第二節(jié) CNC裝置
一、CNC裝置所具備的功能
CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心部件，它由三部分組成，即計算機（硬件和軟件）、可編程序控制器（PLC）和接口電路。
它的功能是：根據(jù)輸入的零件加工程序、數(shù)據(jù)和參數(shù)，完成數(shù)值計算和邏輯判斷，進行輸入、輸出控制。
CNC裝置的功能分成為兩類：
控制功能、準備功能、插補功能、進給功能、主軸功能、輔助功能、選刀和工作臺分度功能、字符顯示功能、診斷功能屬于數(shù)控機床必備的基本功能，價格比較便宜； 補償功能、固定循環(huán)功能、圖形顯示功能、通信功能及在線自動編程功能屬于選擇功能，用戶可根據(jù)需要加以選用。
【例題·單選題】（2007）下列CNC裝置的功能中，用戶根據(jù)需要加以選用的功能是（ ）。
A.準備功能
B.輔助功能
C.進給功能
D.通信功能
『正確答案』D
『答案解析』CNC裝置中，選擇功能包括補償功能、固定循環(huán)功能、圖形顯示功能、通信功能、在線自動編程功能。
二、CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)
微處理器（CPU）是CNC裝置的核心，由運算器和控制器兩部分組成。
微處理器的品質(zhì)決定了CNC裝置的檔次。CPU的主要指標是主頻和字長。
總線：總線是CNC裝置各部分之間傳送信息的公共通道。
按照信號的物理意義，總線分為數(shù)據(jù)總線（雙向總線）、地址總線（單項總線）和控制總線。數(shù)據(jù)總線為各個部分傳送數(shù)據(jù)；地址總線傳送的是地址信號；控制總線傳輸?shù)氖强刂菩盘枴?BR> 接口協(xié)議：為使不同的設備能夠連接在一起協(xié)調(diào)地工作，必須對設備的連接進行統(tǒng)一的規(guī)定和必要的約束，這種約束就是接口協(xié)議。實現(xiàn)接口協(xié)議的硬件設備叫接口電路，簡稱接口。
CNC裝置的接口電路包括與機床側(cè)的信號輸入輸出接口、與上位機的通信接口以及各種標準輸入輸出設備的接口。
（一）單微處理器結(jié)構(gòu)與多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置
1.單微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置。
結(jié)構(gòu)：單微處理器CNC裝置只有一個微處理器，或雖然有兩個以上的微處理器，但其中只有一個微處理器能夠控制總線，而其他微處理器不能控制系統(tǒng)總線，不能訪問主存儲器，各微處理器組成主從結(jié)構(gòu)。
工作方式：集中控制，分時處理。
單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置幾乎都采用以總線為中心的計算機結(jié)構(gòu)。
工作原理：CPU 通過總線與存儲器（EPROM：可擦洗可編程只讀存儲器；RAM：隨機存取存儲器）、可編程控制器PLC、位置控制器及各種接口相連。
單微處理器CNC裝置中微處理器（CPU）是核心；總線是CNC裝置各部分之間傳送信息的公共通道。
機床I/O接口要求：必要的電隔離，電平轉(zhuǎn)換和功率放大。
分類：按照印刷電路插接方式的不同，單微處理器結(jié)構(gòu)的 CNC 裝置可以分為：
（1）大板結(jié)構(gòu)：CNC裝置由主板和輔助功能板（卡）組成。
主板為大印刷電路板，CNC裝置的主要功能都集在這塊板上。板上有微處理器、存儲器、定時與中斷控制電路、位置控制電路及標準接口等。
輔助功能板為小印刷電路板，如PLC板、I/O控制板、CRT顯示控制板、附加存儲板等。輔助功能板插在主板的插槽內(nèi)，受主板驅(qū)動。
（2）模塊化結(jié)構(gòu)。將CNC裝置的配件按功能劃分成模板，每個功能模塊都制成尺寸相同的印刷電路板，稱為功能模板。
常見的功能模板有CNC控制板、位置控制板、PLC板、CRT顯示控制板、通信板等。
采用標準總線作為母版。將各功能模板插在母板上。
【提示】由于全部數(shù)控功能都由一個微處理器完成，所以，整個CNC裝置的功能將受到CPU字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等因素的影響。
2.多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置?！ ∨c單微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置相比，運算速度更高，更適合于多軸控制、高進給速度、高精度、高效率的數(shù)控要求。
