加工中心從誕生之初到現在已有幾十年的時間，得益于CNC數控系統及裝備制造業的發展，現在的加工中心技術和加工功能已經今非昔比，已經可以完美加工以往想都不敢的工件，特別是一些曲面多、輪廓復雜的工件，現在再加工中心上已經不是什么難事。

CNC數控系統的組成

隨著大規模集成電路技術和表面安裝技術的發展，CNC數控系統硬件模塊及安裝方式不斷改進。那么我們現在對其結構方面進行一個數控培訓了解。從CNC數控系統的總體安裝結構看，有整體式結構和分體式結構兩種。

所謂整體式結構是把CRT和MDI面板、操作面板以及功能模塊板組成的電路板等安裝在同一機箱內。這種方式的優點是結構緊湊，便于安裝，但有時可能造成某些信號連線過長。分體式結構通常把CRT和MDI面板、操作面板等做成一個部件，而把功能模塊組成的電路板安裝在一個機箱內，兩者之間用導線或光纖連接。許多CNC機床把操作面板也單獨作為一個部件，這是由于所控制機床的要求不同,操作面板相應地要改變，做成分體式有利于更換和安裝。

CNC操作面板在機床上的安裝形式有吊掛式、床頭式、控制柜式、控制臺式等多種。

從組成CNC系統的電路板的結構特點來看，有兩種常見的結構，即大板式結構和模塊化結構。大板式結構的特點是,一個系統一般都有一塊大板，稱為主板。主板上裝有主CPU和各軸的位置控制電路等。其他相關的子板（完成一定功能的電路板），如ROM板、零件程序存儲器板和PLC板都直接插在主板上面，組成CNC系統的核心部分。由此可見，大板式結構緊湊，體積小，可靠性高，價格低，有很高的性能／價格比，也便于機床的一體化設計，大板結構雖有上述優點，但它的硬件功能不易變動，不利于組織生產。

CNC數控系統主板上的各個組成元件

另外一種柔性比較高的結構就是總線模塊化的開放系統結構，其特點是將CPU、存儲器、輸入輸出控制分別做成插件板（稱為硬件模塊），甚至將CPU、存儲器、輸入輸出控制組成獨立微型計算機級的硬件模塊，相應的軟件也是模塊結構，固化在硬件模塊中。硬軟件模塊形成一個特定的功能單元，稱為功能模塊。功能模塊間有明確定義的接口，接口是固定的，成為工廠標準或工業標準，彼此可以進行信息交換。于是可以積木式組成CNC系統，使設計簡單，有良好的適應性和擴展性，試制周期短，調整維護方便，效率高。

從CNC系統使用的CPU及結構來分，CNC系統的硬件結構一般分為單CPU和多CPU結構兩大類。初期的CNC系統和現在的一些經濟型CNC系統采用單CPU結構，而多CPU結構可以滿足數控機床高進給速度、高加工精度和許多復雜功能的要求，也適應于并入FMS和CIMS運行的需要，從而得到了迅速的發展，它反映了當今數控系統的新水平。

CNC裝置是按模塊化設計的方法構造的

模塊化設計方法：將控制系統按功能劃分成若干種具有獨立功能的單元模塊，并配上相應的驅動軟件。系統設計時按功能的要求選擇不同的功能模塊，并將其插入控制單元母板上，即可組成一個完整的控制系統的方法。其中單元母板一般為總線結構的無源母板，它提供模塊間互聯的信號通路。

實現CNC系統模塊化設計的條件是總線(BUS)標準化。采用模塊化結構時，CNC系統設計工作則可歸結為功能模塊的合理選用。

1、計算機主板和系統總線(母板)

計算機主板是CNC裝置的核心。

功能結構：

CPU及其外圍芯片；內存單元及其外圍芯片；通訊接口(串口，并口，鍵盤接口)。軟、硬驅動器接口。

計算機主板的主要作用：

對輸入到CNC裝置中的各種數據、信息(零件加工程序，各種I/O信息等)進行相應的算術和邏輯運算。并根據其處理結果，向各功能模塊發出控制命令，傳送數據，使用戶的指令得以執行。

