數控機床與編程寧波大學工學院2013.2第二章數控系統及工作原理

第一節概述第二節數控插補原理第三節數控補償原理第四節位移與速度檢測第五節伺服驅動與控制第六節CNC裝置第七節CNC系統中的可編程控制器（PLC）

CNC系統包括CNC裝置、PLC和部分輸入／輸出設備，其核心是CNC裝置。

CNC裝置由硬件和軟件構成，軟件在硬件的支持下完成所要求的數控功能。

CNC硬件構成（圖）CNC系統的主要功能：接受輸入裝置輸入的加工信息，經處理、計算、發出各種控制命令即輸出相應的指令脈沖，以驅動伺服系統，進而控制機床動作。第六節CNC裝置1.

CPU中央處理器CentralProcessingUnit

2.總線BUS3.存儲器RAMEPROM4.輸入輸出接口I/O5.手動輸入與顯示器MDI/CRT/LCD6.位置控制單元與速度控制單元7.PLCProgrammableLogicController8.紙帶閱讀機CNC裝置的硬件構成CNC系統的硬件組成CNC裝置的軟件是為實現CNC系統的各項功能而編制的專用軟件，又稱為系統軟件。由管理軟件和控制軟件兩大部分組成。CPU的作用微型處理器CPU由運算器和控制器組成。運算器的功能：數據進行算術運算和邏輯運算。控制器的功能：⑴將存儲器中的程序指令進行譯碼。⑵繼而向CNC裝置的執行部件發出控制信號。⑶接收執行部件的反饋信息。微處理器（CPU）主要擔負數控系統的數據處理及實時控制任務。數據處理包括：譯碼、刀補、速度處理。實時控制包括：插補運算、位置控制、各種輔助功能控制。存儲器EPROM

可編程只讀存儲器，又稱程序存儲器，用于存放CNC裝置的系統程序，其上的內容只能由CNC裝置的生產廠家寫入（固化），它只能由CPU讀出，一般不能寫入新內容。RAM

隨即存儲器，又稱數據存儲器，用于存放用戶編寫的加工程序和加工運算的結果。CRTCathodeRayTube

LCDLiquidCrystalDisplayMDIManualDateInputPLC數控系統中利用可編程控制器的邏輯運算功能實現各種開關量的控制。CNC控制過程：根據輸入的信息即加工程序，進行數據處理、插補運算獲得理想的運動軌跡信息，繼而輸出到執行部件，加工出所需要的零件。一、數控裝置硬件結構

硬件結構類型按CNC裝置中各印制電路板的插接方式，可以分為大板式結構和模塊式結構。按CNC裝置中微處理器的個數，可以分為單微處理器結構和多微處理器結構。按CNC裝置硬件的制造方式，可以分為專用型結構和通用型結構。按CNC裝置的開放程度又可分為封閉式結構、PC嵌入NC式結構、NC嵌入PC式結構和軟件型開放式結構。（一）大板式結構和模塊式結構

1．大板式結構

由主電路板、位置控制板、PLC板、圖形控制板和電源單元等組成，其特征是將主電路做成大塊印制電路板，稱為主板，其他電路制成小板，可插在大板的插槽內。主板上是控制核心電路，稱微機基本系統，由CPU、存儲器（ROM和RAM）、定時和中斷等控制電路組成。通常還將CNC裝置一些特有的功能電路（如位置控制電路）和對外接口也制作在主板上。大板式結構緊湊，可靠性高，但其硬件功能不易變動，柔性低。FANUC6MBCNC系統采用大板式結構。2．模塊式結構

特點是將整個CNC裝置按功能劃分為若干個功能模塊，每個功能模塊按模塊化方法做成尺寸相同的印制電路板（稱為功能模板），各板均可插接到符合相應工業標準總線的母板插槽內。對應各功能模塊的控制軟件也是模塊化的。

常用的功能模板有CPU板、擴展存儲器板、位置控制板、PLC板、圖形板和通信板等。連接各模板的總線可選用各種工業標準總線，如工業PCI（PeripheralComponentInterconnect）總線、STD總線等。

