CNC装置的组成及作用分析

1.CNC装置基本硬件构成

CNC装置由CPU、BUS、存储器、HMI、I/O接口组成。

1）中央处理单元（CPU）

CPU是CNC系统的核心与“头脑”，主要具备的功能有：

（1）可进行算术、逻辑运算；

（2）可保存少量数据；

（3）能对指令进行译码并执行规定动作；

（4）能和存储器、外设交换数据；

（5）提供整个系统所需的定时和控制；

（6）可响应其他部件发来的脉冲请求。

CPU包括的部件有算术和逻辑部件、累加器和通用寄存器组、程序计数器、指令寄存器、译码器、时序和控制部件。

CNC装置中常用的CPU数据宽度为8位、16位、32位和64位。CPU满足软件执行的实时性要求，主要体现在CPU的字长、运算速度、寻址能力和中断服务等方面。

2）总线（BUS）

总线是传送数据或交换信息的公共通道。CPU板与其他模板如存储器板、I/O接口板等之间的连接采用标准总线，标准总线按用途分为内部总线和外部总线。数控系统中常用的内部标准总线有S-100、MULTI BUS、STD及VME等，外部总线有串行（如EIARS-232C）和并行（如IEEE-488）总线两种。

按信息线的性质总线分以下三种：

数据总线DB（Data Bus）：CPU与外界传送数据的通道；

地址总线AB（Address Bus）：确定传输数据的存放地址；

控制总线CB（Control Bus）：管理、控制信号的传送。

STD总线，STD总线在1978年最早是由Pro-Log公司作为工业标准发明的，由STDGM制定为STD-80规范，随后被批准为国际标准IEE961。STD-80/MPX作为STD-80追加标准，支持多主（MultiMaster）系统。STD总线工控机是工业型计算机，STD总线的16位总线性能满足嵌入式和实时性应用要求，特别是它的小板尺寸、垂直放置无源背板的直插式结构、丰富的工业I/O OEM模板、低成本、低功耗、扩展的温度范围、良好的可维护性设计，使其在空间和功耗受到严格限制的、可靠性要求较高的工业自动化领域得到了广泛应用。STD总线产品其实就是一种板卡（包括CPU卡）和无源母板结构。

Profibus-DP总线（PROFIBUS是世界上第一个开放式现场总线标准，从1991年德国颁布FMS标准（DIN19245）至今已经历了20余年，现在已为全世界所接受。其应用领域覆盖了从机械加工、过程控制、电力、交通到楼宇自动化的各个领域。PROFIBUS于1995年成为欧洲工业标准（EN50170），1999年成为国际标准（IEC61158-3），2001年被批准成为中华人民共和国工业自动化领域唯一的现场总线标准。PROFIBUS在众多的现场总线中以其超过40%的市场占有率稳居榜首。著名的西门子公司提供上千种PROFIBUS产品，并已经把他们应用在中国的许多自动控制系统中。

PROFIBUS现场总线的优越性如下。

（1）符合国际标准，系统扩容与升级无障碍。

（2）信号采集和系统控制模块均就近安装在采集点和控制点附近，模块之间以及模块和主控计算机之间仅使用一条通信线路连接，系统运行可靠性高，系统造价低，扩充和维修便利。

（3）充分发挥计算机网络技术的优越性，整个系统实现计算机三级网络管理，即实现现场终端设备—运行管理网络—自动化管理软件系统三部分有机结合；任意网络计算机节点上均可查询系统信息并进行相应操作。

（4）系统状态灵活，人机界面友好，菜单式操作便于使用，易于掌握。

3）存储器（ROM、RAM）

存储器存放CNC系统控制软件、零件程序、原始数据、参数、运算中间结果和处理后的结果的器件和设备。ROM用于固化数控系统的系统控制软件；RAM存放可能改写的信息。

4）HMI

HMI包括纸带阅读机、纸带穿孔机（很少见）、键盘、操作控制面板、显示器、外部存储设备。

5）I/O接口

CNC装置与被控设备之间要交换的信息有三类：开关量信号、模拟量信号、数字信号，然而这些信号一般不能直接与CNC装置相连，需要一个接口（即设备辅助控制接口、I/O接口）对这些信号进行交换处理，其目的如下。

