第四章 數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)

數(shù)控技術(shù)昆明學院自動控制與機械工程學院戴麗玲1/13/20231一、CNC主要功能及組成主要功能：位置控制：刀具與工件的相對位置及軌跡控制（即程序編制中的G代碼功能）。功能控制：主要是開關(guān)量控制信號處理（即程序編制中的M代碼功能）。信號處理：系統(tǒng)運行狀態(tài)信號的分析處理（信號檢測和處理）。系統(tǒng)組成：輸入輸出設(shè)備、CNC裝置、伺服驅(qū)動及位置檢測裝置、輔助機能驅(qū)動電路、數(shù)控系統(tǒng)軟件。4-1概述1/13/202324-1概述二、CNC系統(tǒng)的主要特點系統(tǒng)柔性好、通用性強不同于NC(硬線數(shù)控)，CNC軟件結(jié)構(gòu)變更性強，功能易于拓展。易于實現(xiàn)多功能

CNC豐富的指令系統(tǒng)可進行高次曲線插補、刀補、多坐標聯(lián)動控制和在線編程等。系統(tǒng)可靠性高大部分功能由軟件實行，減少了硬件出錯率。維修方便采用模塊化結(jié)構(gòu)并配有自診斷軟件。通信功能強通常配有RS232C或DNC接口，便于實現(xiàn)DNC、FMS、CIMS等系統(tǒng)的聯(lián)機通訊；圖形編程功能具有人機交互圖形自動編程功能。1/13/202334-2位移、速度、位置傳感器一、檢測元件的作用與分類作用：檢測工作臺或絲杠的直線位移（角位移）和線速度（角速度）并形成反饋控制主要技術(shù)指標：可靠性、抗干擾性、分辨率、響應速度等分辨率：位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量分辨率選擇：測量系統(tǒng)的分辨率應比加工精度高一個數(shù)量級檢測系統(tǒng)的選擇：

大型機床：速度響應要高

中小型和高精度機床：以滿足精度要求為主分類1/13/202344-2位移、速度、位置傳感器1/13/202354-2位移、速度、位置傳感器二、旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：由定子和轉(zhuǎn)子組成的旋轉(zhuǎn)式小型交流電機，如圖1/13/20236工作原理：根據(jù)互感原理工作，平行時互感最大，副邊感應電動勢最大；垂直時互感為零，副邊感應電動勢最小，如圖。4-2位移、速度、位置傳感器副邊繞組產(chǎn)生的感應電壓為當轉(zhuǎn)子繞組磁軸與定子繞組磁軸平行時，即＝90o時，互感電壓最大：1/13/202374-2位移、速度、位置傳感器旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式鑒相方式鑒幅方式定子和轉(zhuǎn)子空間結(jié)構(gòu)1）鑒相方式正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值相同、頻率相同、相位相差90o的正弦交流電壓：1/13/202382）鑒幅方式正弦繞組和余弦繞組分別加上頻率相同、相位相等、幅值分別按正弦、余弦規(guī)律變化的交變電壓：4-2位移、速度、位置傳感器1/13/20239三、感應同步器感應同步器結(jié)構(gòu)：相當于展開的多級旋轉(zhuǎn)變壓器，見圖4-6。4-2位移、速度、位置傳感器1/13/2023102.感應同步器工作原理相當于旋轉(zhuǎn)變壓器的原理如圖4-2位移、速度、位置傳感器1）鑒相方式正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值相同、頻率相同、相位相差90o的交流電壓：分別在定尺繞組上產(chǎn)生感應電壓：1/13/2023114-2位移、速度、位置傳感器鑒相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1/13/2023124-2位移、速度、位置傳感器2）鑒幅方式正弦繞組和余弦繞組分別加上頻率相同、相位相等、幅值分別按正弦、余弦規(guī)律變化的交變電壓：1/13/202313鑒幅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4-2位移、速度、位置傳感器1/13/2023143.感應同步器的特點安裝：定尺與滑尺之間的間隙應控制在0.25±0.05mm范圍內(nèi)，間隙變化控制范圍0.01mm。特點：精度高測量范圍大環(huán)境適應性強維護簡單、壽命長4-2位移、速度、位置傳感器1/13/202315光柵是將機械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖，反饋給CNC裝置，實現(xiàn)閉環(huán)位置控制的檢測裝置，是等節(jié)距的透光和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光學元件。光柵4-2位移、速度、位置傳感器1/13/202316光柵線位移傳感器1/13/202317注塑光學光柵1/13/202318

精度高,可達1μm,工作原理利用光的透射和衍射現(xiàn)象,可測直線或轉(zhuǎn)角。非接觸測量，抗干擾能力強，但對環(huán)境要求高。一、光柵的構(gòu)造1.光柵尺的構(gòu)造和種類標尺光柵固定在機床活動部件上指示光柵安裝在讀數(shù)頭內(nèi)光柵1/13/202319

