【计算机数控装置】

一、CNC的基本构成
计算机数控（Computerized  numerical  control,简称CNC）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统。
CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置（CNC装置）、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成，如图所示。
CNC系统的核心是CNC装置。由于使用了计算机，系统具有了软件功能，又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与上位机连接及进行远程通信的功能。
二、CNC装置的组成及其工作过程
CNC装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下工作，二者缺一不可。
CNC装置的硬件除具有一般计算机所具有的微处理器（CPU）、存储器（ROM，RAM）、输入输出（I/O）接口外，还具有数控要求的专用接口和部件，即位置控制器、纸带阅读机接口、手动数据输入（MDI）接口和显示（CRT）接口。
CNC装置硬件的组成如图所示。
CNC装置的软件是为了实现CNC系统各功能而编制的专用软件，称为系统软件。在系统软件的控制下，CNC装置对输入的加工程序自动进行处理，并发出相应的控制指令。系统软件由管理软件和控制软件两部分组成，如下图：

续上贴：
CNC装置的工作是在硬件的支持下，执行软件的全过程。软件和硬件各有不同的特点，软件设计灵活，适应性强，但处理速度慢；硬件处理速度快，成本却高。因此，在CNC装置中，数控功能的实现方法大致有分为三种情况：第一种情况是由软件完成输入、插补前的准备，硬件完成插补和位置控制；第二种情况是由软件完成输入、插补前的准备、插补，硬件完成位置的控制；第三种情况是由软件完成输入、插补前的准备、插补及位置控制的全部工作。CNC装置的工作流程及软硬件界面关系如图所示。 三、CNC装置的特点及可执行的功能
（一） CNC装置的特点
1．灵活通用
硬件系统采用模块化结构，易于扩展，通过变换软件还可以满足被控设备的各种不同要求。接口电路的标准化大大方便了生产厂家和用户。用同一种CNC系统就可以满足多种数控设备的要求。
2．控制功能的多样化
CNC装置利用计算机强大的运算能力，可实现许多复杂的控制功能。如在线自动编程、加工过程的图形模拟、故障诊断、机器人控制以及网络化控制等。
3．使用可靠、维修方便
   由于目前普遍采用大容量存储器存储零件程序，无需读带机直接参加工作，大大减少了故障率。另外，因为许多功能由软件实现，硬件所需元器件大为减少，从而提高了系统的性能和可靠性。
   CNC 装置的诊断程序可以提示故障部位，减少了维修的停机时间。其编辑功能对编制程序十分方便，零件程序编好后可以显示程序，甚至可通过空运行显示刀具轨迹，检验程序的正确性。
4． 易于实现机电一体化
由于CNC系统具有很强的通讯功能,便于与DNC、FMS和CIMS系统进行通讯联络。同时大规模集成电路的采用，使硬件元器件数目大为减少，CNC装置结构紧凑，与机床结合在一起。
（二） CNC装置可执行的功能
CNC装置的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是必备的数控功能；选择功能是可供用户根据机床特点和工作用途进行选择的功能。CNC装置的功能及其说明见下所述：
 

   一、单微处理机与多微处理机结构
CNC装置的硬件结构一般分为单微处理机和多微处理机两大类。早期的CNC和现在一些经济型CNC系统都采用单微处理机结构；随着数控系统功能的增加，机床切削速度的提高，为适应机床向高精度、高速度、智能化的发展，以及适应更高层次自动化（FMS和CIMS）的要求，多微处理机结构得到了迅速发展。
（一）单微处理机结构
这种结构只有一个微处理机，采用集中控制、分时方法处理数控的各个任务。有的CNC装置虽然有二个以上的微处理机，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，而其它微处理机则为专用的智能部件，不能访问主存储器，它们组成主从结构，这类结构也属于单微处理机结构。
单微处理机结构的框图如图所示。从图中可看到，它主要由中央处理单元（CPU）、存储器、总线、外设、输入接口电路、输出接口电路等部分组成，这一点与普通计算机系统基本相同；不同的是，输出各坐标轴的数据信息，在位置控制环节中经过转换、放大后，需去推动机床工作台或刀架（负载）的运动；更为重要的是由计算机输出位置信息后，运动部件应尽可能不滞后地到达指令要求的位置。

（二）多微处理机结构
多微处理机结构是由两个或两个以上的微处理机来构成处理部件。各处理部件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接，每个微处理机共享系统公用存储器或I/O接口，每个微处理机分担系统的一部分工作，从而将在单微处理机的CNC装置中顺序完成的工作转为多微处理机的并行、同时完成的工作，因而大大提高了整个系统的处理速度。
1．多微处理机CNC装置的结构分类
（1）共享存储器结构。多微处理机结构的框图如图所示，其中包括4个微处理机，分别承担I/O、插补、伺服功能、零件程序编辑和CRT显示功能，适于2坐标轴的车床，3、4、5坐标轴的加工中心。该系统主要有4个子系统和1个公共数据存储器，每个子系统按照各自存储器所存储的程序执行相应的控制功能（如插补、轴控制、I/O等）。这种分布式处理机系统的子系统之间不能直接进行通信，都要同公共数据存储器通信。在公共数据存储器板上有优先级编码器，规定伺服功能微机级别最高，其次是插补微机、再次是I/O微机等。当2个以上的微机同时请求时，优先编码器决定先接受的请求，对该请求发出承认信号；相应的微机接到信号后，便把数据存到公共数据存储器的规定地址中，其它子系统则从该地址读取数据。
（2）共享总线结构。以系统总线为中心的多微处理机结构，称多微处理机共享总线结构。CNC装置中的各功能模块分为带有CPU的主模块和不带CPU的各种（RAM/ROM，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，按要求交换数据和控制信息，构成一个完整的系统，实现各种预定的功能。只有主模块有权控制使用总线。由于某一时刻只能由1个主模块占有主线，因此必须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。仲裁的目的是判别出各模块优先权的高低，而每个主模块的优先级别已按其担负任务的重要性被预先安排好。支持多微机系统的总线都有总线仲裁机构，通常有两种裁决的方式，即串行方式和并行方式。