第一节概第一节概述述 第二节数控插第二节数控插补原理补原理第三节第三节数控补偿原理数控补偿原理第四节第四节位移与速度检测位移与速度检测第二章 数控系统及工作原理第五节第五节伺服系统与控制伺服系统与控制第六节第六节CNC装置装置第七节第七节CNC系统中的可编程控制器系统中的可编程控制器第一节第一节 概概 述述 一、 CNC系统的组成和功用 CNC系统主要由系统主要由硬件硬件和和软件软件两大部分组成。两大部分组成。 其其核心核心是是计算机数控装置（计算机数控装置（CNC装置）装置）。 CNC系统通过软件与硬件的配合，合理地组织、管理数控系统通过软件与硬件的配合，合理地组织、管理数控系统的系统的输入、数据处理、插补和输出信息、输入、数据处理、插补和输出信息、控制执行部件运动，控制执行部件运动，使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。 CNC系统采用了计算机作为控制部件，通常由常驻在其内系统采用了计算机作为控制部件，通常由常驻在其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功能，从而对机床运动部的数控系统软件实现部分或全部数控功能，从而对机床运动进行实时控制。进行实时控制。只要改变计算机数控系统的控制软件就能实现只要改变计算机数控系统的控制软件就能实现一种全新的控制方式。一种全新的控制方式。 一、一、CNC系统组成和功用系统组成和功用数控系统数控系统的组成：的组成：输入输入/输出设备、输出设备、CNC装置装置(或称或称CNC单元单元)、可编程控制器可编程控制器 (PLC)、电气控制装置、电气控制装置、伺服单元、伺服单元、驱动装置驱动装置(或称执行机构或称执行机构)、辅助装置、辅助装置、位移与速度检测装置。位移与速度检测装置。CNC系统的结构框图系统的结构框图 CNCCNC系统的核心是系统的核心是CNC控制器。控制器。 CNC控制器由数控系统硬件、软件构成的专用计算机与可编程控制器控制器由数控系统硬件、软件构成的专用计算机与可编程控制器PLC组成。前者主要处理机床轨迹运动的数字控制，后者主要处理开关量组成。前者主要处理机床轨迹运动的数字控制，后者主要处理开关量的逻辑控制。的逻辑控制。 1. 输入输入/输出设备输出设备键盘和磁盘机是数控机床的典型输入设备，还可键盘和磁盘机是数控机床的典型输入设备，还可以用串行通信的方式进行信息的输入。以用串行通信的方式进行信息的输入。数控系统一般配有数控系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示显示器或点阵式液晶显示器，显示的信息较丰富，并能显示图形信息。器，显示的信息较丰富，并能显示图形信息。2. CNC装置和装置和PLCuPLC可编程控制器可编程控制器 (Programmable Logic Controller，PLC)是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为工是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为工业环境下的应用而设计。业环境下的应用而设计。PLC用于控制机床顺序动作时，称为可编程机床控制器用于控制机床顺序动作时，称为可编程机床控制器 (Programmable Machine Controller，PMC)。PLC主要处理开关量的逻辑控制。主要处理开关量的逻辑控制。控制：控制：主轴变速、换向、主轴变速、换向、启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件的夹紧或松夹，切削液的开或关等辅助操作。紧，工件的夹紧或松夹，切削液的开或关等辅助操作。 PLC分为两类：分为两类：一类是一类是将数控系统和将数控系统和PLC综合起来设计，称为综合起来设计，称为内装型内装型(或或集成型集成型) PLC；另一类是另一类是以独立专业化的以独立专业化的PLC生产厂家的产品来实现顺序生产厂家的产品来实现顺序控制功能，称为控制功能，称为独立型独立型(或外装型或外装型) PLC。uCNC装置装置(1) 输入接口。输入接口。负责接收输入介质或操作面板上的信息，并负责接收输入介质或操作面板上的信息，并将信息代码加以识别，经译码后送入相应的存储器，作为控将信息代码加以识别，经译码后送入相应的存储器，作为控制和运算的原始依据。制和运算的原始依据。(2) 控制器。控制器。根据输入的指令控制运算器和输出接口，使机根据输入的指令控制运算器和输出接口，使机床按规定的要求协调地进行工作。床按规定的要求协调地进行工作。(3) 运算器。运算器。接收控制器的指令，对输入数据进行运算，并接收控制器的指令，对输入数据进行运算，并将控制信号以脉冲形式送至输出接口。将控制信号以脉冲形式送至输出接口。(4) 输出接口。输出接口。根据控制器的指令，接收运算器的控制信号，根据控制器的指令，接收运算器的控制信号，经过功率放大驱动伺服系统，使机床按规定要求运动。经过功率放大驱动伺服系统，使机床按规定要求运动。(5) 存储器。存储器。CNC装置的存储器分为只读存储器装置的存储器分为只读存储器 (ROM)和读和读写存储器写存储器 (RAM)。 ROM用于存放系统控制程序；用于存放系统控制程序；RAM用于用于存放零件的加工程序和系统运行时的中间结果。存放零件的加工程序和系统运行时的中间结果。数控机床的功能强弱主要由数控装置来决定，所以它是数控数控机床的功能强弱主要由数控装置来决定，所以它是数控机床的核心部分。机床的核心部分。3.强电控制部分和辅助装置电动执行器强电控制部分和辅助装置电动执行器控制除进给运动之外的其它辅助操作的装置。控制除进给运动之外的其它辅助操作的装置。强电控制装置接受数控装置的指令信号，通过可强电控制装置接受数控装置的指令信号，通过可编程控制器（编程控制器（PLC）控制主轴变速、换向、启动控制主轴变速、换向、启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件的夹紧或松夹，切削液的开或关等和锁紧，工件的夹紧或松夹，切削液的开或关等辅助操作。辅助操作。 4. 进给伺服驱动单元及进给电动机进给伺服驱动单元及进给电动机定定定定义义以以以以移移移移动动部件部件部件部件的的的的位置位置位置位置和和和和速度速度速度速度作作作作为为控制量的自控制量的自控制量的自控制量的自动动控制系控制系控制系控制系统统。伺服驱动系统：包括伺服驱动系统：包括伺服单元伺服单元与与驱动装置驱动装置。驱动装置：驱动装置：有步进电动机、直流伺服电动机和交有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。流伺服电动机等。功能：功能：功能：功能：接受数控装置接受数控装置接受数控装置接受数控装置发发来的指令信号，信号来的指令信号，信号来的指令信号，信号来的指令信号，信号经变经变换换和放大由和放大由和放大由和放大由执执行元件（伺服行元件（伺服行元件（伺服行元件（伺服电电机）将其机）将其机）将其机）将其转变为转变为角角角角位移或直位移或直位移或直位移或直线线位移，从而位移，从而位移，从而位移，从而实现驱动实现驱动数控机床各运数控机床各运数控机床各运数控机床各运动动部件的部件的部件的部件的进给进给运运运运动动。 5.主轴调速驱动单元及主轴电动机主轴调速驱动单元及主轴电动机主轴调速系统：主轴调速系统：包括主轴调速驱动单元、主轴电包括主轴调速驱动单元、主轴电动机、转速检测装置等。以动机、转速检测装置等。以主运动速度主运动速度为控制目为控制目标。标。主轴调速驱动单元：主轴调速驱动单元：是联系是联系CNC装置和机床本体装置和机床本体的中间环节，它将来自的中间环节，它将来自CNC装置的微弱指令信号装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。放大成控制驱动装置的大功率信号。主轴电动机：主轴电动机：可分为可分为直流主轴电动机直流主轴电动机和和交流主轴交流主轴电动机电动机。6.位移与速度检测装置位移与速度检测装置位移检测装置：位移检测装置：测量装置按各坐标轴方向安装在测量装置按各坐标轴方向安装在机床的工作台或丝杠上，将机床工作台各坐标轴机床的工作台或丝杠上，将机床工作台各坐标轴的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，供数的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，供数控装置与指令值相比较产生误差信号，以控制机控装置与指令值相比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。床向消除该误差的方向移动。速度检测装置：速度检测装置：将进给速度反馈给进给伺服驱动将进给速度反馈给进给伺服驱动单元；将主轴转速反馈给主轴调速驱动单元。单元；将主轴转速反馈给主轴调速驱动单元。二二CNC装置的主要工作及过程装置的主要工作及过程 CNC的工作流程的工作流程 二二CNC装置的主要工作及过程装置的主要工作及过程 CNC的工作过程包括：的工作过程包括：输入、输入、译码、译码、刀具补偿、刀具补偿、进给速度处理、进给速度处理、插补、插补、位置控制、位置控制、I/O处理、处理、显示显示和和诊断诊断等等9个方面。个方面。（1）输入）输入输入内容：输入内容：向向CNC控制器输入零件程序、机床参数和补偿控制器输入零件程序、机床参数和补偿数据。数据。输入型式：输入型式：有光电阅读机、键盘、磁盘和联机等输入。有光电阅读机、键盘、磁盘和联机等输入。CNC输入工作方式：输入工作方式：有存储方式和有存储方式和NC方式。前者将整个程方式。前者将整个程序存入存储器中，加工时一个个程序段调出；后者是指一边序存入存储器中，加工时一个个程序段调出；后者是指一边输入一边加工，在前一程序段加工时，输入后一个程序段内输入一边加工，在前一程序段加工时，输入后一个程序段内容。容。（2）译码）译码译译码码处处理理：以以程程序序段段为为单单位位，把把零零件件的的轮轮廓廓（起起点点、终终点点、直直线线或或圆圆弧弧）、进进给给速速度度（F）和和其其他他辅辅助助信信息息（M、S、T）按按照照一一定定的的语语法法规规则则解解释释成成计计算算机机能能够够识识别别的的数数据据形式并保存，同时还要完成程序段的语法检查。形式并保存，同时还要完成程序段的语法检查。（3）刀具补偿）刀具补偿刀具补偿是指刀具长度和刀具半径的补偿。刀具补偿是指刀具长度和刀具半径的补偿。目目前前，在在较较高高档档的的CNC中中，刀刀具具补补偿偿还还包包括括程程序序段段之之间间的的自动转接和过切削判别，这就是所谓自动转接和过切削判别，这就是所谓C刀具补偿功能。刀具补偿功能。（4）进给速度处理）进给速度处理按按合合成成速速度度来来计计算算各各坐坐标标方方向向的的分分速速度度，为为插插补补计计算算做做准准备。备。