机床计算机数控技术ppt课件

.,1,第三章CNC装置及其接口毛军红教授润滑理论及轴承研究所西安交通大学机械工程学院2007年4月,机床计算机数控技术,概述,计算机数控装置，简称为CNC装置，它是CNC系统的核心和中枢。主要用于控制机床的运动，完成各种曲线轮廓的加工。不论进行哪种曲线加工，CNC装置都执行同一基本控制流程：首先读取零件程序（输入），再进行程序段的译码和预处理（刀具补偿处理和进给速度处理），然后根据程序段指令，进行插补计算和位置伺服控制，见图3-1，CNC装置除了执行基本的控制流程外，还应该具有显示、I/O处理及诊断等功能。,输入,译码、预处理,插补,位置控制,电机,图3-1CNC装置的基本控制流程,CNC装置的组成,大体来讲，CNC装置由硬件和软件两大部分组成。具体地讲，CNC装置的组成为：,CNC装置的组成,计算机,硬件（CPU、存储器、总线、I/O设备等）,软件（控制软件和管理软件）,可编程控制器（PLC）,各种接口,一、单微处理器结构的CNC装置二、多微处理器结构的CNC装置,第一节CNC装置的硬件结构,CNC装置是在硬件的支持下，执行软件来进行工作的，其控制功能在很大的程度上取决于硬件结构。按组成CNC装置的印刷电路板的结构特点和插拔方式的不同，可分为大板式结构和模块化结构两类；按CNC装置内部微处理器的数量，可分为单微处理器和多微处理器结构两类。现代CNC装置多为多微处理器模块化结构。,第一节CNC装置的硬件结构,一、单微处理器结构的CNC装置单微处理器结构的CNC装置，由一个微处理器CPU通过总线与存储器、PLC、位置控制器及各种接口相连，采用集中控制与分时处理的方式，完成数控各项任务。,图3-2中，CPU通过总线与存储器（RAM、EPROM）、PLC、位置控制器及各种接口相连。,CPU,EPROM,RAM,MDI/CRT接口,PLC,串行通信及网络接口,数控面板,CRT,纸带阅读机接口,纸带阅读机,穿孔机、电传机接口,I/O接口,位置控制,穿孔机,电传机,机床,速度控制单元,M,图3-2单微处理器CNC装置组成框图,一、单微处理器结构的CNC装置,所有数控功能（如数据的存取、插补运算、输入/输出控制、位置控制、故障诊断和信息显示等）由一个微处理器完成。有的CNC装置有两个以上的微处理器，但只有一个微处理器能够控制总线，占有总线资源，其它微处理器不能控制总线，不能访问主存储器，只能作为一个智能部件工作，这种构成主从结构的CNC装置，也属于单微处理器结构，也可称之为主从方式的多微处理器结构。,一、单微处理器结构的CNC装置,多微处理器CNC装置一般采用两种结构型式，即紧耦合和松耦合结构。多微处理器CNC装置多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。由于采用模块化结构，可以采取积木方式组成CNC装置，因此具有良好的适应性和扩展性，且结构紧凑。与单微处理器CNC装置相比，多微处理器CNC装置的运算速度有了很大的提高，它更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的控制要求。,二、多微处理器结构的CNC装置,模块化结构的多微处理器CNC装置中的基本功能模块一般有以下六种。进一步扩充功能，还可以增加相应的模块。（1）CNC管理模块（2）CNC插补模块（3）位置控制模块（4）存储器模块（5）PLC模块（6）指令、数据的输入输出及显示模块,二、多微处理器结构的CNC装置,多微处理器CNC装置各模块之间的互连和通信主要采用共享总线和共享存储器两类结构。,二、多微处理器结构的CNC装置,（1）共享总线结构总线将各模块连在一起，按要求传递信号，实现预定功能。共享总线结构系统配置灵活，结构简单，容易实现。缺点是各主模块使用总线时会引起“竞争”而使信息传输效率降低。（2）共享存储器结构采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口使用访问。