第四章 数控机床的驱动与控制系统

数控技术昆明学院自动控制与机械工程学院戴丽玲1/13/20231一、CNC主要功能及组成主要功能：位置控制：刀具与工件的相对位置及轨迹控制（即程序编制中的G代码功能）。功能控制：主要是开关量控制信号处理（即程序编制中的M代码功能）。信号处理：系统运行状态信号的分析处理（信号检测和处理）。系统组成：输入输出设备、CNC装置、伺服驱动及位置检测装置、辅助机能驱动电路、数控系统软件。4-1概述1/13/202324-1概述二、CNC系统的主要特点系统柔性好、通用性强不同于NC(硬线数控)，CNC软件结构变更性强，功能易于拓展。易于实现多功能

CNC丰富的指令系统可进行高次曲线插补、刀补、多坐标联动控制和在线编程等。系统可靠性高大部分功能由软件实行，减少了硬件出错率。维修方便采用模块化结构并配有自诊断软件。通信功能强通常配有RS232C或DNC接口，便于实现DNC、FMS、CIMS等系统的联机通讯；图形编程功能具有人机交互图形自动编程功能。1/13/202334-2位移、速度、位置传感器一、检测元件的作用与分类作用：检测工作台或丝杠的直线位移（角位移）和线速度（角速度）并形成反馈控制主要技术指标：可靠性、抗干扰性、分辨率、响应速度等分辨率：位移检测系统能够测量的最小位移量分辨率选择：测量系统的分辨率应比加工精度高一个数量级检测系统的选择：

大型机床：速度响应要高

中小型和高精度机床：以满足精度要求为主分类1/13/202344-2位移、速度、位置传感器1/13/202354-2位移、速度、位置传感器二、旋转变压器旋转变压器的结构和工作原理结构：由定子和转子组成的旋转式小型交流电机，如图1/13/20236工作原理：根据互感原理工作，平行时互感最大，副边感应电动势最大；垂直时互感为零，副边感应电动势最小，如图。4-2位移、速度、位置传感器副边绕组产生的感应电压为当转子绕组磁轴与定子绕组磁轴平行时，即＝90º时，互感电压最大：1/13/202374-2位移、速度、位置传感器旋转变压器的工作方式鉴相方式鉴幅方式定子和转子空间结构1）鉴相方式正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位相差90o的正弦交流电压：1/13/202382）鉴幅方式正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压：4-2位移、速度、位置传感器1/13/20239三、感应同步器感应同步器结构：相当于展开的多级旋转变压器，见图4-6。4-2位移、速度、位置传感器1/13/2023102.感应同步器工作原理相当于旋转变压器的原理如图4-2位移、速度、位置传感器1）鉴相方式正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位相差90o的交流电压：分别在定尺绕组上产生感应电压：1/13/2023114-2位移、速度、位置传感器鉴相系统结构框图1/13/2023124-2位移、速度、位置传感器2）鉴幅方式正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压：1/13/202313鉴幅系统结构框图4-2位移、速度、位置传感器1/13/2023143.感应同步器的特点安装：定尺与滑尺之间的间隙应控制在0.25±0.05mm范围内，间隙变化控制范围0.01mm。特点：精度高测量范围大环境适应性强维护简单、寿命长4-2位移、速度、位置传感器1/13/202315光栅是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给CNC装置，实现闭环位置控制的检测装置，是等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件。光栅4-2位移、速度、位置传感器1/13/202316光栅线位移传感器1/13/202317注塑光学光栅1/13/202318

精度高,可达1μm,工作原理利用光的透射和衍射现象,可测直线或转角。非接触测量，抗干扰能力强，但对环境要求高。一、光栅的构造1.光栅尺的构造和种类标尺光栅固定在机床活动部件上指示光栅安装在读数头内光栅1/13/202319

