cnc裝置硬件結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)
cnc裝置硬件結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)
你們知道CNC中的硬件裝置結(jié)果的主要特點(diǎn)是什么嗎?下面是學(xué)習(xí)啦小編帶來的關(guān)于cnc裝置硬件結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)的內(nèi)容，歡迎閱讀!
cnc裝置硬件結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)?
CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)
一、概述
CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)，按CPU的多少來分，分為單機(jī)系統(tǒng)和多機(jī)系統(tǒng)。
1. 單機(jī)系統(tǒng)：整個(gè)CNC裝置只有一個(gè)CPU，它集中控制和治理整個(gè)系統(tǒng)資源通過分時(shí)處理的方式來實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功能。
優(yōu)點(diǎn)：投資少、結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)。
缺點(diǎn)：功能受CPU字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度的限制。
2. 多機(jī)系統(tǒng)：CNC裝置中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU。根據(jù)CPU間的相互關(guān)系不同，又可分為：
(1)主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。系統(tǒng)中只有一個(gè)CPU(主CPU)對系統(tǒng)資源(存儲(chǔ)器、總線)有控制和使用權(quán)，而其他CPU的功能部件(智能部件)，其CPU無權(quán)控制和使用系統(tǒng)資源，只能接受主CPU的控制命令或數(shù)據(jù)，或向CPU發(fā)出請求信息以獲得所需數(shù)據(jù)。是一個(gè)CPU處于主導(dǎo)地位，其他CPU處于從屬地位的結(jié)構(gòu)。
(2)多主結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。系統(tǒng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的帶有CPU的功能部件對系統(tǒng)資源有控制和使用權(quán)。功能部件采用緊偶合(掛在同一系統(tǒng)總線，集中在一個(gè)機(jī)箱內(nèi))，有集中的操縱系統(tǒng)，通過總線仲裁器(軟件、硬件)來解決爭用總線題目，通過公用存儲(chǔ)器來交換信息。
(3)分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。系統(tǒng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的帶有CPU的功能模塊，每個(gè)模塊都有自己獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境(總線、存儲(chǔ)器、操縱系統(tǒng))，模塊之間采用松偶合，在空間上可較為分散，采用通訊方式交換信息。
從硬件體系結(jié)構(gòu)看，單機(jī)結(jié)構(gòu)與主從結(jié)構(gòu)極其相似，CPU模塊與單機(jī)結(jié)構(gòu)中的功能模塊是等價(jià)的，只是功能更強(qiáng)而已。所以，稱單機(jī)結(jié)構(gòu)和主從結(jié)構(gòu)為單主結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。
二、單機(jī)或主結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹
圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖
圖1為其硬件結(jié)構(gòu)框圖。這類CNC裝置的硬件是由若干功能不同的模塊組成，各模塊既是系統(tǒng)的組成部分，又有相對的獨(dú)立性，屬模塊化結(jié)構(gòu)。
