第三章 計算機(jī)數(shù)控裝置及接口

第三章計算機(jī)數(shù)控裝置及接口CNC系統(tǒng)的組成CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)CNC裝置的體系結(jié)構(gòu)CNC裝置的接口電路第一節(jié)CNC系統(tǒng)的組成一、定義二、組成三、功能一、定義按照美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)化委員會的定義:CNC系統(tǒng)是借助于計算機(jī)通過執(zhí)行其存貯器內(nèi)的程序來完成數(shù)控要求的部分或全部功能、并配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置的一種專用計算機(jī)系統(tǒng)。ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)的定義:“CNC系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動閱讀輸入載體上事先給定的字，并將其譯碼，從而使機(jī)床移動和加工零件”。

二、組成CPUEPROMRAMIN接口OUT接口磁帶或磁盤機(jī)接口MDI/CRT接口位置控制其它接口圖3-1CNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖二、功能控制功能：指能控制的軸數(shù)及同時控制的軸數(shù)。2-6軸準(zhǔn)備功能：G功能，移動，面選，坐標(biāo)設(shè)定，刀補(bǔ)等插補(bǔ)功能：粗、精插補(bǔ)，直線、圓弧等進(jìn)給功能：進(jìn)給速度，進(jìn)給率主軸功能：主軸的正、反轉(zhuǎn)、準(zhǔn)停，轉(zhuǎn)速等輔助功能：主軸啟停，冷卻液通斷，換刀等固定循環(huán)功能：螺紋，鉆孔等補(bǔ)償功能：刀長，刀半徑字符圖形顯示功能：診斷功能：通信功能：串行通信，MAP工業(yè)局域網(wǎng)，以太網(wǎng)在線自動編程功能：三、系統(tǒng)軟件這里指的是為實現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項功能所編制的專用軟件，即存放于計算機(jī)內(nèi)存中的系統(tǒng)程序。它一般由下列程序組成:輸入數(shù)據(jù)處理程序:1.輸入2.譯碼3.數(shù)據(jù)處理插補(bǔ)運算程序:實現(xiàn)坐標(biāo)軸脈沖分配的功能速度控制程序:根據(jù)合成速度計算各運動坐標(biāo)方向的分速度.管理程序診斷程序。第二節(jié)CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)一、數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的分類

二、單微處理器結(jié)構(gòu)

三、多微處理器結(jié)構(gòu)

一、數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的分類從組成CNC系統(tǒng)的電路板的結(jié)構(gòu)特點來看，有兩種常見的結(jié)構(gòu)，即大板式結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)。大板式結(jié)構(gòu)的特點是：一個系統(tǒng)一般都有一塊大板，稱為主板。主板上裝有主CPU和各軸的位置控制電路等。另外一種柔性比較高的結(jié)構(gòu)就是總線模塊化的開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從CNC系統(tǒng)使用的微機(jī)及結(jié)構(gòu)來分，CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)一般分為單微處理器和多微處理器結(jié)構(gòu)兩大類。二、單微處理器結(jié)構(gòu)

主要有三類：通用的微處理器、單片微計算機(jī)通用微處理器：8位；16位；準(zhǔn)16位；32位單片微計算機(jī)：8位；16位CNC系統(tǒng)的性能很大程度上由構(gòu)成它的微處理器的性能所決定。InterMCS-51系統(tǒng)單片機(jī)結(jié)構(gòu)特點集成度高存儲空間大，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)：運算速度快：在6~12MHz的主頻下工作。片內(nèi)輸入輸出功能強(qiáng)。可靠性高：MCS—51的類型:主要有8051（不可擦寫式ROM），8751（可擦寫式ROM），8031（無ROM）MCS—51系列定時，計數(shù)和中斷:有兩個16位的定時計數(shù)器，中斷圖3-2單微處理器CNC裝置組成框圖三、多微處理器結(jié)構(gòu)圖3-5共享總線結(jié)構(gòu)框圖圖3-6雙端口存儲器結(jié)構(gòu)框圖圖3-7多微處理機(jī)共享存儲器結(jié)構(gòu)框圖專用CNC裝置與開放式CNC裝置所謂NC裝置的開放化，就是指機(jī)床制造廠（NC裝置的中間用戶）和機(jī)床用戶（NC裝置的最終用戶）能夠更改、追加NC裝置的功能，并能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的廉價化。目前對于開放性數(shù)控的具體定義還存在爭論,一般而言,開放性數(shù)控應(yīng)該具有以下特點:(1)由一系列邏輯上獨立的構(gòu)成要素組成；(2)提供系統(tǒng)各個構(gòu)成要素與系統(tǒng)之間接口的完善的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),來自不同廠商的符合規(guī)范的構(gòu)成要素能夠構(gòu)成一個完整的數(shù)控系統(tǒng)；(3)能夠動態(tài)改變系統(tǒng)的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)；(4)能夠?qū)崿F(xiàn)與其它自動化系統(tǒng)或軟件模塊的互操作；(5)能夠提供一致性好的人機(jī)界面(MMI)開放式體系結(jié)構(gòu)是當(dāng)前CNC發(fā)展的主流CNC裝置必須開放化開放式CNC裝置的組成方式PC連接CNCPC內(nèi)藏型CNCCNC內(nèi)藏型PC全軟件型NC第三節(jié)CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)一、CNC系統(tǒng)的控制軟件及其工作過程