,二、多微处理器结构的CNC装置,第二节CNC装置的软件结构一、前后台型软件结构二、中断型软件结构三、基于实时操作系统的软件结构,CNC系统软件包括管理软件和控制软件，系统软件的特点是：多任务并行处理，具有实时性。系统软件由不同功能的程序组成，安排成特定的结构形式，从而协调有序地工作。CNC软件可以设计成不同的结构形式。不同的软件结构，对各任务的安排方式也不同，管理方式也不同。常见的CNC软件结构形式有：,CNC装置的软件结构,前后台型软件结构,中断型软件结构,实时操作系统软件结构（发展趋势）,一、前后台型软件结构它适用于集中控制的单微处理器CNC装置。根据各程序的实时性强弱，分为实时性强的前台程序（为实时中断程序）和实时性弱的后台程序（主要完成准备工作和管理工作，又称为背景程序）。后台程序循环运行，在运行的过程中，前台程序不断插入，前后台程序相互配合，共同完成数控的各项任务。后台程序通过设定标志，前台程序才能插入，进行插补、位置控制等工作，也就是说，后台程序是通过设定标志来达到对前台程序的调度和控制的。,二、中断型软件结构中断型软件结构没有前后台之分，除初始化程序之外，整个系统程序安排成不同级别中断程序，整个软件是一个大的多重中断系统。各级中断程序是通过中断信号来调用的，执行该中断程序的功能。中断请求信号有两个来源：,硬件中断：由时钟或其他外部设备产生的中断请求,软件中断：由程序产生的中断,三、基于实时操作系统的软件结构将通用PC机操作系统（如DOS、Windows等）加上实时内核（如高速数据处理器DSP），扩展成实时操作系统，在此基础上开发CNC系统软件。基于实时操作系统的软件结构，系统功能的扩展和修改，只需将编好号的任务模块程序挂到实时操作系统上即可。采用该软件结构开发CNC装置，具有良好的开放性和可维护性。,第三节可编程控制器PLC简介一、概述二、PLC的结构组成和工作原理三、PLC在数控机床上的运用,一、概述随着计算机技术的迅速发展，20世纪70年代出现了采用微计算机技术制造的一种通用的自动控制系统-可编程控制器（简称PLC）。小型PLC完全可以取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制、定时等功能；大型高档PLC还具有微型计算机的数据处理、模拟量调节以及联网通讯等功能。PLC把计算机功能完善、灵活、通用的特点与继电器控制系统的简单易懂、抗干扰能力强等优点相结合，具有通用性强、可靠性高、编程简单、使用方便、抗干扰能力强等优点，已广泛用于机械、冶金、石油、化工、电力、纺织等行业，是目前机电一体化、自动控制领域的首选控制器件。,二、PLC的结构组成和工作原理1.结构组成一般由CPU、存储器、输入/输出接口模块、外围接口模块及编程器、扩展模块等可选部件几大部分组成，如下所示：,输入模块,电源模块,CPU模块,系统程序存储器,CPU,用户程序存储器,外围接口模块,输出模块,X,执行机构,扩展模块,编程器,传感器,图3-3PLC系统硬件框图,2.工作原理可编程控制器是一种用于工业控制的专用计算机，和普通计算机一样，都是利用程序进行工作的。用户程序通过编程器输入到PLC的用户存储器中，CPU对用户程序循环扫描并顺序执行。整个工作过程可用下图表示：,读入开关状态,逻辑运算,输出运算结果,执行部件动作,图3-4PLC工作过程,二、PLC的结构组成和工作原理,三、PLC在数控机床上的运用数控机床上运用的PLC有两种类型：1.内装型PLC的硬件和软件结构作为CNC装置的基本功能统一设计和制造。2.独立型PLC作为CNC装置的一个独立部件，具有独立的硬件和软件结构。根据数控机床的独立要求，可以选用通用PLC进行组装。,第四节CNC装置的接口电路,1，机床I/O接口,机床I/O接口,簧式继电器,光电耦合器,固态继电器,接口驱动电路,功能：用来接收机床操作面板上的开关、按钮信号及机床的各种限位开关信号；且用来把机床工作状态指示灯信号送到机床操作面板，把控制机床动作的信号送到强电柜。要求：1）进行必要电隔离，防止干扰信号串入，防止高压串入对CNC装置的损坏；2）进行电平转换和功率放大。