系統總線(母板)：由一組傳送數字信息的物理導線組成，它是計算機系統內部進行數據或信息交換的通道：

數據總線：8根數據線、總線寬度8位；地址總線：16根地址線（直接尋址64k）；

控制總線：

工業用PC機的總線母板是獨立的無源四層板（走線面、元件面、電源層和地線層），它的可靠性高于兩層板。其規格有6槽、8槽、12槽、14槽等。

2、顯示模塊(顯示卡)

顯示卡的主要作用：

接收來自CPU的控制命令和顯示用的數據，經與CRT的掃描信號調制后，產生CRT顯示器所需要的視頻信號，在CRT上產生所需要的畫面。

在CNC裝置中，CRT顯示是一個非常重要的功能，它是人機交流的重要媒介，它給用戶提供了一個直觀的操作環境，可使用戶能快速地熟悉適應其操作過程。

顯示卡是一個通用性很強的模塊。它不僅隨時可以在市場上買到，而且它還有非常豐富的支持軟件，因此無需用戶自己開發。

3、輸入/輸出模塊(多功能卡)

它是CNC裝置與外界進行數據和信息交換的接口板，即CNC裝置通過該接口可以從輸入設備獲取數據，也可以將CNC裝置中的數據送給輸出設備。

該模塊也是標準的PC機模塊，一般不需要用戶自己開發。如果計算機主板選用的是標準主板，則此板可省略。

以上三部分（計算機主板、顯示卡、輸入/輸出），再配上鍵盤、電源、機箱，實際上是一部通用的微型計算機系統，它是CNC裝置的核心，從某種意義上講，CNC裝置的檔次和性能是由它決定的。因此，CNC裝置中計算機系統的合理選用是至關重要的。

4、電子盤(存儲模塊)

電子盤是CNC裝置特有的存儲模塊。在CNC裝置中它用來存放下列數據和參數：

系統軟件、系統固有數據；系統的配置參數(系統所能控制的進給軸數，軸的定義，系統增益等)；用戶的零件加工程序。

計算機領域所用存儲器件有三類：

磁存儲器件，如：軟/硬磁盤（讀/寫）。光存儲器件，如：光盤（只讀）。電子（半導體）存儲器件，如RAM、ROM、FLASH等。

前兩類一般用作外存儲器，其特點是容量大，價格低。

電子存儲器件一般用作內存儲器，其價格高于前兩類。若按其讀寫性能來看，它又可分為三類：

只讀存儲元件（ROM、PROM、EPROM、E2PROM）；易失性隨機讀寫存儲元件（RAM）。非易失性讀寫存儲元件。

這類器件有：

E2PROM；FLASH；帶后備電池的RAM。

在CNC裝置中，常采用電子存儲器件作為外存儲器，主要是考慮到CNC裝置的工作環境有可能受到電磁干擾，磁性器件的可靠性低，而電子存儲器件的抗電磁干擾能力相對來講要強一些。

因電子器件組成的存儲單元是按磁盤的管理方式進行的，故稱其為電子盤。電子盤的規格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB等。

5、PLC(ProgrammableLogicController)模塊

PLC模塊：CNC裝置實現順序控制的模塊。

PLC模塊的作用：接收來自操作面板、機床上的各行程開關、傳感器、按鈕、強電柜里的繼電器以及主軸控制、刀庫控制的有關信號，經處理后輸出去控制相應器件的運行。

CNC裝置與被控設備交換的信息有三類：

開關信號、模擬信號、脈沖信號。

上述信號由于其類型、電平、功率以及抗干擾的原因，一般不能直接與CNC裝置相聯，需要一個接口對這些信號進行變換處理。

PLC模塊變換處理其目的：

滿足CNC系統的輸入輸出要求。信號轉換主要包括幾個方面：

電平轉換；A/D、D/A轉換；數字量與脈沖量相互轉換；功率匹配；阻斷外部的干擾信號進入計算機，在電氣上將CNC裝置與外部信號進行隔離，以提高CNC裝置運行的可靠性。

