數(shù)控技術第三章

1第一頁，共四十九頁，2022年，8月28日§3.1數(shù)控系統(tǒng)硬件組成及功能一、CNC系統(tǒng)硬件組成一、CNC系統(tǒng)硬件組成

CNC系統(tǒng)硬件CNC裝置：微機基本系統(tǒng)+位置控制器+內裝型PLC等CNC裝置接口：人機交互接口、上位接口、下位接口輸入/輸出裝置：數(shù)控面板（MDI/CRT）、操作面板、手搖脈沖發(fā)生器、紙帶閱讀機等驅動裝置：速度控制單元+伺服電機位置檢測裝置：感應同步器、光柵、編碼器等邏輯控制裝置：獨立型PLC程序輸入設備輸出設備CNC裝置PLC位置檢測器進給電機主軸電機主軸控制單元進給控制單元機床電器第二頁，共四十九頁，2022年，8月28日§3.1數(shù)控系統(tǒng)硬件組成及功能

二、CNC系統(tǒng)硬件總體結構及各部分功能第三章數(shù)控系統(tǒng)硬件技術二、CNC系統(tǒng)硬件總體結構及各部分功能計算機基本系統(tǒng)人機交互接口下位接口上位接口輸入輸出裝置進給驅動裝置主軸驅動裝置位置檢測裝置位置檢測裝置機床電器裝置第三頁，共四十九頁，2022年，8月28日三、CNC系統(tǒng)部分硬件外形結構手搖脈沖發(fā)生器編碼器驅動裝置PLC多軸運動控制卡§3.1數(shù)控系統(tǒng)硬件組成及功能三、CNC系統(tǒng)部分硬件外形結構CNC裝置及數(shù)控操作面板第四頁，共四十九頁，2022年，8月28日一、CNC裝置硬件基本構成微機基本系統(tǒng)+各種接口+位置控制器+內裝型PLC+電源§3.2數(shù)控裝置的硬件體系結構一、CNC裝置硬件基本構成第五頁，共四十九頁，2022年，8月28日二、CNC裝置的分類按硬件制造方式專機數(shù)控：數(shù)控系統(tǒng)廠家（如西門子、發(fā)那科、AB）生產，布局合理，結構緊湊，專用性強，硬件無通用性PC數(shù)控：以工業(yè)PC機或一般PC機為硬件平臺，由CNC機床廠插入控制卡和軟件，不設計專門硬件，PC機批量生產，CNC系統(tǒng)成本低，通用按電路板插接方式(專機數(shù)控)大板式結構：主板（微機基本系統(tǒng)+位置控制電路等）+子板（擴展存儲器板+PLC板+圖形控制板+電源單元等）模塊化結構：控制單元母板(7~13槽)+功能模板(CNC控制板+位置控制板+PLC板+圖形板+通訊板+位置檢測板等)，硬件與軟件都按功能模塊化§3.2數(shù)控裝置的硬件體系結構二、CNC裝置的分類第六頁，共四十九頁，2022年，8月28日按CPU數(shù)量單CPU結構：CPU+總線存儲器+各種接口+位置控制器，CPU集中控制、分時處理完成所有數(shù)控功能和管理功能。投資小,結構簡單,易于實現(xiàn)。系統(tǒng)功能受到CPU字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等因素的限制，現(xiàn)在已被多機系統(tǒng)的主從結構所取代。多CPU結構：每個CPU子系統(tǒng)分別完成不同的子任務，各子系統(tǒng)間通過通信（共享總線或共享存儲器）協(xié)調動作，完成數(shù)控任務。常見結構有主從結構、多主結構、分布結構?！?.2數(shù)控裝置的硬件體系結構二、CNC裝置的分類第七頁，共四十九頁，2022年，8月28日CPUCMOSROMRS-232I/O接口CRT接口PLC控制位置控制控制媒介機床控制面板速度控制單元EPROMCRT總線§3.2數(shù)控裝置的硬件體系結構三、CNC裝置的體系結構框圖三、CNC裝置的體系結構框圖單機系統(tǒng)第八頁，共四十九頁，2022年，8月28日大板式結構第九頁，共四十九頁，2022年，8月28日模塊化結構第十頁，共四十九頁，2022年，8月28日其他外圍設備I/O接口輔助功能CPU|輸入端|輸出端可編程控制器CNC插補|位置控制模塊|幾何處理模塊其他功能管理模塊存儲器多機系統(tǒng)CNC系統(tǒng)并聯(lián)數(shù)據(jù)總線多機系統(tǒng)分布結構系統(tǒng)：整個系統(tǒng)有兩個或兩個以上的帶CPU的功能模塊，每個模塊有獨立的運行環(huán)境，模塊間采用松耦合。多主結構系統(tǒng)：整個系統(tǒng)有兩個或兩個以上的帶CPU的功能部件對系統(tǒng)資源有控制和使用權，模塊間采用緊耦合。

