CNC装置的硬件结构

CHIWEI278629 · 发表于 2011-7-13 23:52:54

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CNC装置的硬件结构，按CPU的多少来分，分为单机系统和多机系统。
1．单机系统：整个CNC装置只有一个CPU，它集中控制和管理整个系统资源通过分时处理的方式来实现各种数控功能。
优点：投资少、结构简单、易于实现。
缺点：功能受CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度的限制。
2．多机系统：CNC装置中有两个或两个以上的CPU。根据CPU间的相互关系不同，又可分为：
（1）主从结构系统。系统中只有一个CPU（主CPU）对系统资源（存储器、总线）有控制和使用权，而其他CPU的功能部件（智能部件），其CPU无权控制和使用系统资源，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向CPU发出请求信息以获得所需数据。是一个CPU处于主导地位，其他CPU处于从属地位的结构。
（2）多主结构系统。系统有两个或两个以上的带有CPU的功能部件对系统资源有控制和使用权。功能部件采用紧偶合（挂在同一系统总线，集中在一个机箱内），有集中的操作系统，通过总线仲裁器（软件、硬件）来解决争用总线问题，通过公用存储器来交换信息。
（3）分布式结构系统。系统有两个或两个以上的带有CPU的功能模块，每个模块都有自己独立的运行环境（总线、存储器、操作系统），模块之间采用松偶合，在空间上可较为分散，采用通信方式交换信息。
从硬件体系结构看，单机结构与主从结构极其相似，CPU模块与单机结构中的功能模块是等价的，只是功能更强而已。所以，称单机结构和主从结构为单主结构的系统。
图1 硬件结构框图
图1为其硬件结构框图。这类CNC装置的硬件是由若干功能不同的模块组成，各模块既是系统的组成部分，又有相对的独立性，属模块化结构。
模块化设计方法：将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能的单元模块。每个模块配上相应的驱动软件。按功能的要求选择不同的功能模块，将其插入控制单元母板上，就组成一个完整的控制系统。单元母板一般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通道。
下面介绍CNC装置中各硬件模块的作用。
（一）计算机主板和系统总线（母板）
1．计算机主板
它是CNC装置的核心。目前CNC装置普遍采用基于PC机的系统体系结构，即CNC装置的计算机系统在功能上完全与标准的PC机一样，各硬件模块均与PC机总线标准兼容。其目的是利用PC机丰富的软件和硬件OEM资源。这样提高系统的适应性、开放性，降低价格，缩短开发周期。
在结构上CNC装置的计算机系统与PC机略有不同。主板与系统总线分离，总线是无源母板，主板做成插卡形式，集成度更高：ALL-IN-ONE主板。
包括一下功能结构：
（1） CPU芯片及其外围芯片；
（2）内存单元、cache及其外围芯片；
（3）通信接口（串口、并口、键盘接口）；
（4）软、硬驱动器接口。
作用：对输入到CNC装置中的各种数据、信息（零件加工程序、各种 I/O信息）进行相应的算术和逻辑运算。并根据处理结果，向其它功能模块发出控制命令、传送数据，是用户指令得以执行。
2．系统总线
有一组传送数字信息的物理导线组成。是计算机内部进行数据和信息交换的通道，从功能上分三组：
（1）数据总线：各模块间数据交换的通道。线的根数与数据宽度相等。是双向总线。
（2）地址总线：是传送数据存放地址的总线。与数据总线结合，可确定数据总线上数据的来源地和目的地。单向总线。
（3）控制总线：是一组传送管理或控制信号的总线（数据的读、写、控制，中断、复位、I/O读写及各种确认信号等）。单向总线。
(二) 显示模块（显示卡）
是通用性很强的模块，有VGA卡、SVGA卡，早期有：CGA、EGA等。无需用户自己开发。
作用：接受来自CPU的控制命令和显示用的数据，经与CRT的扫瞄信号调制后，产生CRT所需要的视频信号。
（三）输入/输出模块（多功能卡）