光柵長光柵圓光柵1/13/202320四、光柵測量裝置光柵的工作原理組成：長光柵（標尺光柵）、短光柵（指示光柵）、狹縫、光學鏡和光電管，見圖4-10。4-2位移、速度、位置傳感器圖4.10光柵結(jié)構(gòu)圖1/13/2023214-2位移、速度、位置傳感器光柵：刻有刻線的光學玻璃柵距：光柵上相鄰兩刻線間的距離工作原理：莫爾條紋的工作原理圖4-111/13/202322莫爾條紋具有以下特征：（1）莫爾條紋的正（余）弦變化規(guī)律（2）莫爾條紋平均誤差的作用莫爾條紋由光柵的大量刻線共同形成，對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除誤差的影響。（3）莫爾條紋的光學放大作用若ω=0.01mm，θ=0.01rad，W=1mm，莫爾條紋就放大了100倍。（4）莫爾條紋的移動與光柵移動成比例：在兩光柵沿刻線的垂直方向作相對移動時，莫爾條紋在刻線方向移動。兩光柵相對移動一個柵距W，莫爾條紋也同步移動一個間距。固定點上的光強則變化一周。而且在光柵反向移動時，莫爾條紋移動方向也隨之反向。4-2位移、速度、位置傳感器1/13/202323光柵測量裝置分光讀數(shù)頭垂直入射讀數(shù)頭反射讀數(shù)頭光柵檢測裝置電路

四倍頻細分

方向辨別4-2位移、速度、位置傳感器1/13/202324光電脈沖編碼器1/13/202325五、脈沖編碼器功能：角位移測量特點：非接觸式檢測、驅(qū)動力小、檢測速度快分類：增量式編碼器和絕對式編碼器兩種增量式編碼器組成：光源、光電盤、光電接收元件工作原理：

信號處理：信號接收、放大、整形及反饋

方向辨別：DA、DB空間相差90o

基準脈沖：由DC產(chǎn)生缺點：停電或停機后，無法找到原始位置4-2位移、速度、位置傳感器1/13/2023264-2位移、速度、位置傳感器增量式編碼器1/13/2023274-2位移、速度、位置傳感器絕對式編碼器分類：機械式、光電式、磁電式組成及原理：編碼盤、信號產(chǎn)生元件、信號接收元件0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100202122231/13/202328六、速度傳感器（自學）測速發(fā)電機

特點：輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴格的成線性關(guān)系輸出電勢與轉(zhuǎn)速比的斜率大脈沖編碼器的使用編碼器+定時器七、位置傳感器（自學）

特點：不同于位移傳感器，該傳感器僅用于定位測量接觸式位置傳感器接近式位置傳感器4-2位移、速度、位置傳感器1/13/2023294-3伺服驅(qū)動裝置一、概述伺服系統(tǒng)的組成伺服驅(qū)動電路：信號的轉(zhuǎn)換（D/A）和放大

伺服驅(qū)動電機：信號和能量的轉(zhuǎn)化輸出（電—機）機械傳動機構(gòu)：信號和能量傳遞作用：接收數(shù)控系統(tǒng)的指令，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成預定的進給和快速運動。特點：能夠?qū)崿F(xiàn)位置和運動的準確控制分類：開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)1/13/2023301.開環(huán)伺服系統(tǒng)組成：步進電機、驅(qū)動電路、傳動機構(gòu)工作原理：4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202331特點

1）無位移檢測裝置，控制精度低

2）結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整、成本低。主要技術(shù)指標

1）定位精度可達±0.02mm2）脈沖當量可達0.01mm3）最高進給速度低于6m/min應用經(jīng)濟型數(shù)控機床及機床數(shù)控化改造4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202332關(guān)于步進電機

步距角：步進電機每接受一個指令脈沖，轉(zhuǎn)子相應的轉(zhuǎn)角

脈沖當量：步進電機每接受一個指令脈沖，工作臺相應的位移

轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向的決定因素：脈沖頻率、脈沖數(shù)和通電相序。

主要類型：反應式步進電機、混合式步進電機4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202333閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成：伺服單元、伺服電機、位移檢測裝置、傳動機構(gòu)等工作原理：圖4-314-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202334特點：1）設(shè)有位移檢測裝置，控制精度高2）調(diào)試維護困難、成本較高主要技術(shù)指標:1）定位精度可達±0.002mm2）檢測分辨率可達0.001mm3）最高進給速度可達14m/min應用：加工中心及中、高檔數(shù)控機床4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202335關(guān)于閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)

