計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)模板課件

4.2計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)1謝謝觀賞2019-6-13現(xiàn)在說的CNC就是MNC（微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制），CNC從硬件結(jié)構(gòu)上分為單微處理機(jī)和多微處理機(jī)兩大類數(shù)控裝置。一、單微處理機(jī)數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)（如P148圖4.2.1）2謝謝觀賞2019-6-13單微處理機(jī)工作原理：單微處理機(jī)數(shù)控裝置以一個中央處理器（CPU）為核心，CPU通過總線與存儲器以及各種接口相連接，采取集中控制，分時處理的工作方式，完成數(shù)控加工中各個任務(wù)。基本結(jié)構(gòu)：微處理器和總線、I/O接口、存儲器、串行接口、CRT/MDI接口、控制單元部件、接口電路。3謝謝觀賞2019-6-13（一）微處理機(jī)和總線微處理機(jī)任務(wù)：控制和運(yùn)算?？刂乒δ苤饕ǎ簝?nèi)部控制（用于保持CNC裝置內(nèi)各功能部件的動作以及各部件間的協(xié)調(diào)）、對零件加工程序輸入、輸出的控制（用于保持對外聯(lián)系和機(jī)床的控制狀態(tài)信息輸入和輸出）、對機(jī)床加工現(xiàn)場狀態(tài)信息的記憶控制。運(yùn)算任務(wù)：譯碼、刀補(bǔ)計(jì)算、運(yùn)動軌跡計(jì)算、插補(bǔ)計(jì)算和位置控制的給定值與反饋值的比較運(yùn)算?？偩€：是CPU與各組成部件、接口等之間的信息公共傳輸線，包括控制、地址和數(shù)據(jù)三總線。4謝謝觀賞2019-6-13（二）存儲器加工的零件程序、機(jī)床參數(shù)、刀具參數(shù)存放在有后備電池的CMOSRAM中，或者存在磁泡存儲器中，這些信息在這種存儲中能隨機(jī)讀出，還可以根據(jù)操作需要寫入或修改，斷電后，信息仍保留（如P149圖4.2.2為CMOSRAM）存儲器框圖。5謝謝觀賞2019-6-13有后備電池的CMOSRAM保存信息原理：在正常供電時，+5V電源經(jīng)一只二極管D1將電壓VBB加到CMOSRAM芯片電源引腳，向CMOSRAM供電，同時對干電池充電，這是微型繼電器V33、V22的線圈通電，其觸點(diǎn)閉合接通。VPU電壓和非門的上拉電阻接通，使譯碼信號*ADCM1變反形成CMOSRAM芯片選通信號。當(dāng)電源停電時，該由干電池供電維持CMOSRAM的信息，此時，微繼電器A33、A22線圈斷電，VPU電壓和非門輸出上拉電阻斷開，則0電壓通過下拉電阻加到非門輸出端，使非門輸出為“0”，即CMEN1信號為0，CMOSRAM不選通，停止讀寫工作。6謝謝觀賞2019-6-13磁泡存儲器保存信息的原理：寫入時控制磁泡的發(fā)生，并沿寫入通道向前移動寫入的數(shù)據(jù)，再控制磁泡的轉(zhuǎn)入，實(shí)現(xiàn)信息寫入，寫入后的磁泡由于旋轉(zhuǎn)磁場的作用，在封閉的存儲環(huán)中不斷地循環(huán)移動。若旋轉(zhuǎn)磁場移動停止，磁泡也停止移動，由于偏磁場是永磁體產(chǎn)生的，因此，斷電時磁泡仍存在，信息并不丟失，從而實(shí)現(xiàn)非易失性的存儲，控制磁泡的復(fù)制，并沿讀出通道傳至探測器，便實(shí)現(xiàn)了信息的非破壞性讀出，控制磁泡的縮滅，可實(shí)現(xiàn)信息的清除。7謝謝觀賞2019-6-13（三）位置控制單元（如P151圖4.2.3，又稱位置控制器或位置控制模塊）位置控制主要是對數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動的坐標(biāo)軸位置進(jìn)行控制。位置控制包括：軸控制、刀庫位置控制。