主從結構系統(tǒng)：系統(tǒng)只有一個CPU(主CPU)處于主導地位，對系統(tǒng)資源有控制和使用權，其他CPU處于從屬地位，只能接受主CPU的控制命令或數(shù)據(jù)，或向主CPU發(fā)出請求信息以獲得所需數(shù)據(jù)。模塊間采用緊耦合。第十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日共享總線結構優(yōu)點：結構簡單、系統(tǒng)配置靈活、實現(xiàn)容易、造價低等。缺點：總線故障，影響整個系統(tǒng)，信息傳輸效率低。第十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日共享存儲器結構缺點：同一時刻只能有一個CPU對存儲器進行讀或寫，功能復雜，效率低。第十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日四、開放式數(shù)控體系結構開放式數(shù)控系統(tǒng)的結構類型專用CNC+PC型（PC嵌入NC式結構）：在傳統(tǒng)專機CNC系統(tǒng)中簡單嵌入PC技術，使整個系統(tǒng)可以共享一些計算機軟硬件資源；PC機主要起到輔助編程、分析、監(jiān)控、指揮生產、編排工藝等非實時性工作；其開放性只在PC部分，用戶無法進入數(shù)控系統(tǒng)的核心（CNC部分）

運動控制器+PC型（NC嵌入PC式結構）：目前最流行的以標準PC機為硬件平臺的開放式數(shù)控系統(tǒng)，其運動控制器（如PMAC多軸運動控制卡）本身具有CPU（高速DSP）實際就是數(shù)控系統(tǒng)，具有很強的運動控制和PLC控制能力，可單獨使用；PC機處理非實時部分，PMAC承擔實時控制；開放包括通信端口在內的大部分地址空間，輔以通用的DLL同PC機結合得最為緊密；其開放的函數(shù)庫可供用戶在Windows平臺上自行開發(fā)構造所需的數(shù)控系統(tǒng)§3.2數(shù)控裝置的硬件體系結構四、開放式數(shù)控體系結構第十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日§3.2數(shù)控裝置的硬件體系結構四、開放式數(shù)控體系結構純PC型（全軟件式）：最新的開放式體系結構的數(shù)控系統(tǒng)，提供給用戶最大的選擇性和靈活性。其CNC軟件全部裝在PC機內，而硬件部分僅是計算機與伺服驅動和外部I/O之間的標準化通用接口，就像計算機中可以安裝各種品牌的聲卡、CD-ROM和相應的驅動程序一樣，用戶可以在WindowsNT平臺上利用開放的CNC內核開發(fā)所需的各種功能，構成各種類型的高性能數(shù)控系統(tǒng)；具有最高的性能價格比，最有前途和生命力開放式數(shù)控體系結構的特點基于PC機（PC數(shù)控系統(tǒng)），通用操作系統(tǒng)平臺各模塊相互獨立，易于開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)費用低，而性能和可靠性容易不斷改善標準化人機界面和編程語言，方便使用便于批量生產便于擴展、集成、更新第十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日一、CNC裝置I/O接口的作用

電平轉換與功率放大由于CNC裝置內是TTL（Transistor-TransistorLogic）脈沖或電平信號（0.2-3.5V），而要監(jiān)控的設備或電路信號不一定是TTL信號，而且有的負載比較大；

