模塊(RAM/ROM、I/O模塊)，所有主從模塊都插在嚴格定義的標準系統總線上，由于所有主模塊都有權使用系統總線，而在任何時刻只能答應一個主模塊占用總線，因此。有一個總線仲裁機構來裁定多個模塊同時請求使用系統總線的競爭題目。

　　共享總線結構的典型代表是FANUC 15系統。

　　優點：結構簡單、系統組配靈活、本錢相對較底、可靠性高。

　　缺點：由于系統總線是“瓶頸”，一旦總線出故障，整個系統受影響。由于使用總線要經仲裁，使信息傳輸率降低。

　　(二) 共享存儲器結構

　　采用多端口存儲器作為公共存儲器來實現各主模塊之間的互連和通訊。由于同一時刻只能答應有一個主模塊對多端口存儲器進行訪問，所以，有一套多端口控制邏輯來解決訪問沖突。

　　由于多端口存儲器設計較復雜，且端口多還會因爭用存儲器造傳輸信息阻塞，故一般采用雙端口存儲器。

　　美國GE公司的MTC1-CNC采用的就是共享存儲器結構。共有三個CPU：中心CPU負責數控程序的編輯、譯碼、刀具和機床參數的輸進;顯示CPU把CPU的指令和顯示數據送到視頻電路顯示，定時掃描鍵盤和倍率開關狀態并送CPU進行處理。插補CPU完成插補運算、位置控制、I/O控制和RS232C通訊等任務。中心CPU與顯示CPU和插補CPU之間各有512字節的公用存儲器用于信息交換。