光栅长光栅圆光栅1/13/202320四、光栅测量装置光栅的工作原理组成：长光栅（标尺光栅）、短光栅（指示光栅）、狭缝、光学镜和光电管，见图4-10。4-2位移、速度、位置传感器图4.10光栅结构图1/13/2023214-2位移、速度、位置传感器光栅：刻有刻线的光学玻璃栅距：光栅上相邻两刻线间的距离工作原理：莫尔条纹的工作原理图4-111/13/202322莫尔条纹具有以下特征：（1）莫尔条纹的正（余）弦变化规律（2）莫尔条纹平均误差的作用莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除误差的影响。（3）莫尔条纹的光学放大作用若ω=0.01mm，θ=0.01rad，W=1mm，莫尔条纹就放大了100倍。（4）莫尔条纹的移动与光栅移动成比例：在两光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹在刻线方向移动。两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹也同步移动一个间距。固定点上的光强则变化一周。而且在光栅反向移动时，莫尔条纹移动方向也随之反向。4-2位移、速度、位置传感器1/13/202323光栅测量装置分光读数头垂直入射读数头反射读数头光栅检测装置电路

四倍频细分

方向辨别4-2位移、速度、位置传感器1/13/202324光电脉冲编码器1/13/202325五、脉冲编码器功能：角位移测量特点：非接触式检测、驱动力小、检测速度快分类：增量式编码器和绝对式编码器两种增量式编码器组成：光源、光电盘、光电接收元件工作原理：

信号处理：信号接收、放大、整形及反馈

方向辨别：DA、DB空间相差90o

基准脉冲：由DC产生缺点：停电或停机后，无法找到原始位置4-2位移、速度、位置传感器1/13/2023264-2位移、速度、位置传感器增量式编码器1/13/2023274-2位移、速度、位置传感器绝对式编码器分类：机械式、光电式、磁电式组成及原理：编码盘、信号产生元件、信号接收元件0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100202122231/13/202328六、速度传感器（自学）测速发电机

特点：输出电压与转速严格的成线性关系输出电势与转速比的斜率大脉冲编码器的使用编码器+定时器七、位置传感器（自学）

特点：不同于位移传感器，该传感器仅用于定位测量接触式位置传感器接近式位置传感器4-2位移、速度、位置传感器1/13/2023294-3伺服驱动装置一、概述伺服系统的组成伺服驱动电路：信号的转换（D/A）和放大

伺服驱动电机：信号和能量的转化输出（电—机）机械传动机构：信号和能量传递作用：接收数控系统的指令，驱动执行机构完成预定的进给和快速运动。特点：能够实现位置和运动的准确控制分类：开环伺服系统和闭环伺服系统1/13/2023301.开环伺服系统组成：步进电机、驱动电路、传动机构工作原理：4-3伺服驱动装置1/13/202331特点

1）无位移检测装置，控制精度低

2）结构简单、易于调整、成本低。主要技术指标

1）定位精度可达±0.02mm2）脉冲当量可达0.01mm3）最高进给速度低于6m/min应用经济型数控机床及机床数控化改造4-3伺服驱动装置1/13/202332关于步进电机

步距角：步进电机每接受一个指令脉冲，转子相应的转角

脉冲当量：步进电机每接受一个指令脉冲，工作台相应的位移

转速、转角和转向的决定因素：脉冲频率、脉冲数和通电相序。

主要类型：反应式步进电机、混合式步进电机4-3伺服驱动装置1/13/202333闭环伺服系统组成：伺服单元、伺服电机、位移检测装置、传动机构等工作原理：图4-314-3伺服驱动装置1/13/202334特点：1）设有位移检测装置，控制精度高2）调试维护困难、成本较高主要技术指标:1）定位精度可达±0.002mm2）检测分辨率可达0.001mm3）最高进给速度可达14m/min应用：加工中心及中、高档数控机床4-3伺服驱动装置1/13/202335关于闭环和半闭环系统

