2计算机数控装置的硬件结构

负载为指示灯的典型信号输出出电路（如P157图4.2.11）
大负载驱动输出电路（如P157图4.2.12）
③直流数字输入、输出信号的传送（如P157图4.2.13）
（五）可编程控制器 PC分类：一类是为实现数控机床顺序控制而专门设计 制造的“内装型”PC，另一类是技术要求、功能和参 数能满足数控机床要求的“独立型”PC。 内装型PC（如P159图4.2.14）
独立型（又称通用型PC，不属于CNC装置）PC特点： ①具有完整的功能结构，CPU及其控制电路、系统程序 存储器、用户程序存储器、输入/输出接口电路、与编程 机等外设通讯的接口和电源等； ②采用积木式模块化结构或笼式插板式结构，各种模块 做成独立的模块或印刷电路插板，具有易扩展、安装方 便等优点； ③独立型PC的输入、输出点数可以通过I/O模块或插板的 增减来增减或减少。
2、共享总线结构（如P162图4.2.15） 共享总线结构方案的优点：系统配置灵活、结构简单、容易实现、 造价低。 不足之处：会引起“竞争”，使信息传输率降低，总线一旦出现 故障，会影响全局。
总线仲裁两种方式：串行方式（如P162图4.2.16）、并行 方式（如P163图4.2.17）。
3、共享存储器结构（如P164图4.2.18）
双端口存储器结构（如P166图4.2.20）
微处理器共享存储器采用多端口结构的框图（如 P166图4.2.21）
数值检出器：将二进制数值变成脉冲宽度的线 路称为数值检出器。 方向辨别控制： 原理：数值变为脉宽之后，再经过两个由符号 位信号（ ）控制的与非门，就能辨别出它们 的方向，当数值为正时，符号为0。在二进制计 数器中，使用的是反码，故 ，正向矩形波信号 由G1输出；负值时，由G2输出。
比较放大器：
信号输入比较放大器，输出直流指
3、直流数字输入、输出接口 ①输入接口 分类：以触点输入的接收电路 无源（如P156图4.2.6a）：CNC接口有触电供电回路， 信号使用双线。 有源（如P156图4.2.6b）：信号使用单线。
斯密特电路或R-S触发器（如P157图4.2.7）
以电压输入的接收点（如P157图4.2.8）
②输出接口 分类：继电器输出电路、无触点输出电路（如 P157图4.2.9）
（三）位置控制单元（如P151图4.2.3，又称位置控制器 或位置控制模块） 位置控制主要是对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行 控制。 位置控制包括：轴控制、刀库位置控制。
位置控制的硬件包括：位置控制芯片和位置控制模板（如P151 图4.2.4（1）、位置输出模板如P152图4.2.4（2）） 1、位置控制芯片 工作原理：CPU输出的位置指令，经过芯片MB8739处理后， 送往D/A变换，再经过速度控制单元以控制电机运动，电机的 轴上装有光电脉冲发生器，随着电机转动产生系列脉冲，该脉 冲经接收器后反馈到MB8739，然后将其分为两路，一路作为 位置量的反馈，一路经频率/电压（F/V）变换，作为速度量的 反馈信号送往速度控制单元。
令电压信号，它的幅值代表跟随误差的
大小，电压方向代表误差方向。
（四）输入/输出(I/O)接口 1、输入输出接口的标准化（如 P155图4.2.5四种接口类型） 第I类：与驱动有关的连结电路， 主要是指与坐标轴进给驱动和 主轴驱动的连结电路； 第II类：数控装置与测量系统 和测量传感器间的连结电路； 第III类：电源及保护电路； 第IV类：开/关信号和代码信号 连结电路。
4.2 计算机数控装置的硬 件结构
现在说的 CNC 就是 MNC （微型计算机数字控制）， CNC从硬件结构上分为单微处理机和多微处理机两大 类数控装置。 一、单微处理机数控装置的结构（如P148图4.2.1）
单微处理机工作原理： 单微处理机数控装置以一个中央处理器 （CPU）为核心，CPU通过总线与存储器 以及各种接口相连接，采取集中控制，分 时处理的工作方式，完成数控加工中各个 任务。 基本结构：微处理器和总线、I/O接口、 存储器、串行接口、CRT/MDI接口、控制 单元部件、接口电路。
