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1、 数控系统的硬件结构及连接数控系统的硬件结构及连接孙海亮孙海亮一、数控系统的硬件结构类型一、数控系统的硬件结构类型主要内容主要内容二二、数控系统硬件结构数控系统硬件结构 三三、典型数控系统的硬件连接典型数控系统的硬件连接四四、数控系统的常见板卡数控系统的常见板卡计算机数控装置计算机数控装置液晶显示器MDI键盘“急停”按钮功能键机床控制面板(MCP)机 床 控 制 面 板MCP数控系统硬件结构类型数控系统硬件结构类型1.1.大板式结构和模块化结构大板式结构和模块化结构大板式结构大板式结构:CNC CNC CNC CNC装置内一般都有一块大板，称为主板。主板上装装置内一般都有一块大板，称为主板。主
2、板上装装置内一般都有一块大板，称为主板。主板上装装置内一般都有一块大板，称为主板。主板上装有主有主有主有主CPUCPUCPUCPU和各轴的位置控制电路等和各轴的位置控制电路等和各轴的位置控制电路等和各轴的位置控制电路等(集成度较高的系统把所集成度较高的系统把所集成度较高的系统把所集成度较高的系统把所有的电路都安装在一块板上有的电路都安装在一块板上有的电路都安装在一块板上有的电路都安装在一块板上)，其他相关子板，其他相关子板，其他相关子板，其他相关子板(完成一定功完成一定功完成一定功完成一定功能的电路板能的电路板能的电路板能的电路板)，如，如，如，如ROMROMROMROM板、板、板、板、RAM
3、RAMRAMRAM板和板和板和板和PLCPLCPLCPLC板都插在主板上面。板都插在主板上面。板都插在主板上面。板都插在主板上面。优点优点优点优点:结构的结构的结构的结构的CNCCNCCNCCNC装置结构紧凑、体积小、可靠性高、价格装置结构紧凑、体积小、可靠性高、价格装置结构紧凑、体积小、可靠性高、价格装置结构紧凑、体积小、可靠性高、价格低、有很高的性能价格比。低、有很高的性能价格比。低、有很高的性能价格比。低、有很高的性能价格比。ABABABAB公司的公司的公司的公司的8601860186018601就是大板式结构就是大板式结构就是大板式结构就是大板式结构的的的的CNCCNCCNCCNC。缺
4、点缺点缺点缺点:硬件功能不易变动，柔性低。硬件功能不易变动，柔性低。硬件功能不易变动，柔性低。硬件功能不易变动，柔性低。fanuc-6Mfanuc-6M系统系统模块化结构模块化结构 将将将将CPUCPUCPUCPU、存储器、输入输出控制、位置检测、显示、存储器、输入输出控制、位置检测、显示、存储器、输入输出控制、位置检测、显示、存储器、输入输出控制、位置检测、显示部件等分别做成插件板部件等分别做成插件板部件等分别做成插件板部件等分别做成插件板(称为硬件模块称为硬件模块称为硬件模块称为硬件模块)，相应的软件，相应的软件，相应的软件，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中。硬软件模块形成也是模块
5、结构，固化在硬件模块中。硬软件模块形成也是模块结构，固化在硬件模块中。硬软件模块形成也是模块结构，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。功能模块间有一个特定的功能单元，称为功能模块。功能模块间有一个特定的功能单元，称为功能模块。功能模块间有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，使用工厂标准或工明确定义的接口，接口是固定的，使用工厂标准或工明确定义的接口，接口是固定的，使用工厂标准或工明确定义的接口，接口是固定的，使用工厂标准或工业标准，彼此间可进行信息交换。各模块间连接的定业标准，彼此间可进行信息交换。各模块间连接的定业标准，彼
