【正文】 第二章 數(shù)控系統(tǒng)組成原理主要內(nèi)容u 計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)u 插補(bǔ)原理及方法u 位置檢測裝置u 進(jìn)給伺服功能u 輔助控制系統(tǒng)與 PLCu 數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動與控制u 加工程序輸入及預(yù)處理 計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)n 數(shù)控機(jī)床的組成圖 數(shù)控機(jī)床的組成 216。 程序載體 及輸入 \輸出裝置 編好的數(shù)控程序，存放在便于輸人到數(shù)控裝置的一種存儲載體上，它可以是穿孔紙帶、磁卡、磁盤等，采用哪一種存儲載體，取決于數(shù)控裝置的設(shè)計類型。 輸入裝置將數(shù)控加工程序等各種信息輸入到數(shù)控裝置，輸出裝置用于觀察輸入內(nèi)容和數(shù)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。常見的輸入 \輸出裝置有鍵盤、軟驅(qū)、 RS232接口、 USB接口、顯示器、發(fā)光指示器、操作控制面板等。216。 數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，它包括 CPU、存儲器、各種Ｉ /Ｏ接口、通用輸入輸出（Ｉ /Ｏ）接口以及相應(yīng)的軟件。 數(shù)控裝置接受輸入裝置送來的程序，進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種信號控制機(jī)床的各個部分進(jìn)行相應(yīng)的動作。這些控制信號包括：各坐標(biāo)軸的進(jìn)給量、進(jìn)給方向和速度的指令，經(jīng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動各執(zhí)行部件運(yùn)動；主運(yùn)動部件的變速、換向和啟停信號；選擇和交換刀具的刀具指令信號；控制冷卻、潤滑的啟停、工件和機(jī)床部件松開、夾緊、分度工作臺轉(zhuǎn)位等輔助指令信號等。 216。 可編程程序控制器（ PLC） 主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的主運(yùn)動變速、刀具選擇交換、輔助裝置動作等指令信號，經(jīng)必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅(qū)動相應(yīng)的電器、液壓、氣動和機(jī)械部件，以完成指令所規(guī)定的動作，此外還有行程開關(guān)和監(jiān)控檢測等開關(guān)信號也要經(jīng)過 PLC送到數(shù)控裝置進(jìn)行處理。 將 PLC裝在數(shù)控裝置以外，稱為獨(dú)立式 PLC；將 PLC與數(shù)控裝置合為一體，稱為內(nèi)裝型 PLC。216。 伺服系統(tǒng)及位置檢測裝置 伺服驅(qū)動系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電路和伺服驅(qū)動裝置（電機(jī)）組成，與機(jī)床上的傳動和執(zhí)行部件組成進(jìn)給系統(tǒng)。每個作進(jìn)給運(yùn)動的執(zhí)行部件，都配有一套伺服驅(qū)動系統(tǒng)。 在半閉環(huán)和閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，還得使用位置檢測裝置，間接或直接測量執(zhí)行部件的實(shí)際進(jìn)給位移，與指令位移進(jìn)行比較，糾正所產(chǎn)生的誤差。216。 機(jī)床的機(jī)械部件 包括：主運(yùn)動部件，進(jìn)給運(yùn)動執(zhí)行部件如工作臺、拖板及其傳動部件和床身立柱等支承部件，此外，還有冷卻、潤滑、排屑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置。 對于加工中心類的數(shù)控機(jī)床，還有存放刀具的刀庫、交換刀具的機(jī)械手等部件。 與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床傳動結(jié)構(gòu)要求更為簡單，在精度、剛度、抗震性等方面要求更高，傳動裝置的間隙要求盡可能小，滑動面的摩擦因數(shù)要小，并要有恰當(dāng)?shù)淖枘?，以滿足高定位精度和良好控制性能的要求。? 計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件典型結(jié)構(gòu)216。 大板式結(jié)構(gòu)和功能模塊式結(jié)構(gòu) 按印刷電路板的插接方式進(jìn)行劃分216。 