缓冲寄存器： 组成：由四组D型触发器组成，每组有四个D触 发器。 功能：存放表示跟随误差的十六位二进制数的 每一位。 原理：每一个采样周期，在地址译码信号、数 据输出请求的译码信号、数据选通输入信号 （均为低电平有效）同时有效时，发出一个采 样脉冲，利用采样脉冲的后沿，将数据总线上 数据和符号，读入到缓冲寄存器中。
④位置增益控制 对上述误差乘以一定的比例系数，这是为了调整整 个位置伺服系统的开环增益KV，KV是由软件根据实 际系统的要求设定的。 ⑤误差的脉宽调制P.W.M 误差被调制成某一固定频率，且宽度与误差值成正 比的矩形脉冲波，经PWM后，输出粗误差指令 CCMD1和CCMD2和精误差指令FCMD。 ⑥漂移补偿控制 伺服系统中经常受到漂移的干扰，即在无位置指令 输出时，坐标轴可能出现移动，从而影响机床的精 度，漂移补偿控制的作用是当漂移到某一程度时 （可由软件参数设定），自动予以补偿。
位置控制芯片包括位置测量与反馈的全部线路，主要包 括： ①DDA插补器 该插补器作粗精二级插补结构的第二级插补——细插补， 它的输入是第一级软件插补一个插补周期的信息。 ②CMR 这是指令值倍乘比，其作用是将指令值乘以一个比例系 数，因为程编的指令单位与实际机床移动单位可能不一 致，所以需用CMR和DMR进行调整，使其一致，以便 进行比较。 ③误差寄存器 实现指令位置与实际位置的比较，并寄存比较后的误差 （实际上是多位可逆计数器），指令值来自DDA插补器， 反馈值来自鉴相器。
（二）存储器 加工的零件程序、机床参数、刀具参数存放在有后备电池的 CMOS RAM中，或者存在磁泡存储器中，这些信息在这种存储 中能随机读出，还可以根据操作需要写入或修改，断电后，信息 仍保留（如P149图4.2.2为CMOS RAM）存储器框图。
有后备电池的CMOS RAM保存信息原理： 在正常供电时，+5V电源经一只二极管D1将电压VBB加到 CMOS RAM芯片电源引脚，向CMOS RAM供电，同时对 干电池充电，这是微型继电器V33、V22的线圈通电，其触 点闭合接通。VPU电压和非门的上拉电阻接通，使译码信 号*ADCM1变反形成CMOS RAM芯片选通信号。 当电源停电时，该由干电池供电维持CMOS RAM的信息， 此时，微继电器A33、A22线圈断电，VPU电压和非门输出 上拉电阻断开，则0电压通过下拉电阻加到非门输出端， 使非门输出为“0”，即CMEN1信号为0，CMOS RAM不 选通，停止读写工作。
磁泡存储器保存信息的原理： 写入时控制磁泡的发生，并沿写入通道向前移动 写入的数据，再控制磁泡的转入，实现信息写入， 写入后的磁泡由于旋转磁场的作用，在封闭的存 储环中不断地循环移动。若旋转磁场移动停止， 磁泡也停止移动，由于偏磁场是永磁体产生的， 因此，断电时磁泡仍存在，信息并不丢失，从而 实现非易失性的存储，控制磁泡的复制，并沿读 出通道传至探测器，便实现了信息的非破坏性读 出，控制磁泡的缩灭，可实现信息的清除。
2、输入、输出信号的分类及接口电路的任务 输入信号：由机床（MT）向CNC传送的信号称为输入信 号。 输出信号：由CNC向MT传送的信号称为输出信号。 输入、输出信号类型： ①直流数字输入信号 ②直流数字输出信号 ③直流模拟输入信号 ④直流模拟输出信号 ⑤交流输入信号 ⑥交流输出信号
接口电路的主要任务： ①进行电平转换和功率放大 ②为防止噪声引起误动作，使用光电隔离器，脉冲变压 器或继电器，使CNC和机床之间的信号在电气上加以隔 离 ③采用模拟量传送时，在CNC和机床电气设备之间要接 入数/模和模/数转换电路 ④信号在传输过程中，由于衰减、噪声、反射等影响， 会发生畸变，为此要根据信号类别及传输线质量，采取 一定措施并限制信号的传输距离。