模塊化結構的CNC裝置設計簡單，調試與維修方便，具有良好的適應性和擴展性。

FANUC15系列的CNC系統就采用了模塊式結構。

（二）單微處理器結構和多微處理器結構

1．單微處理器結構

只有一個CPU，集中控制和管理整個系統資源，通過分時處理的方式來實現各種數控功能，主要用于經濟性數控機床。優點：投資小，結構簡單，易于實現。缺點：系統功能受到CPU字長、數據寬度、尋址能力和運算速度等因素的限制。在CNC系統發展的初期使用較多，現在已經被多微處理器的主從結構取代。單微處理機CNC結構圖2．多微處理器結構

按各CPU之間的關系又分成主從、多主和分布三種不同的結構。

（1）主從式結構

（2）分布式結構

每個CPU都有自己完整和獨立的系統，即功能模塊。在每個功能模塊內，CPU有自己的運行環境（總線、存儲器、操作系統等），各功能模塊之間采用松耦合，即在空間上可以較分散，通過一條外部通信鏈路連接在一起，采用通信的方式交換信息和共享資源。

（3）多主結構

多主結構的多微處理器CNC裝置中有兩個或兩個以上主CPU及其功能模塊對系統資源有控制或使用權，這些功能模塊之間采用緊耦合，即采用總線互連方式，有集中的操作系統，可共享資源。多個主CPU之間通過總線仲裁器來解決并行總線的爭用問題，通過公共存儲器來交換信息。典型的有共享總線結構、共享存儲器結構。

1）功能模塊①CNC管理模塊：主要完成初始化、中斷管理、總線裁決、系統出錯識別和處理、系統硬件與軟件診斷等功能，負責管理和組織整個CNC裝置有條不紊地工作。②CNC插補模塊：主要完成插補前預處理和實時插補計算。③位置控制模塊：負責對插補輸出的指令位置（或位移）和檢測反饋的實際位置（或位移）進行比較并獲得位置偏差，進行速度和位置控制。④PLC（或PMC）模塊：負責對零件程序中的開關量順序控制指令(S、M、T)、來自機床操作面板的控制信號和機床上各行程開關的信號進行邏輯處理，實現機床的啟停、換刀、轉臺分度、工件計數等功能，以及各功能和操作方式之間的聯鎖等。⑤輸入輸出和顯示模塊：用于零件程序、參數和數據以及各種操作命令的輸入輸出和各種信息的顯示。⑥存儲器模塊：提供程序和數據存儲的存儲器以及各功能模塊間數據傳送用的共享存儲器。

2）共享總線結構

主模塊從模塊3）共享存儲器結構

（三）專用型結構和通用型結構

1．專用型結構：由各制造廠專門設計和制造，具有布局合理、結構緊湊、專用性強等優點。封閉式的體系結構。如FANUC系統、SIEMENS系統、美國A-B系統等。目前在生產中使用的數控設備大多數都是采用這類CNC裝置。2．通用型結構：

以工業PC機作為硬件支撐平臺，再根據數控功能的需要插入專用控制卡，與數控軟件一起構成相應CNC裝置。開放性和可維修性好。目前，世界各國都在致力于這類CNC系統的研發。美國ANILAM公司和AI公司生產的CNC裝置均屬這種類型。（四）封閉式結構、PC嵌入NC式結構、NC嵌入PC式結構和軟件型開放式結構

1．封閉式結構

封閉式結構CNC裝置的功能擴展、改變和維修，都必須求助于系統供應商，對用戶來說這些方面是不開放的。

FANUC0、MITSUBISHIM50、SIEMENS810等系統都屬于封閉體系結構的CNC系統。2．PC嵌入NC式結構

采用在CNC裝置內部加裝PC的方法來進一步擴展功能，使CNC系統具有一定的開放性。但由于其基礎部分仍然是傳統的CNC系統，其體系結構還是不開放的，用戶無法介入系統的核心。FANUC18i和16i、SIEMENS840D、Numl060、AB9／360等CNC系統均是這種結構，其結構復雜、功能強大，但價格昂貴。3．NC嵌入PC式結構這類CNC系統由開放式體系結構的運動控制卡加PC機構成。運動控制卡本身就是一個CNC系統，可以單獨使用，通常選用高速DSP作為CPU，具有很強的運動控制和順序邏輯控制能力。美國DeltaTau公司用PMAC多軸運動控制卡構造的PMACCNC系統、日本MAZAK公司用三菱電機的MELDASMAGIC64構造的MAZATROL640CNC數控系統等。4．軟件型開放式結構

