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文檔簡介
1第一頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三§3.1數(shù)控系統(tǒng)硬件組成及功能一、CNC系統(tǒng)硬件組成一、CNC系統(tǒng)硬件組成
CNC系統(tǒng)硬件CNC裝置:微機基本系統(tǒng)+位置控制器+內(nèi)裝型PLC等CNC裝置接口:人機交互接口、上位接口、下位接口輸入/輸出裝置:數(shù)控面板(MDI/CRT)、操作面板、手搖脈沖發(fā)生器、紙帶閱讀機等驅(qū)動裝置:速度控制單元+伺服電機位置檢測裝置:感應(yīng)同步器、光柵、編碼器等邏輯控制裝置:獨立型PLC程序輸入設(shè)備輸出設(shè)備CNC裝置PLC位置檢測器進(jìn)給電機主軸電機主軸控制單元進(jìn)給控制單元機床電器第二頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三§3.1數(shù)控系統(tǒng)硬件組成及功能
二、CNC系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)及各部分功能第三章數(shù)控系統(tǒng)硬件技術(shù)二、CNC系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)及各部分功能計算機基本系統(tǒng)人機交互接口下位接口上位接口輸入輸出裝置進(jìn)給驅(qū)動裝置主軸驅(qū)動裝置位置檢測裝置位置檢測裝置機床電器裝置第三頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三三、CNC系統(tǒng)部分硬件外形結(jié)構(gòu)手搖脈沖發(fā)生器編碼器驅(qū)動裝置PLC多軸運動控制卡§3.1數(shù)控系統(tǒng)硬件組成及功能三、CNC系統(tǒng)部分硬件外形結(jié)構(gòu)CNC裝置及數(shù)控操作面板第四頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三一、CNC裝置硬件基本構(gòu)成微機基本系統(tǒng)+各種接口+位置控制器+內(nèi)裝型PLC+電源§3.2數(shù)控裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)一、CNC裝置硬件基本構(gòu)成第五頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三二、CNC裝置的分類按硬件制造方式專機數(shù)控:數(shù)控系統(tǒng)廠家(如西門子、發(fā)那科、AB)生產(chǎn),布局合理,結(jié)構(gòu)緊湊,專用性強,硬件無通用性PC數(shù)控:以工業(yè)PC機或一般PC機為硬件平臺,由CNC機床廠插入控制卡和軟件,不設(shè)計專門硬件,PC機批量生產(chǎn),CNC系統(tǒng)成本低,通用按電路板插接方式(專機數(shù)控)大板式結(jié)構(gòu):主板(微機基本系統(tǒng)+位置控制電路等)+子板(擴展存儲器板+PLC板+圖形控制板+電源單元等)模塊化結(jié)構(gòu):控制單元母板(7~13槽)+功能模板(CNC控制板+位置控制板+PLC板+圖形板+通訊板+位置檢測板等),硬件與軟件都按功能模塊化§3.2數(shù)控裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)二、CNC裝置的分類第六頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三按CPU數(shù)量單CPU結(jié)構(gòu):CPU+總線存儲器+各種接口+位置控制器,CPU集中控制、分時處理完成所有數(shù)控功能和管理功能。投資小,結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn)。系統(tǒng)功能受到CPU字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等因素的限制,現(xiàn)在已被多機系統(tǒng)的主從結(jié)構(gòu)所取代。多CPU結(jié)構(gòu):每個CPU子系統(tǒng)分別完成不同的子任務(wù),各子系統(tǒng)間通過通信(共享總線或共享存儲器)協(xié)調(diào)動作,完成數(shù)控任務(wù)。常見結(jié)構(gòu)有主從結(jié)構(gòu)、多主結(jié)構(gòu)、分布結(jié)構(gòu)?!?.2數(shù)控裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)二、CNC裝置的分類第七頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三CPUCMOSROMRS-232I/O接口CRT接口PLC控制位置控制控制媒介機床控制面板速度控制單元EPROMCRT總線§3.2數(shù)控裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)三、CNC裝置的體系結(jié)構(gòu)框圖三、CNC裝置的體系結(jié)構(gòu)框圖單機系統(tǒng)第八頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三大板式結(jié)構(gòu)第九頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三模塊化結(jié)構(gòu)第十頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三其他外圍設(shè)備I/O接口輔助功能CPU|輸入端|輸出端可編程控制器CNC插補|位置控制模塊|幾何處理模塊其他功能管理模塊存儲器多機系統(tǒng)CNC系統(tǒng)并聯(lián)數(shù)據(jù)總線多機系統(tǒng)分布結(jié)構(gòu)系統(tǒng):整個系統(tǒng)有兩個或兩個以上的帶CPU的功能模塊,每個模塊有獨立的運行環(huán)境,模塊間采用松耦合。多主結(jié)構(gòu)系統(tǒng):整個系統(tǒng)有兩個或兩個以上的帶CPU的功能部件對系統(tǒng)資源有控制和使用權(quán),模塊間采用緊耦合。
