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YCF（中职）数控系统第2章教学课件第第2章章 CNC数控系统的基本结构数控系统的基本结构第一节第一节 概述概述第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构第三节第三节 CNC系统的软件结构系统的软件结构第一节第一节 概述概述 数控系统数控系统(NCS)是数字控制系统简称，英文名称为是数字控制系统简称，英文名称为Numerical Control System，早期是由硬件电路构成的称为硬，早期是由硬件电路构成的称为硬件数控件数控(Hard NC),1970年代以后，硬件电路元件逐步由专年代以后，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替称为计算机数控系统。用的计算机代替称为计算机数控系统。返回下一页第一节第一节 概述概述 计算机数控计算机数控(Computerized Numerical Control,CNC)系统系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。统。CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置装置(CNC装置装置)、可编程逻辑控制器、可编程逻辑控制器(PLC)、主轴驱动装置和、主轴驱动装置和进给进给(伺服伺服)驱驱 动装置动装置(包括检测装置包括检测装置)等组成。等组成。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述一、一、CNC系统的组成系统的组成 把计算机技术应用于机床的控制系统，是数控机床发展史把计算机技术应用于机床的控制系统，是数控机床发展史上的一个重要里程碑，这是因为它综合了现代计算机技术、上的一个重要里程碑，这是因为它综合了现代计算机技术、自动控制技术、传感器及测量技术、机械制造技术等领域的自动控制技术、传感器及测量技术、机械制造技术等领域的最新成就，使机械加工技术达到了一个崭新的水平。从自动最新成就，使机械加工技术达到了一个崭新的水平。从自动控制的角度来看，数控系统是一种轨迹控制系统，即本质上控制的角度来看，数控系统是一种轨迹控制系统，即本质上是以多执行部件是以多执行部件(各运动轴各运动轴)的位移量为控制对象，并使其协的位移量为控制对象，并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。控制系统。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 计算机数控计算机数控(CNC)与传统的硬线数控与传统的硬线数控(NC)相比有很多的优相比有很多的优点，其中最根本的一点就是，点，其中最根本的一点就是，CNC的许多数控功能是由软件的许多数控功能是由软件实现的，因而较硬线数控具有更大的柔性，即它很容易通过实现的，因而较硬线数控具有更大的柔性，即它很容易通过软件的改变来实现数控功能的更改或扩展。今天，硬线数控软件的改变来实现数控功能的更改或扩展。今天，硬线数控已被计算机数控所取代。已被计算机数控所取代。由上述讨论可知，从外部特征来看，由上述讨论可知，从外部特征来看，CNC系统是由硬件系统是由硬件(通用硬件和专用硬件通用硬件和专用硬件)和软件和软件(专用专用)两大部分组成的。两大部分组成的。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 1.数控系统的一般硬件结构数控系统的一般硬件结构 广义数控系统的结构框图如广义数控系统的结构框图如图图2-1所示，即由计算机基本所示，即由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成，它是系统、设备支持层、设备层三部分组成，它是CNC系统的物系统的物质基础。质基础。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 2.CNC系统软件的功能性结构系统软件的功能性结构 从本质特征来看，从本质特征来看，CNC系统软件是具有实时性和多任务性系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统的专用操作系统;从功能特征来看，该操作系统由从功能特征来看，该操作系统由CNC管理管理软件和软件和CNC控制软件两部分组成。它是控制软件两部分组成。它是CNC系统的灵魂，其系统的灵魂，其结构枢图如结构枢图如图图2-2所示。所示。CNC系统平台的构筑方式就是系统平台的构筑方式就是CNC系统的体系结构。体系系统的体系结构。体系结构为系统的分析、设计和建造提供框架。在下一节里将分结构为系统的分析、设计和建造提供框架。在下一节里将分别按硬件和软件两方面对别按硬件和软件两方面对CNC系统的体系结构进行讨论。系统的体系结构进行讨论。