本文探討研究了數控裝置體系結構的相關內容。

　　近10 年來，隨著計算機技術的飛速發展，數控裝置的體系結構正朝標準化和開放性方向發展。就體系結構而言，當今世界上的數控系統大致可分為3 種類型：①傳統體系結構：這是一種專用的封閉體系結構的數控裝置。對它的功能擴展、改變和維修，都必須求助于系統供應商。該類數控系統的市場正在受到挑戰，已逐漸減小。②PC嵌入Nc體系結構：該結構是在傳統結構的基礎上，嵌入PC機，其目的是既繼承多年來積累的數控軟件技術，又可利用PC機豐富的軟件資源。這類系統結構比較復雜。③基于PC 機體系結構：該結構是以標準PC=機的硬件為基礎，在基于通用操作系統(如Windows、LINIX 等)開發的實時多任務系統的支撐下，實現各種數控功能。這是現代數控裝置廣泛采用的體系結構，基于該結構的數控裝置具有較高的性能價格比和較長的生命力。一個典型的基于PC機體系結構的CNC 裝置外觀如圖1，其硬件結構框圖如圖2。

圖1 CNC裝置外觀圖

　　下面從功能方面來討論圖8-4 中各硬件模塊的作用。

　　1.計算機主板和系統總線板(母板) 計算機主板是CNC裝置的核心，由于是基于 PC 機的體系結構，各硬件模塊也均與PC 機總線標準兼容。其目的是利用PC 機豐富的軟件和硬件資源，提高系統的適應性和開放性。降低價格，縮短新產品的開發周期。CNC 裝置的計算機系統與普通的商用PC 機在實現結構上略有不同。從系統的可靠性出發，其主板與母板是分離的，即系統總線是一單獨的無源母板，主板則做成插卡形式，且集成度更高，即所謂的 ALL-IN-ONE主板。這種主板主要包括以下的功能結構：①CPU芯片及其外圍芯片。②內存單元、cache及其外圍芯片。③通信接口(串口，并口，鍵盤接口)。④軟、硬驅動器接口。各功能結構的組成原理與普通微型計算機的原理完全一樣，這里不再贅述。計算機主板的主要作用是。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，向其他功能模塊發出控制命令，傳送數據，使用戶的指令得以執行。

圖2 CNC裝置硬件結構圖

　　系統總線(母板)是由一組傳送數字信息的物理導線組成的，它是CNC 裝置內部進行數據或信息交換的通道，組成原理與普通微型計算機的原理完全一樣。一般作為工業用Pc機的總線母板是獨立的無源四層印制電路板，即該板的兩面為信號線走線面，而在中間為電源和地線，其可靠性高于兩層板。其規格有6 槽、8 槽、12 槽和14 槽等，用戶可根據CNC 裝置功能板的多少進行選擇。

　　2.顯示模塊顯示模塊即顯示卡是一個通用性很強的模塊。在CNC 裝置中，CRT顯示是一種非常重要的功能，它是人機交流的重要媒介，向用戶提供了一個直觀的操作環境，使用戶能快速地熟悉其操作過程。顯示卡的主要作用是：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，由CRT 中的電子槍對屏幕進行掃描，從而產生所需要的畫面。顯示卡這種硬件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/輸出模塊輸A/出模塊也是標準的PC機模塊

　　—— 多功能卡，一般不需要用戶自己開發。輸A/出模塊是CNC 裝置與外界進行數據和信息交換的接口板，即CNC 裝置中的CPU 通過該接口可以從外部輸入設備獲取數據，也可以將CNC 裝置中的數據送給外部輸出設備。如果計算機主板是ALL—IN—ONE 主板，由于主板已集成此功能，則此板可省略。

　　以上三部分，再配上鍵盤、電源和機箱，實際上是一部通用的微型計算機系統，這個系統是CNC 裝置的核心。從某種意義上講，其檔次和性能決定了CNC 裝置的檔次和性能，因此，CNC 裝置計算機子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：①系統軟件和系統固有數據;②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);③用戶的零件加工程序。

　　在 CNC 裝置中，常采用電子存儲器件作為外存儲器，而不采用磁性存儲器件，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。又因為這些由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。

　　5.PLC 控制模塊CNC系統對設備的控制分為兩類：一類是對各坐標軸的速度和位置的“軌跡控制”;另一類是對設備動作的“順序控制”。對數控機床而言，“順序控制 ”是指在數控機床運行過程中，以CNC 內部和機床各行程開關、傳感器、按鈕、繼電器等開關量信號狀態為條件，并按預先規定的邏輯順序對諸如主軸的起停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開，液壓、冷卻、潤滑系統的運行等進行的控制。在 CNC 裝置中實現順序控制的模塊是PLC控制模塊。該模塊主要接收來自操作面板、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，經處理后控制相應器件的運行。

　　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。在數控機床中，通常由若干進給伺服系統控制的進給軸構成成形運動系統，每個坐標軸(進給軸)都有一套獨立的位置控制器。該位置控制器的作用是：接收CNC 插補運算后輸出的位置控制命令(如△X、△Y、△Z 等)，經相應調節運算(位置控制通常采用比例調節運算)和相應的變換(如D/A轉換、脈沖變換等)。輸出速度控制指令給速度控制單元，去控制伺服電機運行。對于閉環控制或半閉環控制，還要回收實際位置信號和實際速度信號，以供位置和速度閉環控制運算使用。

　　7.功能接口模塊功能接口模塊是實現用戶特定功能要求的接口板，如對仿形數控銑床需增加仿形控制器、激光切割機的焦點自動跟蹤功能(Z 軸浮動控制器)、刀具監控系統中的信號采集器等。所有增加的功能，必須在CNC 裝置中增加相應的接口板才能實現。就目前的情況而言，用戶特殊的功能要求，必須向CNC 系統的生產廠家定制，一般來講用戶自己是無法辦到的。其原因是因為現在的CNC 系統是封閉的，而不是開放的。數控技術的發展趨勢之一就是研究開放式結構的CNC 系統。一旦研制成功并推廣使用，用戶即可根據自己的要求來增減CNC 系統的功能，這正是人們所追求的目標。