闭环：采用线位移检测元件对工作台位移直接进行测量反馈。特点：控制精度高、安装调试困难半闭环：采用角位移检测元件对电机轴或滚珠丝杠的角位移进行测量反馈。特点：控制精度相对较低、安装调试方便4-3伺服驱动装置1/13/202336伺服驱动系统的选用1）精度要求：定位精度、重复定位精度、加工精度2）响应速度：跟踪指令信号的速度3）调速范围：最高转速与最低转速之比Rn=nmax/nmin4）低速转距特性:低速时转距输出能力关于定位精度和重复定位精度1）定位精度：移动件到达指令位置的准确度2）重复定位精度：移动件在任意定位点的定位一致性4-3伺服驱动装置1/13/202337二、步进电机驱动系统（开环控制系统）一）步进电机的工作原理、结构及特性1.步进电动机的工作原理工作原理演示4-3伺服驱动装置1/13/202338通电方式三相双三拍：(正转)ABBCCAAB(反转)ACCBBAAC三相六拍：(正转)

AABBBCCCAA(反转)

AACCCBBBAA三相单三拍：(正转)ABCA(反转)ACBA4-3伺服驱动装置1/13/202339m相步进电机通电方式m相单m拍：例ABCDEAm相双m拍：例ABBCCDDEEAAB或ABCBCDCDEDEAEABABCm相2m拍：例AABBBCCCDDDEEEAA或ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB三种通电方式的特点：单m拍：每次一相通电,切换瞬间失去自锁力矩易失步,在平衡位置易振荡双m拍：每次同时有二相通电,切换瞬间仍有一相保持通电,运行稳定2m拍：步距角小一半，切换瞬间仍有一相保持通电，运行稳定4-3伺服驱动装置1/13/202340步进电机的结构（横向视图）工作原理演示4-3伺服驱动装置1/13/2023412.步进电机的结构（纵向视图）4-3伺服驱动装置1/13/202342步进电机的主要特性1）步距角和静态步距误差步距角：m:线圈相数z:转子齿数q:2m拍q=2，其它q=1步距误差：实际步距角与理论步距角之差一般为10`2）输出扭矩：必须大于负载转距3）最高启动、停止脉冲频率：步进电机所能接受的最高启、停脉冲频率，此值必须大于负载实际启、停所需的脉冲频率。4-3伺服驱动装置1/13/2023434）连续运行的最高工作频率：步进电机连续运行所能接受的最高工作频率，此值必须大于步进电机实际运行的最高工作频率。5）步进运行和低频振荡步进运行：当脉冲间隔大于步进电机的过渡过程时，电机呈步进运行状态低频振荡：当脉冲频率接近步进电机的固有频率时，将产生振荡（必要时可设可调阻尼器）4-3伺服驱动装置1/13/202344二）开环控制系统步进电机的计算和选用传动计算传动比直线进给4-3伺服驱动装置1/13/202345式中：α为步进电机的步距角δ为系统的脉冲当量i为传动系统的传动比圆周进给传动比4-3伺服驱动装置1/13/202346步进电机的选用输出转距：通常取ML/Mjmax=0.2～0.5步距角：步距角与系统应匹配，即应满足脉冲频率：应与系统要求的启动、连续运行频率匹配转动惯量：应满足以下匹配条件式中：JM步进电机的转动惯量JL负载转动惯量脉冲频率：所选步进电机脉冲频率要满足负载要求，即：所选步进电机连续运行的最高脉冲频率要高于负载连续运行要求的脉冲频率，所选步进电机启动运行的最高脉冲频率要高于负载启动运行要求的脉冲频率。4-3伺服驱动装置1/13/202347三）步进电机的驱动环形分配器作用：对步进电机线圈的通电相序进行分配种类：硬件环形分配器和软件环形分配器两种软件环分器：通电相序状态预先存入计算机并采用软件查表方式进行控制特点：节省了环分器硬件，但软件运行效率低，用于速度要求不高处4-3伺服驱动装置1/13/202348硬件环分器：通电相序状态由硬件逻辑功能完成特点：需要专用硬件资源，运行效率高。4-3伺服驱动装置1/13/202349功率放大器（驱动电源）作用：将数控系统输出的弱电控制信号转换成能够驱动步进电机的强电信号。种类：单电压驱动电路高低压驱动电路恒流斩波驱动电路4-3伺服驱动装置1/13/202350提速（限流）电阻Rc：改变时间常数，提高响应速度续流二极管D：用于功率晶体管的过电压保护特点：结构简单、效率低、能耗高，发热大、工作稳定性差。应用：小功率步进电机驱动单电压驱动电路4-3伺服驱动装置1/13/202351特点：结构复杂、响应速度快、高频驱动能力强、功耗低。应用：大（中）型功率步进电机的驱动高低压驱动电路4-3伺服驱动装置1/13/202352特点：结构复杂、响应速度快、驱动能力强、功耗低、噪声大。应用：大（中）型功率步进电机的驱动恒流斩波驱动电路4-3伺服驱动装置1/13/202353四）提高步进电机伺服系统精度的措施存在的问题