6、此间可进行信息交换。各模块间连接的定业标准，彼此间可进行信息交换。各模块间连接的定义，形成了所谓的总线。义，形成了所谓的总线。义，形成了所谓的总线。义，形成了所谓的总线。设计简单，试制周期短，调整维护方便，设计简单，试制周期短，调整维护方便，设计简单，试制周期短，调整维护方便，设计简单，试制周期短，调整维护方便，(如果某如果某如果某如果某个模块坏了，其他模块可照常工作，有可能进行部分个模块坏了，其他模块可照常工作，有可能进行部分个模块坏了，其他模块可照常工作，有可能进行部分个模块坏了，其他模块可照常工作，有可能进行部分CNCCNCCNCCNC功能的操作功能的操作功能的操作功能的操作)，有良好的
7、适应性和扩展性。，有良好的适应性和扩展性。，有良好的适应性和扩展性。，有良好的适应性和扩展性。2.2.单微处理器和多微处理器结构单微处理器和多微处理器结构 在单微处理器在单微处理器在单微处理器在单微处理器CNCCNCCNCCNC中，中，中，中，CPUCPUCPUCPU通过总线与存储器和通过总线与存储器和通过总线与存储器和通过总线与存储器和各种接口相连接，构成各种接口相连接，构成各种接口相连接，构成各种接口相连接，构成CNCCNCCNCCNC的硬件支持，采取集中的硬件支持，采取集中的硬件支持，采取集中的硬件支持，采取集中控制、分时处理的方式完成控制、分时处理的方式完成控制、分时处理的方式完成控制
8、、分时处理的方式完成CNCCNCCNCCNC对存储、插补运算、对存储、插补运算、对存储、插补运算、对存储、插补运算、I I I I0 0 0 0控制、控制、控制、控制、CRTCRTCRTCRT显示等多任务的处理。采用单微处显示等多任务的处理。采用单微处显示等多任务的处理。采用单微处显示等多任务的处理。采用单微处理器结构的理器结构的理器结构的理器结构的CNCCNCCNCCNC有德国有德国有德国有德国SiemensSiemensSiemensSiemens公司的公司的公司的公司的810810810810820820820820系列，系列，系列，系列，ABABABAB公司的公司的公司的公司的8400
9、840084008400系列等。系列等。系列等。系列等。单微处理器单微处理器 多微处理器结构的多微处理器结构的多微处理器结构的多微处理器结构的CNCCNCCNCCNC装置把机床数字控制这装置把机床数字控制这装置把机床数字控制这装置把机床数字控制这个总任务划分为多个子任务，也称子功能模块。在个总任务划分为多个子任务，也称子功能模块。在个总任务划分为多个子任务，也称子功能模块。在个总任务划分为多个子任务，也称子功能模块。在硬件方面一般采用模块化结构，以多个硬件方面一般采用模块化结构，以多个硬件方面一般采用模块化结构，以多个硬件方面一般采用模块化结构，以多个(两个或两两个或两两个或两两个或两个以上个
10、以上个以上个以上)CPU)CPU)CPU)CPU配以相应的接口形成多个子系统，每个配以相应的接口形成多个子系统，每个配以相应的接口形成多个子系统，每个配以相应的接口形成多个子系统，每个子系统分别承担不同的子任务，各子系统间协调动子系统分别承担不同的子任务，各子系统间协调动子系统分别承担不同的子任务，各子系统间协调动子系统分别承担不同的子任务，各子系统间协调动作共同完成整个数控任务。作共同完成整个数控任务。作共同完成整个数控任务。作共同完成整个数控任务。多微处理器结构多微处理器结构 多微处理器多微处理器CNCCNC区别于单微处理器区别于单微处理器CNCCNC的最的最显著特点是通信，显著特点是通信
11、，CNCCNC的各项任务和职能都的各项任务和职能都是依靠组成系统的各是依靠组成系统的各CPUCPU之间的相互通信配之间的相互通信配合完成的。多微处理器结构的合完成的。多微处理器结构的CNCCNC的典型通的典型通信方式有共享总线和共享存储器两类结构。信方式有共享总线和共享存储器两类结构。共享总线结构的典型代表是共享总线结构的典型代表是FANUC 15FANUC 15系统。它按功能将系统划系统。它按功能将系统划分为若干个功能模块，其中带有分为若干个功能模块，其中带有CPUCPU的称为主模块，不带的称为主模块，不带CPUCPU的称为的称为从模块。根据不同的配置可选用从模块。根据不同的配置可选用7 7
