数控系统硬软件及相关技术
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第七章 数控系统 硬软件及相关技术
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1
数控系统必须在硬件和软件的密切配合 下才能实现各种功能
根据数控系统的需要，存在多种硬件结 构和软件结构
随着现代计算机的硬件、软件技术的飞 速发展，数控系统的功能也在不断地完善和 增加
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2
第一节 数控系统硬件结构
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3
硬件总体
由三大部分构成：
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6
机床控制部分
包括对机床进给轴的位置的控制： 进给速度的控制； 插补运算； 位置闭环控制）；
对主轴转速的控制：实现对主轴变速的控制； 对主轴的位置的控制：主轴的准停功能
用于机床主运动是刀具的旋转运动时的换刀； 主轴切削螺纹时防止乱扣； 与进给轴之间的严格速比关系； 辅助功能信息（主要是一些开关量MST）等
软件，构成相应CNC装置 ❖ 特点：
与一般PC机兼容，易于实现升级换代 抗干扰和抗恶劣环境能力强 满足用户对硬件通用性的要求
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25
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26
从 CNC 系统使用的微机及结构来分， CNC 系统的硬件结构一般分为：
单微处理机 多微处理机 结构两大类。
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27
发展情况
初期的 CNC 系统和现有一些经济型 CNC 系统采用单微处理机结构。
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21
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22
按CNC装置硬件的制造方式，CNC装置 可分为专用型结构和个人计算机式结构
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23
专用型结构
❖ 硬件由厂家专门设计制造 ❖ 布局合理 ❖ 结构紧凑 ❖ 专用型强 ❖ 硬件彼此之间不能交换和替代，无通用性
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24
个人计算机式结构
❖ 以工业PC机作为CNC装置的支撑平台 ❖ 由机床厂根据CNC需要，插入控制卡，装入
ROM 板、零件程序存储器板和 PLC 板都直接插在 主板上面，组成 CNC 系统的核心部分。 ❖ 优点：结构紧凑，体积小，可靠性高，价格低，有
很高的性能 / 价格比，也便于机床的一体化设计 ❖ 缺点：硬件功能不易变动，不利于组织生产
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18
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19
总线模块化的开放系统结构
特点： ❖ 将微处理机、存储器、输入输出控制分别做成插件
而多微处理机结构可以满足数控机床高 进给速度、高加工精度和许多复杂功能的要 求，也适应于并入 FMS 和 CIMS 运行的需要， 从而得到了迅速的发展，它反映了当今数控 系统的新水平。
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28
单微处理机结构
❖ 仅一个微处理机，实行集中控制，分时处理数控的 各个任务
❖ 结构特点如下：
CNC装置内仅有一个微处理机，由它对存储、 插补运算、输入输出控制、CRT显示等功能集中控 制分时处理。
❖ 关于输入、输出信号的设定
输入、输出信号的有效跳变沿指定
串行通讯时的波特率和帧格式
❖ 关于主轴和运动轴的设定
ຫໍສະໝຸດ Baidu
主轴低速档指定
最小移动单位、米/英制选择
轴加减速的时间常数
轴运动速度上限和低速限定
各运动轴参考点距机床原点的坐标值
各移动轴正负方向运编辑动ppt 坐标极限指定
11
短接棒和软件参数
❖ 关于补偿的设定 各运动轴的螺距误差补偿曲线设定 反向间隙补偿设定
❖ 优点：结构紧凑，便于安装 ❖ 缺点：有时可能造成某些信号连线过长。
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14
分体式结构
❖ 通常把 CRT 和 MDI 面板、操作面板等做成 一个部件，而把功能模块组成的电路板安装 在一个机箱内，两者之间用导线或光纤连接
❖ 许多 CNC 机床把操作面板也单独作为一个 部件，这是由于所控制机床的要求不同，操 作面板相应地要改变，做成分体式的有利于 更换和安装
板 ( 称为硬件模块 ) ❖ 甚至将微处理机、存储器、输入输出控制组成独立
微计算机级的硬件模块 ❖ 相应软件也是模块结构，固化在硬件模块中 ❖ 硬软件模块形成特定的功能单元（功能模块） ❖ 功能模块间有明确定义的接口，接口是固定的，成
为工厂标准或工业标准，彼此可交换信息
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20
优点
❖ 可积木式组成 CNC 系统， ❖ 设计简单 ❖ 有良好适应性和扩展性 ❖ 试制周期短 ❖ 调整维护方便 ❖ 效率高
微机部分 外围设备部分 机床控制部分
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4