多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置多采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個功能模塊分管各自的任務。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，采取積木方式組成CNC裝置，因此具有良好的適應性和擴展性。發(fā)生故障時可及時更換模塊。
模塊化結(jié)構(gòu)的多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置中的基本功能模塊一般有以下六種。
（1）CNC管理模塊。
（2）CNC插補模塊。
（3）位置控制模塊。
（4）存儲器模塊。
（5）PLC模塊。
（6）指令、數(shù)據(jù)的輸入輸出及顯示模塊。
多微處理器CNC裝置各模塊之間的連接和通信主要采用共享總線和共享存儲器兩類結(jié)構(gòu)。
共享總線結(jié)構(gòu)
將各功能模塊插在配有總線插座的機框內(nèi)，由系統(tǒng)總線把各個模塊有效地連接起來，按照要求交換各種控制指令和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各種預定的功能。
由主模塊才有權(quán)控制使用總線，某一時刻只能由一個主模塊占用總線。
配置靈活，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，造價低，因此經(jīng)常被采用。
缺點是由于各主模塊使用總線時會引起“競爭”，而使信息傳輸效率降低，總線一旦出現(xiàn)故障會影響全局。
共享存儲器結(jié)構(gòu)
采用多端口存儲器來實現(xiàn)各微處理器之間的互聯(lián)和通信
功能擴展比較困難，并且多端口存儲器不易制造。
（二）專用CNC裝置與開放式CNC裝置
專用型CNC裝置結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、技術(shù)成熟。在制造業(yè)中得到廣泛應用。但由于采用封閉式的體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)硬件是專用的，組成系統(tǒng)的功能板及其之間的連接方式都是專門設計而不能通用；系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)也是專用的，細節(jié)對外不公開，不能提供給用戶。所以帶來很大的不便。
CNC裝置的開放化是制造業(yè)最終用戶、機床生產(chǎn)廠家以及CNC裝置生產(chǎn)廠家共同的需求。CNC裝置的開放化主要體現(xiàn)在：
（1）系統(tǒng)組成內(nèi)部的開放化，即系統(tǒng)內(nèi)部硬、軟的公開化。這樣，不僅降低了開發(fā)成本，而且還能開發(fā)出理想的、適合用戶需求的各種功能。
（2）系統(tǒng)組成各部分之間的開放化，即各組成部分（如CNC、伺服驅(qū)動、主軸驅(qū)動等）之間的接口標準化。這樣就可以從眾多的組件生產(chǎn)廠家中選擇組件構(gòu)成整機。
開放式CNC裝置，常稱為PC—NC系統(tǒng)，其組成方式一般有以下幾種：
組成方式
連接方式
優(yōu)缺點
PC連接型CNC
現(xiàn)有CNC與PC通過串行通信連接起來
優(yōu)點：易實現(xiàn)，CNC部分幾乎可以不加改動，也可以使用通用軟件；
缺點：CNC部分不不能實現(xiàn)開放化，系統(tǒng)響應速度慢。
PC內(nèi)藏型CNC
在CNC內(nèi)部加裝PC，PC與CNC之間通過專用總線連接
優(yōu)點：CNC部分幾乎可以不加改動地使用，數(shù)據(jù)傳輸快，系統(tǒng)響應快；
缺點：不能直接使用通用PC。
CNC內(nèi)藏型PC
通用PC的擴展槽中插入專用CNC，專用CNC具有包括加工軌跡生成等幾乎所有的CNC處理功能
優(yōu)點：能夠充分保證系統(tǒng)性能，軟件通用性強而且編程處理靈活；
缺點：很難利用現(xiàn)有的CNC資源和系統(tǒng)的可靠性。
全軟件型NC
CNC的全部功能都由PC完成
優(yōu)點：硬件通用性強，編程處理靈活；
缺點：在通用PC上較難實現(xiàn)實時處理，較難保證系統(tǒng)性能，而且難以利用現(xiàn)有CNC資源。