電氣隔離為防止干擾信號的串入引起誤動作以及強電對CNC裝置的破壞，需將CNC裝置與機床之間的信號在電氣上加以隔離；信號變換CNC裝置內部只能處理數(shù)字信號，采用模擬量傳送時，需在CNC裝置與機床電氣設備之間進行信號變換信號整形或復原減少信號傳輸過程中由于衰減、噪聲和反射等引起的畸變§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口一、CNC裝置I/O接口的作用第十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日按CNC裝置I/O接口的功能與上位系統(tǒng)的接口：與DNC、FMS或CIMS或上位機的接口與用戶之間的交互設備的接口：與鍵盤、顯示器、操作面板、磁盤驅動器、手搖脈沖發(fā)生器、紙帶閱讀機等的接口與下位系統(tǒng)的接口：與驅動裝置、傳感器和機床電器控制器的接口按CNC裝置I/O信號的類型直流數(shù)字I/O接口（機床I/O接口、開關量I/O接口）：操作面板、限位開關、強電柜等的接口直流模擬I/O接口：進給坐標軸和主軸伺服控制的接口交流I/O接口：直接控制功率執(zhí)行器件(電磁閥、離合器等)

§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口二、CNC裝置I/O接口的分類按CNC裝置所連接的I/O設備人機界面接口：鍵盤、顯示器、操作面板、手搖脈沖發(fā)生器、紙帶閱讀機等的接口驅動接口：與進給軸和主軸驅動裝置及傳感器的接口輔助功能接口：與PLC的接口通訊及網(wǎng)絡接口：與外設及上位系統(tǒng)的接口二、CNC裝置I/O接口的分類第十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日三、數(shù)控鍵盤及其接口電路矩陣式鍵盤結構§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口三、數(shù)控鍵盤及其接口電路行線掃描碼列線返回碼鎖存器三態(tài)門00001111110101111111100100反相器第十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日矩陣式鍵盤工作原理（按鍵識別方法:兩個識別）

掃描法(列掃描法、行掃描法、行列掃描法)1)將各行線全置為0→讀入各列線電平1:無鍵按下0:第j列鍵按下2)逐行置0,其余各行置1→讀入各列線電平1:無鍵按下0:第i行j列鍵按下行列反轉法1)將各列線全置低電平→讀入各行線電平：若某行電平=0，則為按鍵所在行；2)將各行線全置低電平→讀入各列線電平：若某列電平=0，則為按鍵所在列；§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口三、數(shù)控鍵盤及其接口電路注意：有無反相器；掃描碼和返回碼的書寫方式（按下標大小依次從左至右，如DB3,DB2,DB1,DB0）回放上一頁第十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日

鍵盤工作方式(保證CPU及時響應鍵盤操作，且不過多占用CPU工作時間)程控掃描：CPU空閑時，調用鍵盤掃描子程序定時掃描：CPU響應單片機內部定時器中斷，定時掃描鍵盤中斷掃描：有鍵按下時，CPU響應鍵盤的中斷請求進行掃描§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口三、數(shù)控鍵盤及其接口電路10110第二十頁，共四十九頁，2022年，8月28日按鍵消抖處理§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口三、數(shù)控鍵盤及其接口電路

硬件消抖：RC濾波電路，用于鍵少時；軟件消抖：延時（5-20ms）讀鍵值，用于鍵多時第二十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日四、顯示器及其接口電路

顯示器種類顯示器CRT顯示器（陰極射線管）:顯示字符、圖形；顯示信息量大；便于人機對話；亮度高；單顯彩顯LCD顯示器（液晶顯示器）:本身不發(fā)光，功耗小，外加電壓低LED顯示器（發(fā)光二極管）:功耗小，亮度高，價格低，控制簡單LED顯示器結構原理LED半導體器件(發(fā)光二極管):電→光轉換;單向導電性

單個LED：故障報警，電源指示等組合LED：8字形、米字形等，顯示字符、圖形LED型式§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口四、顯示器及其接口電路第二十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日LED數(shù)碼管結構：N個發(fā)光二極管顯示字段