模塊化設(shè)計(jì)方法：將控制系統(tǒng)按功能劃分成若干種具有獨(dú)立功能的單元模塊。每個(gè)模塊配上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件。按功能的要求選擇不同的功能模塊，將其插進(jìn)控制單元母板上，就組成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。單元母板一般為總線結(jié)構(gòu)的無源母板，它提供模塊間互聯(lián)的信號通道。
下面介紹CNC裝置中各硬件模塊的作用。
(一) 計(jì)算機(jī)主板和系統(tǒng)總線(母板)
1. 計(jì)算機(jī)主板
它是CNC裝置的核心。目前CNC裝置普遍采用基于PC機(jī)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，即CNC裝置的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在功能上完全與標(biāo)準(zhǔn)的PC機(jī)一樣，各硬件模塊均與PC機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)兼容。其目的是利用PC機(jī)豐富的軟件和硬件OEM資源。這樣進(jìn)步系統(tǒng)的適應(yīng)性、開放性，降低價(jià)格，縮短開發(fā)周期。
在結(jié)構(gòu)上CNC裝置的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與PC機(jī)略有不同。主板與系統(tǒng)總線分離，總線是無源母板，主板做成插卡形式，集成度更高：ALL-IN-ONE主板。
包括一下功能結(jié)構(gòu)：
(1) CPU芯片及其外圍芯片;
(2) 內(nèi)存單元、cache及其外圍芯片;
(3) 通訊接口(串口、并口、鍵盤接口);
(4) 軟、硬驅(qū)動(dòng)器接口。
作用：對輸進(jìn)到CNC裝置中的各種數(shù)據(jù)、信息(零件加工程序、各種 I/O信息)進(jìn)行相應(yīng)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。并根據(jù)處理結(jié)果，向其它功能模塊發(fā)出控制命令、傳送數(shù)據(jù)，是用戶指令得以執(zhí)行。
2. 系統(tǒng)總線
有一組傳送數(shù)字信息的物理導(dǎo)線組成。是計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的通道，從功能上分三組：
(1)數(shù)據(jù)總線：各模塊間數(shù)據(jù)交換的通道。線的根數(shù)與數(shù)據(jù)寬度相等。是雙向總線。
(2)地址總線：是傳送數(shù)據(jù)存放地址的總線。與數(shù)據(jù)總線結(jié)合，可確定數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)的來源地和目的地。單向總線。
(3)控制總線：是一組傳送治理或控制信號的總線(數(shù)據(jù)的讀、寫、控制，中斷、復(fù)位、I/O讀寫及各種確認(rèn)信號等)。單向總線。
(二) 顯示模塊(顯示卡)
是通用性很強(qiáng)的模塊，有VGA卡、SVGA卡，早期有：CGA、EGA等。無需用戶自己開發(fā)。
作用：接受來自CPU的控制命令和顯示用的數(shù)據(jù)，經(jīng)與CRT的掃瞄信號調(diào)制后，產(chǎn)生CRT所需要的視頻信號。
(三) 輸進(jìn)/輸出模塊(多功能卡)
該模塊也是標(biāo)準(zhǔn)的PC機(jī)模塊，無需用戶自己開發(fā)。這個(gè)模塊是CNC裝置與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的接口板。通過該接口，從外部輸進(jìn)設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，也將數(shù)據(jù)輸送給外部設(shè)備。
輸進(jìn)設(shè)備：紙帶閱讀機(jī);
輸出設(shè)備：打印機(jī)、紙帶穿孔機(jī);
輸進(jìn)/輸出設(shè)備：磁盤驅(qū)動(dòng)器、錄音機(jī)、磁帶機(jī);
通訊接口：RS232。
ALL-IN-ONE主板可省略此板。
以上三部分，配上鍵盤、電源、機(jī)箱，就是通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它是CNC裝置的核心，確定其檔次和性能。
