驅(qū)動與控制系統(tǒng)ch42

數(shù)控技術(shù)1/4/20241第四章數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)4-1概述一、CNC主要功能及組成主要功能：

位置控制：刀具與工件的相對位置及軌跡控制（即程序編制中的G代碼功能）。

功能控制：主要是開關(guān)量控制信號處理（即程序編制中的M代碼功能）。

信號處理：系統(tǒng)運行狀態(tài)信號的分析處理（信號檢測和處理）系統(tǒng)組成：輸入輸出設(shè)備、CNC裝置、伺服驅(qū)動及位置檢測裝置、輔助機(jī)能驅(qū)動電路、數(shù)控系統(tǒng)軟件。1/4/202424-1概述二、CNC系統(tǒng)的主要特點系統(tǒng)柔性好、通用性強(qiáng)

不同于NC(硬線數(shù)控)，CNC軟件結(jié)構(gòu)變更性強(qiáng)，功能易于拓展。易于實現(xiàn)多功能

CNC豐富的指令系統(tǒng)可進(jìn)行高次曲線插補(bǔ)、刀補(bǔ)、多坐標(biāo)聯(lián)動控制和在線編程等。系統(tǒng)可靠性高

大部分功能由軟件實行，減少了硬件出錯率。維修方便

采用模塊化結(jié)構(gòu)并配有自診斷軟件。通信功能強(qiáng)

通常配有RS232C或DNC接口，便于實現(xiàn)DNC、FMS、CIMS等系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)通訊；圖形編程功能

具有人機(jī)交互圖形自動編程功能。1/4/202434-2位移、速度、位置傳感器一、檢測元件的作用與分類作用：檢測工作臺或絲杠的直線位移（角位移）和線速度（角速度）并形成反饋控制主要技術(shù)指標(biāo)：可靠性、抗干擾性、分辨率、響應(yīng)速度等分辨率：位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量分辨率選擇：測量系統(tǒng)的分辨率應(yīng)比加工精度高一個數(shù)量級檢測系統(tǒng)的選擇：

大型機(jī)床：速度響應(yīng)要高

中小型和高精度機(jī)床：以滿足精度要求為主分類1/4/202444-2位移、速度、位置傳感器1/4/202454-2位移、速度、位置傳感器二、旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：由定子和轉(zhuǎn)子組成的旋轉(zhuǎn)式小型交流電機(jī)，如圖1/4/20246工作原理：根據(jù)互感原理工作，平行時互感最大，副邊感應(yīng)電動勢最大；垂直時互感為零，副邊感應(yīng)電動勢最小，如圖。4-2位移、速度、位置傳感器副邊繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組磁軸與定子繞組磁軸平行時，即＝90o時，互感電壓最大：1/4/202474-2位移、速度、位置傳感器旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式

鑒相方式鑒幅方式定子和轉(zhuǎn)子空間結(jié)構(gòu)1）鑒相方式正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值相同、頻率相同、相位相差90o的正弦交流電壓：1/4/202482）鑒幅方式正弦繞組和余弦繞組分別加上頻率相同、相位相等、幅值分別按正弦、余弦規(guī)律變化的交變電壓：4-2位移、速度、位置傳感器1/4/20249三、感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)相當(dāng)于展開的多級旋轉(zhuǎn)變壓器圖4-64-2位移、速度、位置傳感器1/4/2024102.感應(yīng)同步器工作原理相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)變壓器的原理如圖4-2位移、速度、位置傳感器1）鑒相方式正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值相同、頻率相同、相位相差90o的交流電壓：分別在定尺繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓：1/4/2024114-2位移、速度、位置傳感器鑒相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1/4/2024124-2位移、速度、位置傳感器2）鑒幅方式正弦繞組和余弦繞組分別加上頻率相同、相位相等、幅值分別按正弦、余弦規(guī)律變化的交變電壓：1/4/202413鑒幅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4-2位移、速度、位置傳感器1/4/202414感應(yīng)同步器的特點安裝：定尺與滑尺之間的間隙應(yīng)控制在0.25±0.05mm范圍內(nèi)，間隙變化控制范圍0.01mm特點：精度高：測量范圍大環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)維護(hù)簡單、壽命長4-2位移、速度、位置傳感器1/4/202415四、光柵測量裝置光柵的工作原理組成：長光柵（標(biāo)尺光柵）、短光柵（指示光柵）、狹縫、光學(xué)鏡和光電管圖4-104-2位移、速度、位置傳感器1/4/2024161/4/2024174-2位移、速度、位置傳感器光柵：刻有刻線的光學(xué)玻璃柵距：光柵上相鄰兩刻線間的距離工作原理：摩爾條文的工作原理圖4-10平均效應(yīng)：特點：放大效應(yīng)：1/4/202418光柵測量裝置分光讀數(shù)頭垂直入射讀數(shù)頭反射多數(shù)頭光柵檢測裝置電路

