CNC装置的硬件结构类型详解

数控装置是整个数控系统的核心，其硬件结构按CNC装置中各印制电路板的插接方式可以分为大板式结构和功能模块式结构，按CNC装置中微处理器的个数可以分为单微处理器和多微处理器结构，按CNC装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和个人计算机式结构；按CNC装置的开放程度又可分为封闭式结构、PC嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型开放式结构。

1.大板式结构和功能模块式结构

按CNC装置中各印刷电路板的插接方式，数控系统的硬件结构可以分为大板式和功能模块式。

（1）大板式结构

大板式结构CNC系统的CNC装置可由主印制电路板、位置控制板、PLC板、图形控制板和电源单元等组成。主印制电路板是大印制电路板，其他电路是小印制电路板，它们插在大印制电路板上的插槽内而共同构成CNC装置。图4-4为大板式结构示意图。

图4-4 大板式结构示意图

图4-5 FANUC CNC 6MB框图

FANUC CNC 6MB就采用这种大板式结构，其框图如图4-5所示。图中主印制电路板（大印制电路板）上有控制核心电路、位置控制电路、纸带阅读机接口、三个轴的位置反馈量输入接口和速度控制量输出接口、手摇脉冲发生器接口、I/O控制板接口和六个小印制电路板的插槽。控制核心电路为微机基本系统，由CPU、存储器、定时和中断控制电路组成，存储器包括ROM和RAM，ROM（常用EPROM）用于固化数控系统软件，RAM存放可变数据，如堆栈数据和控制软件暂存数据，对数控加工程序和系统参数等可变数据存储区域应具有掉电保护功能，如磁泡存储器和带电池的RAM，从而当主电源不供电时，能保持其信息不丢失。六个插槽内分别可插入用于保存数控加工程序的磁泡存储器板、附加轴控制板、CRT显示控制和I/O接口、扩展存储器（ROM）板、可编程序控制器PMC板、及当位置反馈传感元件采用旋转变压器或感应同步器控制板。

（2）功能模块式结构

在采用功能模块式结构的CNC装置中，将整个CNC装置按功能划分为模块，硬件和软件的设计都采用模块化设计方法，即每一个功能模块被做成尺寸相同的印制电路板（称功能模板），相应功能模块的控制软件也模块化。这样形成了一个所谓的交钥匙CNC系统产品系列，用户只要按需要选用各种控制单元母板及所需功能模板，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CNC系统的控制装置。常见的功能模板有CNC控制板、位置控制板、PLC板、图形板和通信板等。例如，一种功能模块式结构的全功能型车床数控系统框图如图4-6所示，系统由CPU板、扩展存储器板、显示控制板、手轮接口板、键盘和录音机板、强电输出板、伺服接口板和三块轴反馈板共11块板组成，连接各模块的总线可按需选用各种工业标准总线，如工业PC总线、STD总线等。FANUC系统15系列就采用了功能模块化式结构。

2.单微处理器结构和多微处理器结构

（1）单微处理器结构 单微处理器结构只有一个微处理器，以集中控制，分时处理数控的各个任务。而有的CNC系统虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制系统总线，占有总线资源；而其他微处理器成为专用的智能部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器。它们组成主从型结构，也被归于单微处理器结构。图4-3给出的即是单微处理器结构框图。单微处理器结构的CNC系统具有如下一些特点：

1）CNC系统内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等功能都由它集中控制分时处理。

2）微处理器通过总线与存储、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC系统。

3）结构简单，容易实现。

4）单微处理器因为只有一个微处理器集中控制，其功能将受到微处理器字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。由于插补等功能由软件来实现，因此数控功能的实现与处理速度成为一对矛盾。

（2）多微处理器结构 若在一个系统中有两个或两个以上微处理器，则该系统称多微处理器型结构。多微处理器结构中各微处理器之间采用紧耦合，资源共享，有集中的操作系统，甚至有两个或两个以上的微处理器构成的功能模块，模块之间采用松耦合多重操作系有效地实现并行处理。目前使用的多微处理器CNC装置多为模块化结构，通常采用共享总线和共享存储器两种结构实现模块间的互联与通信。