CNC機床用的PLC一般分為兩類：

內裝型（Built-inType）PLC（或集成式、內含式）。獨立型（Stand-aloneType）PLC（或通用型）

6、位置控制模塊

位置控制模塊是進給伺服系統的重要組成部分，是實現軌跡控制時，CNC裝置與伺服驅動系統連接的接口模塊。

常用的位置控制模塊有：

開環位置控制模塊：CNC裝置與步進電機驅動電源的接口；閉環（含半閉環）位置控制模塊：CNC裝置與直流、交流伺服驅動裝置的接口。

7、功能接口模塊

實現用戶特定功能要求的接口板，實例：

仿形控制器接口；激光加工焦點自動跟蹤器接口；刀具監控系統中的信號采集器接口板。

三、數控系統(硬件)簡介

我國數控系統是具有自主版權的高性能數控系統之一。它以通用的工業PC機為基礎，采用開放式的體系結構，系統的可靠性和質量得到了保證。它適合多坐標(2-5軸)數控鏜車床和加工中心，在增加相應的軟件模塊后，也可適應于其它類型的數控機床(數控磨床、車床、齒輪加工機床等)以及特種加工機床（激光加工機、線切割機等）。

四、多主結構的CNC系統硬件簡介

多主CPU結構中，有兩個或兩個以上的CPU部件，部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統，通過總線仲裁器(由硬件和軟件組成)來解決總線爭用問題，通過公共存儲器來進行信息交換。

1、多主結構的特點：

能實現真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實現較復雜的系統功能。容錯能力強，在某模塊出了故障后，通過系統重組仍可斷繼續工作

2、多主結構的結構形式：

共享總線結構型；共享存儲器結構型。

結構特征：

功能模塊分為帶有CPU的主模塊和從模塊(RAM/ROM，I/O模塊)，以系統總線為中心，所有的主、從模塊都插在嚴格定義的標準系統總線上。采用總線仲裁機構(電路)來裁定多個模塊同時請求使用系統總線的競爭問題。

共享總線結構的優點：

結構簡單、系統組配靈活、成本相對較低、可靠性高；

共享總線結構的缺點：

總線是系統的“瓶頸”，一旦系統總線出現故障，將使整個系統受到影響；由于使用總線要經仲裁，使信息傳輸率降低。

結構特征：

面向共公存儲器來設計的，即采用多端口來實現各主模塊之間的互連和通訊，采用多端口控制邏輯來解決多個模塊同時訪問多端口存儲器沖突的矛盾。

由于多端口存儲器設計較復雜，而且對兩個以上的主模塊，會因爭用存儲器可能造成存儲器傳輸信息的阻塞，所以這種結構一般采用雙端口存儲器（雙端口RAM）。

一、概述

CNC裝置從它的硬件組成結構來看，若按其中含有CPU的多少來分，可分為下面幾類：

單機系統：整個CNC裝置只有一個CPU，它集中控制和管理整個系統資源，通過分時處理的方式來實現各種NC功能。

主從結構，系統中只有一個CPU(稱為主CPU)對系統的資源有控制和使用權其它帶CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或數據，或向主CPU發出請求信息以獲得所需的數據。即它是處于以從屬地位的，故稱之為主從結構。

多機系統：CNC裝置中有兩個或兩個以上的CPU，即系統中的某些功能模塊自身也帶有CPU，根據部件間的相互關系又可將其分為：

多主結構：系統中有兩個或兩個以上帶CPU的模塊部件對系統資源有控制或使用權。模塊之間采用緊耦合，有集中的操作系統，通過仲裁器來解決總線爭用問題，通過共公存儲器進行交換信息。

