第三章 计算机数控装置及接口

第三章计算机数控装置及接口CNC系统的组成CNC装置的硬件结构CNC装置的软件结构CNC装置的体系结构CNC装置的接口电路第一节CNC系统的组成一、定义二、组成三、功能一、定义按照美国电子工业协会（EIA）数控标准化委员会的定义:CNC系统是借助于计算机通过执行其存贮器内的程序来完成数控要求的部分或全部功能、并配有接口电路和伺服驱动装置的一种专用计算机系统。ISO(国际标准化组织)的定义:“CNC系统是一种控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定的字，并将其译码，从而使机床移动和加工零件”。

二、组成CPUEPROMRAMIN接口OUT接口磁带或磁盘机接口MDI/CRT接口位置控制其它接口图3-1CNC系统结构框图二、功能控制功能：指能控制的轴数及同时控制的轴数。2-6轴准备功能：G功能，移动，面选，坐标设定，刀补等插补功能：粗、精插补，直线、圆弧等进给功能：进给速度，进给率主轴功能：主轴的正、反转、准停，转速等辅助功能：主轴启停，冷却液通断，换刀等固定循环功能：螺纹，钻孔等补偿功能：刀长，刀半径字符图形显示功能：诊断功能：通信功能：串行通信，MAP工业局域网，以太网在线自动编程功能：三、系统软件这里指的是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，即存放于计算机内存中的系统程序。它一般由下列程序组成:输入数据处理程序:1.输入2.译码3.数据处理插补运算程序:实现坐标轴脉冲分配的功能速度控制程序:根据合成速度计算各运动坐标方向的分速度.管理程序诊断程序。第二节CNC装置的硬件结构一、数控系统硬件结构的分类

二、单微处理器结构

三、多微处理器结构

一、数控系统硬件结构的分类从组成CNC系统的电路板的结构特点来看，有两种常见的结构，即大板式结构和模块化结构。大板式结构的特点是：一个系统一般都有一块大板，称为主板。主板上装有主CPU和各轴的位置控制电路等。另外一种柔性比较高的结构就是总线模块化的开放系统结构

从CNC系统使用的微机及结构来分，CNC系统的硬件结构一般分为单微处理器和多微处理器结构两大类。二、单微处理器结构

主要有三类：通用的微处理器、单片微计算机通用微处理器：8位；16位；准16位；32位单片微计算机：8位；16位CNC系统的性能很大程度上由构成它的微处理器的性能所决定。InterMCS-51系统单片机结构特点集成度高存储空间大，指令系统功能强：运算速度快：在6~12MHz的主频下工作。片内输入输出功能强。可靠性高：MCS—51的类型:主要有8051（不可擦写式ROM），8751（可擦写式ROM），8031（无ROM）MCS—51系列定时，计数和中断:有两个16位的定时计数器，中断图3-2单微处理器CNC装置组成框图三、多微处理器结构图3-5共享总线结构框图图3-6双端口存储器结构框图图3-7多微处理机共享存储器结构框图专用CNC装置与开放式CNC装置所谓NC装置的开放化，就是指机床制造厂（NC装置的中间用户）和机床用户（NC装置的最终用户）能够更改、追加NC装置的功能，并能实现整个系统的廉价化。目前对于开放性数控的具体定义还存在争论,一般而言,开放性数控应该具有以下特点:(1)由一系列逻辑上独立的构成要素组成；(2)提供系统各个构成要素与系统之间接口的完善的规范和标准,来自不同厂商的符合规范的构成要素能够构成一个完整的数控系统；(3)能够动态改变系统的拓补结构；(4)能够实现与其它自动化系统或软件模块的互操作；(5)能够提供一致性好的人机界面(MMI)开放式体系结构是当前CNC发展的主流CNC装置必须开放化开放式CNC装置的组成方式PC连接CNCPC内藏型CNCCNC内藏型PC全软件型NC第三节CNC装置的软件结构一、CNC系统的控制软件及其工作过程

二、CNC系统软件结构的特点三、CNC系统软件的结构形式

二、CNC系统软件结构的特点CNC系统的软件结构的特点：具有多任务并行处理(一)多任务并行处理多个任务必须同时进行并行处理分为:单微处理器：资源分时共享多微处理器：资源重叠的流水处理时间重叠:流水线技术时间重叠:流水线技术输入、插补准备、插补、位置控制四个子过程的资源重叠流水处理a)顺序处理b)流水处理资源共享:分时共享CNC多任务并行处理时的CPU分时共享三、CNC系统软件的结构形式在单微处理器数控系统中，常采用前后台型的软件结构和中断型的软件结构。系统软件包括前台和后台两大部分:

后台程序包括：通信、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序，这类程序实时性要求不高。前台程序包括：译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制、开关量控制等软件，这类程序完成实时性很强的控制任务。上述的数控功能由相应的功能子程序实现(一)前后台型软件结构