12、、9 9、1111和和1313个功能模块插件板。个功能模块插件板。所有主从模块都插在配有总线插座的机柜内，通过共享总线所有主从模块都插在配有总线插座的机柜内，通过共享总线把各个模块有效地连接在一起，按要求交换各种数据和信息，组把各个模块有效地连接在一起，按要求交换各种数据和信息，组成一个完整的实时多任务系统，实现成一个完整的实时多任务系统，实现CNCCNC的预定功能，其硬件结的预定功能，其硬件结构如图所示构如图所示FANUC 15FANUC 15系统的总线是系统的总线是FANUCFANUC公司白己设计的公司白己设计的FANUC BUSFANUC BUS 共享总线结构的优点是系统配置灵活、结构简
13、单、容易实现、共享总线结构的优点是系统配置灵活、结构简单、容易实现、造价低。缺点是会引起竞争，使信息传输率降低，总线一旦出现故造价低。缺点是会引起竞争，使信息传输率降低，总线一旦出现故障，会影响全局。障，会影响全局。共享总线结构共享总线结构 共享存储器结构的典型代表有共享存储器结构的典型代表有GEGE公司的公司的MTC1 CNCMTC1 CNC，其硬件，其硬件结构如图所示。结构如图所示。MTCl CNCMTCl CNC共有共有3 3个个CPUCPU，其中中央，其中中央CPUCPU负责数控程负责数控程序的编辑、译码、刀具和机床参数的输入；显示序的编辑、译码、刀具和机床参数的输入；显示CPUCPU
14、把中央把中央CPUCPU的指令和显示数据送到视频电路进行显示，此外还定时扫描键的指令和显示数据送到视频电路进行显示，此外还定时扫描键盘和倍率开关状态并送中央盘和倍率开关状态并送中央CPUCPU进行处理；插补进行处理；插补CPUCPU完成插补运完成插补运算、位置控制、算、位置控制、I IO O控制和控制和RS232CRS232C通信等任务，还向中央通信等任务，还向中央CPUCPU提提供机床操作面板开关状态及所需显示的位置信息等。中央供机床操作面板开关状态及所需显示的位置信息等。中央CPUCPU与与显示显示CPUCPU和插补和插补CPUCPU之间各有之间各有512512字节的公共存储器用于交换信息
15、。字节的公共存储器用于交换信息。共享存储器结构共享存储器结构1)1)输入装置输入装置:完成程序完成程序,参数等信息的输入参数等信息的输入MDIMDI信息载体信息载体2)2)输出装置输出装置:完成打印完成打印,穿孔显示等穿孔显示等3)3)通信线路通信线路:实现串行通讯及网络功能实现串行通讯及网络功能4)CNC:4)CNC:完成与外围设备联系完成与外围设备联系,控制系统各部分功能控制系统各部分功能5)PLC:5)PLC:完成机床的顺序控制完成机床的顺序控制,换刀换刀,APC,APC等等6)6)主轴单元主轴单元:接受接受CNCCNC的指令的指令,控制主轴电机的转速及旋向控制主轴电机的转速及旋向7)7
16、)速度单元速度单元:接收接收CNC CNC 的指令的指令,控制各伺服轴的动作控制各伺服轴的动作数控系统硬件结构数控系统硬件结构组成组成:中央单元中央单元(CPU)(CPU)总线总线BUSBUS 存储器存储器(RAM,ROM)(RAM,ROM)I/O I/O接口电路接口电路PLC PLC 主轴单元主轴单元 速度控制单元速度控制单元CNCCNC单元系统的构成单元系统的构成 总线总线,信息公共通路的总称信息公共通路的总称 物理导线分为物理导线分为:地址总线地址总线(DB)(DB)数据总线数据总线(AB)(AB)控制总线控制总线(CB)(CB)CPUCPU构成：构成：由运算器、控制器、内部寄存器由运算