閉環(huán)：采用線位移檢測元件對工作臺位移直接進行測量反饋。特點：控制精度高、安裝調(diào)試困難半閉環(huán)：采用角位移檢測元件對電機軸或滾珠絲杠的角位移進行測量反饋。特點：控制精度相對較低、安裝調(diào)試方便4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202336伺服驅(qū)動系統(tǒng)的選用1）精度要求：定位精度、重復定位精度、加工精度2）響應速度：跟蹤指令信號的速度3）調(diào)速范圍：最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比Rn=nmax/nmin4）低速轉(zhuǎn)距特性:低速時轉(zhuǎn)距輸出能力關(guān)于定位精度和重復定位精度1）定位精度：移動件到達指令位置的準確度2）重復定位精度：移動件在任意定位點的定位一致性4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202337二、步進電機驅(qū)動系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）一）步進電機的工作原理、結(jié)構(gòu)及特性1.步進電動機的工作原理工作原理演示4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202338通電方式三相雙三拍：(正轉(zhuǎn))ABBCCAAB(反轉(zhuǎn))ACCBBAAC三相六拍：(正轉(zhuǎn))

AABBBCCCAA(反轉(zhuǎn))

AACCCBBBAA三相單三拍：(正轉(zhuǎn))ABCA(反轉(zhuǎn))ACBA4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202339m相步進電機通電方式m相單m拍：例ABCDEAm相雙m拍：例ABBCCDDEEAAB或ABCBCDCDEDEAEABABCm相2m拍：例AABBBCCCDDDEEEAA或ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB三種通電方式的特點：單m拍：每次一相通電,切換瞬間失去自鎖力矩易失步,在平衡位置易振蕩雙m拍：每次同時有二相通電,切換瞬間仍有一相保持通電,運行穩(wěn)定2m拍：步距角小一半，切換瞬間仍有一相保持通電，運行穩(wěn)定4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202340步進電機的結(jié)構(gòu)（橫向視圖）工作原理演示4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/2023412.步進電機的結(jié)構(gòu)（縱向視圖）4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202342步進電機的主要特性1）步距角和靜態(tài)步距誤差步距角：m:線圈相數(shù)z:轉(zhuǎn)子齒數(shù)q:2m拍q=2，其它q=1步距誤差：實際步距角與理論步距角之差一般為10`2）輸出扭矩：必須大于負載轉(zhuǎn)距3）最高啟動、停止脈沖頻率：步進電機所能接受的最高啟、停脈沖頻率，此值必須大于負載實際啟、停所需的脈沖頻率。4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/2023434）連續(xù)運行的最高工作頻率：步進電機連續(xù)運行所能接受的最高工作頻率，此值必須大于步進電機實際運行的最高工作頻率。5）步進運行和低頻振蕩步進運行：當脈沖間隔大于步進電機的過渡過程時，電機呈步進運行狀態(tài)低頻振蕩：當脈沖頻率接近步進電機的固有頻率時，將產(chǎn)生振蕩（必要時可設(shè)可調(diào)阻尼器）4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202344二）開環(huán)控制系統(tǒng)步進電機的計算和選用傳動計算傳動比直線進給4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202345式中：α為步進電機的步距角δ為系統(tǒng)的脈沖當量i為傳動系統(tǒng)的傳動比圓周進給傳動比4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202346步進電機的選用輸出轉(zhuǎn)距：通常取ML/Mjmax=0.2～0.5步距角：步距角與系統(tǒng)應匹配，即應滿足脈沖頻率：應與系統(tǒng)要求的啟動、連續(xù)運行頻率匹配轉(zhuǎn)動慣量：應滿足以下匹配條件式中：JM步進電機的轉(zhuǎn)動慣量JL負載轉(zhuǎn)動慣量脈沖頻率：所選步進電機脈沖頻率要滿足負載要求，即：所選步進電機連續(xù)運行的最高脈沖頻率要高于負載連續(xù)運行要求的脈沖頻率，所選步進電機啟動運行的最高脈沖頻率要高于負載啟動運行要求的脈沖頻率。4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202347三）步進電機的驅(qū)動環(huán)形分配器作用：對步進電機線圈的通電相序進行分配種類：硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種軟件環(huán)分器：通電相序狀態(tài)預先存入計算機并采用軟件查表方式進行控制特點：節(jié)省了環(huán)分器硬件，但軟件運行效率低，用于速度要求不高處4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202348硬件環(huán)分器：通電相序狀態(tài)由硬件邏輯功能完成特點：需要專用硬件資源，運行效率高。4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202349功率放大器（驅(qū)動電源）作用：將數(shù)控系統(tǒng)輸出的弱電控制信號轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動步進電機的強電信號。種類：單電壓驅(qū)動電路高低壓驅(qū)動電路恒流斬波驅(qū)動電路4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202350提速（限流）電阻Rc：改變時間常數(shù)，提高響應速度續(xù)流二極管D：用于功率晶體管的過電壓保護特點：結(jié)構(gòu)簡單、效率低、能耗高，發(fā)熱大、工作穩(wěn)定性差。應用：小功率步進電機驅(qū)動單電壓驅(qū)動電路4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202351特點：結(jié)構(gòu)復雜、響應速度快、高頻驅(qū)動能力強、功耗低。應用：大（中）型功率步進電機的驅(qū)動高低壓驅(qū)動電路4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202352特點：結(jié)構(gòu)復雜、響應速度快、驅(qū)動能力強、功耗低、噪聲大。應用：大（中）型功率步進電機的驅(qū)動恒流斬波驅(qū)動電路4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202353四）提高步進電機伺服系統(tǒng)精度的措施存在的問題