四倍頻細(xì)分

方向辨別4-2位移、速度、位置傳感器1/4/202419功能：角位移測量特點：非接觸式檢測、驅(qū)動力小、檢測速度快分類：增量式編碼器和絕對式編碼器兩種增量式編碼器組成：光源、光電盤、光電接收元件工作原理：

信號處理：信號接收、放大、整形及反饋

方向辨別：DA、DB空間相差90o

基準(zhǔn)脈沖：由DC產(chǎn)生缺點：停電或停機(jī)后，無法找到原始位置4-2位移、速度、位置傳感器c五、脈沖編碼器1/4/202420增量式編碼器4-2位移、速度、位置傳感器1/4/202421絕對式編碼器4-2位移、速度、位置傳感器分類：機(jī)械式、光電式、磁電式組成及原理：編碼盤、信號產(chǎn)生元件、信號接收元件0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100202122231/4/202422格雷碼的絕對編碼器的分度盤代碼盤用格雷碼編碼1/4/202423編碼器安裝方式編碼器在擴(kuò)展軸上編碼器在實體軸上絕對編碼器分解器臨近傳感器通用編碼器安裝在擴(kuò)展軸上1/4/202424六、速度傳感器（自學(xué)）測速發(fā)電機(jī)

特點：輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格的成線性關(guān)系輸出電勢與轉(zhuǎn)速比的斜率大脈沖編碼器的使用編碼器+定時器七、位置傳感器（自學(xué)）

特點：不同于位移傳感器，該傳感器僅用于定位測量接觸式位置傳感器接近式位置傳感器4-2位移、速度、位置傳感器1/4/2024254-3伺服驅(qū)動裝置伺服系統(tǒng)的組成

驅(qū)動電路：信號的轉(zhuǎn)換（D/A）和放大

伺服電機(jī)：信號和能量的轉(zhuǎn)化輸出（電—機(jī)）傳動機(jī)構(gòu)：信號和能量傳遞作用:接收數(shù)控系統(tǒng)的指令，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成預(yù)定的進(jìn)給和快速運動特點：能夠?qū)崿F(xiàn)位置和運動的準(zhǔn)確控制分類：開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)一、概述1/4/202426開環(huán)伺服系統(tǒng)組成：步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動電路、傳動機(jī)構(gòu)工作原理：4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/2024274-3伺服驅(qū)動裝置特點

1）無位移檢測裝置，控制精度低

2）結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整、成本低。主要技術(shù)指標(biāo)

1）定位精度可達(dá)±0.02mm2）脈沖當(dāng)量可達(dá)0.01mm3）最高進(jìn)給速度低于6m/min應(yīng)用:經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及機(jī)床數(shù)控化改造1/4/202428關(guān)于步進(jìn)電機(jī)

步距角：步進(jìn)電機(jī)每接受一個指令脈沖，轉(zhuǎn)子相應(yīng)的轉(zhuǎn)角

脈沖當(dāng)量：步進(jìn)電機(jī)每接受一個指令脈沖，工作臺相應(yīng)的位移

轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向的決定因素：脈沖頻率、脈沖數(shù)和通電相序。

主要類型：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/2024294-3伺服驅(qū)動裝置閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成：伺服單元、伺服電機(jī)、位移檢測裝置、傳動機(jī)構(gòu)等工作原理：圖4-311/4/202430特點：1）設(shè)有位移檢測裝置，控制精度高2）調(diào)試維護(hù)困難、成本較高主要技術(shù)指標(biāo)