处处理理机机床床的的最最低低和和最最高高速速度度的的限限制制以以及及软软件件的的自自动动加加减减速速处理。处理。（5）插补）插补插插补补：按按一一定定的的方方法法确确定定加加工工轨轨迹迹的的过过程程就就叫叫插插补补。是是在在曲线的起点和终点之间自动进行曲线的起点和终点之间自动进行“数据点密化数据点密化”。插插补补是是在在规规定定的的周周期期（称称插插补补周周期期）内内执执行行一一次次，按按指指令令进进给给速速度度计计算算出出一一个个微微小小的的直直线线数数据据段段。通通常常经经过过若若干干个个插插补补周周期期后后，插插补补完完一一个个程程序序段段加加工工。常常有有直直线线、圆圆弧弧及及螺旋线等插补。螺旋线等插补。（6）位置控制）位置控制开环（步进式）位置控制：开环（步进式）位置控制：闭闭环环位位置置控控制制是是在在伺伺服服回回路路的的位位置置环环上上（见见下下图图），它它在在每每个个采采样样周周期期内内，将将插插补补计计算算出出的的理理论论位位置置与与实实际际反反馈位置相比较，用其差值去控制进给电动机。馈位置相比较，用其差值去控制进给电动机。还还要要完完成成位位置置回回路路的的增增益益调调整整、各各坐坐标标方方向向的的螺螺距距误误差差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。CNC装置装置I/O光电隔离光电隔离环形分配器环形分配器功率放大功率放大电动机电动机（7）I/O处理处理I/O处处理理是是指指CNC与与机机床床之之间间电电气气信信号号的的输输入入、输输出出处处理理和控制（如换刀、主轴速度换挡、冷却等）。和控制（如换刀、主轴速度换挡、冷却等）。（8）显示）显示显显示示：零零件件程程序序、参参数数、刀刀具具位位置置、机机床床状状态态、报报警警信信息息等。等。有些有些CNC还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。（9）诊断）诊断联联机机诊诊断断：是是指指CNC中中的的自自诊诊断断程程序序融融合合在在各各部部分分，随随时时检查不正常的事件。检查不正常的事件。脱脱机机诊诊断断：是是在在CNC不不工工作作情情况况下下的的诊诊断断，这这种种诊诊断断通通过过配配备备的的各各种种脱脱机机诊诊断断程程序序对对存存储储器器、外外围围设设备备（CRT、阅阅读读机机、穿穿孔孔机机等等）接接口口和和I/O接接口口等等进进行行检检查查。脱脱机机诊诊断断也可采用远程诊断。也可采用远程诊断。 译码译码( (解释解释) ) 将将用用文文本本格格式式（通通常常用用ASCIIASCII码码）表表达达的的零零件件加加工工程程序序，以以程程序序段段为为单单位位转转换换成成后后续续程程序序（本本例例是是指指刀刀补补处理程序）所要求的数据结构（格式）。处理程序）所要求的数据结构（格式）。CNCCNCCNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程数据数据结构示例：构示例： Struct PROG_BUFFER Struct PROG_BUFFER char buf_statechar buf_state； /缓冲区状态，缓冲区状态，0 0 空；空；1 1 准备好。准备好。 int block_numint block_num； /以以BCDBCD码的形式存放本程序段号。码的形式存放本程序段号。 double COOR20double COOR20；/存放尺寸指令的数值（存放尺寸指令的数值（m m）。）。 int F,Sint F,S； /F/F（mm/minmm/min）S S（r/minr/min）。）。 char G0char G0； /以标志形式存放以标志形式存放G G指令。指令。 char G1char G1； char M0char M0； /以标志形式存放以标志形式存放M M指令。指令。 char M1char M1； char Tchar T； /存放本段换刀的刀具号。存放本段换刀的刀具号。 char Dchar D； /存放刀具补偿的刀具半径值。存放刀具补偿的刀具半径值。 ；以标志形式存放G指令示例 在在系系统统软软件件中中各各程程序序间间的的数数据据交交换换方方式式一一般般都都是是通通过过缓缓冲冲区区进进行行的的。该该缓缓冲冲区区由由若若干干个个数数据据结结构构组组成成，当当前前程程序序段段被被解解释释完完后后便便将将该该段段的的数数据据信信息息送送入入缓缓冲冲区区组组中中空空闲闲的的一一个个。后后续续程程序序（如如刀刀补补程程序）从该缓冲区组中获取程序信息进行工作。序）从该缓冲区组中获取程序信息进行工作。 N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200 N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200 ； 1 2 3 4 5 6 7 8 91 2 3 4 5 6 7 8 9 - Struct PROG_BUFFER Struct PROG_BUFFER char buf_state char buf_state； 0 0：( (开始开始) )；1 1（；）（；） int block_numint block_num； 0606（N06N06） double COOR20double COOR20； COOR1=200000COOR1=200000；（；（X200X200） COOR2=300000COOR2=300000；（；（Y300Y300） int F,Sint F,S； F=200F=200；（；（F200F200） char G0char G0； D5=0D5=0；（；（G90G90） D6,D7=0,1D6,D7=0,1（G41G41） D1=1D1=1；（；（G01G01） char Dchar D； D=11D=11（D11D11） ； 刀补处理的主要工作：刀补处理的主要工作：根根据据G90/G91G90/G91计计算算零零件件轮轮廓的终点坐标值。廓的终点坐标值。根根据据R R和和G41/42G41/42，计计算算本本段段刀刀具具中中心心轨轨迹迹的的终终点点（P Pe e/P/Pe e）坐标值。）坐标值。根根据据本本段段与与前前段段连连接接关关系，进行段间连接处理。系，进行段间连接处理。2. . 刀补处理刀补处理( (计算刀具中心轨迹计算刀具中心轨迹) )Pe（200，300）XRP0（72，48）Pe”PeG41G42Y 速度预处理速度预处理 主要功能是根据加工程序给定的进给速度，计算在每个插补周期内的合成移动量，供插补程序使用。 速度处理程序主要完成以下几步计算：速度处理程序主要完成以下几步计算：q 计算本段总位移量：计算本段总位移量： 直线：合成位移量直线：合成位移量L L； 园弧：总角位移量园弧：总角位移量。 该数供插补程序判断减速起点和终点之用。该数供插补程序判断减速起点和终点之用。q计算每个插补周期内的合成进给量：计算每个插补周期内的合成进给量： L= F*L= F*t/60 t/60 （m m） 式中：式中：F-F-进给速度值（进给速度值（mm/minmm/min）；）；t-t-数控系统的插补数控系统的插补周期（周期（msms）L 插补计算插补计算 主要功能：主要功能：q根根据据操操作作面面板板上上“进进给给修修调调”开开关关的的设设定定值值，计计算算本本次插补周期的实际合成位移量：次插补周期的实际合成位移量： L L1 1= =L*L*修调值修调值q将将L L1 1按按插插补补的的线线形形（直直线线，园园弧弧等等）和和本本插插补补点点所所在在的的位位置置分分解解到到各各个个进进给给轴轴，作作为为各各轴轴的的位位置置控控制制指指令（令（X X1 1、Y Y1 1）。）。 经经插插补补计计算算后后的的数数据据存存放放在在运运行行缓缓冲冲区区中中，以以供供位位置置控控制程序之用。本程序以系统规定的插补周期制程序之用。本程序以系统规定的插补周期t t定时运行。定时运行。 位置控制处理位置控制处理f（）（）+-+插补输出插补输出X X1 1Y Y1 1指令位置指令位置X X1 1新新Y Y1 1新新跟随误差跟随误差X X3 3Y Y3 3实际位置实际位置X X2 2新新Y Y2 2新新反馈位置增量反馈位置增量X X2 2、Y Y2 2X X1 1旧旧Y Y1 1旧旧X X2 2旧旧Y Y2 2旧旧速度指令速度指令VX、VY位置控制转换流程位置控制转换流程在数控机床中，刀具不能严格地按照要求加工的曲在数控机床中，刀具不能严格地按照要求加工的曲线运动，只能线运动，只能用折线轨迹逼近所要加工的曲线用折线轨迹逼近所要加工的曲线。插补（插补（interpolationinterpolation）定义）定义：机床数控系统依照一定机床数控系统依照一定方法确定刀具运动轨迹的过程。方法确定刀具运动轨迹的过程。也可以说，已知曲线上的某也可以说，已知曲线上的某些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点的方法，也些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点的方法，也称为称为“数据点的密化数据点的密化”。第二节第二节 数控插补原理数控插补原理 一、插补的基本概念一、插补的基本概念 插补的实质插补的实质数控装置向各坐标提供相互协调的数控装置向各坐标提供相互协调的进给脉冲进给脉冲，伺服系统根据，伺服系统根据进给脉冲驱动机床各坐标轴运动进给脉冲驱动机床各坐标轴运动。数控装置的关键问题：数控装置的关键问题：根据控制指令和数据进行根据控制指令和数据进行脉冲数目分脉冲数目分配的运算配的运算（即插补计算），产生机床各坐标的进给脉冲。（即插补计算），产生机床各坐标的进给脉冲。插补计算就是数控装置根据输入的基本数据，通过计算，把插补计算就是数控装置根据输入的基本数据，通过计算，把工件轮廓的形状描述出来，工件轮廓的形状描述出来，边计算边根据计算结果向各坐标边计算边根据计算结果向各坐标发出进给脉冲发出进给脉冲，对应每个脉冲，机床在响应的坐标方向上移，对应每个脉冲，机床在响应的坐标方向上移动一个脉冲当量的距离，从而将工件加工出所需要轮廓的形动一个脉冲当量的距离，从而将工件加工出所需要轮廓的形状。状。插补的实质：插补的实质：在一个线段的起点和终点之间进行在一个线段的起点和终点之间进行数据点的密数据点的密化。化。32 逐点比逐点比较法法 脉冲增量插脉冲增量插补 DDA法法插插补方法方法 直直线函数法函数法 数据采数据采样插插补 扩展展DDA法法 特点：特点：每次插补结束，数控装置向每个运动坐标输每次插补结束，数控装置向每个运动坐标输出基准脉冲序列，每个脉冲代表了出基准脉冲序列，每个脉冲代表了最小位移（最小位移（脉冲脉冲当量当量），脉冲序列的脉冲序列的频率频率代表了坐标运动代表了坐标运动速度速度，而，而脉冲的脉冲的数量数量表示表示位移量位移量。 