该模块也是标准的PC机模块，无需用户自己开发。这个模块是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板。通过该接口，从外部输入设备获取数据，也将数据输送给外部设备。
输入设备：纸带阅读机；
输出设备：打印机、纸带穿孔机；
输入/输出设备：磁盘驱动器、录音机、磁带机；
通信接口：RS232。
ALL-IN-ONE主板可省略此板。
以上三部分，配上键盘、电源、机箱，就是通用计算机系统，它是CNC装置的核心，确定其档次和性能。
（四）电子盘（存储模块）
电子盘是CNC装置特有的存储模块，存放一下数据和参数：
（1）系统软件和固有数据。
（2）系统的配置参数（进给轴数、轴的定义、系统增益等）
（3）用户的零件加工程序
目前存储器件有三类：
（1）磁性存储器件：软、硬磁盘，可随机读写。
（2）光存贮器件：光盘。
（3）半导体（电子）存贮器件：RAM、ROM、FLASH等。
前两类一般作外存储器，容量大、价格低，电子存贮器件一般作内存储器。电子存储器件一般用作内存储器。
按其读写性能，可分为三类：
（1）只读存储元件（ROM、PROM、EPROM）：特点是只能读出其存放的数据，而不能随时修改它。用于固化系统软件和系统固有的参数。
（2）易失性随机读写存储元件（RAM）：特点是可随时进行读写操作，但掉电其存储信息将全部丢失。主要用作计算机系统的缓寸器cache。
（3）非易失性读写存储元件（E2PROM、FLASH、带后备电池的RAM）：特点是可随时进行读写操作，且掉电其存储信息也不会丢失。用于存放系统的配置参数、零件加工程序。
CNC装置常用电子存储器件作为外存储器，而不采用磁性存储器件。因为CNC装置的工作环境有可能受电磁干扰，用磁性存储器件可靠性低，电子存储器件抗电磁干扰能力强些。
由电子存储器件组成的存储单元是按磁盘管理方式进行管理的，故称作电子盘。
（五）设备辅助控制接口模块
CNC装置对机床的加工控制有两类：
一是对机床各坐标轴的运动速度和位置的控制，即轨迹控制。是实现G指令所规定的运动。
二是对机床的诸如主轴的启停、换向，更换刀具，工件的夹紧、松开，液压、冷却、润滑系统的运行等进行控制。这是根据CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号状态，按预先规定的逻辑顺序所进行的控制，即顺序控制。是实现M指令规定的动作。
设备辅助控制接口模块就是实现顺序控制的模块。
CNC装置要对机床的辅助动作进行顺序控制，一要接受来自机床上的外部信号（行程开关、传感器、按钮、继电器等）；二是要用产生的指令去驱动相应器件实现辅助动作。但CNC装置既不能直接接受来自机床外部的信号，因为这些信号在形式、电平与CNC能接受的信号不匹配，而且还会夹带干扰信号；又不能直接驱动辅助动作执行器件，因为CNC的输出指令在形式、电平、功率也不能满足执行器件的输入要求。所以，需要有一个信号的转换接口，这就是设备辅助控制接口模块。该模块的作用是：
（1）对CNC的输入输出信号进行相应的转换，包括输电平转换、模/数转换、数/模转换、数/脉转换、功率匹配转换。
（2）阻断外部干扰信号进入CNC计算机，在电气上将CNC与外部信号隔离。
所要转换的信号有三类：开关量、模拟量和脉冲量。

图2 PMC模块硬件逻辑框图
设备辅助控制接口的实现方式主要有：
（1）简单I/O接口板。图2，光电隔离器件起电器隔离和电平转换作用；调理电路对输入信号进行整形、滤波处理。
（2）PLC控制：
一类是内装型PLC，与CNC综合起来设计的，是CNC张只的一部分，与CNC的信息交换在CNC内部进行，不能独立工作。可与CNC共用一个CPU，也可以单独的CPU。由于CNC的功能与PLC的功能在设计时统一考虑，PLC的硬、软件整体结构合理，实用、性价比高。适用与类型变换不大的数机床。由于PLC与CNC连线较少且信息能CNC的显示器显示，十PLC编程更方便、故障诊断功能有提高，提高CNC系统的可靠性。
另一类是独立型PLC，由专业话生产厂家生产的PLC来实现顺序控制；独立于CNC，具有完整的硬、软件功能，能独立完成控制任务。选型时主要考虑：输入/输出信号接口技术规范、输入/输出点数、程序存储容量、运算和控制功能等。生产厂家多，选择余地大，功能扩张比较方便。
（六）位置控制模块