1）定位精度可達(dá)±0.002mm2）檢測分辨率可達(dá)0.001mm3）最高進(jìn)給速度可達(dá)14m/min應(yīng)用：加工中心及中、高檔數(shù)控機(jī)床4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/202431關(guān)于閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)：采用線位移檢測元件對工作臺位移直接進(jìn)行測量反饋。特點：控制精度高、安裝調(diào)試?yán)щy半閉環(huán)：采用角位移檢測元件對電機(jī)軸或滾珠絲杠的角位移進(jìn)行測量反饋。特點：控制精度相對較低、安裝調(diào)試方便4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/202432伺服驅(qū)動系統(tǒng)的選用1）精度要求：定位精度、重復(fù)定位精度、加工精度2）響應(yīng)速度：跟蹤指令信號的速度3）調(diào)速范圍：最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比Rn=nmax/nmin4）低速轉(zhuǎn)距特性:低速時轉(zhuǎn)距輸出能力關(guān)于定位精度和重復(fù)定位精度定位精度：移動件到達(dá)指令位置的準(zhǔn)確度重復(fù)定位精度：移動件在任意定位點的定位一致性4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/202433二、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）一）步進(jìn)電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)及特工作原理工作原理4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/2024344-3伺服驅(qū)動裝置通電方式

三相雙三拍：(正轉(zhuǎn))AB

BC

CA

AB(反轉(zhuǎn))AC

CB

BA

AC三相六拍：

(正轉(zhuǎn))A

AB

B

BC

C

CA

A(反轉(zhuǎn))A

AC

C

CB

B

BA

A三相單三拍：(正轉(zhuǎn))ABC

A(反轉(zhuǎn))A

CBA1/4/202435m相步進(jìn)電機(jī)通電方式

m相單m拍：例ABC

D

E

A

m相雙m拍：例

AB

BC

CD

DEEAAB

或ABC

BCD

CDE

DEAEABABCm相2m拍：例A

AB

B

BC

C

CDDDEEEAA

或AB

ABC

BC

BCD

CD

CDEDEDEA

EAEABAB三種通電方式的特點：單m拍：每次一相通電,切換瞬間失去自鎖力矩易失步,在平衡位置易振蕩雙m拍：每次同時有二相通電,切換瞬間仍有一相保持通電,運行穩(wěn)定

2m拍：步距角小一半，切換瞬間仍有一相保持通電，運行穩(wěn)定4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/202436步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)（橫向視圖）4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/2024372.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)（縱向視圖）4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/202438步進(jìn)電機(jī)的主要特性1）步距角和靜態(tài)步距誤差步距角：

m:線圈相數(shù)

z:轉(zhuǎn)子齒數(shù)

q:2m拍q=2，其它q=1

步距誤差：實際步距角與理論步距角之差一般為10`2）輸出扭矩：必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)距3）最高啟動、停止脈沖頻率：步進(jìn)電機(jī)所能接受的最高啟、停脈沖頻率，此值必須大于負(fù)載實際啟、停所需的脈沖頻率。4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/2024394）連續(xù)運行的最高工作頻率：步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運行所能接受的最高工作頻率，此值必須大于步進(jìn)電機(jī)實際運行的最高工作頻率。5）步進(jìn)運行和低頻振蕩

步進(jìn)運行：當(dāng)脈沖間隔大于步進(jìn)電機(jī)的過渡過程時，電機(jī)呈步進(jìn)運行狀態(tài)

低頻振蕩：當(dāng)脈沖頻率接近步進(jìn)電機(jī)的固有頻率時，將產(chǎn)生振蕩（必要時可設(shè)可調(diào)阻尼器）4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/202440二）開環(huán)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的計算和選用傳動計算4-3伺服驅(qū)動裝置傳動比直線進(jìn)給1/4/2024414-3伺服驅(qū)動裝置式中：α為步進(jìn)電機(jī)的步距角

δ為系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量

i為傳動系統(tǒng)的傳動比圓周進(jìn)給傳動比1/4/202442步進(jìn)電機(jī)的選用輸出轉(zhuǎn)距：通常取ML/Mjmax=0.2～0.5步距角：步距角與系統(tǒng)應(yīng)匹配，即應(yīng)滿足脈沖頻率：應(yīng)與系統(tǒng)要求的啟動、連續(xù)運行頻率匹配轉(zhuǎn)動慣量：應(yīng)滿足以下匹配條件

式中：JM

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量

JL

負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量

脈沖頻率：所選步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率要滿足負(fù)載要求，即：所選步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運行的最高脈沖頻率要高于負(fù)載連續(xù)運行要求的脈沖頻率，所選步進(jìn)電機(jī)啟動運行的最高脈沖頻率要高于負(fù)載啟動運行要求的脈沖頻率