,1.1光电耦合器,定义光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等。,1.1光电耦合器,特点：（1）使用光传递信号，可使输入和输出电气上隔离，抗干扰能力强，特别是抗电磁干扰能力强；（2）可用于电位不同的电路间耦合，即可进行电平转换；（3）传递信号单方向，寄生反馈小，传递信号的频带宽；（4）响应速度快，易与逻辑电路配合；（5）无触点，耐冲击，寿命长，可靠性高；,1.1光电耦合器,(a)普通型光电耦合器,(b)高速型光电耦合器,(c)达林顿输出光电耦合器,(d)可控硅输出光电耦合器,1.2簧式继电器,簧式继电器主要由2个磁性簧片组成，在磁场作用下它们接触导通。特点：控制电流小，触点开关电流大；具有隔离作用，又有电平转换和驱动作用。,1.3固态继电器,固态继电器是由输入电路、隔离部分和输出部分组成的四端组件。施加触发信号呈导通状态，无信号则呈阻断状态。特点：无触点开关器件，因而工作可靠，寿命长，抗干扰能力强，开关速度快,固态继电器示意图,1.4接口驱动电路,分立元件：功率晶体管驱动电路达林顿晶体管驱动电路功率场效应管,驱动电路计算机I/O口驱动能力有限，需要专门的驱动电路用来驱动数控机床的各类负载,集成驱动器：达林顿反向缓冲器带逻辑门集成驱动器其他,a)功率晶体管,b)达林顿晶体管,c)功率场效应管,2，标准输入输出设备接口,2.1光电阅读机接口2.2键盘及其接口（1）非编码键盘（2）8279芯片2.3显示器及接口（1）LED显示及接口（2）LCD显示及接口（3）CRT显示器,2.2键盘及其接口,键盘有两种：一种是全编码键盘，其键码全由硬件提供，但是这种方式硬件结构复杂，成本高；另一种是非编码键盘，这种键盘多采用矩阵方式，利用软件识别键码及完成各种键功能处理，包括去抖动、防止串键等。这种方式，硬件开销地，灵活性大，应用比较广泛。,键盘识别,行扫描法按行扫描键盘，检查列的输出，由行列信号的组合确定被按下的键。例N1.2键行输出：0010列输入：1101,行扫描原理图,键盘识别,线反转法行列线交换输入、输出，两步获取按键键号。例N1.2按键1）D3-D0列输入线，D7-D4行输出线时列输入代码：10112）D3-D0输出线，D7-D4输入线时输出代码：1101,线反转原理图,去抖动和多键保护,按键是机械触点，故而存在抖动，有硬件和软件方法消除。但多采用软件，即检测到键按下时，执行一个延时程序再确认键的闭合。而多键保护，也需要软件作用，包括双键同时按下保护，几个键连锁等。,8279简介,INTEL8279是一种可编程键盘/显示器接口芯片，它含有键盘输入和显示器输出两种功能。键盘输入时，它提供自动扫描，能与按键或传感器组成的矩阵相连，接收输入信息，它能自动消除开关抖动并能对多键同时按下提供保护。显示输出时，它有一个168位显示RAM，其内容通过自动扫描，可由8或16位LED数码管显示。,8279的引脚和功能,D0D7：数据总线，双向三态总线。CLK：系统时钟输入端。RESET：系统复位输入端，高电平有效。复位状态为：16个字符显示；编码扫描键盘：双键锁定；程序时钟编程为31。CS：片选输入端，低电平有效。A0：数据选择输入端。A0=1时，CPU写入数据为命令字，读出状态字为状态字；A0=0时，CPU读、写均为数据。,WR、RE：读、写信号输入端，低电平有效。IRQ：中断请求输出端，高电平有效。A0：数据选择输入端。A0=1时，CPU写入数据为命令字，读出状态字为状态字；A0=0时，CPU读、写均为数据。WR、RE：读、写信号输入端，低电平有效。IRQ：中断请求输出端，高电平有效。SL0SL3：扫描输出端，用于扫描键盘和显示器。可编程设定为编码（4中选1）或译码输出（16选1）。RL0RL7：回复线，它们是键盘或传感器的列信号输入端。,SHIFT：移位信号输入端，高电平有效。它是8279键盘数据的次高位（D6），通常用作键盘上、下档功能键。在传感器和选通方式中，SHIFT无效。