仅适用于一些中等精度或中等速度要求的计算仅适用于一些中等精度或中等速度要求的计算机数控系统机数控系统 二、二、二、二、 基准脉冲插补（行程标量插补或基准脉冲插补（行程标量插补或基准脉冲插补（行程标量插补或基准脉冲插补（行程标量插补或脉冲增量插补脉冲增量插补脉冲增量插补脉冲增量插补）主要的脉冲增量插补方法主要的脉冲增量插补方法数字脉冲乘法器插补法数字脉冲乘法器插补法逐点比较法逐点比较法数字积分法数字积分法矢量判别法矢量判别法比较积分法比较积分法最小偏差法最小偏差法目标点跟踪法目标点跟踪法单步追踪法单步追踪法直接函数法直接函数法加密判别和双判别插补法加密判别和双判别插补法35逐点比逐点比较法法 开开环数数控控机机床床，实现直直线、圆弧弧、其其他他二二次次曲曲线（椭圆、抛抛物物线、双曲、双曲线等）插等）插补。特特点点：运运算算直直观，最最大大插插补误差差1个个脉脉冲冲当当量量，脉脉冲冲输出出均均匀匀，调节方便。方便。原理：原理：每每进给一步完成一步完成4个工作个工作节拍：拍：坐坐标进给标进给偏差判偏差判别别新偏差新偏差计计算算终终点比点比较较（一）逐点比较插补法的基本原理（一）逐点比较插补法的基本原理361、逐点比、逐点比较法直法直线插插补-图解解xy(10,5)右右侧(0,0)左左侧371、逐点比、逐点比较法直法直线插插补-算法算法xy(10,5)(0,0)p5(3,2)p6(4,2)p7(5,2)起点起点(0,0)终点点(10,5)中中间点：点：P1(0,1)Pi(xi,yi)P14(9,5) 点在直点在直线上或直上或直线左左侧时 X: +1 点在直点在直线右右侧 时 Y: +1左左侧右右侧381、逐点比、逐点比较法直法直线插插补-算法算法xy(xe,ye)(0,0)起点起点(0,0)终点点(10,5)中中间点：点：P1(0,1)Pi(xi,yi)P14(9,5)pi(xi, yi)点在直点在直线左左侧 Yi / Xi Ye / Xe = Xe*Yi - Ye* Xi 0 pi(xi, yi)点在直点在直线右右侧 Yi / Xi Xe*Yi - Ye* Xi Xe*Yi - Ye* Xi =0 pi(xi, yi)391、逐点比、逐点比较法直法直线插插补-算法算法xy(10,5)(0,0)pi(xi, yi)起点起点(0,0)终点点(10,5)中中间点：点：P1(0,1)Pi(xi,yi)P14(9,5)pi(xi, yi)Fi = Xe*Yi - Ye* XiFi =0 在直在直线上或直上或直线左左侧 X: +1Fi =0?N=0?N=N-1+x走一步走一步+y走一步走一步F=F-yeF=F+xe结束束是是否否AA否否是是42偏差判偏差判偏差判偏差判别别函数函数函数函数: :偏差判偏差判偏差判偏差判别别：P P( (x xi i , y, yj j) )F0F0F0F0F0F0F0F=xeyj-xiye0；点在点在线右右边时F0；点在点在线上上时F=0；进给方向方向根据所在的象限分析。根据所在的象限分析。 L2 y L1L2 y L1 F0 F0 F0 F0F0 F0 F0 F0 +y -x +x +y +y -x +x +y 0 x 0 x F0 F0 F0 F0F0 F0 F0 F0 -y -x +x -y -x +x yy L3 L4 L3 L4 线型线型F F0 0进给方向进给方向F0F=0?N=0?N=N-1-y走一步走一步+x走一步走一步F=F-2y+1 y=y-1F=F+2x+1 x=x+1结束束是是否否AA否否是是54逐点比逐点比较法法圆弧插弧插补-第第1象限象限逆逆圆 A为起点，起点，E为终点，点，M为加工加工点点。偏差函数：偏差函数：F=xi2+yi2-R2点在点在圆上及上及圆外外时：F0 ，走走- -x一步，一步，xi+1=xi-1，yi+1=yiFi+1=xi+12+yi+12-R2=(xi-1)2+yi2-R2=Fi-2xi+1点在点在圆内内时：F0 ，走走+ +y一步，一步，xi+1=xi，yi+1=yi+1Fi+1=xi+12+yi+12-R2=xi2+(yi+1)2-R2=Fi+2yi+1也要用也要用四个寄存器四个寄存器：JF, Jx, Jy, JN (N=|xb-xa|+|yb-ya|) FF55逐点比逐点比较法法不同象限不同象限圆弧的插弧的插补公式公式（SR表示表示顺圆，NR表示逆表示逆圆）：）： 偏差公式偏差公式： Fi=xi2+yi2-R2SR:SR: F0F0 F0 - F0 -y y + +x F0 F0 x F0 F0 + +y +y +x x F0 F0 F0 F0 - -x -x -y F0y F0 - -x x F0 F0 + +y y NRNR： F0 F0F0 F0 - -y -y -x x F0 F0 F0 F0 - -x +x +y y F0 F0 F0 F0 - -y +y +x x F0 F0 + +x x F0F0 + +y y 线型线型F F0 0进给进给方向方向F0F0进给进给方向方向偏差运算偏差运算SR1SR1y yx xx x时：时：x xi+1i+1=x=xi i1 1，F Fi+1i+1=F=Fi i2x2xi i+1+1y y时：时：y yi+1i+1=y=yi i1,1,F Fi+1i+1=F=Fi i2y2yi i+1+1SR2SR2x xy ySR3SR3y yx xSR4SR4x xy yNR1NR1x xy yNR2NR2y yx xNR3NR3x xy yNR4NR4y yx x56例例2： 起点起点A（6,0）,终点点B（0,6）。逐点比）。逐点比较法法进行插行插补，画出插画出插补轨迹。迹。 插插补从从圆弧起点开始，故弧起点开始，故F0，0=0； E存存X、Y方方向向总步步数数，E66=12，每每进给一一步步减减1，E=0时停止插停止插补。57步数 偏差判别坐标进给偏差计算坐标计算终点判断起点F0，0=0x0=6y0=0E=121F0，0=0 XF1，0=F0，02x01=0121=11x1=61=5y1=0 E=112F1，00 Y F1，1=F1，02y11=1101=10 x2=5y2=01=1 E=103F1，10 Y F1，2=F1，12y21=1021=7x3=5y3=11=2E=94F1，20 YF1，3=F1，22y31=741=2x4=5y4=21=3E=85F1，30 YF1，4=F1，32y41=261=5x5=5y5=31=4E=76F1，40 XF2，4=F1，42x51=5101=4x6=51=4y6=4E=67F2，40 YF2，5=F2，42y61=481=5x7=4y7=41=5E=58F2，50 XF3，5=F2，52x71=581=2x8=41=3y8=5E=49F3，50 YF3，6=F3，52y81=2101=9x9=3y9=51=6E=310 F3，60 XF4，6=F3，62x91=961=4x10=31=2y10=6 E=211F4，60 XF5，6=F4，62x101=441=1x11=21=1y11=6 E=112 F5，60 XF6，6=F5，62x111=121=0x12=11=0y12=6 E=058 示例示例 ：加工加工AB，A(4,0),B(0,4)。解：解：总步数步数 N=|xb-xa|+|yb-ya|=4+4=8 F0，- -x，Fi+1=Fi-2xi+1,xi+1=xi-1,yi+1=yi F0 ，+ +y, Fi+1=Fi+2yi+1,xi+1=xi，yi+1=yi+1序号序号 偏差判偏差判别 进给偏差偏差计算算终点判断点判断00F0=0 x0=4,y0=0 N=811F0=0 -x F1=0-2x4+1=-7 x1=4-1=3,y1=0 722F1=-70 +y F2=-7+2x0+1=-6 x2=3,y2=0+1=1 633F2=-60 +y F3=-6+2x1+1=-3 x3=3,y3=1+1=2 544F3=-30 -x F5=2-2x3+1=-3 x5=3-1=2,y5=3 366F5=-30 -x F7=4-2x2+1=1 x7=2-1=1,y7=4 188F7=10 -x F8=1-2x1+1=0 x8=1-1=0,y8=4 0xyA(4,0)OB(0,4)例例4-1 插补直线插补直线OA，A（5，3）序号序号偏差判别偏差判别进给方向进给方向偏差计算偏差计算终点判别终点判别0F0,00,Xe=5,Ye=3n=0,N=81F0,00+XF1,0F0,0Ye-3n=12F1,0-30+YF1,1F1,0Xe2n=1+1=20+XF2,1F1,1Ye-1n=2+1=3N4F2,1-10+YF2,2F2,1Xe4n=3+1=40+XF3,2F2,2Ye1n=4+1=50+XF4,2F3,2Ye-2n=5+1=6N7F4,2-20+YF4,3F4,0Xe3n=6+1=70+XF5,3F4,3Ye0n=7+1=8=N直线直线OA插补轨迹插补轨迹例例. 插补直线插补直线OA，A（4,5）序号序号偏差判别偏差判别进给方向进给方向偏差计算偏差计算终点判别终点判别0F0,00,Xe=4,Ye=5n=0,N=91F0,00+XF1,0F0,0Ye-5n=12F1,0-50+YF1,1F1,0Xe-1n=1+1=2N3F1,1-10+YF1,2F1,1 Xe3n=2+1=30+XF2,2F1,2 Ye-2n=3+1=4N5F2,2-20+YF2,3F2,2 Xe2n=4+1=50+XF3,3F2,3Ye-3n=5+1=6N7F3,3-30+YF3,4F3,3Xe1n=6+1=70+XF4,4F3,4Ye-4n=7+1=8N9F4,4-40+YF4,5F4,4Xe0n=8+1=9=NxOyA（4,5）插补轨迹插补轨迹 例例4-2 插补第一象限逆圆插补第一象限逆圆AB(10,0) (6,8)序号序号偏差判别偏差判别进给进给偏差计算偏差计算终点判别终点判别0F10,00N=121F10,00XF9,0 F10,0210+1-19N=12-1=112F9,0-190+YF9,1 F9,0+20+1-18N=12-2=103F9,1-180+YF9,2 F9,1+21+1-15N=12-3=94F9,2-150+YF9,3 F9,2+22+1-10N=12-4=85F9,3-100+YF9,4 F9,3+23+1-3N=12-5=76F9,4-30XF8,5 F9,529+1-11N=12-7=58F8,5-110+YF8,6 F8,5+25+10N=12-8=49F8,60XF7,6 F8,628+1-15N=12-9=310F7,6-150+YF7,7 F7,6+26+1-2N=12-10=211F7,7-20XF6,8 F7,827+10N=12-12=0插补轨迹插补轨迹三、三、 数据采样插补数据采样插补基本原理基本原理：是一种是一种时间分割法时间分割法，根据，根据进给速度进给速度，将加工轮，将加工轮廓曲线分割为一定时间内（一个插补周期）的进给量（一条廓曲线分割为一定时间内（一个插补周期）的进给量（一条微小直线），即用一系列微小直线段逼近轮廓轨迹。在每个微小直线），即用一系列微小直线段逼近轮廓轨迹。