4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/202443三）步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動環(huán)形分配器作用：對步進(jìn)電機(jī)線圈的通電相序進(jìn)行分配種類：硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種軟件環(huán)分器：通電相序狀態(tài)預(yù)先存入計算機(jī)并采用軟件查

表方式進(jìn)行控制特點：節(jié)省了環(huán)分器硬件，但軟件運行效率低，用于速度要求不高處4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/202444硬件環(huán)分器：通電相序狀態(tài)由硬件邏輯功能完成特點：需要專用硬件資源，運行效率高。4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/202445功率放大器（驅(qū)動電源）作用：將數(shù)控系統(tǒng)輸出的弱電控制信號轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的強(qiáng)電信號。種類：單電壓驅(qū)動電路高低壓驅(qū)動電路恒流斬波驅(qū)動電路4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/2024464-3伺服驅(qū)動裝置提速（限流）電阻Rc：改變時間常數(shù)，提高響應(yīng)速度續(xù)流二極管D：用于功率晶體管的過電壓保護(hù)特點：結(jié)構(gòu)簡單、效率低、能耗高，發(fā)熱大、工作穩(wěn)定性差。應(yīng)用：小功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動單電壓驅(qū)動電路1/4/202447特點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)速度快、高頻驅(qū)動能力強(qiáng)、功耗低。應(yīng)用：大（中）型功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動4-3伺服驅(qū)動裝置高低壓驅(qū)動電路1/4/202448特點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)速度快、驅(qū)動能力強(qiáng)、功耗低、噪聲大。應(yīng)用：大（中）型功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動4-3伺服驅(qū)動裝置恒流斬波驅(qū)動電路1/4/202449四）提高步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)精度的措施存在的問題：無位移檢測元件，定位精度主要取決于傳動精度改善措施間隙補(bǔ)償：在換向時通過附加脈沖進(jìn)行補(bǔ)償螺距誤差補(bǔ)償：采用機(jī)械樣板或附加脈沖進(jìn)行補(bǔ)償反饋補(bǔ)償：通過檢測器進(jìn)行系統(tǒng)誤差檢測，周期性地發(fā)出補(bǔ)償脈沖。4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/202450三、直流伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)一）直流伺服電機(jī)小慣量直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)特點：

1）轉(zhuǎn)子為光滑無槽的鐵芯，線圈由粘合劑粘結(jié)。

2）長徑比大、慣量小。性能特點：

1）轉(zhuǎn)動慣量小，約為普通直流電機(jī)的1/10，快速響應(yīng)性好。

2）電樞反應(yīng)小，換向性好，電機(jī)時間常數(shù)小（只有幾毫秒）。

3）由于轉(zhuǎn)子無槽，結(jié)構(gòu)均衡性好，低速平穩(wěn)性好。

4）最大扭矩為額定值的10倍，過載能力強(qiáng)。缺點：由于慣量小，必須配齒輪減速葙，才能拖動負(fù)載。4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/202451寬調(diào)速（大慣量）直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)特點：轉(zhuǎn)子慣量大，響應(yīng)特性由大功率驅(qū)動系統(tǒng)保證性能特點輸出轉(zhuǎn)矩大

不需齒輪減速箱即可直接驅(qū)動負(fù)載。過載能力強(qiáng)

轉(zhuǎn)子熱容量大，過載能力強(qiáng)（過載轉(zhuǎn)矩可達(dá)5～10倍）動態(tài)響應(yīng)好電流過載能力強(qiáng)、瞬時加速轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)響應(yīng)好。調(diào)速范圍寬且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)低速時輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速調(diào)速范圍寬，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。易于調(diào)試由于慣量大，受負(fù)載影響小，可不加負(fù)載調(diào)試。4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/202452二）直流伺服電機(jī)的調(diào)速直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速

（電機(jī)電勢常數(shù)）

調(diào)壓恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：調(diào)節(jié)Ua，保持φ和Ra不變

（Cm為轉(zhuǎn)矩常數(shù)）調(diào)磁恒功率調(diào)速：調(diào)節(jié)φ，保持Ua和Ra不變

（φ↑n↓T↑）調(diào)速方法的選擇：進(jìn)給系統(tǒng)一般選用調(diào)壓恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速