前后台软件结构前后台软件总体框图(二)中断型软件结构中断型软件结构框图一、CNC系统控制软件及工作过程CNC系统的控制软件即系统软件一般由输入、译码、数据处理（预计算）、插补运算、速度控制、输出控制、管理程序、诊断程序及通讯程序等部分构成(一)输入内容:从键盘、光电阅读机、通信接口、上位计算机或其它设备输入零件加工程序。任务：从键盘或光电阅读机将零件加工程序输入到零件程序存储器中；将零件程序存储器中的零件加工程序送入缓冲器中，以便进行后续处理。(二)译码作用：将零件加工程序转换为CNC系统能够接受的代码内容：以程序段为单位进行，对每个程序段中的各种零件轮廓信息（如起点、终点、直线还是圆弧等）、速度信息（F代码）和其它辅助信息（M、S、T代码）等进行解释，再将解释后生成的目标代码以一定的数据格式存储在指定的存储区。方式：编译和解释(三)预处理预处理即插补运算前的预备处理。内容：进行刀具补偿处理和进给速度处理。刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿进给速度处理包括:1.根据程序给出的坐标合成速度计算出各运动坐标方向的分速度。2.根据机床允许的最低速度和最高速度进行限速处理(四）插补插补:是在一条已知起点和终点的曲线上进行数据点的密化。方法：脉冲增量法：以脉冲形式输出的插补方法。数字增量法：以数字量形式输出插补方法。(五）位置控制在闭环（半闭环）的CNC系统中，位置控制由CNC系统中的位置环来完成。位置环内还包括有速度环和电流环。传统的CNC系统，其速度环和电流环在伺服放大器中闭合。现代CNC系统的位置环、速度环和电流环均在CNC装置（计算机）内闭合，即所谓的全数字式伺服控制。在位置控制中，通常还要完成位置回路的增益调整，各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿等。（六）I／O处理I／O处理即是利用PLC程序对CNC装置与机床之间的信号输入、输出进行逻辑处理和控制。(七）显示显示工具：CRT或液晶显示屏。显示内容：零件加工程序、参数、刀具位置、机床状态、故障信息、加工轨迹的静态和动态图形。可以对零件加工程序进行仿真，判断是否会出现加工干涉现象。(八)诊断诊断功能:启动诊断、在线诊断和离线诊断。1.启动诊断。它是指从系统通电至进入正常的运行准备状态一段时间内，CNC系统内部诊断程序自动执行的诊断。2.在线诊断。它也称后台诊断，是指通过CNC系统内装诊断程序在准备和循环运行状态期间，对CNC装置本身及与其连接的外部设备、伺服系统等执行的自动诊断。3.离线诊断。它多在CNC系统因故障停机后进行。（九）通信功能随着工厂自动化和计算机集成制造技术的发展，CNC系统不仅作为单台机床设备的控制器，而且还作为分布式数控系统、柔性制造系统设备层控制器而成为系统的有机组成部分。这就要求CNC系统不仅具有一般的串行通信功能，还需具有网络通信功能，以适应CNC系统与上级主计算机或单元控制器间的大量数据交换的需要。第四节CNC装置的体系结构从系统论的观点来看，特别是人造系统，它具有一定的结构并能实现规定的功能。系统的结构是对系统内部各组成要素（单元）的有机联系和相互作用的描述。系统的结构通常具有层次性，可以从不同层次上进行描述。

系统的功能是通过具体的系统结构与外部环境相互联系和发生作用的能力及其体现。系统的体系结构是在系统的层次上，为实现规定的功能对系统整体结构的描述。对于CNC来说，其体系结构可用系统的硬件结构、软件结构和体系结构规范来描述。开放式体系结构是当前CNC发展的主流所谓NC装置的开放化，就是指机床制造厂（NC装置的中间用户）和机床用户（NC装置的最终用户）能够更改、追加NC装置的功能，并能实现整个系统的廉价化。目前对于开放性数控的具体定义还存在争论,一般而言,开放性数控应该具有以下特点:(1)由一系列逻辑上独立的构成要素组成；(2)提供系统各个构成要素与系统之间接口的完善的规范和标准,来自不同厂商的符合规范的构成要素能够构成一个完整的数控系统；(3)能够动态改变系统的拓补结构；(4)能够实现与其它自动化系统或软件模块的互操作；(5)能够提供一致性好的人机界面(MMI)第五节CNC装置的接口电路一、数控键盘及其接口电路二、显示器及其接口电路三、开关量I/O接口（机床I/O接口、直流数字I/O接口）电路四、数据通信及通信接口电路一、数控键盘及其接口电路1、键盘结构2、工作原理3、工作方式4、取抖动处理1、键盘结构矩阵式键盘2、工作原理3、工作方式扫描法(行扫描法)1)将各行线全置为0→读入各列线电平

1：无键按下

0：有键按下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；行扫描法5V00101011反转法5V11010000&110110114、去抖动处理硬件去抖动软件去抖动：延时12ms再扫描二、显示器及其接口电路显示器种类LED显示器结构原理段选线与位选线、段代码与位代码静态显示与动态显示键盘、LED显示器与单片机连接1、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2、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LED型式：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LED数码管结构：N个发光二极管显示字段共阴极：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LED数码管字形码(段代码)abcdefghhgfedcba210100100510010010abcdefghhgfedcba210100100510010010abcdefghhgfedcba3、段选线与位选线、段代码与位代码4、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；5、键盘、LED显示器与单片机连接三、开关量I/O接口电路1、开关量型式与开关量I/O接口用途2、开关量输入接口电路3、开关量输出接口电路1、开关量型式与开关量I/O接口用途开关状态的闭合/断开指示灯亮/灭继电器或接触器吸合