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述二、二、CNC系统的工作过程系统的工作过程 一般来说，让我们来回顾一下在普通机床上加工零件时，一般来说，让我们来回顾一下在普通机床上加工零件时，机床操作者总是根据工序卡的要求，在加工过程中不断地操机床操作者总是根据工序卡的要求，在加工过程中不断地操作机床改变刀具与工件的相对运动轨迹和运动参数作机床改变刀具与工件的相对运动轨迹和运动参数(位置、位置、速度等速度等)，使刀具对工件进行切削加工，从而得到所需要的，使刀具对工件进行切削加工，从而得到所需要的合格零件。合格零件。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 在在CNC机床上，加工过程中的人工操作均被数控系统所取代。机床上，加工过程中的人工操作均被数控系统所取代。其工作过程如下其工作过程如下:首先要将被加工零件图上的几何信息和工艺首先要将被加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化，即将刀具与工件的相对运动轨迹，用代码按规定信息数字化，即将刀具与工件的相对运动轨迹，用代码按规定的规则和格式编成加工程序，数控系统则按照程序的要求，进的规则和格式编成加工程序，数控系统则按照程序的要求，进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调运动，实现刀具与工件的相对运动，自以及辅助动作相互协调运动，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。动完成零件的加工。图图2-4为将要加工的零件，其形状用曲线为将要加工的零件，其形状用曲线L描述。加工该零件描述。加工该零件就是要控制刀具就是要控制刀具T相对于该零件按轨迹曲线相对于该零件按轨迹曲线L运动。运动。CNC系统系统对输入加工程序的运算和处理的核心部分有以下三步。对输入加工程序的运算和处理的核心部分有以下三步。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 1.逼近处理逼近处理 首先对曲线首先对曲线L进行逼近处理，即按系统的插补时间进行逼近处理，即按系统的插补时间t和加和加工所要求的进给速度工所要求的进给速度F，将，将L分割成若干短直线分割成若干短直线 L1，L2,，Li，这里，这里 Li=Ft (i=1，2，)则当则当 t0时，折线段之和接近曲线时，折线段之和接近曲线L,即即 当当F为常数时，由于为常数时，由于 t对于一个数控系统而言恒为常数，对于一个数控系统而言恒为常数，故故Li的长度也为常数，只不过其斜率与在的长度也为常数，只不过其斜率与在L上的位置有关。上的位置有关。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 2.插补运算插补运算 在计算出在计算出 Li后，必须将其分解为后，必须将其分解为x轴及轴及Y轴移动分量轴移动分量 xi 和和 yi(在在 ti时间内时间内)，它们将随着，它们将随着 Li在在L上位置的不断变化上位置的不断变化而变化，但它们满足而变化，但它们满足:且有且有 由于由于 Li的斜率是不断变化的，因此进给速度在的斜率是不断变化的，因此进给速度在X方向及方向及Y方向的分量方向的分量Fx与与Fy以及它们之间的比值以及它们之间的比值Fx/Fy 几乎都在不断变几乎都在不断变化。化。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 3.指令输出指令输出 将计算出在将计算出在 t时间内的时间内的 xi和和 yi作为指令输出给作为指令输出给X轴和轴和Y轴，以控制它们联动。由此可知，只要能连续地自动控制轴，以控制它们联动。由此可知，只要能连续地自动控制X,Y两个进给轴在两个进给轴在 t时间内的移动量，就可以实现曲线轮廓零时间内的移动量，就可以实现曲线轮廓零件的加工。件的加工。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述三、三、CNC系统的主要功能系统的主要功能 1.准备功能准备功能 准备功能即准备功能即G功能，指令机床动作方式的功能。功能，指令机床动作方式的功能。2.控制功能控制功能 CNC能控制和能联动控制的进给轴数。能控制和能联动控制的进给轴数。CNC的控制进给轴的控制进给轴有移动轴、回转轴、基本轴和附加轴。有移动轴、回转轴、基本轴和附加轴。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 3.