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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）

负载为指示灯的典型信号输出电路（如P157图4.2.10）

负载为继电器线圈的典型信号输出电路（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）

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。

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。

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

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

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）

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

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）

（二）多微处理机CNC装置结构的特点 1、计算处理速度高 2、可靠性高 3、有良好的适应性和可扩展性 4、硬件易于组织规模生产 三、点位直线控制的数控装置的结构 （一）点位直线控制的一般概念 点位控制：由点位控制与直线控制都有点位控制机能，以及它们在控制线路上的相似，经常把它们统称为点位控制。

（二）点位、直线数控系统数控装置的结构（如P167图4.2.22）