位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是CNC与伺服系统连接的接口。作用是：接受CNC插补运算后输出的位置指令，经相应调节运算，输出速度控制指令，然后进行相应的变换后，输出速度指令电压给速度控制单元，去控制伺服电机运行；对于闭环和半闭环控制，还要回收实际位置和实际速度信号，供位置和速度闭环控制使用。常用的位置控制模块有如下类型：
1．开环位置控制模

图3  PLC系统的基本结构
如图3所示，数字/脉冲变换的功能是将CNC送来的进给指令（数字量）转换成相应频率（与进给速度相适应）的指令脉冲量（具有记数器功能的芯片实现）；脉冲整形的功能是调整输出脉冲的占空比，提高脉冲波形的质量（由D触发器和相应的门电路组成）；环行分配器的功能是将指令脉冲，按步进电机要求的通电方式进行分配使之按规定的方式通电和断电，从而控制步进电机旋转。
2．闭环位置控制模块
闭环位置控制模块由三部分组成：
速度指令转换部分：由锁存器、光电隔离器、D/A转换器和方向控制与功率放大组成。锁存器接受来自CPU计算的速度指令值并进行锁存，该数据经光电隔离器进行电气隔离，由D/A转换器将速度指令值这一数字量转换成模拟量，再经功率放大后得到速度指令电压，由它控制进给速度的大小。方向控制电路控制进给速度的方向。
位置反馈脉冲回收部分：由幅值比较电路、倍频电路、展宽选通电路、光电隔离器和记数器组成。幅值比较电路接受来自光电脉冲编码盘的三组脉冲信号，输出A、B、C三相脉冲。作用是：改善脉冲波形前沿，滤掉干扰信号。A、B两相脉冲输入到四倍频器，从CK端输出波形频率是A、B的四倍的信号，从Q端输出电机旋转方向的信号（当A超前B，电机正转，Q=0，反之，Q=1），作为方向选通信号。CK端输出的脉冲经展宽电路后，送入选通电路，该电路将根据Q的极性分别将反馈脉冲送入正向计数器或负向计数器；经光电隔离后，计数器对反馈脉冲进行计数，CPU则定时从计数器读取计数值。经运算处理得电机的实际位移。
速度反馈电压转换部分：由四倍频器CK端输出的脉冲频率正比于电机的转速，利用线性的频率/电压转换（F/V变换）电路将该脉冲信号转换成正比于电机转速的电压信号，经方向控制和功率放大电路变换，获得带极性的速度反馈电压信号。
（七）    功能接口模块
实现用户特定要求的接口板。如：仿形控制器、刀具监控系统中的信号采集器等。
多主CPU结构，有两个或两个以上的CPU部件，且对系统资源有使用控制权，部件之间采用紧偶合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。
特点：并行处理、处理速度快、可实现较复杂的系统功能。容错能力强。
多主CNC装置的信息交换方式决定其结构形式：
（一）    共享总线结构
以系统总线为中心，把CNC装置内各功能模块划分成带有CPU或DMA（直接数据存取控制器）的各种主模块和从模块（RAM/ROM、I/O模块），所有主从模块都插在严格定义的标准系统总线上，由于所有主模块都有权使用系统总线，而在任何时刻只能允许一个主模块占用总线，因此。有一个总线仲裁机构来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。
共享总线结构的典型代表是FANUC 15系统。
优点：结构简单、系统组配灵活、成本相对较底、可靠性高。
缺点：由于系统总线是“瓶颈”，一旦总线出故障，整个系统受影响。由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。
（二）    共享存储器结构
采用多端口存储器作为公共存储器来实现各主模块之间的互连和通信。由于同一时刻只能允许有一个主模块对多端口存储器进行访问，所以，有一套多端口控制逻辑来解决访问冲突。
由于多端口存储器设计较复杂，且端口多还会因争用存储器造传输信息阻塞，故一般采用双端口存储器。
美国GE公司的MTC1-CNC采用的就是共享存储器结构。共有三个CPU：中央CPU负责数控程序的编辑、译码、刀具和机床参数的输入；显示CPU把CPU的指令和显示数据送到视频电路显示，定时扫描键盘和倍率开关状态并送CPU进行处理。插补CPU完成插补运算、位置控制、I/O控制和RS232C通信等任务。中央CPU与显示CPU和插补CPU之间各有512字节的公用存储器用于信息交换。
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