进给功能进给功能 数控系统进给速度的控制功能，主要有以下三种数控系统进给速度的控制功能，主要有以下三种:进给速度进给速度:控制刀具相对工件的运动速度，单位为控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min;同步进给速度同步进给速度:实现切削速度和进给速度的同步，单位为实现切削速度和进给速度的同步，单位为mm/r，用于加工螺纹，用于加工螺纹;进给倍率进给倍率(进给修调率进给修调率):人工实时修调进给速度，即通过人工实时修调进给速度，即通过面板的倍率波段开关在面板的倍率波段开关在0%200%对预先设定的进给速度实对预先设定的进给速度实现实时修调。现实时修调。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 4.辅助功能辅助功能 辅助功能即辅助功能即M功能，用于指令机床辅助操作的功能。功能，用于指令机床辅助操作的功能。5.补偿功能补偿功能 (1)刀具半径和长度补偿功能该功能按零件轮廓编制的程序刀具半径和长度补偿功能该功能按零件轮廓编制的程序去控制刀具中心的轨迹，以及在刀具磨损或更换时去控制刀具中心的轨迹，以及在刀具磨损或更换时(刀具半刀具半径和长度变化径和长度变化)，可对刀具半径或长度作相应的补偿。该功，可对刀具半径或长度作相应的补偿。该功能由能由G指令实现。指令实现。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 (2)传动链误差包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能，传动链误差包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能，即事先测量出螺距误差和反向间隙，并按要求输入到即事先测量出螺距误差和反向间隙，并按要求输入到CNC系系统相应的存储单元内，在坐标轴运行时，对螺距误差进行补统相应的存储单元内，在坐标轴运行时，对螺距误差进行补偿偿;在坐标轴反向时，对反向间隙进行补偿。在坐标轴反向时，对反向间隙进行补偿。(3)智能补偿功能对诸如机床几何误差造成的综合加工误差、智能补偿功能对诸如机床几何误差造成的综合加工误差、热变形引起的误差、静态弹性变形误差以及由刀具磨损所带热变形引起的误差、静态弹性变形误差以及由刀具磨损所带来的加工误差等，都可采用现代先进的人工智能、专家系统来的加工误差等，都可采用现代先进的人工智能、专家系统等技术建立模型，利用模型实施在线智能补偿，这是数控技等技术建立模型，利用模型实施在线智能补偿，这是数控技术正在研究开发的技术。术正在研究开发的技术。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 6.插补功能和固定循环功能插补功能和固定循环功能 所谓插补功能是数控系统实现零件轮廓所谓插补功能是数控系统实现零件轮廓(平面或空间平面或空间)加工加工轨迹运算的功能。一般轨迹运算的功能。一般CNC系统仅具有直线和圆弧插补，而系统仅具有直线和圆弧插补，而现在较为高档的数控系统还备有抛物线、椭圆、极坐标、正现在较为高档的数控系统还备有抛物线、椭圆、极坐标、正弦线、螺旋线以及样条曲线插补等功能。弦线、螺旋线以及样条曲线插补等功能。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 7.自诊断功能自诊断功能 一般的一般的CNC系统或多或少都具有自诊断功能，尤其是现代系统或多或少都具有自诊断功能，尤其是现代的的CNC系统，这些自诊断功能主要是用软件来实现的。具有系统，这些自诊断功能主要是用软件来实现的。具有此功能的此功能的CNC系统可以在故障出现后迅速查明故障的类型及系统可以在故障出现后迅速查明故障的类型及部位，便于及时排除故障，减少故障停机时间。部位，便于及时排除故障，减少故障停机时间。通常不同的通常不同的CNC系统所设置的诊断程序不同，可以包含在系统所设置的诊断程序不同，可以包含在系统程序之中，在系统运行过程中进行检查，也可以作为服系统程序之中，在系统运行过程中进行检查，也可以作为服务性程序，在系统运行前或故障停机后进行诊断，查找故障务性程序，在系统运行前或故障停机后进行诊断，查找故障的部位。有的的部位。有的CNC系统可以进行远程通信诊断。系统可以进行远程通信诊断。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 8.刀具管理功能刀具管理功能 刀具管理功能是实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功刀具管理功能是实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功能。能。加工中心都应具有此功能，刀具几何尺寸是指刀具的半径加工中心都应具有此功能，刀具几何尺寸是指刀具的半径和长度，这些参数供刀具补偿功能使用和长度，这些参数供刀具补偿功能使用;刀具寿命一般是指刀具寿命一般是指时间寿命，当某刀具的时间寿命到期时，时间寿命，当某刀具的时间寿命到期时，CNC系统将提示用系统将提示用户更换刀具户更换刀具;另外，另外，CNC系统都具有系统都具有T功能即刀具号管理功能，功能即刀具号管理功能，它用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。