数控技术第三章

1第一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三§3.1数控系统硬件组成及功能一、CNC系统硬件组成一、CNC系统硬件组成

CNC系统硬件CNC装置：微机基本系统+位置控制器+内装型PLC等CNC装置接口：人机交互接口、上位接口、下位接口输入/输出装置：数控面板（MDI/CRT）、操作面板、手摇脉冲发生器、纸带阅读机等驱动装置：速度控制单元+伺服电机位置检测装置：感应同步器、光栅、编码器等逻辑控制装置：独立型PLC程序输入设备输出设备CNC装置PLC位置检测器进给电机主轴电机主轴控制单元进给控制单元机床电器第二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三§3.1数控系统硬件组成及功能

二、CNC系统硬件总体结构及各部分功能第三章数控系统硬件技术二、CNC系统硬件总体结构及各部分功能计算机基本系统人机交互接口下位接口上位接口输入输出装置进给驱动装置主轴驱动装置位置检测装置位置检测装置机床电器装置第三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三三、CNC系统部分硬件外形结构手摇脉冲发生器编码器驱动装置PLC多轴运动控制卡§3.1数控系统硬件组成及功能三、CNC系统部分硬件外形结构CNC装置及数控操作面板第四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三一、CNC装置硬件基本构成微机基本系统+各种接口+位置控制器+内装型PLC+电源§3.2数控装置的硬件体系结构一、CNC装置硬件基本构成第五页，共四十九页，编辑于2023年，星期三二、CNC装置的分类按硬件制造方式专机数控：数控系统厂家（如西门子、发那科、AB）生产，布局合理，结构紧凑，专用性强，硬件无通用性PC数控：以工业PC机或一般PC机为硬件平台，由CNC机床厂插入控制卡和软件，不设计专门硬件，PC机批量生产，CNC系统成本低，通用按电路板插接方式(专机数控)大板式结构：主板（微机基本系统+位置控制电路等）+子板（扩展存储器板+PLC板+图形控制板+电源单元等）模块化结构：控制单元母板(7~13槽)+功能模板(CNC控制板+位置控制板+PLC板+图形板+通讯板+位置检测板等)，硬件与软件都按功能模块化§3.2数控装置的硬件体系结构二、CNC装置的分类第六页，共四十九页，编辑于2023年，星期三按CPU数量单CPU结构：CPU+总线存储器+各种接口+位置控制器，CPU集中控制、分时处理完成所有数控功能和管理功能。投资小,结构简单,易于实现。系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制，现在已被多机系统的主从结构所取代。多CPU结构：每个CPU子系统分别完成不同的子任务，各子系统间通过通信（共享总线或共享存储器）协调动作，完成数控任务。常见结构有主从结构、多主结构、分布结构。§3.2数控装置的硬件体系结构二、CNC装置的分类第七页，共四十九页，编辑于2023年，星期三CPUCMOSROMRS-232I/O接口CRT接口PLC控制位置控制控制媒介机床控制面板速度控制单元EPROMCRT总线§3.2数控装置的硬件体系结构三、CNC装置的体系结构框图三、CNC装置的体系结构框图单机系统第八页，共四十九页，编辑于2023年，星期三大板式结构第九页，共四十九页，编辑于2023年，星期三模块化结构第十页，共四十九页，编辑于2023年，星期三其他外围设备I/O接口辅助功能CPU|输入端|输出端可编程控制器CNC插补|位置控制模块|几何处理模块其他功能管理模块存储器多机系统CNC系统并联数据总线多机系统分布结构系统：整个系统有两个或两个以上的带CPU的功能模块，每个模块有独立的运行环境，模块间采用松耦合。多主结构系统：整个系统有两个或两个以上的带CPU的功能部件对系统资源有控制和使用权，模块间采用紧耦合。

主从结构系统：系统只有一个CPU(主CPU)处于主导地位，对系统资源有控制和使用权，其他CPU处于从属地位，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需数据。模块间采用紧耦合。第十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三共享总线结构优点：结构简单、系统配置灵活、实现容易、造价低等。缺点：总线故障，影响整个系统，信息传输效率低。第十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三共享存储器结构缺点：同一时刻只能有一个CPU对存储器进行读或写，功能复杂，效率低。第十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三四、开放式数控体系结构开放式数控系统的结构类型专用CNC+PC型（PC嵌入NC式结构）：在传统专机CNC系统中简单嵌入PC技术，使整个系统可以共享一些计算机软硬件资源；PC机主要起到辅助编程、分析、监控、指挥生产、编排工艺等非实时性工作；其开放性只在PC部分，用户无法进入数控系统的核心（CNC部分）

