数控技术计算机数控系统硬件技术

数控技术计算机数控系统硬件技术第一页，共三十六页，2022年，8月28日3.1概述3.2计算机数字控制装置的硬件结构3.3CNC装置的I/O设备及其接口第三章计算机数字控制装置第二页，共三十六页，2022年，8月28日3.1概述PC化开放化语言高级化网络化交流伺服化功能集成的数控系统向综合自动化方向发展人机接口简单化柔性化和系统化小型化高速化低价化高效化高精度机械智能化远距离诊断维修与预诊断维修的功能发展高效率的PLC3.1.1国内外数控装置发展趋势第三页，共三十六页，2022年，8月28日

CNC装置的功能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。基本功能——数控系统基本配置的功能，即必备的功能；选择功能——用户可根据实际要求选择的功能。3.1.2CNC装置的功能固定循环功能补偿功能字符、图形显示功能自诊断功能通讯功能在线自动编程功能控制功能准备功能（G功能）插补功能进给功能主轴功能

辅助功能（M功能）刀具管理功能及工作台分度功能第四页，共三十六页，2022年，8月28日计算机数控系统机床本体辅助装置程序输入设备输出设备数控装置（CNC）主轴伺服单元进给伺服单元主轴电机进给电机强电控制装置检测装置PLC3.2计算机数字控制装置的硬件结构3.2.1CNC装置的硬件组成第五页，共三十六页，2022年，8月28日3.2.2CNC系统部分硬件外形结构驱动装置数控操作面板手摇脉冲发生器编码器多轴运动控制卡PLC第六页，共三十六页，2022年，8月28日K9M铣床数控系统（立式1）第七页，共三十六页，2022年，8月28日专用型通用型主从结构多主结构单微处理器多微处理器共享总线结构共享存储器结构分布式结构CPU数量3.2.3计算机数控装置的类型模块结构大板结构按印制板的制造方式分应用范围第八页，共三十六页，2022年，8月28日

单机或主从结构的CNC装置硬件结构采用集中控制分时处理的方式完成数控功能；第九页，共三十六页，2022年，8月28日以一个CPU（中央处理器）为核心，CPU通过总线与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务。单微处理器数控装置:一个微处理器完成所有的功能采用总线结构结构简单，易于实现功能受限制(系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻址能力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。第十页，共三十六页，2022年，8月28日计算机数控装置中有两个或两个以上的微处理器，每个微处理器分别完成不同的子任务，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。多微处理器结构特点

实现真正意义上的并行处理，处理速度快容错能力强。第十一页，共三十六页，2022年，8月28日多主结构系统

整个系统有两个或两个以上的带CPU的功能部件对系统资源有控制和使用权。模块间采用紧耦合。分布式结构系统整个系统有两个或两个以上的带CPU的功能模块，每个模块有独立的运行环境，模块间采用松耦合。第十二页，共三十六页，2022年，8月28日FANUC系统多机系统共享总线结构其他外围设备I/O接口辅助功能CPU|输入端|输出端可编程控制器

CNC插补|位置控制模块|模块几何处理其他功能管理模块存储器多机系统CNC系统并联数据总线结构简单、系统组配灵活、可靠性高第十三页，共三十六页，2022年，8月28日美国GE公司的MTC1-CNC系统共享存储器结构CNC装置硬件结构RAM/EPROM反馈信号收发器RAM512键盘显示CPUEPROM512RAMEPROM中央CPU串口和收发器插补CPU字符发生器CTRC并行接口反馈脉冲和处理CRT模拟量输出机床接口第十四页，共三十六页，2022年，8月28日7M系统的硬件结构CRT/MDI操作面板模块(CPU)通信模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储器模块通信模块(CPU)I/O单元驱动伺服单元主轴单元PLC模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控制模块FANUCBUS第十五页，共三十六页，2022年，8月28日3.3CNC装置的I/O设备及其接口•电平转换与功率放大•电气隔离•信号变换•抗干扰3.3.1CNC装置I/O接口的作用第十六页，共三十六页，2022年，8月28日3.3.2CNC装置I/O接口的分类按CNC装置所连接的I/O设备人机界面接口：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驱动接口：与进给轴和主轴驱动装置及传感器的接口辅助功能接口：与PLC的接口通讯及网络接口：与外设及上位系统的接口第十七页，共三十六页，2022年，8月28日按CNC装置I/O