微机部分
CPU EPROM RAM 定时器 中断控制器等部分构成。
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5
外围设备部分
外围设备主要通过各种接口与数控系统联系。其 中包括：
a．与键盘连接的键盘接口； b．与显示器连接的显示器接口； c．与机床操作面板连接的操作面板接口； d．与手摇脉冲发生器连接的脉冲发生器接口； e．与计算机外设连接或与上位机连接的通讯接口等
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7
接口电路
这些装置与CNC的联系是通过各自的接口 电路来实现的。主要有以下一些接口电路 ：
a．进给轴控制接口：模拟量输出接口，工 作台位置反馈接口。
b．主轴控制接口：模拟量输出接口，主轴 位置反馈接口。
c．辅助功能信息接口：开关量输入接口， 开关量输出接口
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8
短接棒和软件参数
为了增加CNC适应不同型号、不同规格机 床的要求，适应各种系统的配置，并使系统 的某些控制功能最大限度地发挥出来，各种 数控系统都有一定的参数设定和确认功能。 即
为CNC装置各模板的PCB上短接棒硬件 设定和软件参数设定
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9
短接棒和软件参数
短接棒和软件参数可设定和确认的系统参数有： ❖ 关于系统配置方面的设定
存储器容量和地址范围指定； I/O接口地址设置； 系统配置的轴数和轴名； 检测元件的种类指定； 是否配置了PLC的确认等
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10
短接棒和软件参数
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15
CNC 操作面板
❖ CNC 操作面板在机床上的安装形式： 吊挂式 床头式 控制柜式 控制台式等多种
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16
从组成CNC系统的电路板的结构特点来 看，有两种常见的结构：
大板式结构 模块化结构
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17
大板式结构
❖ 特点：一个系统一般都有一块大板，称为主板； 主板上装有主 CPU 和各轴的位置控制电路等； 其他相关的子板 ( 完成一定功能的电路板 ) ，如
❖ 关于检测信号的设定 反馈信号类型 分辨率
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12
随着大规模集成电路技术和表面安装技 术的发展，CNC系统硬件模块及安装方式不 断改进。从CNC系统的总体安装结构看，有 整体式结构和分体式结构两种
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13
整体式结构
❖ 是把 CRT 和 MDI 面板、操作面板以及功能 模块板组成的电路板等安装在同一机箱内
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数控系统必须在硬件和软件的密切配合 下才能实现各种功能
根据数控系统的需要，存在多种硬件结 构和软件结构
随着现代计算机的硬件、软件技术的飞 速发展，数控系统的功能也在不断地完善和 增加
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第一节 数控系统硬件结构
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硬件总体
由三大部分构成：
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机床控制部分
包括对机床进给轴的位置的控制： 进给速度的控制； 插补运算； 位置闭环控制）；
对主轴转速的控制：实现对主轴变速的控制； 对主轴的位置的控制：主轴的准停功能
用于机床主运动是刀具的旋转运动时的换刀； 主轴切削螺纹时防止乱扣； 与进给轴之间的严格速比关系； 辅助功能信息（主要是一些开关量MST）等
软件，构成相应CNC装置 ❖ 特点：
与一般PC机兼容，易于实现升级换代 抗干扰和抗恶劣环境能力强 满足用户对硬件通用性的要求
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从 CNC 系统使用的微机及结构来分， CNC 系统的硬件结构一般分为：
单微处理机 多微处理机 结构两大类。
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发展情况
初期的 CNC 系统和现有一些经济型 CNC 系统采用单微处理机结构。
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按CNC装置硬件的制造方式，CNC装置 可分为专用型结构和个人计算机式结构
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专用型结构
❖ 硬件由厂家专门设计制造 ❖ 布局合理 ❖ 结构紧凑 ❖ 专用型强 ❖ 硬件彼此之间不能交换和替代，无通用性
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个人计算机式结构
❖ 以工业PC机作为CNC装置的支撑平台 ❖ 由机床厂根据CNC需要，插入控制卡，装入
ROM 板、零件程序存储器板和 PLC 板都直接插在 主板上面，组成 CNC 系统的核心部分。 ❖ 优点：结构紧凑，体积小，可靠性高，价格低，有