它用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 9.主轴功能主轴功能 数控系统的主轴的控制功能，主要有以下几种数控系统的主轴的控制功能，主要有以下几种:切削速度切削速度(主轴转速主轴转速):刀具切削点切削速度的控制功能，刀具切削点切削速度的控制功能，单位为单位为m/min (r/min);.恒线速度控制恒线速度控制:刀具切削点的切削速度为恒速控制的功能，刀具切削点的切削速度为恒速控制的功能，如端面车削的恒速控制如端面车削的恒速控制;返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 .主轴定向控制主轴定向控制:主轴轴向定位控制于特定位置的功能主轴轴向定位控制于特定位置的功能;.C轴控制轴控制:主轴轴向任意位置控制的功能主轴轴向任意位置控制的功能;.切削倍率切削倍率(主轴修调率主轴修调率):人工实时修调切削速度，即通过人工实时修调切削速度，即通过面板的倍率波段开关在面板的倍率波段开关在0%200%之间对预先设定的主轴速之间对预先设定的主轴速度实现实时修调。度实现实时修调。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 10.通信功能通信功能 CNC系统与外界进行信息和数据交换的功能。系统与外界进行信息和数据交换的功能。通常通常CNC系统都具有系统都具有RS-2320接口，可与上级计算机进行接口，可与上级计算机进行通信，传送零件加工程序，有的还备有通信，传送零件加工程序，有的还备有DNC(直接数字控制直接数字控制/分布式控制分布式控制)接口，以利实现直接数控。更高档的系统还可接口，以利实现直接数控。更高档的系统还可与与MAP(制造自动化协议制造自动化协议)相连，以适应相连，以适应FMS、CIMS、IMS(整体维修解决方案整体维修解决方案)等大制造系统集成的要求。等大制造系统集成的要求。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 11.人一机对话功能人一机对话功能 在在CNC系统中配有单色或彩色系统中配有单色或彩色CRT(阴极射线管阴极射线管)、LCD(液晶显示屏液晶显示屏)，通过软件可实现字符和图形的显示，以方便，通过软件可实现字符和图形的显示，以方便用户的操作和使用。在用户的操作和使用。在CNC系统中这类功能有系统中这类功能有:菜单结构的菜单结构的操作界面操作界面;零件加工程序的编辑环境零件加工程序的编辑环境;系统和机床参数、状态、系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。故障信息的显示、查询或修改画面等。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述四、四、CNC系统的主要优点系统的主要优点 1.数控功能丰富数控功能丰富 由于由于CNC系统中的计算机具有较强的计算能力，因此，使系统中的计算机具有较强的计算能力，因此，使其实现复杂的数控功能成为可能，如其实现复杂的数控功能成为可能，如:.插补功能插补功能:二次曲线插补、样条插补、空间曲面插补二次曲线插补、样条插补、空间曲面插补;补偿功能补偿功能:运动精度补偿、随机补偿、非线性补偿等运动精度补偿、随机补偿、非线性补偿等;.人人-机对话功能机对话功能:加工的动、静态跟踪显示，高级人加工的动、静态跟踪显示，高级人-机对机对话窗口话窗口;.编程功能编程功能:G代码、蓝图编程、部分自动编程功能。代码、蓝图编程、部分自动编程功能。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 2.使用维护方便使用维护方便 .操作使用方便操作使用方便:现在大多数数控机床的操作采用了菜单结现在大多数数控机床的操作采用了菜单结构，用户只需根据菜单的提示，进行正确操作构，用户只需根据菜单的提示，进行正确操作;.编程方便编程方便:现代数控机床大多具有多种编程的功能，并且现代数控机床大多具有多种编程的功能，并且都具有程序自动校验和模拟仿真功能都具有程序自动校验和模拟仿真功能;.维护维修方便维护维修方便:数控机床的许多日常维护工作都由数控系数控机床的许多日常维护工作都由数控系统承担统承担(润滑、关键部件的定期检查等润滑、关键部件的定期检查等)，另外，数控机床的，另外，数控机床的自诊断功能，可迅速确定故障位置，方便维修人员。自诊断功能，可迅速确定故障位置，方便维修人员。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 3.易于实现机电一体化易于实现机电一体化 由于采用计算机，使硬件数量相应减少，加之电子元件的由于采用计算机，使硬件数量相应减少，加之电子元件的集成度越来越高，使硬件的体积不断减小，控制柜的尺寸也集成度越来越高，使硬件的体积不断减小，控制柜的尺寸也相应减小。