cnc装置及接口

2012.05西南石油大学机电工程学院数控技术西南石油大学机电学院第三章CNC装置及其接口3-1CNC装置的硬件结构3-2CNC装置的软件结构3-3可编程控制器PLC简介3-4CNC装置的接口电路西南石油大学机电学院计算机数控装置，简称为CNC装置，它是CNC系统的核心和中枢。主要用于控制机床的运动，完成各种曲线轮廓的加工。不论进行哪种曲线加工，CNC装置都执行同一基本控制流程：首先读取零件程序（输入），再进行程序段的译码和预处理（刀具补偿处理和进给速度处理），然后根据程序段指令，进行插补计算和位置伺服控制，见图3-1，CNC装置除了执行基本的控制流程外，还应该具有显示、I/O处理及诊断等功能。输入译码、预处理插补位置控制电机图3-1CNC装置的基本控制流程概述西南石油大学机电学院CNC装置的组成大体来讲，CNC装置由硬件和软件两大部分组成。具体地讲，CNC装置的组成为：CNC装置的组成计算机硬件（CPU、存储器、总线、I/O设备等）软件（控制软件和管理软件）可编程控制器（PLC）各种接口西南石油大学机电学院一、单微处理器结构的CNC装置二、多微处理器结构的CNC装置第一节CNC装置的硬件结构西南石油大学机电学院CNC装置是在硬件的支持下，执行软件来进行工作的，其控制功能在很大的程度上取决于硬件结构。按组成CNC装置的印刷电路板的结构特点和插拔方式的不同，可分为大板式结构和模块化结构两类；按CNC装置内部微处理器的数量，可分为单微处理器和多微处理器结构两类。现代CNC装置多为多微处理器模块化结构。第一节CNC装置的硬件结构西南石油大学机电学院一、单微处理器结构的CNC装置单微处理器结构的CNC装置，由一个微处理器CPU通过总线与存储器、PLC、位置控制器及各种接口相连，采用集中控制与分时处理的方式，完成数控各项任务。图3-2中，CPU通过总线与存储器（RAM、EPROM）、PLC、位置控制器及各种接口相连。西南石油大学机电学院CPUEPROMRAMMDI/CRT接口PLC串行通信及网络接口数控面板CRT纸带阅读机接口纸带阅读机穿孔机、电传机接口I/O接口位置控制穿孔机电传机机床速度控制单元M图3-2单微处理器CNC装置组成框图一、单微处理器结构的CNC装置西南石油大学机电学院所有数控功能（如数据的存取、插补运算、输入/输出控制、位置控制、故障诊断和信息显示等）由一个微处理器完成。有的CNC装置有两个以上的微处理器，但只有一个微处理器能够控制总线，占有总线资源，其它微处理器不能控制总线，不能访问主存储器，只能作为一个智能部件工作，这种构成主从结构的CNC装置，也属于单微处理器结构，也可称之为主从方式的多微处理器结构。一、单微处理器结构的CNC装置西南石油大学机电学院多微处理器CNC装置一般采用两种结构型式，即紧耦合和松耦合结构。多微处理器CNC装置多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。由于采用模块化结构，可以采取积木方式组成CNC装置，因此具有良好的适应性和扩展性，且结构紧凑。与单微处理器CNC装置相比，多微处理器CNC装置的运算速度有了很大的提高，它更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的控制要求。二、多微处理器结构的CNC装置西南石油大学机电学院模块化结构的多微处理器CNC装置中的基本功能模块一般有以下六种。进一步扩充功能，还可以增加相应的模块。（1）CNC管理模块（2）CNC插补模块（3）位置控制模块（4）存储器模块（5）PLC模块（6）指令、数据的输入输出及显示模块二、多微处理器结构的CNC装置西南石油大学机电学院多微处理器CNC装置各模块之间的互连和通信主要采用共享总线和共享存储器两类结构。二、多微处理器结构的CNC装置西南石油大学机电学院（1）共享总线结构总线将各模块连在一起，按要求传递信号，实现预定功能。