无位移检测元件，定位精度主要取决于传动精度改善措施间隙补偿：在换向时通过附加脉冲进行补偿螺距误差补偿：采用机械样板或附加脉冲进行补偿反馈补偿：通过检测器进行系统误差检测，周期性地发出补偿脉冲。4-3伺服驱动装置1/13/202354三、直流伺服电机驱动系统一）直流伺服电机小惯量直流伺服电机结构特点：1）转子为光滑无槽的铁芯，线圈由粘合剂粘结。2）长径比大、惯量小。性能特点：1）转动惯量小，约为普通直流电机的1/10，快速响应性好。2）电枢反应小，换向性好，电机时间常数小（只有几毫秒）。3）由于转子无槽，结构均衡性好，低速平稳性好。4）最大扭矩为额定值的10倍，过载能力强。缺点：由于惯量小，必须配齿轮减速葙，才能拖动负载。4-3伺服驱动装置1/13/202355宽调速（大惯量）直流伺服电机结构特点：转子惯量大，响应特性由大功率驱动系统保证性能特点：输出转矩大不需齿轮减速箱即可直接驱动负载。过载能力强转子热容量大，过载能力强（过载转矩可达5～10倍）动态响应好电流过载能力强、瞬时加速转矩大，动态响应好。调速范围宽且运转平稳低速时输出转矩大，调速调速范围宽，运转平稳。易于调试由于惯量大，受负载影响小，可不加负载调试。4-3伺服驱动装置1/13/202356二）直流伺服电机的调速直流电机的转速