17、器、控制器、内部寄存器 两个因素两个因素:1:1）位数位数 2 2）速度）速度 作用作用:对系统内部工件及操作进行统一控制对系统内部工件及操作进行统一控制,按照程序中指令的要按照程序中指令的要 求进行各种运算求进行各种运算,使系统成为一个有机整体使系统成为一个有机整体.BUSBUS作用作用:存放系统软件存放系统软件,零件程序参数等零件程序参数等 存储运算的中间结果存储运算的中间结果 分类分类:存储器存储器:RAM(RAM(随机存储器随机存储器)既可读入也可写出既可读入也可写出,用来存放用来存放 程序程序 参数参数 中间结果中间结果均应保持。均应保持。ROM:ROM:只读存储器，只读存储器，存放
18、系统软件存放系统软件又分为又分为:EPROM:EPROM、E2 ROME2 ROM、闪存。、闪存。FANUC 0i FANUC 0i系统系统的内部结构FANUC 0iFANUC 0iFANUC 0iFANUC 0i系统主系统主系统主系统主CPUCPUCPUCPU板的构成框图板的构成框图板的构成框图板的构成框图 FANUC 0iFANUC 0i系统的系统的CNCCNC单元为大板结构。单元为大板结构。基本配置有基本配置有:主板、主板、存储器板、存储器板、I/O I/O板、板、伺服轴控制板伺服轴控制板 电源板。电源板。各板插在主板上各板插在主板上,与与CPUCPU的总线相连。的总线相连。(1)(1)
19、(1)(1)主板主板主板主板 主主主主CPUCPUCPUCPU在该板上。主在该板上。主在该板上。主在该板上。主CPUCPUCPUCPU用于系统主控用于系统主控用于系统主控用于系统主控,原原原原来用来用来用来用80386,80386,80386,80386,从从从从1998199819981998年起改用年起改用年起改用年起改用80486/DX280486/DX280486/DX280486/DX2。此外此外此外此外,显示的显示的显示的显示的CRTCRTCRTCRT控制也在该板上。控制也在该板上。控制也在该板上。控制也在该板上。(2)(2)(2)(2)存储器板该板上有存储器板该板上有存储器板该板
20、上有存储器板该板上有:系统的控制软件系统的控制软件系统的控制软件系统的控制软件ROMROMROMROM(共共共共5 5 5 5片片片片)。车床车床车床车床(0-T(0-T(0-T(0-T系统系统系统系统););););铣床铣床铣床铣床(镗床镗床镗床镗床,钻床钻床钻床钻床););););加工中心加工中心加工中心加工中心(0-M(0-M(0-M(0-M系统系统系统系统););););磨床磨床磨床磨床(0-G(0-G(0-G(0-G系统系统系统系统););););冲床冲床冲床冲床(0-P(0-P(0-P(0-P系统系统系统系统)。不同类型的机床控制软件不同不同类型的机床控制软件不同不同类型的机床控制
21、软件不同不同类型的机床控制软件不同;伺服控制软件ROM 1片;PMC-L的ROM芯片2片;用于存储机床的强电控制逻辑程序。RAM芯片;用于寄存CPU的中间运算数据。CMOS RAM;用于存储系统和机床参数、零件加工程序。根据用户要求配置,最大可为128K字节。CMOS RAM与4.5 V电池相连,关机时保存信息。(3)I/O(3)I/O板板 该板是该板是该板是该板是CNCCNCCNCCNC单元与机床强电柜的接口。接收或输出单元与机床强电柜的接口。接收或输出单元与机床强电柜的接口。接收或输出单元与机床强电柜的接口。接收或输出24 V24 V24 V24 V直流信号直流信号直流信号直流信号,由由由
