第二章 数控系统与接口技术

第二章 计算机数控系统及其接口技术
第一节 计算机数控系统概述
早期的数控机床没有计算机，纯粹用小规模集成电路作为信 息存储和数字计算，通常叫硬件数控（NC），后来有了计算机， 用计算机研制数控系统的速度大大提高，这样的数控系统叫计算 机数控（CNC），就是我们研究的这种。
一．数控机床工作过程
按要求把被加工的机械零件，如形状、尺寸等信息人工或
5. 交流电源，直流电源
6. 计算机CPU只能处理TTL电平 控制强电抗干扰的概念：TLP521 ULN2803A
带达林顿三极管的光电隔离元器件:元件如ULN2003，ULN2803A 等等，输出电流大，可以直接驱动频率较低的负载 ,如图TLP521 和达林顿管组成ULN2003和ULN2803A光电耦合驱动器芯片。
KMR KMF
KMF KMF KMR
J2
KMR
三相交流异步电机手动正反转、电磁抱闸制动控制
A BC QS FU
KMF
KMR
KR
M 3~
KT
KR SB
KM
SBF
KMR KMF
NC
KMF SBR
KMF KMR
KM KMR
三相交流异步电机计算机控制正反转、电磁制动控制
A BC QS
FU
D1 光电隔离
J1
}
main()
{
int a，b;
a=inportb(0x150);
b=0x02&a;
if(b!=0)
printf(“没有物体靠近”) ;
else
（三） 外设通过并行输入/输出接口卡把信号输入给计算机 1．外设是TTL电平的信号
3. 做为机械类专业常见计算机接口电路实际情况
使并行输入/输出卡与外设协调一致工作的电路
2. 计算机接口电路的概念
使CPU与外设协调一致工作的电路
3. 做为机械类专业常见计算机接口电路实际情况
使并行输入/输出卡与外设协调一致工作的电路
4. 光电隔离的概念
在计算机控制与检测系统，强电对弱电产生影响使计算机不能 正常工作，叫强电对弱电产生干扰
KMR
SBF KR
SB
KMF SBR
KMR KMF KMF KMR
KR
M 3~
KMR
三相交流异步电机计算机控制正反转、制动控制
A BC QS
FU
D1 光电隔离
J1
D2 光电隔离
J2
D3 光电隔离
J3
KMF
KMR
KR
M 3~
KR J3
J1
KMR KMF
KMF KMF KMR
J2
KMR
三相交流异步电机手动正反转、电磁抱闸制动控制
④ 计算机控制强电方案4： 带固态继电器的并行输入/输出卡＋交流继电器＋电机 如图2－15
继电器输出板
光电式接近开关信号读入计算机
兰色，正极的地
棕色，正极10－30V
R1 R2
0X150口的地线 0X150口的D1位
＃include “dos.h”
printf(“有物体靠近”);
＃include “conio.h”
（二） 计算机通过并行输入/输出接口卡输出信号控制外设 1. 外设是不大于 5 伏的信号 外设取发光二极管，额定电压2伏,额定电流20毫安,这时外设的 电压对计算机不产生干扰，不需采取抗干扰措施。用IPC5313并行 输入/输出卡的0X150口的D1位，每个口有D0、D1、……、D7共8 个接线位,每个口有二个连在一起的“地” 接线位,硬件电路图如图 2－8，忽略其他电阻，R=(5/0.02)=250欧,该卡内部进行取非设计， 输出1为低电平，输出0为高电平，输出11111101B＝fdH，D1位为0 发光二极管亮，D1位是1发光二极管就不亮，使发光二极管亮的C 语言程序：
图2－7 TTL电平 — 光 — 强电
Anode Cathode Emitter Collector
阳极 负极 发射极 集电极
ULN2003N
2.接口电路的概念
使计算机的CPU与外设能够协调一致工作的电路叫计算机接 口电路，简称计算机接口。这里说的外设是除了CPU之外的所有 设备，象存储器、键盘、显示器等等。通常计算机CPU与这些外 设的接口已经设计好了，CPU与串行、并行接口也已经设计好了， 我们做的接口是传感器、强电等等电路与串行、并行接口的接口 电路。串行、并行接口也只能处理TTL电平，我们所谓设计接口 电路，就是把传感器、强电等等电路的信号与串行、并行接口的 TTL电平协调起来，以便计算机能处理。
第二节 计算机并行输入/输出接口电路分类及设计原理
一． 计算机并行输入/输出接口电路的分类及其设计 （一） IPC5313型32路并行输入/输出接口卡简述 该卡是基于ISA总线，有0x150，0x151，0x152，0x153四个口地 址，每个口地址10个引脚，两个引脚是地线，其他8个引脚是数据 位线，分别对应D0，D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7位，所以该 卡共有40个引脚。可以用C语言，8088汇编语言编程使CPU与外设 交换数据信息。
