第二章数控系统组成原理
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第二章数控系统组成原理
➢ 数控装置
数控装置是数控机床的核心，它包括CPU、存储器、各种 Ｉ/Ｏ接口、通用输入输出（Ｉ/Ｏ）接口以及相应的软件。
数控装置接受输入装置送来的程序，进行编译、运算和逻辑 处理后，输出各种信号控制机床的各个部分进行相应的动作。这 些控制信号包括：各坐标轴的进给量、进给方向和速度的指令， 经伺服驱动系统驱动各执行部件运动；主运动部件的变速、换向 和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号；控制冷却、润滑 的启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度工作台转位等辅助指 令信号等。
第二章数控系统组成原理
➢ 可编程程序控制器（PLC）
主要作用是接收数控装置输出的主运动变速、刀具选择 交换、辅助装置动作等指令信号，经必要的编译、逻辑判断、 功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件， 以完成指令所规定的动作，此外还有行程开关和监控检测等 开关信号也要经过PLC送到数控装置进行处理。
从硬件的体系结构来看，单机系统与主从结构极其相似， 因为主从结构的从CPU模块与单机结构中相应模块在功能上 是等价的，只是从模块的能力更强而已，因此通常将单机系统 与主从结构系统归为一类。
第二章数控系统组成原理
图2.3 单机或主从结构系统
第二章数控系统组成原理
2）多主结构系统
系统中有两个或两个以上的带CPU的功能部件，它们对系统 资源都有控制或使用权。功能部件之间采用紧耦合，有集中的操 作系统，通过总线仲裁器(软件和硬件)来解决争用总线问题，通 过公共存储器来交换系统信息。
第二章 数控系统组成原理
第二章数控系统组成原理
主要内容
计算机数控系统 插补原理及方法 位置检测装置 进给伺服功能 辅助控制系统与PLC 数控机床主轴驱动与控制 加工程序输入及预处理
第二章数控系统组成原理
1、计算机数控系统
数控机床的组成
图2.1 数控机床的组成
第二章数控系统组成原理
将PLC装在数控装置以外，称为独立式PLC；将PLC与 数控装置合为一体，称为内装型PLC。
第二章数控系统组成原理
➢ 伺服系统及位置检测装置
伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置（电机）组 成，与机床上的传动和执行部件组成进给系统。每个作进给运 动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。
在半闭环和闭环伺服驱动系统中，还得使用位置检测装置， 间接或直接测量执行部件的实际进给位移，与指令位移进行比 较，纠正所产生的误差。
第二章数控系统组成原理
➢ 机床的机械部件
包括：主运动部件，进给运动执行部件如工作台、拖板 及其传动部件和床身立柱等支承部件，此外，还有冷却、润 滑、排屑、转位和夹紧等辅助装置。
对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交 换刀具的机械手等部件。
与普通机床相比，数控机床传动结构要求更为简单，在 精度、刚度、抗震性等方面要求更高，传动装置的间隙要求 尽可能小，滑动面的摩擦因数要小，并要有恰当的阻尼，以 满足高定位精度和良好控制性能的要求。
第二章数控系统组成原理
计算机数控系统硬件典型结构
➢ 大板式结构和功能模块式结构
按印刷电路板的插接方式进行划分
➢ 单机结构和多机结构
按CPU的个数划分
➢ 封闭式结构和软件开放式结构
按开放性划分
第二章数控系统组成原理
➢ 大板式结构和功能模块式结构
大板式结构的特点是, 一个系统一般都有一块大板，称 为主板。主板上装有CPU、内存、基本轴的位置控制电路 等。其他相关的子板（完成一定功能的电路板），如ROM 板、零件程序存储器板和PLC板都直接插在主板上面，组 成CNC系统的核心部分。
单机系统指整个CNC系统只有一个CPU，它采用集中控制 和分时处理的方式来实现各种数控功能。其优点：投资小，结 构简单，易于实现。但系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻 址能力和运算速度等因素的限制。现在这种结构已被多机系统 的主从结构所取代。