运动控制器+PC型（NC嵌入PC式结构）：目前最流行的以标准PC机为硬件平台的开放式数控系统，其运动控制器（如PMAC多轴运动控制卡）本身具有CPU（高速DSP）实际就是数控系统，具有很强的运动控制和PLC控制能力，可单独使用；PC机处理非实时部分，PMAC承担实时控制；开放包括通信端口在内的大部分地址空间，辅以通用的DLL同PC机结合得最为紧密；其开放的函数库可供用户在Windows平台上自行开发构造所需的数控系统§3.2数控装置的硬件体系结构四、开放式数控体系结构第十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三§3.2数控装置的硬件体系结构四、开放式数控体系结构纯PC型（全软件式）：最新的开放式体系结构的数控系统，提供给用户最大的选择性和灵活性。其CNC软件全部装在PC机内，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口，就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、CD-ROM和相应的驱动程序一样，用户可以在WindowsNT平台上利用开放的CNC内核开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统；具有最高的性能价格比，最有前途和生命力开放式数控体系结构的特点基于PC机（PC数控系统），通用操作系统平台各模块相互独立，易于开发系统开发费用低，而性能和可靠性容易不断改善标准化人机界面和编程语言，方便使用便于批量生产便于扩展、集成、更新第十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期三一、CNC装置I/O接口的作用

电平转换与功率放大由于CNC装置内是TTL（Transistor-TransistorLogic）脉冲或电平信号（0.2-3.5V），而要监控的设备或电路信号不一定是TTL信号，而且有的负载比较大；

电气隔离为防止干扰信号的串入引起误动作以及强电对CNC装置的破坏，需将CNC装置与机床之间的信号在电气上加以隔离；信号变换CNC装置内部只能处理数字信号，采用模拟量传送时，需在CNC装置与机床电气设备之间进行信号变换信号整形或复原减少信号传输过程中由于衰减、噪声和反射等引起的畸变§3.3CNC装置的I/O设备及其接口一、CNC装置I/O接口的作用第十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期三按CNC装置I/O接口的功能与上位系统的接口：与DNC、FMS或CIMS或上位机的接口与用户之间的交互设备的接口：与键盘、显示器、操作面板、磁盘驱动器、手摇脉冲发生器、纸带阅读机等的接口与下位系统的接口：与驱动装置、传感器和机床电器控制器的接口按CNC装置I/O信号的类型直流数字I/O接口（机床I/O接口、开关量I/O接口）：操作面板、限位开关、强电柜等的接口直流模拟I/O接口：进给坐标轴和主轴伺服控制的接口交流I/O接口：直接控制功率执行器件(电磁阀、离合器等)

§3.3CNC装置的I/O设备及其接口二、CNC装置I/O接口的分类按CNC装置所连接的I/O设备人机界面接口：键盘、显示器、操作面板、手摇脉冲发生器、纸带阅读机等的接口驱动接口：与进给轴和主轴驱动装置及传感器的接口辅助功能接口：与PLC的接口通讯及网络接口：与外设及上位系统的接口二、CNC装置I/O接口的分类第十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期三三、数控键盘及其接口电路矩阵式键盘结构§3.3CNC装置的I/O设备及其接口三、数控键盘及其接口电路行线扫描码列线返回码锁存器三态门00001111110101111111100100反相器第十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期三矩阵式键盘工作原理（按键识别方法:两个识别）

扫描法(列扫描法、行扫描法、行列扫描法)1)将各行线全置为0→读入各列线电平1:无键按下0:第j列键按下2)逐行置0,其余各行置1→读入各列线电平1:无键按下0:第i行j列键按下行列反转法1)将各列线全置低电平→读入各行线电平：若某行电平=0，则为按键所在行；2)将各行线全置低电平→读入各列线电平：若某列电平=0，则为按键所在列；§3.3CNC装置的I/O设备及其接口三、数控键盘及其接口电路注意：有无反相器；扫描码和返回码的书写方式（按下标大小依次从左至右，如DB3,DB2,DB1,DB0）回放上一页第十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

