硬件結構
現(xiàn)以國家“八五”數(shù)控攻關成果－中華I型（以下簡稱CME988）數(shù)控系統(tǒng)為例，看一個開放式結構數(shù)控系統(tǒng)的硬件結構。
作為開放的硬件結構設計一般應滿足：
1）系統(tǒng)體系結構的開放性。
2）對技術發(fā)展的適應性。
3）應用范圍的廣泛性。
4）生產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)控硬件結構中。硬件的設計采用混合總線結構，即采用專用CME總線和ISA總線混合?？偩€上有多個CME總線的插槽和一個ISA總線插槽。模塊化、平臺式的結構設計，可適應技術的進步和發(fā)展。系統(tǒng)可以跟隨PC的發(fā)展而升級，系統(tǒng)配置靈活，其功能可以擴展也可以剪裁，因而可以派生出多種不同功能的數(shù)控系統(tǒng)，形成CNC的系列產品，滿足不同類型機床的應用要求。
硬件配置如下：
1）All In One PC主卡（也稱半長卡）。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。
3）MFUN（多功能）模塊內裝有1.4MB ROM電子盤，用于存儲控制程序和PLC程序。384KB RAM用于參數(shù)存儲和加工程序存儲。當選用一個通道方式時，約有80KB作為參數(shù)存儲，并可存儲800m長的加工程序，并可擴展到3600m。多功能模板上裝有三軸位置控制模塊、鍵盤適配器等。
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)擴展模板。
5）DI／DO模板，是接口輸入輸出模板，最大輸入104點，最大輸出56點。可用增加DI／DO模板來擴展輸入輸出點數(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，為了使整體結構緊湊，設計了專用的鍵盤。
7）總線模板?？偩€模板設計為無源總線，有10插槽和5插槽兩種，根據(jù)功能的多少來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，設有過電流、過欠電壓保護。
9）硬件配置沒有硬盤和軟驅，可選用軟驅用軟盤來傳送加工程序和調試程序。
10）可選用ARCNET網卡，用于CNC系統(tǒng)聯(lián)網，實現(xiàn)FMS控制。
2硬件位置控制功能結構
在以PC為基礎構成的數(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有合適的通用模板，這樣位置控制功能的實現(xiàn)，是在以PC為基礎的數(shù)控系統(tǒng)中主要要解決的問題。隨著微電子技術和數(shù)字化技術的發(fā)展，有的廠家把位置控制功能集成在數(shù)字伺服驅動模塊里，有的廠家用軟件方法實現(xiàn)位置控制功能，多數(shù)的控制系統(tǒng)生產廠還是自己來設計位置控制功能模板。CME988數(shù)控系統(tǒng)位置控制功能是用硬件來實現(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插補器。它的每個插補周期（插補周期可設定2、4、8、16ms），通過總線把軟件完成的粗插補指令數(shù)據(jù)輸入，并進行插補運算，在插補運算的同時，把輸出量傳給進給脈沖計數(shù)器和誤差計數(shù)器。
2）進給脈沖計數(shù)器。首先它從總線上輸入指令數(shù)據(jù)，用DDA輸出的脈沖進行減法計數(shù)，直到計數(shù)器為零時，表示該程序段插補運算完成，重新輸入下一個程序段指令。
3）誤差計數(shù)器。它的數(shù)值是實際要移動位置的殘余量。它是從DDA和補償發(fā)生器那里得到指令數(shù)據(jù)。當執(zhí)行電動機轉動后，編碼器（或旋轉變壓器、光柵尺等）輸出反饋脈沖，它使誤差計數(shù)器進行減法運算，直到誤差計數(shù)器的值為零，表示位移指令完成。
4）倍頻和倍率。它是對反饋脈沖進行處理，首先是4倍頻，然后根據(jù)不同螺距絲桿的要求設定倍率，有1、3／4、1／2、3／5、1／4、1／8倍率可供選擇。
5）補償發(fā)生器。從總線上得到要補償?shù)闹噶顢?shù)據(jù)，并把這數(shù)據(jù)處理后適時地傳送給誤差計數(shù)器，對移動位置進行補償。
6）參考計數(shù)器。除用于一些輔助功能外，主要用于回零檢測，當零位開關到位后，編碼器每轉信號檢出后，根據(jù)計數(shù)器的給定值確定最終零位。
7）由于電動機及其拖動的機械部分是一個慣性負載，所以總要產生跟蹤誤差，可用設定位置環(huán)的增益來改善負載的響應特性，減少跟蹤誤差。
8）為了減小加工誤差，設計者除設定位置環(huán)增益外，又研究了前饋（Feed forward）和預測前饋[Preview feed forward，又稱預見（Look ahead）控制]。預測前饋是在程序段未執(zhí)行前，對多段加工程序進行預先演算，由于不同的加工曲線會演算出不同的結果，根據(jù)這個預測的結果進行前饋補償和速度調整，提高零件的加工精度。本系統(tǒng)沒有預測前饋功能。
9）CME988系統(tǒng)具有兩種輸出形式：一種是輸出PWM調制信號作為模擬輸出；另一種是以脈沖的形式輸出。
10）譯碼器、立即數(shù)寄存器和初始狀態(tài)設定，都是為整個位置控制電路服務的。