因此，数控系统的结构非常紧凑，使其与机床结相应减小。因此，数控系统的结构非常紧凑，使其与机床结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 4.灵活性和通用性灵活性和通用性 与早期的硬线数控系统相比，与早期的硬线数控系统相比，CNC系统在功能的修改和扩系统在功能的修改和扩充、适应性方面都具有较大的灵活性和通用性。这是由于充、适应性方面都具有较大的灵活性和通用性。这是由于CNC系统的数控功能大多由软件在通用性较强的硬件的支持系统的数控功能大多由软件在通用性较强的硬件的支持下来实现的，因此，若要改变、扩充其功能，均可通过对软下来实现的，因此，若要改变、扩充其功能，均可通过对软件的修改和扩充来实现。件的修改和扩充来实现。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 另一方面，另一方面，CNC系统的硬件和软件大多是采用模块化的结系统的硬件和软件大多是采用模块化的结构，使系统的扩充、扩展变得较方便和灵活。不仅如此，按构，使系统的扩充、扩展变得较方便和灵活。不仅如此，按模块化方法组成的模块化方法组成的CNC系统基本配置部分系统基本配置部分(软件和硬件软件和硬件)是通是通用的，不同的数控机床用的，不同的数控机床(如车床、铣床、磨床、加工中心、如车床、铣床、磨床、加工中心、特殊机床特殊机床)只要配置相应的功能模块只要配置相应的功能模块(软件和硬件软件和硬件)，就可满，就可满足这些机床的特定控制功能。这种通用性对数控机床的培训、足这些机床的特定控制功能。这种通用性对数控机床的培训、学习以及维护维修也是相当方便的。学习以及维护维修也是相当方便的。返回下一页上一页第一节第一节 概述概述 5.可靠性高可靠性高 CNC系统的高可靠性可以从以下儿方面看出系统的高可靠性可以从以下儿方面看出:CNC系统总是采用集成度高的电子元件、芯片，采用系统总是采用集成度高的电子元件、芯片，采用VLSI(超大规模集成电路超大规模集成电路)本身就是可靠性的保证本身就是可靠性的保证;.许多功能由软件实现，使硬件的数量减少许多功能由软件实现，使硬件的数量减少;丰富的故障诊断及保护功能丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现大多由软件实现)，从而可使，从而可使系统故障发生的频率降低，发生故障后的修复时间缩短。系统故障发生的频率降低，发生故障后的修复时间缩短。返回上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 CNC系统的硬件结构按含有系统的硬件结构按含有CPU的多少来分，可分为单机的多少来分，可分为单机系统和多机系统。系统和多机系统。一、一、CNC系统的硬件结构分类系统的硬件结构分类 1.单机系统单机系统 它是指整个它是指整个CNC系统只有一个系统只有一个CPU，它集中控制和管理整，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种数控功能。其个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种数控功能。其特点是投资小，结构简单，易于实现，但系统功能受到特点是投资小，结构简单，易于实现，但系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。现在字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。现在这种结构已被多机系统的主从结构所取代。这种结构已被多机系统的主从结构所取代。返回下一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.多机系统多机系统 它是指整个它是指整个CNC系统中有两个或两个以上的系统中有两个或两个以上的CPU，也就是，也就是系统中的某些功能模块自身也带有系统中的某些功能模块自身也带有CPU，根据这些，根据这些CPU间的间的相互关系的不同又可将其分为相互关系的不同又可将其分为:返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 (1)主从结构系统在该系统中只有一个主从结构系统在该系统中只有一个CPU(通常称为主通常称为主CPU)对系统的资源对系统的资源(系统存储器、系统总线系统存储器、系统总线)有控制和使用权，有控制和使用权，而其他带有而其他带有CPU的功能部件的功能部件(通常称之为智能部件通常称之为智能部件)，则无权，则无权控制和使用系统资源，它只能接收主控制和使用系统资源，它只能接收主CPU的控制命令或数据，的控制命令或数据，或向主或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。只有一个发出请求信息以获得所需的数据。