無位移檢測元件，定位精度主要取決于傳動精度改善措施間隙補償：在換向時通過附加脈沖進行補償螺距誤差補償：采用機械樣板或附加脈沖進行補償反饋補償：通過檢測器進行系統(tǒng)誤差檢測，周期性地發(fā)出補償脈沖。4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202354三、直流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)一）直流伺服電機小慣量直流伺服電機結(jié)構(gòu)特點：1）轉(zhuǎn)子為光滑無槽的鐵芯，線圈由粘合劑粘結(jié)。2）長徑比大、慣量小。性能特點：1）轉(zhuǎn)動慣量小，約為普通直流電機的1/10，快速響應性好。2）電樞反應小，換向性好，電機時間常數(shù)小（只有幾毫秒）。3）由于轉(zhuǎn)子無槽，結(jié)構(gòu)均衡性好，低速平穩(wěn)性好。4）最大扭矩為額定值的10倍，過載能力強。缺點：由于慣量小，必須配齒輪減速葙，才能拖動負載。4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202355寬調(diào)速（大慣量）直流伺服電機結(jié)構(gòu)特點：轉(zhuǎn)子慣量大，響應特性由大功率驅(qū)動系統(tǒng)保證性能特點：輸出轉(zhuǎn)矩大不需齒輪減速箱即可直接驅(qū)動負載。過載能力強轉(zhuǎn)子熱容量大，過載能力強（過載轉(zhuǎn)矩可達5～10倍）動態(tài)響應好電流過載能力強、瞬時加速轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)響應好。調(diào)速范圍寬且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)低速時輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速調(diào)速范圍寬，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。易于調(diào)試由于慣量大，受負載影響小，可不加負載調(diào)試。4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202356二）直流伺服電機的調(diào)速直流電機的轉(zhuǎn)速

（電機電勢常數(shù)）

調(diào)壓恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：調(diào)節(jié)Ua，保持φ和Ra不變

（Cm為轉(zhuǎn)矩常數(shù)）調(diào)磁恒功率調(diào)速：調(diào)節(jié)φ，保持Ua和Ra不變

（φ↑n↓T↑）調(diào)速方法的選擇：進給系統(tǒng)一般選用調(diào)壓恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速

