第2章数控系统结构及维修

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•图2-22 横向莫尔条纹的参数
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3．光栅的种类
• (1)物理光栅
• (2)计量光栅 • (3)透射光栅 • 根据光栅的工作原理，玻璃透射光栅可
分为莫尔条纹式光栅和透射直线式光栅 两类。 • (4)反射光栅
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2．开放式数控体系结构
• 特点 ：
• ①以分布式控制的原则，采用系统、子系统和模块分级 式的控制结构。
• ②根据需要可实现重构、编辑，以便实现多种用途。在 开放式体系结构中，各模块相互独立，在此平台上，系 统生产厂、机床厂及最
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•( a )
图理原器码编电光式对绝
•
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(a) 绝对式光电编码器原理图
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•
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(b) 绝对式光电编码器结构图
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(3)编码器正反转辨别。
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• 三、光栅
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2.4 可编程控制器(PLC)
• 一、PLC的基本组成与工作方式
• 1．PLC的基本组成
• PLC实质是一种专用计算机，它的组成形式基 本上与微机相同，主要包括微处理器(CPU)、 存储器、用户输入／输出部分、输入／输出扩 展接口、外围设备以及电源等。对于内装型 PLC、CPU、存储器、外围设备、电源等部分一 般与CNC装置共用。如图2-9所示为可编程控制 器基本组成框图。
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二、PLC的分类
• (1)内装型PLC。 • (2)独立式PLC。
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(1)内装型PLC。
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•(2)独立式PLC
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•图2-12独立型PLC的CNC系统
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•
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图2-1 计算机数控系统的组成框图
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二、 CNC系统的基本原理
• CNC系统的生产厂家编制好CNC控制软 件(也称为系统程序)后，要把它固化在 ROM(EPROM)中，系统接上电源后即 自动由CPU按照此固化的程序运行。使 用CNC机床加工时，首先要编制好零件 程序，而零件程序的解释与具体执行则 要由系统程序来完成。
三、 计算机数控装置的接口
• 计算机数控装置(以下简称数控装置)的接 口是数控装置与数控系统的功能部件(主 轴模块、进给伺服模块、PLC模块等)和 机床进行信息传递、交换和控制的端口， 称之为接口。
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接口电路的主要任务：
• (1)进行电平转换和功率放大。
• (2)提高数控装置的抗干扰性能，防止外界的 电磁干扰噪声引起误动作。
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CNC的控制软件主要完成如下基本任务
①系统管理。 ②操作指令处理。 ③零件程序的编辑。 ④零件程序的输入、解释与执行。 ⑤系统状态显示。 ⑥手动数据输入MDI。 ⑦故障报警和诊断。
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是一种直接编码式的测量装置。
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• 图2-16 增量式光电编码器测量系统 •1-旋转轴；2-滚珠轴承；3-透光夹缝；4-光电编码器； •5-光源；6-聚光镜；7-光栏板；8-光敏元件。
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(2)绝对式光电编码器的工作原理
• 绝对式光电编码器的光盘上有透光和不 透光的编码图案，编码方式可以有二进 制编码、二进制循环编码、二至十进制 编码等。绝对式光电编码器通过读取编 码盘上的编码图案来确定位置。
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•图2-14编码器与主轴安装的安装应用
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二、光电式编码器
• 光电式编码器是一种光电式非接触式转角检测 装置。码盘用透明及不透明区域按一定编码构 成。根据其编码方式的不同，可分为增量式光 电编码器和绝对式光电编码器。
• 光电编码器利用光电原理把机械角位移变换成 电脉冲信号，是数控机床最常用的位置检测元 件。光电编码器按输出信号与对应位置的关系， 通常分为增量式光电编码器、绝对式光电编码 器和混合式光电编码器。
• 终用户都可很容易地把一些专用功能和其他有个性的模 块加入其中。
• ③要具有一种较好的通信和接口协议，以便各相对独立 的功能模块通过通信实现信息交换，通过信息交换来满 足实时控制的要求。
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3．通用PC组成的数控体系结构
• 基于通用PC的数控系统可以充分利用PC的软硬 件资源，减轻设计任务；可充分利用计算机工 业所提供的先进技术，方便地实现产品的更新 换代；良好的人机界面便于操作；开放性体系 结构便于在工厂环境内集成；由于有更多的硬 件供选择，CNC的成本对于用户来说非常灵活。
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•机床I/O电路 和装置
•操 作 面板
•键盘
•输 入 输出 •装置
•PL C
•计算 机 •数控 •装置
•主 轴 伺 服单元
•进 给 伺 服单元
•测 量 装 置
•主 轴 驱 动装置
•进 给 驱 动装置
•机 床
•主 进 辅 •运 给 助 •动 传 控 •机 动 制 •构 机 机 •构 构
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•图2-13独立型PLC的功能结构
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2.5 数控机床检测装置
一、编码器(码盘) • 编码器又称编码盘或码盘，是一种旋转