键盘工作方式(保证CPU及时响应键盘操作，且不过多占用CPU工作时间)程控扫描：CPU空闲时，调用键盘扫描子程序定时扫描：CPU响应单片机内部定时器中断，定时扫描键盘中断扫描：有键按下时，CPU响应键盘的中断请求进行扫描§3.3CNC装置的I/O设备及其接口三、数控键盘及其接口电路10110第二十页，共四十九页，编辑于2023年，星期三按键消抖处理§3.3CNC装置的I/O设备及其接口三、数控键盘及其接口电路

硬件消抖：RC滤波电路，用于键少时；软件消抖：延时（5-20ms）读键值，用于键多时第二十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三四、显示器及其接口电路

显示器种类显示器CRT显示器（阴极射线管）:显示字符、图形；显示信息量大；便于人机对话；亮度高；单显彩显LCD显示器（液晶显示器）:本身不发光，功耗小，外加电压低LED显示器（发光二极管）:功耗小，亮度高，价格低，控制简单LED显示器结构原理LED半导体器件(发光二极管):电→光转换;单向导电性

单个LED：故障报警，电源指示等组合LED：8字形、米字形等，显示字符、图形LED型式§3.3CNC装置的I/O设备及其接口四、显示器及其接口电路第二十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三LED数码管结构：N个发光二极管显示字段

LED数码管字形码(段代码)共阴极：各阴极连在一起，公共阴极接地；某管阳极为高电平时，相应的发光二极管点亮，该段被显示共阳极：各阳极连在一起，公共阳极接正电压；某管阴极为低电平时，相应的发光二极管点亮，该段被显示§3.3CNC装置的I/O设备及其接口四、显示器及其接口电路000001111011111000第二十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

段选线与位选线、段代码与位代码§3.3CNC装置的I/O设备及其接口四、显示器及其接口电路段选线位选线1111100000000111000100011111第二十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

静态显示与动态显示静态显示：选定位上的LED显示块恒定导通或截止；每位可独立显示不同字符；较小电流，较高亮度；每位占一个8位I/O口，适于位数较少动态显示：每位对应段选线并联在一起，共用一个8位I/O口，适于位数较多；每位轮流短暂接通，周期性循环§3.3CNC装置的I/O设备及其接口四、显示器及其接口电路静态显示动态显示第二十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

键盘、LED显示器与单片机的连接§3.3CNC装置的I/O设备及其接口四、显示器及其接口电路键盘扫描码与显示器位代码分时共用锁存器，键盘扫描前关显示（字形码即段代码为全“暗码”），防止扫描干扰显示采用动态显示，利用调用显示子程序的时间来产生避开按键抖动所需的延时第二十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期三

奥运会开幕式LED应用

这次奥运会吸引了全球观众的目光，其中除了人海的各项表演外，最引人注目的是其大量使用了LED科技，主要包括鸟巢会场中央地板的LED屏幕、表演者身上的LED装饰灯、空中升起的奥运五环用LED光源、鸟巢会场看台上转播与提供现场观众用的LED屏幕等等，成了举世关注的焦点之一。开幕倒数计时用的2008个缶，它虽然是中国古老的打击乐器，用来击缶而歌的，但在开幕式中，缶采用了LED光源来点缀，使用的触碰感应LED发光体，每个约有十余颗LED，估计用上3万多颗LED。§3.3CNC装置的I/O设备及其接口四、显示器及其接口电路第二十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期三§3.3CNC装置的I/O设备及其接口四、显示器及其接口电路在奥运开幕式中，画卷的主体LED显示屏长147米，宽22米，面积3234平方米，像素点间距600毫米，共约44000组像素点，6万个LED，是世界上最大的地面全彩LED显示屏，每平方米的承重能力达两吨，完全经得住演员踩踏、水浸。第二十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期三§3.3CNC装置的I/O设备及其接口四、显示器及其接口电路LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。LED的发展前景极为广阔。第二十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期三§3.3CNC装置的I/O设备及其接口四、显示器及其接口电路

CRT显示原理CRT系统CNC计算机接口缓冲存储器显示控制器CRT显示控制器的主要作用:接收来自CPU的控制命令和显示用的数据;经与CRT扫描信号调制后，产生CRT显示器所需要的视频信号;由CRT的电子枪对屏幕进行扫描，从而产生所需的画面。第三十页，共四十九页，编辑于2023年，星期三§2.3CNC装置的I/O设备及其接口四、显示器及其接口电路CRT工作原理屏幕上的图象显示，是利用阴极射线管中高速电子束的不断扫描来实现的。

