數控系統的構成

      目前世界上的數控系統種類繁多，形式各異，組成結構上都有各自的特點。這些結構特點來源于系統初始設計的基本要求和工程設計的思路。例如對點位控制系統和連續軌跡控制系統就有截然不同的要求。對于T系統和M系統，同樣也有很大的區別，前者適用于回轉體零件加工，后者適合于異形非回轉體的零件加工。對于不同的生產廠家來說，基于歷史發展因素以及各自因地而異的復雜因素的影響，在設計思想上也可能各有千秋。例如，美國Dynapath系統采用小板結構，便于板子更換和靈活結合，而日本FANUC系統則趨向大板結構，使之有利于系統工作的可靠性，促使系統的平均無故障率不斷提高。然而無論哪種系統，它們的基本原理和構成是十分相似的。
      一般整個數控系統由三大部分組成，即控制系統，伺服系統和位置測量系統。控制系統按加工工件程序進行插補運算，發出控制指令到伺服驅動系統；伺服驅動系統將控制指令放大，由伺服電機驅動機械按要求運動；測量系統檢測機械的運動位置或速度，并反饋到控制系統，來修正控制指令。這三部分有機結合，組成完整的閉環控制的數控系統。 
控制系統主要由總線、CPU、電源、存貯器、操作面板和顯示屏、位控單元、可編程序控制器邏輯控制單元以及數據輸入/輸出接口等組成。最新一代的數控系統還包括一個通訊單元，它可完成CNC、PLC的內部數據通訊和外部高次網絡的連接。伺服驅動系統主要包括伺服驅動裝置和電機。位置測量系統主要是采用長光柵或圓光柵的增量式位移編碼器。 
1、硬件結構 
數控系統的硬件由數控裝置、輸入/輸出裝置、驅動裝置和機床電器邏輯控制裝置等組成，這四部分之間通過I/O接口互連。 
數控裝置是數控系統的核心，其軟件和硬件來控制各種數控功能的實現。 
數控裝置的硬件結構按CNC裝置中的印制電路板的插接方式可以分為大板結構和功能模塊（小板）結構；按CNC裝置硬件的制造方式，可以分為專用型結構和個人計算機式結構；按CNC裝置中微處理器的個數可以分為單微處理器結構和多微處理器結構。 
（1）大板結構和功能模板結構 
1）大板結構 
大板結構CNC系統的CNC裝置由主電路板、位置控制板、PC板、圖形控制板、附加I/O板和電源單元等組成。主電路板是大印制電路版，其它電路板是小板，插在大印制電路板上的插槽內。這種結構類似于微型計算機的結構。 
2）功能模塊結構 
（2）單微處理器結構和多微處理器結構 
1）單微處理器結構 
在單微處理器結構中，只有一個微處理器，以集中控制、分時處理數控裝置的各個任務。
2）多微處理器結構 
隨著數控系統功能的增加、數控機床的加工速度的提高，單微處理器數控系統已不能滿足要求，因此，許多數控系統采用了多微處理器的結構。若在一個數控系統中有兩個或兩個以上的微處理器，每個微處理器通過數據總線或通信方式進行連接，共享系統的公用存儲器與I/O接口，每個微處理器分擔系統的一部分工作，這就是多微處理器系統。
2、軟件結構 
CNC軟件分為應用軟件和系統軟件。CNC系統軟件是為實現CNC系統各項功能所編制的專用軟件，也叫控制軟件，存放在計算機EPROM內存中。各種CNC系統的功能設置和控制方案各不相同，它們的系統軟件在結構上和規模上差別很大，但是一般都包括輸入數據處理程序、插補運算程序、速度控制程序、管理程序和診斷程序。
（1）輸入數據處理程序 
它接收輸入的零件加工程序，將標準代碼表示的加工指令和數據進行譯碼、數據處理，并按規定的格式存放。有的系統還要進行補償計算，或為插補運算和速度控制等進行預計算。通常，輸入數據處理程序包括輸入、譯碼和數據處理三項內容。 
（2）插補計算程序 
CNC系統根據工件加工程序中提供的數據，如曲線的種類、起點、終點等進行運算。根據運算結果，分別向各坐標軸發出進給脈沖。這個過程稱為插補運算。進給脈沖通過伺服系統驅動工作臺或刀具作相應的運動，完成程序規定的加工任務。 
CNC系統是一邊插補進行運算，一邊進行加工，是一種典型的實時控制方式，所以，插補運算的快慢直接影響機床的進給速度，因此應該盡可能地縮短運算時間，這是編制插補運算程序的關鍵。 
(3)速度控制程序 
速度控制程序根據給定的速度值控制插補運算的頻率，以保預定的進給速度。在速度變化較大時，需要進行自動加減速控制，以避免因速度突變而造成驅動系統失步。 
(4)管理程序 
管理程序負責對數據輸入、數據處理、插補運算等為加工過程服務的各種程序進行調度管理。管理程序還要對面板命令、時鐘信號、故障信號等引起的中斷進行處理。 
(5)診斷程序 
診斷程序的功能是在程序運行中及時發現系統的故障，并指出故障的類型。也可以在運行前或故障發生后，檢查系統各主要部件（CPU、存儲器、接口、開關、伺服系統等）的功能是否正常，并指出發生故障的部位。