共享总线结构系统配置灵活，结构简单，容易实现。缺点是各主模块使用总线时会引起“竞争”而使信息传输效率降低。（2）共享存储器结构采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口使用访问。二、多微处理器结构的CNC装置西南石油大学机电学院第二节CNC装置的软件结构一、前后台型软件结构二、中断型软件结构三、基于实时操作系统的软件结构西南石油大学机电学院CNC系统软件包括管理软件和控制软件，系统软件的特点是：多任务并行处理，具有实时性。系统软件由不同功能的程序组成，安排成特定的结构形式，从而协调有序地工作。CNC软件可以设计成不同的结构形式。不同的软件结构，对各任务的安排方式也不同，管理方式也不同。常见的CNC软件结构形式有：西南石油大学机电学院CNC装置的软件结构前后台型软件结构中断型软件结构实时操作系统软件结构（发展趋势）西南石油大学机电学院一、前后台型软件结构它适用于集中控制的单微处理器CNC装置。根据各程序的实时性强弱，分为实时性强的前台程序（为实时中断程序）和实时性弱的后台程序（主要完成准备工作和管理工作，又称为背景程序）。后台程序循环运行，在运行的过程中，前台程序不断插入，前后台程序相互配合，共同完成数控的各项任务。后台程序通过设定标志，前台程序才能插入，进行插补、位置控制等工作，也就是说，后台程序是通过设定标志来达到对前台程序的调度和控制的。西南石油大学机电学院二、中断型软件结构中断型软件结构没有前后台之分，除初始化程序之外，整个系统程序安排成不同级别中断程序，整个软件是一个大的多重中断系统。各级中断程序是通过中断信号来调用的，执行该中断程序的功能。中断请求信号有两个来源：硬件中断：由时钟或其他外部设备产生的中断请求软件中断：由程序产生的中断西南石油大学机电学院三、基于实时操作系统的软件结构将通用PC机操作系统（如DOS、Windows等）加上实时内核（如高速数据处理器DSP），扩展成实时操作系统，在此基础上开发CNC系统软件。基于实时操作系统的软件结构，系统功能的扩展和修改，只需将编好号的任务模块程序挂到实时操作系统上即可。采用该软件结构开发CNC装置，具有良好的开放性和可维护性。西南石油大学机电学院第三节可编程控制器PLC简介一、概述二、PLC的结构组成和工作原理三、PLC在数控机床上的运用西南石油大学机电学院一、概述随着计算机技术的迅速发展，20世纪70年代出现了采用微计算机技术制造的一种通用的自动控制系统----可编程控制器（简称PLC）。小型PLC完全可以取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制、定时等功能；大型高档PLC还具有微型计算机的数据处理、模拟量调节以及联网通讯等功能。PLC把计算机功能完善、灵活、通用的特点与继电器控制系统的简单易懂、抗干扰能力强等优点相结合，具有通用性强、可靠性高、编程简单、使用方便、抗干扰能力强等优点，已广泛用于机械、冶金、石油、化工、电力、纺织等行业，是目前机电一体化、自动控制领域的首选控制器件。西南石油大学机电学院二、PLC的结构组成和工作原理1.结构组成一般由CPU、存储器、输入/输出接口模块、外围接口模块及编程器、扩展模块等可选部件几大部分组成，如下所示：输入模块电源模块CPU模块系统程序存储器CPU用户程序存储器外围接口模块输出模块X执行机构扩展模块编程器传感器图3-3PLC系统硬件框图西南石油大学机电学院2.工作原理可编程控制器是一种用于工业控制的专用计算机，和普通计算机一样，都是利用程序进行工作的。用户程序通过编程器输入到PLC的用户存储器中，CPU对用户程序循环扫描并顺序执行。整个工作过程可用下图表示：读入开关状态逻辑运算输出运算结果执行部件动作图3-4PLC工作过程二、PLC的结构组成和工作原理西南石油大学机电学院三、PLC在数控机床上的运用数控机床上运用的PLC有两种类型：1.