二、CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的特點三、CNC系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)形式

二、CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的特點CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)的特點：具有多任務(wù)并行處理(一)多任務(wù)并行處理多個任務(wù)必須同時進(jìn)行并行處理分為:單微處理器：資源分時共享多微處理器：資源重疊的流水處理時間重疊:流水線技術(shù)時間重疊:流水線技術(shù)輸入、插補(bǔ)準(zhǔn)備、插補(bǔ)、位置控制四個子過程的資源重疊流水處理a)順序處理b)流水處理資源共享:分時共享CNC多任務(wù)并行處理時的CPU分時共享三、CNC系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)形式在單微處理器數(shù)控系統(tǒng)中，常采用前后臺型的軟件結(jié)構(gòu)和中斷型的軟件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)軟件包括前臺和后臺兩大部分:

后臺程序包括：通信、顯示、診斷以及加工程序的編制管理等程序，這類程序?qū)崟r性要求不高。前臺程序包括：譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)、位置控制、開關(guān)量控制等軟件，這類程序完成實時性很強(qiáng)的控制任務(wù)。上述的數(shù)控功能由相應(yīng)的功能子程序?qū)崿F(xiàn)(一)前后臺型軟件結(jié)構(gòu)

前后臺軟件結(jié)構(gòu)前后臺軟件總體框圖(二)中斷型軟件結(jié)構(gòu)中斷型軟件結(jié)構(gòu)框圖一、CNC系統(tǒng)控制軟件及工作過程CNC系統(tǒng)的控制軟件即系統(tǒng)軟件一般由輸入、譯碼、數(shù)據(jù)處理（預(yù)計算）、插補(bǔ)運算、速度控制、輸出控制、管理程序、診斷程序及通訊程序等部分構(gòu)成(一)輸入內(nèi)容:從鍵盤、光電閱讀機(jī)、通信接口、上位計算機(jī)或其它設(shè)備輸入零件加工程序。任務(wù)：從鍵盤或光電閱讀機(jī)將零件加工程序輸入到零件程序存儲器中；將零件程序存儲器中的零件加工程序送入緩沖器中，以便進(jìn)行后續(xù)處理。(二)譯碼作用：將零件加工程序轉(zhuǎn)換為CNC系統(tǒng)能夠接受的代碼內(nèi)容：以程序段為單位進(jìn)行，對每個程序段中的各種零件輪廓信息（如起點、終點、直線還是圓弧等）、速度信息（F代碼）和其它輔助信息（M、S、T代碼）等進(jìn)行解釋，再將解釋后生成的目標(biāo)代碼以一定的數(shù)據(jù)格式存儲在指定的存儲區(qū)。方式：編譯和解釋(三)預(yù)處理預(yù)處理即插補(bǔ)運算前的預(yù)備處理。內(nèi)容：進(jìn)行刀具補(bǔ)償處理和進(jìn)給速度處理。刀具補(bǔ)償包括刀具長度補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償進(jìn)給速度處理包括:1.根據(jù)程序給出的坐標(biāo)合成速度計算出各運動坐標(biāo)方向的分速度。2.根據(jù)機(jī)床允許的最低速度和最高速度進(jìn)行限速處理(四）插補(bǔ)插補(bǔ):是在一條已知起點和終點的曲線上進(jìn)行數(shù)據(jù)點的密化。方法：脈沖增量法：以脈沖形式輸出的插補(bǔ)方法。數(shù)字增量法：以數(shù)字量形式輸出插補(bǔ)方法。(五）位置控制在閉環(huán)（半閉環(huán)）的CNC系統(tǒng)中，位置控制由CNC系統(tǒng)中的位置環(huán)來完成。位置環(huán)內(nèi)還包括有速度環(huán)和電流環(huán)。傳統(tǒng)的CNC系統(tǒng)，其速度環(huán)和電流環(huán)在伺服放大器中閉合?，F(xiàn)代CNC系統(tǒng)的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)均在CNC裝置（計算機(jī)）內(nèi)閉合，即所謂的全數(shù)字式伺服控制。在位置控制中，通常還要完成位置回路的增益調(diào)整，各坐標(biāo)方向的螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償?shù)?。（六）I／O處理I／O處理即是利用PLC程序?qū)NC裝置與機(jī)床之間的信號輸入、輸出進(jìn)行邏輯處理和控制。(七）顯示顯示工具：CRT或液晶顯示屏。顯示內(nèi)容：零件加工程序、參數(shù)、刀具位置、機(jī)床狀態(tài)、故障信息、加工軌跡的靜態(tài)和動態(tài)圖形?？梢詫α慵庸こ绦蜻M(jìn)行仿真，判斷是否會出現(xiàn)加工干涉現(xiàn)象。(八)診斷診斷功能:啟動診斷、在線診斷和離線診斷。1.啟動診斷。它是指從系統(tǒng)通電至進(jìn)入正常的運行準(zhǔn)備狀態(tài)一段時間內(nèi)，CNC系統(tǒng)內(nèi)部診斷程序自動執(zhí)行的診斷。2.在線診斷。它也稱后臺診斷，是指通過CNC系統(tǒng)內(nèi)裝診斷程序在準(zhǔn)備和循環(huán)運行狀態(tài)期間，對CNC裝置本身及與其連接的外部設(shè)備、伺服系統(tǒng)等執(zhí)行的自動診斷。3.離線診斷。它多在CNC系統(tǒng)因故障停機(jī)后進(jìn)行。（九）通信功能隨著工廠自動化和計算機(jī)集成制造技術(shù)的發(fā)展，CNC系統(tǒng)不僅作為單臺機(jī)床設(shè)備的控制器，而且還作為分布式數(shù)控系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)設(shè)備層控制器而成為系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。這就要求CNC系統(tǒng)不僅具有一般的串行通信功能，還需具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，以適應(yīng)CNC系統(tǒng)與上級主計算機(jī)或單元控制器間的大量數(shù)據(jù)交換的需要。第四節(jié)CNC裝置的體系結(jié)構(gòu)從系統(tǒng)論的觀點來看，特別是人造系統(tǒng)，它具有一定的結(jié)構(gòu)并能實現(xiàn)規(guī)定的功能。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是對系統(tǒng)內(nèi)部各組成要素（單元）的有機(jī)聯(lián)系和相互作用的描述。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通常具有層次性，可以從不同層次上進(jìn)行描述。