數控軟件全部裝在計算機中，用戶只需選配計算機及其與伺服系統和外設之間的標準化接口。用戶可以在WindowsNT平臺上，利用開放的CNC內核，開發所需的各種功能，構成各種類型的高性能CNC系統。典型產品有美國MDSI公司的OpenCNC、德國PowerAutomation公司的PA8000NT等。

5．開放式體系結構的定義

參照IEEE對開放式系統的規定，一個真正意義上的開放式CNC系統必須具備使不同應用程序協調地運行于系統平臺上的能力，提供面向功能的動態重構工具以及標準化的用戶界面，并應具有以下特征：1）按分布式控制原則，采用系統、子系統和模塊等分級式控制結構，其構造應是可移植的和透明的。2）根據需要可實現重構和編輯，以便實現一個系統多種用途。3）各模塊相互獨立，系統廠、機床廠和最終用戶都可很容易地把一些專用功能和有個性的模塊加入平臺中。通過系統的初始化設置實現功能分配，允許機床廠、用戶對系統實施補充、擴展、裁減或修改。4）具有一種較好的通信和接口協議，以使各相對獨立的功能模塊互相交換信息，并滿足實時控制的要求。二、CNC裝置的軟件結構

1．多任務

2．并行處理：

3．實時性

（一）CNC裝置的任務特點

控制任務：譯碼、刀具補償、速度處理、插補、位置控制等

管理任務：輸入、I/O處理、顯示、診斷等

加工、顯示、I/O處理、故障診斷等同時進行強實時性任務

弱實時性任務（編輯、顯示等）

實時突發性任務（急停、故障等）

實時周期性任務（插補、位控等）

（二）CNC裝置的軟件特點

1．資源分時共享并行處理在一定的時間長度（通常稱為時間片）內，根據系統各任務的實時性要求程度，規定它們占用CPU的時間，使它們按規定順序分時共享系統的資源，進行各任務的處理。2．時間重疊流水處理

其關鍵是時間重疊，即在每一段較小的時間間隔內，不再僅處理一個子過程，而是處理兩個或更多的子過程。這樣一來，每個程序段的輸出之間的時間間隔大為減小，從而保證了電機運轉和刀具移動的連續性。

3．實時中斷處理CNC裝置軟件的另一個重要特征是實時中斷處理，CNC裝置的多任務性和實時性決定了中斷處理成為其軟件必不可少的重要組成部分。1）外部中斷（外部監控終端、操作面板輸入中斷等）2）內部定時中斷（插補周期定時、位置采樣周期定時中斷等）3）硬件故障中斷（存儲器出錯、插補運算器超時等中斷）4）程序性中斷（程序中運算溢出報警等）

（三）CNC裝置的軟件結構

所謂CNC裝置的軟件結構是指系統軟件的任務（程序）組織管理方式。不同的軟件結構，對各項任務的安排方式不同，管理方式也不同。在單CPU的CNC裝置中，常采用前后臺型或多重中斷型軟件結構。在多CPU的CNC裝置中，各CPU分別承擔一定的任務，具有很高的并行處理能力，其中某個CPU承擔多任務時，仍然采用前后臺型或多重中斷型軟件結構。如果某個CPU承擔的任務比較單一，該CPU的軟件可以是循環往復式的結構，即順序執行程序結構。

1．前后臺型軟件結構

2．多重中斷型軟件結構

三、典型CNC系統簡介1．FANUCCNC系統簡介

FANUC生產的CNC裝置有F0，F10/11/12，F15，F16，F18等系列。F0Mate為F0系列的派生品。它與F0系列比較，是功能簡單，結構更為緊湊的經濟型CNC裝置。F00/100/110/120/150系列是在F0/10/11/12/15系列的基礎上加了MMC（Manmachinecontroller）功能，即CNCPMCMMC三位一體的CNC系統。目前FANUC公司的主流CNC系統為FANUC0系列，它的主要特點是體積小，價格低。FANUC0系列是多微處理器CNC系統。