4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202357直流伺服電機的可控硅調(diào)速三相半波反并聯(lián)可控硅調(diào)速4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202358直流伺服電機脈寬調(diào)速（PWM）系統(tǒng)脈寬調(diào)制器：產(chǎn)生幅值恒定、寬度可變的矩形脈沖信號圖4-47晶體管脈寬信號放大器：信號放大和正反轉(zhuǎn)控制圖4-484-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202359PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點1）開關(guān)頻率高2）波紋系數(shù)小3）頻率較寬4）可在高峰值電流下工作4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/202360三）直流伺服電機閉環(huán)進給系統(tǒng)半閉環(huán)進給系統(tǒng)閉環(huán)進給系統(tǒng)4-3伺服驅(qū)動裝置半閉環(huán)進給系統(tǒng)1/13/2023614-3伺服驅(qū)動裝置半閉環(huán)進給系統(tǒng)1/13/202362四、交流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)特點：結(jié)構(gòu)簡單、無電刷、可靠性高、維護方便。種類：永磁式同步交流伺服電機和感應式異步交流伺服電機永磁式同步交流伺服電機特點與直流伺服電機相比，同等功率下，電機外形尺寸減小1/2，重量減輕60%，轉(zhuǎn)子慣量減至1/5（減小4/5）感應式交流伺服電機特點結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、過載能力強，與永磁式交流伺服電機相比，效率低、體積大、轉(zhuǎn)子熱損耗大，轉(zhuǎn)子發(fā)熱直接影響系統(tǒng)性能。應用：目前數(shù)控機床進給系統(tǒng)多采用永磁式交流伺服電機。4-3伺服驅(qū)動裝置1/13/2023634-4數(shù)控裝置4.4.1CNC裝置的硬件組成1/13/202364CNC數(shù)控裝置與普通計算機一樣，具有CPU、存儲器、總線、外設(shè)等，不過它的外設(shè)不是打印機、繪圖機等，而是其它輸出接口及后續(xù)裝置，其中最主要的是輸出伺服運動指令推動數(shù)控機床各坐標軸運動。1.中央處理器單元(CPU)CPU是CNC裝置的核心，具有執(zhí)行計算和控制功能的能力。一般由運算器、控制器和暫存寄存器組成。CNC中常用的CPU有8位、16位、32位和64位，如：Intel公司的8086、80186、80286、80386和80486；Motorola公司的6800、68000、68020、68030和68040；Zilog公司的Z80、Z8000、Z80000等。4-4數(shù)控裝置1/13/2023652.總線（BUS）總線是傳送數(shù)據(jù)或交換信息的公共通道，在CPU內(nèi)部一般采用三總線結(jié)構(gòu)，即地址總線（AB）、數(shù)據(jù)總線（DB）和控制總線（CB）。3.存儲器（Memory）存儲器用來存儲系統(tǒng)軟件、零件加工程序以及運算的中間數(shù)據(jù)和處理后的結(jié)果，其類型有：<1>系統(tǒng)軟件存儲器：ROM<2>工件參數(shù)存儲器：RAM<3>零件加工程序存儲器:CMOSRAM4-4數(shù)控裝置1/13/2023664.輸入/輸出（I/O）接口電路及相應的外部設(shè)備用來交換數(shù)控裝置和外部的信息，MDI/CRT接口完成手動數(shù)據(jù)輸入和將信息顯示在CRT上。<1>I/O接口外設(shè)與CPU之間的聯(lián)絡(luò)電路。<2>外部I/O設(shè)備及I/O接口<3>機床的I/O控制通道5.位置控制部分位置控制部分是CNC裝置的一個重要組成部分，它包括對主軸驅(qū)動的控制，以便完成速度控制，通過伺服系統(tǒng)提供功率、扭矩的輸出；還包括對進給坐標的控制，以便完成位置控制，通過伺服系統(tǒng)提供恒扭矩。4-4數(shù)控裝置1/13/2023674.4.3數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)1.單微處理器結(jié)構(gòu)所謂的單微處理器結(jié)構(gòu)數(shù)控裝置是以一個CPU(中央處理器)為核心,CPU通過總線與存儲器和各種接口相連接,采取集中控制、分時處理的工作方式,完成數(shù)控加工的各項任務(wù)。有的CNC裝置雖然有兩個以上的微處理機(如做浮點運算的協(xié)處理器、以及管理鍵盤的CPU等),但其中只有一個微處理器能控制總線,其它的CPU屬于輔助的專用智能部件,不能控制總線,不能訪問主存儲器.它們組成主從結(jié)構(gòu),故被歸類為單微處理機結(jié)構(gòu)中.單微處理機結(jié)構(gòu)中包括了微型計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu):微處理器和存儲器、總線、接口等。4-4數(shù)控裝置1/13/2023682.多微處理器結(jié)構(gòu)多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置由兩個或兩個以上的微處理器構(gòu)成處理部件，每個微處理器分擔系統(tǒng)的一部分工作，從而將單微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置中順序完成的工作轉(zhuǎn)變?yōu)槎辔⑻幚砥鹘Y(jié)構(gòu)CNC裝置中并行、同時完成的工作，因而大大提高了整個系統(tǒng)的處理速度。CNC裝置的多CPU結(jié)構(gòu)方案多種多樣，它是隨著計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展而變化的。多微處理機互連方式有：總線互連、環(huán)形互聯(lián)、交叉開關(guān)互聯(lián)、多級開關(guān)互聯(lián)和混合交換互聯(lián)等。多微處理機的CNC裝置一般采用總線互聯(lián)方式，典型的結(jié)構(gòu)有共享總線型、共享存儲器型以及它們的混合型結(jié)構(gòu)等。多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置大都采用模塊化結(jié)構(gòu)。