4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/202453直流伺服電機(jī)的可控硅調(diào)速三相半波反并聯(lián)可控硅調(diào)速4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/202454直流伺服電機(jī)脈寬調(diào)速（PWM）系統(tǒng)脈寬調(diào)制器：產(chǎn)生幅值恒定、寬度可變的矩形脈沖信號圖4-47晶體管脈寬信號放大器：信號放大和正反轉(zhuǎn)控制圖4-484-3伺服驅(qū)動裝置1/4/202455PWM(PulseWidthModulation)控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)1/4/2024566.1PWM控制的基本思想1）重要理論基礎(chǔ)——面積等效原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數(shù)f(t)d(t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf(t)f(t)f(t)1/4/202457Ouωt>SPWM波6.1PWM控制的基本思想Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>1/4/2024586.1PWM控制的基本思想若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>1/4/2024596.1PWM控制的基本思想OwtUd-Ud對于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應(yīng)用中更為廣泛。1/4/2024601/4/202461PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點1）開關(guān)頻率高2）波紋系數(shù)小3）頻率較寬4）可在高峰值電流下工作4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/202462三）直流伺服電機(jī)閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)4-3伺服驅(qū)動裝置半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)1/4/2024634-3伺服驅(qū)動裝置半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)1/4/202464四、交流伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)特點：結(jié)構(gòu)簡單、無電刷、可靠性高、維護(hù)方便。種類：永磁式同步交流伺服電機(jī)和感應(yīng)式異步交流伺服電機(jī)永磁式同步交流伺服電機(jī)特點與直流伺服電機(jī)相比，同等功率下，電機(jī)外形尺寸減小1/2，重量減輕60%，轉(zhuǎn)子慣量減至1/5（減小4/5）感應(yīng)式交流伺服電機(jī)特點結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、過載能力強(qiáng)，與永磁式交流伺服電機(jī)相比，效率低、體積大、轉(zhuǎn)子熱損耗大，轉(zhuǎn)子發(fā)熱直接影響系統(tǒng)性能。應(yīng)用：目前數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)多采用永磁式交流伺服電機(jī)。4-3伺服驅(qū)動裝置1/4/2024654-4數(shù)控裝置一、數(shù)控裝置的組成1/4/202466二、CNC裝置的工作內(nèi)容1）輸入2）譯碼3）刀具補(bǔ)償4）進(jìn)給速度處理5）插補(bǔ)6）位置控制7）I/O處理8）顯示9）診斷4-4數(shù)控裝置1/4/202467三、CNC硬件設(shè)計一）CNC系統(tǒng)對微機(jī)的要求及選擇CNC系統(tǒng)對微機(jī)的要求較完善的中斷系統(tǒng)足夠的內(nèi)存一定數(shù)量的I/O通道高可靠性CNC系統(tǒng)的選擇標(biāo)準(zhǔn)總線工業(yè)控制機(jī)：模塊化結(jié)構(gòu)、可靠性高、用戶可自由配置，應(yīng)用廣泛。單片機(jī)專用系統(tǒng)：可靠性高，價格便宜，用于經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床中。4-4數(shù)控裝置1/4/202468二）MCS-51單片機(jī)控制系統(tǒng)4-4數(shù)控裝置MCS-51引腳1/4/202469功能

I/O口：P0、P1、P2、P3共4個8位口控制總線（CB）：、ALE、、RESET、P3第2功能地址總線（AB）：P2(高8位)+P0(低8位)=16位數(shù)據(jù)總線（DB）：由P0提供8位數(shù)據(jù)總線電源及時鐘：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2雙重功能口：P0口即作8位數(shù)據(jù)線，又作低8位地址線

P3口即可作輸入輸出口，又可作控制總線4-4數(shù)控裝置1/4/202470MCS-51系統(tǒng)中的地址譯碼規(guī)則1）程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編制2）外圍擴(kuò)展芯片與數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址3）片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器尋址范圍216=64K字節(jié)地址譯碼方法1)線選法概念：直接用地址線進(jìn)行外圍芯片片選。圖4-54地址譯碼表4-3優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單缺點：地址空間利用不夠充分，芯片之間地址不夠連續(xù)。4-4數(shù)控裝置1/4/2024714-4數(shù)控裝置線選法地址譯碼1/4/2024722）全地址譯碼概念：采用譯碼器譯碼，保證空間的充分利用和地址的連續(xù)性4-4數(shù)控裝置全地址譯碼優(yōu)點：地址連續(xù)，尋址空間大缺點：硬件電路要增加譯碼器說明：數(shù)控系統(tǒng)一般采用全地址譯碼1/4/202473三）數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器的擴(kuò)展關(guān)于RAM和ROM訪問：由于兩者獨立編址，地址空間完全重復(fù)，必須建立訪問機(jī)制。對RAM的訪問：使用、控制線和MOVX指令操作對ROM的訪問：使用控制線和MOVC指令操作操作時序圖圖4-56