接口的功能与上位系统的接口：与DNC、FMS或CIMS

单元、或上位机的接口与用户之间的交互设备的接口：与键盘、显示器、操作面板、手摇脉冲发生器、纸带阅读机等的接口与下位系统的接口：与驱动装置、传感器和机床电器控制器的接口按CNC装置I/O

信号的类型直流数字I/O接口（机床I/O接口、开关量I/O接口）：操作面板、限位开关、强电柜等的接口直流模拟I/O接口：进给坐标轴和主轴伺服控制的接口交流I/O接口：3.3.2CNC装置I/O接口的分类第十八页，共三十六页，2022年，8月28日用户能将数控命令、代码输入系统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CNC应具有与DNC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

3.3.3CNC装置的输入输出要求第十九页，共三十六页，2022年，8月28日3.3.4数控键盘及其接口电路矩阵式键盘结构行线（0-3）扫描码D3-D0列线（0-5）返回码D5-D0与非门锁存器273三态门244第二十页，共三十六页，2022年，8月28日扫描法(列扫描法、行扫描法、行列扫描法)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列键按下矩阵式键盘工作原理（按键识别方法:两个识别）行扫描法第二十一页，共三十六页，2022年，8月28日行列反转法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；

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；注意：有无反相器；扫描码和返回码的书写方式矩阵式键盘工作原理（按键识别方法:两个识别）第二十二页，共三十六页，2022年，8月28日程控扫描：CPU空闲时，调用键盘扫描子程序

定时扫描：CPU响应单片机内部定时器中断，定时扫描键盘中断扫描：有键按下时，CPU响应键盘的中断请求进行扫描键盘工作方式(保证CPU及时响应键盘操作，且不过多占用CPU工作时间)第二十三页，共三十六页，2022年，8月28日•按键消抖处理3.3.4数控键盘及其接口电路第二十四页，共三十六页，2022年，8月28日

•显示器种类LCD显示器（液晶显示器）3.3.5显示器及其接口电路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；单显彩显功耗小，亮度高，价格低，控制简单LED显示器（发光二极管）本身不发光，功耗小，外加电压低第二十五页，共三十六页，2022年，8月28日

LED半导体器件(发光二极管):电→光转换;单向导电性

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型式LED显示器（发光二极管）

LED显示器结构原理第二十六页，共三十六页，2022年，8月28日LED数码管结构：N个发光二极管显示字段

LED数码管字形码(段代码)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，该段被显示第二十七页，共三十六页，2022年，8月28日

段选线与位选线、段代码与位代码LED显示器（发光二极管）第二十八页，共三十六页，2022年，8月28日选定位上的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。LED显示器（发光二极管）显示方式

静态显示：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。动态显示：第二十九页，共三十六页，2022年，8月28日

键盘、LED显示器与单片机连接键盘扫描码与显示器位代码分时共用锁存器，键盘扫描前关显示（字形码即段代码为全“暗码”），防止扫描干扰显示采用动态显示，利用调用显示子程序的时间来产生避开按键抖动所需的延时第三十页，共三十六页，2022年，8月28日键盘+显示器，主要用于手工程序输入、编辑等操作面板及开关量I/O接口电路机床I/O接口与直流数字I/O接口电路数控系统控制面板：MDI面板机床操作面板+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第三十一页，共三十六页，2022年，8月28日机床操作面板结构与功能第三十二页，共三十六页，2022年，8月28日

•开关量型式与开关量I/O接口用途开关量开关状态的闭合/断开指示灯亮/灭继电器或接触器吸合/释放电动机启动/停止阀门打开/关闭脉冲信号、计数和定时信号用途CNC开关量I/O接口机床及操作面板机床工作状态指示面板；控制机床动作信号强电柜CNC面板开关及按钮信号、机床限位开关信号第三十三页，共三十六页，2022年，8月28日数控系统的I/O接口

开关量信号输入接口电路开关量信号输出电路第三十四页，共三十六页，2022年，8月28日开关量输入接口电路功能：机床侧+24V开关信号CNC（PLC