8謝謝觀賞2019-6-13位置控制的硬件包括：位置控制芯片和位置控制模板（如P151圖4.2.4（1）、位置輸出模板如P152圖4.2.4（2））1、位置控制芯片工作原理：CPU輸出的位置指令，經(jīng)過芯片MB8739處理后，送往D/A變換，再經(jīng)過速度控制單元以控制電機(jī)運(yùn)動，電機(jī)的軸上裝有光電脈沖發(fā)生器，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生系列脈沖，該脈沖經(jīng)接收器后反饋到MB8739，然后將其分為兩路，一路作為位置量的反饋，一路經(jīng)頻率/電壓（F/V）變換，作為速度量的反饋信號送往速度控制單元。9謝謝觀賞2019-6-13位置控制芯片包括位置測量與反饋的全部線路，主要包括：①DDA插補(bǔ)器該插補(bǔ)器作粗精二級插補(bǔ)結(jié)構(gòu)的第二級插補(bǔ)——細(xì)插補(bǔ)，它的輸入是第一級軟件插補(bǔ)一個插補(bǔ)周期的信息。②CMR這是指令值倍乘比，其作用是將指令值乘以一個比例系數(shù)，因?yàn)槌叹幍闹噶顔挝慌c實(shí)際機(jī)床移動單位可能不一致，所以需用CMR和DMR進(jìn)行調(diào)整，使其一致，以便進(jìn)行比較。③誤差寄存器實(shí)現(xiàn)指令位置與實(shí)際位置的比較，并寄存比較后的誤差（實(shí)際上是多位可逆計(jì)數(shù)器），指令值來自DDA插補(bǔ)器，反饋值來自鑒相器。10謝謝觀賞2019-6-13④位置增益控制對上述誤差乘以一定的比例系數(shù)，這是為了調(diào)整整個位置伺服系統(tǒng)的開環(huán)增益KV，KV是由軟件根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的要求設(shè)定的。⑤誤差的脈寬調(diào)制P.W.M誤差被調(diào)制成某一固定頻率，且寬度與誤差值成正比的矩形脈沖波，經(jīng)PWM后，輸出粗誤差指令CCMD1和CCMD2和精誤差指令FCMD。⑥漂移補(bǔ)償控制伺服系統(tǒng)中經(jīng)常受到漂移的干擾，即在無位置指令輸出時，坐標(biāo)軸可能出現(xiàn)移動，從而影響機(jī)床的精度，漂移補(bǔ)償控制的作用是當(dāng)漂移到某一程度時（可由軟件參數(shù)設(shè)定），自動予以補(bǔ)償。11謝謝觀賞2019-6-13⑦鑒相器該線路用來處理脈沖編碼器的反饋信號，從接收器輸出的兩組相位差90°的脈沖信號，經(jīng)該線路變?yōu)槟鼙硎具\(yùn)動方向的一系列脈沖，該線路包括辨向與倍頻線路。⑧DMR它是實(shí)際值的倍乘比，其目的是與滾珠絲杠的螺距相匹配，使實(shí)際位移值的脈沖當(dāng)量乘以DMR以后等于乘以CMR后的指令脈沖當(dāng)量，DMR的值由軟件根據(jù)實(shí)際的機(jī)床參數(shù)設(shè)定。⑨參考計(jì)數(shù)器機(jī)床坐標(biāo)回到參考點(diǎn)時，由該計(jì)數(shù)器產(chǎn)生零點(diǎn)信號。⑩地址譯碼芯片內(nèi)部各數(shù)據(jù)和控制寄存器都由地址選擇，故設(shè)此地址譯碼器。12謝謝觀賞2019-6-132、位置控制模板結(jié)構(gòu)（如P151圖4.2.4（1））位置控制功能由軟件和硬件兩部分共同實(shí)現(xiàn)，軟件負(fù)責(zé)跟隨誤差和進(jìn)給速度指令數(shù)值的計(jì)算；硬件由位置控制輸出模板和位置測量模板組成，接收進(jìn)給指令，進(jìn)行D/A變換，為速度單元提供命令電壓；同時位置反饋信號被處理，去跟隨誤差計(jì)數(shù)器與指令值進(jìn)行比較。13謝謝觀賞2019-6-13緩沖寄存器：組成：由四組D型觸發(fā)器組成，每組有四個D觸發(fā)器。功能：存放表示跟隨誤差的十六位二進(jìn)制數(shù)的每一位。原理：每一個采樣周期，在地址譯碼信號、數(shù)據(jù)輸出請求的譯碼信號、數(shù)據(jù)選通輸入信號（均為低電平有效）同時有效時，發(fā)出一個采樣脈沖，利用采樣脈沖的后沿，將數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)和符號，讀入到緩沖寄存器中。14謝謝觀賞2019-6-13二進(jìn)制計(jì)數(shù)器：組成：由四組二進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成，并接成加法計(jì)數(shù)形式。原理：緩沖寄存器存有跟隨誤差數(shù)值后，經(jīng)一定的延時，在D/A傳送信號和計(jì)數(shù)時鐘同步后產(chǎn)生置入脈沖信號，將數(shù)據(jù)置入二進(jìn)制計(jì)數(shù)器中，置入計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)有15位表示數(shù)值（

