数控系统中计算机接口技术及其应用,光电隔离的概念、原.ppt

1.1.上半学期我们学习了机床电气控制技术上半学期我们学习了机床电气控制技术 继电器接触器控制系统继电器接触器控制系统-介绍了常用低压电器，及介绍了常用低压电器，及其手动或机动控制电路的控制原理和设计其手动或机动控制电路的控制原理和设计 可编程序控制器可编程序控制器PLC-PLC-介绍了介绍了PLCPLC基本原理，用基本原理，用PLCPLC进行工业控制的设计理论方法和实例进行工业控制的设计理论方法和实例 直流调速系统直流调速系统-介绍了直流电机的调速原理介绍了直流电机的调速原理 交流调速系统交流调速系统-介绍了交流电机的调速原理介绍了交流电机的调速原理 先行知识回顾：先行知识回顾：2.2.最近学习的数控机床第一章序论最近学习的数控机床第一章序论 什么是数控机床什么是数控机床-用计算机数字控制信号对机床进用计算机数字控制信号对机床进行控制行控制 数控机床原理数控机床原理-组成，工作原理，分类，特点组成，工作原理，分类，特点 数控机床应用范围数控机床应用范围-批量小常改型精度高形状复杂批量小常改型精度高形状复杂 数控机床的发展数控机床的发展-FMS CAD/CAM CIMS RMSFMS CAD/CAM CIMS RMS控制强电机床电气控制技术体现控制机床数控机床如何实现计算机控制强电并与强弱电沟通信息？数控机床如何实现计算机控制强电并与强弱电沟通信息？控制强电控制强电计算机控制计算机控制控制机床控制机床 第二章第二章 数控系统的计算机接口与控制技术数控系统的计算机接口与控制技术第一节第一节 基本概念基本概念一一.计算机组成计算机组成 硬件：硬件：能够看得见摸得着的实体部分，如能够看得见摸得着的实体部分，如CPU,CPU,存储器、存储器、键盘、显示器等等。键盘、显示器等等。软件：软件：看不见摸不着的程序部分，如操作系统程序，看不见摸不着的程序部分，如操作系统程序，用户程序用户程序,系统控制程序，加工零件程序等等系统控制程序，加工零件程序等等。硬件软件的关系：硬件软件的关系：二者相互依存，缺一不可。二者相互依存，缺一不可。二二.计算机接口的概念计算机接口的概念使计算机的使计算机的CPUCPU与外设能够协调一致工作的电路叫计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。算机接口电路，简称计算机接口。通常计算机通常计算机CPUCPU与这些外设的接口已经设计好了，与这些外设的接口已经设计好了，CPUCPU与串行、并行接口也已经设计好了，我们做的接口是传与串行、并行接口也已经设计好了，我们做的接口是传感器、强电、弱电等等电路与处理感器、强电、弱电等等电路与处理TTLTTL电平的串行、并行电平的串行、并行接口的接口电路。接口的接口电路。例如：例如：IPC5313IPC5313 并行输入并行输入/输出接口卡是一款商品化了的通输出接口卡是一款商品化了的通用的系统计算机接口卡，由专业厂家设计制造成产品。用它可以用的系统计算机接口卡，由专业厂家设计制造成产品。用它可以把外设的开关量读入计算机，也可以通过该接口卡对强电进行控把外设的开关量读入计算机，也可以通过该接口卡对强电进行控制。这是用该接口卡，在系统计算机上，用制。这是用该接口卡，在系统计算机上，用C C语言控制语言控制220220V V灯泡灯泡的实验。的实验。另外还有很多单片机用的接口芯片，等等。另外还有很多单片机用的接口芯片，等等。IPC5313IPC5313接口卡基本参数：接口卡基本参数：n四个已经设计好的口地址：四个已经设计好的口地址：0 x1500 x1510 x1520 x153n每个口地址有每个口地址有8根数据线：根数据线：0 x150口口：1，2，38号数据线，号数据线，9，10号地线内部连接号地线内部连接0 x151口口：11，12，1318号数据线，号数据线，19，20号地线内部连接号地线内部连接0 x152口口：21，22，2328号数据线，号数据线，29，30号地线内部连接号地线内部连接0 x153口口：31，32，3338号数据线，号数据线，39，40号地线内部连接号地线内部连接数据线地线共数据线地线共40条，各个口的条，各个口的8条数据线分别对应条数据线分别对应8位数据：位数据：D0D1D2D3D4D5D6D7用用C语言语言inportb和和otportb指令，指令，8088汇编语言的汇编语言的in和和out指令，指令，通过接口卡实现对外设的控制通过接口卡实现对外设的控制和信息沟通和信息沟通第二节第二节 模块化基本设备模块化基本设备一一.交流电源模块交流电源模块 三相交流电源的电压：任意两根火线之间三相交流电源的电压：任意两根火线之间380380伏，任意一根火伏，任意一根火线和零线之间是线和零线之间是220220伏。伏。变电压器上已经标注好输入端及其接的电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：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：交流交流380380V V，220V220V。