1.3.2 数控系统的基本构成

数控系统各构成如下：

1）数控装置主要由总线、CPU、电源、存储器、操作面板和显示屏、位控单元、可编程序控制器逻辑控制单元、数据输入/输出接口、通信单元等组成，按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统。

2）伺服驱动系统主要包括主轴、进给轴伺服驱动装置和电动机，可将控制指令放大，由伺服电动机驱动机械按要求运动。

3）I/O单元主要包括开关量输入、输出模块，模拟量输入、输出模块，实现数控机床、辅助设备、前后设备和环境设备的控制。

上述三部分有机结合，组成完整的闭环控制数控系统。数控装置是系统的核心，通过控制软件配合系统硬件，合理地组织、管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息；控制执行部件，使数控机床按照要求进行自动加工。数控系统硬件的基本构成如图1-2所示。

1.数控系统硬件

（1）数控系统HNC8型数控系统是武汉华中数控股份有限公司自主研发的新一代基于多处理器总线型数控系统，其基本型号包括HNC808、HNC818、HNC848。其中HNC808、HNC818采用一体化结构，HNC848采用上下位机结构，如图1-13所示。基于HNC848数控系统，研制了龙门、五轴加工中心等高档数控机床。

1）处理器1采用X86系列通用工业微处理器，系统可运行Linux、WinCE和Windows操作系统，负责人机交互、图形和图像处理、文件管理、网络通信等功能。可继承和利用通用计算机的开发平台、丰富的软件资源和标准外设接口，有利于系统升级换代。

2）处理器2采用高性能X86系列处理器或高性能DSP（数字信号处理器）、ARM（Advanced RISC Machines）等嵌入式微处理器，可运行Linux或嵌入式操作系统。承担数控程序解释、插补、位置控制和PLC控制等强实时性任务。处理器1和处理器2之间的数据传输采用工业以太网进行数据通信。

3）FPGA的任务是实现现场总线的通信，通过现场总线将处理器2的插补命令及PLC处理结果输出到伺服和主轴驱动器、PLC等外设，同时输入这些外设的数据。另外，数控装置通过现场总线实现伺服驱动等外设的参数设置、参数辨识、参数自整定等工作，从而减少伺服驱动系统的调试时间，提高伺服驱动系统的性能。

4）现场总线采用通用标准高速工业以太网（100Mbit/s及以上）的物理层网络接口，协议采用底层硬件语言实现，保证通信的实时性和可靠性。除支持自主研发的高速实时现场总线NCUC外，还支持EtherCAT等其他标准总线。

HNC848数控装置连接示意图如图1-4所示。

（2）接口

1）人机界面接口。数控系统人机界面包括以下四个部分：键盘（Manual Data Input，MDI）用于加工程序的编制以及参数的输入等（见图1-5）；显示器（CRT）用于显示程序、数据以及加工信息等；操作面板（OPERATOR PANEL）用于对机床进行操作；手摇脉冲发生器（MPG）用于手动控制机床坐标轴运动，类似普通机床摇手柄（图1-6）。

键盘在数控系统中称为MDI面板或数控面板，由英文字母键、功能键、数字键等组成，用于编制加工程序、修改参数等。键盘的接口比较简单，与通用的计算机一样，大多采用扫描矩阵原理。数控系统处于不同的操作功能时，显示器所显示的内容是不同的。在编程时，其显示的是被编辑的加工程序，加工时则显示当前各坐标轴的坐标位置和机床的状态信息。数控系统还具有图形模拟功能，可显示模拟加工过程的刀具走刀路径，用于检查加工程序的对错。现代数控系统已大量采用高分辨率彩色显示器或液晶显示器，显示的图形也由二维平面图形变为三维动态图形。

操作面板又称机床操作面板。不同的数控机床由于其所需的动作不同，所配的操作面板也不同。操作面板主要用于手动方式下对机床的操作以及自动方式下对运动的控制。HNC8型数控系统操作面板如图1-7所示。

2）通信接口。通常数控系统具有标准的RS232串行通信接口，因此与外设以及上级计算机的连接很方便。高档数控系统还具有RS485、MAP以及其他网络接口，从而能够实现柔性系统（FMS）以及计算机集成制造系统（CIMS）新架构。

3）进给轴的位置控制接口。进给轴的位置控制包括三个方面的内容：一是进给速度的控制，二是插补运算，三是位置闭环控制。插补方法包括基准脉冲法与采样数据法。基准脉冲法是CNC系统每次插补以脉冲的形式提供给位置控制单元，此插补方法的进给速度与控制精度较低，主要用于开环数控系统。采样数据法是计算出给定时间间隔内各坐标轴的位置增量，同时接收机床的实际位置反馈，根据插补所得到的命令位置与反馈位置的差来控制机床运动。因此，采样数据法可以根据进给速度的大小来计算一个时间间隔内的位置增量，只要CPU的运算速度较快，给定时间间隔选择得较小，就可实现高速、高精度的位置控制。

进给轴位置控制接口包括模拟量输出接口和位置反馈计数接口。模拟量输出接口采用数-模转换器（DAC，一般为12～16位），输出模拟电压的范围为-10～10V，用以控制速度伺服单元。模拟电压的正负和大小分别决定了电动机的转动方向和转速。位置反馈计数接口能检测并记录位置反馈元件（如光电编码器）所发回的信号，从而得到进给轴的实际位置。

