CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)

CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)CNC硬件結(jié)構(gòu)分類：

按體系結(jié)構(gòu)可分為：專用體系結(jié)構(gòu)和開放式體系結(jié)構(gòu)；

按功能可分為：經(jīng)濟(jì)型CNC裝置和高級型CNC裝置。

根據(jù)掌握功能的簡單程度可分為：單微處理器結(jié)構(gòu)和多微處理器結(jié)構(gòu)。

按組成CNC裝置的印刷電路板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和插拔方式可分為：大板式結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)兩類。

經(jīng)濟(jì)型CNC裝置一般采納單微處理器大板結(jié)構(gòu)，高級型CNC裝置常采納多處理器模塊化結(jié)構(gòu)。

CNC裝置采納了多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)，就能使數(shù)控機(jī)床向高速度、高精度和高智能化方向進(jìn)展。

一、單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的CNC裝置

單微處理機(jī)數(shù)控裝置是以一個(gè)CPU（中心處理器）為核心，CPU通過總線與存儲器和各種接口相連接，實(shí)行集中掌握、分時(shí)處理的工作方式，完成數(shù)控加工各個(gè)任務(wù)。

1.微處理器

微處理器是CNC裝置的核心，由掌握器和運(yùn)算器組成。在CNC裝置中，掌握器的掌握任務(wù)為：從程序儲存器中依次取出的指令，經(jīng)過解釋，向CNC裝置各部分按挨次發(fā)出執(zhí)行操作的掌握信號，使指令得以執(zhí)行。而且又接收執(zhí)行部件發(fā)回來的反饋信號，掌握器依據(jù)程序中的指令信息及這些反饋信息，打算下一步命令操作。運(yùn)算器的任務(wù)主要是：零件加工程序的譯碼、刀補(bǔ)計(jì)算、插補(bǔ)計(jì)算、位置掌握計(jì)算及其它數(shù)據(jù)的計(jì)算和規(guī)律運(yùn)算。

由于全部數(shù)控功能都由一個(gè)CPU來完成，因此CNC裝置的功能受微處理器的字長、尋址力量和運(yùn)算速度等因素的限制。為了提高處理速度，增加數(shù)控功能，常采納以下措施：

⑴由硬件完成一部分插補(bǔ)工作；

⑵采納帶有微處理器的plc等智能部件。

2．總線

在單微處理器的CNC系統(tǒng)中常采納總線結(jié)構(gòu)?？偩€一般可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線、和掌握總線三組。數(shù)據(jù)總線為各部分之間傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總線的位數(shù)和傳送的數(shù)據(jù)寬度相等，采納雙方向線。地址總線傳送的是地址信號，與數(shù)據(jù)總線結(jié)合使用，以確定數(shù)據(jù)總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來源或目的地，采納單方向線。掌握總線傳輸?shù)氖且恍┱莆招盘?，如?shù)據(jù)傳輸?shù)淖x寫掌握、中斷復(fù)位及各種確認(rèn)信號，采納單方向線。

3．存儲器

CNC裝置的存儲器包括只讀存儲器（ROM）和隨機(jī)存儲器（RAM）兩類。ROM一般采納可擦除的只讀存儲器（EPROM），存儲器的內(nèi)容由CNC裝置的生產(chǎn)廠家固化寫入，即使斷電，EPROM中信息也不會(huì)丟失。若要轉(zhuǎn)變EPROM中的內(nèi)容，必需用紫外線抹除之后重新寫入。RAM中的信息可以隨時(shí)被CPU讀或?qū)?，但斷電后，信息也隨之消逝。假如需要斷電后保留信息，一般需采納后備電池。

4．輸入/輸出（I／O）接口

CNC裝置和機(jī)床之間的信號傳輸是通過輸入（Input）和輸出（Output）接口電路來完成。信號經(jīng)接口電路送至系統(tǒng)寄存器的某一位，CPU定時(shí)讀取寄存器狀態(tài)，經(jīng)數(shù)據(jù)濾波后作相應(yīng)處理。同時(shí)CPU定時(shí)向輸出接口送出相應(yīng)的掌握信號。I/O接口電路可以起到電氣隔離的作用，防止干擾信號引起誤動(dòng)作。一般在接口電路中采納光電耦合器或繼電器將CNC裝置和機(jī)床之間的信號在電氣上加以隔離。