输出端常见：输出端常见：110110V V，36V36V，24V24V，12V12V。二二.直流电源的获得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，其过程如下图得的，其过程如下图4 4所示，典型桥式整流电路如图所示，典型桥式整流电路如图5 5，整流滤波稳，整流滤波稳压前后负载上电压波形图如图压前后负载上电压波形图如图6 6。图图4 4 变压整流滤波稳压原理图变压整流滤波稳压原理图图图5 5 典型变压整流滤波稳压电路图典型变压整流滤波稳压电路图半波整流滤波稳压负载电压波形半波整流滤波稳压负载电压波形 桥式整流滤波稳桥式整流滤波稳压负载电压波形压负载电压波形 图图6 6 半波整流和全波整流滤波稳压电压波形图半波整流和全波整流滤波稳压电压波形图三三.抗干扰的概念抗干扰的概念 在计算机控制系统，经过在计算机控制系统，经过CPUCPU处理的信号都是处理的信号都是TTLTTL电平，高电平电平，高电平5.05.0伏，事实上伏，事实上2.52.55.05.0伏伏CPUCPU都处理为高电平，设计电路时按都处理为高电平，设计电路时按5.05.0伏设计；低电平伏设计；低电平0.00.0伏，事实上伏，事实上0 00.50.5伏伏CPUCPU都处理为高电平，设计都处理为高电平，设计电路时按电路时按0.00.0伏设计。通常把高于伏设计。通常把高于5.05.0伏的电压信号叫强电，把伏的电压信号叫强电，把TTLTTL电平的电压信号叫弱电。而有时候强电对弱电产生影响，破坏了弱电平的电压信号叫弱电。而有时候强电对弱电产生影响，破坏了弱点的电压，使点的电压，使CPUCPU不能正常工作叫干扰。克服干扰的措施通常是采不能正常工作叫干扰。克服干扰的措施通常是采用光电耦合器把强电和弱点隔离开，消除强电对弱电的影响。用光电耦合器把强电和弱点隔离开，消除强电对弱电的影响。光电耦合器是目前在单片机和开关电源中用得最多的抗干扰器光电耦合器是目前在单片机和开关电源中用得最多的抗干扰器件。光耦合器（件。光耦合器（opticalcoupleropticalcoupler，英文缩写为英文缩写为OCOC）亦称光电隔离亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件，器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管通常把发光器（红外线发光二极管LEDLED）与受光器（光敏半导体管）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加封装在同一管壳内。当输入端加TTLTTL电信号时发光器发出光线，受电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电电光光电电”转换，如图转换，如图7 7。图27 光电耦合器原理及产品图 接口卡接口卡D1图图7光电耦合器工作原理光电耦合器工作原理第三节第三节 计算机并行输入计算机并行输入/输出接口电路分类及其设计原理输出接口电路分类及其设计原理一计算机通过并行输入一计算机通过并行输入/输出接口卡输出输出接口卡输出TTLTTL电平给外设电平给外设 1.1.外设是不大于外设是不大于5 5伏的信号伏的信号 外外设设取取发发光光二二极极管管，额额定定电电压压2 2伏伏,额额定定电电流流2020毫毫安安,这这时时外外设设的的电电压压对对计计算算机机不不产产生生干干扰扰，不不需需采采取取抗抗干干扰扰措措施施。用用IPC5313IPC5313并并行行输输入入/输输出出卡卡的的0 0X150X150口口的的D1D1位位，每每个个口口有有D0D0、D1D1、D7D7共共8 8个个接接线线位位,每每个个口口有有二二个个连连在在一一起起的的“地地”接接线线位位,硬硬件件电电路路图图如如图图8,8,忽忽略略其其他他电电阻阻，R=(5/0.02)=250R=(5/0.02)=250欧欧,该该卡卡内内部部进进行行取取非非设设计计，输输出出1 1为为低低电电平平，输输出出0 0为为高高电电平平，输输出出1111110111111101B BfdHfdH，D1D1位位为为0 0发发光光二二极极管管亮亮，D1D1位位是是1 1发发光光二二极极管管就就不不亮亮，使使发发光光二二极极管管亮亮的的C C语语言言程序：程序：include“dos.h”include“dos.h”include“conio.h”include“conio.h”main()main()int a;int a;a=0 x0fd;a=0 x0fd;outportb(0 x150,a);outportb(0 x150,a);图图8用用IPC5313并行输入输出卡的并行输入输出卡的150口的口的D1位控制发光二极位控制发光二极 亮亮 D1R D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 地 使发光二极管亮的使发光二极管亮的80888088汇编语言程序：汇编语言程序：MOV DX,150HMOV DX,150H MOV AL,0FDH MOV AL,0FDH OUT DX,AL OUT DX,AL外设是不大于外设是不大于5 5伏的信号设计要点：伏的信号设计要点：*按位操作按位操作 *不考虑光电隔离不考虑光电隔离 2.2.