在每个插补周期，调用插补程序一次，为下一插补周期计算出各坐插补周期，调用插补程序一次，为下一插补周期计算出各坐标轴应该行进的增长段，并计算插补点的坐标值。标轴应该行进的增长段，并计算插补点的坐标值。实现步骤实现步骤：粗插补粗插补（用若干微小直线段逼近曲线）和（用若干微小直线段逼近曲线）和精插精插补补（脉冲增量插补）。（脉冲增量插补）。解决解决两个问题两个问题：选择插补周期选择插补周期；计算计算一个周期内各坐标轴的一个周期内各坐标轴的进给量进给量。插补周期的选择：插补周期的选择： （1）插补周期与插补运算时间的关系。）插补周期与插补运算时间的关系。 （2）插补周期与位置反馈采样周期的关系。）插补周期与位置反馈采样周期的关系。 （3）插补周期与精度、速度的关系。）插补周期与精度、速度的关系。66u 插插补周期的周期的选择1)插插补周期周期 T 与精度与精度、速度、速度F 的关系的关系直直线插插补时，一个插，一个插补周期内周期内给出的每一步出的每一步长直直线段与段与给定的直定的直线重合，在理重合，在理论上上无无轨迹迹误差差。圆弧插弧插补时，通常用，通常用内接弦内接弦线或或内外均差弦内外均差弦线逼近逼近圆弧，弧，必然会造成必然会造成轨迹迹误差。差。 YXL672）插）插补周期周期 T 与插与插补运算运算时间 t 的关系的关系一旦系一旦系统各种各种线形的插形的插补算法算法设计完完毕，那么，那么该系系统插插补运算的最运算的最长时间tmax就确定了。就确定了。显然要求：然要求：tmax T在采用分在采用分时共享的共享的CNC系系统中，中，tmax ABBBCCCAA。电机机反反转的通的通电顺序序为 AACCCBBBAA。1404. 功率放大器功率放大器功能：功能：将环形分配器输出的脉冲信号放大，以用将环形分配器输出的脉冲信号放大，以用足够的功率来驱动步进电机。足够的功率来驱动步进电机。（1）单电压功率放大器）单电压功率放大器141（2）高低电压功率放大器）高低电压功率放大器142（3）斩波恒流功率放大器）斩波恒流功率放大器（一）直流伺服电动机及其速度控制（一）直流伺服电动机及其速度控制1. 永磁式直流伺服电动机永磁式直流伺服电动机直流电动机：直流电动机：永磁式永磁式、电磁式电磁式（他励式、并励式、串励式和他励式、并励式、串励式和复励式四种复励式四种）。）。直流直流进给进给伺服系统：伺服系统：使用使用永磁式永磁式直流电动机；直流电动机；直流直流主轴主轴伺服系统：伺服系统：使用使用他磁式他磁式直流电动机。直流电动机。 永磁直流伺服电动机的转子惯量大，调速范围宽，所以也永磁直流伺服电动机的转子惯量大，调速范围宽，所以也叫做叫做大惯量宽调速永磁直流伺服电动机大惯量宽调速永磁直流伺服电动机，广泛应用在广泛应用在进给进给直直流伺服系统中。流伺服系统中。 反馈检测元件反馈检测元件有有测速发电机、旋转变压器和光电脉冲编码测速发电机、旋转变压器和光电脉冲编码器，器，这三种检测元件之一均可这三种检测元件之一均可安装在电机的尾部安装在电机的尾部。三、闭环和半闭环伺服系统三、闭环和半闭环伺服系统电动机组成：电动机组成：机壳、磁极（定子）、电枢（转子）和换向器。机壳、磁极（定子）、电枢（转子）和换向器。定子磁极：定子磁极：是一个是一个永久磁体永久磁体，由此建立磁场。由此建立磁场。高性能直流电机高性能直流电机采用稀土永磁材料。采用稀土永磁材料。磁极形状：磁极形状：为为瓦状瓦状结构，加上极靴或磁轭，以聚集气隙磁通；结构，加上极靴或磁轭，以聚集气隙磁通；转子电枢：转子电枢：由有槽由有槽铁芯铁芯和和绕组绕组两部分组成，属于两部分组成，属于转动部分转动部分；换向器：换向器：由由电刷、换向片电刷、换向片等组成，等组成，作用作用是将外加的直流电源引是将外加的直流电源引向电枢绕组，完成向电枢绕组，完成换向换向工作。工作。2直流电动机的机械特性、调速原理和方法直流电动机的机械特性、调速原理和方法永磁式直流伺服电动机的工作原理与一般（励磁式）直流永磁式直流伺服电动机的工作原理与一般（励磁式）直流电动机电动机基本相同基本相同，其，其机械特性为：机械特性为：式中：式中：n电动机转速（电动机转速（rmin）；）； U电动机电枢回路外加电压电动机电枢回路外加电压(V)； Rd电枢回路电阻（电枢回路电阻（）；）； Ce反电动势系数；反电动势系数； CT转矩系数转矩系数； 气隙磁通量（气隙磁通量（Wb）；）； T电磁转矩电磁转矩。 从式中可以看出，直流电动机的调速方法有从式中可以看出，直流电动机的调速方法有三种：三种：改变电枢电压。改变电枢电压。此方法可得到调速范围较宽的此方法可得到调速范围较宽的恒转矩特性恒转矩特性，适于进给驱动及主轴驱动的低速段。适于进给驱动及主轴驱动的低速段。 变气隙磁通量变气隙磁通量。此方法可得到此方法可得到恒功率特性恒功率特性，适于主轴电机，适于主轴电机的高速段。的高速段。改变电枢电路的电阻改变电枢电路的电阻Rd。此方法得到的机械特性较软，因此。此方法得到的机械特性较软，因此在数控机床上在数控机床上较少较少采用。采用。 若采用调压与调磁两种方法互相配合，可以获得很宽的调速若采用调压与调磁两种方法互相配合，可以获得很宽的调速范围，又可充分利用电机的容量。范围，又可充分利用电机的容量。 在数控机床驱动装置中，直流电机速度控制多采用晶闸管在数控机床驱动装置中，直流电机速度控制多采用晶闸管（可控硅）调速系统和晶体管脉宽调制（可控硅）调速系统和晶体管脉宽调制（PWM）调速系统。）调速系统。4.3 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控制4.3.2 直流伺服电动机的速度控制方法直流伺服电动机的速度控制方法2晶体管晶体管直流脉宽调速（直流脉宽调速（PWM）系统）系统 利用对利用对大功率晶体管大功率晶体管开关放大器的开关放大器的开关时间进行控制开关时间进行控制，将，将直直流电压转换成某一频率的矩形波电压流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到电枢两端，加到电枢两端，通过控通过控制矩形波脉冲宽度，改变电枢两端的平均电压，达到调节电动制矩形波脉冲宽度，改变电枢两端的平均电压，达到调节电动机转速的目的。机转速的目的。 直流脉宽调速系统采用直流脉宽调速系统采用转速、电流转速、电流双闭环的结构，如双闭环的结构，如图图所示。所示。 优点：优点：频带宽、电流脉动小、波形系数小、电源功率因数高频带宽、电流脉动小、波形系数小、电源功率因数高等。等。PWMPWM速度控制单元的框图如图所示。其中速度调节器和电速度控制单元的框图如图所示。其中速度调节器和电流调节器都采用流调节器都采用PIPI调节器。速度调节器的调节器。速度调节器的“比例增益比例增益”和和“复位时间复位时间”二个参数可以单独调节。二个参数可以单独调节。结构上主要构上主要由由两部分两部分组成成：脉脉宽调制器制器。这两部分也是两部分也是PWMPWM控制方式的核心。控制方式的核心。主主回路回路，即脉，即脉宽调制式的开关放大器。制式的开关放大器。1 1）PWMPWM放大器原理放大器原理 V1V1的基极由的基极由脉脉宽调制器制器产生生的脉宽的脉宽可调的脉冲电压可调的脉冲电压u ub b驱动驱动。当当00ttttonon时，时，u ub b为正，为正，V1V1饱和导饱和导通，电源电压通过通，电源电压通过V1V1加到电枢两端。加到电枢两端。当当t tonontTt00时，时，Q1Q1立即翻转，由于正反馈的作用，立即翻转，由于正反馈的作用，瞬间达到最大值，瞬间达到最大值，u uB B=+=+U Ud d。此时，。此时，t=t1,t=t1,而而u u=(=(R5/R2)UR5/R2)Ud d。在在t1tTt1t00时，比较放大器时，比较放大器Q3Q3的输出脉冲的输出脉冲正半波宽度小于负半波宽度，等效电正半波宽度小于负半波宽度，等效电压为负，压为负，而当而当u uerer000时，电源时，电源+ +E Ed d通过通过V7,V2V7,V2向电枢供电，电动机正转。向电枢供电，电动机正转。在在00tt1tt1时，时，u ub2b2, u, ub3b3电压为正，电压为正，V2V2和和V7V7导通，电流从电源导通，电流从电源+ +E Ed d经经V7-V7-电电枢枢M-V2-M-V2-回到电源。回到电源。在在t1tt2t1tt2时，时，u ub1b1,u,ub3b3为负值为负值, ,V1V1和和V7V7截止，电源截止，电源+ +E Ed d被切断。此时被切断。此时u ub2b2为为正，由于电枢电感的作用，电流经正，由于电枢电感的作用，电流经V2V2和续流二极管和续流二极管V6V6继续流通。继续流通。u uerer=0=0第二节 进给驱动在在t2tt3t2tt3时，时，u ub2b2,u,ub3b3同时为正，同时为正，+ +E Ed d又经又经V2V2和和V7V7加到电枢两端，电流加到电枢两端，电流继续流通。继续流通。在在t3tt4t3tt4时，时，u ub2b2,u,ub4b4同时为负，同时为负，+ +E Ed d再次被切断，但因为再次被切断，但因为u ub3b3为正值，为正值，所以由于电枢电感的作用，电枢电流所以由于电枢电感的作用，电枢电流经经V7V7和和V3V3继续流通。继续流通。当改变当改变u uer er （如变小），即可改变电（如变小），即可改变电枢两端的电压波形（如脉宽变窄），枢两端的电压波形（如脉宽变窄），从而改变了电压的平均值（如平均电从而改变了电压的平均值（如平均电压较小），继而达到调速的目的（如压较小），继而达到调速的目的（如电动机转速变低）。电动机转速变低）。u uerer=0=0第二节 进给驱动u当控制电压当控制电压u uerer为负时，电源为负时，电源+ +E Ed d通过通过V1,V8V1,V8向电枢供电，电动机反转。向电枢供电，电动机反转。从图从图6-216-21和和6-226-22可知，当可知，当V1V1导通时，导通时，V2V2截止，截止，V7V7导通时，导通时，V8V8截止，反之亦截止，反之亦然。然。为了不使为了不使V1V1、V2V2、V7V7和和V8V8同时导通烧同时导通烧毁晶体管，图毁晶体管，图6-206-20的特性校正环可保的特性校正环可保证两对管子先截止后导通，且间隔时证两对管子先截止后导通，且间隔时间大于晶体管的关断时间。间大于晶体管的关断时间。本本开关放大器开关放大器输出出电压的的频率比每个率比每个晶体管开关晶体管开关频率高一倍，弥率高一倍，弥补了大功了大功率晶体管开关率晶体管开关频率不高的缺陷，改善率不高的缺陷，改善了了电枢枢电流的流的连续性性而而被广泛采用。被广泛采用。 u uerer=0=03 3）脉宽调速系统的控制回路）脉宽调速系统的控制回路图图6-236-23为上述脉宽调速系统的脉宽为上述脉宽调速系统的脉宽调制器，图中调制器，图中u u为三角波电压，为三角波电压，u uerer为控制电压。为控制电压。该脉宽调制器为四路比较放大器电该脉宽调制器为四路比较放大器电路，适合双极性可逆式开关功率放路，适合双极性可逆式开关功率放大器。大器。该线路能实现图该线路能实现图6-226-22中的中的u ub1b1, u, ub2b2, , u ub3b3, u, ub4b4波形波形。