分布式結構：系統有兩個或兩個以上帶CPU的功能模塊，各模塊有自己獨立的運行環境，模塊間采用松耦合，且采用通訊方式交換信息。

二、單機或主從結構模塊的功能介紹

CNC裝置是按模塊化設計的方法構造的

模塊化設計方法：將控制系統按功能劃分成若干種具有獨立功能的單元模塊，并配上相應的驅動軟件。系統設計時按功能的要求選擇不同的功能模塊，并將其插入控制單元母板上，即可組成一個完整的控制系統的方法。其中單元母板一般為總線結構的無源母板，它提供模塊間互聯的信號通路。

實現CNC系統模塊化設計的條件是總線(BUS)標準化。采用模塊化結構時，CNC系統設計工作則可歸結為功能模塊的合理選用。

1、計算機主板和系統總線(母板)

計算機主板是CNC裝置的核心。

功能結構：

CPU及其外圍芯片；內存單元及其外圍芯片；通訊接口(串口，并口，鍵盤接口)。軟、硬驅動器接口。

計算機主板的主要作用：

對輸入到CNC裝置中的各種數據、信息(零件加工程序，各種I/O信息等)進行相應的算術和邏輯運算。并根據其處理結果，向各功能模塊發出控制命令，傳送數據，使用戶的指令得以執行。

系統總線(母板)：由一組傳送數字信息的物理導線組成，它是計算機系統內部進行數據或信息交換的通道：

數據總線：8根數據線、總線寬度8位；地址總線：16根地址線（直接尋址64k）；

控制總線：

工業用PC機的總線母板是獨立的無源四層板（走線面、元件面、電源層和地線層），它的可靠性高于兩層板。其規格有6槽、8槽、12槽、14槽等。

2、顯示模塊(顯示卡)

顯示卡的主要作用：

接收來自CPU的控制命令和顯示用的數據，經與CRT的掃描信號調制后，產生CRT顯示器所需要的視頻信號，在CRT上產生所需要的畫面。

在CNC裝置中，CRT顯示是一個非常重要的功能，它是人機交流的重要媒介，它給用戶提供了一個直觀的操作環境，可使用戶能快速地熟悉適應其操作過程。

顯示卡是一個通用性很強的模塊。它不僅隨時可以在市場上買到，而且它還有非常豐富的支持軟件，因此無需用戶自己開發。

3、輸入/輸出模塊(多功能卡)

它是CNC裝置與外界進行數據和信息交換的接口板，即CNC裝置通過該接口可以從輸入設備獲取數據，也可以將CNC裝置中的數據送給輸出設備。

該模塊也是標準的PC機模塊，一般不需要用戶自己開發。如果計算機主板選用的是標準主板，則此板可省略。

以上三部分（計算機主板、顯示卡、輸入/輸出），再配上鍵盤、電源、機箱，實際上是一部通用的微型計算機系統，它是CNC裝置的核心，從某種意義上講，CNC裝置的檔次和性能是由它決定的。因此，CNC裝置中計算機系統的合理選用是至關重要的。

4、電子盤(存儲模塊)

電子盤是CNC裝置特有的存儲模塊。在CNC裝置中它用來存放下列數據和參數：

系統軟件、系統固有數據；系統的配置參數(系統所能控制的進給軸數，軸的定義，系統增益等)；用戶的零件加工程序。

計算機領域所用存儲器件有三類：

磁存儲器件，如：軟/硬磁盤（讀/寫）。光存儲器件，如：光盤（只讀）。電子（半導體）存儲器件，如RAM、ROM、FLASH等。

前兩類一般用作外存儲器，其特點是容量大，價格低。

電子存儲器件一般用作內存儲器，其價格高于前兩類。若按其讀寫性能來看，它又可分為三類：

只讀存儲元件（ROM、PROM、EPROM、E2PROM）；易失性隨機讀寫存儲元件（RAM）。非易失性讀寫存儲元件。

這類器件有：

E2PROM；FLASH；帶后備電池的RAM。

在CNC裝置中，常采用電子存儲器件作為外存儲器，主要是考慮到CNC裝置的工作環境有可能受到電磁干擾，磁性器件的可靠性低，而電子存儲器件的抗電磁干擾能力相對來講要強一些。