系統(tǒng)的功能是通過具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境相互聯(lián)系和發(fā)生作用的能力及其體現(xiàn)。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是在系統(tǒng)的層次上，為實現(xiàn)規(guī)定的功能對系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的描述。對于CNC來說，其體系結(jié)構(gòu)可用系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)和體系結(jié)構(gòu)規(guī)范來描述。開放式體系結(jié)構(gòu)是當(dāng)前CNC發(fā)展的主流所謂NC裝置的開放化，就是指機(jī)床制造廠（NC裝置的中間用戶）和機(jī)床用戶（NC裝置的最終用戶）能夠更改、追加NC裝置的功能，并能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的廉價化。目前對于開放性數(shù)控的具體定義還存在爭論,一般而言,開放性數(shù)控應(yīng)該具有以下特點:(1)由一系列邏輯上獨立的構(gòu)成要素組成；(2)提供系統(tǒng)各個構(gòu)成要素與系統(tǒng)之間接口的完善的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),來自不同廠商的符合規(guī)范的構(gòu)成要素能夠構(gòu)成一個完整的數(shù)控系統(tǒng)；(3)能夠動態(tài)改變系統(tǒng)的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)；(4)能夠?qū)崿F(xiàn)與其它自動化系統(tǒng)或軟件模塊的互操作；(5)能夠提供一致性好的人機(jī)界面(MMI)第五節(jié)CNC裝置的接口電路一、數(shù)控鍵盤及其接口電路二、顯示器及其接口電路三、開關(guān)量I/O接口（機(jī)床I/O接口、直流數(shù)字I/O接口）電路四、數(shù)據(jù)通信及通信接口電路一、數(shù)控鍵盤及其接口電路1、鍵盤結(jié)構(gòu)2、工作原理3、工作方式4、取抖動處理1、鍵盤結(jié)構(gòu)矩陣式鍵盤2、工作原理3、工作方式掃描法(行掃描法)1)將各行線全置為0→讀入各列線電平

1：無鍵按下

0：有鍵按下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列鍵按下反轉(zhuǎn)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；行掃描法5V00101011反轉(zhuǎn)法5V11010000&110110114、去抖動處理硬件去抖動軟件去抖動：延時12ms再掃描二、顯示器及其接口電路顯示器種類LED顯示器結(jié)構(gòu)原理段選線與位選線、段代碼與位代碼靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示鍵盤、LED顯示器與單片機(jī)連接1、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(jī)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2、LED顯示器結(jié)構(gòu)原理LED半導(dǎo)體器件(發(fā)光二極管):電→光轉(zhuǎn)換;單向?qū)щ娦訪ED型式：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LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)：N個發(fā)光二極管顯示字段共陰極：各陰極連在一起，公共陰極接地；某管陽極為高電平時，相應(yīng)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(yīng)的發(fā)光二極管點亮，該段被顯示LED數(shù)碼管字形碼(段代碼)abcdefghhgfedcba210100100510010010abcdefghhgfedcba210100100510010010abcdefghhgfedcba3、段選線與位選線、段代碼與位代碼4、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(dǎo)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(yīng)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)；5、鍵盤、LED顯示器與單片機(jī)連接三、開關(guān)量I/O接口電路1、開關(guān)量型式與開關(guān)量I/O接口用途2、開關(guān)量輸入接口電路3、開關(guān)量輸出接口電路1、開關(guān)量型式與開關(guān)量I/O接口用途開關(guān)狀態(tài)的閉合/斷開指示燈亮/滅繼電器或接觸器吸合