数控技术3计算机数控系统硬件技术课件

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1、 欢迎各位同学！欢迎各位同学！计算机数控系统硬件技术计算机数控系统硬件技术3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 计算机数字控制装置的硬件结构计算机数字控制装置的硬件结构3.3 3.3 CNCCNC装置的装置的I/OI/O设备及其接口设备及其接口lPCPC化化 开放化开放化l语言高级化语言高级化 网络化网络化l交流伺服化交流伺服化l功能集成的数控系统向综合自动化方向发展功能集成的数控系统向综合自动化方向发展l人机接口简单化人机接口简单化 柔性化和系统化柔性化和系统化l小型化小型化 高速化高速化 低价化低价化 高效化高效化l高精度高精度 机械智能化机械智能化l远距离诊断维修与预诊断维修的功能远距

2、离诊断维修与预诊断维修的功能l发展高效率的发展高效率的PLCPLC3.1.1 3.1.1 国内外数控装置发展趋势国内外数控装置发展趋势 CNCCNC装置的功能装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和是指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。数控装置的功能包括基本功能和选择功能。手段。数控装置的功能包括基本功能和选择功能。l基本功能基本功能数控系统基本配置的功能，即必备数控系统基本配置的功能，即必备 的功能；的功能；l选择功能选择功能用户可根据实际要求选择的功能。用户可根据实际要求选择的功能。3.1.2 CNC3.1.2 CNC装置的功能装置的功能l 固定循环功能固定循环功能l 补偿功

3、能补偿功能l 字符、图形显示功能字符、图形显示功能l 自诊断功能自诊断功能l 通讯功能通讯功能l 在线自动编程功能在线自动编程功能l 控制功能控制功能l 准备功能（准备功能（G功能）功能）l 插补功能插补功能l 进给功能进给功能l 主轴功能主轴功能l 辅助功能（辅助功能（M 功能）功能）l 刀具管理功能及工作台分度功能刀具管理功能及工作台分度功能计算机数控系统计算机数控系统机机床床本本体体辅辅助助装装置置程程序序输入输入设备设备输出输出设备设备 数数 控控 装装 置置（CNC）主轴伺主轴伺服单元服单元进给伺进给伺服单元服单元主轴主轴电机电机进给进给电机电机强电控强电控制装置制装置检测检测装置装

4、置PLC3.2 3.2 计算机数字控制装置的硬件结构计算机数字控制装置的硬件结构3.2.1 CNC3.2.1 CNC装置的硬件组成装置的硬件组成3.2.2 CNC3.2.2 CNC系统部分硬件外形结构系统部分硬件外形结构驱动装置驱动装置数控操作面板数控操作面板手摇脉冲发生器手摇脉冲发生器编码器编码器多轴运动控制卡多轴运动控制卡PLCPLC 专用型专用型通用型通用型主从结构主从结构多主结构多主结构单微处理器单微处理器多微处理器多微处理器共享总线结构共享总线结构共享存储器结构共享存储器结构分布式结构分布式结构CPUCPU数量数量3.2.3 3.2.3 计算机数控装置的类型计算机数控装置的类型模块结

5、构模块结构大板结构大板结构按印制板的按印制板的制造方式分制造方式分应用范围应用范围+采用集中控制分时处理的方式完成数控功能；以一个以一个CPUCPU（中央处理器）为核心，（中央处理器）为核心，CPUCPU通过总线与存储通过总线与存储器和各种接口相连接，采取器和各种接口相连接，采取集中控制集中控制、分时处理分时处理的工作方式，的工作方式，完成数控加工各个任务。完成数控加工各个任务。l 单微处理器数控装置单微处理器数控装置:一个微处理器完成所有的功能一个微处理器完成所有的功能 采用总线结构采用总线结构 结构简单，易于实现结构简单，易于实现 功能受限制功能受限制(系统功能受到系统功能受到CPU字长、