FANUC0A、0B和0C系列的主CPU分別為80186、80286和80386。

三軸控制系統的主控制電路以及輸入/輸出接口、PMC和CRT電路等，都制作在一塊大型印制電路板上，與操作面板、CRT組成一體。

FANUC0-MA/MB/MEA/MC/IMF用于加工中心、銑床和鏜床FANUC0-TA/TB/TEA/TC/TF用于車床FANUC0-TTA/TTB/TTC/用于一個主軸雙刀架或兩個主軸雙刀架的4軸控制車床FANUC0-GA/GB用于磨床，FANUC0-PB用于回轉頭壓力機。北京發那科機電有限公司生產的FANUC0系列有BEIJING-FANUC0C和0D系列，其中D為普及型，C為全功能型。BEIJING-FANUC0Mate為FANUC0系列的派生產品，是功能簡單，結構更為緊湊的經濟型CNC系統。在多軸控制方面，目前FANUC公司有FANUC15、FANUC16和FANUC18系列CNC系統。

2．SIEMENSCNC系統簡介

目前在低端CNC系統中，SIEMENS公司的主流產品有20世紀90年代中后期推出的SINUMERIK802系列。

SINUMERIK802S/802C是經濟型數控系統，可驅動三個進給軸。SINUMERIK802S是用于步進電動機驅動的CNC系統。SINUMERIK802C是用于伺服電動機驅動的CNC系統。SINUMERIK802S/802C均提供一個－10V～＋10V的輸出接口，用于驅動主軸電動機。SINUMERIK802S/802C由數控操作面板、機床操作面板、NC單元、PLC模塊等幾部分組成。SINUMERIK802D是用于數字式伺服系統的CNC系統，可控制最多4個進給軸和一個主軸。目前在高端CNC系統中，SIEMENS公司的主流產品有SINUMERIK810D/DE、SINUMERIK840C等系列的CNC系統。

作業2-44

簡要介紹多微處理器CNC裝置的幾種結構。2-45

何謂開放式結構的CNC系統？2-46CNC裝置的任務特點主要有哪些？第二章數控系統及工作原理第一節概述第二節數控插補原理第三節數控補償原理第四節位移與速度檢測第五節伺服驅動與控制第六節CNC裝置第七節

CNC系統中的可編程控制器（PLC）

第七節CNC系統中的可編程控制器（PLC）1．PLC的概念可編程控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是20世紀60年代末發展起來的一種新型自動控制裝置，早期主要用于替代傳統的繼電器—接觸器順序邏輯控制裝置。

隨著技術的進步，PLC的控制功能已遠遠超出邏輯控制的范疇，發展成為一種功能強大的工業控制計算機（ProgrammableController），簡稱PC。為了與personalcomputer個人計算機相區分，還用PLC的縮寫微型和小型PLC：I/0≤128點，一體化。中型以上PLC：I/0≥

129點，功能電路制成具有統一插槽和尺寸的標準模塊。

一、PLC簡介

2．PLC的硬件

PLC=CPU+存儲器+輸入／輸出單元+電源+編程器采用總線結構（1）CPU：CPU是系統的核心，完成全部運算和控制任務。（2）存儲器：存儲器主要用于存放系統程序、用戶程序和工作數據。（3）I/O單元：是CPU與被控對象或其他外部設備的連接部件，是PLC有別于其它計算機應用系統的特色部分。（4）擴展接口：用于PLC主機與擴展單元模塊之間的連接。（5）智能I/O單元：自身有單獨的CPU，能夠通過駐留在單元上的程序完成某種專用功能。（6）電源：負責提供PLC內部以及輸入單元所需要的直流電源。（7）編程器：用于用戶程序的編制、編輯、調試和運行監視，還可用于調用和顯示PLC的一些內部狀態和系統參數。

