最火CNC装置的硬件体系结构

CNC装置的硬件体系结构

一、概述

CNC装置从它的硬件组成结构来看，若按其中含有CPU的多少来分，可分为下面几类：

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NC功能。

主从结构，系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权其它带CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。

多机系统：CNC装置中有两个或两个以上的CPU，即系统中的某些功能模块自身也带有CPU，根据部件间的相互关系又可将其分为：

多主结构：系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统资源有控制或使用权。模块之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过仲裁器来解决总线争用问题，通过共公存储器进行交换信息。

分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间采用松耦合，且采用通讯方式交换信息。

二、单机或主从结构模块的功能介绍

CNC装置是按模块化设计的方法构造的

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，并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，即可组成一个完整的控制系统的方法。其中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路。

实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。采用模块化结构时，CNC系统设计工作则可归结为功能模块的合理选用。

1、计算机主板和系统总线(母板)

计算机主板是CNC装置的核心。

功能结构：

CPU及其外围芯片；内存单元及其外围芯片；通讯接口(串口，并口，键盘接口)。软、硬驱动器接口。

计算机主板的主要作用：

对输入到CNC装置中的各种数据、信息(零件加工固然程序，各种I/O信息等)进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。

系统总线(母板)：由一组传送数字信息的物理导线组成，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道：

数据总线：8根数据线、总线宽度8位；地址总线：16根地址线(直接寻址64k)；

控制总线：

工业用PC机的总线母板是独立的无源四层板(走线面、元件面、电源层和地线层)，它的可靠性高于两层板。其规格有6槽、8槽、12槽、14槽等。

2、显示模块(显示卡)

显示卡的主要作用：

接收来自CPU的控制命令和显示用的数据，经与CRT的扫描信号调制后，产生CRT显示器所需要的视频信号，在CRT上产生所需要的画面。

在CNC装置中，CRT显示是一个非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介，它给用户提供了一个直观的操作环境，可使用户能快速地熟悉适应其操作过程。

显示卡是一个通用性很强的模块。它不仅随时可以在市场上买到，而且它还有非常丰富的支持软件，因此无需用户自己开发。

3、输入/输出模块(多功能卡)

它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即CNC装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的数据送给输出设备。

该模块也是标准的PC机模块，一般不需要用户自己开发。如果计算机主板选用的是标准主板，则此板可省略。

以上三部分(计算机主板、显示卡、输入/输出)，再配上键盘、电源、机箱，实际上是一部通用的微型计算机系统，它是CNC装置的核心，从某种意义上讲，CNC装置的档次和性能是由它决定的。因此，CNC装置中计算机系统的合理选用是至关重要的。4、电子盘(存储模块)

电子盘是CNC装置特有的存储模块。在CNC装置中它用来存放下列数据和参数：

系统软件、系统固有数据；系统的配置参数(系统所能控制的进给轴数，轴的定义，系统增益等)；用户的零件加工程序。

计算机领域所用存储器件有三类：

磁存储器件，如：软/硬磁盘(读/写)。光存储器件，如：光盘(只读)。电子(半导体)存储器件，如RAM、ROM、FLASH等。

前两类一般用作外存储器，其特点是容量大，价格低。

电子存储器件一般用作内存储器，其价格高于前两类。若按其读写性能来看，它又可分为三类：

只读存储元件(ROM、PROM、EPROM、E2PROM)；易失性随机读写存储元件(RAM)。非易失性读写存储元件。

这类器件有：

E2PROM；FLASH；带后备电池的RAM。

在CNC装置中，常采用电子存储器件作为外存储器，主要是考虑到CNC装置的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。

因电子器件组成的存储单元是按磁盘的管理方式进行的，故称其为电子盘。电子盘的规格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB等。

5、PLC(Programmable Logic Controller)模块

PLC模块：CNC装置实现顺序控制的模块。

PLC模块的作用：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。

CNC装置与被控设备交换的信息有三类：

开关信号、模拟信号、脉冲信号。

上述信号由于其类型、电平、功率以及抗干扰的原因，一般不能直接与CNC装置相联，需要一个接口对这些信号进行变换处理。

这也为仪器的消费企业带来更大的市场 PLC模块变换处所以理其目的：

满足CNC系统的输入输出要求。信号转换主要包括几个方面：

电平转换；A/D、D/A转换；数字量与脉冲量相互转换；功率匹配；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。

CNC机床用的PLC一般分为两类：

内装型(Built-in Type)PLC(或集成式、内含式)。独立型(Stand-alone Type)PLC(或通用型)

6、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，是实现轨迹控制时，CNC装置与伺服驱动系统连接的接口模块。

常用的位置控制模块有：

开环位置控制模块：CNC装置与步进电机驱动电源的接口；闭环(含半闭环)位置控制模块：CNC装置与直流、交流伺服驱动装置的接口。

7、功能接口模块

实现用户特定功能要求的接口板，实例：

仿形控制器接口；激光加工焦点自动跟踪器接口；刀具监控系统中的信号采集器接口板。

三、数控系统(硬件)简介

我国数控系统是具有自主版权的高性能数控系统之一。它以通用的工业PC机为基础，采用开放式的体系结构，系统的可靠性和质量得到了保证。它适合多坐标(轴)数控镗铣床和加工中心，在增加相应的软件模块后，也可适应于其它类型的数控机床(数控磨床、车床、齿轮加工机床等)以及特种加工机床(激光加工机、线切割机等)。

四、多主结构的CNC系统硬件简介

多主CPU结构中，有两个或两个以上的CPU部件，部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。

1、多主结构的特点：

能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作

2、多主结构的结构形式：

共享总线结构型；共享存储器结构型。

结构特征：

功能模块分为带有CPU的主模块和从模块(RAM/ROM，I/O模块)，以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上。采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。

共享总线结构的优点：

结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高；

共享总线结构的缺点：

总线是系统的 瓶颈 ，一旦系统总线出现故障，将使整个系统受到影响；由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。

结构特征：

面向共公存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯，采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。

由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器(双端口RAM)。