当数控系统的硬件结构

数控系统的硬件结构

1．硬件结构

现以国家“八五”数控攻关成果－中华I型（以下简称CME988）数控系统为例，看一个开放式结构数控系统的硬件结构。作为开放的硬件结构设计一般应满足：

1）系统体系结构的开放性。

2）对技术发展的适应性。

3）应用范围的广泛性。

4）生产厂和用户两方面的支持性。

5）数控系统的高可靠性。

为了保证数控系统的高可靠性，本系统采用把工业控制用PC主板嵌入到专用数控硬件结构中。硬件的设计采用混合总线结构，即采用各自作为包装袋侧面、背面、顶部和底部的热合试样专用CME总线和ISA总线混合。总线上有多个CME总线的插槽和一个ISA总线插槽。模块化、平台式的结构设计，可适应技术的进步和发展。系统可以跟随PC的发展而升级，系统配置灵活，其功能可以扩展也可以剪裁，因而可以派生出多种不同功能的数控系统，形成CNC的系列产品，满足不同类型机床的应用要求，其系统硬件框图如图19－5所示。

图19－5 CME988硬件结构框图

硬件配置如下：

1）All-In-One PC主卡（也称半长卡）。早期使用IPC，芯片采用80386＋80387、4MB RAM，而现在可以使用80486、80586、Pentium Ⅲ，主频用66、100、450MHz或更高。RAM可选8MB。

2）VGA显示卡。早期使用PC104总线VGA卡，现在已集成在PC主卡内。

3）MFUN（多功能）模块内装有1.4MB ROM电子盘，用于存储控制程序和PLC程序。384KB RAM用于参数存储和加工程序存储。当选用一个通道方式时，约有80KB作为参数存储，并可存储800m长的加工程序，并可扩展到3600m。多功能模板上装有三轴位置控制模块、键盘适配器等。

4）POS（位置控制）模板。该模板仅配置3轴位置控制功能，作为轴数扩展模板。

5）DI／DO模板，是接口输入输出模板，最大输入104而最容易坏的就是把手和刀柄连接处点，最大输出56点。可用增加DI／DO模板来扩展输入输出点数。

6）CRT显示和操作面板。CRT可选择23cm（9in）、26cm（10in）或36cm（14in）单色和彩色显示器，为了使整体结构紧凑，设计了专用的键盘。

7）总线模板。总线模板设计为无源总线，有10插槽和5插槽两种，根据功能的多少来选择总线模板的大小。模板为CME专用总线和ISA总线混合形式。

8）电源模块。有＋5V、10A，±15V、0.2A，＋24V、2A，设有过电流、过欠电压保护。

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9）硬件配置没有硬盘和软驱，可选用软驱用软盘来传送加工程序和调试程序。

10）可选用ARCNET卡，用于CNC系统联，实现FMS控制。

2．硬件位置控制功能结构

在以PC为基础构成的数控系统中，多数硬件模板可以选用通用模板，比如电源、DI／DO等，但位置控制功能还没有合适的通用模板，这样位置控制功能的实现，是在以PC为基础的数控系统中主要要解决的问题。随着微电子技术和数字化技术的发展，有的厂家把位置控制功能集成在数字伺服驱动模块里，有的厂家用软件方法实现位置控制功能，多数的控制系统生产厂还是自己来设计位置控制功能模板。CME988数控系统位置控制功能是用硬件来实现的，其框图如图19－6所示。

图19－6 位置控制功能框图

其模块功能介绍如下：

1）DDA（Digital Differential Analyzer）是微分工作原理的细插补器。它的每个插补周期（插补周期可设定2、4、8、16ms），通过总线把软件完成的粗插补指令数据输入，并进行插补运算，在插补运算的同时，把输出量传给进给脉冲计数器和误差计数器。

2）进给脉冲计数器。首先它从总线上输入指令数据，用DDA输出的脉冲进行减法计数，直到计数器为零时，表示该程序段插补运算完成，重新输入下一个程序段指令。

3）误差计数器。它的数值是实际要移动位置的残余量。它是从DDA和补偿发生器那里得到指令数据。当执行电动机转动后，编码器（或旋转变压器、光栅尺等）输出反馈脉冲，它使误差计数器现在进行减法运算，直到误差计数器的值为零，表示位移指令完成。

4）倍频和倍率。它是对反馈脉冲进行处理，首先是4倍频，然后根据不同螺距丝杆的要求设定倍率，有1、3／4、1／2、3／5、1／4、1／8倍率可供选择。

5）补偿发生器。从总线上得到要补偿的指令数据，并把这数据处理后适时地传送给误差计数器，对移动位置进行补偿。

6）参考计数器。除用于一些辅助功能外，主要用于回零检测，当零位开关到位后，编码器每转信号检出后，根据计数器的给定值确定最终零位。

7）由于电动机及其拖动的机械部分是一个惯性负载，所以总要产生跟踪误差，可用设定位置环的增益来改善负载的响应特性，减少跟踪误差。

8）为了减小加工误差，设计者除设定位置环增益外，又研究了前馈（Feed forward）和预测前馈[Preview feed forward，又称预见（Look ahead）控制]。预测前馈是在程序段未执行前，对多段加工程序进行预先演算，由于不同的加工曲线会演算出不同的结果，根据这个预测的结果进行前馈补偿和速度调整，提高零件的加工精度。本系统没有预测前馈功能。

9）CME988系统具有两种输出形式：一种是输出PWM调制信号作为模拟输出；另一种是以脉冲的形式输出，如图19－6所示。

10）译码器、立即数寄存器和初始状态设定，都是为整个位置控制电路服务的。