CNC 系统的硬件构成与探究

　　1．CNC系统的定义与结构计算机数控系统（简称CNC系统）是在硬件数控的基础上发展起来的，它用一台计算机代替先前的数控装置所完成的功能。所以，它是一种包含有计算机在内的数字控制系统，根据计算机存储的控制程序执行部分或全部数控功能。依照EIA所属的数控标准化委员会的定义，CNC是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置的一部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接口。目前在计算机数控系统中所用的计算机已不再是小型计算机，而是微型计算机，用微机控制的系统称为MNC系统，亦统称为CNC系统。

　　由上述定义可知，CNC系统与传统NC系统的区别在于：CNC系统附加一个计算机作为控制器的一部分，而硬件电路完成其他一些控制操作。

　　2．CNC系统软件这里指的是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，即存放于计算机内存中的系统程序。它一般由输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序等组成。

　　3．计算机数控系统的特点与NC系统相比，CNC系统主要的优点有：灵活性：这是CNC系统的突出优点。对于CNC系统，只要改变相应的控制程序就可以补充和开发新的功能，并不必制造新的硬件。

　　CNC系统能够随着工厂的发展而发展，也能适应将来改变工艺的要求。在CNC设备安装之后，新的技术还可以补充到系统中去，这就延长了系统的使用期限。因此，CNC系统具有很大的“柔性”―――灵活性。

　　通用性：在CNC系统中，硬件系统采用模块结构，依靠软件变化来满足被控设备的各种不同要求。采用标准化接口电路，给机床制造厂和数控用户带来了许多方便。于是，用一种CNC系统就可能满足大部分数控机床（包括车床、铣床、加工中心、钻镗床等）的要求，还能满足某些别的设备应用。当用户要求某些特殊功能时，仅仅是改变某些软件而已。由于在工厂中使用同一类型的控制系统，培训和学习也十分方便。

　　可靠性：在CNC系统中，加工程序常常是一次送入计算机存储器内，避免了在加工过程中由于纸带输入机的故障而产生的停机现象（普通数控装置的故障有一半以上发生在逐段光电输入时）。

　　4．CNC系统的硬件构成随着大规模集成电路技术和表面安装技术的发展，CNC系统硬件模块及安装方式不断改进。从CNC系统的总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种。

　　所谓整体式结构是把CRT和MDI面板、操作面板以及功能模块板组成的电路板等安装在同一机箱内。这种方式的优点是结构紧凑，便于安装，但有时可能造成某些信号连线过长。分体式结构通常把CRT和MDI面板、操作面板等做成一个部件，而把功能模块组成的电路板安装在一个机箱内，两者之间用导线或光纤连接。CNC操作面板在机床上的安装形式有吊挂式、床头式、控制柜式、控制台式等多种。从组成CNC系统的电路板的结构特点来看，有两种常见的结构，即大板式结构和模块化结构。

　　5．CNC系统的控制软件结构特点CNC系统是一个专用的实时多任务计算机系统，在它的控制软件中融合了当今计算机软件技术中的许多先进技术，其中最突出的是多任务并行处理和多重实时中断。

　　6．CNC系统的控制软件及其工作过程控制软件是为完成特定CNC（或MNC）系统各项功能所编制的专用软件，又称为系统软件（或系统程序）。因为CNC（或MNC）系统的功能设置与控制方案各不相同，各种系统软件在结构和规模上差别很大。

　　系统程序的设计与各项功能的实现及其将来的扩展有最直接的关系，是整个CNC（或MNC）系统研制工作中关键性的和工作量最大的部分。前面曾提到，系统软件一般由输入、译码、数据处理（预计算）、插补运算、速度控制、输出控制、管理程序及诊断程序等部分构成。下面分别加以介绍。

　　6.1输入CNC系统中一般通过纸带阅读机、磁带机、磁盘及键盘输入零件程序，且其输入大都采用中断方式。在系统程序中有相应的中断服务程序，如纸带阅读机中断服务程序及键盘中断服务程序等。当纸带阅读机读入一个字符至接口中时，就向主机发出中断，由中断服务程序将该字符送入内存。

　　6.2译码由前面的讨论可知，经过输入系统的工作，已将数据段送入零件程序存储器。下一步就是由译码程序将输入的零件程序数据段翻译成本系统能识别的语言。一个数据段从输入到传送至插补工作寄存器需经过以下几个环节。

　　6.3预计算为了减轻插补工作的负担，提高系统的实时处理能力，常常在插补运算前先进行数据的预处理，例如，确定圆弧平面、刀具（刀具企业看过来打造世界刀具业“生存手册”）半径补偿的计算等。当采用数字积分法时，可预先进行左移规格化的处理和积分次数的计算等，这样，可把最直接、最方便形式的数据提供给插补运算。

　　6.4插补计算插补计算是CNC系统中最重要的计算工作之一。在传统的NC装置中，采用硬件电路（插补器）来实现各种轨迹的插补。为了在软件系统中计算所需的插补轨迹，这些数字电路必须由计算机的程序来模拟。

　　利用软件来模拟硬件电路的问题在于：三轴或三轴以上联动的系统具有三个或三个以上的硬件电路（如每轴一个数字积分器），计算机是用若干条指令来实现插补工作的。但是计算机执行每条指令都须要花费一定的时间，而当前有的小型或微型计算机的计算速度难以满足NC机床对进给速度和分频率的要求。

　　6.5输出输出程序的功能是：（1）进行伺服控制。如上所述。（2）当进给脉冲改变方向时，要进行反向间隙补偿处理。若某一轴由正向变成负向运动，则在反向前输出Q个正向脉冲；反之，若由负向变成正向运动，则在反向前输出Q个负向脉冲（Q为反向间隙值，可由程序预置）。（3）进行丝杠螺距补偿。当系统具有绝对零点时，软件可显示刀具在任意位置上的绝对坐标值。（4） M，S，T等辅助功能的输出。

　　6.6管理与诊断软件般CNC（MNC）系统中的管理软件只涉及两项，即CPU管理和外部设备管理。由于数控机床的加工是以单个零件为对象的，一个零件程序可以分成若干程序段。每个程序段的执行又分成数据分析、运算、走刀控制、其他动作的控制等步骤。在实际系统中，通常多是采用一个主程序将整个加工过程串起来，主控程序对输入的数据分析判断后，转入相应的子程序处理，处理完毕后再返回对数据的分析、判断、运算。

　　能够方便地设置各种诊断程序也是CNC和MNC系统的特点之一。有了较完善的诊断程序可以防止故障的发生或扩大。在故障出现后可以迅速查明故障的类型和部位，减少故障停机时间。国外一些公司的CNC系统还可以进行通信（海外）诊断，由通信诊断中心指示系统或操作者进行某些试运行，以查找故障隐患或故障部位。

　　7．结束语

　　以上内容浅谈了计算机数控系统的结构特点，以及构成。计算机数控系统是集高、精、尖技术于一体，集机、电、光、液于一身的高技术产物。具有加工精度高、加工质量稳定可靠、生产效率高、适应性强、灵活性好等众多优点，在各个行业受到广泛欢迎，在使用方面，也是越来越受到重视。

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