6、数据宽度、寻址能力字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制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。现在已被多机系统的主从结构所取代。计算机数控装置中有计算机数控装置中有两个两个或或两个以上两个以上的微处理器，每的微处理器，每个微处理器个微处理器分别完成分别完成不同的子任务，各子系统间通过通信不同的子任务，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。（共享总线或共享存储器）协调动作，完成数控任务。l 多微处理器结构多微处理器结构 特点特点 实现真正意义上的并行处理，处理速度快实现真正意义上的并行处理，处理速度快容错能力强。容错能力强。分布式结构系统分

7、布式结构系统 FANUC系统多机系统共享总线结构系统多机系统共享总线结构其其 他他 外外 围围 设设 备备I/O接口接口辅助功能辅助功能CPU|输入端输入端|输出端输出端可编程控制器可编程控制器 CNCCNC插补插补|位置控制位置控制 模块模块|模块模块 几何处理几何处理其其 他他功功 能能管理模块管理模块存储器存储器多机系统多机系统CNC系统并联数据总线系统并联数据总线结构简单、系统组配灵活、可靠性高结构简单、系统组配灵活、可靠性高RAM/EPROM反馈信号反馈信号收发器收发器RAM512512键盘键盘显示显示CPUEPROM512512RAMEPROM中央中央CPU串口和串口和收发器收发器

8、插补插补CPU字符字符发生器发生器CTRC并行接口并行接口反馈脉冲反馈脉冲和处理和处理CRT模拟量输出模拟量输出机床接口机床接口CRT/MDI操作面板操作面板模块模块(CPU)(CPU)通信模块通信模块(CPU)(CPU)自动编程自动编程模块模块(CPU)(CPU)主存储主存储器模块器模块通信模块通信模块(CPU)(CPU)I/OI/O单元单元驱动伺服单元驱动伺服单元主轴单元主轴单元PLCPLC模块模块(CPU)(CPU)位置控制位置控制模块模块(CPU)(CPU)主轴控主轴控制模块制模块FANUC BUSFANUC BUS3.3 3.3 CNCCNC装置的装置的I/OI/O设备及其接口设备及

9、其接口 电平转换与功率放大电平转换与功率放大 电气隔离电气隔离 信号变换信号变换 抗干扰抗干扰3.3.1 CNC3.3.1 CNC装置装置I/OI/O接口的作用接口的作用3.3.2 CNC3.3.2 CNC装置装置I/OI/O接口的分类接口的分类l按按CNCCNC装置所装置所连接的连接的I/OI/O设备设备人机界面接口：键盘、显示器、操作面板、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驱动接口：与进给轴和主轴驱动装置及 传感器的接口传感器的接口辅助功能接口：与辅助功能接口：与PLCPLC的接口的接

10、口通讯及网络接口：与外设及上位系统的接口通讯及网络接口：与外设及上位系统的接口l按按CNC装置装置I/O 接口的功能接口的功能与上位系统的接口与上位系统的接口：与：与DNC、FMS或或CIMS 单元、或上位机的接口单元、或上位机的接口与用户之间的交互设备的接口与用户之间的交互设备的接口：与键盘、显：与键盘、显 示器、操作面板、手摇脉冲发生器、示器、操作面板、手摇脉冲发生器、纸带阅读机等的接口纸带阅读机等的接口与下位系统的接口与下位系统的接口：与：与驱动装置、传感器和驱动装置、传感器和 机床电器控制器的接口机床电器控制器的接口l按按CNC装置装置I/O 信号的类型信号的类型直流数字直流数字I/O

11、接口接口（机床（机床I/O接口、开关量接口、开关量I/O接接口）：操作面板、限位开关、强电柜等的接口口）：操作面板、限位开关、强电柜等的接口直流模拟直流模拟I/O接口接口：进给坐标轴和主轴伺服：进给坐标轴和主轴伺服 控制的接口控制的接口交流交流I/O接口接口：3.3.2 CNC3.3.2 CNC装置装置I/OI/O接口的分类接口的分类l 用户能将数控命令、代码输入系统用户能将数控命令、代码输入系统l 系统需具备按程序对继电器、电机等进行控制的能力和系统需具备按程序对继电器、电机等进行控制的能力和 对相关开关量进行检测的能力对相关开关量进行检测的能力l 系统由操作信息提示，用户能对系统实时情况进