（1）对上述信号进行相应的转换，输入时必须将被控设备有关的状态信息转换成数字形式，以满足计算机对输入输出信号的要求；输出时，应满足各种有关执行元件的输入要求。信号转换主要包括电平转换、数字量与模拟量的相互转换、数字量与脉冲量的相互转换以及功率匹配等。

（2）阻断外部的干扰信号进入计算机，在电气上将CNC装置与外部信号进行隔离，以提高CNC装置运行的可靠性。

综上所述，设备辅助控制接口的功能必须能完成：电平转换、功率放大、电气隔离。

微机中I/O接口包括硬件电路和软件两大部分。由于选用的I/O设备或接口芯片不同，I/O接口的操作方式也不同，因而其应用程度也不同。I/O接口硬件电路主要由地址译码、I/O读写译码和I/O接口芯片（如数据缓冲器和数据锁存器等）组成。在CNC系统中，I/O的扩展是为控制对象或外部设备提供输入/输出通道，实现机床的控制和管理功能，如开关量控制、逻辑状态监测、键盘、显示器接口等。I/O接口电路与其相连的外设硬件电路特性密切相关，如驱动功率、电平匹配、干扰抑制等。(www.xing528.com)

I/O接口包括人机界面接口、通信接口、进给轴位置控制接口、主轴控制接口、辅助功能控制接口等，具体介绍如下。

（1）人机界面接口。人机界面接口包括键盘（MDI，即Manual Data Input）、显示器（CRT）、操作面板（OPERATOR PANEL）、手摇脉冲发生器（MPG）。

（2）通信接口。通常数控系统均具有标准的RS232串行通信接口（DNC），高档数控系统还具有RS485、MAP以及其他网络接口。

（3）进给轴的位置控制接口。进给轴的位置控制接口实现的功能有：进给速度的控制、插补运算（基准脉冲法、采样数据法）、位置闭环控制。

（4）主轴控制接口。

主轴控制接口主要实现两个功能：主轴的功能、主轴的位置反馈功能。

（5）辅助功能控制接口。

CNC装置对设备的控制分为两类：一类是对各坐标轴的速度和位置的“轨迹控制”；另一类是对设备动作的“顺序控制”。“顺序控制”是指在数控机床运行过程中，以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为条件，并按预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，液压、冷却、润滑系统的运行等进行控制。辅助功能控制接口主要接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。

2.CNC装置的硬件结构（单微处理机与多微处理机结构）

CNC装置的硬件结构一般分为单微处理机和多微处理机两大类。早期的CNC和现在一些经济型CNC系统都采用单微处理机结构；随着数控系统功能的增加、机床切削速度的提高，为适应机床向高精度、高速度、智能化的发展，以及适应更高层次自动化（FMS和CIMS）的要求，多微处理机结构得到了迅速发展。

1）单微处理机结构

这种结构只有一个微处理机，集中控制、分时处理数控的各个任务。有的CNC装置虽然有两个以上的微处理机，但其中只有一个微处理机能够控制系统总线，占有总线资源，而其他微处理机则为专用的智能部件，不能访问主存储器，它们组成主从结构，这类结构也属于单微处理机结构。

单微处理机结构的框图如图5-6所示。从图中可看到，它主要由中央处理单元（CPU）、存储器、总线、外设、输入接口电路、输出接口电路等组成，这一点与普通计算机系统基本相同；不同的是，输出各坐标轴的数据信息，在位置控制环节中经过转换、放大后，需去推动机床工作台或刀架（负载）的运动；更为重要的是由计算机输出位置信息后，运动部件应尽可能不滞后地到达指令要求的位置。

图5-6　单微处理机结构的框图

单微处理机结构特点有：

（1）CNC系统中只有一个微处理机，数据存储、插补运算、输入输出处理、CRT显示等功能都由它集中控制、分时处理；

（2）微处理机通过总线与存储器、输入输出控制、伺服控制及显示控制等构成CNC装置；

（3）单微处理机系统结构简单，各种标准电路模板可很方便组成所需系统；

（4）单微处理机系统是由一个微处理机集中控制，其功能受字符宽度、寻址能力和运算速度等指标限制，特别是用软件实现插补功能，其处理速度较慢，实时性很差，为解决这一不足，可以采用增加浮点处理器或增加硬件插补器等方法来解决，也可以采用多微处理器。