它们是在一种特定情。它们是在一种特定情况下（输入信号为况下（输入信号为u u+ +u uerer）放大器）放大器Q3Q3、Q4Q4、Q5Q5和去和去Q6Q6同时分别产生的同时分别产生的四种脉冲信号。四种脉冲信号。图中晶体管图中晶体管V5V5、V6V6、V7V7、V8V8是为了是为了脉宽调制器的驱动功率并保证它的脉宽调制器的驱动功率并保证它的正脉冲输出。正脉冲输出。第二节 进给驱动一、直流伺服电动机速度控制单元3.PWM直流调速（3）常用的PWM直流调速系统2）脉宽调速系统的控制回路u uerer=0=0（二）交流伺服电动机及其速度控制（二）交流伺服电动机及其速度控制1交流伺服电动机交流伺服电动机异步型交流伺服电动机（异步型交流伺服电动机（IM） 异步型异步型交流伺服电动机指的是交流伺服电动机指的是交流感应交流感应电动机，它有三相电动机，它有三相和单相之分，也有和单相之分，也有鼠笼式鼠笼式和和线绕式线绕式之分，通常多用之分，通常多用鼠笼式三相鼠笼式三相感应电动机感应电动机。 其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量约轻其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量约轻12，价格仅为直流电动机的，价格仅为直流电动机的13。 缺点：缺点：是不能经济地实现范围较广的平滑调速，必须从电是不能经济地实现范围较广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流，因而使得电网功率因数变坏。网吸收滞后的励磁电流，因而使得电网功率因数变坏。 这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用伺服电动机，用IM表示。表示。同步型交流伺服电动机（同步型交流伺服电动机（SM） 同步型同步型交流伺服电动机虽交流伺服电动机虽较感应电动机复杂较感应电动机复杂，但，但比直流电比直流电动机简单动机简单。 定子定子与感应电动机与感应电动机一样，都在定子上装有一样，都在定子上装有对称三相绕组对称三相绕组。 转子转子却不同，按不同的转子结构又分却不同，按不同的转子结构又分电磁式电磁式及及非电磁式非电磁式两两大类大类。 非电磁式非电磁式又分：又分：磁滞式、永磁式和反应式磁滞式、永磁式和反应式等。等。 其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。差、制造容量不大等缺点。 数控机床中多用数控机床中多用永磁式同步永磁式同步电动机。电动机。 与电磁式相比，与电磁式相比，永磁式优点：永磁式优点：是是结构简单、运行可靠、效结构简单、运行可靠、效率较高率较高； 缺点缺点是是体积大、启动特性欠佳体积大、启动特性欠佳。（1）永磁同步交流伺服电动机结构）永磁同步交流伺服电动机结构 永磁同步电动机主要由永磁同步电动机主要由三部分组成：三部分组成：定子、转子和检测元定子、转子和检测元件件（转子位置传感器和测速发电机）（转子位置传感器和测速发电机）。 定子：定子：有有齿槽，内有三相绕组，形状与普通感应电动机的齿槽，内有三相绕组，形状与普通感应电动机的定子相同。定子相同。但其外圆多呈多边形，且无外壳，以利于散热，避但其外圆多呈多边形，且无外壳，以利于散热，避兔电动机发热对机床精度的影响。兔电动机发热对机床精度的影响。（2）工作原理）工作原理 图图421是永磁交流伺服电动机是永磁交流伺服电动机工作原理工作原理简图简图，只画了，只画了一对永磁转子。一对永磁转子。 当定子三相绕组当定子三相绕组通上交流电源通上交流电源后，就产后，就产生一个生一个旋转磁场旋转磁场。 旋转磁场将以同步转速旋转磁场将以同步转速ns旋转。旋转。 根据磁极的同性相斥，异性相吸的原理，根据磁极的同性相斥，异性相吸的原理，定子旋转磁极与转子的永磁磁极互相吸引，定子旋转磁极与转子的永磁磁极互相吸引，带动转子一起同步旋转带动转子一起同步旋转。 交流电机的同步转速为：交流电机的同步转速为： n=ns60f/p （r/min） 式中：式中：f定子供电频率（定子供电频率（HZ）；）； p电机定子绕组磁极对数；电机定子绕组磁极对数； 由上式可见，要由上式可见，要改变电机转速可采用以下几种方法：改变电机转速可采用以下几种方法：改变磁极对数改变磁极对数p 这是一种这是一种有级有级的调速方法。的调速方法。 它是通过对定子绕组接线的切换以改变磁极对数调速的。它是通过对定子绕组接线的切换以改变磁极对数调速的。变频调速变频调速 变频调速变频调速是通过是通过平滑改变定子供电电压频率平滑改变定子供电电压频率f而使而使转速平滑转速平滑变化的调速方法。变化的调速方法。 这是交流电动机的一种先进的调速方法。这是交流电动机的一种先进的调速方法。 电机从高速到低速其转差率都很小，因而电机从高速到低速其转差率都很小，因而变频调速的效率变频调速的效率和功率因数都很高。和功率因数都很高。2. 交流伺服电动机的速度控制交流伺服电动机的速度控制（1）正弦波脉宽调制（）正弦波脉宽调制（SPWM）变频器）变频器 正弦波脉宽调制（正弦波脉宽调制（SPWM）变频器是使用最广泛的）变频器是使用最广泛的PWM调调制方法，属于制方法，属于交直交交直交静止变频装置，静止变频装置， 将将50 HZ交流电交流电经经整流整流变压器变压器变压到所需电压变压到所需电压，经，经二极管二极管整流和电容滤波整流和电容滤波，形成形成定直流电压定直流电压，再送入，再送入6个大功率晶体管个大功率晶体管构成的构成的逆变器逆变器主电路主电路，输出三相频率和电压均可调整输出三相频率和电压均可调整的等效的等效于于正弦波正弦波的脉宽调制波（的脉宽调制波（SPWM波），波），图图426为为双极型双极型SPWM的通用型主回路的通用型主回路。 SPWM逆变器可产生逆变器可产生正弦脉宽调制波正弦脉宽调制波即即 SPWM波形波形，主要，主要是是通过一个正弦波得到通过一个正弦波得到2N个等高而不等宽的脉冲序列个等高而不等宽的脉冲序列，与正与正弦波等效弦波等效，如，如图图427所示。所示。 SPWM波波的产生原理如的产生原理如图图428所示，将所示，将正弦波作为调制正弦波作为调制波对等腰三角波进行调制，经倒相后可得波对等腰三角波进行调制，经倒相后可得6路路SPWM信号信号。 在图在图426中，中，VT1VT6为为6个大功率晶体管个大功率晶体管，并各有一，并各有一个个二极管二极管与之反并联，作为与之反并联，作为续流续流用。用。 来自控制电路的来自控制电路的SPWM波形作为驱动信号加在各功率管的波形作为驱动信号加在各功率管的基极上，控制基极上，控制6个大功率管的通断。个大功率管的通断。 当逆变器输出需要升高电压当逆变器输出需要升高电压时，只要增大正弦波相对三角时，只要增大正弦波相对三角波的波的幅值幅值，这时逆变器输出的矩形脉冲，这时逆变器输出的矩形脉冲幅值不变幅值不变而而宽度相应宽度相应增大增大，达到，达到调压调压的目的。的目的。 当逆变器的输出需要变频当逆变器的输出需要变频时，只要改变时，只要改变正弦波的频率正弦波的频率即可。即可。 SPWM变频器结构简单，电网功率因数接近变频器结构简单，电网功率因数接近1，且不受逆，且不受逆变器负载大小的影响，系统动态响应快，输出波形好，使电变器负载大小的影响，系统动态响应快，输出波形好，使电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，脉动转矩小，扩展动机可在近似正弦波的交变电压下运行，脉动转矩小，扩展了调速范围，提高了调速性能，由此在数控机床的交流驱动了调速范围，提高了调速性能，由此在数控机床的交流驱动中被广泛应用。中被广泛应用。（三）位置控制（三）位置控制1 1数字脉冲比较数字脉冲比较系统系统该该系统最多系统最多可由六个主要环节可由六个主要环节组成：组成：指指令令信信号号，由由数数控控装装置置提提供供，可可以以是是数数码码信信号号或或脉脉冲冲数数字信号。字信号。反馈信号，可以是数码信号，也可以是脉冲数字信号。反馈信号，可以是数码信号，也可以是脉冲数字信号。完成指令信号与测量反馈信号比较的比较器。完成指令信号与测量反馈信号比较的比较器。脉冲数字信号与数码的相互转换部件。脉冲数字信号与数码的相互转换部件。驱驱动动、执执行行元元件件。这这部部分分实实质质是是速速度度单单元元和和电电动动机机，根根据比较器的输出带动工作台移动。据比较器的输出带动工作台移动。数字脉冲数字脉冲- -数码转换器数码转换器(1)(1)数字脉冲转换为数码数字脉冲转换为数码 将将数数字字脉脉冲冲转转化化为为数数码码，实实现现方方法法是是使使用用可可逆逆计计数数器器，它将输入的脉冲进行计数，以数码值输出。它将输入的脉冲进行计数，以数码值输出。 根根据据对对数数码码形形式式的的要要求求不不同同，可可逆逆计计数数器器可可以以是是二二进进制制、二二- -十十进进制制或或其其他他类类型型。图图6-756-75为为两两个个二二- -十十进进制制计计数数器器组组成的数字脉冲成的数字脉冲- -数码转换器。数码转换器。(2)(2)数码转换为数字脉冲数码转换为数字脉冲 有两种方法：有两种方法：采采用用减减法法计计数数器器线线路路。见见图图6-766-76，先先将将要要转转换换的的数数码码置置入入减减法法计计数数器器，当当时时钟钟脉脉冲冲CPCP到到来来之之后后，一一方方面面使使减减法法计计数数器器作作减减法法计计数数，另另一一方方面面进进入入与与门门。若若减减法法计计数数器器的的内内容容不不为为零零，该该CPCP脉脉冲冲通通过过与与门门输输出出，若若减减法法计计数数器器的的内内容容为为“O O”，则则与与门门被被关关闭闭，CPCP脉脉冲冲不不能能通通过过。计计数数器器从从开开始始计计数数到到减减为为“0 0”，输输出出的的脉脉冲冲数数刚刚好好等等于于置置入计数器中的数码值。从而实现了数码入计数器中的数码值。从而实现了数码数字脉冲转换。数字脉冲转换。用一个脉冲乘法器，用一个脉冲乘法器，如图如图6-776-77所示。所示。脉脉冲冲乘乘法法器器电电路路中中的的数数码码寄寄存存器器存存有有要要转转换换的的数数码码，并并以以此此控控制制与与门门组组，则则在在时时钟钟脉脉冲冲CPCP的的作作用用下下，分分频频器器相相应应的的各各级级在在一一个个计计数数循循环环中中，从从与与门门组组输输出出的的脉脉冲冲数数正正好好等等于于数码寄存器中的数码，从而完成了数码数码寄存器中的数码，从而完成了数码脉冲的转换。脉冲的转换。 2 2、数字伺服系统、数字伺服系统数数字字伺伺服服系系统统用用计计算算机机软软件件来来实实现现伺伺服服控控制制。数数字字伺伺服服系系统统较较多多采采用用专专用用硬硬件件数数字字电电路路，2020世世纪纪9090年年代代起起采采用用DSPDSP和和CPUCPU构构成成的的微微机机作作为为控控制制器器，甚甚至至直直接接采采用用工工业业PCPC机机作作为控制器的软件伺服系统得到充分发展。为控制器的软件伺服系统得到充分发展。