CNTL/STB：控制/选通输入端，高电平有效。在键盘工作方式时，它是键盘数据的最高位，通常用作控制键。在选通输入方式时，它的上升沿可把来自RL0RL7的数据存入FIFO/传感器RAM中。在传感器方式时，它无效。OUTA0OUTA3：A组显示信号输出端。OUTB0OUTB3：B组显示信号输出端。BD：显示熄灭输出端，低电平有效。它在数字切换显示或使用熄灭命令时关显示。,8279的工作方式8279工作方式的确定是通过CPU对8279送入命令字实现的。当数据选择端A0置“1”时，CPU对8279写入的数据为命令字，读出的数据为状态字。8279共有8条命令和1条状态字，是通过定义一个8位二进制数实现的。,2.3LED及其接口,LED数码管又称为半导体数码管，它是由多个LED按分段式封装制成的。LED数码管有两种形式：共阴型和共阳型。,公共阴极,公共阳极,限流电阻,一般LED的工作电流为220mA，而驱动电压如果选5V的话，则需要连接合适的限流电阻。,(a)低电平驱动(b)高电平驱动,若工作电流为10mA时：,7段LED字型码,LED工作方式,（1）静态显示方式,静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）或接正电源（共阳极）。每个数码管的8个字段分别与一个8位I/O口地址相连。特点：功耗大，占硬件资源多；亮度大，适合室外场合；,（2）动态显示方式,动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。通常，各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的位选线（公共阴极或阳极）由另外的I/O口线控制。为保证连续显示，刷新周期选择50ms左右。,LCD工作方式,点阵：320240，640256，.工作方式：图形显示方式字符显示方式液晶控制器驱动电压背光驱动电压,液晶屏,液晶显示控制芯片,CPU,片选,RD,WR,地址,数据,显存,背光源300V,数据线,PWM16-22V,数据,地址,WE,片选,3，串行数据通信及接口,3.1计算机网络的体系结构3.2物理层协议3.3链路层协议3.4实例,3.1计算机网络的体系结构,3.2物理层协议,作用该层提供通信介质和连接的机械、电气、功能性和规程性的特性，以便在数据链路实体间建立、维护和拆除物理连接。机械特性：插头座的大小，形状和针的数目；电气特性：电压值、逻辑电平及其他电气参数；功能特性：规定每根线的功能及涵义；规程特性：规定各种事件按什么次序出现；典型接口标准：RS-232C（下面以此为例）,RS-232C标准,RS-232C接口的电气特性,电气特性：在数据线TXD和RXD上：逻辑1=3V15V逻辑0=3V15V控制线和状态线RTS、CTS、DSR、DTR和DCD上：信号有效3V15V信号无效3V15V因此RS232C与TTL逻辑电平是不同的。,RS-232C和TTL电平转换,RS232C电平和TTL逻辑电平是不一样的，因此如果它们间要通信的话，首先必须进行电平转换，主要有分离元件电路和集成芯片电路，常用的集成芯片有MC1488，MC1489以及MAX232,分离元件电平转换电路,RS-232C和TTL电平转换,MC1488/1489转换电路,MAX232转换电路,RS-232C接口图,25针RS232C接口,9针RS232C接口,RS-232C功能引脚,RS232常见连接方式,最简连接,简单连接,完全连接,3.3链路层协议,作用通过差错检测与恢复等措施将直接连接的俩个结点间可能出错的物理连接改成无差错的数据链路。主要包括异步串行数据链路协议、同步数据链路控制及高级数据链路控制协议等。,2个设备之间同时传送多位数据，它的传送速度快，但对硬件要求高,每个时刻只传送1位数据，速度慢，但硬件要求低，比较适合远距离数据传输,数据通信方式,并行通信,串行通信,通信方式,异步串行,同步串行,(a)串行通信(b)并行通信,异步传输和同步传输,异步传输与同步传输在数据的串行传输中，介质一次