3(2)计算机数控机床.ppt

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第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统3.2CNC系统的硬件结构系统的硬件结构1.CNC系统的硬件构成及特点系统的硬件构成及特点2.单微处理器结构单微处理器结构3.多微处理器结构多微处理器结构4.开放式开放式CNC系统系统第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统1.CNC系统的硬件构成及特点系统的硬件构成及特点从从CNC系统的总体安装结构看：

系统的总体安装结构看：

整体式结构分体式结构从组成从组成CNC系统的电路板结构看系统的电路板结构看：

大板式结构模块化结构从采用的微处理器从采用的微处理器（CPU）数看数看：

单微处理器（CPU）结构多微处理器（CPU）结构第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统1.CNC系统的硬件构成及特点系统的硬件构成及特点整体式结构整体式结构CRT和MDI面板、操作面板、功能模块板组成的电路板安装在同一机箱内。

特点：

特点：

结构紧凑、便于安装、但有时可能造成某些信号连线过长。

分体式结构分体式结构CRT和MDI面板、操作面板做成一个部件，而功能模块板组成的电路板安装在一个机箱内，两者之间用导线或光纤连接；许多CNC机床把操作面板单独作为一个部件。

特点：

特点：

有利于更换和安装。

从从CNC系统的总体安装结构看：

系统的总体安装结构看：

第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统1.CNC系统的硬件构成及特点系统的硬件构成及特点大板式结构大板式结构大板（即主板）上有主CPU和各轴的位置控制电路。

子板（完成一定功能的电路板），如ROM板、零件程序存储器板、PLC板都直接插在主板上，组成CNC系统的核心部分。

特特点点：

结构紧凑、体积小、可靠性高、价格低，性价比较高。

但它的硬件功能不易变动，不利于组织生产。

模块化结构模块化结构将CPU、存储器、输入输出控制等分别做成硬件模块，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中。

硬件模块形成一个特定的功能单元，称为功能模块。

功能模块间有明确定义的接口，接口是固定的，称为工厂标准或工业标准，彼此可以进行信息交换，于是可以积木式组成CNC系统。

特点：

特点：

使设计简单，有良好的适应性和扩展性，试制周期短，调整维修方便，效率高。

从组成从组成CNC系统的电路板结构特点看：

系统的电路板结构特点看：

第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统1.CNC系统的硬件构成及特点系统的硬件构成及特点单微处理器单微处理器（CPU）结构结构利用一个微处理器对所有功能实现集中控制、分时处理。

特特点点：

结构简单，易于实现。

但由于只有一个微处理器控制，对实时性要求较高的插补计算受微处理器字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。

多微处理器多微处理器（CPU）结构结构采用多微处理器，此种结构中的每一个微处理器各完成系统中指定的一部分功能，独立执行程序。

特特点点：

它比单微处理器结构提高了计算处理速度，适应了多轴控制、高精度、高进给速度、高效率的数控要求。

采用多个微处理器模块化结构具有良好的适应性和扩展性，可靠性高，性能价格比高，硬件易于组织规模化生产。

从采用的从采用的CPU数看：

数看：

第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统2.单微处理器结构单微处理器结构在在单单微微处处理理器器结结构构中中，只只有有一一个个微微处处理理器器，由由它它对对存存储储、插插补补运运算算、输输入入输输出出控控制制、CRT显显示示等等功功能能集集中中控控制制、分分时时处处理理。

微微处处理理器器通通过过总总线线与与存存储储器器、输输入入输输出出控控制制等等接接口口电电路路相连，构成相连，构成CNC系统。

系统。

或者有两个以上微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制系统总线，占有总线资源，而其他微处理器称为专用的智能部件，它们组成主从结构，故也被归于单微处理器结构中。

图图1单微处理器结构单微处理器结构第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统2.单微处理器结构单微处理器结构图图1单微处理器结构单微处理器结构微处理器、存储器、总线、接口等。

接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、数控技术中的控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（PLC）、主轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等。

组成：

组成：

第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统2.单微处理器结构单微处理器结构图图1单微处理器结构单微处理器结构1）微处理器和总线微处理器：

运算、控制总线：

CPU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控制、地址和数据三总线。

2）存储器只读存储器（ROM）：

存放系统程序随机存储器（RAM）：

运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息CMOSRAM或磁泡存储器：

加工的零件程序、机床参数、刀具参数第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统2.单微处理器结构单微处理器结构图图1单微处理器结构单微处理器结构3）I/O接口接口CNC系统和机床之间的信号一般不直接连接，需要通过输入和输出I/O接口电路连接。

接口电路的主要任务有：

进行必要的电气隔离。

防止干扰信号引起误动作。

主要用光电耦合器或继电器将CNC和机床之间的信号在电气上加以隔离；进行电平转换和功率放大。

一般CNC信号是TTL电平，机床控制的信号通常不是TTL电平，而且负载较大，需进行必要的信号电平转换和功率放大；模拟量与数字量之间的转换。

CNC装置的微处理器只能处理数字量，对模拟量控制的地方需要（D/A）转换器，将模拟量输入到CNC装置需要（A/D）转换器。

第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统2.单微处理器结构单微处理器结构图图1单微处理器结构单微处理器结构4）MDICRT接口接口MDI手动数据输入是通过数控面板上的键盘操作，当扫描到有键按下的信号时，将数据送入移位寄存器，经数据处理判别该键的属性及其有效性，并进行相关的监控处理。