12、行监控，系统由操作信息提示，用户能对系统实时情况进行监控，系统需具有显示接口电路系统需具有显示接口电路l CNC CNC应具有与应具有与DNCDNC计算机或上级主计算机直接通信的能力计算机或上级主计算机直接通信的能力 或者网络通信功能或者网络通信功能 3.3.3 CNC3.3.3 CNC装置的输入输出要求装置的输入输出要求3.3.4 3.3.4 数控键盘及其接口电路数控键盘及其接口电路l 矩阵式键盘结构矩阵式键盘结构行线（行线（0-30-3）扫描码扫描码D3-D0 D3-D0 列线（列线（0-50-5）返回码返回码D5-D0 D5-D0 与非门与非门锁存器锁存器273 273 三态门三态门24

13、4244扫描法扫描法(列扫描法、列扫描法、行扫描法行扫描法、行列扫描法、行列扫描法)将各行线全置为将各行线全置为0 0 读入各列线电平读入各列线电平1 1：无键按下：无键按下0 0：有键按下：有键按下逐行置逐行置0,0,其余各行置其余各行置11 读入各列线电平读入各列线电平1:1:无键按下无键按下0:0:第第i i行行j j列键按下列键按下l矩阵式键盘工作原理（按键识别方法矩阵式键盘工作原理（按键识别方法:两个识别）两个识别）行扫描法行扫描法行列反转法行列反转法 将各将各列线列线全置低电平全置低电平读入各行线电平：读入各行线电平：若某若某行电平行电平=0=0，则为按键，则为按键所在行所在行；将

14、各将各行线行线全置低电平全置低电平读入各列线电平：读入各列线电平：若某若某列电平列电平=0=0，则为按键，则为按键所在列所在列；注意：有无反相器；扫描码和注意：有无反相器；扫描码和 返回码的书写方式返回码的书写方式l矩阵式键盘工作原理（按键识别方法矩阵式键盘工作原理（按键识别方法:两个识别）两个识别）程控扫描程控扫描：CPUCPU空闲时，调用键盘扫描子程序空闲时，调用键盘扫描子程序 定时扫描定时扫描：CPUCPU响应单片机内部定时器中断，定时扫描键盘响应单片机内部定时器中断，定时扫描键盘 中断扫描中断扫描：有键按下时，：有键按下时，CPUCPU响应键盘的中断请求进行扫描响应键盘的中断请求进行扫

15、描l键盘工作方式键盘工作方式(保证保证CPU及时响应键盘操作，且不过多占用及时响应键盘操作，且不过多占用CPU工作时间工作时间)按键消抖处理按键消抖处理3.3.4 3.3.4 数控键盘及其接口电路数控键盘及其接口电路 显示器种类显示器种类 LCD LCD显示器（液晶显示器）显示器（液晶显示器）3.3.5 3.3.5 显示器及其接口电路显示器及其接口电路 CRT显示器（阴极射线管）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；显示字符、图形；显示信息量大；便于人机对话；亮度高；单显彩显亮度高；单显彩显功耗小，亮度高，价格低，功耗小，亮度高，价格低，控制简单控制简单 LED显示器

16、显示器（发光二极管）（发光二极管）本身不发光，功耗小，外加本身不发光，功耗小，外加 电压低电压低 LEDLED半导体器件半导体器件(发光二极管发光二极管):):电电光转换光转换;单向导电性单向导电性 单个单个LEDLED：故障报警，电源指示等：故障报警，电源指示等组合组合LEDLED：8 8字形、米字形等，显示字符字形、米字形等，显示字符 LED LED型式型式 LED显示器显示器（发光二极管）（发光二极管）LED显示器结构原理显示器结构原理 LED LED数码管结构数码管结构：N N个发光二极管显示字段个发光二极管显示字段 LEDLED数码管数码管字形码字形码(段代码段代码)共阴极：共阴极：