内装型PLC的硬件和软件结构作为CNC装置的基本功能统一设计和制造。2.独立型PLC作为CNC装置的一个独立部件，具有独立的硬件和软件结构。根据数控机床的独立要求，可以选用通用PLC进行组装。西南石油大学机电学院第四节CNC装置的接口电路机床I/O接口1标准输入输出设备接口2串行数据通信及接口3西南石油大学机电学院1，机床I/O接口机床I/O接口簧式继电器光电耦合器固态继电器接口驱动电路功能：用来接收机床操作面板上的开关、按钮信号及机床的各种限位开关信号；且用来把机床工作状态指示灯信号送到机床操作面板，把控制机床动作的信号送到强电柜。要求：1）进行必要电隔离，防止干扰信号串入，防止高压串入对CNC装置的损坏；2）进行电平转换和功率放大。西南石油大学机电学院1.1光电耦合器定义光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等。西南石油大学机电学院特点：（1）使用光传递信号，可使输入和输出电气上隔离，抗干扰能力强，特别是抗电磁干扰能力强；（2）可用于电位不同的电路间耦合，即可进行电平转换；（3）传递信号单方向，寄生反馈小，传递信号的频带宽；（4）响应速度快，易与逻辑电路配合；（5）无触点，耐冲击，寿命长，可靠性高；1.1光电耦合器西南石油大学机电学院1.1光电耦合器(a)普通型光电耦合器(b)高速型光电耦合器(c)达林顿输出光电耦合器(d)可控硅输出光电耦合器西南石油大学机电学院1.2簧式继电器簧式继电器主要由2个磁性簧片组成，在磁场作用下它们接触导通。特点：控制电流小，触点开关电流大；具有隔离作用，又有电平转换和驱动作用。西南石油大学机电学院1.3固态继电器固态继电器是由输入电路、隔离部分和输出部分组成的四端组件。施加触发信号呈导通状态，无信号则呈阻断状态。特点：无触点开关器件，因而工作可靠，寿命长，抗干扰能力强，开关速度快固态继电器示意图西南石油大学机电学院1.4接口驱动电路分立元件：功率晶体管驱动电路达林顿晶体管驱动电路功率场效应管驱动电路计算机I/O口驱动能力有限，需要专门的驱动电路用来驱动数控机床的各类负载集成驱动器：达林顿反向缓冲器带逻辑门集成驱动器其他西南石油大学机电学院a)功率晶体管b)达林顿晶体管c)功率场效应管西南石油大学机电学院2，标准输入输出设备接口2.1光电阅读机接口2.2键盘及其接口（1）非编码键盘（2）8279芯片2.3显示器及接口（1）LED显示及接口（2）LCD显示及接口（3）CRT显示器西南石油大学机电学院2.2键盘及其接口键盘有两种：一种是全编码键盘，其键码全由硬件提供，但是这种方式硬件结构复杂，成本高；另一种是非编码键盘，这种键盘多采用矩阵方式，利用软件识别键码及完成各种键功能处理，包括去抖动、防止串键等。这种方式，硬件开销地，灵活性大，应用比较广泛。西南石油大学机电学院键盘识别行扫描法按行扫描键盘，检查列的输出，由行列信号的组合确定被按下的键。例N1.2键行输出：0010列输入：1101行扫描原理图西南石油大学机电学院键盘识别线反转法行列线交换输入、输出，两步获取按键键号。例N1.2按键1）D3-D0列输入线，D7-D4行输出线时列输入代码：10112）D3-D0输出线，D7-D4输入线时输出代码：1101线反转原理图西南石油大学机电学院去抖动和多键保护闭合稳定键按下前沿抖动后沿抖动按键是机械触点，故而存在抖动，有硬件和软件方法消除。但多采用软件，即检测到键按下时，执行一个延时程序再确认键的闭合。而多键保护，也需要软件作用，包括双键同时按下保护，几个键连锁等。西南石油大学机电学院8279简介INTEL8279是一种可编程键盘/显示器接口芯片，它含有键盘输入和显示器输出两种功能。键盘输入时，它提供自动扫描，能与按键或传感器组成的矩阵相连，接收输入信息，它能自动消除开关抖动并能对多键同时按下提供保护。显示输出时，它有一个16×8位显示RAM，其内容通过自动扫描，可由8或1