多微处理器CNC装置多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。由于采用模块化结构，可以采取积木方式组成CNC装置，因此具有良好的适应性和扩展性，且结构紧凑。由于插件模块更换方便，因此可使故障对系统的影响降到最低程度。与单微处理器CNC装置相比，多微处理器CNC装置的运算速度有了很大的提高，它更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。

模块化结构的多微处理器CNC装置中的基本功能模块一般有以下六种。进一步扩充功能，可增加相应的模块。

图4-6 功能模块式结构的全功能型车床数控系统框图

1）CNC管理模块。管理和组织整个CNC系统的工作，主要包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软硬件诊断等功能。

2）CNC插补模块。完成插补前的预处理，如对零件加工程序的译码、刀具半径补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等；进行插补计算，为各个坐标提供位置给定值。

3）位置控制模块。进行位置给定值与检测器测得的位置实际值的比较，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，驱动进给电动机。

4）存储器模块。该模块为程序和数据的主存储器，或为功能模块间进行数据传送的共享存储器。

5）PLC模块。对零件加工程序中的开关功能和来自机床的信号进行逻辑处理，实现机床电气设备的起、停，刀具交换，转台分度，加工零件和机床运转时间的计数，及各功能和操作方式间的联锁控制等。

6）指令、数据的输入输出及显示模块。它包括零件加工程序、参数和数据，各种操作命令的输入输出及显示所需要的各种接口电路，如磁带阅读机接口、穿孔机和电传机接口、打印机接口、键盘和CRT接口、通信接口等。

多微处理器CNC装置各模块之间的互联和通信主要采用共享总线和共享存储器两类结构。

1）共享总线结构。将各功能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。可采用的总线有STD bus（支持8位和16位字长），Multi bus（I型支持16位字长，Ⅱ型支持32位字长），S100 bus（支持16位字长），VERSA bus（支持32位字长），VME bus（支持32位字长）及CAN bus和CPCI等。

在共享总线的结构中，挂在总线上的功能模块分为带有CPU或DMA器件的主模块和不带CPU或DMA器件的从模块（如各种RAM/EPROM模块、I/O模块等），只有主模块才有权控制使用总线。而且某一时刻只能由一个主模块占有总线。在共享总线结构中，必须解决多个主模块同时请求使用总线的竞争问题。为此必须要有仲裁机构，当多个主模块争用总线时，判别出其优先权的高低。通常采用两种裁决方式：串行裁决方式和并行裁决方式。(www.xing528.com)

在串行总线裁决方式中，由各主模块的链接位置来决定其优先权。某个主模块只有在前面优先权更高的主模块释放总线后，才能使用总线，同时通知它后面优先权较低的主模块不得使用总线。在并行总线裁决方式中，通常采用由优先权编码器和译码器等组成的专门逻辑电路来解决各主模块使用总线优先权的判别问题。

在共享总线结构中，多采用公共存储器方式进行各模块之间的信息交换。公共存储器直接挂在系统总线上，各主模块都能访问，可供任意两个主模块交换信息。共享总线结构框图如图4-7所示。

共享总线结构系统配置灵活，结构简单，容易实现，无源总线造价低，因此经常被采用。该种结构的缺点是各主模块使用总线时会引起“竞争”而使信息传输效率降低，总线一旦出现故障会影响全局。

共享总线结构有三种不同的结构，即分布式系统、主从式系统和总线式多主CPU系统。

图4-7 共享总线结构框图

图4-8 分布式多处理器系统结构

①分布式系统。如图4-8所示，各微处理器之间均通过一条外部的通信链路连接在一起，它们相互之间的联系及对共享资源的使用都要通过网络技术来实现。

②主从式系统。如图4-9所示，有一个微处理器称为主控微处理器，其他则称为从微处理器，各微处理器也都是完整独立的系统。只有主控微处理器能控制总线，并访问总线上的资源，主微处理器通过该总线对从微处理器进行控制、监视，并协调多个微处理器系统的操作；从微处理器只能被动地执行主微处理器发来的命令，或完成一些特定的功能，不可能与主微处理器一起进行系统的决策和规划等工作，一般不能访问系统总线上的资源。主、从微处理器的通信可以通过I/O接口进行应答，也可以采用双端RAM技术进行，即通信的双方都通过自己的总线读/写同一个存储器。