17、各阴极连在一起，公共阴极接地；某管阳极为高电平各阴极连在一起，公共阴极接地；某管阳极为高电平 时，时，相应的发光二极管点亮，该段被显示相应的发光二极管点亮，该段被显示共阳极：共阳极：各阳极连在一起，公共阳极接正电压；某管阴极为各阳极连在一起，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，该段被显示低电平时，相应的发光二极管点亮，该段被显示 段选线与位选线、段代码与位代码段选线与位选线、段代码与位代码 LED显示器显示器（发光二极管）（发光二极管）选定位上的选定位上的LEDLED显示块恒定导通或截止；每位可独立显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

18、位占一个示不同字符；较小电流，较高亮度；每位占一个8 8位位I/OI/O口，口，适于位数较少。适于位数较少。LED显示器显示器（发光二极管）显示方式（发光二极管）显示方式 静态显示：静态显示：每位对应段选线并联在一起，共用一个每位对应段选线并联在一起，共用一个8位位I/O口，口，适于位数较多；每位轮流短暂接通，周期性循环。适于位数较多；每位轮流短暂接通，周期性循环。动态显示：动态显示：l 键盘、键盘、LEDLED显示器与单片机连接显示器与单片机连接 键盘扫描码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显示（字形码即段代

19、码为全“暗码暗码”），防止扫描干扰显示），防止扫描干扰显示 采用动态显示采用动态显示，利用调用显示子程序的时间来产生避开按键，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抖动所需的延时 键盘键盘+显示器，主要用于显示器，主要用于手工程序输入、编辑等手工程序输入、编辑等l 操作面板及开关量操作面板及开关量I/OI/O接口电路接口电路机床机床I/O接口接口 与与 直流数字直流数字I/O接口电路接口电路数控系统控制面板：数控系统控制面板：MDI面板面板机床操作面板机床操作面板+主要用于手动方式下对机床的操作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以及自动方式下对机床的操

20、作或干预l 机床操作面板结构与功能机床操作面板结构与功能 开关量型式与开关量开关量型式与开关量I/OI/O接口用途接口用途开关量开关量开关状态的闭合开关状态的闭合/断开断开指示灯亮指示灯亮/灭灭继电器或接触器吸合继电器或接触器吸合/释放释放电动机启动电动机启动/停止停止阀门打开阀门打开/关闭关闭脉冲信号、计数和定时信号脉冲信号、计数和定时信号用途用途CNCCNC开关量开关量I/OI/O接口接口机床及操作面板机床及操作面板机床工作状态指示机床工作状态指示面板；控制机床动作信号面板；控制机床动作信号强电柜强电柜CNCCNC面板开关及按钮信号、机床限位开关信号面板开关及按钮信号、机床限位开关信号 开

21、关量信号输入接口电路 开关量信号输出电路 开关量输入接口电路开关量输入接口电路功能功能：机床侧：机床侧+24V+24V开关信号开关信号CNCCNC（PLCPLC）侧）侧TTLTTL电平信号；电平信号；信号电隔离（光传递）；滤波防扰动信号电隔离（光传递）；滤波防扰动光电隔离器光电隔离器（I/OI/O接口器件）：输入端发光二极管；输出端接口器件）：输入端发光二极管；输出端 光敏三极管光敏三极管 开关量输出接口电路开关量输出接口电路功能功能：把控制机床动作的：把控制机床动作的信号送到强电柜，将机床各信号送到强电柜，将机床各种状态送到操作面板上并用种状态送到操作面板上并用指示灯显示。对指示灯显示。对TTLTTL等逻辑等逻辑电路输出电流或电压放大电路输出电流或电压放大簧式继电器簧式继电器（I/OI/O接口器件）接口器件）簧片在磁场作用下接触导通，簧片在磁场作用下接触导通，有隔离、电平转换和驱动有隔离、电平转换和驱动 作用作用