数控系统的主要硬件配置

3.1.2　数控系统的主要硬件配置

对于一个完整的数控系统来说，要实现对机床的控制，其硬件配置主要是由以下三部分组成。

1．电源系统

数控机床的控制电源是数控系统硬件的重要组成部分，为系统正常工作提供能源。也是在维修中常常出现问题的部分。数控机床的电源系统有交流与直流两个部分。

（1）交流电源

它是控制系统提供能源的器件，也是给伺服驱动提供能源的器件。交流电源上也有各种保护及切换装置；有短路、隔离及失压保护。这个交流电源向伺服系统供电时，一定要注意有晶闸管器件的装置的供电相序，一旦程序接错，有晶闸管器件就失去了同步的关系，造成故障。

（2）直流电源

直流电源作为控制用多为开关稳压电源，有＋5V、＋24V、±15V等电压，各设备的电压情况不尽相同，例如，CRT上供电电压有的是24V，有的是交流110V或220V。所以，应尽可能地看好各端子供电电压的要求。电源非常重要，一旦出错会造成不可弥补的损失。还有，就是对伺服供电的直流电压，它大多数是经伺服变压器及整流装置所获得的。

（3）电池电源

由于数控装置中有些信息要在机床断电情况下进行保持，因此，有一部分RAM区用电池来进行数据保持，这些电池多数是锂电池，寿命长，但电量小。这部分电池也可用普通电池经二极管降压达到所需电压值来代替，但一定要注意寿命。电池必须在通电情况下进行更换，否则数据就会丢失，这一点与常规习惯不同，更换时要注意不产生短路现象。

在电源系统中，还有一个关键的装置，就是控制电压的稳压设备，也时常出现修复问题。

2．控制系统

这里所指的控制系统是指数控装置中信号产生、处理、传输及执行过程所涉及的单元及各单元的联系手段。主要有中央处理器、存储器、位置伺服控制、主轴控制等模块组成。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，并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，即可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，实现CNC系统模块化设计的条件是总线（BUS）标准化。其硬件组成如图3-1所示。

图3-1　数控系统硬件框图

（1）计算机主板和系统总线（母板）

计算机主板是CNC装置的核心。功能结构主要有：

CPU及其外围芯片；

内存单元、cache及其外围芯片；

通信接口（串口、并口、键盘接口）；

软、硬驱动器接口

计算机主板的主要作用：对输入到CNC装置中的种种数据、信息（零件加工程序，各种I/O信息等）进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。

系统总线（母板）：由一组传送数字信息的物理导线组成，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道，主要由数据总线、地址总线、控制总线组成。

工业用PC机的总线母板是独立的无源四层板（走线面、元件面、电源层和地线层），它的可靠性高于两层板。其规格有6槽、8槽、12槽、14槽等。

（2）显示模块（显示卡）

显示卡的主要作用：接收来自CPU的控制命令和显示用的数据，经与CRT的扫描信号调制后，产生CRT显示器所需要的视频信号，在CRT上产生所需要的画面。

在CNC装置中，CRT显示是一个非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介，为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。显示卡是一个通用性很强的模块。它不仅随时可以在市场上买到，而且还有非常丰富的支持软件，因此无需用户自己开发。

（3）输入/输出模块（多功能卡）

它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即CNC装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的数据传送给输出设备。

该模块也是标准的PC机模块，一般不需要用户自己开发。如果计算机主板选用的是ALL-IN-ONE 主板，则此板可省略。

以上三部分，再配上键盘、电源、机箱，实际上是一部通用的微型计算机系统，它是CNC装置的核心，从某种意义上讲，CNC装置的档次和性能是由它决定的。因此，CNC装置中计算机系统的合理选用是至关重要的。

（4）电子盘（存储模块）

电子盘是CNC装置特有的存储模块。在CNC装置中它用来存放下列数据和参数：系统软件、系统固有数据；系统的配置参数（系统所能控制的进给轴数，轴的定义，系统增益等）；用户的零件加工程序。

计算机领域所用的存储器件有三类：磁存储器件，如：软/硬磁盘（读/写）；光存储器件，如：光（只读）；电子（半导体）存储器件，如 RAM、ROM、FLASH等。前两类一般用作外存储器，其特点是容量大、价格低。电子存储器件一般用作内存储器，其价格高于前两类。若按其读写性能来看，它又可分为三类：只读存储元件（ROM、PROM、EPROM）、易失性随机读写存储元件（RAM）、非易失性读写存储元件。在CNC装置中，常采用电子存储器件作为外存储器，主要是考虑到CNC装置的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。因电子器件组成的存储单元是按磁盘的管理方式进行的，故称其为电子盘。电子盘的规格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB等。另外，还有E2PROM、FLASH、带后备电池的RAM。

（5）PLC（Programmable Logic Controller）模块

PLC模块是CNC装置实现顺序控制的模块。

PLC模块的作用：接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出以控制相应器件的运行。CNC装置与被控设备交换的信息有三类：开关信号、模拟信号、脉冲信号。

上述信号由于其类型、电平、功率以及抗干扰的原因，一般不能直接与CNC装置相连，需要一个接口对这些信号进行变换处理。

PLC模块变换处理的目的：满足CNC系统的输入输出要求。信号转换主要包括以下几个方面：

1）电平转换；

2）A/D、D/A转换；

3）数字量与脉冲量相互转换；

4）功率匹配；

阻断外部的干扰信号进入计算机，在电气上将CNC装置与外部信号进行隔离，以提高CNC装置运行的可靠性。PLC模块实现方式如图3-2所示。

图3-2　PLC模块逻辑硬件框图

简单I/O接口板PLC控制：它是目前CNC系统用得最广泛的方式。PLC系统基本结构如图3-3所示。

图3-3　PLC系统基本结构

机床用的PLC一般分为两类：

内装型（Built-in Type）PLC（或集成式、内含式）；

独立型（Stand-alone Type）PLC（或通用型）。

（6）位置控制模块

位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是在实现轨迹控制时CNC装置与伺服驱动系统连接的接口模块。

常用的位置控制模块有：

开环位置控制模块：CNC装置与步进电机驱动电源的接口。

闭环（含半闭环）位置控制模块：CNC装置与直流、交流伺服驱动装置的接口。

（7）功能接口模块

实现用户特定功能要求的接口板，例如：

仿形控制器接口；

激光加工焦点自动跟踪器接口；

刀具监控系统中的信号采集器接口板。

3．独立单元

独立单元是指能够以简单的适配关系与系统中其他部分结合在一起的部分。例如NC系统、外接PLC、伺服单元、电机、转速传感器、光栅系统、脉冲编码器、纸带阅读机、操作面板等。对于一个独立单元应了解电源连接，所有输入/输出信号线的功能，信号的类型、性质和机床运行中各种状态变化的情况，即掌握其“接口”。就伺服单元而言，它有电源、速度反馈线、设定线、允许信号线、准备完成应答线等等。但是，是伺服系统问题还是其他器件的问题，一个关键参数就是VCMD，VCMD就是NC送来的速度指令信号。在模拟的控制中，它就是一个−10V～+10V的信号，这个信号就是判断伺服系统好坏的一个关键参考点。没有这个信号，伺服就不能运动。如果有了这个信号，而伺服还不动，这就是伺服出现了问题。最后，我们判断一个增量编码器是否完好，就要看脉冲编码器相连的8根线上的信号有没有，都是什么样的波形，波形有多高，负载能力如何。