4-4數(shù)控裝置1/13/202369（1）多微處理器CNC裝置的功能模塊：多微處理機CNC裝置的結(jié)構(gòu)采用模塊化技術(shù)，設(shè)計和制造了緊耦合的許多功能組件電路或功能模板。CNC裝置中包括哪些模塊可根據(jù)具體情況合理安排，一般由下面幾種功能模塊組成。1）CNC管理模塊這是實現(xiàn)管理和組織整個CNC系統(tǒng)工作的功能模塊，如系統(tǒng)的初始化、中斷管理、總線仲裁、系統(tǒng)出錯的識別和處理、系統(tǒng)軟硬件的診斷等功能由該模塊完成。4-4數(shù)控裝置1/13/2023702）存儲器模塊該模塊存放程序和數(shù)據(jù)，為主存儲器。每個CPU控制模塊中還有局部存儲器，主存儲器模塊是各功能模塊間數(shù)據(jù)傳送的共享存儲器。3）CNC插補模塊該模塊完成零件持續(xù)的譯碼、刀具半徑補償、坐標位移量的計算和進給速度處理等插補前的預處理，然后進行插補計算，為各坐標軸提供位置給定值。4-4數(shù)控裝置1/13/2023714）位置控制模塊插補后的坐標位置給定值與位置檢測器測得的位置實際值進行比較，并實現(xiàn)自動加減速、回到基準點、伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和漂移補償，最后得到速度控制的模擬電壓驅(qū)動進給伺服電機。這些工作都由位置控制模塊完成。5）數(shù)據(jù)輸入、輸出和顯示模塊零件程序、參數(shù)和數(shù)據(jù)，各種操作命令的輸入、輸出、顯示所需要的各種接口電路。4-4數(shù)控裝置1/13/2023726）PLC模塊零件程序中的開關(guān)功能和由機床來的信號等在這個模塊中作邏輯處理，實現(xiàn)各功能和操作方式之間的連鎖、機床電氣設(shè)備的啟/停、刀具交換、轉(zhuǎn)臺分度、工件數(shù)量和運轉(zhuǎn)時間的計數(shù)等。隨著CNC裝置的功能、結(jié)構(gòu)的不同，功能模塊的多少和劃分也不同。如果要擴充功能，則再增加相應的模塊即可。4-4數(shù)控裝置1/13/202373（2）多微處理機CNC裝置結(jié)構(gòu)的特點1）計算處理速度高多微處理機結(jié)構(gòu)中的每一個微處理機完成系統(tǒng)中指定的一部分功能，獨立執(zhí)行程序、并行運行，比單微處理機提高了計算處理速度。它適應多軸控制、高進給速度、高精度、高效率的數(shù)控要求，由于系統(tǒng)共享資源，性能價格比也較高。2）可靠性高由于系統(tǒng)中每個微處理機分管各自的任務(wù)，形成若干模塊，插件模塊更換方便，可使故障對系統(tǒng)影響減到最小。共享資源省去了重復機構(gòu)，不但降低造價，也提高了可靠性。4-4數(shù)控裝置1/13/2023743）有良好的適應性和擴展性多微處理機的CNC裝置大都采用模塊化結(jié)構(gòu)?？蓪⑽⑻幚頇C、存儲器、輸入/輸出控制組成獨立微計算機級的硬件模塊，相應的軟件也是模塊結(jié)構(gòu)，固化在硬件模塊中，硬軟件模塊形成一個特定的功能單元，稱為功能模塊。功能模塊間有明確定義的接口，接口是固定的，成為工廠標準或工業(yè)標準，彼此可以進行信息交換。可以積木式組成CNC裝置，使設(shè)計簡單，有良好的適應性和擴展性。4-4數(shù)控裝置1/13/2023754）硬件易于組織規(guī)模生產(chǎn)一般硬件是通用的，容易配置，只要開發(fā)新的軟件就可構(gòu)成不同的CNC裝置，便于組織規(guī)模生產(chǎn)，保證質(zhì)量，形成批量。4-4數(shù)控裝置1/13/2023764.4.3CNC裝置的工作內(nèi)容1）輸入2）譯碼3）刀具補償4）進給速度處理5）插補6）位置控制7）I/O處理8）顯示9）診斷4-4數(shù)控裝置1/13/2023774.4.4CNC硬件設(shè)計一）CNC系統(tǒng)對微機的要求及選擇CNC系統(tǒng)對微機的要求較完善的中斷系統(tǒng)足夠的內(nèi)存一定數(shù)量的I/O通道高可靠性CNC系統(tǒng)的選擇標準總線工業(yè)控制機：模塊化結(jié)構(gòu)、可靠性高、用戶可自由配置，應用廣泛。單片機專用系統(tǒng)：可靠性高，價格便宜，用于經(jīng)濟性數(shù)控機床中。4-4數(shù)控裝置1/13/202378二）MCS-51單片機控制系統(tǒng)4-4數(shù)控裝置MCS-51引腳1/13/202379功能I/O口：P0、P1、P2、P3共4個8位口控制總線（CB）：、ALE、、RESET、P3第2功能地址總線（AB）：P2(高8位)+P0(低8位)=16位數(shù)據(jù)總線（DB）：由P0提供8位數(shù)據(jù)總線電源及時鐘：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2雙重功能口：P0口即作8位數(shù)據(jù)線，又作低8位地址線P3口即可作輸入輸出口，又可作控制總線4-4數(shù)控裝置1/13/202380MCS-51系統(tǒng)中的地址譯碼規(guī)則1）程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編制2）外圍擴展芯片與數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址3）片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器尋址范圍216=64K字節(jié)地址譯碼方法1)線選法概念：直接用地址線進行外圍芯片片選。圖4-54地址譯碼表4-3優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單缺點：地址空間利用不夠充分，芯片之間地址不夠連續(xù)。4-4數(shù)控裝置1/13/2023814-4數(shù)控裝置線選法地址譯碼1/13/2023822）全地址譯碼概念：采用譯碼器譯碼，保證空間的充分利用和地址的連續(xù)性4-4數(shù)控裝置全地址譯碼優(yōu)點：地址連續(xù)，尋址空間大缺點：硬件電路要增加譯碼器說明：數(shù)控系統(tǒng)一般采用全地址譯碼1/13/202383三）數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器的擴展關(guān)于RAM和ROM訪問：由于兩者獨立編址，地址空間完全重復，必須建立訪問機制。對RAM的訪問：使用、控制線和MOVX指令操作對ROM的訪問：使用控制線和MOVC指令操作操作時序圖圖4-56存儲器擴展電路圖4-574-4數(shù)控裝置1/13/2023844-4數(shù)控裝置操作時序1/13/2023854-4數(shù)控裝置存儲器擴展電路1/13/202386四）顯示器與鍵盤接口電路設(shè)計LED顯示器的結(jié)構(gòu)與原理分類：