（电机电势常数）

调压恒转矩调速：调节Ua，保持φ和Ra不变

（Cm为转矩常数）调磁恒功率调速：调节φ，保持Ua和Ra不变

（φ↑n↓T↑）调速方法的选择：进给系统一般选用调压恒转矩调速

4-3伺服驱动装置1/13/202357直流伺服电机的可控硅调速三相半波反并联可控硅调速4-3伺服驱动装置1/13/202358直流伺服电机脉宽调速（PWM）系统脉宽调制器：产生幅值恒定、宽度可变的矩形脉冲信号图4-47晶体管脉宽信号放大器：信号放大和正反转控制图4-484-3伺服驱动装置1/13/202359PWM调速系统的特点1）开关频率高2）波纹系数小3）频率较宽4）可在高峰值电流下工作4-3伺服驱动装置1/13/202360三）直流伺服电机闭环进给系统半闭环进给系统闭环进给系统4-3伺服驱动装置半闭环进给系统1/13/2023614-3伺服驱动装置半闭环进给系统1/13/202362四、交流伺服电机驱动系统特点：结构简单、无电刷、可靠性高、维护方便。种类：永磁式同步交流伺服电机和感应式异步交流伺服电机永磁式同步交流伺服电机特点与直流伺服电机相比，同等功率下，电机外形尺寸减小1/2，重量减轻60%，转子惯量减至1/5（减小4/5）感应式交流伺服电机特点结构简单、价格便宜、过载能力强，与永磁式交流伺服电机相比，效率低、体积大、转子热损耗大，转子发热直接影响系统性能。应用：目前数控机床进给系统多采用永磁式交流伺服电机。4-3伺服驱动装置1/13/2023634-4数控装置4.4.1CNC装置的硬件组成1/13/202364CNC数控装置与普通计算机一样，具有CPU、存储器、总线、外设等，不过它的外设不是打印机、绘图机等，而是其它输出接口及后续装置，其中最主要的是输出伺服运动指令推动数控机床各坐标轴运动。1.中央处理器单元(CPU)CPU是CNC装置的核心，具有执行计算和控制功能的能力。一般由运算器、控制器和暂存寄存器组成。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数控装置1/13/2023652.总线（BUS）总线是传送数据或交换信息的公共通道，在CPU内部一般采用三总线结构，即地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）。3.存储器（Memory）存储器用来存储系统软件、零件加工程序以及运算的中间数据和处理后的结果，其类型有：<1>系统软件存储器：ROM<2>工件参数存储器：RAM<3>零件加工程序存储器:CMOSRAM4-4数控装置1/13/2023664.输入/输出（I/O）接口电路及相应的外部设备用来交换数控装置和外部的信息，MDI/CRT接口完成手动数据输入和将信息显示在CRT上。<1>I/O接口外设与CPU之间的联络电路。<2>外部I/O设备及I/O接口<3>机床的I/O控制通道5.位置控制部分位置控制部分是CNC装置的一个重要组成部分，它包括对主轴驱动的控制，以便完成速度控制，通过伺服系统提供功率、扭矩的输出；还包括对进给坐标的控制，以便完成位置控制，通过伺服系统提供恒扭矩。4-4数控装置1/13/2023674.4.3数控装置的硬件结构1.单微处理器结构所谓的单微处理器结构数控装置是以一个CPU(中央处理器)为核心,CPU通过总线与存储器和各种接口相连接,采取集中控制、分时处理的工作方式,完成数控加工的各项任务。有的CNC装置虽然有两个以上的微处理机(如做浮点运算的协处理器、以及管理键盘的CPU等),但其中只有一个微处理器能控制总线,其它的CPU属于辅助的专用智能部件,不能控制总线,不能访问主存储器.它们组成主从结构,故被归类为单微处理机结构中.单微处理机结构中包括了微型计算机系统的基本结构:微处理器和存储器、总线、接口等。4-4数控装置1/13/2023682.多微处理器结构多微处理器结构的CNC装置由两个或两个以上的微处理器构成处理部件，每个微处理器分担系统的一部分工作，从而将单微处理器结构CNC装置中顺序完成的工作转变为多微处理器结构CNC装置中并行、同时完成的工作，因而大大提高了整个系统的处理速度。CNC装置的多CPU结构方案多种多样，它是随着计算机系统结构的发展而变化的。多微处理机互连方式有：总线互连、环形互联、交叉开关互联、多级开关互联和混合交换互联等。多微处理机的CNC装置一般采用总线互联方式，典型的结构有共享总线型、共享存储器型以及它们的混合型结构等。多微处理器结构的CNC装置大都采用模块化结构。4-4数控装置1/13/202369（1）多微处理器CNC装置的功能模块：多微处理机CNC装置的结构采用模块化技术，设计和制造了紧耦合的许多功能组件电路或功能模板。CNC装置中包括哪些模块可根据具体情况合理安排，一般由下面几种功能模块组成。1）CNC管理模块这是实现管理和组织整个CNC系统工作的功能模块，如系统的初始化、中断管理、总线仲裁、系统出错的识别和处理、系统软硬件的诊断等功能由该模块完成。