机床数控技术及应用3-1

3.1计算机数控(CNC)系统的基本概念计算机数控(computerizednumericalcontrol,简称CNC)系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，由一台计算机完成以前机床数控装置所完成的硬件功能，对机床运动进行实时控制。CNC系统：由程序、输入装置、输出装置、CNC装置、PLC、主轴驱动装置和进给(伺服)驱动装置组成。数控系统（书P2）：是指计算机数字控制装置、可编程序控制器、进给驱动与主轴驱动装置等相关设备的总称。有时则仅指其中的计算机数字控制装置。为区别起见将其中的计算机数字控制装置称为数控装置。3.1计算机数控(CNC)系统的基本概念由于使用了CNC装置，使系统具有软件功能，又用PLC取代了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维修也方便，并且具有与上位机连接及进行远程通信的功能。3.2微处理器数控[MNC]系统的组成微处理器数控系统(MNC)：大多数CNC装置现在都采用微处理器构成的计算机装置，故也可称微处理器数控系统(MNC)。MNC一般由中央处理单元(CPU)和总线、存储器(ROM，RAM)、输入/输出(I/O)接口电路及相应的外部设备、PLC、主轴控制单元、速度进给控制单元等组成。为MNC的组成原理图。3.2微处理器数控[MNC]系统的组成EPROM存储器RAM存储器数据输入输出I/O接口PLC接口手动数据输入/显示单元接口纸带输入/穿孔输出接口位置控制单元模拟主轴输出CRT穿孔机放大器M数模转换速度控制单元CPU辅助控制机床强电柜存储零件程序存储控制软件总线操作面板和显示器读带机纸带电机数模转换测速位置检测主轴3.2微处理器数控[MNC]系统的组成3.2微处理器数控[MNC]系统的组成3.2.1中央处理单元（CPU）和总线（BUS）CPU是微型计算机的核心，由运算器、控制器和内寄存器组成。它对系统内的部件及操作进行统一的控制，运算器负责数据运算；控制器则是将存储器中的程序指令进行译码并向CNC装置的各部分发出执行操作的控制信号，且根据所接收的反馈信息决定下一步的命令操作。总线（BUS）是信息和电能公共通路的总称，由物理导线构成。CPU与存储器、I/O接口及外设间通过总线联系。总线按功能分为数据总线（DB）地址总线（AB）和控制总线（CB）.数控系统中常用的标准总线有S—100，MULTIBUS，STD及VWE总线等。3.2.1中央处理单元（CPU）和总线（BUS）1CPU;BUSCPU:由运算器、控制器、内部寄存器构成衡量CPU的两个因素:1）位数2）速度作用:对系统内部工件及操作进行统一控制,按照程序中指令的要求进行各种运算,使系统成为一个有机整体.BUS:总线,信息公共通路的总称物理导线分为:地址总线(DB)数据总线(AB)控制总线(CB)3.2.2存储器[memory]（1）概述存储器作用用于存储系统软件(管理软件和控制软件)和零件加工程序等;井将运算的中间结果和处理后的结果(数据)存储起来。3.2.2存储器[memory]①随机存取存储器(读写存储器)RAM(randomaccessmemory)用来存储零件加工程序或作为工作单元存放各种输出数据、输入数据、中间计算结果，与外存交换信息以及作推栈用等。其存储单元的内容既可读出又可写入或改写。②只读存储器器(read-onlymemory)专门存放系统软件(控制程序、管理程序、表格和常数)的存储骆，使用时其存储单元的内容不可改变，即不可写入而只能读出，也不会因断电而丢失内容。。3.2.2存储器[memory]RAM(随机存储器)既可读入也可写出,用来存放①程序②参数③中间结果①②均应保持。ROM:只读存储器，存放系统软件又分为:EPROM、E2ROM、闪存。3.2.3输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备(1)I/O接口指外设与CPU间的联接电路。微机与外设要有输入输出数据通道，以便交换信息。一般外设与存储器间不能直接通信，需靠CPU传递信息，通过CPU对I/O接口的读或写操作，完成外设与CPU间输入或输出信息的操作。CPU向外设送出信息的接口称为输出接口，外设向CPU传递信息的接口称输入接口，此外还有双向接口。功能:外设不能直接与存储器进行通讯,需要通过CPU对I/O接口的读写操作来完成外设与存储器之间的信息交换。3.2.3输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备(1)I/O接口微机中I/O接口包括硬件电路和软件两部分。由于选用的I/O设备或接口芯片不同，I/O接口的操作方式也不同，因而应用程序也不同。I/O接口硬件电路主要由地址译码、I/O读写译码和I/O接口芯片(如数据缓冲器和数据锁存器等)组成。在CNC系统中I/O的扩展为控制对象或外部设备提供输入/输出通道，实现机床的控制和管理功能，如开关量控制、逻辑状态监测、键盘、显示器接口等。I/O接口电路同与其相连的外设硬件电路特性密切相关，如驱动功率、电平匹配、干扰抑制等。3.2.3输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备EPROM存储器RAM存储器数据输入输出I/O接口PLC接口手动数据输入/显示单元接口纸带输入/穿孔输出接口位置控制单元模拟主轴输出CRT穿孔机放大器M数模转换速度控制单元CPU辅助控制机床强电柜存储零件程序存储控制软件总线操作面板和显示器读带机纸带电机数模转换测速位置检测主轴3.2.3输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备输入/输出部分包括各种类型的输入/输出设备（又称外部设备）以及输入/输出接口控制部件。其外部设备主要包括光电阅读机（纸带输入机）、CRT显示器、键盘、穿孔机以及面板等。光电阅读机是用来输入系统程序和零件加工程序的；穿孔机则作为复制零件程序纸带之用，以便保存检查零件程序；键盘主要用作输入操作命令及编辑修改数据段，也可以用作少量零件加工程序的输入；CRT作为显示器及监控之用；操作面板可供操作员改变操作方式，输入整定数据以及启停加工等。除此之外，外部输入设备还包括磁盘、磁带、通迅输入、网络等输出设备还包括打印机。输入/输出接口是计算机和机床之间联系的桥梁和通道。