(四)電子盤(存儲(chǔ)模塊)
電子盤是CNC裝置特有的存儲(chǔ)模塊，存放一下數(shù)據(jù)和參數(shù)：
(1)系統(tǒng)軟件和固有數(shù)據(jù)。
(2)系統(tǒng)的配置參數(shù)(進(jìn)給軸數(shù)、軸的定義、系統(tǒng)增益等)
(3)用戶的零件加工程序
目前存儲(chǔ)器件有三類：
(1)磁性存儲(chǔ)器件：軟、硬磁盤，可隨機(jī)讀寫。
(2)光存貯器件：光盤。
(3)半導(dǎo)體(電子)存貯器件：RAM、ROM、FLASH等。
前兩類一般作外存儲(chǔ)器，容量大、價(jià)格低，電子存貯器件一般作內(nèi)存儲(chǔ)器。電子存儲(chǔ)器件一般用作內(nèi)存儲(chǔ)器。
按其讀寫性能，可分為三類：
(1) 只讀存儲(chǔ)元件(ROM、PROM、EPROM)：特點(diǎn)是只能讀出其存放的數(shù)據(jù)，而不能隨時(shí)修改它。用于固化系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)固有的參數(shù)。
(2)易失性隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)元件(RAM)：特點(diǎn)是可隨時(shí)進(jìn)行讀寫操縱，但掉電其存儲(chǔ)信息將全部丟失。主要用作計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的緩寸器cache。
(3)非易失性讀寫存儲(chǔ)元件(E2PROM、FLASH、帶后備電池的RAM)：特點(diǎn)是可隨時(shí)進(jìn)行讀寫操縱，且掉電其存儲(chǔ)信息也不會(huì)丟失。用于存放系統(tǒng)的配置參數(shù)、零件加工程序。
CNC裝置常用電子存儲(chǔ)器件作為外存儲(chǔ)器，而不采用磁性存儲(chǔ)器件。由于CNC裝置的工作環(huán)境有可能受電磁干擾，用磁性存儲(chǔ)器件可靠性低，電子存儲(chǔ)器件抗電磁干擾能力強(qiáng)些。
由電子存儲(chǔ)器件組成的存儲(chǔ)單元是按磁盤治理方式進(jìn)行治理的，故稱作電子盤。
(五)設(shè)備輔助控制接口模塊
CNC裝置對機(jī)床的加工控制有兩類：
一是對機(jī)床各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)速度和位置的控制，即軌跡控制。是實(shí)現(xiàn)G指令所規(guī)定的運(yùn)動(dòng)。
二是對機(jī)床的諸如主軸的啟停、換向，更換刀具，工件的夾緊、松開，液壓、冷卻、潤滑系統(tǒng)的運(yùn)行等進(jìn)行控制。這是根據(jù)CNC內(nèi)部和機(jī)床各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等開關(guān)量信號狀態(tài)，按預(yù)先規(guī)定的邏輯順序所進(jìn)行的控制，即順序控制。是實(shí)現(xiàn)M指令規(guī)定的動(dòng)作。
設(shè)備輔助控制接口模塊就是實(shí)現(xiàn)順序控制的模塊。
CNC裝置要對機(jī)床的輔助動(dòng)作進(jìn)行順序控制，一要接受來自機(jī)床上的外部信號(行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等);二是要用產(chǎn)生的指令往驅(qū)動(dòng)相應(yīng)器件實(shí)現(xiàn)輔助動(dòng)作。但CNC裝置既不能直接接受來自機(jī)床外部的信號，由于這些信號在形式、電平與CNC能接受的信號不匹配，而且還會(huì)夾帶干擾信號;又不能直接驅(qū)動(dòng)輔助動(dòng)作執(zhí)行器件，由于CNC的輸出指令在形式、電平、功率也不能滿足執(zhí)行器件的輸進(jìn)要求。所以，需要有一個(gè)信號的轉(zhuǎn)換接口，這就是設(shè)備輔助控制接口模塊。該模塊的作用是：
(1)對CNC的輸進(jìn)輸出信號進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，包括輸電平轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、數(shù)/脈轉(zhuǎn)換、功率匹配轉(zhuǎn)換。
(2)阻斷外部干擾信號進(jìn)進(jìn)CNC計(jì)算機(jī)，在電氣上將CNC與外部信號隔離。