），一位表示符號（

），當(dāng)符號位為高電平時，數(shù)值為負(fù)，反之為正。15謝謝觀賞2019-6-13數(shù)值檢出器：將二進(jìn)制數(shù)值變成脈沖寬度的線路稱為數(shù)值檢出器。方向辨別控制：原理：數(shù)值變?yōu)槊}寬之后，再經(jīng)過兩個由符號位信號（

）控制的與非門，就能辨別出它們的方向，當(dāng)數(shù)值為正時，符號為0。在二進(jìn)制計(jì)數(shù)器中，使用的是反碼，故

，正向矩形波信號由G1輸出；負(fù)值時，由G2輸出。16謝謝觀賞2019-6-13比較放大器：信號輸入比較放大器，輸出直流指令電壓信號，它的幅值代表跟隨誤差的大小，電壓方向代表誤差方向。17謝謝觀賞2019-6-13（四）輸入/輸出(I/O)接口1、輸入輸出接口的標(biāo)準(zhǔn)化（如P155圖4.2.5四種接口類型）第I類：與驅(qū)動有關(guān)的連結(jié)電路，主要是指與坐標(biāo)軸進(jìn)給驅(qū)動和主軸驅(qū)動的連結(jié)電路；第II類：數(shù)控裝置與測量系統(tǒng)和測量傳感器間的連結(jié)電路；第III類：電源及保護(hù)電路；第IV類：開/關(guān)信號和代碼信號連結(jié)電路。18謝謝觀賞2019-6-132、輸入、輸出信號的分類及接口電路的任務(wù)輸入信號：由機(jī)床（MT）向CNC傳送的信號稱為輸入信號。輸出信號：由CNC向MT傳送的信號稱為輸出信號。輸入、輸出信號類型：①直流數(shù)字輸入信號②直流數(shù)字輸出信號③直流模擬輸入信號④直流模擬輸出信號⑤交流輸入信號⑥交流輸出信號19謝謝觀賞2019-6-13接口電路的主要任務(wù)：①進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和功率放大②為防止噪聲引起誤動作，使用光電隔離器，脈沖變壓器或繼電器，使CNC和機(jī)床之間的信號在電氣上加以隔離③采用模擬量傳送時，在CNC和機(jī)床電氣設(shè)備之間要接入數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路④信號在傳輸過程中，由于衰減、噪聲、反射等影響，會發(fā)生畸變，為此要根據(jù)信號類別及傳輸線質(zhì)量，采取一定措施并限制信號的傳輸距離。20謝謝觀賞2019-6-133、直流數(shù)字輸入、輸出接口①輸入接口分類：以觸點(diǎn)輸入的接收電路無源（如P156圖4.2.6a）：CNC接口有觸電供電回路，信號使用雙線。有源（如P156圖4.2.6b）：信號使用單線。21謝謝觀賞2019-6-13斯密特電路或R-S觸發(fā)器（如P157圖4.2.7）22謝謝觀賞2019-6-13以電壓輸入的接收點(diǎn)（如P157圖4.2.8）23謝謝觀賞2019-6-13②輸出接口分類：繼電器輸出電路、無觸點(diǎn)輸出電路（如P157圖4.2.9）24謝謝觀賞2019-6-13負(fù)載為指示燈的典型信號輸出電路（如P157圖4.2.10）25謝謝觀賞2019-6-13負(fù)載為繼電器線圈的典型信號輸出電路（如P157圖4.2.11）26謝謝觀賞2019-6-13大負(fù)載驅(qū)動輸出電路（如P157圖4.2.12）27謝謝觀賞2019-6-13③直流數(shù)字輸入、輸出信號的傳送（如P157圖4.2.13）28謝謝觀賞2019-6-13（五）可編程控制器PC分類：一類是為實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床順序控制而專門設(shè)計(jì)制造的“內(nèi)裝型”PC，另一類是技術(shù)要求、功能和參數(shù)能滿足數(shù)控機(jī)床要求的“獨(dú)立型”PC。