u数字伺服系统的特点：数字伺服系统的特点：采用现控制理论采用现控制理论，通过计算机软件实现最佳最优控制。，通过计算机软件实现最佳最优控制。数数字字伺伺服服系系统统是是一一种种离离散散系系统统，离离散散系系统统的的校校正正环环节节的的比比例例（P P）、积积分分（I I）、微微分分（D D）控控制制，即即PIDPID控控制制可可由由软软件件实实现现。由由位位置置、速速度度和和电电流流构构成成的的三三环环反反馈馈实实现现全全部部数数字字化化，这这使使得得各各伺伺服服控控制制参参数数可可能能以以数数字字形形式式设设定定，非非常常灵灵活活方方便便。尤尤其其是是可可以以利利用用计计算算机机良良好好的的人人机机界界面面功功能能，进进行行图图形形化化的的调调试试，将将伺伺服服系系统统调调试试后后的的性性能能结结果果定定量量的的显示出来。显示出来。u数字伺服系统的特点数字伺服系统的特点数数字字伺伺服服系系统统在在检检测测灵灵敏敏度度、时时间间漂漂移移小小、降降噪噪、温温度度漂漂移移小小及及抗抗干干扰扰等等方方面面都都优优于于模模拟拟伺伺服服系系统统和和模模拟拟数数字混合伺服系统。字混合伺服系统。高高速速度度、高高性性能能的的微微处处理理器器的的运运用用，使使运运算算速速度度大大幅幅度提高，也使得数字伺服系统具有较高的动、静精度。度提高，也使得数字伺服系统具有较高的动、静精度。伺伺服服控控制制技技术术的的软软件件化化和和硬硬件件的的通通用用化化使使伺伺服服控控制制装装置的成本大大降低，互换性提高。置的成本大大降低，互换性提高。174一、数控装置硬件一、数控装置硬件结构构硬件结构分类：硬件结构分类：按按CNC装置中各电路板的插接方式分：装置中各电路板的插接方式分：大板式大板式结构和结构和功能模功能模块块式结构；式结构；按微处理器的个数分：按微处理器的个数分：单微处理器单微处理器和和多微处理器多微处理器结构；结构；按硬件的制造方式分：按硬件的制造方式分：专用型专用型结构和结构和通用计算机式通用计算机式结构；结构；按按CNC装置的开放程度分：装置的开放程度分：封闭式封闭式结构、结构、PC嵌入嵌入NC式结构、式结构、NC嵌入嵌入PC式结构和式结构和软件型开放式软件型开放式结构。结构。第六节第六节 CNCCNC装置装置175( (一）一） 大板式结构与模块式结构大板式结构与模块式结构1 1、大板式结构、大板式结构CNCCNC装置由主电路板、图形控制板、装置由主电路板、图形控制板、PLCPLC板、位置控制板、电源板、位置控制板、电源单元组成。其它功能板为插在主电路大印刷板插槽内。单元组成。其它功能板为插在主电路大印刷板插槽内。第六节第六节 CNCCNC装置装置1762 2、功能模块式结构、功能模块式结构 将将CPUCPU、存储器、输入输出控制、位置检测、显示部件、存储器、输入输出控制、位置检测、显示部件等分别做成插件板（硬件模块），相应的软件也是模块结构，等分别做成插件板（硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形成一个功能模块。将各功固化在硬件模块中，软硬件模块形成一个功能模块。将各功能模块插入控制单元母板构成能模块插入控制单元母板构成CNCCNC装置。装置。 每一个功能模块被做成尺寸相同的印刷电路板（称功能模每一个功能模块被做成尺寸相同的印刷电路板（称功能模板），相应功能模块的控制软件也模块化。板），相应功能模块的控制软件也模块化。 这种形式的这种形式的CNC系统系列产品，用户只要按需要选用各系统系列产品，用户只要按需要选用各种控制单元母板及功能模板，将各功能模板插入控制单元母种控制单元母板及功能模板，将各功能模板插入控制单元母板的槽内，就可组成自己需要的板的槽内，就可组成自己需要的CNC系统。系统。 常见的功能模板：常见的功能模板：有有CNC控制板、位置控制板、控制板、位置控制板、PLC板、板、图形板和通信板图形板和通信板等。等。第第2章章 计算机数控（计算机数控（CNC）装置）装置2.3 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构2.3.3 CNC结构与典型数控系统结构与典型数控系统 系统组成：系统组成：CPU板、扩展存储器板、显示控制板、手轮接口板、扩展存储器板、显示控制板、手轮接口板、键盘和录音机板、强电输出板、伺服接口板和三块轴反馈板、键盘和录音机板、强电输出板、伺服接口板和三块轴反馈板板共共11个模块。个模块。 各模块可选工业标准总线连接，各模块可选工业标准总线连接，如：如：PC总线、总线、STD总线等。总线等。（二）（二） 单微处理器与多微处理器结构单微处理器与多微处理器结构1单微处理器结构单微处理器结构 单微处理器结构：单微处理器结构：CNC装置中装置中只有一个微处理器只有一个微处理器（CPU），），工作方式是工作方式是集中控制集中控制，分时处理分时处理数控系统的各项任务。数控系统的各项任务。 分时处理：分时处理：存储、插补运算、输入输出控制、存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示显示等。等。 单微处理器结构框图如单微处理器结构框图如图图所示，其所示，其结构简单，容易实现结构简单，容易实现。第第2章章 计算机数控（计算机数控（CNC）装置）装置2.3 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构2.3.1 单微处理器与多微处理器结构单微处理器与多微处理器结构 CPU是是CNC装置的核心，装置的核心，CPU执行系统程序。执行系统程序。 单微处理器结构的单微处理器结构的CNC装置装置可划分为：可划分为：计算机部分、位置计算机部分、位置控制部分、数据输入输出接口及外围设备控制部分、数据输入输出接口及外围设备。结构特点：结构特点：（l）CNC装置内装置内只有一个微处理器只有一个微处理器，对存储、插补运算、输，对存储、插补运算、输入输出控制、入输出控制、CRT显示等功能实现集中控制显示等功能实现集中控制分时处理分时处理。（2）微处理器通过微处理器通过总线总线与存储器、输入输出控制等接口电路与存储器、输入输出控制等接口电路相连，构成相连，构成CNC装置。装置。 （3）结构简单，实现容易。结构简单，实现容易。2. 多微处理器多微处理器CNC结构结构 多微处理器结构多微处理器结构的的CNC装置中有装置中有两个两个或或两个以上的微两个以上的微处理器。处理器。第第2章章 计算机数控（计算机数控（CNC）装置）装置2.3 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构2.3.2 多微处理器多微处理器CNC结构结构u 多微处理器多微处理器CNC的基本功能模块的基本功能模块（1）CNC管理模块管理模块 该模块管理和组织整个该模块管理和组织整个CNC系统各功能模块协调工作，如：系统各功能模块协调工作，如： 系统的初始化、中断管理、总线裁决、系统错误识别和处理、系统的初始化、中断管理、总线裁决、系统错误识别和处理、系统软硬件诊断系统软硬件诊断等。等。 该模块还完成数控代码该模块还完成数控代码编译、坐标计算和转换、刀具半径补编译、坐标计算和转换、刀具半径补偿、速度规划和处理等插补前的预处理偿、速度规划和处理等插补前的预处理。（2）CNC插补模块插补模块 该模块根据前面的编译指令和数据进行插补计算，按规定的该模块根据前面的编译指令和数据进行插补计算，按规定的插补类型通过插补计算为各个坐标提供位置给定值。插补类型通过插补计算为各个坐标提供位置给定值。第第2章章 计算机数控（计算机数控（CNC）装置）装置2.3 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构2.3.2 多微处理器多微处理器CNC结构结构（3）位置控制模块）位置控制模块 插补后的坐标作为位置控制模块的给定值，而实际位置通过插补后的坐标作为位置控制模块的给定值，而实际位置通过相应的传感器反馈给该模块，经过一定的控制算法，实现无超相应的传感器反馈给该模块，经过一定的控制算法，实现无超调、无滞后、高性能的位置闭环。调、无滞后、高性能的位置闭环。（4）PLC模块模块 零件程序中的零件程序中的开关开关功能和由机床传来的功能和由机床传来的信号信号在这个模块中作在这个模块中作逻辑处理，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电气设备逻辑处理，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电气设备的的启停、刀具交换、转台分度、工件数量和运转时间的计数启停、刀具交换、转台分度、工件数量和运转时间的计数等。等。第第2章章 计算机数控（计算机数控（CNC）装置）装置2.3 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构2.3.2 多微处理器多微处理器CNC结构结构（5）操作面板监控和显示模块）操作面板监控和显示模块 零件零件程序、参数、各种操作命令和数据程序、参数、各种操作命令和数据的输入（如软盘、硬的输入（如软盘、硬盘、键盘、各种开关量和模拟量的输入、上级计算机输入等）、盘、键盘、各种开关量和模拟量的输入、上级计算机输入等）、输出（如通过软盘、硬盘、各种开关量和模拟量的输出、打印输出（如通过软盘、硬盘、各种开关量和模拟量的输出、打印机输出）、显示（通过机输出）、显示（通过LED、CRT、LCD等）所需要的各种接等）所需要的各种接口电路。口电路。（6）存储器模块）存储器模块 该模块作为程序和数据的该模块作为程序和数据的主存储器主存储器，或功能模块间数据传送，或功能模块间数据传送用的用的共享存储器共享存储器。u多微处理器多微处理器CNC装置的典型结构装置的典型结构 通常采用通常采用共享总线共享总线和和共享存储器共享存储器两种结构两种结构。（l）共享总线结构）共享总线结构 共享总线结构：共享总线结构：包含包含主模块主模块和和从模块从模块。 主模块：主模块：带带有有CPU或或DMA器件器件(DMA-“Direct Memory Access”，直接内存访问，是不经过，直接内存访问，是不经过CPU而直接从内而直接从内存存取数据的数据交换模式。存存取数据的数据交换模式。PIO模式下硬盘和内存之间的数据传输由模式下硬盘和内存之间的数据传输由CPU来来控制控制)； 从模块：从模块：不带不带CPU或或DMA器件（如器件（如RAM、ROM模块、模块、IO模块）。模块）。 总线作用：总线作用：把各个模块有效地连接在一起。按照标准协把各个模块有效地连接在一起。按照标准协议交换各种数据和控制信息，构成完整的系统，实现各种议交换各种数据和控制信息，构成完整的系统，实现各种预定的功能。预定的功能。在系统中在系统中只有主模块只有主模块有权有权控制和使用系统总线控制和使用系统总线。 同一时刻同一时刻只能由只能由一个主模块占有总线一个主模块占有总线， 通过通过仲裁电路仲裁电路根据各主模块的根据各主模块的优先级别优先级别来来裁决裁决哪个模块哪个模块使用总线。