單機(jī)結(jié)構(gòu)和多機(jī)結(jié)構(gòu) 按 CPU的個數(shù)劃分216。 封閉式結(jié)構(gòu)和軟件開放式結(jié)構(gòu) 按開放性劃分216。 大板式結(jié)構(gòu)和功能模塊式結(jié)構(gòu) 大板式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是 , 一個系統(tǒng)一般都有一塊大板，稱為主板。主板上裝有 CPU、內(nèi)存、基本軸的位置控制電路等。其他相關(guān)的子板（完成一定功能的電路板），如 ROM板、零件程序存儲器板和 PLC板都直接插在主板上面，組成 CNC系統(tǒng)的核心部分。 大板式結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，可靠性高，價格低，有很高的性價比，也便于機(jī)床的一體化設(shè)計，但它的硬件功能不易變動，不利于組織生產(chǎn)。 圖 大板式結(jié)構(gòu)示意圖 功能模塊式結(jié)構(gòu)是將 CPU、存儲器、輸入輸出控制分別做成插件板（稱為硬件模塊），相應(yīng)的軟件也是模塊結(jié)構(gòu)，固化在硬件模塊中。硬軟件模塊形成一個特定的功能單元，稱為功能模塊。功能模塊間有明確定義的接口，可以進(jìn)行信息交換。 用戶只要按需要選用各種單元母板及所需功能模板，再將各功能模板插入控制單元母板的槽內(nèi)，就搭成了自己需要的ＣＮＣ系統(tǒng)。常見的功能模塊有ＣＮＣ控制板、位置控制板、ＰＬＣ板、圖形板、通信板及主存儲器模板等６種。 這種結(jié)構(gòu)使設(shè)計簡單，試制周期短，調(diào)整維護(hù)方便，效率高。216。 單機(jī)系統(tǒng)和多機(jī)系統(tǒng) 單機(jī)系統(tǒng)指整個 CNC系統(tǒng)只有一個 CPU，它采用集中控制和分時處理的方式來實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功能。其優(yōu)點(diǎn)：投資小，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。但系統(tǒng)功能受到 CPU字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度等因素的限制。現(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)已被多機(jī)系統(tǒng)的主從結(jié)構(gòu)所取代。 多機(jī)系統(tǒng)是指整個 CNC系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的 CPU，也就是系統(tǒng)中的某些功能模塊自身也帶有 CPU，根據(jù)這些 CPU間的相互關(guān)系的不同又可將其分為：主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，多主結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。1）主從結(jié)構(gòu) 主從結(jié)構(gòu)指系統(tǒng)中只有一個 CPU(通常稱為主 CPU)對系統(tǒng)的資源 (系統(tǒng)存儲器，系統(tǒng)總線 )有控制和使用權(quán)，而其他帶有CPU的功能部件，則無權(quán)控制和使用系統(tǒng)資源，它只能接受主 CPU的控制命令或數(shù)據(jù)，或向主 CPU發(fā)出請求信息以獲得所需的數(shù)據(jù)。也即一個 CPU處于主導(dǎo)地位，其他 CPU處于從屬地位的結(jié)構(gòu)，稱之為主從結(jié)構(gòu)。 從硬件的體系結(jié)構(gòu)來看，單機(jī)系統(tǒng)與主從結(jié)構(gòu)極其相似，因為主從結(jié)構(gòu)的從 CPU模塊與單機(jī)結(jié)構(gòu)中相應(yīng)模塊在功能上是等價的，只是從模塊的能力更強(qiáng)而已，因此通常將單機(jī)系統(tǒng)與主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)歸為一類。圖 單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)2）多主結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的帶 CPU的功能部件，它們對系統(tǒng)資源都有控制或使用權(quán)。功能部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過總線仲裁器 (軟件和硬件 )來解決爭用總線問題，通過公共存儲器來交換系統(tǒng)信息。