数控技术第4章计算机数字控制系统

第4章计算机数字控制系统

4.1 概述

前章已经述及，CNC系统是在传统硬结构数控（NC）的基础上发展起来的。它主要由硬件和软件两大部分组成。通过系统控制软件和硬件的合理配合完成数据系统的输入、数据处理、插补运算和信息输出，控制数控机床的执行部件运动，实现所需零件的加工。

此外，现代数控系统采用PLC取代了传统的机床电气逻辑控制装置（即继电器控制电路），利用PLC的逻辑运算功能实现诸如主轴的正、反转及停止，换刀，工件的夹紧、松开，切削液的开、关以及润滑系统的运行等各种开关量的控制。

4.2 计算机数字控制装置的硬件结构

20世纪70年代中期，采用中小规模集成电路为基础的硬结构数控开始被采用小型计算机作为硬件基础的CNC所替代，这标志着数控技术由硬结构数控进入了CNC时代。由于CNC的出现，机床数控装置发生了巨大的变化，体积缩小了，功能扩大了，可靠性也大幅提高了。由于在70年代后期出现了微处理器，80年代初随之出现了以微处理器为基础的CNC系统，如日本的FANUC和德国的SIEMENS 7系列，之后又出现了采用Intel 8086 CPU 的FANUC 3/6系列和SIEMENS 3/8系列的CNC。到80年代后期，CNC已达到了相当高的水平。随着计算机技术的发展以及用户对CNC功能要求的不断提高，CNC的硬件结构从单CPU结构发展到多CPU结构，并出现了以个人计算机为基础的开放式CNC结构。在下面的章节里将介绍CNC装置的单微处理器结构、多微处理器结构和开放式CNC结构。

4.2.1 单微处理器结构

在单微处理器结构中，只有一个微处理器，对存储、插补运算、输人输出控制、CRT 显示等功能进行集中控制和分时处理。一个微处理器通过总线与存储器、输入输出（Ｉ／O）接口及其它接口相连，构成整个CNC系统，其结构框图如图4-1所示。早期的CNC系统和当前的一些经济型CNC系统都采用单微处理器结构。

1．微处理器

微处理器是CNC装置的中央处理单元，它能实现数控系统的数字运算和管理控制，由运算器和控制器两部分组成。运算器对数据进行算术运算和逻辑运算。在运算过程中，运算器不断地从存储器中读取数据，并将运算结果送回存储器保存起来。通过对运算结果的判断，设置寄存器的相应状态（进位、奇偶和溢出等）。控制器则从存储器中依次取出程序指令，经过译码后向数控系统的各部分按顺序发出执行操作的控制信号，以执行指令。控制器是数控系统的中央机构，它一方面向各个部件发出执行任务的指令；另一方面接收执行部件发回的反馈信息。控制器根据程序中的指令信息和反馈信息，决定下一步的指令操作。

微处理器总

EPROM

RAM存储器

输入/输出

I/O接口

位置控制器

图4-1 单微处理器结构框图

目前CNC装置中常用的有8位、16位、32位和64位的微处理器，可以根据机床实时控制和处理速度的要求，按字长、数据宽度、寻址能力、运算速度及计算机技术发展的最新成果选用适当的微处理器。如日本的FANUC-15／16 CNC系统选用Motorola公司的32位微处理器68020作为其控制CPU。

2．总线

在单微处理器的CNC系统中常采用总线结构。总线一般可分为数据总线、地址总线、和控制总线三组。数据总线为各部分之间传送数据，数据总线的位数和传送的数据宽度相等，采用双方向线。地址总线传送的是地址信号，与数据总线结合使用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地，采用单方向线。控制总线传输的是一些控制信号，如数据传输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用单方向线。

3．存储器

CNC装置的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两类。ROM一般采用可擦除的只读存储器（EPROM），存储器的内容由CNC装置的生产厂家固化写入，即使断电，EPROM中信息也不会丢失。若要改变EPROM中的内容，必须用紫外线抹除之后重新写入。RAM中的信息可以随时被CPU读或写，但断电后，信息也随之消失。如果需要断电后保留信息，一般需采用后备电池。

