数控系统的基本结构

第二讲数控系统的基本结构

数控系统由基本硬件与控制软件组成。目前各数控厂家的产品可以归纳为两种风格：一种是采用专用硬件，其控制软件简单；另一种是采用通用硬件，其控制软件复杂。

一、基本硬件构成

数控系统（CNC）基本硬件通常由微机基本系统、人机界面接口、通信接口、进给轴位置控制接口、主轴控制接口以及辅助功能控制接口等部分组成，如图2—1所示。

图2—1 数控系统总体结构示意图

FANUC 0i数控装置构成框图如图2—2所示。

FANUC 3MA数控装置构成框图如图2—3所示。

图2—2 FANUC 0i数控装置构成框图

㈠、微机基本系统

通常微机基本系统是由CPU、存储器（EPROM、RAM）、定时器、中断控制器等几个主要部分组成。

1、CPU

CPU是整个数控系统的核心，常见的中低档数控系统基本上采用8位或16位CPU，如8088／8086、8031等。随着CPU系统向高精度方向发展，要求其最小设定单位越来越小，同时又要求CPU系统能满足大型机床的需要，当最小设定单位是1μm时，16位二进制数所表示的最大坐标为－32.767～＋32.767mm，这显然是不够的，而采用32位二进制数时，最大坐标范围约为－2000～＋2000m，因此数控系统一般采用24位二进制数，其坐标范围为－8388.607～＋8388.607mm。因此选用8位CPU就需要三个或四个字节运算，这就严重影响了运算速度，当最小设定单位为0.1μm时，这个问题将更加严重。因此现代数控系统大多采用16位或32位的CPU，以满足其性能指标，如采用8位CPU，则为多CPU结构。例如FANUC 15、SIEMENS 840、FAGOR 8050等系统均为32位CPU，而FAGOR 8025系统则采用8位多CPU结构。

2、EPROM

EPROM用于固化系统控制软件，数控系统的所有功能都是固化在EPROM中的程序的控制下完成的。在数控系统中，硬软件有密切的关系，由于软件的执行速度较硬件慢，当CPU功能较弱时，则需要专用硬件解决问题或采用多CPU结构。现代数控系统常采用标准化与通用化总线结构，因此不同的机床数控系统可以采用基本相同的硬件结构，并且系统的改进与扩展十分方便。

在硬件相对不变的情况下，软件仍有相当大的灵活性。扩充软件就可以扩展CNC的功能，而且软件的这种灵活性有时会对数控系统的功能产生极大的影响。在国外，软件的成本

甚至超过硬件。例如FANUC 3T与3M的差别仅在EPROM中的软件，FANUC 3M二轴半联动变为三轴联动也仅需要更换EPROM中的软件。

图2—3FANUC 3MA数控装置构成框图

3、RAM

RAM中存放可能改写的信息，在图2—4中，除中断堆栈存放区和控制软件（系统）数据暂存区外，均有后备电池掉电保护功能，即当电源消失后，由电池来维持RAM芯片电压，以保持其中信息，其原理示意如图2—5所示。

现在大量使用的CMOS半导体RAM芯片如62648（8K），62256（32K），628128（128K），其维持功耗很低。如日立HM628128芯片，其电源电压大于2V即可维持信息不丢失，并且维持电流小于lμA左右，这就大大延长了电池的使用寿命。

图2—4 数控系统RAM区分配示意图

图2—5 RMA芯片掉电保护示意图

4、定时器与中断控制器

定时器与中断控制器用于计算机系统的定时控制与多级中断管理。

㈡、接口

1、人机界面接口

数控系统的人机界面包括以下四部分：

键盘（MDI）：用于加工程序的编制以及参数的输入等。

显示器（CRT）：用于显示程序、数据以及加工信息等。

操作面板（OPERATOR PANEL）：用于对机床进行操作。

手摇脉冲发生器(MPG)：用于手动控制机床坐标轴的运动，

类似普通机床的摇手柄（图2—6）。

（1）键盘在数控系统中亦称为MDI（Manual Data Input）

面板或数控面板，它由英文字母键、功能键、数字键等组成，

用于编制加工程序、修改参数等。键盘的接口比较简单，与通

常的计算机一样大多采用扫描矩阵原理。FANUC 0-TD的数控

面板如图2—7所示。

（2）数控系统处于不同的操作功能时，显示器所显示的内

容是不同的。在编程时，其显示的是被编辑的加工程序，而加

工时，则显示当前各坐标轴的坐标位置和机床的状态信息。有

些数控系统还具有图形模拟功能，这时显示器则显示模拟加工

过程的刀具走刀路径，可以检查加工程序的正确与否。现代数

控系统已大量采用高分辨率彩色显示器或液晶显示器，显示的

图形也由二维平面图形变为三维动态图形；

图2—6 手摇脉冲发生器（3）操作面板又称机床操作面板，不同的数控机床由于其

所需的动作不同，所配操作面板也是不同的。操作面板主要用于手动方式下对机床的操作以

及自动方式下对运动的操作或干涉。FANUC 0-TD的机床操作面板如图2—8所示。

图2—7 FANUC 0-TD的数控面板

图2—8 FANUC 0-TD的机床操作面板

2、通信接口

通常数控系统均具有标准的RS232串行通信接口，因此与外设以及上级计算机的连接很方便。高档数控系统还具有RS485、MAP以及其它各种网络接口，从而能够实现柔性生产线FMS以及计算机集成制造系统CIMS。

3、进给轴的位置控制接口

实现进给轴的位置控制包括三个方面的内容：一是进给速度的控制，二是插补运算，三是位置闭环控制。插补方法有基准脉冲法与采样数据法。基准脉冲法就是CNC系统每次插补以脉冲的形式提供给位置控制单元，这种插补方法的进给速度与控制精度较低，主要用于开环数控系统。而采样数据法计算出给定时间间隔内各坐标轴的位置增量，同时接收机床的实际位置反馈，根据插补所得到的命令位置与反馈位置的差来控制机床运动，因此采样数据法可以根据进给速度的大小来计算一个时间间隔内的位置增量。只要CPU的运算速度较快，给定时间间隔选择得较小，就可以实现高速、高精度的位置控制。

进给轴位置控制接口包括模拟量输出接口和位置反馈计数接口。模拟量输出接口采用数模转换器DAC（一般为十二位至十六位），输出模拟电压的范围为－10～＋10V，用以控制速度伺服单元。模拟电压的正负和大小分别决定了电动机的转动方向和转速。位置反馈计数接口能检测并记录位置反馈元件（如光电编码器）所发回的信号，从而得到进给轴的实际位