因電子器件組成的存儲單元是按磁盤的管理方式進行的，故稱其為電子盤。電子盤的規格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB等。

5、PLC(ProgrammableLogicController)模塊

PLC模塊：CNC裝置實現順序控制的模塊。

PLC模塊的作用：接收來自操作面板、機床上的各行程開關、傳感器、按鈕、強電柜里的繼電器以及主軸控制、刀庫控制的有關信號，經處理后輸出去控制相應器件的運行。

CNC裝置與被控設備交換的信息有三類：

開關信號、模擬信號、脈沖信號。

上述信號由于其類型、電平、功率以及抗干擾的原因，一般不能直接與CNC裝置相聯，需要一個接口對這些信號進行變換處理。

PLC模塊變換處理其目的：

滿足CNC系統的輸入輸出要求。信號轉換主要包括幾個方面：

電平轉換；A/D、D/A轉換；數字量與脈沖量相互轉換；功率匹配；阻斷外部的干擾信號進入計算機，在電氣上將CNC裝置與外部信號進行隔離，以提高CNC裝置運行的可靠性。

CNC機床用的PLC一般分為兩類：

內裝型（Built-inType）PLC（或集成式、內含式）。獨立型（Stand-aloneType）PLC（或通用型）

6、位置控制模塊

位置控制模塊是進給伺服系統的重要組成部分，是實現軌跡控制時，CNC裝置與伺服驅動系統連接的接口模塊。

常用的位置控制模塊有：

開環位置控制模塊：CNC裝置與步進電機驅動電源的接口；閉環（含半閉環）位置控制模塊：CNC裝置與直流、交流伺服驅動裝置的接口。

7、功能接口模塊

實現用戶特定功能要求的接口板，實例：

仿形控制器接口；激光加工焦點自動跟蹤器接口；刀具監控系統中的信號采集器接口板。

三、數控系統(硬件)簡介

我國數控系統是具有自主版權的高性能數控系統之一。它以通用的工業PC機為基礎，采用開放式的體系結構，系統的可靠性和質量得到了保證。它適合多坐標(2-5軸)數控鏜車床和加工中心，在增加相應的軟件模塊后，也可適應于其它類型的數控機床(數控磨床、車床、齒輪加工機床等)以及特種加工機床（激光加工機、線切割機等）。

四、多主結構的CNC系統硬件簡介

多主CPU結構中，有兩個或兩個以上的CPU部件，部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統，通過總線仲裁器(由硬件和軟件組成)來解決總線爭用問題，通過公共存儲器來進行信息交換。

1、多主結構的特點：

能實現真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實現較復雜的系統功能。容錯能力強，在某模塊出了故障后，通過系統重組仍可斷繼續工作

2、多主結構的結構形式：

共享總線結構型；共享存儲器結構型。

結構特征：

功能模塊分為帶有CPU的主模塊和從模塊(RAM/ROM，I/O模塊)，以系統總線為中心，所有的主、從模塊都插在嚴格定義的標準系統總線上。采用總線仲裁機構(電路)來裁定多個模塊同時請求使用系統總線的競爭問題。

共享總線結構的優點：

結構簡單、系統組配靈活、成本相對較低、可靠性高；

共享總線結構的缺點：

總線是系統的“瓶頸”，一旦系統總線出現故障，將使整個系統受到影響；由于使用總線要經仲裁，使信息傳輸率降低。
東莞市周氏數控設備有限公司-數控車床，企業堅強后盾整理發布。