主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng):系統(tǒng)只有一個CPU(主CPU)處于主導(dǎo)地位,對系統(tǒng)資源有控制和使用權(quán),其他CPU處于從屬地位,只能接受主CPU的控制命令或數(shù)據(jù),或向主CPU發(fā)出請求信息以獲得所需數(shù)據(jù)。模塊間采用緊耦合。第十一頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三共享總線結(jié)構(gòu)優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)配置靈活、實現(xiàn)容易、造價低等。缺點:總線故障,影響整個系統(tǒng),信息傳輸效率低。第十二頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三共享存儲器結(jié)構(gòu)缺點:同一時刻只能有一個CPU對存儲器進(jìn)行讀或?qū)?,功能?fù)雜,效率低。第十三頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三四、開放式數(shù)控體系結(jié)構(gòu)開放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型專用CNC+PC型(PC嵌入NC式結(jié)構(gòu)):在傳統(tǒng)專機CNC系統(tǒng)中簡單嵌入PC技術(shù),使整個系統(tǒng)可以共享一些計算機軟硬件資源;PC機主要起到輔助編程、分析、監(jiān)控、指揮生產(chǎn)、編排工藝等非實時性工作;其開放性只在PC部分,用戶無法進(jìn)入數(shù)控系統(tǒng)的核心(CNC部分)
運動控制器+PC型(NC嵌入PC式結(jié)構(gòu)):目前最流行的以標(biāo)準(zhǔn)PC機為硬件平臺的開放式數(shù)控系統(tǒng),其運動控制器(如PMAC多軸運動控制卡)本身具有CPU(高速DSP)實際就是數(shù)控系統(tǒng),具有很強的運動控制和PLC控制能力,可單獨使用;PC機處理非實時部分,PMAC承擔(dān)實時控制;開放包括通信端口在內(nèi)的大部分地址空間,輔以通用的DLL同PC機結(jié)合得最為緊密;其開放的函數(shù)庫可供用戶在Windows平臺上自行開發(fā)構(gòu)造所需的數(shù)控系統(tǒng)§3.2數(shù)控裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)四、開放式數(shù)控體系結(jié)構(gòu)第十四頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三§3.2數(shù)控裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)四、開放式數(shù)控體系結(jié)構(gòu)純PC型(全軟件式):最新的開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng),提供給用戶最大的選擇性和靈活性。其CNC軟件全部裝在PC機內(nèi),而硬件部分僅是計算機與伺服驅(qū)動和外部I/O之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口,就像計算機中可以安裝各種品牌的聲卡、CD-ROM和相應(yīng)的驅(qū)動程序一樣,用戶可以在WindowsNT平臺上利用開放的CNC內(nèi)核開發(fā)所需的各種功能,構(gòu)成各種類型的高性能數(shù)控系統(tǒng);具有最高的性能價格比,最有前途和生命力開放式數(shù)控體系結(jié)構(gòu)的特點基于PC機(PC數(shù)控系統(tǒng)),通用操作系統(tǒng)平臺各模塊相互獨立,易于開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)費用低,而性能和可靠性容易不斷改善標(biāo)準(zhǔn)化人機界面和編程語言,方便使用便于批量生產(chǎn)便于擴展、集成、更新第十五頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三一、CNC裝置I/O接口的作用
電平轉(zhuǎn)換與功率放大由于CNC裝置內(nèi)是TTL(Transistor-TransistorLogic)脈沖或電平信號(0.2-3.5V),而要監(jiān)控的設(shè)備或電路信號不一定是TTL信號,而且有的負(fù)載比較大;