LED數(shù)碼管字形碼(段代碼)共陰極：各陰極連在一起，公共陰極接地；某管陽極為高電平時，相應的發(fā)光二極管點亮，該段被顯示共陽極：各陽極連在一起，公共陽極接正電壓；某管陰極為低電平時，相應的發(fā)光二極管點亮，該段被顯示§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口四、顯示器及其接口電路000001111011111000第二十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日

段選線與位選線、段代碼與位代碼§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口四、顯示器及其接口電路段選線位選線1111100000000111000100011111第二十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日

靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示靜態(tài)顯示：選定位上的LED顯示塊恒定導通或截止；每位可獨立顯示不同字符；較小電流，較高亮度；每位占一個8位I/O口，適于位數(shù)較少動態(tài)顯示：每位對應段選線并聯(lián)在一起，共用一個8位I/O口，適于位數(shù)較多；每位輪流短暫接通，周期性循環(huán)§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口四、顯示器及其接口電路靜態(tài)顯示動態(tài)顯示第二十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日

鍵盤、LED顯示器與單片機的連接§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口四、顯示器及其接口電路鍵盤掃描碼與顯示器位代碼分時共用鎖存器，鍵盤掃描前關顯示（字形碼即段代碼為全“暗碼”），防止掃描干擾顯示采用動態(tài)顯示，利用調用顯示子程序的時間來產生避開按鍵抖動所需的延時第二十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日

奧運會開幕式LED應用

這次奧運會吸引了全球觀眾的目光，其中除了人海的各項表演外，最引人注目的是其大量使用了LED科技，主要包括鳥巢會場中央地板的LED屏幕、表演者身上的LED裝飾燈、空中升起的奧運五環(huán)用LED光源、鳥巢會場看臺上轉播與提供現(xiàn)場觀眾用的LED屏幕等等，成了舉世關注的焦點之一。開幕倒數(shù)計時用的2008個缶，它雖然是中國古老的打擊樂器，用來擊缶而歌的，但在開幕式中，缶采用了LED光源來點綴，使用的觸碰感應LED發(fā)光體，每個約有十余顆LED，估計用上3萬多顆LED?！?.3CNC裝置的I/O設備及其接口四、顯示器及其接口電路第二十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口四、顯示器及其接口電路在奧運開幕式中，畫卷的主體LED顯示屏長147米，寬22米，面積3234平方米，像素點間距600毫米，共約44000組像素點，6萬個LED，是世界上最大的地面全彩LED顯示屏，每平方米的承重能力達兩噸，完全經(jīng)得住演員踩踏、水浸。第二十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口四、顯示器及其接口電路LED之所以受到廣泛重視而得到迅速發(fā)展，是與它本身所具有的優(yōu)點分不開的。這些優(yōu)點概括起來是：亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定。LED的發(fā)展前景極為廣闊。第二十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口四、顯示器及其接口電路

CRT顯示原理CRT系統(tǒng)CNC計算機接口緩沖存儲器顯示控制器CRT顯示控制器的主要作用:接收來自CPU的控制命令和顯示用的數(shù)據(jù);經(jīng)與CRT掃描信號調制后，產生CRT顯示器所需要的視頻信號;由CRT的電子槍對屏幕進行掃描，從而產生所需的畫面。第三十頁，共四十九頁，2022年，8月28日§2.3CNC裝置的I/O設備及其接口四、顯示器及其接口電路CRT工作原理屏幕上的圖象顯示，是利用陰極射線管中高速電子束的不斷掃描來實現(xiàn)的。

