數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1．硬件結(jié)構(gòu)

    現(xiàn)以國(guó)家“八五”數(shù)控攻關(guān)成果－中華I型（以下簡(jiǎn)稱CME988）數(shù)控系統(tǒng)為例，看一個(gè)開(kāi)放式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。作為開(kāi)放的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般應(yīng)滿足：

1）系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性。

2）對(duì)技術(shù)發(fā)展的適應(yīng)性。

3）應(yīng)用范圍的廣泛性。

4）生產(chǎn)廠和用戶兩方面的支持性。

5）數(shù)控系統(tǒng)的高可靠性。

    為了保證數(shù)控系統(tǒng)的高可靠性，本系統(tǒng)采用把工業(yè)控制用PC主板嵌入到專用數(shù)控硬件結(jié)構(gòu)中。硬件的設(shè)計(jì)采用混合總線結(jié)構(gòu)，即采用專用CME總線和ISA總線混合。總線上有多個(gè)CME總線的插槽和一個(gè)ISA總線插槽。模塊化、平臺(tái)式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可適應(yīng)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。系統(tǒng)可以跟隨PC的發(fā)展而升級(jí)，系統(tǒng)配置靈活，其功能可以擴(kuò)展也可以剪裁，因而可以派生出多種不同功能的數(shù)控系統(tǒng)，形成CNC的系列產(chǎn)品，滿足不同類型機(jī)床的應(yīng)用要求.硬件配置如下：

    1）All-In-One PC主卡（也稱半長(zhǎng)卡）。早期使用IPC，芯片采用80386＋80387、4MB RAM，而現(xiàn)在可以使用80486、80586、Pentium Ⅲ，主頻用66、100、450MHz或更高。RAM可選8MB。

    2）VGA顯示卡。早期使用PC104總線VGA卡，現(xiàn)在已集成在PC主卡內(nèi)。

    3）MFUN（多功能）模塊內(nèi)裝有1.4MB ROM電子盤(pán)，用于存儲(chǔ)控制程序和PLC程序。384KB RAM用于參數(shù)存儲(chǔ)和加工程序存儲(chǔ)。當(dāng)選用一個(gè)通道方式時(shí)，約有80KB作為參數(shù)存儲(chǔ)，并可存儲(chǔ)800m長(zhǎng)的加工程序，并可擴(kuò)展到3600m。多功能模板上裝有三軸位置控制模塊、鍵盤(pán)適配器等。

    4）POS（位置控制）模板。該模板僅配置3軸位置控制功能，作為軸數(shù)擴(kuò)展模板。

    5）DI／DO模板，是接口輸入輸出模板，最大輸入104點(diǎn)，最大輸出56點(diǎn)。可用增加DI／DO模板來(lái)擴(kuò)展輸入輸出點(diǎn)數(shù)。

    6）CRT顯示和操作面板。CRT可選擇23cm（9in）、26cm（10in）或36cm（14in）單色和彩色顯示器，為了使整體結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)了專用的鍵盤(pán)。 

    7）總線模板�？偩�模板設(shè)計(jì)為無(wú)源總線，有10插槽和5插槽兩種，根據(jù)功能的多少來(lái)選擇總線模板的大小。模板為CME專用總線和ISA總線混合形式。

    8）電源模塊。有＋5V、10A，±15V、0.2A，＋24V、2A，設(shè)有過(guò)電流、過(guò)欠電壓保護(hù)。

    9）硬件配置沒(méi)有硬盤(pán)和軟驅(qū)，可選用軟驅(qū)用軟盤(pán)來(lái)傳送加工程序和調(diào)試程序。 

  10）可選用ARCNET網(wǎng)卡，用于CNC系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)FMS控制。

2．硬件位置控制功能結(jié)構(gòu)