22、由PMCPMCPMCPMC实施输入实施输入实施输入实施输入/输出控制。输出控制。输出控制。输出控制。I/OI/OI/OI/O点数可点数可点数可点数可根据机床的复杂程度选择。标准配置为根据机床的复杂程度选择。标准配置为根据机床的复杂程度选择。标准配置为根据机床的复杂程度选择。标准配置为104104104104个个个个输入点输入点输入点输入点,72727272个输出点。个输出点。个输出点。个输出点。(4)(4)进给伺服控制板进给伺服控制板 FANUC 0FANUC 0FANUC 0FANUC 0系统全部用数字式交流伺服控制系统全部用数字式交流伺服控制系统全部用数字式交流伺服控制系统全部用数字式交流
23、伺服控制.其控制板装在其控制板装在其控制板装在其控制板装在CNCCNCCNCCNC单元内，单元内，单元内，单元内，即即即即CNCCNCCNCCNC单元与进给伺服为一体化设计单元与进给伺服为一体化设计单元与进给伺服为一体化设计单元与进给伺服为一体化设计。伺服板上有伺服板上有伺服板上有伺服板上有2 2 2 2个个个个CPUCPUCPUCPU(TMS320),(TMS320),(TMS320),(TMS320),用于伺服的数字控制。每个用于伺服的数字控制。每个用于伺服的数字控制。每个用于伺服的数字控制。每个CPUCPUCPUCPU控制控制控制控制2 2 2 2个轴个轴个轴个轴,一块板可控制一块板可控
24、制一块板可控制一块板可控制4 4 4 4个轴个轴个轴个轴。该板接受主。该板接受主。该板接受主。该板接受主CPUCPUCPUCPU分配的伺服控分配的伺服控分配的伺服控分配的伺服控制指令制指令制指令制指令,输出输出输出输出6 6 6 6个相位各差个相位各差个相位各差个相位各差60606060的脉宽调制信号的脉宽调制信号的脉宽调制信号的脉宽调制信号(每轴每轴每轴每轴),),),),加于各轴加于各轴加于各轴加于各轴的伺服驱动的功率放大器上。的伺服驱动的功率放大器上。的伺服驱动的功率放大器上。的伺服驱动的功率放大器上。0-D0-D0-D0-D系统为系统为系统为系统为4 4 4 4轴轴轴轴(最大配置最大配
25、置最大配置最大配置)控制控制控制控制,4,4,4,4轴联动。只用一块伺服板。轴联动。只用一块伺服板。轴联动。只用一块伺服板。轴联动。只用一块伺服板。0-C0-C0-C0-C最多可控制最多可控制最多可控制最多可控制6 6 6 6个轴个轴个轴个轴,控制控制控制控制6 6 6 6个轴时需用个轴时需用个轴时需用个轴时需用2 2 2 2块板块板块板块板。数控系统的硬件连接数控系统的硬件连接华中数控802C802C802C802C与与与与伺服驱动器伺服驱动器伺服驱动器伺服驱动器SIMODRIVESIMODRIVESIMODRIVESIMODRIVEBase lineBase lineBase lineBa
26、se line和和和和1K7K1K7K1K7K1K7K伺服电机伺服电机伺服电机伺服电机的连接的连接的连接的连接802C802C802C802C与与与与伺服驱动器伺服驱动器伺服驱动器伺服驱动器SIMODRIVESIMODRIVESIMODRIVESIMODRIVEBase lineBase lineBase lineBase line和和和和1K7K1K7K1K7K1K7K伺服电机伺服电机伺服电机伺服电机的连接的连接的连接的连接802C802C802C802C与与与与伺服驱动器伺服驱动器伺服驱动器伺服驱动器SIMODRIVE611SIMODRIVE611SIMODRIVE611SIMODRIVE
27、611和和和和1K7K1K7K1K7K1K7K伺服电机伺服电机伺服电机伺服电机的连接的连接的连接的连接SIN840C系统的硬件结构：系统的硬件结构：华中数控四四、数控系统的常见板卡数控系统的常见板卡华中数控华中数控“世纪星世纪星世纪星世纪星”HNC-21”HNC-21”HNC-21”HNC-21的内部板卡的内部板卡的内部板卡的内部板卡华中数控“世纪星世纪星世纪星世纪星”HNC-21”HNC-21”HNC-21”HNC-21的内部板卡的内部板卡的内部板卡的内部板卡:主板主板主板主板华中数控“世纪星世纪星世纪星世纪星”HNC-21”HNC-21”HNC-21”HNC-21的内部板卡的内部板卡的内部