所要轉(zhuǎn)換的信號有三類：開關(guān)量、模擬量和脈沖量。
圖2 PMC模塊硬件邏輯框圖
設(shè)備輔助控制接口的實(shí)現(xiàn)方式主要有：
(1)簡單I/O接口板。圖2，光電隔離器件起電器隔離和電平轉(zhuǎn)換作用;調(diào)理電路對輸進(jìn)信號進(jìn)行整形、濾波處理。
(2)PLC控制：
一類是內(nèi)裝型PLC，與CNC綜合起來設(shè)計(jì)的，是CNC張只的一部分，與CNC的信息交換在CNC內(nèi)部進(jìn)行，不能獨(dú)立工作?？膳cCNC共用一個(gè)CPU，也可以單獨(dú)的CPU。由于CNC的功能與PLC的功能在設(shè)計(jì)時(shí)同一考慮，PLC的硬、軟件整體結(jié)構(gòu)公道，實(shí)用、性價(jià)比高。適用與類型變換不大的數(shù)機(jī)床。由于PLC與CNC連線較少且信息能CNC的顯示器顯示，十PLC編程更方便、故障診斷功能有進(jìn)步，進(jìn)步CNC系統(tǒng)的可靠性。
另一類是獨(dú)立型PLC，由專業(yè)話生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的PLC來實(shí)現(xiàn)順序控制;獨(dú)立于CNC，具有完整的硬、軟件功能，能獨(dú)立完成控制任務(wù)。選型時(shí)主要考慮：輸進(jìn)/輸出信號接口技術(shù)規(guī)范、輸進(jìn)/輸出點(diǎn)數(shù)、程序存儲(chǔ)容量、運(yùn)算和控制功能等。生產(chǎn)廠家多，選擇余地大，功能擴(kuò)張比較方便。
(六) 位置控制模塊
位置控制模塊是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是CNC與伺服系統(tǒng)連接的接口。作用是：接受CNC插補(bǔ)運(yùn)算后輸出的位置指令，經(jīng)相應(yīng)調(diào)節(jié)運(yùn)算，輸出速度控制指令，然后進(jìn)行相應(yīng)的變換后，輸出速度指令電壓給速度控制單元，往控制伺服電機(jī)運(yùn)行;對于閉環(huán)和半閉環(huán)控制，還要回收實(shí)際位置和實(shí)際速度信號，供位置和速度閉環(huán)控制使用。常用的位置控制模塊有如下類型：
1. 開環(huán)位置控制模
圖3 PLC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
如圖3所示，數(shù)字/脈沖變換的功能是將CNC送來的進(jìn)給指令(數(shù)字量)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率(與進(jìn)給速度相適應(yīng))的指令脈沖量(具有記數(shù)器功能的芯片實(shí)現(xiàn));脈沖整形的功能是調(diào)整輸出脈沖的占空比，進(jìn)步脈沖波形的質(zhì)量(由D觸發(fā)器和相應(yīng)的門電路組成);環(huán)行分配器的功能是將指令脈沖，按步進(jìn)電機(jī)要求的通電方式進(jìn)行分配使之按規(guī)定的方式通電和斷電，從而控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
2. 閉環(huán)位置控制模塊
閉環(huán)位置控制模塊由三部分組成：
速度指令轉(zhuǎn)換部分：由鎖存器、光電隔離器、D/A轉(zhuǎn)換器和方向控制與功率放大組成。鎖存器接受來自CPU計(jì)算的速度指令值并進(jìn)行鎖存，該數(shù)據(jù)經(jīng)光電隔離器進(jìn)行電氣隔離，由D/A轉(zhuǎn)換器將速度指令值這一數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，再經(jīng)功率放大后得到速度指令電壓，由它控制進(jìn)給速度的大小。方向控制電路控制進(jìn)給速度的方向。
位置反饋脈沖回收部分：由幅值比較電路、倍頻電路、展寬選通電路、光電隔離器和記數(shù)器組成。幅值比較電路接受來自光電脈沖編碼盤的三組脈沖信號，輸出A、B、C三相脈沖。作用是：改善脈沖波形前沿，濾掉干擾信號。A、B兩相脈沖輸進(jìn)到四倍頻器，從CK端輸出波形頻率是A、B的四倍的信號，從Q端輸出電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的信號(當(dāng)A超前B，電機(jī)正轉(zhuǎn)，Q=0，反之，Q=1)，作為方向選通訊號。CK端輸出的脈沖經(jīng)展寬電路后，送進(jìn)選通電路，該電路將根據(jù)Q的極性分別將反饋脈沖送進(jìn)正向計(jì)數(shù)器或負(fù)向計(jì)數(shù)器;經(jīng)光電隔離后，計(jì)數(shù)器對反饋脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，CPU則定時(shí)從計(jì)數(shù)器讀取計(jì)數(shù)值。經(jīng)運(yùn)算處理得電機(jī)的實(shí)際位移。