4．输入/输出（I／O）接口

CNC装置和机床之间的信号传输是通过输入（Input）和输出（Output）接口电路来完成。信号经接口电路送至系统寄存器的某一位，CPU定时读取寄存器状态，经数据滤波后作相应处理。同时CPU定时向输出接口送出相应的控制信号。I/O接口电路可以起到电气隔离的作用，防止干扰信号引起误动作。一般在接口电路中采用光电耦合器或继电器将CNC 装置和机床之间的信号在电气上加以隔离。

5．位置控制器

CNC装置中的位置控制器主要是对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制。坐标轴控制是数控机床上要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动和位置的精度有严格要求，在多轴联动时，还要求各移动轴有很好的动态配合。对于主轴的控制，要求在很宽的范围内速度连续可调，并且每一种速度下均能提供足够的切削所需的功率和扭矩。在某些高性能的CNC机床上还要求能实现主轴的定向准停，也就是主轴在某一给定角度位置停止转动。

6．MDI／CRT接口

MDI接口是通过操作面板上的键盘，手动输入数据的接口。CRT接口是在CNC软件配合下，将字符和图形显示在显示器上。显示器一般是阴极射线管（CRT），也可以是平板式液晶显示器（LCD）。

7．可编程序控制器（PLC）

可编程序控制器用来代替传统机床强电的继电器逻辑控制，实现各种开关量（S 、M 、T ）的控制。如主轴正转、反转及停止，刀具交换，工件的夹紧及松开，切削液的开、关以及润滑系统的运行等，同时还包括主轴驱动以及机床报警处理等。

8．通信接口

通信接口用来与外部设备进行信息传输，如与上位计算机或直接数字控制器DNC 等进行数字通信，一般采用RS232C 串口。

单微处理器结构由于CPU 通过总线与各个控制单元相连，完成信息交换，结构比较简单，但是由于只用一个微处理器来集中控制，CNC 的功能受到微处理器字长、寻址功能和运算速度等因素的限制。

4.2.2 多微处理器结构

多微处理器结构中有两个或两个以上微处理器。多微处理器CNC 装置采用模块化技术，由多个功能模块组成。一般包括如下几种功能模块：

1．CNC 管理模块 管理和组织整个CNC 系统的工作，包括系统初始化、中断处理、总线冲突裁决、系统出错识别和处理、软硬件诊断等功能。

2．CNC 插补模块 完成零件加工程序的译码、刀具半径的补偿、坐标位移量的计算和进给速度处理等插补前的预处理，以及进行插补计算，确定各坐标轴的位置。

3．位置控制模块 插补后的坐标位置给定值与位置检测装置测得的位置实际值进行比较，进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，去驱动进给电机。

4．存储器模块 主要用于存放程序和数据，也可以是各功能模块间进行数据传送的共享存储器。

5．操作面板监控和显示模块 包括零件的数控程序、参数、各种操作命令和数据的输入、输出、显示所需要的各种接口电路。

6．PLC 模块 零件程序中的开关功能和从机床来的信号在这个模块中作逻辑处理，实现各开关功能和机床操作方式之间的对应关系，如机床主轴的启停、冷却液的开关、刀具交换、回转工作台的分度、工件数量和运转时间的计数等。

根据CNC 装置的需要，还可再增加相应的模块实现某些扩展功能。

多微处理器CNC 装置在结构上可分为共享总线型和共享存储器型，通过共享总线或共享存储器，来实现各模块之间的互联和通信。

1．共享总线结构 共享总线结构以系统总线为中心，把组成CNC 装置的各个功能部件划分为带有CPU 的主模块和不带CPU 的从模块（如各种RAM 、ROM 模块，I ／O 等）两大类。所有主、从模块都插在配有总线插座的机柜内，共享标准的系统总线。系统总线的作用是把各个模块有效地连接在一起，按照标准协议交换各种数据和控制信息，实现各种预定的功能，如图4-2所示。

图4-2 多微处理器共享总线结构框图 CNC 管理模块（CPU ） 总 线 主存储器模块 对话式自动编程模块 CNC 插补模块

操作面板显示 位置控制模块 （CPU ） PLC 功能模块

主轴控制模块