5．位置掌握器

CNC裝置中的位置掌握器主要是對數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)軸位置進(jìn)行掌握。坐標(biāo)軸掌握是數(shù)控機(jī)床上要求最高的位置掌握，不僅對單個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)和位置的精度有嚴(yán)格要求，在多軸聯(lián)動(dòng)時(shí)，還要求各移動(dòng)軸有很好的動(dòng)態(tài)協(xié)作。對于主軸的掌握，要求在很寬的范圍內(nèi)速度連續(xù)可調(diào)，并且每一種速度下均能供應(yīng)足夠的切削所需的功率和扭矩。在某些高性能的CNC機(jī)床上還要求能實(shí)現(xiàn)主軸的定向準(zhǔn)停，也就是主軸在某一給定角度位置停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

6．MDI／CRT接口

MDI接口是通過操作面板上的鍵盤，手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)的接口。CRT接口是在CNC軟件協(xié)作下，將字符和圖形顯示在顯示器上。顯示器一般是陰極射線管（CRT），也可以是平板式液晶顯示器（LCD）。

7．可編程序掌握器（PLC）

可編程序掌握器用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)床強(qiáng)電的繼電器規(guī)律掌握，實(shí)現(xiàn)各種開關(guān)量（S、M、T）的掌握。如主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止，刀具交換，工件的夾緊及松開，切削液的開、關(guān)以及潤滑系統(tǒng)的運(yùn)行等，同時(shí)還包括主軸驅(qū)動(dòng)以及機(jī)床報(bào)警處理等。

8．通信接口

通信接口用來與外部設(shè)備進(jìn)行信息傳輸，如與上位計(jì)算機(jī)或直接數(shù)字掌握器DNC等進(jìn)行數(shù)字通信，一般采納RS232C串口。

單微處理器結(jié)構(gòu)由于CPU通過總線與各個(gè)掌握單元相連，完成信息交換，結(jié)構(gòu)比較簡潔，但是由于只用一個(gè)微處理器來集中掌握，CNC的功能受到微處理器字長、尋址功能和運(yùn)算速度等因素的限制。

二、單微處理器CNC裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

1.CNC裝置內(nèi)只有一個(gè)微處理器，對存儲、插補(bǔ)運(yùn)算、輸入輸出掌握、CRT顯示等功能都由它集中掌握，分時(shí)處理。

2.微處理器通過總線與存儲器、輸入輸出掌握等各種接口相連，構(gòu)成CNC裝置；

3.結(jié)構(gòu)簡潔，簡單實(shí)現(xiàn)；

4.單微處理器由于只有一個(gè)微處理器進(jìn)行集中掌握，其功能將受微處理器字長、數(shù)據(jù)寬度，尋址力量和運(yùn)算速度等因素限制。

二、多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的CNC裝置

多微處理器結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上微處理器。多微處理器CNC裝置采納模塊化技術(shù)，由多個(gè)功能模塊組成。一般包括如下幾種功能模塊：

1．CNC管理模塊管理和組織整個(gè)CNC系統(tǒng)的工作，包括系統(tǒng)初始化、中斷處理、總線沖突裁決、系統(tǒng)出錯(cuò)識別和處理、軟硬件診斷等功能。

2．CNC插補(bǔ)模塊完成零件加工程序的譯碼、刀具半徑的補(bǔ)償、坐標(biāo)位移量的計(jì)算和進(jìn)給速度處理等插補(bǔ)前的預(yù)處理，以及進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，確定各坐標(biāo)軸的位置。

3．位置掌握模塊插補(bǔ)后的坐標(biāo)位置給定值與位置檢測裝置測得的位置實(shí)際值進(jìn)行比較，進(jìn)行自動(dòng)加減速、回基準(zhǔn)點(diǎn)、伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和漂移補(bǔ)償，最終得到速度掌握的模擬電壓，去驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)。

4．存儲器模塊主要用于存放程序和數(shù)據(jù)，也可以是各功能模塊間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的共享存儲器。

5．操作面板監(jiān)控和顯示模塊包括零件的數(shù)控程序、參數(shù)、各種操作命令和數(shù)據(jù)的輸入、輸出、顯示所需要的各種接口電路。

6．PLC模塊零件程序中的開關(guān)功能和從機(jī)床來的信號在這個(gè)模塊中作規(guī)律處理，實(shí)現(xiàn)各開關(guān)功能和機(jī)床操作方式之間的對應(yīng)關(guān)系，如機(jī)床主軸的啟停、冷卻液的開關(guān)、刀具交換、回轉(zhuǎn)工作臺的分度、工件數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的計(jì)數(shù)等。