按通電方式分：共陰極和共陽極按顯示方式分：靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示結(jié)構(gòu)：七段組合共陰極和共陽極顯示器結(jié)構(gòu)如下圖4-4數(shù)控裝置1/13/2023874-4數(shù)控裝置LED顯示器結(jié)構(gòu)1/13/2023884-4數(shù)控裝置動態(tài)顯示電路1/13/202389鍵盤的工作原理種類：獨立式按鍵和行列式按鍵

獨立式按鍵：如圖

4-4數(shù)控裝置1/13/2023904-4數(shù)控裝置行列式按鍵：如圖

1/13/202391顯示器鍵盤組合電路由于LED顯示器和鍵盤都采用循環(huán)掃描工作方式，將二者進行組合可節(jié)省I/O端口，在控制系統(tǒng)中應用廣泛。

4-4數(shù)控裝置1/13/202392五）I/O接口電路設(shè)計數(shù)控CNC中常用I/O接口芯片：可編程并行接口：Intel8255、Intel8155可編程串行接口：Intel8251鍵盤顯示器專用接口芯片：8279可編程定時器：8253鎖存器：74LS373、74LS273A/D、/DA轉(zhuǎn)換器：0809、0832在圖4-57基礎(chǔ)上增加I/O接口芯片的系統(tǒng)擴展電路如圖4-634-4數(shù)控裝置1/13/2023934-4數(shù)控裝置系統(tǒng)擴展電路1/13/202394以上是I/O接口芯片應用的一般情況，以下重點討論機床信號與微機接口信號（強電與弱電）的匹配與抗干擾問題。接點輸入電路接點：按鈕、繼電器、接近開關(guān)等接點輸入電路：用于將按鈕、繼電器、接近開關(guān)等的接點輸入信號轉(zhuǎn)換為CPU所需的TTL電平信號無源接點：設(shè)備側(cè)無信號源圖4-65（a）有源接點：設(shè)備側(cè)有信號源圖4-65（b）接點濾波器實例：圖4-65（c）4-4數(shù)控裝置1/13/2023954-4數(shù)控裝置無源接點有源接點1/13/2023964-4數(shù)控裝置接點濾波器實例1/13/202397接點抖動的消除：濾波與整形

4-4數(shù)控裝置

按鍵類接點1/13/2023984-4數(shù)控裝置小信號接點1/13/202399強電（接觸器）接點4-4數(shù)控裝置1/13/2023100接點輸出電路接點輸出電路：用于將CPU輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為控制繼電器、指示燈所需的節(jié)點輸出一般情況：功率晶體管驅(qū)動圖4-69（a）高開關(guān)頻率：光耦和雙向可控硅組成的固態(tài)繼電器圖4-69（b）零交叉電路：零伏觸發(fā)。即當交流電壓變到零伏附近時，電路接通，然后由觸發(fā)電路給出可控硅器件的觸發(fā)信號。4-4數(shù)控裝置1/13/20231014-4數(shù)控裝置六）數(shù)控系統(tǒng)CNC實例1/13/2023102單片機系統(tǒng)：8031（A）：鍵盤、顯示、手動按鈕等控制管理。8031（B）：插補、電機控制、輔助機能等的程序運行控制管理。鍵盤顯示接口：并行接口8155，鍵盤顯示專用接口8279按鈕控制：并行接口8255輔助機能與電機控制：鎖存器273、光耦TLP521-4、驅(qū)動器MC1413輸入控制：光耦TLP521-4、緩沖器2454-4數(shù)控裝置1/13/20231034-4數(shù)控裝置273、TLP521-4、MC1413、245等芯片引腳圖4-711/13/20231044.5.1數(shù)控系統(tǒng)軟件組成4-5數(shù)控系統(tǒng)軟件1/13/2023105管理軟件（監(jiān)控軟件）：用于系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測并提供基本操作管理?？刂栖浖河糜诩庸こ绦虻膱?zhí)行，控制機床運行。

