【正文】 內(nèi)的可編程控制器。它通過(guò)數(shù)控裝置的鍵盤(pán)進(jìn)行編程，主要用來(lái)對(duì)復(fù)雜的數(shù)控機(jī)床的開(kāi)關(guān)量深入輸出進(jìn)行控制。 機(jī) 內(nèi) P L C 板顯 示 器計(jì) 算 機(jī) 板鍵 盤(pán) 板I / O 板反 饋 板通 信 口刀 架 控 制伺 服 單 元變 頻 器機(jī) 械 手刀 架進(jìn) 給 電 機(jī)反 饋 元 件主 軸 電 機(jī) 數(shù)控技術(shù)操作手冊(cè) 29 圖 41 數(shù)控裝置的基本組成 6）通訊口為數(shù)控裝置聯(lián)系及傳送加工程序， 同時(shí)也滿足 DNC和 FMS的要求。它一般以串行方式進(jìn)行通訊。 7） 位控驅(qū)動(dòng)器通常不屬于數(shù)控裝置本身。但隨著高可靠性數(shù)控裝置的不斷發(fā)展，制造商為了提高整體的可靠性，向免維修方向發(fā)展，也把位控驅(qū)動(dòng)器功放部分包括在數(shù)控裝置的范圍內(nèi)。 8） 反饋傳感器 ID、 執(zhí)行電機(jī) 、反饋鏈、刀架機(jī)械手、主軸均不屬數(shù)控裝置的范圍。但它們與數(shù)控裝置一起構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)。 CNC 數(shù)控裝置的原理及結(jié)構(gòu) CNC的硬件結(jié)構(gòu)一般分為兩類(lèi)：一類(lèi)是單 CPU結(jié)構(gòu)；另一類(lèi)為多 CPU結(jié)構(gòu)。 CNC的軟件結(jié)構(gòu) 一般也分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是前后臺(tái)型；另一類(lèi)為中斷型。 硬件和軟件的結(jié)合才能真正構(gòu)成 CNC裝置 ，才能發(fā)展 CNC的各項(xiàng)功能。（有人把硬件比作軀體，把軟件比作靈魂。）下面從硬件和軟件兩個(gè)方面來(lái)介紹 CNC的基本結(jié)構(gòu)。 單 CPU 形式 單 CPU形式（如圖 52所示）各部分作用如下： （ 1） CPU組件是整個(gè)數(shù)控裝置的核心，包括 CPU、時(shí)鐘、總線驅(qū)動(dòng)及地址譯碼，它是一個(gè)最基本的單元。 數(shù)控技術(shù)操作手冊(cè) 30 輸 入接 口輸 出接 口通 信接 口串 行接 口顯 示接 口鍵 盤(pán)接 口輔 助 輸出 接 口C P U總線驅(qū)動(dòng)R O M R A MP C （ 或 p c 接 口 ）位 控單 元位 控單 元位 控單 元主 軸輸 出速 度單 元速 度單 元速 度單 元速 度單 元M M M MX Y Z 主 軸M S TD / AD / AD / A D / A圖 42 單微機(jī)處理器 結(jié)構(gòu) CNC框圖 （ 2）顯示、鍵盤(pán)是 CNC人機(jī)對(duì)話的基本部件。它的特點(diǎn)是顯示器與鍵盤(pán)往往做在一個(gè)面板上，并且鍵盤(pán)較標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)少，只用一些數(shù)控語(yǔ)言所用的鍵。對(duì)于現(xiàn)代化 CNC，一些產(chǎn)品的鍵盤(pán)采用了觸摸屏鍵，提高了可靠性。 （ 3）控制器接口，實(shí)際上是對(duì) CNC的控制、檢測(cè)對(duì)象專(zhuān)門(mén)設(shè)置的接口。 （ 4） RAM、 ROM為 CNC的系統(tǒng)組件。 RAM存放各種數(shù)據(jù)及用戶(hù)軟件（加工程序等） （ 5）開(kāi)關(guān)量 /數(shù)據(jù)量輸入是一個(gè)開(kāi)關(guān)量及數(shù)字量輸入的匹配器，它把機(jī)床的各種開(kāi)關(guān)量信號(hào)（如刀架回答信號(hào)）及 各種數(shù)字信號(hào)（如裝置反饋信號(hào)）轉(zhuǎn)換成符合控制器接口的輸入電壓的工作范圍。 （ 6）開(kāi)關(guān)量輸出是把控制器接口信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)床開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)的各種范圍 （ 7）速控單元在這里是指進(jìn)給電機(jī)、主軸電機(jī)的控制轉(zhuǎn)換器。它對(duì)不同的進(jìn)給電機(jī)、主軸電機(jī)采用不同的速控單元。 （ 8）位換單元是進(jìn)給電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部件。也可以作為帶準(zhǔn)停功能主軸電機(jī)的數(shù)控技術(shù)操作手冊(cè) 31 驅(qū)動(dòng)部件。對(duì)于不同的伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)部件是不一樣的。在訂購(gòu) CNC裝置時(shí)，必須說(shuō)明是何種驅(qū)動(dòng)裝置。 多 CPU 結(jié)構(gòu) 多 CPU主要根據(jù)各部分的工 作特征而設(shè)計(jì)成多個(gè) CPU控制。這種方式的優(yōu)點(diǎn)為：①在同樣的性能下降低了 CPU的負(fù)擔(dān)，既可以用較低檔的 CPU完成高性能的控制。②從便于分塊開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的角度看便于邊生產(chǎn)邊改進(jìn)。③適于多人開(kāi)發(fā)，可以快出產(chǎn)品。 多 CAN結(jié)構(gòu)的一般形式如圖 43所示，下面分別介紹如下： 顯 示 器從 C P U ( 1 ) 板P L C從 C P U（ 2 ） 板從 C P U（ 3 ） 板位 控 數(shù) 控單 元鍵 盤(pán) 板主 C P U 板反 饋 板 圖 43 多 CPU硬件結(jié)構(gòu) (1) 主 CPU板 主要是完成系統(tǒng)的管理及實(shí)時(shí)插補(bǔ)運(yùn)算，它是整個(gè)數(shù)控裝置的核心，對(duì)于不同檔次的 CNC，其插補(bǔ)形式多可以在這里逐步深入 進(jìn)行。 (2) 從 CPU（ I）板 專(zhuān)門(mén)用來(lái)作顯示、鍵盤(pán)的管理。對(duì)于不同形式的顯示、鍵盤(pán)等?？梢酝ㄟ^(guò)單獨(dú)開(kāi)發(fā)這一部分，形成多種形式的顯示，鍵盤(pán)形式如 CRT顯示，液晶顯示，觸摸屏等功能。 (3) 從 CPU（ II）板 其給定是主 CPU板的輸出，誤差計(jì)算是通過(guò)給定與反饋量之差求得。用于直接控制位控出控單元。 (4) 從 CPU（ III）板 主要是負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)量的輸入輸出，實(shí)際上它可以是一個(gè)PLC。一般卻要 256點(diǎn)以上的 PLC才采用獨(dú)立的 CPU（ III）板。 多 CPU結(jié)構(gòu)中， CPU之間 的通訊根據(jù)實(shí)際需要和量串行。也可以量并行通訊。如主 CPU與 CPU（ III）之間采用并行通訊。而主 CPU與從 CPU（ I）之間采用串行通訊。 數(shù)控技術(shù)操作手冊(cè) 32 軟件功能及組成 軟件的形式比硬件要多，但比較典型的為前后型和中斷型。著兩種軟件結(jié)構(gòu)都有各自的特點(diǎn)。下面作一些簡(jiǎn)單介紹。 前后臺(tái)型軟件分為前臺(tái)程序和后臺(tái)程序兩部分。前臺(tái)程序?yàn)橹袛喾?wù)程序。主要用于實(shí)時(shí)的輸入輸出。后臺(tái)程序（亦稱(chēng)背景程序）用于系統(tǒng)管理、加工程序的預(yù)處理、顯示等。前后臺(tái)型程序結(jié)構(gòu)框圖如圖 。此結(jié)構(gòu)框圖只是反映了前后臺(tái)型軟件的基本思路。實(shí)際前后臺(tái)程序編制時(shí)因人而異，細(xì)節(jié)上差別較大。因此我們只能從總體上加以說(shuō)明。 (1) 后臺(tái)程序主要完成硬件的初始化，系統(tǒng)運(yùn)行管理，包括編輯、運(yùn)算、回、手動(dòng)、 MDI等運(yùn)行管理，并不斷的設(shè)定前臺(tái)程序、中斷參數(shù)。如兩次中斷的時(shí)間間隔等。 (2) 前臺(tái)程序分隨機(jī)中斷和參數(shù)定時(shí)中斷兩個(gè)程序。參數(shù)定時(shí)中斷為輸出程序，原則上按運(yùn)行管理所確定的中斷參數(shù)產(chǎn)生中斷。中斷服務(wù)程序就是前臺(tái)程序本身，在前臺(tái)程序中負(fù)責(zé)對(duì)后臺(tái)提供的進(jìn)給、輔助功能等輸出量進(jìn)行輸出。隨機(jī)中斷通常 為反饋量引起的外部中斷。具體指當(dāng)進(jìn)給位移傳感器、刀架、機(jī)械手到位信息等，在出現(xiàn)狀態(tài)變化時(shí)要引起中斷。 中斷型軟件結(jié)構(gòu)把 輸出反饋輸入、編輯、手動(dòng)、指令預(yù)處理等都作為中斷程序，只是它們的中斷優(yōu)先級(jí)要按實(shí)際的要求預(yù)先確定。