多机系统是指整个CNC系统中有两个或两个以上的CPU， 也就是系统中的某些功能模块自身也带有CPU，根据这些CPU 间的相互关系的不同又可将其分为：主从结构系统，多主结构 系统和分布式结构系统。
大板式结构紧凑，体积小，可靠性高，价格低，有很 高的性价比，也便于机床的一体化设计，但它的硬件功能 不易变动，不利于组织生产。
第二章数控系统组成原理
图2.2 大板式结构示意图
第二章数控系统组成原理
功能模块式结构是将CPU、存储器、输入输出控制分别做 成插件板（称为硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化 在硬件模块中。硬软件模块形成一个特定的功能单元，称为功 能模块。功能模块间有明确定义的接口，可以进行信息交换。
用户只要按需要选用各种单元母板及所需功能模板，再将各 功能模板插入控制单元母板的槽内，就搭成了自己需要的ＣＮ Ｃ系统。常见的功能模块有ＣＮＣ控制板、位置控制板、ＰＬ Ｃ板、图形板、通信板及主存储器模板等６种。
这种结构使设计简单，试制周期短，调整维护方便，效率 高。
第二章பைடு நூலகம்控系统组成原理
➢ 单机系统和多机系统
第二章数控系统组成原理
1）主从结构
主从结构指系统中只有一个CPU(通常称为主CPU)对系统 的资源(系统存储器，系统总线)有控制和使用权，而其他带有 CPU的功能部件，则无权控制和使用系统资源，它只能接受 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。也即一个CPU处于主导地位，其他CPU处于从 属地位的结构，称之为主从结构。
➢ 程序载体 及输入\输出装置
编好的数控程序，存放在便于输人到数控装置的一种存储载 体上，它可以是穿孔纸带、磁卡、磁盘等，采用哪一种存储载体， 取决于数控装置的设计类型。
输入装置将数控加工程序等各种信息输入到数控装置，输出 装置用于观察输入内容和数控系统的工作状态。常见的输入\输 出装置有键盘、软驱、RS232接口、USB接口、显示器、发光指 示器、操作控制面板等。
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，通过系统重组仍可继续 工作。
第二章数控系统组成原理
多主结构系统的形式有：共享总线结构型和共享存储器结构型。
➢ 数控装置
数控装置是数控机床的核心，它包括CPU、存储器、各种 Ｉ/Ｏ接口、通用输入输出（Ｉ/Ｏ）接口以及相应的软件。
数控装置接受输入装置送来的程序，进行编译、运算和逻辑 处理后，输出各种信号控制机床的各个部分进行相应的动作。这 些控制信号包括：各坐标轴的进给量、进给方向和速度的指令， 经伺服驱动系统驱动各执行部件运动；主运动部件的变速、换向 和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号；控制冷却、润滑 的启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度工作台转位等辅助指 令信号等。
第二章数控系统组成原理
➢ 可编程程序控制器（PLC）
主要作用是接收数控装置输出的主运动变速、刀具选择 交换、辅助装置动作等指令信号，经必要的编译、逻辑判断、 功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件， 以完成指令所规定的动作，此外还有行程开关和监控检测等 开关信号也要经过PLC送到数控装置进行处理。
从硬件的体系结构来看，单机系统与主从结构极其相似， 因为主从结构的从CPU模块与单机结构中相应模块在功能上 是等价的，只是从模块的能力更强而已，因此通常将单机系统 与主从结构系统归为一类。
第二章数控系统组成原理
图2.3 单机或主从结构系统
第二章数控系统组成原理
2）多主结构系统
系统中有两个或两个以上的带CPU的功能部件，它们对系统 资源都有控制或使用权。功能部件之间采用紧耦合，有集中的操 作系统，通过总线仲裁器(软件和硬件)来解决争用总线问题，通 过公共存储器来交换系统信息。
第二章 数控系统组成原理
第二章数控系统组成原理
主要内容
计算机数控系统 插补原理及方法 位置检测装置 进给伺服功能 辅助控制系统与PLC 数控机床主轴驱动与控制 加工程序输入及预处理
第二章数控系统组成原理
1、计算机数控系统
数控机床的组成
图2.1 数控机床的组成
第二章数控系统组成原理
将PLC装在数控装置以外，称为独立式PLC；将PLC与 数控装置合为一体，称为内装型PLC。