外设是大于外设是大于5 5伏的信号伏的信号 外设大于外设大于5 5伏的电压可能对伏的电压可能对CPUCPU的的TTLTTL电平产生干扰，所以要采电平产生干扰，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用光电耦合器进行光电隔离，使外设电压不能干扰计算机TTLTTL电平，电平，如外设是如外设是2424伏的直流继电器，如图伏的直流继电器，如图9 9采用中间继电器控制，程序同采用中间继电器控制，程序同上，上，D1D1位为位为1 1时，中间继电器线圈时，中间继电器线圈J J不带电；不带电；D1D1位为位为0 0时，中间继电时，中间继电器线圈器线圈J J带电。因带电。因J J通断电瞬间产生很大的自感电动势，加续流二极通断电瞬间产生很大的自感电动势，加续流二极管管D D，产生的自感电流在产生的自感电流在J J和和D D之间消耗掉。中间继电器线圈带电后之间消耗掉。中间继电器线圈带电后,常开触电闭合常开触电闭合,接通交流继电器的线圈的接通交流继电器的线圈的220220伏交流电伏交流电,交流继电器交流继电器三对常开触电闭合三对常开触电闭合,将将380380伏交流电接到交流电机伏交流电接到交流电机,电机就运转起来电机就运转起来了了,电气控制原理图如图电气控制原理图如图1010所示。所示。接口电路图接口电路图中间继电器中间继电器交流继电器交流继电器交流电机交流电机 图图9用并行输入输出卡控制用并行输入输出卡控制24V继电器线圈带电，再通过交流继电器控制电机继电器线圈带电，再通过交流继电器控制电机 交交流流电电机机 PE380伏交流电压伏交流电压KM J KM 计计算算机机并并行行输输入入输输出出板板150H口口的的D1位位J 光电 隔离 电路 图图10计算机控制交流电机电路原理图计算机控制交流电机电路原理图 FU SA 外设是不大于外设是不大于5 5伏的信号设计要点：伏的信号设计要点：*按位操作按位操作 *要考虑光电隔离要考虑光电隔离 *实现了由手动控制过渡到计算机控制实现了由手动控制过渡到计算机控制 *会分析故障原因会分析故障原因 *采采用用固固态态继继电电器器：将将图图9 9所所示示光光电电隔隔离离元元件件和和中中间间继继电电器器合合为为一一体体，做做成成专专用用元元件件，叫叫固固态态继继电电器器，固固态态继继电电器器输输入入端端有有5 5V,+12V,+24VV,+12V,+24V等等，输输出出端端是是直直流流十十几几到到几几千千伏伏，交交流流十十几几到到几几千千伏伏的的都都有有。选选择择输输入入5 5V,V,输输出出可可接接交交流流220220V V的的固固态态继继电电器器控控制制220220V V交交流流灯灯泡泡。用用IPC5313IPC5313卡卡151151H H口口的的D1D1位位，如如图图11,11,控控制制灯灯泡泡亮亮的的C C语语言程序如下：言程序如下：include“dos.h”include“dos.h”include“conio.h”include“conio.h”main()main()int a;int a;a=0 x0fd;a=0 x0fd;/D1/D1位为位为0 0，灯亮；，灯亮；D1D1位为位为1 1，灯灭，灯灭 outportb(0 x151,a);outportb(0 x151,a);图图12 12 输入输入5 5V V固态继电器控固态继电器控 制制220220V V交流灯泡交流灯泡并并行行输输入入/输输出出接口分类接口分类磁尺测量装置的组成和工作原理磁尺测量装置的组成和工作原理：磁性标尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其磁性标尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其他合金材料的基体上，用涂敷、化学沉积或电镀的一层他合金材料的基体上，用涂敷、化学沉积或电镀的一层1020um的导磁材料（的导磁材料（Ni-Co或或Fe-Co合金），在它的表合金），在它的表面上录制相等节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一面上录制相等节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一般为般为0.05、0.1、0.2、1mm。为了防止磁头对磁性膜的磨为了防止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层厚损，通常在磁性膜上涂一层厚12mm的耐磨塑料保护层。的耐磨塑料保护层。磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号输送到检测电路中去。信号输送到检测电路中去。普通录音机上的磁头输出电压幅值与磁通变化率成普通录音机上的磁头输出电压幅值与磁通变化率成比例，属于速度响应型磁头。