存儲器擴(kuò)展電路圖4-574-4數(shù)控裝置1/4/2024744-4數(shù)控裝置操作時序1/4/2024754-4數(shù)控裝置存儲器擴(kuò)展電路1/4/202476四）顯示器與鍵盤接口電路設(shè)計LED顯示器的結(jié)構(gòu)與原理分類：

按通電方式分：共陰極和共陽極按顯示方式分：靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示結(jié)構(gòu)：七段組合共陰極和共陽極顯示器結(jié)構(gòu)如下圖4-4數(shù)控裝置1/4/2024774-4數(shù)控裝置LED顯示器結(jié)構(gòu)1/4/2024784-4數(shù)控裝置動態(tài)顯示電路1/4/202479鍵盤的工作原理種類：獨立式按鍵和行列式按鍵

獨立式按鍵：如圖

4-4數(shù)控裝置1/4/2024804-4數(shù)控裝置行列式按鍵：如圖

1/4/202481顯示器鍵盤組合電路由于LED顯示器和鍵盤都采用循環(huán)掃描工作方式，將二者進(jìn)行組合可節(jié)省I/O端口，在控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

4-4數(shù)控裝置1/4/202482五）I/O接口電路設(shè)計數(shù)控CNC中常用I/O接口芯片：可編程并行接口：Intel8255、Intel8155可編程串行接口：Intel8251鍵盤顯示器專用接口芯片：8279可編程定時器：8253鎖存器：74LS373、74LS273A/D、/DA轉(zhuǎn)換器：0809、0832在圖4-57基礎(chǔ)上增加I/O接口芯片的系統(tǒng)擴(kuò)展電路如圖4-634-4數(shù)控裝置1/4/2024834-4數(shù)控裝置系統(tǒng)擴(kuò)展電路1/4/202484以上是I/O接口芯片應(yīng)用的一般情況，以下重點討論機(jī)床信號與微機(jī)接口信號（強(qiáng)電與弱電）的匹配與抗干擾問題。接點輸入電路接點：按鈕、繼電器、接近開關(guān)等接點輸入電路：用于將按鈕、繼電器、接近開關(guān)等的接點輸入信號轉(zhuǎn)換為CPU所需的TTL電平信號無源接點：設(shè)備側(cè)無信號源圖4-65（a）有源接點：設(shè)備側(cè)有信號源圖4-65（b）接點濾波器實例：圖4-65（c）4-4數(shù)控裝置1/4/2024854-4數(shù)控裝置無源接點有源接點1/4/2024864-4數(shù)控裝置接點濾波器實例1/4/202487接點抖動的消除：濾波與整形

4-4數(shù)控裝置

按鍵類接點1/4/2024884-4數(shù)控裝置小信號接點1/4/202489強(qiáng)電（接觸器）接點4-4數(shù)控裝置1/4/202490接點輸出電路接點輸出電路：用于將CPU輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為控制繼電器、指示燈所需的節(jié)點輸出一般情況：功率晶體管驅(qū)動圖4-69（a）高開關(guān)頻率：光耦和雙向可控硅組成的固態(tài)繼電器圖4-69（b）零交叉電路：零伏觸發(fā)。即當(dāng)交流電壓變到零伏附近時，電路接通，然后由觸發(fā)電路給出可控硅器件的觸發(fā)信號。4-4數(shù)控裝置1/4/2024914-4數(shù)控裝置六）數(shù)控系統(tǒng)CNC實例1/4/202492單片機(jī)系統(tǒng)：8031（A）：鍵盤、顯示、手動按鈕等控制管理。8031（B）：插補(bǔ)、電機(jī)控制、輔助機(jī)能等的程序運行控制管理。鍵盤顯示接口：并行接口8155，鍵盤顯示專用接口8279按鈕控制：并行接口8255輔助機(jī)能與電機(jī)控制：鎖存器273、光耦TLP521-4、驅(qū)動器MC1413輸入控制：光