很高的性能 / 价格比，也便于机床的一体化设计 ❖ 缺点：硬件功能不易变动，不利于组织生产
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总线模块化的开放系统结构
特点： ❖ 将微处理机、存储器、输入输出控制分别做成插件
而多微处理机结构可以满足数控机床高 进给速度、高加工精度和许多复杂功能的要 求，也适应于并入 FMS 和 CIMS 运行的需要， 从而得到了迅速的发展，它反映了当今数控 系统的新水平。
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单微处理机结构
❖ 仅一个微处理机，实行集中控制，分时处理数控的 各个任务
❖ 结构特点如下：
CNC装置内仅有一个微处理机，由它对存储、 插补运算、输入输出控制、CRT显示等功能集中控 制分时处理。
❖ 关于输入、输出信号的设定
输入、输出信号的有效跳变沿指定
串行通讯时的波特率和帧格式
❖ 关于主轴和运动轴的设定
ຫໍສະໝຸດ Baidu
主轴低速档指定
最小移动单位、米/英制选择
轴加减速的时间常数
轴运动速度上限和低速限定
各运动轴参考点距机床原点的坐标值
各移动轴正负方向运编辑动ppt 坐标极限指定
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短接棒和软件参数
❖ 关于补偿的设定 各运动轴的螺距误差补偿曲线设定 反向间隙补偿设定
❖ 优点：结构紧凑，便于安装 ❖ 缺点：有时可能造成某些信号连线过长。
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分体式结构
❖ 通常把 CRT 和 MDI 面板、操作面板等做成 一个部件，而把功能模块组成的电路板安装 在一个机箱内，两者之间用导线或光纤连接
❖ 许多 CNC 机床把操作面板也单独作为一个 部件，这是由于所控制机床的要求不同，操 作面板相应地要改变，做成分体式的有利于 更换和安装
板 ( 称为硬件模块 ) ❖ 甚至将微处理机、存储器、输入输出控制组成独立
微计算机级的硬件模块 ❖ 相应软件也是模块结构，固化在硬件模块中 ❖ 硬软件模块形成特定的功能单元（功能模块） ❖ 功能模块间有明确定义的接口，接口是固定的，成
为工厂标准或工业标准，彼此可交换信息
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优点
❖ 可积木式组成 CNC 系统， ❖ 设计简单 ❖ 有良好适应性和扩展性 ❖ 试制周期短 ❖ 调整维护方便 ❖ 效率高
微机部分 外围设备部分 机床控制部分
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微机部分
CPU EPROM RAM 定时器 中断控制器等部分构成。
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5
外围设备部分
外围设备主要通过各种接口与数控系统联系。其 中包括：
a．与键盘连接的键盘接口； b．与显示器连接的显示器接口； c．与机床操作面板连接的操作面板接口； d．与手摇脉冲发生器连接的脉冲发生器接口； e．与计算机外设连接或与上位机连接的通讯接口等
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接口电路
这些装置与CNC的联系是通过各自的接口 电路来实现的。主要有以下一些接口电路 ：
a．进给轴控制接口：模拟量输出接口，工 作台位置反馈接口。
b．主轴控制接口：模拟量输出接口，主轴 位置反馈接口。
c．辅助功能信息接口：开关量输入接口， 开关量输出接口
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短接棒和软件参数
为了增加CNC适应不同型号、不同规格机 床的要求，适应各种系统的配置，并使系统 的某些控制功能最大限度地发挥出来，各种 数控系统都有一定的参数设定和确认功能。 即
为CNC装置各模板的PCB上短接棒硬件 设定和软件参数设定
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短接棒和软件参数
短接棒和软件参数可设定和确认的系统参数有： ❖ 关于系统配置方面的设定
存储器容量和地址范围指定； I/O接口地址设置； 系统配置的轴数和轴名； 检测元件的种类指定； 是否配置了PLC的确认等
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短接棒和软件参数
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15
CNC 操作面板
❖ CNC 操作面板在机床上的安装形式： 吊挂式 床头式 控制柜式 控制台式等多种
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从组成CNC系统的电路板的结构特点来 看，有两种常见的结构：
大板式结构 模块化结构
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大板式结构
❖ 特点：一个系统一般都有一块大板，称为主板； 主板上装有主 CPU 和各轴的位置控制电路等； 其他相关的子板 ( 完成一定功能的电路板 ) ，如
❖ 关于检测信号的设定 反馈信号类型 分辨率
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随着大规模集成电路技术和表面安装技 术的发展，CNC系统硬件模块及安装方式不 断改进。从CNC系统的总体安装结构看，有 整体式结构和分体式结构两种
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整体式结构
❖ 是把 CRT 和 MDI 面板、操作面板以及功能 模块板组成的电路板等安装在同一机箱内