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第五章数控系统的软硬件结构

§5.1概述

以上各章从数控系统如何处理输入的零件加工程序出发,阐述了数控系统的工

作原理。在本章,我们讨论构成数控系统的软硬件都有那些特点,它是如何实现以上

所述的功能。本质上,数控系统是一种位置控制系统,它是根据输入的数据段插补

出理想的运动轨迹,然后输出到执行部件,加工出所需的零件。数控系统是由软件和

硬件两大部分组成,其核心是数控装置。数控系统(ComputerNeumericalControl–

简称CNC系统硬件一般包括一下几个部分:中央处理器(CPU、存储器

(ROM/RAM、输入输出设备(I/O、操作面板、显示器和键盘、纸带阅读机、可编

程逻辑控制器等。

图5-1CNC系统的结构框图图5-1CNC系统的硬件结构框图

图5-1所示为整个CNC系统的结构框图。数控系统主要是指图5

-1中的CNC控制器,CNC控制器由计算机硬件、系统软件和相应的I/O接

口、可编程逻辑控制器构成。前者处理机床的轨迹运动的数字控制,后者处理开

关量的逻辑控制,如主轴的启停、冷却液的开、关、刀具的更换等。

从计算机实时操作系统的角度来看,CNC系统是一种典型的多任务强实时系统,

所使用的实时控制也是比较成熟的。在CNC操作系统中,我们把具体完成某项作

业任务的程序称为实时处理程序,即操作系统所指的用户程序。这些程序负责完成

诸如译码、轨迹计算、速度计算、插补等任务。而负责对这些程序进行实时监控

管理服务的程序称为实时系统程序。这些程序包括中断管理、监控、内存管理等

程序等。整个CNC系统就是由这些实时处理程序(用户程序和实时系统程序(中断

服务程序共同组成了CNC实时操作系统。用户的零件加工程序是以数据段为单位

编制的。一个数据段就是一个作业。每个作业都是由一系列任务组成。在系统程

序的调度管理下,实时处理程序执行系统赋予的这些任务,经过装入—→编译——

→预处理——→插补——→输出这样的运行过程,完成一个作业。而一次加工

是由N个类似的作业构成的。完成一个加工就需要N次这样的作业循环。我们可

以把它分为如图几步。

图5-2框图图5-2CNC的零件程序作业框图

§5.2CNC系统的硬件结构

CNC装置是在硬件和软件的有机结合下来完成控制任务的。其控制功能在相

当程度上取决于硬件的结构。当初期的控制功能和精度要求不是很高时,多采用单

微处理器结构。现在中高档CNC装置,大部分采用的是多微处理器结构。

一.单微处理器的CNC结构

单微处理器结构,由于只有一个CPU的控制,功能受字长、数据宽度、寻址能力

和运算能力的限制,因此多采用集中控制,分时处理的方式。这种CNC硬件是由

CPU通过总线与存储器、I/O控制元件等各种接口电路相连的专用计算机,它还包

括控制单元,如主轴控制单元、速度单元等,由它们共同构成了CNC的硬件。如

图5-3为一单CPU的CNC系统的硬件框图。

图5-3单CPU结构CNC系统结构框图

微处理器负责CNC系统的运算管理,它由运算器和控制器两部分组成,是CNC

系统的核心。目前,CNC装置中常用的有8位、16位和32位微处理器。如Intel

公司的8088、8086至到Pentium系列CPU,Motorala公司的6800、68000、

68020、68030等。根据CNC系统的实时控制要求,按字长、运算速度、寻址能

力,CNC系统供应商选用相应的CPU。如FANUC公司的F15系列,它选用了32

位Motorala的68020微处理器。

在单CPU的CNC系统中,通常采用总线结构。总线是CPU赖以工作的物理导

线,它通常赋予一定的信号意义。按功能可分为三组总线,即数据总线(DB、地址总

线(AD、控制总线(CB。数据总线为各部分之间传送数据,采用双方向线;地址总

线传送的是地址信号,与数据总线结合使用,以确定数据总线上传输的数据来源或目

的地,它采用单向传送;控制总线传输的是管理总线的某些控制信号,如数据传输的

读写控制、中断复位及各种确认信号,采用单向传输。