數(shù)控技術3計算機數(shù)控系統(tǒng)硬件技術

數(shù)控技術3計算機數(shù)控系統(tǒng)硬件技術第1頁/共36頁3.1概述PC化開放化語言高級化網(wǎng)絡化交流伺服化功能集成的數(shù)控系統(tǒng)向綜合自動化方向發(fā)展人機接口簡單化柔性化和系統(tǒng)化小型化高速化低價化高效化高精度機械智能化遠距離診斷維修與預診斷維修的功能發(fā)展高效率的PLC3.1.1國內(nèi)外數(shù)控裝置發(fā)展趨勢第2頁/共36頁

CNC裝置的功能是指滿足用戶操作和機床控制要求的方法和手段。數(shù)控裝置的功能包括基本功能和選擇功能。基本功能——數(shù)控系統(tǒng)基本配置的功能，即必備的功能；選擇功能——用戶可根據(jù)實際要求選擇的功能。3.1.2CNC裝置的功能固定循環(huán)功能補償功能字符、圖形顯示功能自診斷功能通訊功能在線自動編程功能控制功能準備功能（G功能）插補功能進給功能主軸功能

輔助功能（M功能）刀具管理功能及工作臺分度功能第3頁/共36頁計算機數(shù)控系統(tǒng)機床本體輔助裝置程序輸入設備輸出設備數(shù)控裝置（CNC）主軸伺服單元進給伺服單元主軸電機進給電機強電控制裝置檢測裝置PLC3.2計算機數(shù)字控制裝置的硬件結構3.2.1CNC裝置的硬件組成第4頁/共36頁3.2.2CNC系統(tǒng)部分硬件外形結構驅動裝置數(shù)控操作面板手搖脈沖發(fā)生器編碼器多軸運動控制卡PLC第5頁/共36頁K9M銑床數(shù)控系統(tǒng)（立式1）第6頁/共36頁專用型通用型主從結構多主結構單微處理器多微處理器共享總線結構共享存儲器結構分布式結構CPU數(shù)量3.2.3計算機數(shù)控裝置的類型模塊結構大板結構按印制板的制造方式分應用范圍第7頁/共36頁

單機或主從結構的CNC裝置硬件結構采用集中控制分時處理的方式完成數(shù)控功能；第8頁/共36頁以一個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)控加工各個任務。單微處理器數(shù)控裝置:一個微處理器完成所有的功能采用總線結構結構簡單，易于實現(xiàn)功能受限制(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。第9頁/共36頁計算機數(shù)控裝置中有兩個或兩個以上的微處理器，每個微處理器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。多微處理器結構特點

實現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快容錯能力強。第10頁/共36頁多主結構系統(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。分布式結構系統(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。第11頁/共36頁

FANUC系統(tǒng)多機系統(tǒng)共享總線結構其他外圍設備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|模塊幾何處理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)總線結構簡單、系統(tǒng)組配靈活、可靠性高第12頁/共36頁美國GE公司的MTC1-CNC系統(tǒng)共享存儲器結構CNC裝置硬件結構RAM/EPROM反饋信號收發(fā)器RAM512鍵盤顯示CPUEPROM512RAMEPROM中央CPU串口和收發(fā)器插補CPU字符發(fā)生器CTRC并行接口反饋脈沖和處理CRT模擬量輸出機床接口第13頁/共36頁7M系統(tǒng)的硬件結構CRT/MDI操作面板模塊(CPU)通信模塊(CPU)自動編程模塊(CPU)主存儲器模塊通信模塊(CPU)I/O單元驅動伺服單元主軸單元PLC模塊(CPU)位置控制模塊(CPU)主軸控制模塊FANUCBUS第14頁/共36頁3.3CNC裝置的I/O設備及其接口?電平轉換與功率放大?電氣隔離?信號變換?抗干擾3.3.1CNC裝置I/O接口的作用第15頁/共36頁3.3.2CNC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)的接口第16頁/共36頁按CNC裝置I/O

接口的功能與上位系統(tǒng)的接口：與DNC、FMS或CIMS

單元、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、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：3.3.2CNC裝置I/O接口的分類第17頁/共36頁用戶能將數(shù)控命令、代碼輸入系統(tǒng)系統(tǒng)需具備按程序對繼電器、電機等進行控制的能力和對相關開關量進行檢測的能力系統(tǒng)由操作信息提示，用戶能對系統(tǒng)實時情況進行監(jiān)控，系統(tǒng)需具有顯示接口電路CNC應具有與DNC計算機或上級主計算機直接通信的能力或者網(wǎng)絡通信功能

3.3.3CNC裝置的輸入輸出要求第18頁/共36頁3.3.4數(shù)控鍵盤及其接口電路矩陣式鍵盤結構行線（0-3）掃描碼D3-D0列線（0-5）返回碼D5-D0與非門鎖存器273三態(tài)門244第19頁/共36頁掃描法(列掃描法、行掃描法、行列掃描法)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列鍵按下矩陣式鍵盤工作原理（按鍵識別方法:兩個識別）行掃描法第20頁/共36頁行列反轉法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；

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；注意：有無反相器；掃描碼和返回碼的書寫方式矩陣式鍵盤工作原理（按鍵識別方法:兩個識別）第21頁/共36頁程控掃描：CPU空閑時，調用鍵盤掃描子程序

定時掃描：CPU響應單片機內(nèi)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)第22頁/共36頁?按鍵消抖處理3.3.4數(shù)控鍵盤及其接口電路第23頁/共36頁

?顯示器種類LCD顯示器（液晶顯示器）3.3.5顯示器及其接口電路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；單顯彩顯功耗小，亮度高，價格低，控制簡單LED顯示器（發(fā)光二極管）本身不發(fā)光，功耗小，外加電壓低第24頁/共36頁

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LED型式LED顯示器（發(fā)光二極管）

LED顯示器結構原理第25頁/共36頁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，該段被顯示第26頁/共36頁

段選線與位選線、段代碼與位代碼LED顯示器（發(fā)光二極管）第27頁/共36頁選定位上的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。LED顯示器（發(fā)光二極管）顯示方式

靜態(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)。動態(tài)顯示：第28頁/共36頁

鍵盤、LED顯示器與單片機連接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(chǎn)生避開按鍵抖動所需的延時第29頁/共36頁鍵盤+顯示器，主要用于手工程序輸入、編輯等

操作面板及開關量I/O接口電路機床I/O接口與直流數(shù)字I/O接口電路數(shù)控系統(tǒng)控制面板：MDI面板機床操作面板+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第30頁/共36頁機床操作面板結構與功能第31頁/共36頁

?開關量型式與開關量I/O接口用途開關量開關狀態(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32頁/共36頁數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口

開關量信號輸入接口電路開關量信號輸出電路第33頁/共36頁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；