使用总线。 总线仲裁的目的：总线仲裁的目的：是在各主模块争用总线时，判别出各是在各主模块争用总线时，判别出各模块优先级的高低。模块优先级的高低。 总线仲裁机构：总线仲裁机构：通常有通常有串行方式串行方式和和并行方式并行方式两种裁决方两种裁决方式。式。（l）共享总线结构）共享总线结构分布式总线结构分布式总线结构 如图如图26所示，所示，各微处理器各微处理器之间均通过一条之间均通过一条外部的通信链路外部的通信链路连接在一起，它们相互之间的联系及对共享资源的使用都要通连接在一起，它们相互之间的联系及对共享资源的使用都要通过网络技术来实现。过网络技术来实现。第第2章章 计算机数控（计算机数控（CNC）装置）装置2.3 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构2.3.2 多微处理器多微处理器CNC结构结构主从式总线结构主从式总线结构 系统中有一个系统中有一个主微处理器主微处理器，若干个，若干个从微处理器从微处理器，各微处理器，各微处理器都是都是完整独立完整独立的系统。的系统。 只有主微处理器能控制总线，访问总线上的资源，对从微处只有主微处理器能控制总线，访问总线上的资源，对从微处理器进行控制、监视、协调多个微处理器系统的操作；理器进行控制、监视、协调多个微处理器系统的操作； 从微处理器只能被动地执行主微处理器发来的命令，完成一从微处理器只能被动地执行主微处理器发来的命令，完成一些特定的功能，一般不能访问系统总线上的资源。些特定的功能，一般不能访问系统总线上的资源。 主、从微处理器的通信通过主、从微处理器的通信通过IO接口进行应答，或采用双端接口进行应答，或采用双端RAM技术进行，通过自己的总线读写同一个存储器。技术进行，通过自己的总线读写同一个存储器。 第第2章章 计算机数控（计算机数控（CNC）装置）装置2.3 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构2.3.2 多微处理器多微处理器CNC结构结构总线式多主总线式多主CPU结构结构 有一条有一条并行主总线并行主总线连接着连接着多个微处理器多个微处理器系统，每个系统，每个CPU可以可以直接访问所有系统资源直接访问所有系统资源，包括并行总线、总线上的系统存储器，包括并行总线、总线上的系统存储器及及IO接口、局部存储器、局部接口、局部存储器、局部IO接口等。接口等。 各微处理器从逻辑各微处理器从逻辑不分主从不分主从关系，为解决多个主关系，为解决多个主CPU争用并争用并行总线的问题，在这样的系统中有一个行总线的问题，在这样的系统中有一个总线仲裁器总线仲裁器，为各，为各CPU分配了总线优先级别，每一时刻，分配了总线优先级别，每一时刻，只有总线优先级较高的只有总线优先级较高的CPU可以使用并行总线。可以使用并行总线。u多微处理器多微处理器CNC装置的典型结构装置的典型结构（2）共享存储器结构）共享存储器结构 采用采用多端口存储器多端口存储器来实现来实现各各CPU之间的之间的互联和通信互联和通信，每，每个端口都有一套个端口都有一套数据、地址、控制线数据、地址、控制线，以供访问，由专门，以供访问，由专门的多端口控制逻辑电路解决的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突访问的冲突。 这种方式同一时刻只能有这种方式同一时刻只能有一个微处理器对多端口存储一个微处理器对多端口存储器读写。器读写。 当要求微处理器数量增多当要求微处理器数量增多时，会因争用共享存储器而时，会因争用共享存储器而造成信息传输的阻塞，降低造成信息传输的阻塞，降低系统效率，因此扩展功能很系统效率，因此扩展功能很困难。困难。 图图29为多微处理器共享为多微处理器共享存储器的存储器的CNC系统框图。系统框图。第第2章章 计算机数控（计算机数控（CNC）装置）装置2.3 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构2.3.2 多微处理器多微处理器CNC结构结构 图图210为一为一共享存储器共享存储器多多CPU数控系统，数控系统，共共3个个CPU。 CPU1为主处理器，其为主处理器，其任务任务是进行是进行编程、译码、刀具和机床编程、译码、刀具和机床参数的输入参数的输入。它还控制。它还控制CPU2和和CPU3，并与之交换信息。，并与之交换信息。 CPU2为为CRT显示处理机，其任务是根据显示处理机，其任务是根据CPU1的指令，将的指令，将显示数据显示数据串行送到视频电路进行显示。串行送到视频电路进行显示。 此外它还定时扫描键盘和倍率开关状态，送给此外它还定时扫描键盘和倍率开关状态，送给CPU1处理。处理。第第2章章 计算机数控（计算机数控（CNC）装置）装置2.3 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构2.3.2 多微处理器多微处理器CNC结构结构 CPU3为为插补处理机插补处理机，它的，它的工作工作是是插补运算、位置控制、机插补运算、位置控制、机床输入输出接口和串行口控制床输入输出接口和串行口控制。 CPU3根据根据CPU1的命令及预处理结果，进行的命令及预处理结果，进行直线和圆弧插直线和圆弧插补补。它定时接收各轴的实际位置信号，并根据插补运算结果，。它定时接收各轴的实际位置信号，并根据插补运算结果，计算各轴的计算各轴的跟随误差跟随误差，以得到，以得到速度指令值速度指令值，经，经DA转换数控转换数控模拟电压到各伺服单元。模拟电压到各伺服单元。 CPU1对对CPU2和和CPU3的控制是通过中断方式实现的。的控制是通过中断方式实现的。（三）其他结构（三）其他结构（1）个人计算机式结构）个人计算机式结构 这类这类CNC系统是以系统是以工业工业PC机机作为作为CNC装置的支撑平台，装置的支撑平台，再由各数控机床制造厂根据数控的需要，插入自己的再由各数控机床制造厂根据数控的需要，插入自己的控制控制卡和数控软件卡和数控软件构成相应构成相应CNC装置。装置。 由于工业标准计算机的生产数量大，其生产成本很低，由于工业标准计算机的生产数量大，其生产成本很低，继而也就降低了继而也就降低了CNC系统的成本。系统的成本。 若工业若工业PC机出故障，修理及更换均很容易。机出故障，修理及更换均很容易。 美国美国ANILAM公司和公司和AI公司生产公司生产CNC装置均属这种类型。装置均属这种类型。 图图213是一种以工业是一种以工业PC机为技术平台的数控系统结构机为技术平台的数控系统结构框图。框图。第第2章章 计算机数控（计算机数控（CNC）装置）装置2.3 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构2.3.3 CNC结构与典型数控系统结构与典型数控系统（2）NC嵌入嵌入PC式结构式结构 NC嵌入嵌入 PC式结构是由开放体系结构式结构是由开放体系结构运动控制卡运动控制卡PC机机构成。构成。 这种这种运动控制卡运动控制卡通常选用通常选用高速高速DSP（digital signal processor）作为）作为CPU，具有很强的，具有很强的运动控制和运动控制和PLC控制控制能力能力。 它本身就是一个数控系统，可以它本身就是一个数控系统，可以单独使用单独使用。 它开放的函数库供用户在它开放的函数库供用户在Windows平台下自行开发构造平台下自行开发构造所需的控制系统，因而这种开放结构被所需的控制系统，因而这种开放结构被广泛应用广泛应用于制造业于制造业自动化控制各个领域。自动化控制各个领域。 如如美国美国DeltaTau公司用公司用PMAC多轴运动控制卡多轴运动控制卡构造的构造的 PMACNC数控系统数控系统、 日本日本 MAZAK公司用三菱电机的构造的公司用三菱电机的构造的 MAZATROL 640CNC等。等。（5）软件型开放式结构）软件型开放式结构 这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择灵活性，它的最大的选择灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部IO之间的标准之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、CDROM和相应的驱动程序一样。和相应的驱动程序一样。 用户可以在用户可以在WindowsNT平台上，利用开放的平台上，利用开放的CNC内核，内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，软件型开放式数控系统具有最高与前几种数控系统相比，软件型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。的性能价格比，因而最有生命力。 其典型产品有美国其典型产品有美国 MDSI公司的公司的 Open CNC，德国，德国 Power Automation公司的公司的 PA8000 NT等。等。二、二、 CNC装置的软件结构装置的软件结构（一）（一）CNC装置装置的的任务任务特点特点 CNC系统是一个系统是一个专用的实时多任务计算机系统专用的实时多任务计算机系统，有，有多任务多任务并行处理并行处理、前后台型软件结构前后台型软件结构和和中断软件结构中断软件结构三个特点三个特点。1多任务多任务 CNC系统软件：系统软件：包括包括管理软管理软件件和和控制软件控制软件两大部分。两大部分。 管理软件：管理软件：包括输入、包括输入、IO处理、显示、诊断；处理、显示、诊断； 控制软件：控制软件：包括译码、刀具包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置补偿、速度处理、插补、位置补偿。补偿。2、并行处理、并行处理 CNC的的管理与控制管理与控制工作往往要工作往往要同时同时进行，即需进行，即需并行处理并行处理。例如：例如：加工加工控制控制时必须时必须同步显示同步显示系统的有关状态，系统的有关状态， 位置控制与位置控制与IO控制同步处理控制同步处理，并伴随着，并伴随着故障诊断故障诊断； 控制软件的控制软件的插补、位置控制、预处理插补、位置控制、预处理之间需之间需并行处理并行处理。 图图217给出了并行任务处理图，图中给出了并行任务处理图，图中双向箭头双向箭头表示两个表示两个模块之间有模块之间有并行处理并行处理关系。关系。3实时性实时性q 实时性任务的定义和分类实时性任务的定义和分类实时性定义实时性定义: : 任务的执行有严格时间要求（任务必须规定时间内完成任务的执行有严格时间要求（任务必须规定时间内完成或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障的特性。或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障的特性。