根据数控机床的要求，为比例，属于速度响应型磁头。根据数控机床的要求，为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁磁通响应型磁头。通响应型磁头。5.5 5.5 旋转变压器位移检测装置旋转变压器位移检测装置 旋转变压器是一种角度测量元件，它是一种小型交旋转变压器是一种角度测量元件，它是一种小型交流电机。在结构上与两相绕组式异步电动机相似，由定流电机。在结构上与两相绕组式异步电动机相似，由定子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到定子绕组上，激磁频率通变压器的副边。激磁电压接到定子绕组上，激磁频率通常为常为400400H H、500H500H、1000H1000H、3000H3000H、5000H5000H，其结构简单、其结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。度大，抗干扰性强，工作可靠。工作原理：工作原理：当激磁电压当激磁电压U U1 1加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组中将产生感生电压，由于转子是可以旋转的，当转绕组中将产生感生电压，由于转子是可以旋转的，当转子绕组磁轴转到与定子绕组磁轴垂直时，如图（子绕组磁轴转到与定子绕组磁轴垂直时，如图（a a）所示，所示，激磁磁通不穿过转子绕组的横截面，因此，感应电压激磁磁通不穿过转子绕组的横截面，因此，感应电压U U2 2为为0 0。当转子绕组磁轴自垂直位置转过任意角度时，转子绕。当转子绕组磁轴自垂直位置转过任意角度时，转子绕组的产生的感应电压组的产生的感应电压U U2 2为为：U1=Umsin tU2=k U1 sin =ksin t sin 5.6感应同步器测量装置感应同步器测量装置5.6.1感应同步器测量装置的组成及工作原理感应同步器测量装置的组成及工作原理工作原理：工作原理：利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信号（极为普遍）。即使滑尺与定尺相互平行，并保持一号（极为普遍）。即使滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生定的间距。向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电磁感应，在定尺上感出感应电压，当滑尺与定尺间产生磁感应，在定尺上感出感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压随位移的变化而变化（相同频率）。随位移的变化而变化（相同频率）。按工作方式不同，感应同步器分为：按工作方式不同，感应同步器分为：相位工作方式（鉴相型系统）相位工作方式（鉴相型系统）幅值工作方式（鉴幅型系统）。幅值工作方式（鉴幅型系统）。相位工作方式：前提相位工作方式：前提供给滑尺的激磁信号为频率、幅供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相位角相差值相同，相位角相差90的交流电压。的交流电压。幅值工作方式：前提幅值工作方式：前提给滑尺绕组通入相位相同、频率给滑尺绕组通入相位相同、频率相同，但幅值不同的励磁电压。相同，但幅值不同的励磁电压。5.6.2感应同步器测量系统感应同步器测量系统1.鉴相测量系统鉴相测量系统讨论题讨论题1.数控机床对位置检测装置有何要求？数控机床对位置检测装置有何要求？2.从指令控制的角度看，开环伺服系统控制精度的基本原从指令控制的角度看，开环伺服系统控制精度的基本原因是什么？半闭环控制系统中，位置反馈信号不能包含因是什么？半闭环控制系统中，位置反馈信号不能包含哪一部分的位置误差？哪一部分的位置误差？3.试述感应同步器的工作原理，并说明相位工作方式。试述感应同步器的工作原理，并说明相位工作方式。4.在逐点比较圆弧插补中，若偏差函数小于零，则刀具在在逐点比较圆弧插补中，若偏差函数小于零，则刀具在（）。）。A、圆内圆内B、圆外圆外C、圆上圆上D、圆心圆心5.数控机床采用刀具补偿后的优点有（数控机床采用刀具补偿后的优点有（）等。）等。A、可减少刀具磨损对加工精度的影响可减少刀具磨损对加工精度的影响B、方便编程和方便编程和选择刀具选择刀具C、方便机床操作方便机床操作D、提高加工速度提高加工速度6、光栅尺是（、光栅尺是（）。）。A、一种能够准确地直接测量位移的工具一种能够准确地直接测量位移的工具B、一种数控系统的功能模块一种数控系统的功能模块C、一种能够间接检测直线位移或角位移的伺服系统反馈一种能够间接检测直线位移或角位移的伺服系统反馈元件元件D、一种能够间接检测直线位移的伺服系统反馈元件一种能够间接检测直线位移的伺服系统反馈元件7.通常情况下，平行于机床主轴的坐标轴是（通常情况下，平行于机床主轴的坐标轴是（）A、X轴轴B、Z轴轴C、Y轴轴D、不确定不确定8.用逐点比较法插补出直线用逐点比较法插补出直线A（0，0），），B（6，5）的插补的插补轨迹，并画图示意之轨迹，并画图示意之.