一、CNC裝置所具備的功能
CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心部件，它由三部分組成，即計算機（硬件和軟件）、可編程序控制器（PLC）和接口電路。
它的功能是：根據(jù)輸入的零件加工程序、數(shù)據(jù)和參數(shù)，完成數(shù)值計算和邏輯判斷，進行輸入、輸出控制。
CNC裝置的功能分成為兩類：
控制功能、準備功能、插補功能、進給功能、主軸功能、輔助功能、選刀和工作臺分度功能、字符顯示功能、診斷功能屬于數(shù)控機床必備的基本功能，價格比較便宜； 補償功能、固定循環(huán)功能、圖形顯示功能、通信功能及在線自動編程功能屬于選擇功能，用戶可根據(jù)需要加以選用。
【例題·單選題】（2007）下列CNC裝置的功能中，用戶根據(jù)需要加以選用的功能是（ ）。
A.準備功能
B.輔助功能
C.進給功能
D.通信功能
『正確答案』D
『答案解析』CNC裝置中，選擇功能包括補償功能、固定循環(huán)功能、圖形顯示功能、通信功能、在線自動編程功能。
二、CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)
微處理器（CPU）是CNC裝置的核心，由運算器和控制器兩部分組成。
微處理器的品質(zhì)決定了CNC裝置的檔次。CPU的主要指標是主頻和字長。
總線：總線是CNC裝置各部分之間傳送信息的公共通道。
按照信號的物理意義，總線分為數(shù)據(jù)總線（雙向總線）、地址總線（單項總線）和控制總線。數(shù)據(jù)總線為各個部分傳送數(shù)據(jù)；地址總線傳送的是地址信號；控制總線傳輸?shù)氖强刂菩盘枴?BR> 接口協(xié)議：為使不同的設備能夠連接在一起協(xié)調(diào)地工作，必須對設備的連接進行統(tǒng)一的規(guī)定和必要的約束，這種約束就是接口協(xié)議。實現(xiàn)接口協(xié)議的硬件設備叫接口電路，簡稱接口。
CNC裝置的接口電路包括與機床側(cè)的信號輸入輸出接口、與上位機的通信接口以及各種標準輸入輸出設備的接口。
（一）單微處理器結(jié)構(gòu)與多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置
1.單微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置。
結(jié)構(gòu)：單微處理器CNC裝置只有一個微處理器，或雖然有兩個以上的微處理器，但其中只有一個微處理器能夠控制總線，而其他微處理器不能控制系統(tǒng)總線，不能訪問主存儲器，各微處理器組成主從結(jié)構(gòu)。
工作方式：集中控制，分時處理。
單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置幾乎都采用以總線為中心的計算機結(jié)構(gòu)。
工作原理：CPU 通過總線與存儲器（EPROM：可擦洗可編程只讀存儲器；RAM：隨機存取存儲器）、可編程控制器PLC、位置控制器及各種接口相連。
單微處理器CNC裝置中微處理器（CPU）是核心；總線是CNC裝置各部分之間傳送信息的公共通道。
機床I/O接口要求：必要的電隔離，電平轉(zhuǎn)換和功率放大。
分類：按照印刷電路插接方式的不同，單微處理器結(jié)構(gòu)的 CNC 裝置可以分為：
（1）大板結(jié)構(gòu)：CNC裝置由主板和輔助功能板（卡）組成。
主板為大印刷電路板，CNC裝置的主要功能都集在這塊板上。板上有微處理器、存儲器、定時與中斷控制電路、位置控制電路及標準接口等。
輔助功能板為小印刷電路板，如PLC板、I/O控制板、CRT顯示控制板、附加存儲板等。輔助功能板插在主板的插槽內(nèi)，受主板驅(qū)動。
（2）模塊化結(jié)構(gòu)。將CNC裝置的配件按功能劃分成模板，每個功能模塊都制成尺寸相同的印刷電路板，稱為功能模板。
常見的功能模板有CNC控制板、位置控制板、PLC板、CRT顯示控制板、通信板等。
采用標準總線作為母版。將各功能模板插在母板上。
【提示】由于全部數(shù)控功能都由一個微處理器完成，所以，整個CNC裝置的功能將受到CPU字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等因素的影響。
2.多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置?！ ∨c單微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置相比，運算速度更高，更適合于多軸控制、高進給速度、高精度、高效率的數(shù)控要求。