3.2.3输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备(2)外部I/O设备及I/O接口典型的输入/输出接口控制部件有纸带输入机接口、盒式磁带输入机接口、数控系统操作面板接口、进给伺服控制接口以及字符显示器（CRT）接口等。①纸带阅读机接口②穿孔机和电传机接口③MDI/CRT接口3.2.3输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备①纸带阅读机接口CNC装置采用8单位纸带阅读机。它以发光二极管作为发光体，光敏三极管为光信号接收器，把纸带的8孔信号变换为电信号。3.2.3输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备①纸带阅读机接口由CPU的数据总线将阅读机的操作控制信号送到输入控制寄存器、控制相应的电磁铁正向走纸带、反向走纸带或停止走纸带，并控制相应的走带电动机和纸带盘电动机工作。纸带盘由卷盘控制开关控制，可接通纸带盘电动机和释放纸带盘。3.2.3输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备②穿孔机和电传机接口由CPU将数据经数据总线送到数据寄存器，再经驱动门送到穿孔机进行纸带穿孔。同时经过并行→串行转换器将并行数据变换成串行数据送到电传机。当接口作为输入口时，电传机的串行数据送到移位寄存器，当一组数据传送完毕后发出中断请求时，如果CPU响应此中断，则接收移位寄存器的数据。3.2.3输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备③MDI/CRT接口手动数据输入(MDI)是通过数控面板上的键盘(常为软触键)进行操作的。当CPU扫描到按下键的信号时，就将数据送入移位寄存器，其输出经过报警检查。若不报警，数据经选择门、移位寄存器、数据总线送入RAM中：若报警则数据不送入RAM。3.2.3输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备③MDI/CRT接口CRT接口在CNC软件的配合下，在9in单色或14in彩色CRT上实现字符和图形显示，可以显示程序、参数、各种补偿数据、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形(平面或立体)及刀具动态轨迹等。3.2.3输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备(3)机床的I/O控制通道机床的I/O控制通道是指微机与机床之间的联接电路。计算机数控系统对机床的控制，通常由数控系统中的I/O控制器和I/O控制软件共同完成。机床的I/O通道：微机与机床的连接电路：aI/O电路的功能特点：①传送信息可靠。②进行信息的转换、D/A—A/D。③抗干扰性。bI/O控制器构成：I/O接口、光电隔离、信息转换等组成、3.2.3输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备I/O控制器常由I/O接口、光电隔离和信息转换几部分组成，如图3．2．7所示。微机通过I/O接口输出数字量或开关量控制信息，经过光电隔离电路，再经功率放大，驱动相应的执行元件。②典型开关型I／O接口(a)输入接口接收机床操作面板各开关、按钮的信号及机床各种限位开关的信号．3.2.3输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备②典型开关型I／O接口(b)输出接口将机床各种工作状态灯的信息送到机床操作面板，把控制机床动作的信号送到强电柜。它有继电器输出电路和无触点输出电路之分，3.2.3输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备②典型开关型I／O接口(b)输出接口将机床各种工作状态灯的信息送到机床操作面板，把控制机床动作的信号送到强电柜。它有继电器输出电路和无触点输出电路之分，3.2.3输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备(c)光电隔离电路3.2.3输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备滤波吸收来抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导，同时实现电平转换。3.3CNC系统的硬件结构3.3.1按微处理器分类：单微处理机与多微处理机结构1．单微处理机结构这种结构只有1个微处理机，采用集中控制、分时方法处理数控的各个任务。在这种单微机结构中，所有的数控功能和管理功能都由1个微机来完成,因此CNC装置的功能将受到微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因案的影响和限制。单微处理器：只有一个CPU、采用集中控制分时方法处理数控的各个任务。缺点：①不易进行功能的扩展和提高。②处理速度低、数控功能差。：单CPU的弥补：增加浮点协处理器、8086+8087硬件分担插补采用全智能化的CRT、PLC部件。3.3.1单微处理机与多微处理机结构2.多微处理机结构多微处理机结构的CNC是把机床数字控制这个总任务划分为子任务（也称为子功能模块）。在硬件方面，以多个微处理机配以相应的接口形成多个子系统，把划分的子任务分配给不同的子系统承担，由各子系统之间的协调动作完成数控。3.3.1单微处理机与多微处理机结构在多微处理机的结构中，有由两个或两个以上的微处理机构成的子系统，子系统之间采用紧耦合，有集中的操作系统，共享资源；或者由两个或两个以上的微处理机构成的功能模块，功能模块之间采用松耦合，有多重操作系统有效地实现并行处理。应注意的是，有的CNC装置虽然有两个以上的微处理机，但其中只有一个微处理机能够控制系统总线，占有总线资源，而其他微处理机成为专用的智能部件，不能控制系统总线，不能访问存储器。它们组成主从结构，故应归于单微处理机的结构中。从机床来的控制信号输出至机床的控制信号I/O(CPU1)CRT(CPU2)共享存储器插补(CPU3)轴控制(CPU4)3.3.1单微处理机与多微处理机结构多CPU结构分类：共存储器以存储器为中心，各模块工作时，通过优先接受使用请求，使用完成要撤消，释放存储器。共总线以总线为中心，各模块工作时，仅有一个模块可占用总线，多个请求时由总线仲裁器来裁决。3.3.2大板结构和与功能模块