第二章数控系统组成原理
➢ 伺服系统及位置检测装置
伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置（电机）组 成，与机床上的传动和执行部件组成进给系统。每个作进给运 动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。
在半闭环和闭环伺服驱动系统中，还得使用位置检测装置， 间接或直接测量执行部件的实际进给位移，与指令位移进行比 较，纠正所产生的误差。
第二章数控系统组成原理
➢ 机床的机械部件
包括：主运动部件，进给运动执行部件如工作台、拖板 及其传动部件和床身立柱等支承部件，此外，还有冷却、润 滑、排屑、转位和夹紧等辅助装置。
对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交 换刀具的机械手等部件。
与普通机床相比，数控机床传动结构要求更为简单，在 精度、刚度、抗震性等方面要求更高，传动装置的间隙要求 尽可能小，滑动面的摩擦因数要小，并要有恰当的阻尼，以 满足高定位精度和良好控制性能的要求。
第二章数控系统组成原理
计算机数控系统硬件典型结构
➢ 大板式结构和功能模块式结构
按印刷电路板的插接方式进行划分
➢ 单机结构和多机结构
按CPU的个数划分
➢ 封闭式结构和软件开放式结构
按开放性划分
第二章数控系统组成原理
➢ 大板式结构和功能模块式结构
大板式结构的特点是, 一个系统一般都有一块大板，称 为主板。主板上装有CPU、内存、基本轴的位置控制电路 等。其他相关的子板（完成一定功能的电路板），如ROM 板、零件程序存储器板和PLC板都直接插在主板上面，组 成CNC系统的核心部分。
单机系统指整个CNC系统只有一个CPU，它采用集中控制 和分时处理的方式来实现各种数控功能。其优点：投资小，结 构简单，易于实现。但系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻 址能力和运算速度等因素的限制。现在这种结构已被多机系统 的主从结构所取代。
多机系统是指整个CNC系统中有两个或两个以上的CPU， 也就是系统中的某些功能模块自身也带有CPU，根据这些CPU 间的相互关系的不同又可将其分为：主从结构系统，多主结构 系统和分布式结构系统。
大板式结构紧凑，体积小，可靠性高，价格低，有很 高的性价比，也便于机床的一体化设计，但它的硬件功能 不易变动，不利于组织生产。
第二章数控系统组成原理
图2.2 大板式结构示意图
第二章数控系统组成原理
功能模块式结构是将CPU、存储器、输入输出控制分别做 成插件板（称为硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化 在硬件模块中。硬软件模块形成一个特定的功能单元，称为功 能模块。功能模块间有明确定义的接口，可以进行信息交换。
用户只要按需要选用各种单元母板及所需功能模板，再将各 功能模板插入控制单元母板的槽内，就搭成了自己需要的ＣＮ Ｃ系统。常见的功能模块有ＣＮＣ控制板、位置控制板、ＰＬ Ｃ板、图形板、通信板及主存储器模板等６种。
这种结构使设计简单，试制周期短，调整维护方便，效率 高。
第二章பைடு நூலகம்控系统组成原理
➢ 单机系统和多机系统
第二章数控系统组成原理
1）主从结构
主从结构指系统中只有一个CPU(通常称为主CPU)对系统 的资源(系统存储器，系统总线)有控制和使用权，而其他带有 CPU的功能部件，则无权控制和使用系统资源，它只能接受 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。也即一个CPU处于主导地位，其他CPU处于从 属地位的结构，称之为主从结构。
➢ 程序载体 及输入\输出装置
编好的数控程序，存放在便于输人到数控装置的一种存储载 体上，它可以是穿孔纸带、磁卡、磁盘等，采用哪一种存储载体， 取决于数控装置的设计类型。
输入装置将数控加工程序等各种信息输入到数控装置，输出 装置用于观察输入内容和数控系统的工作状态。常见的输入\输 出装置有键盘、软驱、RS232接口、USB接口、显示器、发光指 示器、操作控制面板等。
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，通过系统重组仍可继续 工作。
第二章数控系统组成原理
多主结构系统的形式有：共享总线结构型和共享存储器结构型。