內(nèi)裝型PC（如P159圖4.2.14）29謝謝觀賞2019-6-13內(nèi)裝型PC特點(diǎn)：①內(nèi)裝型PC實(shí)際上是CNC裝置帶有的PC功能，一般是作為一種基本的或可選的功能提供給用戶；②內(nèi)裝型PC的性能指標(biāo)是根據(jù)從屬的CNC系統(tǒng)及適用機(jī)床的類型等確定的；③在系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)上，內(nèi)裝型PC可與CNC共用CPU，也可以單獨(dú)使用一個CPU；硬件電路可與CNC其它電路制作在一塊印刷板上，也可以單獨(dú)制成一塊附加板；內(nèi)裝PC一般不單獨(dú)配置輸入/輸出接口電路，而是使用CNC裝置本身的輸入/輸出電路；PC控制電路及部分輸入/輸出電路（一般為輸入電路）所用電源由CNC裝置提供，不設(shè)另外電源；④采用內(nèi)裝型PC的CNC裝置具有某些高級控制功能，如梯形圖編輯和傳送功能；在CNC內(nèi)部可以直接處理大量的數(shù)據(jù)信息。30謝謝觀賞2019-6-13獨(dú)立型（又稱通用型PC，不屬于CNC裝置）PC特點(diǎn)：①具有完整的功能結(jié)構(gòu)，CPU及其控制電路、系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器、輸入/輸出接口電路、與編程機(jī)等外設(shè)通訊的接口和電源等；②采用積木式模塊化結(jié)構(gòu)或籠式插板式結(jié)構(gòu)，各種模塊做成獨(dú)立的模塊或印刷電路插板，具有易擴(kuò)展、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)；③獨(dú)立型PC的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)可以通過I/O模塊或插板的增減來增減或減少。31謝謝觀賞2019-6-13二、多微處理機(jī)數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)（一）多微處理機(jī)CNC裝置的典型結(jié)構(gòu)多微處理機(jī)互聯(lián)方式：總線互聯(lián)、環(huán)型互聯(lián)、交叉開關(guān)互聯(lián)、多極開關(guān)互聯(lián)、混洗交換互連。總線互聯(lián)結(jié)構(gòu)：共享總線型、共享存儲器型、它們的混合型結(jié)構(gòu)。1、功能模塊①CNC管理模塊：如系統(tǒng)的初始化、中斷管理、總線仲裁、系統(tǒng)出錯的誤別和處理、系統(tǒng)軟硬件的診斷②CNC插補(bǔ)模塊該模塊完成零件程序的譯碼、刀具半徑補(bǔ)償、坐標(biāo)位移量的計(jì)算和進(jìn)給速度處理等插補(bǔ)前的預(yù)處理，然后進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，為各坐標(biāo)軸提供位置給定值32謝謝觀賞2019-6-13③PC模塊零件程序中的開關(guān)功能和由機(jī)床來的信號等在這個模塊中作邏輯處理，實(shí)現(xiàn)各功能和操作方式之間的連鎖，機(jī)床電氣設(shè)備的啟、停、刀具交換、轉(zhuǎn)臺分度、工件數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)時間計(jì)數(shù)等④位置控制模塊插補(bǔ)后的坐標(biāo)位置給定值與位置檢測器測得的位置實(shí)際值進(jìn)行比較，進(jìn)行自動加減速、回基準(zhǔn)點(diǎn)、伺服系統(tǒng)滯后量的檢測和漂移補(bǔ)償，最后得到速度控制的模擬電壓，這些工作都由位置控制模塊完成⑤操作控制數(shù)據(jù)輸入、輸出和顯示模塊⑥存儲器模塊33謝謝觀賞2019-6-132、共享總線結(jié)構(gòu)（如P162圖4.2.15）共享總線結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)配置靈活、結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、造價低。不足之處：會引起“競爭”，使信息傳輸率降低，總線一旦出現(xiàn)故障，會影響全局。34謝謝觀賞2019-6-13總線仲裁兩種方式：串行方式（如P162圖4.2.16）、并行方式（如P163