③总线式多主CPU系统。如图4-10所示，有一条并行主总线连接着多个微处理器系统，每个CPU可以直接访问所有系统资源，包括并行总线、总线上的系统存储器及I/O接口，同时还允许自由而独立地使用各种的所有资源，诸如局部存储器、局部I/O接口等。各微处理器从逻辑上分不出主从。为解决多个主CPU争用并行总线的问题，在这样的系统中有一个总线仲裁器，它为各CPU分配了总线优先级，这样，每一时刻，只有总线优先级较高的CPU可以使用并行总线。

2）共享存储器结构。采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互联和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。图4-11所示为具有4个微处理器的共享存储器结构框图。当微处理器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率，因此这种结构功能扩展比较困难。

图4-9 主从式多微处理器系统结构

图4-10 总线式多微处理器系统结构

图4-11 共享存储器结构框图

图4-12为一个共享存储器多CPU数控系统结构，功能模块之间通过公用存储器连接耦合在一起。共3个CPU，CPU1为中央处理器，其任务是进行程序的编制、译码、刀具和机床参数的输入，此外，作为主处理器，它还控制CPU2和CPU3，并与之交换信息。CPU2为CRT显示处理机，它的任务是根据CPU1的指令和显示数据，在显示缓冲区中组成画面数据，通过CRT控制器、字符发生器和移位寄存器，将显示数据串行送到视频电路进行显示。此外，它还定时扫描键盘和倍率开关状态，并送CPU1进行处理。CPU3为插补处理机，它完成的工作是插补运算、位置控制、机床输入/输出接口和串行口控制。CPU3根据CPU1的命令及预处理结果，进行直线和圆弧插补。它定时接收各轴的实际位置信号，并根据插补运算结果，计算各轴的跟随误差，以得到速度指令值，经D/A转换数控模拟电压到各伺服单元。CPU1对CPU2和CPU3的控制是通过中断方式实现的。

图4-12 共享存储器多CPU数控系统结构

3.专用型结构和个人计算机式结构

（1）专用型结构 这类CNC装置的硬件由各制造厂专门设计和制造，布局合理、结构紧凑、专用性强，但硬件之间彼此不能交换和替代，没有通用性。如：FANUC数控系统、SIEMENS数控系统、美国A-B系统等都属于专用型。

（2）个人计算机式结构 这类CNC系统是以工业PC作为CNC装置的支撑平台，再由各数控机床制造厂根据数控的需要，插入自己的控制卡和数控软件构成相应的CNC装置。由于工业标准计算机的生产数以百万计，其生产成本很低，继而也就降低了CNC系统的成本。若工业PC出故障，修理及更换均很容易。美国ANILAM公司和AI公司生产的CNC装置均属这种类型，图4-13所示就是一种以工业PC为技术平台的数控系统结构框图。

图4-13 以工业PC为技术平台的数控系统结构框图

4.封闭式结构、PC嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型开放式结构

（1）封闭式结构系统 如FANUC0系统、MITSUBISHIM50系统、Siemens810系统等都是专用的封闭体系结构的数控系统。尽管也可以由用户做人机界面，但必须使用专门的开发工具（如Siemens的WS800A）耗费较多的人力，而对它的功能扩展、改变和维修，都要必须求助于系统供应商。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在受到挑战，并已逐渐减小。

（2）PC嵌入NC式结构系统 如FANUC18i、16i系统、Siemens840D系统、Num1060系统、AB9/360等数控系统。这是由于一些数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术，又想利用计算机丰富的软件资源而开发的产品。然而，尽管它也具有一定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵。

（3）NC嵌入PC式结构 它由开放体系结构运动控制卡+PC构成。这种运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在WINDOWS平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC—NC数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC64构造的MAZATROL640CNC等。

（4）软件型开放式结构 这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、CD—ROM和相应的驱动程序一样。用户可以在WINDOWSNT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，软件型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。其典型产品有美国MDSI公司的Open CNC、德国Power Automation公司的PA8000NT等。