特點(diǎn)： 能實(shí)現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng)功能。 容錯能力強(qiáng)，在某模塊出了故障后，通過系統(tǒng)重組仍可繼續(xù)工作。 多主結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的形式有：共享總線結(jié)構(gòu)型和共享存儲器結(jié)構(gòu)型。 共享總線結(jié)構(gòu)型以系統(tǒng)總線為中心，所有的主、從模塊都插在嚴(yán)格定義的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線上，由于在系統(tǒng)中多個 CPU都有權(quán)使用系統(tǒng)總線，而在任一時刻只能允許一個 CPU占用總線，因此，必須要有一個總線仲裁機(jī)構(gòu)來裁定多個 CPU同時請求使用系統(tǒng)總線的競爭問題，這是多主 CPU系統(tǒng)的一個重要特征。 優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)組配靈活、成本相對較低、可靠性高等。 缺點(diǎn)：總線是系統(tǒng)的 “瓶頸 ”，一旦系統(tǒng)總線出現(xiàn)故障，將使整個系統(tǒng)受到影響；由于使用總線要經(jīng)仲裁，使信息傳輸率降低。圖 FANUC l5 系統(tǒng) 系統(tǒng)總線為高速 32位總線 (FANUCBUS)，主 CPU為 Motorola的 68020(32位 )，在 PLC、軸控制、圖形控制、通信及自動編程等功能模塊中也都有各自的 CPU。 共享存儲器結(jié)構(gòu)型是面向公共存儲器來設(shè)計的，即采用多端口來實(shí)現(xiàn)各主模塊之間的互連和通信，同共享總線結(jié)構(gòu)一樣，該系統(tǒng)在同一時刻也只能允許有一 CPU對多端口存儲器進(jìn)行訪問 (讀／寫 )，所以也必須有一套多端口控制邏輯來解決訪問沖突這一矛盾 由于多端口存儲器設(shè)計較復(fù)雜，而且對兩個以上的 CPU，會因爭用存儲器可能造成存儲器傳輸信息的阻塞，所以這種結(jié)構(gòu)一般采用雙端口存儲器 (雙端口 RAM)。 圖 GE的 MTCl—CNC 系統(tǒng) 中央 CPU：數(shù)控程序的編輯、譯碼、刀具和機(jī)床參數(shù)的輸入； 顯示 CPU：把中央 CPU的指令和顯示數(shù)據(jù)送到視頻電路進(jìn)行顯示，定時掃描鍵盤和倍率開關(guān)狀態(tài)并送中央 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 RS232通信等任務(wù)，還向中央 CPU提供機(jī)床操作面板開關(guān)狀態(tài)及所需顯示的位置信息等。 三個 CPU之間各有 512個字節(jié)的公共存儲器用于交換信息。3）分布結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 系統(tǒng)有兩個或兩個以上的帶有 CPU的功能模塊，每個功能模塊有自己獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境 (系統(tǒng)總線、存儲器、操作系統(tǒng)等 )，功能模塊間采用松耦合，即在空間上可以較為分散，各模塊間采用通信方式交換信息。 早期的計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)都是單機(jī)系統(tǒng)，到了 20世紀(jì) 80年代中期，市場上已有多機(jī)系統(tǒng)的產(chǎn)品了，其中絕大部分是主從結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。目前多主結(jié)構(gòu)和分布結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，操作系統(tǒng)的設(shè)計較困難，加之主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能滿足數(shù)控加工的大多數(shù)要求，故這兩種結(jié)構(gòu)的 CNC系統(tǒng)較少。216。 封閉式結(jié)構(gòu)和軟件開放式結(jié)構(gòu) 封閉式結(jié)構(gòu)是早期普遍采用的結(jié)構(gòu)形式，目前在市場上還占有很大份額。 如： FANUCO， SIEMENS810， MITSUBISHIM50系列。 軟件開放式結(jié)構(gòu)包括三種類型： PC嵌入 NC式 如： FANUC18i\16i系列， SIEMENS840D系列等 NC 嵌入 PC式 如： PMACNC系統(tǒng)， MAZATROL640CNC系統(tǒng)等