另外，接口还具有失线检测功能，任意一根反馈信号线断掉都会引起失线报警。在进行位置控制的同时，数控系统还可进行自动升降速处理，即当机床起动、停止或在加工过程中改变进给速度时，数控系统自动进行线性规律或指数规律的速度升降处理。对于一般机床，可采用较为简单的线性升降速处理；对于重型机床，则需使用指数升降速处理，以便使速度变化平滑。

4）MST控制接口。数控系统的MST（M表示辅助功能、S表示主轴转速控制功能、T表示加工刀具选择功能）功能是通过开关量输入/输出接口（除S模拟量输出外）完成的。数控系统所要执行的MST功能，通过开关量输出接口送至强电箱，而机床与强电箱的信号则通过开关量输入接口送至数控系统。MST功能的开关量控制逻辑关系复杂，在数控机床中一般采用可编程序控制器（PLC）来实现MST功能。

5）主轴控制接口。主轴S功能可分为无级变速、有级变速和分段无级变速三大类。当数控机床配有主轴驱动装置时，可利用系统的主轴控制接口输出模拟量进行无级变速，否则需要S、M、T接口实现有级变速。为提高低速输出转矩，现代数控机床多采用分段无级变速，可利用辅助功能M41～M44和主轴模拟量控制配合完成。主轴的位置反馈主要用于螺纹切削、主轴准停以及主轴转速监控等。HNC8型系列数控系统各组成单元的构成如图1-8所示。

2.HNC8型数控系统软件部分

为实现高速高精度加工控制、五轴联动控制、多轴多通道控制、双轴同步控制及误差补偿等高档数控系统功能，为满足不同行业用户在不同层次的二次开发、个性化定制以及深度创新研究的需求，设计跨平台的、全方位多层次开放的HNC8型高性能数控装置软件体系结构，如图1-9所示。

NCUC总线实现数控装置与伺服驱动和外部I/O之间的高速数据交换，同时支持轴及I/O的串行扩展；HNC8型系列数控系统可互换硬件平台，提供64位运算支持，满足插补和轨迹拟合等运算的高精度要求；在Linux操作系统层面实现基于优先级的可抢占、强实时、多任务调度机制，满足数控系统任务调度中强实时周期任务、弱实时定时任务和实时循环任务的复杂调度需求。

数控系统现场总线主站的驱动程序设计在操作系统内核层，保证核心控制软件与现场总线主站间高速数据交换的精准周期。针对数控软件中计算和控制任务对实时调度的需求，选择Linux作为系统的基本操作系统，改造操作系统的内核，缩短中断响应时间，保证周期性的任务准时执行。对轴运动控制任务、轨迹插补及通道控制任务、高速程序段前瞻及运动规划任务、数控程序解释任务等按不同优先级进行统一调度。

以上硬件平台的高速高精度数值运算能力、总线层面的高速数据交换能力和操作系统层面的强实时任务调度能力是数控系统的基础。

在此基础上，开发程序译码模块、指令解释及流程控制模块、前瞻及速度规划模块、轨迹插补及通道控制模块、坐标变换模块、PLC模块、多轴耦合及误差补偿模块，构建HNC8型数控系统软件核心框架。

HNC8型数控系统软件核心框架的各模块以及基于此开发的标准车床数控系统、标准铣床数控系统、五轴数控系统全部采用标准C语言实现。HNC8型数控系统软件可兼容不同的操作系统平台，而Linux操作系统也可以兼容多种不同处理器的硬件平台，从而保证软件具有很好的跨平台特性。

在HNC8型数控系统软件的各模块中，设计了三种开放接口，具体如下：

（1）API应用程序二次开发接口 应用程序开发接口是把数控程序解释和前瞻运动规划等插补前的处理功能封装，与图形化人机界面的控件以及配置系统的通道、轴、I/O模块的工具一起来对外提供的访问接口，提供HNC-API应用程序开发接口。用户可以在该接口开发自己的数控系统，适合专机开发。也可以由该接口开发专门的监控界面、集成自有的工艺控制流程。

（2）用户自定义模块嵌入接口 不同于一般的界面定制和流程编写等标准二次开发功能的开放，HNC8型数控系统软件平台在核心功能模块提供了用户定义模块的可嵌入接口。例如：并联机床用户可以在插补之后嵌入自定义的并联机床变换模块，把自己的变换算法嵌入系统之中。在轴的位置控制层面，用户可开发自己的热变形补偿模块，开发多温度传感器多元补偿算法，实现对特定机床的高精度补偿功能。

（3）实时数据采集接口 HNC8型数控系统提供了加工过程实时数据采集接口，用户可从硬件层面接入第三方传感器，传感器信号与加工过程的内部状态数据同步采集，内部状态数据中包括即时的程序行号信息。用户通过加工过程中获得的实时状态数据和加工效果对加工过程进行深度的时域、频域和指令域分析，开展加工质量和效率优化、机床健康保障、高级误差补偿等方面的创造性研究和开发工作。

以上三种开放接口，实现了HNC8型数控系统软件平台的全方位、多层次开放。

另外，HNC8型数控系统采用开放式Linux操作系统。Linux操作系统是支持多CPU、多线程的开源操作系统，是嵌入式领域的主要系统之一，但通用Linux系统并不能满足数控软件需求，特别是实时性方面的需求。HNC8型数控系统针对Linux系统做了深度优化与定制。