2）多微处理机结构

多微处理机结构是由两个或两个以上的微处理机来构成处理部件。各处理部件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接，每个微处理机共享系统公用存储器或I/O接口，每个微处理机分担系统的一部分工作，从而将在单微处理机CNC装置中顺序完成的工作转为多微处理机并行、同时完成的工作，因而大大提高了整个系统的处理速度。

图5-7　多微处理机共享存储器结构的框图

（1）多微处理机CNC装置的结构分类。

①共享存储器结构。多微处理机共享存储器结构的框图如图5-7所示，其中包括4个微处理机，分别承担I/O、插补、伺服功能、零件程序编辑和CRT显示功能，适于2坐标轴的车床，3、4、5坐标轴的加工中心。该系统主要有4个子系统和1个公共数据存储器，每个子系统按照各自存储器所存储的程序执行相应的控制功能（如插补、轴控制、I/O等）。这种分布式处理机系统的子系统之间不能直接进行通信，都要同公共数据存储器通信。在公共数据存储器板上有优先级编码器，规定伺服功能微机级别最高，其次是插补微机，再次是I/O微机等。当2个以上的微机同时请求时，优先级编码器决定先接受的请求，并对该请求发出承认信号；相应的微机接到信号后，便把数据存到公共数据存储器的规定地址中，其他子系统则从该地址读取数据。

②共享总线结构。多微处理机共享总线结构的框图如图5-8所示。以系统总线为中心的多微处理机结构，称多微处理机共享总线结构。CNC装置中的各功能模块分为带有CPU的主模块和不带CPU的各种（RAM/ROM，I/O）从模块两大类。所有主、从模块都插在配有总线插座的机柜内，共享系统总线。系统总线的作用是把各个模块有效地连接在一起，按要求交换数据和控制信息，构成一个完整的系统，实现各种预定的功能。只有主模块有权控制使用总线。由于某一时刻只能由1个主模块占有主线，因此必须由仲裁电路来裁决多个主模块同时请求使用系统总线的竞争。仲裁的目的是判别出各模块优先权的高低，而每个主模块的优先级别已按其担负任务的重要性被预先安排好。支持多微处理机的系统总线都有总线仲裁机构，通常有两种裁决的方式，即串行方式和并行方式。

图5-8　多微处理机共享总线结构的框图

（2）多微处理机的结构特点。多微处理机的结构特点如下。

①性能价格比高。多微机结构中的每个微机完成系统中指定的一部分功能，独立执行程序。与单微处理机相比，其提高了计算的处理速度，适于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的控制要求。由于系统采用共享资源，而单个微处理机的价格又比较便宜，故使CNC装置的性能价格比大为提高。

②采用模块化结构，具有良好的适应性和扩展性。多微处理机的CNC装置大多采用模块化结构，可将微处理机、存储器、I/O控制组成独立微机级的硬件模块，相应的软件也采用模块结构，固化在硬件模块中。硬软件模块形成特定的功能单元，称为功能模块。功能模块间有明确定义的接口，接口是固定的，符合工厂标准或工业标准，彼此可以进行信息交换。这样可以积木式地组成CNC装置，使CNC装置设计简单、适应性和扩展性好、调整维修方便、结构紧凑、效率高。

③硬件易于组织规模生产。由于硬件是通用的，容易配置，只要开发新的软件就可构成不同的CNC装置，因此多微处理机结构便于组织规模生产，且保证质量。

④有很高的可靠性。多微处理机CNC装置的每个微机分管各自的任务，形成若干模块。如果某个模块出了故障，其他模块仍能照常工作；而单微处理机的CNC装置一旦出故障，就会造成整个系统瘫痪。另外，多微处理机的CNC装置可进行资源共享，省去了一些重复机构，不但降低了成本，也提高了系统的可靠性。