4-4数控装置1/13/2023702）存储器模块该模块存放程序和数据，为主存储器。每个CPU控制模块中还有局部存储器，主存储器模块是各功能模块间数据传送的共享存储器。3）CNC插补模块该模块完成零件持续的译码、刀具半径补偿、坐标位移量的计算和进给速度处理等插补前的预处理，然后进行插补计算，为各坐标轴提供位置给定值。4-4数控装置1/13/2023714）位置控制模块插补后的坐标位置给定值与位置检测器测得的位置实际值进行比较，并实现自动加减速、回到基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压驱动进给伺服电机。这些工作都由位置控制模块完成。5）数据输入、输出和显示模块零件程序、参数和数据，各种操作命令的输入、输出、显示所需要的各种接口电路。4-4数控装置1/13/2023726）PLC模块零件程序中的开关功能和由机床来的信号等在这个模块中作逻辑处理，实现各功能和操作方式之间的连锁、机床电气设备的启/停、刀具交换、转台分度、工件数量和运转时间的计数等。随着CNC装置的功能、结构的不同，功能模块的多少和划分也不同。如果要扩充功能，则再增加相应的模块即可。4-4数控装置1/13/202373（2）多微处理机CNC装置结构的特点1）计算处理速度高多微处理机结构中的每一个微处理机完成系统中指定的一部分功能，独立执行程序、并行运行，比单微处理机提高了计算处理速度。它适应多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求，由于系统共享资源，性能价格比也较高。2）可靠性高由于系统中每个微处理机分管各自的任务，形成若干模块，插件模块更换方便，可使故障对系统影响减到最小。共享资源省去了重复机构，不但降低造价，也提高了可靠性。4-4数控装置1/13/2023743）有良好的适应性和扩展性多微处理机的CNC装置大都采用模块化结构。可将微处理机、存储器、输入/输出控制组成独立微计算机级的硬件模块，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中，硬软件模块形成一个特定的功能单元，称为功能模块。功能模块间有明确定义的接口，接口是固定的，成为工厂标准或工业标准，彼此可以进行信息交换。可以积木式组成CNC装置，使设计简单，有良好的适应性和扩展性。4-4数控装置1/13/2023754）硬件易于组织规模生产一般硬件是通用的，容易配置，只要开发新的软件就可构成不同的CNC装置，便于组织规模生产，保证质量，形成批量。4-4数控装置1/13/2023764.4.3CNC装置的工作内容1）输入2）译码3）刀具补偿4）进给速度处理5）插补6）位置控制7）I/O处理8）显示9）诊断4-4数控装置1/13/2023774.4.4CNC硬件设计一）CNC系统对微机的要求及选择CNC系统对微机的要求较完善的中断系统足够的内存一定数量的I/O通道高可靠性CNC系统的选择标准总线工业控制机：模块化结构、可靠性高、用户可自由配置，应用广泛。单片机专用系统：可靠性高，价格便宜，用于经济性数控机床中。4-4数控装置1/13/202378二）MCS-51单片机控制系统4-4数控装置MCS-51引脚1/13/202379功能I/O口：P0、P1、P2、P3共4个8位口控制总线（CB）：、ALE、、RESET、P3第2功能地址总线（AB）：P2(高8位)+P0(低8位)=16位数据总线（DB）：由P0提供8位数据总线电源及时钟：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2双重功能口：P0口即作8位数据线，又作低8位地址线P3口即可作输入输出口，又可作控制总线4-4数控装置1/13/202380MCS-51系统中的地址译码规则1）程序存储器和数据存储器独立编制2）外围扩展芯片与数据存储器统一编址3）片外程序存储器和数据存储器寻址范围216=64K字节地址译码方法1)线选法概念：直接用地址线进行外围芯片片选。图4-54地址译码表4-3优点：电路结构简单缺点：地址空间利用不够充分，芯片之间地址不够连续。4-4数控装置1/13/2023814-4数控装置线选法地址译码1/13/2023822）全地址译码概念：采用译码器译码，保证空间的充分利用和地址的连续性4-4数控装置全地址译码优点：地址连续，寻址空间大缺点：硬件电路要增加译码器说明：数控系统一般采用全地址译码1/13/202383三）数据存储器与程序存储器的扩展关于RAM和ROM访问：由于两者独立编址，地址空间完全重复，必须建立访问机制。对RAM的访问：使用、控制线和MOVX指令操作对ROM的访问：使用控制线和MOVC指令操作操作时序图图4-56存储器扩展电路图4-574-4数控装置1/13/2023844-4数控装置操作时序1/13/2023854-4数控装置存储器扩展电路1/13/202386四）显示器与键盘接口电路设计LED显示器的结构与原理分类：