28、板卡的内部板卡:电源板电源板电源板电源板华中数控华中数控华中数控“世纪星世纪星世纪星世纪星”HNC-”HNC-”HNC-”HNC-21212121的内部板卡的内部板卡的内部板卡的内部板卡:键键键键盘按键板盘按键板盘按键板盘按键板“世纪星世纪星世纪星世纪星”HNC-21”HNC-21”HNC-21”HNC-21的内部板卡的内部板卡的内部板卡的内部板卡:键盘按键板键盘按键板键盘按键板键盘按键板FANUC 0FANUC 0FANUC 0FANUC 0系统为全功能型。下列一些功能增加了系统为全功能型。下列一些功能增加了系统为全功能型。下列一些功能增加了系统为全功能型。下列一些功能增加了系统的应用范围和
29、操作的方便：系统的应用范围和操作的方便：系统的应用范围和操作的方便：系统的应用范围和操作的方便：CsCsCsCs轴轮廓控制。可以省掉轴轮廓控制。可以省掉轴轮廓控制。可以省掉轴轮廓控制。可以省掉CfCfCfCf轴轴轴轴,用主轴的转动用主轴的转动用主轴的转动用主轴的转动做为回转坐标与其它直线轴插补做为回转坐标与其它直线轴插补做为回转坐标与其它直线轴插补做为回转坐标与其它直线轴插补,加工轮廓曲线。加工轮廓曲线。加工轮廓曲线。加工轮廓曲线。刚性攻丝。刚性攻丝。刚性攻丝。刚性攻丝。Z Z Z Z轴进给与主轴转动同步轴进给与主轴转动同步轴进给与主轴转动同步轴进给与主轴转动同步,不用弹不用弹不用弹不用弹簧卡
30、头实现攻丝，从而提高了螺纹的加工精度。簧卡头实现攻丝，从而提高了螺纹的加工精度。簧卡头实现攻丝，从而提高了螺纹的加工精度。簧卡头实现攻丝，从而提高了螺纹的加工精度。PMCPMCPMCPMC轴控制。用梯形图程序控制伺服进给轴，轴控制。用梯形图程序控制伺服进给轴，轴控制。用梯形图程序控制伺服进给轴，轴控制。用梯形图程序控制伺服进给轴，用于回转轴分度或定量位置进给。用于回转轴分度或定量位置进给。用于回转轴分度或定量位置进给。用于回转轴分度或定量位置进给。0-C0-C0-C0-C系统系统系统系统PMCPMCPMCPMC可可可可控制控制控制控制2 2 2 2个进给轴。个进给轴。个进给轴。个进给轴。主轴双
31、刀架。主轴双刀架。主轴双刀架。主轴双刀架。系统的功能系统的功能0.1m0.1m0.1m0.1m分辨率。系统分辨率标准设定为分辨率。系统分辨率标准设定为分辨率。系统分辨率标准设定为分辨率。系统分辨率标准设定为1m1m1m1m。可。可。可。可用参数设定为其用参数设定为其用参数设定为其用参数设定为其1/101/101/101/10。加工程序的后台编辑。自动切削过程中可以编辑加工程序的后台编辑。自动切削过程中可以编辑加工程序的后台编辑。自动切削过程中可以编辑加工程序的后台编辑。自动切削过程中可以编辑新的程序。新的程序。新的程序。新的程序。菜单编程。菜单编程。菜单编程。菜单编程。图形会话在线自动编程。有
32、多种形式图形会话在线自动编程。有多种形式图形会话在线自动编程。有多种形式图形会话在线自动编程。有多种形式,最新的是最新的是最新的是最新的是符号指令形式。易学符号指令形式。易学符号指令形式。易学符号指令形式。易学,易操作。有工艺参数语句。易操作。有工艺参数语句。易操作。有工艺参数语句。易操作。有工艺参数语句。用户宏程序。一种参量编程软件包用户宏程序。一种参量编程软件包用户宏程序。一种参量编程软件包用户宏程序。一种参量编程软件包,用来编制加用来编制加用来编制加用来编制加工程序工程序工程序工程序(适合于成组工艺适合于成组工艺适合于成组工艺适合于成组工艺)或者用其接口变量编制或者用其接口变量编制或者用其接口变量编制或者用其接口变量编制PMCPMCPMCPMC程序程序程序程序,控制控制控制控制CNCCNCCNCCNC的运行状态。的运行状态。的运行状态。的运行状态。