依據(jù)CNC裝置的需要，還可再增加相應(yīng)的模塊實(shí)現(xiàn)某些擴(kuò)展功能。

多微處理器CNC裝置在結(jié)構(gòu)上可分為共享總線型和共享存儲器型，通過共享總線或共享存儲器，來實(shí)現(xiàn)各模塊之間的互聯(lián)和通信。

1．共享總線結(jié)構(gòu)共享總線結(jié)構(gòu)以系統(tǒng)總線為中心，把組成CNC裝置的各個(gè)功能部件劃分為帶有CPU的主模塊和不帶CPU的從模塊（如各種RAM、ROM模塊，I／O等）兩大類。全部主、從模塊都插在配有總線插座的機(jī)柜內(nèi)，共享標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線的作用是把各個(gè)模塊有效地連接在一起，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議交換各種數(shù)據(jù)和掌握信息，實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的功能，如圖4-5所示。

在共享總線結(jié)構(gòu)中，只有主模塊有權(quán)掌握使用系統(tǒng)總線。但由于有多個(gè)主模塊，可能會(huì)同時(shí)懇求使用總線，而某一時(shí)刻只能由一個(gè)主模塊占有總線。為了解決這一沖突，系統(tǒng)設(shè)有總線仲裁電路。根據(jù)每個(gè)主模塊負(fù)擔(dān)的任務(wù)的重要程度，預(yù)先支配各自的優(yōu)先級別挨次。總線仲裁電路在多個(gè)主模塊爭用總線而發(fā)生沖突時(shí)，能夠判別動(dòng)身生沖突的各個(gè)主模塊的優(yōu)先級別的凹凸，最終打算由優(yōu)先級高的主模塊優(yōu)先使用總線。

共享總線結(jié)構(gòu)中由于多個(gè)主模塊共享總線，易引起沖突，使數(shù)據(jù)傳輸效率降低；總線一旦消失故障，會(huì)影響整個(gè)CNC裝置的性能。但由于其結(jié)構(gòu)簡潔、系統(tǒng)配置敏捷、實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采納。

2．共享存儲器結(jié)構(gòu)

共享存儲器結(jié)構(gòu)通常采納多端口存儲器來實(shí)現(xiàn)各微處理器之間的連接與信息交換，由多端口掌握規(guī)律電路解決訪問沖突，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4-6所示。

在共享存儲器結(jié)構(gòu)中，各個(gè)主模塊都有權(quán)掌握使用系統(tǒng)存儲器。即便是多個(gè)主模塊同時(shí)懇求使用存儲器，只要存儲器容量有空閑，一般不會(huì)發(fā)生沖突。在各模塊懇求使用存儲器時(shí)，由多端口的掌握規(guī)律電路來掌握。

共享存儲器結(jié)構(gòu)中多個(gè)主模塊共享存儲器時(shí)，引起沖突的可能較小，數(shù)據(jù)傳輸效率較高，結(jié)構(gòu)也不簡單，所以也被廣泛采納。

3．多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)CNC裝置的優(yōu)點(diǎn)

(1)運(yùn)算速度快、性能價(jià)格比高；

(2)適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)展簡單；

(3)牢靠性高；

(4)硬件易于組織規(guī)模生產(chǎn)。

三、開放式體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)充分利用計(jì)算機(jī)的軟件和硬件資源，依據(jù)掌握對象的不同要求，敏捷地變更軟硬件組成，適應(yīng)不同用戶的需求。開放式體系結(jié)構(gòu)成為數(shù)控進(jìn)展的趨勢。

主要目的：解決簡單變化的市場需求與掌握系統(tǒng)專一的固定模式之問的沖突，使數(shù)控系統(tǒng)易變、緊湊、廉價(jià)，并具很強(qiáng)的適應(yīng)性和二次開發(fā)性。

1．開放式體系結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的定義

參照IEEE對開放式系統(tǒng)的規(guī)定，開放式體系結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)必需具有供應(yīng)不同應(yīng)用程序協(xié)調(diào)地運(yùn)行于系統(tǒng)平臺之上的力量，供應(yīng)面對功能的動(dòng)態(tài)重構(gòu)工具，同時(shí)供應(yīng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序界面。

2.開放