高速电子束撞击荧光屏表面的磷光物，对应位置就出现光点，光点的亮度决定于电子束的强度。为了使电子束能够有规律的从左到右、自上而下地移动，以构成一帧完整幕面，必须加上偏转电路，电子束这种移动称为扫描。在电子束扫描过程中，利用图象信号不断控制电子束的强度，荧光屏上就出现黑白图象。图像信号必须与扫描过程密切配合，否则，屏幕上就会杂乱无章，不会显示清晰的图像。第三十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三逐行扫描形成帧面的示意图第1线第2线第3线0水平逆程(消隐)水平正程(显示)开始垂直逆程§3.3CNC装置的I/O设备及其接口四、显示器及其接口电路第三十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三CRT控制器刷新存储器“ASCII”刷新存储器“状态”字符发生器锁存器移位寄存器同步点时钟&线地址视频信号字符CRT显示器接口框图§3.3CNC装置的I/O设备及其接口四、显示器及其接口电路1111111111

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0111111111111111第三十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期三五、操作面板及开关量I/O接口（机床I/O接口、直流数字I/O接口）电路数控系统控制面板：MDI面板（键盘+显示器，主要用于手工程序输入、编辑等）+机床操作面板（主要用于手动方式下对机床的操作以及自动方式下对机床的操作或干预）§3.3CNC装置的I/O设备及其接口五、操作面板及开关量I/O接口电路第三十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期三§3.3CNC装置的I/O设备及其接口五、操作面板及开关量I/O接口电路机床操作面板结构与功能（华中p188）第三十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期三§3.3CNC装置的I/O设备及其接口五、操作面板及开关量I/O接口电路开关量型式与开关量I/O接口用途开关量型式开关状态的闭合/断开指示灯亮/灭继电器或接触器吸合/释放电动机启动/停止阀门打开/关闭脉冲信号、计数和定时信号开关量I/O接口用途CNC开关量I/O接口机床及操作面板机床工作状态指示面板；控制机床动作信号强电柜CNC面板开关及按钮信号、机床限位开关信号第三十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期三开关量输入接口电路功能：机床侧+24V开关信号CNC（PLC）侧TTL电平信号；信号电隔离（光传递）；滤波防扰动光电隔离器（I/O接口器件，书p110,114）：输入端发光二极管；输出端光敏三极管；隔离与电平转换§3.3CNC装置的I/O设备及其接口五、操作面板及开关量I/O接口电路第三十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期三开关量输出接口电路功能：把控制机床动作的信号送到强电柜，将机床各种状态送到操作面板上并用指示灯显示。对TTL等逻辑电路输出电流或电压放大簧式继电器（I/O接口器件，书p111,114）：簧片在磁场作用下接触导通，有隔离、电平转换和驱动作用§3.3CNC装置的I/O设备及其接口五、操作面板及开关量I/O接口电路第三十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期三§3.3CNC装置的I/O设备及其接口五、操作面板及开关量I/O接口电路大负载驱动输出电路（新北理工图4-32）第三十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期三六、数据通信及通信接口电路数据通信基本概念数据通信系统：数据终端设备+通信设备（如调制解调器）+传输媒体（如同轴电缆、光缆、电话线、微波、激光等）（严图7-10）§3.3CNC装置的I/O设备及其接口六、数据通信及通信接口电路数据终端设备(DTE)：发送和接受信息的设备（信源与信宿）数据通信设备(DCE)：信号变换装置本地连接：通信接口(RS-232C)第四十页，共四十九页，编辑于2023年，星期三§3.3CNC装置的I/O设备及其接口六、数据通信及通信接口电路调制解调器（新北理工图4-57，冯图7-16）第四十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期三§3.3CNC装置的I/O设备及其接口六、数据通信及通信接口电路通信方式串行通信：数据一位位地顺序传递，通信线路简单（可利用电话线），适用于远距离，传输速度（波特率--位/s)慢并行通信：数据各位同时传递，传输速度（字节/s)快，但远距离、多位数时通信线路复杂，适用于近距离传送通信线路的通信方式串行通信的数据传送方向全双工通信半双工通信（新北理工图4-56）单工通信串行通信的数据传输方式（冯图7-13）异步通信：适于CNC系统串行通信

同步通信：效率高，速度快，适于信息量大的远程通信第四十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期三§3.3CNC装置的I/O设备及其接口