典型的I/O單元：1）直流開關量輸入單元：接近開關、按鈕、選擇開關、繼電器等2）直流開關量輸出單元：大功率晶體管3）交流開關量輸入單元4）交流開關量輸出單元：雙向晶閘管5）繼電器輸出單元：微型繼電器6）模擬量輸入單元（A/D單元）：電壓型和電流型7）模擬量輸出單元（D/A單元）：電壓型和電流型

3．PLC的軟件（1）系統程序：包括監控程序、編譯程序及診斷程序等，由生產廠家提供并固化到ROM中，對用戶是不透明的，不能由用戶存取，也不需要用戶干預。（2）用戶程序用戶程序是用戶針對要解決的控制問題，用PLC編程語言編制的的應用程序。

4．用戶程序的編制和輸入方法

（1）梯形圖：梯形圖編程方法是在電器控制系統原理圖的基礎上演變而來的，為廣大電氣技術人員所熟知，是PLC的主要編程方法。（2）語句表：語句表編程類似于匯編語言編程，直接采用指令助記符。（3）控制系統流程圖編程方法。（4）計算機高級語言編程方法。

5．PLC的用戶程序執行過程

1）輸入采樣：PLC以掃描方式將所有輸入端的輸人信號狀態（ON或OFF）讀入到輸入映像寄存器中寄存起來，稱為對輸入信號的采樣。

2）程序執行：PLC對用戶程序按順序進行掃描、運算處理，將狀態寄存，將結果送入輸出映像寄存器。

3）輸出刷新：將輸出映像寄存器中的狀態轉存到輸出鎖存電路，再經輸出端子輸出信號去驅動被控對象，這就是PLC的實際輸出。PLC重復地執行上述三個階段，每重復一次就是一個工作周期

二、PLC在CNC系統中的應用

1．PLC在CNC系統的作用

實現S、T、M等輔助功能控制：

1）機床主軸的起停和正反轉控制以及主軸轉速的控制、倍率的選擇等。2）機床冷卻、潤滑系統的接通和斷開。3）機床刀庫的起停和刀具的選擇與更換。4）機床卡盤的夾緊和松開。5）機床自動門的打開和閉合。6）機床尾座和套筒的前進與后退。7）機床排屑器等輔助裝置的控制。2．CNC系統用PLC的分類

（1）內裝型PLC

內裝型PLC從屬于CNC裝置，PLC與NC間的信號傳送在CNC裝置內部即可實現。

內裝型PLC與獨立型PLC相比具有如下特點：

1）實質上是CNC裝置帶有PLC的功能，其性能指標由CNC裝置的性能、規格來確定，其硬件和軟件部分被作為CNC系統的基本功能統一設計，因此具有結構緊湊，功能針對性強，技術指標合理等優點。

2）有與CNC裝置共用微處理器和具有專用微處理器兩種類型。前者利用CNC裝置微處理器的余力來實現PLC的功能，輸入/輸出點數較少；后者由于有獨立的CPU，多用于程序復雜、動作速度要求快的場合。3）與CNC裝置的其它電路通常裝在一個機箱內，不需另備電源，可與CNC裝置的其它電路制做在同一塊印制線路板上，或單獨制成附加印制電路板。

4）采用內裝型PLC后，CNC裝置擴展了某些控制功能，如梯形圖編輯和傳送功能、在CNC裝置內部直接處理PLC窗口的信息等，提高了CNC的性能價格比。

（2）獨立型PLC獨立型PLC在軟件和硬件上均獨立于CNC裝置，并能獨立完成順序邏輯控制任務。

獨立型PLC的特點：

1）可以根據數控機床對控制功能的要求靈活選購或自行開發通用型PLC。2）具有安裝方便、功能構成和擴展容易的優點。3）在性能/價格比上不如內裝型PLC。4）專門為柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統系統（FMS）、工廠自動化開發的獨立型PLC具有強大的數據處理、通信和診斷功能。

3．在CNC系統中PLC的應用特點（1）較多地使用功能指令PLC的指令分基本指令和功能指令兩種。基本指令主要包括讀/寫指令、位邏輯運算指令等，它們都是簡單的、基本的操作。功能指令都是較復雜的、組合的操作。滿足數控機床信息處理和