按通电方式分：共阴极和共阳极按显示方式分：静态显示和动态显示结构：七段组合共阴极和共阳极显示器结构如下图4-4数控装置1/13/2023874-4数控装置LED显示器结构1/13/2023884-4数控装置动态显示电路1/13/202389键盘的工作原理种类：独立式按键和行列式按键

独立式按键：如图

4-4数控装置1/13/2023904-4数控装置行列式按键：如图

1/13/202391显示器键盘组合电路由于LED显示器和键盘都采用循环扫描工作方式，将二者进行组合可节省I/O端口，在控制系统中应用广泛。

4-4数控装置1/13/202392五）I/O接口电路设计数控CNC中常用I/O接口芯片：可编程并行接口：Intel8255、Intel8155可编程串行接口：Intel8251键盘显示器专用接口芯片：8279可编程定时器：8253锁存器：74LS373、74LS273A/D、/DA转换器：0809、0832在图4-57基础上增加I/O接口芯片的系统扩展电路如图4-634-4数控装置1/13/2023934-4数控装置系统扩展电路1/13/202394以上是I/O接口芯片应用的一般情况，以下重点讨论机床信号与微机接口信号（强电与弱电）的匹配与抗干扰问题。接点输入电路接点：按钮、继电器、接近开关等接点输入电路：用于将按钮、继电器、接近开关等的接点输入信号转换为CPU所需的TTL电平信号无源接点：设备侧无信号源图4-65（a）有源接点：设备侧有信号源图4-65（b）接点滤波器实例：图4-65（c）4-4数控装置1/13/2023954-4数控装置无源接点有源接点1/13/2023964-4数控装置接点滤波器实例1/13/202397接点抖动的消除：滤波与整形

4-4数控装置

按键类接点1/13/2023984-4数控装置小信号接点1/13/202399强电（接触器）接点4-4数控装置1/13/2023100接点输出电路接点输出电路：用于将CPU输出的TTL电平转换为控制继电器、指示灯所需的节点输出一般情况：功率晶体管驱动图4-69（a）高开关频率：光耦和双向可控硅组成的固态继电器图4-69（b）零交叉电路：零伏触发。即当交流电压变到零伏附近时，电路接通，然后由触发电路给出可控硅器件的触发信号。4-4数控装置1/13/20231014-4数控装置六）数控系统CNC实例1/13/2023102单片机系统：8031（A）：键盘、显示、手动按钮等控制管理。8031（B）：插补、电机控制、辅助机能等的程序运行控制管理。键盘显示接口：并行接口8155，键盘显示专用接口8279按钮控制：并行接口8255辅助机能与电机控制：锁存器273、光耦TLP521-4、驱动器MC1413输入控制：光耦TLP521-4、缓冲器2454-4数控装置1/13/20231034-4数控装置273、TLP521-4、MC1413、245等芯片引脚图4-711/13/20231044.5.1数控系统软件组成4-5数控系统软件1/13/2023105管理软件（监控软件）：用于系统状态的监测并提供基本操作管理。控制软件：用于加工程序的执行，控制机床运行。