速度反饋電壓轉(zhuǎn)換部分：由四倍頻器CK端輸出的脈沖頻率正比于電機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用線性的頻率/電壓轉(zhuǎn)換(F/V變換)電路將該脈沖信號轉(zhuǎn)換成正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓信號，經(jīng)方向控制和功率放大電路變換，獲得帶極性的速度反饋電壓信號。
(七) 功能接口模塊
實(shí)現(xiàn)用戶特定要求的接口板。如：仿形控制器、刀具監(jiān)控系統(tǒng)中的信號采集器等。
三、多主結(jié)構(gòu)的CNC裝置硬件簡介
多主CPU結(jié)構(gòu)，有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU部件，且對系統(tǒng)資源有使用控制權(quán)，部件之間采用緊偶合，有集中的操縱系統(tǒng)，通過總線仲裁器來解決總線爭用題目，通過公共存儲(chǔ)器來進(jìn)行信息交換。
特點(diǎn)：并行處理、處理速度快、可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng)功能。容錯(cuò)能力強(qiáng)。
多主CNC裝置的信息交換方式?jīng)Q定其結(jié)構(gòu)形式：
(一) 共享總線結(jié)構(gòu)
以系統(tǒng)總線為中心，把CNC裝置內(nèi)各功能模塊劃分成帶有CPU或DMA(直接數(shù)據(jù)存取控制器)的各種主模塊和從模塊(RAM/ROM、I/O模塊)，所有主從模塊都插在嚴(yán)格定義的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線上，由于所有主模塊都有權(quán)使用系統(tǒng)總線，而在任何時(shí)刻只能答應(yīng)一個(gè)主模塊占用總線，因此。有一個(gè)總線仲裁機(jī)構(gòu)來裁定多個(gè)模塊同時(shí)請求使用系統(tǒng)總線的競爭題目。
共享總線結(jié)構(gòu)的典型代表是FANUC 15系統(tǒng)。
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)組配靈活、本錢相對較底、可靠性高。
缺點(diǎn)：由于系統(tǒng)總線是“瓶頸”，一旦總線出故障，整個(gè)系統(tǒng)受影響。由于使用總線要經(jīng)仲裁，使信息傳輸率降低。
(二) 共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)
采用多端口存儲(chǔ)器作為公共存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)各主模塊之間的互連和通訊。由于同一時(shí)刻只能答應(yīng)有一個(gè)主模塊對多端口存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問，所以，有一套多端口控制邏輯來解決訪問沖突。
由于多端口存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)較復(fù)雜，且端口多還會(huì)因爭用存儲(chǔ)器造傳輸信息阻塞，故一般采用雙端口存儲(chǔ)器。
美國GE公司的MTC1-CNC采用的就是共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。共有三個(gè)CPU：中心CPU負(fù)責(zé)數(shù)控程序的編輯、譯碼、刀具和機(jī)床參數(shù)的輸進(jìn);顯示CPU把CPU的指令和顯示數(shù)據(jù)送到視頻電路顯示，定時(shí)掃描鍵盤和倍率開關(guān)狀態(tài)并送CPU進(jìn)行處理。插補(bǔ)CPU完成插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、I/O控制和RS232C通訊等任務(wù)。中心CPU與顯示CPU和插補(bǔ)CPU之間各有512字節(jié)的公用存儲(chǔ)器用于信息交換。