只有一个CPU处于主导地位，其他处于主导地位，其他CPU处于从属地位的结构，称之为主从处于从属地位的结构，称之为主从结构。结构。返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 (2)多主结构系统在该系统中有两个或两个以上的带多主结构系统在该系统中有两个或两个以上的带CPU的的功能部件对系统资源有控制或使用权。该结构系统功能部件功能部件对系统资源有控制或使用权。该结构系统功能部件之间采用紧耦合之间采用紧耦合(即均挂在系统总线上，集中在一个机箱内即均挂在系统总线上，集中在一个机箱内)，有集中的操作系统，通过总线仲裁器，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(软件和硬件软件和硬件)来解决来解决争用总线问题，通过公共存储器来交换系统信息。争用总线问题，通过公共存储器来交换系统信息。返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 (3)分布式结构系统该系统有两个或两个以上的带有分布式结构系统该系统有两个或两个以上的带有CPU的的功能模块，每个功能模块有自己独立的运行环境功能模块，每个功能模块有自己独立的运行环境(系统总线、系统总线、存储器、操作系统等存储器、操作系统等)，功能模块间采用松耦合，即在空间，功能模块间采用松耦合，即在空间上可以较为分散，各模块间采用通信方式交换信息。上可以较为分散，各模块间采用通信方式交换信息。返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 早期的计算机数控系统都是单机系统，到了早期的计算机数控系统都是单机系统，到了20世纪世纪80年代年代中期，市场上已有多机系统的产品了，其中绝大部分是主从中期，市场上已有多机系统的产品了，其中绝大部分是主从结构的系统。目前，多主结构和分布结构的系统由于结构较结构的系统。目前，多主结构和分布结构的系统由于结构较复杂，操作系统的设计较困难，加之主从结构系统能满足数复杂，操作系统的设计较困难，加之主从结构系统能满足数控加工的大多数要求，故这两种结构的控加工的大多数要求，故这两种结构的CNC系统较少。系统较少。从硬件的体系结构来看，单机结构与主从结构极其相似，从硬件的体系结构来看，单机结构与主从结构极其相似，因此，在本帝也称单机结构与主从结构为单主结构的系统。因此，在本帝也称单机结构与主从结构为单主结构的系统。返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构二、单机或主从结构模块的功能介绍二、单机或主从结构模块的功能介绍 图图2-5是单机或主从结构的是单机或主从结构的CNC系统硬件结构枢图。这类系统硬件结构枢图。这类CNC系统的硬件由若干功能不同的模块组成，这些模块既是系统的硬件由若干功能不同的模块组成，这些模块既是系统的组成部分，又有相对的独立性，即所谓的模块化结构。系统的组成部分，又有相对的独立性，即所谓的模块化结构。采用这种结构对采用这种结构对CNC系统的设计和生产以及维修都有极大好系统的设计和生产以及维修都有极大好处。实现这种结构的方法称为模块化设计方法。处。实现这种结构的方法称为模块化设计方法。返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 所谓模块化设计方法就是所谓模块化设计方法就是:将控制系统按功能划分成若干将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能的单元模块，每个模块配上相应的驱动软件，种具有独立功能的单元模块，每个模块配上相应的驱动软件，按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插人控制单元母按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插人控制单元母板上，组成一个完整的控制系统，其中单元母板一般为总线板上，组成一个完整的控制系统，其中单元母板一般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。这种方法结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。这种方法称之为模块化设计方法。称之为模块化设计方法。实现实现CNC系统模块化设计的条件是总线系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。而标准化。而采用模块化结构时，采用模块化结构时，CNC系统设计工作则可归结为功能模块系统设计工作则可归结为功能模块的合理选用。的合理选用。返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 下面我们从功能方面来讨论下面我们从功能方面来讨论图图2-5所示所示CNC系统中各硬件系统中各硬件模块的作用。