主程序只是負(fù)責(zé)系統(tǒng)硬件的初始化和基本中斷管理。如圖 54所示。 上 電 復(fù) 位 初 始 化 程 序N級(jí)中斷服務(wù)程序上 電 / 復(fù) 位 初 始 化 程 序2級(jí)中斷服務(wù)程序1級(jí)中斷服務(wù)程序 0級(jí)中斷服務(wù)程序圖 54 中斷型軟件結(jié)構(gòu)原理圖 數(shù)控技術(shù)操作手冊(cè) 33 顯示及鍵盤(pán)工作原理 顯示的鍵盤(pán)是 CNC人機(jī)對(duì)話的基本設(shè)備。從硬件上來(lái)說(shuō)，它們往往是做在一個(gè) 面板上的，但軟件一般都是獨(dú)立的。 一、顯示器 顯示器是 CNC必不可少的基本設(shè)備。顯示器的檔次高低雖然幾乎不影響到 CNC的加工精度及功能，但能對(duì)操作者帶來(lái)一些方便，也襯托了整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的檔次。 顯示器一般分 LED、數(shù)碼液晶、 CRT、圖形液晶等四大類(lèi)型。下面我們一作簡(jiǎn)單介紹 LED亦稱(chēng)發(fā)光二極管。它是由多段發(fā)光二極管組合成數(shù)碼。通常 LED顯示器一排由 8位以上組成，最左邊一位用“米”字管，可顯示幾個(gè)字母，其余 7位用 8段數(shù)碼管（含小數(shù)點(diǎn)）組成。 數(shù)碼液晶顯示器的優(yōu)點(diǎn)是功耗小。用液晶顯示器的數(shù)控裝置電腦部分的功耗比 LED數(shù)控裝置電腦部分的功耗小 1/4左右。有些廠家將驅(qū)動(dòng)與電腦部份分開(kāi)做了分體式。用液晶作顯示器，電腦部分做成密封形式，粉塵等很難進(jìn)入內(nèi)部，可靠性大大增加，做到免維修。 數(shù)碼液晶顯示器也是分 8 段及一些特定的字符。這些字符在制造液晶屏?xí)r已定好了，形式上 LED相似。數(shù)碼液晶顯示器的缺點(diǎn)：亮度比 LED 低。在明亮的車(chē)間內(nèi)，觀察字符有些吃力。有些在顯示加上背景亮度調(diào)節(jié)效果將得到改善。 CRT顯示器是前幾年用的較多的一種。目前，它逐步被圖形液顯所取代。 CRT顯示器是以顯像管為顯示器輸出。一般均采用電磁偏轉(zhuǎn)技術(shù)，與計(jì)算機(jī)中的顯示器相似。數(shù)控系統(tǒng)中大部分采用單色顯示器，其原理結(jié)構(gòu)圖如圖 57所示。 CRT顯示器作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)部件，在 CNC開(kāi)發(fā)中只需按照各種 CRT顯示器的傳輸協(xié)議設(shè)置好，就可以正常使用。 圖形液晶顯示器是一種點(diǎn)陣式的液晶顯示器。它與數(shù)碼液晶的主要區(qū)別是不但能像數(shù)碼液晶那樣顯示字符，還能像 CRT那樣顯示圖形，而且可以產(chǎn) 生圖形顯示的效果。有時(shí)在編程或加工過(guò)程中以圖形形式顯示出來(lái)更加直觀。它也是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)部件。 CNC開(kāi)發(fā)時(shí)只需將液晶顯示器的設(shè)置進(jìn)行初始化，按協(xié)議傳遞相應(yīng)的信息即可。圖形液晶顯示器近年來(lái)附加了觸摸膜組成觸摸屏，并作數(shù)控顯示器的發(fā)展方向。 數(shù)控技術(shù)操作手冊(cè) 34 二、鍵盤(pán) CNC中的鍵盤(pán)有一定的要求。通常對(duì)于編輯中所用的鍵采用縱橫掃描式讀鍵。有些鍵采用直接式，一個(gè)鍵用一根線。如 MON鍵、啟動(dòng)鍵、暫停鍵、急停鍵、手動(dòng)進(jìn)刀方向鍵及功能轉(zhuǎn)換鍵等就是直接式。 參考文獻(xiàn) 【 1】 張建生 . 數(shù)控技術(shù)應(yīng)用及數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā) .1 版 . 北京：國(guó)防工業(yè)出版社 , 2021. 【 2】 比承恩 . 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床 . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 , 1991. 【 3】 王貴明 . 數(shù)控實(shí)用技術(shù) . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 , 2021. 【 4】 王永章 . 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