CNC系统的硬件构成

CNC系统的硬件构成

随着大规模集成电路技术和表面安装技术的发展，CNC系统硬件模块及安装方式不断改进。从CNC系统的总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种。

所谓整体式结构是把 CRT 和 MDI 面板、操作面板以及功能模块板组成的电路板等安装在同一机箱内。这种方式的优点是结构紧凑，便于安装，但有时可能造成某些信号连线过长。分体式结构通常把 CRT 和 MDI 面板、操作面板等做成一个部件，而把功能模块组成的电路板安装在一个机箱内，两者之间用导线或光纤连接。许多 CNC 机床把操作面板也单独作为一个部件，这是由于所控制机床的要求不同，操作面板相应地要改变，做成分体式的有利于更换和安装。

CNC 操作面板在机床上的安装形式有吊挂式、床头式、控制柜式、控制台式等多种。

从组成CNC系统的电路板的结构特点来看，有两种常见的结构，即大板式结构和模块化结构。

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。主板上装有主 CPU 和各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。由此可见，大板式结构紧凑，体积小，可靠性高，价格低，有很高的性能 / 价格比，也便于机床的一体化设计。大板结构虽有上述优点，但它的硬件功能不易变动，不利于组织生产。

另外一种柔性比较高的结构就是总线模块化的开放系统结构，其特点是将微处理机、存储器、输入输出控制分别做成插件板 ( 称为硬件模块 ) ，甚至将微处理机、存储器、输入输出控制组成独立微计算机级的硬件模块，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，接口是固定的，成为工厂标准或工业标准，彼此可以进行信息交换。于是可以积木式组成 CNC 系统，使设计简单，有良好的适应性和扩展性，试制周期短，调整维护方便，效率高。

从 CNC 系统使用的微机及结构来分， CNC 系统的硬件结构一般分为单微处理机和多微处理机结构两大类。初期的 CNC 系统和现有一些经济型 CNC 系统采用单微处理机结构。而多微处理机结构可以满足数控机床高进给速度、高加工精度和许多复杂功能的要求，也适应于并入 FMS 和 CIMS 运行的需要，从而得到了迅速的发展，它反映了当今数控系统的新水平。

二、单微处理机结构

在单微处理机结构中，只有一个微处理机，实行集中控制，并分时处理数控的各个任务。其结构特点如下：

（1）    CNC装置内仅有一个微处理机，由它对存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等功能集中控制分时处理。

（2）    微处理机通过总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC装置。

（3）    结构简单，容易实现。

（4）    正是由于只有一个微处理机集中控制，其功能将受微处理机字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。

图3-2给出的是即是单微处理机的结构框图。

三、多微处理机结构

多微处理机结构的CNC是把机床数字控制这个总任务划分为子任务(也称为子功能模块)。在硬件方面，以多个微处理机配以相应的接口形成多个子系统，把划分的子任务分配给不同的子系统承担，由各子系统之间的协调动作完成数控。在多微处理机的结构中，有两个或两个以上的微处理机构成的子系统，子系统之间采用紧耦合，有集中的操作系统，共享资源；或者有两个或两个以上的微处理机构成的功能模块，功能模块之间采用松耦合，有多重操作系统有效地实现并行处理。应注意的是，有的CNC装置虽然有两个以上的微处理机，但其中只有一个微处理机能够控制系统总线，占有总线资源， 而其他微处理机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。它们组成主从结构，故应归于单微处理机的结构中。

1、 多微处理机结构的特点

   （1）    性能价格比高。此种结构中的每一个微处理机各完成系统中指定的一部分功能，独立执行程序。它比单微处理机结构提高了计算处理速度，适应了多轴控制、高精度、高进给速度、高效率的数控要求。由于系统的资源共享，而单个微处理机的价格又比较便宜，使CNC系统的性能价格比大为提高。
    (2) 采用模块化结构具有良好的适应性和扩展性。前已述及，在这种结构中可以将微处理机、存储器、输入输出控制分别做成插件板 ( 即硬件模块 ) ，其相应的软件也是模块结构，这种模块化的结构使设计简单，试制周期短，结构紧凑，具有良好的适应性和扩展性。

   （3）    可靠性高。多微处理机的CNC装置由于每个微处理机分管各自的任务，形成若干模块，即使某个模块出了故障，其他模块仍照常工作，不像单微处理机那样，一旦出故障，整个系统将瘫痪。由于更换插件模块较为方便，可使故障对系统的影响减到最小程度。另外，由于资源共享，省去了一些重复机构，这不但使造价降低，也提高了可靠性。 
 

   （4）    硬件易于组织规模生产。 由于一般的硬件都是通用的，容易配置，只要开发新的软件就可构成不同的 CNC 系统，便于组织规模生产，形成批量，且保证质量。
2、 多微处理机CNC装置的典型结构

在多微处理机组成的CNC装置中，可以根据具体情况合理划分其功能模块，一般来说，基本由CNC管理模块、CNC插补模块、位置控制模块、PC模块、操作和控制数据输入输出和显示模块、存储器模块这6种功能模块组成，若需要扩充功能，再增加相应的模块。这些模块之间互连与通信是在机柜内耦合，典型的有共享总线和共享存储器两类结构。

（1）共享总线结构。以系统总线为中心的多微处理机CNC装置，把组成CNC器件的各种RAM/ROM或I/O从模块两大类。所有主、从模块都插在配有总线插座的机柜内，共享严格设计定义的标准系统总线。系统总线的作用是把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种数据和控制信息，构成一个完整的系统，实现各种预定的功能。

在系统中只有主模块有权控制使用系统总线。由于某一时刻只能由一个主模块占有总线，必须要有仲裁电路来裁决多个主模块同时请求使用系统总线的竞争，每个主模块按其担负任务的重要程度已预先安排好优先级别的顺序。总线仲裁的目的，也就是在它们争用总线时，判别出各模块优先权的高低。

这种结构模块之间的通信，主要依靠存储器来实现。大部分系统采取公共存储器方式。公共存储器直接插在系统总线上，有总线使用权的住模块都能访问。使用公共存储器的通信方式双方都要占用系统总线，可供任意两个主模块交换信息。

图3-4是多微处理机共享总线结构。这种结构中的多微处理机共享总线时会引起“竞争”，使信息传输率降低，总线一旦出现故障，会影响全局。但因其结构简单，系统配置灵活，无源总线造价低等优点而常被采用。

图3-4 多微处理器共享总线结构框图
（2）共享存储器结构。这种多微处理机结构，采用多端口存储器来实现各微处理机之间的互联和通信。由多端口控制逻辑电路来解决访问冲突。由于同一时刻只能有一个微处理机对多端口存储器读或写，所以功能复杂而要求微处理机数量增多时，会因争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率，因此扩展功能很困难。

图3-5是一个双端口存储器结构框图，它配有两套数据、地址和控制线，可供两个端口访问，访问优先权预先安排好。两个端口同时访问时，由内部硬件裁由内部硬件裁决其中一个端口优先访问。

图3-6是多微处理机共享存储器结构框图。

图3-5 双端口存储器结构框图        图3-6 多微处理机共享存储器结构框图