单CPU结构CNC系统的工作原理和各部件功能

  单CPU结构CNC系统的基本结构包括：CPU、总线、I/O接口、存储器、串行接口和CRT/MDI接口等，还包括数控系统控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、PLC接口、主轴控制单元、速度控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口以及其他接口等。图1所示的为一种单CPU结构的CNC系统框图。

图1  单CPU结构CNC框图

CPU主要完成控制和运算两方面的任务。控制功能包括：内部控制，对零件加工程序的输入、输出控制，对机床加工现场状态信息的记忆控制等。运算任务是完成一系列的数据处理工作：译码、刀补计算、运动轨迹计算、插补运算和位置控制的给定值与反馈值的比较运算等。在经济型CNC系统中，常采用8位微处理器芯片或8位、16位的单片机芯片。中高档的CNC通常采用16位、32位甚至64位的微处理器芯片。

在单CPU的CNC系统中通常采用总线结构。总线是微处理器赖以工作的物理导线，按其功能可以分为三组总线，即数据总线（DB）、地址总线（AD）、控制总线（CB）。

CNC装置中的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两种。系统程序存放在只读存储器EPROM中，由生产厂家固化。即使断电，程序也不会丢失。系统程序只能由CPU读出，不能写入。运算的中间结果，需要显示的数据，运行中的状态、标志信息等存放在随机存储器RAM中。它可以随时读出和写入，断电后，信息就消失。加工的零件程序、机床参数、刀具参数等存放在有后备电池的CMOS RAM中，或者存放在磁泡存储器中，这些信息在这种存储器中能随机读出，还可以根据操作需要写入或修改，断电后，信息仍然保留。

CNC装置中的位置控制单元主要对机床进给运动的坐标轴位置进行控制。位置控制的硬件一般采用大规模专用集成电路位置控制芯片或控制模板实现。

CNC接受指令信息的输入有多种形式，如光电式纸带阅读机、磁带机、磁盘、计算机通信接口等形式，以及利用数控面板上的键盘操作的手动数据输入（MDI）和机床操作面板上手动按钮、开关量信息的输入。所有这些输入都要有相应的接口来实现。而CNC的输出也有多种，如程序的穿孔机、电传机输出、字符与图形显示的阴极射线管CRT输出、位置伺服控制和机床强电控制指令的输出等，同样要有相应的接口来执行。

单CPU结构CNC系统的特点是：CNC的所有功能都是通过一个CPU进行集中控制、分时处理来实现的；该CPU通过总线与存储器、I/O控制元件等各种接口电路相连，构成CNC的硬件；结构简单，易于实现；由于只有一个CPU的控制，功能受字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。