模块的作用。返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 1.计算机主板计算机主板 它是它是CNC系统的核心，由于目前系统的核心，由于目前CNC系统普遍采用了基于系统普遍采用了基于PC机的系统体系结构，即机的系统体系结构，即CNC系统的计算机系统在功能上系统的计算机系统在功能上完全与标准的完全与标准的PC机一样，各硬件模块也均与机一样，各硬件模块也均与PC机总线标准机总线标准兼容。其目的是利用兼容。其目的是利用PC机丰富的软件和硬件机丰富的软件和硬件OEM资源，提资源，提高系统的适应性、开放性，降低价格，缩短新产品的开发周高系统的适应性、开放性，降低价格，缩短新产品的开发周期。期。CNC系统的计算机系统与普通的商用系统的计算机系统与普通的商用PC机在结构上略机在结构上略有不同，从系统的可靠性出发，它的主板与系统总线有不同，从系统的可靠性出发，它的主板与系统总线(母板母板)是分离的，即系统总线是一单独的无源母板。主板则做成插是分离的，即系统总线是一单独的无源母板。主板则做成插卡形式，且集成度更高，即所谓的卡形式，且集成度更高，即所谓的All-In-One主板。主板。返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 计算机主板外观如计算机主板外观如图图2-6所示，这种主板主要包括以下的所示，这种主板主要包括以下的功能结构功能结构:CPU芯片及其外围芯片芯片及其外围芯片;内存单元、内存单元、Cache及其外围芯片及其外围芯片;通信接口通信接口(串口，并口，键盘接口串口，并口，键盘接口);.软、硬驱动器接口。软、硬驱动器接口。各功能模块的组成原理与普通微型计算机的原理完全一样，各功能模块的组成原理与普通微型计算机的原理完全一样，这里不再一一讲述。这里不再一一讲述。返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 计算机主板的主要作用是计算机主板的主要作用是:对输入到对输入到CNC系统中的种种数系统中的种种数据、信息据、信息(零件加工程序，各种零件加工程序，各种I/O信息等信息等)进行相应的算术进行相应的算术和逻辑运算，并根据其处理结果向其他功能模块发出控制命和逻辑运算，并根据其处理结果向其他功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。令，传送数据，使用户的指令得以执行。返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.系统总线系统总线 它是由一组传送数字信息的物理导线组成的，它是计算机它是由一组传送数字信息的物理导线组成的，它是计算机系统内部系统内部(CNC系统内部系统内部)进行数据或信息交换的通道，从功进行数据或信息交换的通道，从功能上来讲，它可分三组能上来讲，它可分三组:.数据总线数据总线:它是各模块间数据交换的通道，线的根数与数它是各模块间数据交换的通道，线的根数与数据宽度相等，它是双向总线据宽度相等，它是双向总线;.地址总线地址总线:它是传送数据存放地址的总线，与数据总线结它是传送数据存放地址的总线，与数据总线结合，可以确定数据总线上的数据的来源地或目的地，它是单合，可以确定数据总线上的数据的来源地或目的地，它是单向总线向总线;返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 .控制总线控制总线:它是一组传送管理或控制信号的总线它是一组传送管理或控制信号的总线(如数据如数据的读、写、控制，中断、复位、的读、写、控制，中断、复位、I/O读读/写及各种确认信号等写及各种确认信号等)，它是单向总线。，它是单向总线。一般作为工业用一般作为工业用PC机的总线母板是独立的无源四层印制电机的总线母板是独立的无源四层印制电路板，即其规格有路板，即其规格有6槽、槽、8槽、槽、12槽、槽、14槽等。用户可根据槽等。用户可根据CNC系统功能板的多少进行选择。无源母板的外观如系统功能板的多少进行选择。无源母板的外观如图图2-7所示。所示。返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 3.输入输入/输出模块输出模块(多功能卡多功能卡)该模块也是标准的该模块也是标准的PC机模块，一般不需要用户自己开发。机模块，一般不需要用户自己开发。它是它是CNC系统与外界进行数据和信息交换的接口板，即系统与外界进行数据和信息交换的接口板，即CNC系统中的系统中的CPU通过该接口可以从外部输入设备获取数据，也通过该接口可以从外部输入设备获取数据，也可以将可以将CNC系统中的数据输送给外部设备。这些输入系统中的数据输送给外部设备。这些输入/输出输出设备是设备是:返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 .输入设备输入设备:软盘驱动器软盘驱动器;.