CRT接口在CNC软件控制下，在单色或彩色CRT上实现字符和图形显示，对数控代码程序、参数、各种补偿数据、零件图形和动态刀具轨迹等进行实时显示。

第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统2.单微处理器结构单微处理器结构图图1单微处理器结构单微处理器结构5）位置控制器位置控制器在CNC装置指令下控制电机带动工作台按要求的速度移动规定的距离。

机床上每个坐标轴均有独立的一套位置控制器，控制单个轴的运动和位置精度，且控制多轴联动。

（包括位置和速度控制）对主轴控制要求在很宽的范围内速度连续可调，且在不同的转速下输出恒转矩，还要有主轴准停功能。

（速度控制）加工中心的刀库也要有刀库位置控制。

（简易位置控制）第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统2.单微处理器结构单微处理器结构图图1单微处理器结构单微处理器结构6）可编程序控制器）可编程序控制器（PLC）PLC的功能是替代传统机床强电的继电器逻辑控制来实现各种开关量的控制。

数控机床中使用的PLC可分为两类：

“内装型”PLC，它是为实现机床的顺序控制而专门设计制造的。

“独立型”PLC，它是在技术规范、功能和参数上均可满足数控机床要求的独立部件。

数控机床上的PLC多采用内装型，因此，PLC已成为CNC系统的一个部件。

第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统单微处理器CNC装置两种结构形式：

专专用用型型：

专用型CNC装置，硬件是由制造厂专门设计制造的，因此不具有通用性。

通通用用型型：

通用型CNC装置采用工业标准计算机构成的CNC装置，只要装入不同的控制软件，便可构成不同类型的CNC装置，无需专门设计硬件，具有较大的通用性，硬件故障维修方便。

2.单微处理器结构单微处理器结构第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统3.多微处理器结构多微处理器结构有两个或两个以上的微处理器控制系统总线、或主存储器进行工作的系统结构。

具体有紧耦合和松耦合两种结构形式：

紧耦合：

两个或两个以上CPU构成的处理部件之间采用紧耦合（相关性强），有集中的操作系统，共享资源。

松耦合：

两个或两个以上CPU构成的功能模块之间采用松耦合（相关性弱或具有相当的独立性），有多重操作系统并行处理。

多微处理器典型结构：

共享总线型共享存储器型第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统3.多微处理器结构多微处理器结构典型结构：

共享共享总线型型模块间通信：

共享总线结构的各模块之间的通信，主要依靠存储器来实现，即大多采用所谓公共存储器方式。

公共存储器直接插在系统总线上。

有总线使用权的主模块都能访问，可供任意两个主模块交换信息。

仲裁电路：

如有多个主模块同时请求使用总线就会产生争用系统总线的竞争问题，这是不允许出现的。

为此必须有仲裁电路来判别各模块的优先级，这种优先级顺序按每个主模块所担负任务的重要程度已预先安排好。

系统总线仲裁电路通常有串行和并行两种裁决方式。

图图2共享总线结构共享总线结构第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统3.多微处理器结构多微处理器结构典型结构：

共享共享总线型型特点：

其结构简单、系统配置灵活，容易实现，无源总线造价低等优点而常被采用。

其不足之处是各主模块使用总线时会引起“竞争”而占用仲裁时间，使信息传输效率降低，总线一旦出现故障会影响全局，故提高总线的可靠性十分重要。

图图2共享总线结构共享总线结构第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统典型结构：

共享存共享存储器型器型共享存储结构：

在这种结构中，采用多端口存贮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，以供端口访问。

由多端口控制逻辑电路解决访问冲突，当功能复杂而要求微处理器数量增多时，会争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率，故其扩展功能较为困难。

图图3共享存储器结构共享存储器结构3.多微处理器结构多微处理器结构第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统CNC管管理理模模块块：

它是管理和组织整个CNC系统有条不紊工作的模块，主要包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统硬件与软件诊断等功能。

CNC插插补补模模块块：

它是完成插补前，如零件程序的译码、刀具补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等的预处理，然后进行插补计算，给定各坐标轴的位置值。

位位置置控控制制模模块块：

对坐标位置给定值与由位置检测器测到的实际位置值进行比较并获得差值、进行自动加减速、回基准点、对伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压（或速度的数字量），去驱动进给电机。

多微处理器多微处理器CNC的基本功能模块的基本功能模块第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统PLC模模块块：

零件程序中的开关量（S、M、T）和机床面板来的信号在这个模块中进行逻辑处理，实现机床电气设备的启、停，刀具交换，转台分度，工件数量和运转时间的计数，以及各功能和操作方式之间的联锁等。

命命令令与与数数据据输输人人输输出出和和显显示示模模块块：

指零件程序、参数和数据、各种操作命令的输入输出，以及显示所需要的各种接口电路。

存存储储器器模模块块：

这是程序和数据的主存储器，或是功能模块间数据传送用的共享存储器。

多微处理器多微处理器CNC的基本功能模块的基本功能模块第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统4.开放式开放式CNC系统系统CNC控制系统的发展趋势开放式开放式CNC的定义的定义必须具备不同应用程序能协调地运行于系统平台上的能力，提供面向功能的动态重构工具，同时提供统一标准化的应用程序用户界面。

它应具有可互操作性、可移植性、可缩放性、可相互替代性等特征。

由此可见，一个开放式CNC的开放性体现在：

提供标准化环境的基础平台，允许不同开发商所提供不同功能的软、硬件模块介入，以构成满足不同需求的CNC，强调系统对控制需求的可重构性和透明性，以及系统功能面向多供应商。

第三部分第三部分计算机数控系统计算机数控系统开放式开放式CNC系统系统CNC控制系统的发展趋势开放的含义：

开放的含义：

a）可移植性：

系统的应用模块无需经过任何改变就可以用于另一平台