CNC软件的功能：1.零件程序的输入

CNC的输入主要指零件程序的输入，一般通过纸带阅读机及键盘进行，现代CNC装置也可通过DMA和通讯接口由上级中心计算机或其它设备输入。纸带阅读机和键盘输入大都采用中断方式，由相应的中断服务程序完成。4-5数控系统软件1/13/20231062.译码处理译码程序的功能是将输入的加工程序翻译成系统能识别的语言。译码程序是以程序段为单位对信息进行处理，把其中的各种工件轮廓信息（如起点、终点、直线和圆弧）、加工速度F和其它辅助信息（M、S、T）依照计算机能识别的数据形式，并以一定的格式存放在指定的内存专用区间。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误立即报警。译码是任何一个计算机系统要执行输入程序必须经过的一个步骤。4-5数控系统软件1/13/2023107<1>代码的识别<2>功能代码的译码字符0123456789内部码00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H字符NGXYZIJKFM内部码10H11H12H13H14H15H16H17H18H19H字符LF/CR－DEL内部码20H21H22H

4-5数控系统软件1/13/2023108译码过程实例：N010G02X20Y20I20J0F100LF数控程序转换为计算机内部码过程。4-5数控系统软件1/13/20231093.刀具补偿经过译码后的程序段数据不能直接用于插补程序，要经过刀具补偿计算，将编程时工件轮廓数据转换成刀具中心轨迹数据。刀具补偿有长度补偿和半径补偿，长度补偿计算比较简单，这里主要介绍刀具半径补偿的软件计算方法。刀具半径补偿不是编程人员完成的，是由CNC装置系统软件中的刀补程序完成，编程人员只是在零件程序中指明刀具半径，左刀补（G41）、或是右刀补（G42）、或撤消刀补（G40）就可以了。刀具半径补偿执行过程分为刀补建立、刀补进行和刀补撤消三个步骤，目前，刀补在指定的二维坐标平面进行补偿较为普遍。4-5数控系统软件1/13/20231104.进给速度处理进给速度的计算因系统不同，方法有很大差别。在开环系统中，坐标轴运动速度是通过控制向步进电动机输出脉冲的频率来实现的，速度计算的方法是根据程编的F值来确定该频率值；在半闭环和闭环系统中采用数据采样方法进行插补加工，速度计算是根据程编的F值，将轮廓曲线分割为采样周期的轮廓步长。5.插补运算6.位置控制4-5数控系统软件1/13/20231114.5.2CNC系统软件的特点和结构1.CNC系统软件的特点<1>多任务：数控加工时，CNC装置要完成许多任务。在多数情况下，管理和控制的某些工作必须同时进行。例如:为使操作人员能及时地了解CNC装置的工作状态，管理软件中的显示模块必须与控制软件同时运行；当在插补加工运行时，管理软件中的零件程序输入模块必须与控制软件同时运行；而当控制软件运行时，其本身的一些处理模块也必须同时运行。例如：为了保证加工过程的连续性，即刀具在各程序之间不停刀，译码、刀具补偿和速度处理模块必须与插补模块同时运行，而插补程序又必须与位置控制程序同时进行。4-5数控系统软件1/13/2023112<2>并行处理：并行处理是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。并行处理的优点是提高了运行速度。并行处理分为“资源重复”并行处理方法，“时间重叠”并行处理方法和“资源共享”并行处理方法。<3>资源分时共享：在单CPU的CNC装置中，主要采用CPU分时共享的原则来解决多任务的同时运行。各任务何时占用CPU及各任务占用CPU时间的长短，是首先要解决的两个时间分配问题，在CNC装置中，各任务占用CPU是用循环轮流和中断优先相结合的办法来解决。4-5数控系统软件1/13/2023113<4>资源重叠流水处理：流水处理的关键是时间重叠，即在一段时间间隔内不是处理一个子过程，而是处理两个或更多的子过程。<5>多重实时中断处理：CNC系统软件结构的另一个特点是实时中断处理。CNC系统程序以零件加工为对象，每个程序有许多子程序(子过程)，它们按预定的顺序反复执行，各步骤间关系十分密切，有许多子程序实时性很强，这就决定了中断成为整个系统不可少的重要组成部分。CNC系统的中断管理主要靠硬件完成，而系统的中断结构决定了软件结构。4-5数控系统软件1/13/20231142.CNC系统软件的结构<1>前后台型软件结构适用于单微处理器CNC装