    在以PC為基礎(chǔ)構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)中，多數(shù)硬件模板可以選用通用模板，比如電源、DI／DO等，但位置控制功能還沒(méi)有合適的通用模板，這樣位置控制功能的實(shí)現(xiàn)，是在以PC為基礎(chǔ)的數(shù)控系統(tǒng)中主要要解決的問(wèn)題。隨著微電子技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，有的廠家把位置控制功能集成在數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)模塊里，有的廠家用軟件方法實(shí)現(xiàn)位置控制功能，多數(shù)的控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠還是自己來(lái)設(shè)計(jì)位置控制功能模板。CME988數(shù)控系統(tǒng)位置控制功能是用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

其模塊功能介紹如下：

    1）DDA（Digital Differential Analyzer）是微分工作原理的細(xì)插補(bǔ)器。它的每個(gè)插補(bǔ)周期（插補(bǔ)周期可設(shè)定2、4、8、16ms），通過(guò)總線把軟件完成的粗插補(bǔ)指令數(shù)據(jù)輸入，并進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，在插補(bǔ)運(yùn)算的同時(shí)，把輸出量傳給進(jìn)給脈沖計(jì)數(shù)器和誤差計(jì)數(shù)器。

    2）進(jìn)給脈沖計(jì)數(shù)器。首先它從總線上輸入指令數(shù)據(jù)，用DDA輸出的脈沖進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)器為零時(shí)，表示該程序段插補(bǔ)運(yùn)算完成，重新輸入下一個(gè)程序段指令。

    3）誤差計(jì)數(shù)器。它的數(shù)值是實(shí)際要移動(dòng)位置的殘余量。它是從DDA和補(bǔ)償發(fā)生器那里得到指令數(shù)據(jù)。當(dāng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，編碼器（或旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵尺等）輸出反饋脈沖，它使誤差計(jì)數(shù)器進(jìn)行減法運(yùn)算，直到誤差計(jì)數(shù)器的值為零，表示位移指令完成。

    4）倍頻和倍率。它是對(duì)反饋脈沖進(jìn)行處理，首先是4倍頻，然后根據(jù)不同螺距絲桿的要求設(shè)定倍率，有1、3／4、1／2、3／5、1／4、1／8倍率可供選擇。

    5）補(bǔ)償發(fā)生器。從總線上得到要補(bǔ)償?shù)闹噶顢?shù)據(jù)，并把這數(shù)據(jù)處理后適時(shí)地傳送給誤差計(jì)數(shù)器，對(duì)移動(dòng)位置進(jìn)行補(bǔ)償。

    6）參考計(jì)數(shù)器。除用于一些輔助功能外，主要用于回零檢測(cè)，當(dāng)零位開(kāi)關(guān)到位后，編碼器每轉(zhuǎn)信號(hào)檢出后，根據(jù)計(jì)數(shù)器的給定值確定最終零位。 

    7）由于電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)的機(jī)械部分是一個(gè)慣性負(fù)載，所以總要產(chǎn)生跟蹤誤差，可用設(shè)定位置環(huán)的增益來(lái)改善負(fù)載的響應(yīng)特性，減少跟蹤誤差。    

    8）為了減小加工誤差，設(shè)計(jì)者除設(shè)定位置環(huán)增益外，又研究了前饋（Feed forward）和預(yù)測(cè)前饋[Preview feed forward，又稱預(yù)見(jiàn)（Look ahead）控制]。預(yù)測(cè)前饋是在程序段未執(zhí)行前，對(duì)多段加工程序進(jìn)行預(yù)先演算，由于不同的加工曲線會(huì)演算出不同的結(jié)果，根據(jù)這個(gè)預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行前饋補(bǔ)償和速度調(diào)整，提高零件的加工精度。本系統(tǒng)沒(méi)有預(yù)測(cè)前饋功能。

    9）CME988系統(tǒng)具有兩種輸出形式：一種是輸出PWM調(diào)制信號(hào)作為模擬輸出；另一種是以脈沖的形式輸出，如圖19－6所示。 

  10）譯碼器、立即數(shù)寄存器和初始狀態(tài)設(shè)定，都是為整個(gè)位置控制電路服務(wù)的。