式测量元件，通常安装在被检测轴上， 随被测轴一起转动，可将被测轴的机械 角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的 代码形式。它具有精度高、结构紧凑和 工作可靠等优点，常在半闭环伺服系统 中作为角位移数字式检测元件。
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• 1．前后台型软件结构
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2．中断型软件结构
• 中断型软件结构除了初始化程序之外，整个系 统软件的各种任务模块被分别安排在不同级别 的中断程序中，整个软件就是一个大的中断系 统。其管理的功能主要通过各级中断服务程序 之间的相互通信来解决。
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•单微处理器结构具有如下特点。
•①结构简单，容易实现。 •②处理器通过总线与各个控制单元相连，完 成信息交换。 •③由于只用一个微处理器来集中控制，其功 能受到微处理器字长、数据宽度、寻址功能和 运算速度等因素的限制；由于插补等功能由软 件来实现，因此，数控功能的实现与处理速度 成为一对矛盾。
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4．光栅测量系统
• (1)光栅测量的基本电路 • 光栅测量系统由光源、透镜、光栅尺、光敏元
件和一系列信号处理电路组成，如图2-23所示。 信号处理电路又包括放大、整形和鉴向倍频。
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1．光栅的结构
• 光栅装置的结构由标尺光栅和光栅读数头 两部分组成。光栅读数头由光源、透镜、 指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。
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•
图2-20 光栅尺
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• 2．光栅的工作原理
•在安装时，将两块栅距相同、黑白宽度相同的 标尺光栅和指示光栅刻线面平行放置，将指示光 栅在其自身平面内倾斜一很小的角度，以便使它 的刻线与标尺光栅的刻线间保持一个很小的夹角 。这样，在光源的照射下，就形成了光栅刻线几 乎垂直的横向明暗相同的宽条纹，即莫尔条纹。
• CNC装置从所使用的计算机类型来看，有 专用计算机数控装置(简称专机数控)和通 用个人计算机数控装置(简称PC数控)两种 结构。
• 1．专用计算机组成的数控体系结构
• 专用计算机数控按组成CNC装置的电路板 的结构特点可分为大板式结构和模块化结 构两类，按CNC装置内的微处理器(CPU) 数量可分为单微处理器和多微处理器结构 两类。
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2．PLC的工作方式
• PLC的基本工作方式是顺序执行用户程序，每 一时刻执行一条指令，由于相对于外部电气信 号有足够的执行速度，从宏观上看是实时响应 的。对用户程序的执行一般有循环扫描和定时 扫描两种，扫描过程分为三个阶段，即输入采 样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，
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•第二章数控机床数控系统 •结构与维修
2.1 数控系统组成与原理 2.2 数控系统硬件 2.3 数控系统软件 2.4 可编程控制器(PLC) 2.5 数控机床检测装置
2.6 伺服驱动系统 2.7 数控系统诊断技术及维修
• (3)输入接口接收机床操作面板的各开关信号、 按钮信号，机床上的各种限位开关信号以及数 控系统各个功能模块的运行状态信号，若输入 的是触点输入信号，要消除其振动。
• (4)输出接口是将各种机床工作状态灯的信息 送至机床操作面板上显示，将控制机床辅助动 作信号送至电柜，从而控制机床主轴单元、刀 库单元、液压单元、冷却单元等的继电触器。
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2.2 数控系统硬件
• 一、 CNC的硬件构成 • 计算机部分 • 电源部分 • 面板接口和显示接口 • 开关量I/O接口 • 内装型PLC部分 • 伺服输出和位置反馈接口 • 主轴控制接口 • 外设接口
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二、 CNC的体系结构
• 中断优先级共8级，0级最低，7级最高，除了 第4级为硬件中断完成报警功能外，其余均为 软件中断。
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二、CNC系统软硬件的界面
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•图2-8 三种典型CNC系统的软硬件界面
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三、CNC控制软件的特点
• 1．多任务并行处理 • 2．实时中断处理
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•第二章 机床数控系统结构与维修
•2.1 数控系统组成与原理
•一、 CNC系统组成
• 1．操作面板 • 2．输入／输出装置 • 3．计算机数控装置(CNC装置) • 4．伺服单元 • 5．驱动装置 •6．可编程逻辑控制器(PLC)
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•光栅是一种最常见的测量装置，是在玻璃或金属基 体上均匀刻划很多等节距的线纹而制成的。其制作 工艺是在一块长形玻璃上用真空镀膜的方法镀上一 层不透光的金属膜，再涂上一层均匀的感光材料， 然后用照相腐蚀法制成等节距的透光和不透光相间 的线纹，这些线纹与运动方向垂直，线纹间的距离 为栅距，而单位长度上的线纹数目称为线纹密度。
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2.3 数控系统软件
•一、CNC的软件结构类型 •软件结构取决于CNC系统中的软件和硬件的分工 ，也取决于软件本身的工作性质。在信息处理方面 ，软件和硬件在逻辑上是等价的，有些由硬件能完 成的工作在原则上也能由软件完成。 •CNC系统是一个实时的计算机控制系统，其数控 功能是由各种功能子程序实现的。不同的系统软件 结构对这些子程序的安排方式不同，管理方式也不 同。在单CPU的数控系统中，常采用前后台型的 软件结构和中断型软件结构。
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•1．光电式编码器的结构
•图2-15 光电脉冲编码器结构 •1-电路板；2-圆光栅； •3-指示光栅；4-轴； •5-光敏元件；6-光源； •7-连接法兰。
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• 2．光电编码器的工作原理
•增量式光电编码器能够把回转件的旋转方 向、旋转角度和旋转角速度准确地测量出 来，然后通过光电转换将其转换成相应的 脉冲数字量，然后由微机数控系统或计数 器计数得到角位移或直线位移量。绝对式 光电脉冲编码器可将被测转角转换成相应 的代码来指示绝对位置而没有累计误差，