CNC軟件的功能：1.零件程序的輸入

CNC的輸入主要指零件程序的輸入，一般通過紙帶閱讀機及鍵盤進行，現(xiàn)代CNC裝置也可通過DMA和通訊接口由上級中心計算機或其它設(shè)備輸入。紙帶閱讀機和鍵盤輸入大都采用中斷方式，由相應的中斷服務(wù)程序完成。4-5數(shù)控系統(tǒng)軟件1/13/20231062.譯碼處理譯碼程序的功能是將輸入的加工程序翻譯成系統(tǒng)能識別的語言。譯碼程序是以程序段為單位對信息進行處理，把其中的各種工件輪廓信息（如起點、終點、直線和圓?。?、加工速度F和其它輔助信息（M、S、T）依照計算機能識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)間。在譯碼過程中，還要完成對程序段的語法檢查，若發(fā)現(xiàn)語法錯誤立即報警。譯碼是任何一個計算機系統(tǒng)要執(zhí)行輸入程序必須經(jīng)過的一個步驟。4-5數(shù)控系統(tǒng)軟件1/13/2023107<1>代碼的識別<2>功能代碼的譯碼字符0123456789內(nèi)部碼00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H字符NGXYZIJKFM內(nèi)部碼10H11H12H13H14H15H16H17H18H19H字符LF/CR－DEL內(nèi)部碼20H21H22H

4-5數(shù)控系統(tǒng)軟件1/13/2023108譯碼過程實例：N010G02X20Y20I20J0F100LF數(shù)控程序轉(zhuǎn)換為計算機內(nèi)部碼過程。4-5數(shù)控系統(tǒng)軟件1/13/20231093.刀具補償經(jīng)過譯碼后的程序段數(shù)據(jù)不能直接用于插補程序，要經(jīng)過刀具補償計算，將編程時工件輪廓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡數(shù)據(jù)。刀具補償有長度補償和半徑補償，長度補償計算比較簡單，這里主要介紹刀具半徑補償?shù)能浖嬎惴椒?。刀具半徑補償不是編程人員完成的，是由CNC裝置系統(tǒng)軟件中的刀補程序完成，編程人員只是在零件程序中指明刀具半徑，左刀補（G41）、或是右刀補（G42）、或撤消刀補（G40）就可以了。刀具半徑補償執(zhí)行過程分為刀補建立、刀補進行和刀補撤消三個步驟，目前，刀補在指定的二維坐標平面進行補償較為普遍。4-5數(shù)控系統(tǒng)軟件1/13/20231104.進給速度處理進給速度的計算因系統(tǒng)不同，方法有很大差別。在開環(huán)系統(tǒng)中，坐標軸運動速度是通過控制向步進電動機輸出脈沖的頻率來實現(xiàn)的，速度計算的方法是根據(jù)程編的F值來確定該頻率值；在半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)中采用數(shù)據(jù)采樣方法進行插補加工，速度計算是根據(jù)程編的F值，將輪廓曲線分割為采樣周期的輪廓步長。5.插補運算6.位置控制4-5數(shù)控系統(tǒng)軟件1/13/20231114.5.2CNC系統(tǒng)軟件的特點和結(jié)構(gòu)1.CNC系統(tǒng)軟件的特點<1>多任務(wù)：數(shù)控加工時，CNC裝置要完成許多任務(wù)。在多數(shù)情況下，管理和控制的某些工作必須同時進行。例如:為使操作人員能及時地了解CNC裝置的工作狀態(tài)，管理軟件中的顯示模塊必須與控制軟件同時運行；當在插補加工運行時，管理軟件中的零件程序輸入模塊必須與控制軟件同時運行；而當控制軟件運行時，其本身的一些處理模塊也必須同時運行。例如：為了保證加工過程的連續(xù)性，即刀具在各程序之間不停刀，譯碼、刀具補償和速度處理模塊必須與插補模塊同時運行，而插補程序又必須與位置控制程序同時進行。4-5數(shù)控系統(tǒng)軟件1/13/2023112<2>并行處理：并行處理是指計算機在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作。并行處理的優(yōu)點是提高了運行速度。并行處理分為“資源重復”并行處理方法，“時間重疊”并行處理方法和“資源共享”并行處理方法。<3>資源分時共享：在單CPU的CNC裝置中，主要采用CPU分時共享的原則來解決多任務(wù)的同時運行。各任務(wù)何時占用CPU及各任務(wù)占用CPU時間的長短，是首先要解決的兩個時間分配問題，在CNC裝置中，各任務(wù)占用CPU是用循環(huán)輪流和中斷優(yōu)先相結(jié)合的辦法來解決。4-5數(shù)控系統(tǒng)軟件1/13/2023113<4>資源重疊流水處理：流水處理的關(guān)鍵是時間重疊，即在一段時間間隔內(nèi)不是處理一個子過程，而是處理兩個或更多的子過程。<5>多重實時中斷處理：CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的另一個特點是實時中斷處理。CNC系統(tǒng)程序以零件加工為對象，每個程序有許多子程序(子過程)，它們按預定的順序反復執(zhí)行，各步驟間關(guān)系十分密切，有許多子程序?qū)崟r性很強，這就決定了中斷成為整個系統(tǒng)不可少的重要組成部分。CNC系統(tǒng)的中斷管理主要靠硬件完成，而系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)決定了軟件結(jié)構(gòu)。4-5數(shù)控系統(tǒng)軟件1/13/20231142.CNC系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)<1>前后臺型軟件結(jié)構(gòu)適用于單微處理器CNC裝