内装型PC特点： ①内装型PC实际上是CNC装置带有的PC功能，一般是 作为一种基本的或可选的功能提供给用户； ②内装型PC的性能指标是根据从属的CNC系统及适用 机床的类型等确定的； ③在系统的具体结构上，内装型PC可与CNC共用CPU， 也可以单独使用一个CPU；硬件电路可与CNC其它电 路制作在一块印刷板上，也可以单独制成一块附加板； 内装PC一般不单独配置输入/输出接口电路，而是使用 CNC装置本身的输入/输出电路；PC控制电路及部分输 入/输出电路（一般为输入电路）所用电源由CNC装置 提供，不设另外电源； ④采用内装型PC的CNC装置具有某些高级控制功能， 如梯形图编辑和传送功能；在CNC内部可以直接处理 大量的数据信息。
⑦鉴相器 该线路用来处理脉冲编码器的反馈信号，从接收器输出 的两组相位差90°的脉冲信号，经该线路变为能表示运 动方向的一系列脉冲，该线路包括辨向与倍频线路。 ⑧DMR 它是实际值的倍乘比，其目的是与滚珠丝杠的螺距相匹 配，使实际位移值的脉冲当量乘以DMR以后等于乘以 CMR后的指令脉冲当量，DMR的值由软件根据实际的机 床参数设定。 ⑨参考计数器 机床坐标回到参考点时，由该计数器产生零点信号。 ⑩地址译码 芯片内部各数据和控制寄存器都由地址选择，故设此地 址译码器。
二、多微处理机数控装置的结构 （一）多微处理机CNC装置的典型结构 多微处理机互联方式：总线互联、环型互联、交叉开关互联、多 极开关互联、混洗交换互连。 总线互联结构：共享总线型、共享存储器型、它们的混合型结构。 1、功能模块 ①CNC管理模块： 如系统的初始化、中断管理、总线仲裁、系统出错的误别和处理、 系统软硬件的诊断 ②CNC插补模块 该模块完成零件程序的译码、刀具半径补偿、坐标位移量的计算 和进给速度处理等插补前的预处理，然后进行插补计算，为各坐 标轴提供位置给定值
二进制计数器： 组成：由四组二进制计数器组成，并接成加法 计数形式。 原理：缓冲寄存器存有跟随误差数值后，经一 定的延时，在D/A传送信号和计数时钟同步后产 生置入脉冲信号，将数据置入二进制计数器中， 置入计数器的数据有15位表示数值（ ）， 一位表示符号（ ），当符号位为高电平时， 数值为负，反之为正。
③PC模块 零件程序中的开关功能和由机床来的信号等在这个模块中作逻辑 处理，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电气设备的启、 停、刀具交换、转台分度、工件数量和运转时间计数等 ④位置控制模块 插补后的坐标位置给定值与位置检测器测得的位置实际值进行比 较，进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的检测和漂移 补偿，最后得到速度控制的模拟电压，这些工作都由位置控制模 块完成 ⑤操作控制数据输入、输出和显示模块 ⑥存储器模块
（一）微处理机和总线 微处理机任务：控制和运算。 控制功能主要包括：内部控制（用于保持CNC装 置内各功能部件的动作以及各部件间的协调）、 对零件加工程序输入、输出的控制（用于保持对 外联系和机床的控制状态信息输入和输出）、对 机床加工现场状态信息的记忆控制。 运算任务：译码、刀补计算、运动轨迹计算、插 补计算和位置控制的给定值与反馈值的比较运算。 总线：是CPU与各组成部件、接口等之间的信息 公共传输线，包括控制、地址和数据三总线。
4、共享总线和共享存储器型结构（如P165图4.2.19）
功能模块： ①主处理单元：完成基本的数控任务及系统管理 ②图形显示模块 ③总线仲裁控制器（BAC） ④接口S.S.U，这是系统支持单元，它是CNC装置与机床 和机器人等设备的接口 ⑤操作板块控制器O.P.C ⑥输入输出控制器I.O.C ⑦存储器
2、位置控制模板结构（如P151图4.2.4（1）） 位置控制功能由软件和硬件两部分共同实现，软件负 责跟随误差和进给速度指令数值的计算；硬件由位置 控制输出模板和位置测量模板组成，接收进给指令， 进行D/A变换，为速度单元提供命令电压；同时位置反 馈信号被处理，去跟随误差计数器与指令值进行比较。