電氣隔離為防止干擾信號的串入引起誤動作以及強電對CNC裝置的破壞,需將CNC裝置與機床之間的信號在電氣上加以隔離;信號變換CNC裝置內(nèi)部只能處理數(shù)字信號,采用模擬量傳送時,需在CNC裝置與機床電氣設(shè)備之間進(jìn)行信號變換信號整形或復(fù)原減少信號傳輸過程中由于衰減、噪聲和反射等引起的畸變§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口一、CNC裝置I/O接口的作用第十六頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三按CNC裝置I/O接口的功能與上位系統(tǒng)的接口:與DNC、FMS或CIMS或上位機的接口與用戶之間的交互設(shè)備的接口:與鍵盤、顯示器、操作面板、磁盤驅(qū)動器、手搖脈沖發(fā)生器、紙帶閱讀機等的接口與下位系統(tǒng)的接口:與驅(qū)動裝置、傳感器和機床電器控制器的接口按CNC裝置I/O信號的類型直流數(shù)字I/O接口(機床I/O接口、開關(guān)量I/O接口):操作面板、限位開關(guān)、強電柜等的接口直流模擬I/O接口:進(jìn)給坐標(biāo)軸和主軸伺服控制的接口交流I/O接口:直接控制功率執(zhí)行器件(電磁閥、離合器等)
§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口二、CNC裝置I/O接口的分類按CNC裝置所連接的I/O設(shè)備人機界面接口:鍵盤、顯示器、操作面板、手搖脈沖發(fā)生器、紙帶閱讀機等的接口驅(qū)動接口:與進(jìn)給軸和主軸驅(qū)動裝置及傳感器的接口輔助功能接口:與PLC的接口通訊及網(wǎng)絡(luò)接口:與外設(shè)及上位系統(tǒng)的接口二、CNC裝置I/O接口的分類第十七頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三三、數(shù)控鍵盤及其接口電路矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口三、數(shù)控鍵盤及其接口電路行線掃描碼列線返回碼鎖存器三態(tài)門00001111110101111111100100反相器第十八頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三矩陣式鍵盤工作原理(按鍵識別方法:兩個識別)
掃描法(列掃描法、行掃描法、行列掃描法)1)將各行線全置為0→讀入各列線電平1:無鍵按下0:第j列鍵按下2)逐行置0,其余各行置1→讀入各列線電平1:無鍵按下0:第i行j列鍵按下行列反轉(zhuǎn)法1)將各列線全置低電平→讀入各行線電平:若某行電平=0,則為按鍵所在行;2)將各行線全置低電平→讀入各列線電平:若某列電平=0,則為按鍵所在列;§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口三、數(shù)控鍵盤及其接口電路注意:有無反相器;掃描碼和返回碼的書寫方式(按下標(biāo)大小依次從左至右,如DB3,DB2,DB1,DB0)回放上一頁第十九頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三
鍵盤工作方式(保證CPU及時響應(yīng)鍵盤操作,且不過多占用CPU工作時間)程控掃描:CPU空閑時,調(diào)用鍵盤掃描子程序定時掃描:CPU響應(yīng)單片機內(nèi)部定時器中斷,定時掃描鍵盤中斷掃描:有鍵按下時,CPU響應(yīng)鍵盤的中斷請求進(jìn)行掃描§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口三、數(shù)控鍵盤及其接口電路10110第二十頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三按鍵消抖處理§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口三、數(shù)控鍵盤及其接口電路
硬件消抖:RC濾波電路,用于鍵少時;軟件消抖:延時(5-20ms)讀鍵值,用于鍵多時第二十一頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三四、顯示器及其接口電路
顯示器種類顯示器CRT顯示器(陰極射線管):顯示字符、圖形;顯示信息量大;便于人機對話;亮度高;單顯彩顯LCD顯示器(液晶顯示器):本身不發(fā)光,功耗小,外加電壓低LED顯示器(發(fā)光二極管):功耗小,亮度高,價格低,控制簡單LED顯示器結(jié)構(gòu)原理LED半導(dǎo)體器件(發(fā)光二極管):電→光轉(zhuǎn)換;單向?qū)щ娦?/p>
單個LED:故障報警,電源指示等組合LED:8字形、米字形等,顯示字符、圖形LED型式§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口四、顯示器及其接口電路第二十二頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu):N個發(fā)光二極管顯示字段
LED數(shù)碼管字形碼(段代碼)共陰極:各陰極連在一起,公共陰極接地;某管陽極為高電平時,相應(yīng)的發(fā)光二極管點亮,該段被顯示共陽極:各陽極連在一起,公共陽極接正電壓;某管陰極為低電平時,相應(yīng)的發(fā)光二極管點亮,該段被顯示§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口四、顯示器及其接口電路000001111011111000第二十三頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三
段選線與位選線、段代碼與位代碼§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口四、顯示器及其接口電路段選線位選線1111100000000111000100011111第二十四頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三
靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示靜態(tài)顯示:選定位上的LED顯示塊恒定導(dǎo)通或截止;每位可獨立顯示不同字符;較小電流,較高亮度;每位占一個8位I/O口,適于位數(shù)較少動態(tài)顯示:每位對應(yīng)段選線并聯(lián)在一起,共用一個8位I/O口,適于位數(shù)較多;每位輪流短暫接通,周期性循環(huán)§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口四、顯示器及其接口電路靜態(tài)顯示動態(tài)顯示第二十五頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三
鍵盤、LED顯示器與單片機的連接§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口四、顯示器及其接口電路鍵盤掃描碼與顯示器位代碼分時共用鎖存器,鍵盤掃描前關(guān)顯示(字形碼即段代碼為全“暗碼”),防止掃描干擾顯示采用動態(tài)顯示,利用調(diào)用顯示子程序的時間來產(chǎn)生避開按鍵抖動所需的延時第二十六頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三
奧運會開幕式LED應(yīng)用
這次奧運會吸引了全球觀眾的目光,其中除了人海的各項表演外,最引人注目的是其大量使用了LED科技,主要包括鳥巢會場中央地板的LED屏幕、表演者身上的LED裝飾燈、空中升起的奧運五環(huán)用LED光源、鳥巢會場看臺上轉(zhuǎn)播與提供現(xiàn)場觀眾用的LED屏幕等等,成了舉世關(guān)注的焦點之一。開幕倒數(shù)計時用的2008個缶,它雖然是中國古老的打擊樂器,用來擊缶而歌的,但在開幕式中,缶采用了LED光源來點綴,使用的觸碰感應(yīng)LED發(fā)光體,每個約有十余顆LED,估計用上3萬多顆LED。§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口四、顯示器及其接口電路第二十七頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口四、顯示器及其接口電路在奧運開幕式中,畫卷的主體LED顯示屏長147米,寬22米,面積3234平方米,像素點間距600毫米,共約44000組像素點,6萬個LED,是世界上最大的地面全彩LED顯示屏,每平方米的承重能力達(dá)兩噸,完全經(jīng)得住演員踩踏、水浸。第二十八頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口四、顯示器及其接口電路LED之所以受到廣泛重視而得到迅速發(fā)展,是與它本身所具有的優(yōu)點分不開的。這些優(yōu)點概括起來是:亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定。LED的發(fā)展前景極為廣闊。第二十九頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口四、顯示器及其接口電路
CRT顯示原理CRT系統(tǒng)CNC計算機接口緩沖存儲器顯示控制器CRT顯示控制器的主要作用:接收來自CPU的控制命令和顯示用的數(shù)據(jù);經(jīng)與CRT掃描信號調(diào)制后,產(chǎn)生CRT顯示器所需要的視頻信號;由CRT的電子槍對屏幕進(jìn)行掃描,從而產(chǎn)生所需的畫面。第三十頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三§2.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口四、顯示器及其接口電路CRT工作原理屏幕上的圖象顯示,是利用陰極射線管中高速電子束的不斷掃描來實現(xiàn)的。
高速電子束撞擊熒光屏表面的磷光物,對應(yīng)位置就出現(xiàn)光點,光點的亮度決定于電子束的強度。為了使電子束能夠有規(guī)律的從左到右、自上而下地移動,以構(gòu)成一幀完整幕面,必須加上偏轉(zhuǎn)電路,電子束這種移動稱為掃描。在電子束掃描過程中,利用圖象信號不斷控制電子束的強度,熒光屏上就出現(xiàn)黑白圖象。圖像信號必須與掃描過程密切配合,否則,屏幕上就會雜亂無章,不會顯示清晰的圖像。第三十一頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三逐行掃描形成幀面的示意圖第1線第2線第3線0水平逆程(消隱)水平正程(顯示)開始垂直逆程§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口四、顯示器及其接口電路第三十二頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三CRT控制器刷新存儲器“ASCII”刷新存儲器“狀態(tài)”字符發(fā)生器鎖存器移位寄存器同步點時鐘&線地址視頻信號字符CRT顯示器接口框圖§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口四、顯示器及其接口電路1111111111
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同步通信:效率高,速度快,適于信息量大的遠(yuǎn)程通信第四十二頁,共四十九頁,編輯于2023年,星期三§3.3CNC裝置的I/O設(shè)備及其接口
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