多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置多采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個功能模塊分管各自的任務。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，采取積木方式組成CNC裝置，因此具有良好的適應性和擴展性。發(fā)生故障時可及時更換模塊。
模塊化結(jié)構(gòu)的多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置中的基本功能模塊一般有以下六種。
（1）CNC管理模塊。
（2）CNC插補模塊。
（3）位置控制模塊。
（4）存儲器模塊。
（5）PLC模塊。
（6）指令、數(shù)據(jù)的輸入輸出及顯示模塊。
多微處理器CNC裝置各模塊之間的連接和通信主要采用共享總線和共享存儲器兩類結(jié)構(gòu)。
共享總線結(jié)構(gòu)
將各功能模塊插在配有總線插座的機框內(nèi)，由系統(tǒng)總線把各個模塊有效地連接起來，按照要求交換各種控制指令和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各種預定的功能。
由主模塊才有權(quán)控制使用總線，某一時刻只能由一個主模塊占用總線。
配置靈活，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，造價低，因此經(jīng)常被采用。
缺點是由于各主模塊使用總線時會引起“競爭”，而使信息傳輸效率降低，總線一旦出現(xiàn)故障會影響全局。
共享存儲器結(jié)構(gòu)
采用多端口存儲器來實現(xiàn)各微處理器之間的互聯(lián)和通信
功能擴展比較困難，并且多端口存儲器不易制造。
（二）專用CNC裝置與開放式CNC裝置
專用型CNC裝置結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、技術(shù)成熟。在制造業(yè)中得到廣泛應用。但由于采用封閉式的體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)硬件是專用的，組成系統(tǒng)的功能板及其之間的連接方式都是專門設計而不能通用；系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)也是專用的，細節(jié)對外不公開，不能提供給用戶。所以帶來很大的不便。
CNC裝置的開放化是制造業(yè)最終用戶、機床生產(chǎn)廠家以及CNC裝置生產(chǎn)廠家共同的需求。CNC裝置的開放化主要體現(xiàn)在：
（1）系統(tǒng)組成內(nèi)部的開放化，即系統(tǒng)內(nèi)部硬、軟的公開化。這樣，不僅降低了開發(fā)成本，而且還能開發(fā)出理想的、適合用戶需求的各種功能。
（2）系統(tǒng)組成各部分之間的開放化，即各組成部分（如CNC、伺服驅(qū)動、主軸驅(qū)動等）之間的接口標準化。這樣就可以從眾多的組件生產(chǎn)廠家中選擇組件構(gòu)成整機。
開放式CNC裝置，常稱為PC—NC系統(tǒng)，其組成方式一般有以下幾種：
組成方式
連接方式
優(yōu)缺點
PC連接型CNC
現(xiàn)有CNC與PC通過串行通信連接起來
優(yōu)點：易實現(xiàn)，CNC部分幾乎可以不加改動，也可以使用通用軟件；
缺點：CNC部分不不能實現(xiàn)開放化，系統(tǒng)響應速度慢。
PC內(nèi)藏型CNC
在CNC內(nèi)部加裝PC，PC與CNC之間通過專用總線連接
優(yōu)點：CNC部分幾乎可以不加改動地使用，數(shù)據(jù)傳輸快，系統(tǒng)響應快；
缺點：不能直接使用通用PC。
CNC內(nèi)藏型PC
通用PC的擴展槽中插入專用CNC，專用CNC具有包括加工軌跡生成等幾乎所有的CNC處理功能
優(yōu)點：能夠充分保證系統(tǒng)性能，軟件通用性強而且編程處理靈活；
缺點：很難利用現(xiàn)有的CNC資源和系統(tǒng)的可靠性。
全軟件型NC
CNC的全部功能都由PC完成
優(yōu)點：硬件通用性強，編程處理靈活；
缺點：在通用PC上較難實現(xiàn)實時處理，較難保證系統(tǒng)性能，而且難以利用現(xiàn)有CNC資源。