这种方案又分两种情况： ① 计算机向并行输入输出卡的D1位发出持续高电平，
电机运转；发出低电平电机停转
② 计算机向并行输入输出卡的D1位发出持高电平， J自保，电机运转，再向D1位发出低电平，电机持续运转； J1的常闭触点串联到控制回路，计算机向D2位发出高电 平，J1的常闭触电断开，电机停转
在第一章学习过数控机床的组成：
控制介质，数控装置，伺服系统，
电源模块分直流和交流电源模块，通过变压器，整流稳压等等 获得各种电压的电源。
（一）交流电源的获得 三相交流电源的电压：任意两根火线之间380伏，任意一根火
线和零线之间是220伏。变电压器上已经标注好输入端及其接的电 压，输出端及输出电压，在数控机床上常见的交流变压器输入端： 交流380V，220V。输出端常见110V，36V，24V，12V。
KMR KMF
KMF KMF KMR
J2
KMR
电磁抱闸
计算机控制强电方案1: 向并行接口卡（芯片）发出持续信号 ⒍ 光电隔离 - 直 流继电器 - 交流接触器 - 设备
计算机控制强电方案1: 并行接口卡（芯片）-光电隔离-直流继电器-交流接触器-设备 计算机控制强电方案2: 并行接口卡（芯片）－固态继电器－交流接触器－设备 计算机控制强电方案3: 并行接口卡（芯片）－固态继电器－设备
＃include “dos.h” main() { int a; a=0x0fd; outportb(0x150,a); }
使发光二极管亮的8088汇编语言程序： MOV DX，150H MOV AL，0FDH OUT DX，AL
2．外设是大于 5 伏的信号
(1) 方案1：并行输入/输出卡＋光电隔离＋直流继电 器＋交流继电器＋电机
D2 光电隔离
J2
D3 光电隔离
J3
KMF
KMR
KR
M 3~
J3
NC
KR J3
KM
KT
KM
J1
KMR KMF
KMF KMF KMR
J2
KMR
电磁抱闸
计算机控制强电方案2: 并行接口卡（芯片）－固态继电器－交流接触器－设备
计算机控制强电方案3: 并行接口卡（芯片）－固态继电器－设备
选择输入＋5V,输出可接交流220V的固态继电器控制 220V交流灯泡。用IPC5313卡151H口的D1位，如图2－ 13,控制灯泡亮的C语言程序如下：
三相交流异步电机手动正反转、制动控制
A BC QS
FU
KMF
KMR
SBF KR
SB
KMF SBR
KMR KMF KMF KMR
KR
M 3~
KMR
三相交流异步电机计算机控制正反转、制动控制
A BC QS
FU
D1 光电隔离
J1
D2 光电隔离
J2
D3 光电隔离
J3
KMF
KMR
KR
M 3~
KR J3
J1
上述变压、整流、滤波、稳压计算理论在电工学课程全部学 习过，不再论述。现在整流、滤波、稳压元器件都已经集成化， 有整流块、滤波器、稳压块，如图2－6所示。
整流桥模块
滤波器模块
图2－6 整流块、滤波器元件
三. 避免电压干扰的光电隔离元件
（一）TTL电平的概念
在计算机控制系统，经过CPU处理的信号都是TTL电平，高 电平5.0伏，事实上3.5－5.0伏CPU都处理为高电平，设计电路时 按5.0伏设计；低电平0.0伏，事实上0－0.5伏CPU都处理为低电 平，设计电路时按0.0伏设计。通常把高于5.0伏的电压信号叫强 电，把TTL电平的电压信号叫弱电。
外设是大于5伏的电压可能对CPU的TTL电平产生干扰，所以 要采用光电耦合器进行光电隔离，使外设电压不能干扰计算机 TTL电平，如外设是24伏的直流继电器，如图2－9采用中间继电 器控制，程序同图2－8的程序，D1位为1时，中间继电器线圈J 不带电；D1位为0时，中间继电器线圈J带电。因J通断电瞬间产 生很大的自感电动势，加续流二极管D，产生的自感电流在J和D 之间消耗掉。中间继电器线圈带电后,常开触电闭合,接通交流继 电器的线圈的220伏交流电,交流继电器三对常开触电闭合,将380 伏交流电接到交流电机,电机就运转起来了,电气控制原理图如图 2-9所示。
图2－2 交流变压器
（二）直流电源的获得 直流电源的获得是把交流电源经过变压、整流、滤波、稳压 获得的，其过程如图2－3所示，典型电路如图2－4，整流滤波稳 压前后负载上电压波形图如图2－5。
图2－3 变压整流滤波稳压原理图
图2－4 典型变压整流滤波稳压电路图