高速電子束撞擊熒光屏表面的磷光物，對應位置就出現(xiàn)光點，光點的亮度決定于電子束的強度。為了使電子束能夠有規(guī)律的從左到右、自上而下地移動，以構成一幀完整幕面，必須加上偏轉電路，電子束這種移動稱為掃描。在電子束掃描過程中，利用圖象信號不斷控制電子束的強度，熒光屏上就出現(xiàn)黑白圖象。圖像信號必須與掃描過程密切配合，否則，屏幕上就會雜亂無章，不會顯示清晰的圖像。第三十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日逐行掃描形成幀面的示意圖第1線第2線第3線0水平逆程(消隱)水平正程(顯示)開始垂直逆程§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口四、顯示器及其接口電路第三十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日CRT控制器刷新存儲器“ASCII”刷新存儲器“狀態(tài)”字符發(fā)生器鎖存器移位寄存器同步點時鐘&線地址視頻信號字符CRT顯示器接口框圖§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口四、顯示器及其接口電路1111111111

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0111111111111111第三十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日五、操作面板及開關量I/O接口（機床I/O接口、直流數(shù)字I/O接口）電路數(shù)控系統(tǒng)控制面板：MDI面板（鍵盤+顯示器，主要用于手工程序輸入、編輯等）+機床操作面板（主要用于手動方式下對機床的操作以及自動方式下對機床的操作或干預）§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口五、操作面板及開關量I/O接口電路第三十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口五、操作面板及開關量I/O接口電路機床操作面板結構與功能（華中p188）第三十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口五、操作面板及開關量I/O接口電路開關量型式與開關量I/O接口用途開關量型式開關狀態(tài)的閉合/斷開指示燈亮/滅繼電器或接觸器吸合/釋放電動機啟動/停止閥門打開/關閉脈沖信號、計數(shù)和定時信號開關量I/O接口用途CNC開關量I/O接口機床及操作面板機床工作狀態(tài)指示面板；控制機床動作信號強電柜CNC面板開關及按鈕信號、機床限位開關信號第三十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日開關量輸入接口電路功能：機床側+24V開關信號CNC（PLC）側TTL電平信號；信號電隔離（光傳遞）；濾波防擾動光電隔離器（I/O接口器件，書p110,114）：輸入端發(fā)光二極管；輸出端光敏三極管；隔離與電平轉換§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口五、操作面板及開關量I/O接口電路第三十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日開關量輸出接口電路功能：把控制機床動作的信號送到強電柜，將機床各種狀態(tài)送到操作面板上并用指示燈顯示。對TTL等邏輯電路輸出電流或電壓放大簧式繼電器（I/O接口器件，書p111,114）：簧片在磁場作用下接觸導通，有隔離、電平轉換和驅動作用§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口五、操作面板及開關量I/O接口電路第三十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口五、操作面板及開關量I/O接口電路大負載驅動輸出電路（新北理工圖4-32）第三十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日六、數(shù)據(jù)通信及通信接口電路數(shù)據(jù)通信基本概念數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)：數(shù)據(jù)終端設備+通信設備（如調制解調器）+傳輸媒體（如同軸電纜、光纜、電話線、微波、激光等）（嚴圖7-10）§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口六、數(shù)據(jù)通信及通信接口電路數(shù)據(jù)終端設備(DTE)：發(fā)送和接受信息的設備（信源與信宿）數(shù)據(jù)通信設備(DCE)：信號變換裝置本地連接：通信接口(RS-232C)第四十頁，共四十九頁，2022年，8月28日§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口六、數(shù)據(jù)通信及通信接口電路調制解調器（新北理工圖4-57，馮圖7-16）第四十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口六、數(shù)據(jù)通信及通信接口電路通信方式串行通信：數(shù)據(jù)一位位地順序傳遞，通信線路簡單（可利用電話線），適用于遠距離，傳輸速度（波特率--位/s)慢并行通信：數(shù)據(jù)各位同時傳遞，傳輸速度（字節(jié)/s)快，但遠距離、多位數(shù)時通信線路復雜，適用于近距離傳送通信線路的通信方式串行通信的數(shù)據(jù)傳送方向全雙工通信半雙工通信（新北理工圖4-56）單工通信串行通信的數(shù)據(jù)傳輸方式（馮圖7-13）異步通信：適于CNC系統(tǒng)串行通信

同步通信：效率高，速度快，適于信息量大的遠程通信第四十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日§3.3CNC裝置的I/O設備及其接口