输出设备输出设备:打印机打印机;输入输入/输出设备输出设备:磁盘驱动器、磁带机等磁盘驱动器、磁带机等;.通信接口通信接口:串行接口串行接口RS-232。如果计算机主板选用的是如果计算机主板选用的是All-In-One主板，则此板可省略。主板，则此板可省略。以上三部分，再配上键盘、电源、机箱，实际上是一部通以上三部分，再配上键盘、电源、机箱，实际上是一部通用的微型计算机系统。这个系统是用的微型计算机系统。这个系统是CNC系统的核心，从某种系统的核心，从某种意义上讲，它的档次和性能决定了意义上讲，它的档次和性能决定了CNC系统的档次和性能，系统的档次和性能，因此，因此，CNC系统计算机子系统的合理选用是至关重要的。系统计算机子系统的合理选用是至关重要的。返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 4.显示卡显示卡 显示卡是一个通用性很强的模块。现在市场上出售的有显示卡是一个通用性很强的模块。现在市场上出售的有VGA卡、卡、SVGA卡，早期的有卡，早期的有CGA、EGA等。等。在在CNC系统中，系统中，C RT显示是一个非常重要的功能，它是显示是一个非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介，它给用户提供了一个直观的操作环境，人机交流的重要媒介，它给用户提供了一个直观的操作环境，使用户能快速地熟悉适应其操作过程。使用户能快速地熟悉适应其操作过程。返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 显示卡的主要作用是显示卡的主要作用是:接收来自接收来自CPU的控制命令和显示用的控制命令和显示用的数据，经与的数据，经与CRT的扫描信号调制后，产生的扫描信号调制后，产生C RT显示器所需显示器所需要的视频信号，由要的视频信号，由CRT中的电子枪对屏幕进行扫描，从而产中的电子枪对屏幕进行扫描，从而产生所需要的画面。生所需要的画面。显示卡这种硬件不仅可以在市场上买到，而且它还有非常显示卡这种硬件不仅可以在市场上买到，而且它还有非常丰富的支持软件，因此无须用户自己开发。丰富的支持软件，因此无须用户自己开发。返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 5.电子盘电子盘 (1)电子盘存储内容电子盘存储内容 电子盘是电子盘是CNC系统特有的存储模块，系统特有的存储模块，在在CNC系统中它用来存放下列数据和参数系统中它用来存放下列数据和参数:系统软件、系统固有数据系统软件、系统固有数据;系统的配置参数系统的配置参数(系统所能控制的进给轴数、轴的定义、系统所能控制的进给轴数、轴的定义、系统增益等系统增益等);.用户的零件加工程序。用户的零件加工程序。返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 (2)存储器件种类存储器件种类 目前在计算机领域所用存储器件有三类目前在计算机领域所用存储器件有三类:.磁性存储器件，如软磁盘、硬磁盘，它们都是可随机读磁性存储器件，如软磁盘、硬磁盘，它们都是可随机读/写的写的;.光存储器件，如光盘光存储器件，如光盘;.半导体存储器件，又称电子存储器件，如半导体存储器件，又称电子存储器件，如RAM、ROM、FLASH等。等。前两类一般作为外存储器，其特点是容量大，价格低。电前两类一般作为外存储器，其特点是容量大，价格低。电子存储器件一般作为内存储器，其价格高于前两类。若按其子存储器件一般作为内存储器，其价格高于前两类。若按其读读/写性能来看，它又可分为三类。写性能来看，它又可分为三类。返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 .只读存储元件只读存储元件(ROM、PROM和和EPROM)其特点是只能读其特点是只能读出其存放的数据，而不能随时修改它们。它用于固化调试通出其存放的数据，而不能随时修改它们。它用于固化调试通过了的系统软件和系统固有的参数。过了的系统软件和系统固有的参数。.易失性随机读易失性随机读/写存储元件写存储元件(RAM)。其特点是可以随时对其。其特点是可以随时对其进行读进行读/写操作，一旦掉电其信息将会全部丢失。它又有动写操作，一旦掉电其信息将会全部丢失。它又有动态和静态之分，动态态和静态之分，动态:价格低，速度慢，主要用作计算机系价格低，速度慢，主要用作计算机系统的内存统的内存;静态静态:价格高，速度快，主要用作计算机系统的缓价格高，速度快，主要用作计算机系统的缓存器存器Cache。返回下一页上一页第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 非易失性读非易失性读/写存储元件。其特点是可以随时对其进行读写存储元件。其特点是可以随时对其进行读/写操作，即使掉电信息也不会丢失。它用于存放系统的配置写操作，即使掉电信息也不会丢失。它用于存放系统的配置