实时性任务分类实时性任务分类: : 强实时性任务强实时性任务 实时突发性任务；实时周期性任务实时突发性任务；实时周期性任务 弱实时性任弱实时性任务（1 1）实时突发性任务：）实时突发性任务： 任务的发生具有随机性和突发性，是一种异步中断事任务的发生具有随机性和突发性，是一种异步中断事件。主要包括件。主要包括故障中断故障中断( (急停，机械限位、硬件故障等急停，机械限位、硬件故障等) )、机床机床PLCPLC中断中断、硬件（按键）操作中断硬件（按键）操作中断等。等。（2 2）实时周期性任务：）实时周期性任务： 任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括插补插补运算运算、位置控制位置控制等任务。为保证加工精度和加工过程的连等任务。为保证加工精度和加工过程的连续性，这类任务处理的实时性是关键。在任务的执行过程续性，这类任务处理的实时性是关键。在任务的执行过程中，除系统故障外，不允许被其它任何任务中断。中，除系统故障外，不允许被其它任何任务中断。（3 3）弱实时性任务）弱实时性任务 这这类类任任务务的的实实时时性性要要求求相相对对较较弱弱，只只需需要要保保证证在在某某一一段段时时间间内内得得以以运运行行即即可可。在在系系统统设设计计时时，它它们们或或被被安安排排在在背背景景程程序序中中，或或根根据据重重要要性性将将其其设设置置成成不不同同的的优优先先级级，再再由系统调度程序对它们进行合理的调度。由系统调度程序对它们进行合理的调度。 这这类类任任务务包包括括：CRTCRT显显示示、零零件件程程序序的的编编辑辑、加加工工状状态态的的动态显示、加工轨迹的静态模拟仿真及动态显示等。动态显示、加工轨迹的静态模拟仿真及动态显示等。（二）（二）CNC装置装置的软件特点的软件特点1、资源分时共享并行处理、资源分时共享并行处理 使使多多个个用用户户按按时时间间顺顺序序使使用用同同一一套套设设备备。如如在在单单CPUCPU的的CNCCNC中，采用中，采用CPUCPU分时共享来解决多任务的同时运行。分时共享来解决多任务的同时运行。资资源源分分时时共共享享方方法法：循循环环轮轮流流法法和和中中断断优优先先法法相相结结合合( (图图4-4-15)15)。 图图中中环环外外任任务务是是一一些些实实时时性性很很强强的的任任务务，是是按按优优先先级级排排队队把把它它们们分分别别放放在在不不同同中中断断优优先先级级上上，可可随随时时中中断断环环内内各各任任务务的执行。的执行。译码刀补I/O显示初始化位置控制插补运算背景程序4ms8ms16ms中断级别高中断级别低资源（CPU）分时共享图2、时间重叠流水处理、时间重叠流水处理 也也称称资资源源重重叠叠流流水水处处理理，是是根根据据流流水水处处理理技技术术，使使多多个个处处理理过过程程在在时时间间上上相相互互错错开开，轮轮流流使使用用同同一一套套设设备备的的几几个个部分。部分。 如如图图4-144-14b b从从t t4 4后后，每每个个程程序序段段的的输输出出不不再再有有间间隔隔，保保证证了刀具移动的连续性。了刀具移动的连续性。203流水流水处理技理技术示意示意图时间t+tt空空间111333222输出出输出出输出出CPU1CPU2CPU3并行并行处理理1231232tt空空间时间顺序序处理理输出出输出出CPU13、实时中断处理、实时中断处理 中断处理为整个系统必不可少的组成部分。类型有：中断处理为整个系统必不可少的组成部分。类型有：外外部部中中断断。主主要要有有光光电电阅阅读读机机读读孔孔中中断断，外外部部监监控控中中断断（如如紧紧急急停停等等）和和键键盘盘及及操操作作面面板板输输入入中中断断。前前两两种种中中断断的的实实时时性性要要求求很很高高，通通常常把把它它们们放放在在较较高高的的优优先先级级上上，而而键键盘盘和操作面板输入中断则放在较低的中断优先级上。和操作面板输入中断则放在较低的中断优先级上。内内部部定定时时中中断断。主主要要有有插插补补周周期期定定时时中中断断和和位位置置采采样样定定时时中中断断。有有些些系系统统把把这这两两种种定定时时中中断断合合二二为为一一。但但在在处处理理时时，总是先处理位置控制，然后处理插补运算。总是先处理位置控制，然后处理插补运算。硬硬件件故故障障中中断断。它它是是各各种种硬硬件件故故障障检检测测装装置置发发出出的的中中断断。如存储器、定时器出错，插补运算超时等。如存储器、定时器出错，插补运算超时等。程程序序性性中中断断。程程序序中中出出现现的的异异常常情情况况中中断断。如如溢溢出出、除除零零等。等。（三）（三）CNC装置装置的软件结构的软件结构1、前后台型软件结构、前后台型软件结构 该模式将该模式将CNCCNC系统软件划分成两部分：系统软件划分成两部分： 前前台台程程序序: : 主主要要完完成成插插补补运运算算、位位置置控控制制、故故障障诊诊断断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。 后后台台程程序序( (背背景景程程序序): ): 完完成成显显示示、零零件件加加工工程程序序的的编编辑辑管管理理、系系统统的的输输入入/ /输输出出、插插补补预预处处理理（译译码码、刀刀补补处处理理、速速度度预预处处理理) )等等弱弱实实时时性性的的任任务务，它它是是一一个个循循环环运运行行的的程程序序，其其在在运运行行过过程程中中，不不断断地地定定时时被被前前台台中中断断程程序序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。前后台程序运行关系图前台程序前台程序故障故障处理理位置控制位置控制插插补运算运算后台程序后台程序译 码刀刀补处理理速度速度预处理理输入入/输出出显示示中断中断执行行循循环执行行 图中是美国图中是美国A-B7360CNC软件，是前后台型软件结构。软件，是前后台型软件结构。 该图该图左面左面是实时是实时中断程序中断程序处理的任务。处理的任务。 右右面面是是背背景景程程序序处处理理的的任任务务。背背景景程程序序是是一一个个循循环环运运行行的的主程序，而实时中断程序按其优先级随时插入背景程序中。主程序，而实时中断程序按其优先级随时插入背景程序中。q 前后台型结构模式的特点前后台型结构模式的特点任任务务调调度度机机制制: : 优优先先抢抢占占调调度度和和循循环环调调度度。前前台台程程序序的的调调度度是是优优先先抢抢占占式式的的；前前台台和和后后台台程程序序内内部部各各子子任任务采用的是顺序调度。务采用的是顺序调度。信信息息交交换换: : 缓缓冲冲区区。前前台台和和后后台台程程序序之之间间以以及及内内部部各各子任务之间的。子任务之间的。实实时时性性差差。在在前前台台和和后后台台程程序序内内无无优优先先级级等等级级、 也也无无抢占机制。抢占机制。 该该结结构构仅仅适适用用于于控控制制功功能能较较简简单单的的系系统统。早早期期的的CNCCNC系系统大都采用这种结构。统大都采用这种结构。2、多重多重中断型软件结构中断型软件结构 这种结构是将除了初始化程序之外，整个系统软件的这种结构是将除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。整个软件就是一个大的中断管服务程序实施调度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。理系统。中断型软件系统结构图初始化初始化中断管理系统（硬件中断管理系统（硬件 + 软件）软件）0级级中中断断服服务务程程序序 级级中中断断服服务务程程序序 级级中中断断服服务务程程序序级级中中断断服服务务程程序序1n2 表表4-1是是FANUE-BESK 7CM CNC系系统统的的各各级级中中断断程程序序的的功能，软件结构是一个典型的中断型结构。功能，软件结构是一个典型的中断型结构。 其其控控制制程程序序被被分分为为八八级级不不同同优优先先级级的的中中断断，其其中中，0级级为为最低级中断，最低级中断，7级为最高级中断。级为最高级中断。q中断型中断型结构模式的特点结构模式的特点任务调度机制：抢占式优先调度抢占式优先调度。信息交换：缓冲区缓冲区。实实时时性性好好。由于中断级别较多（最多可达8级），强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。模模块块间间的的关关系系复复杂杂，耦耦合合度度大大，不不利利于于对对系系统统的的维维护和扩充护和扩充。 8090年代初的CNC系统大多采用这种结构。三、典型三、典型CNC系统简介系统简介1、FANUC CNC系统简介系统简介高可靠性的高可靠性的 Power Mate 0系列：系列： 用于控制用于控制 2轴的小型车床，取代步进电机的伺服系统；轴的小型车床，取代步进电机的伺服系统； 可配画面清晰、操作方便，中文显示的可配画面清晰、操作方便，中文显示的CRTMDI， 也可配性能价格比高的也可配性能价格比高的DPLMDI。普及型普及型 CNC 0D系列：系列： 0TD用于车床，用于车床， 0MD用于铣床及小型加工中心，用于铣床及小型加工中心， 0GCD用于圆柱磨床，用于圆柱磨床， 0GSD用于平面磨床，用于平面磨床， 0PD用于冲床。用于冲床。全功能型的全功能型的0C系列：系列： 0TC用于通用车床、自动车床，用于通用车床、自动车床， 0MC用于铣床、钻床、加工中心，用于铣床、钻床、加工中心， 0GCC用于内、外圆磨床，用于内、外圆磨床， 0GSC用于平面磨床，用于平面磨床， 0TTC用于双刀架用于双刀架4轴车床。轴车床。高性能价格比的高性能价格比的0i系列：系列： 整体软件功能包，高速、高精度加工，并具有网络功能。整体软件功能包，高速、高精度加工，并具有网络功能。 0iMBMA用于加工中心和铣床，用于加工中心和铣床，4轴轴4联动；联动； 0iTB/TA用于车床，用于车床，4轴轴2联动，联动， 0imate MA用于铣床，用于铣床，3轴轴3联动；联动； 0imate TA用于车床，用于车床，2轴轴2联动。联动。具有网络功能的超小型、超薄型具有网络功能的超小型、超薄型 CNC 16i18i21i系系列：列： 控制单元与控制单元与 LCD集成于一体，具有网络功能，超高速集成于一体，具有网络功能，超高速串行数据通讯。串行数据通讯。 其中其中FS16iMB的插补、位置检测和伺服控制以纳米为的插补、位置检测和伺服控制以纳米为单位。单位。 16i最大可控最大可控8轴，轴，6轴联动；轴联动； 18i最大可控最大可控6轴，轴，4轴联动；轴联动； 21i最大可控最大可控4轴，轴，4轴联动。轴联动。 除此之外，还有实现机床个性化的除此之外，还有实现机床个性化的CNC 1618160180系列。系列。2、 SIEMENS数控系统简介数控系统简介SINUMERIK 802SC： 用于车床、铣床等，可控用于车床、铣床等，可控3个进给轴和个进给轴和1个主轴，个主轴， 802S适于步进电机驱动，适于步进电机驱动， 802C适于伺服电机驱动，具有数字适于伺服电机驱动，具有数字IO接口。接口。SINUMERIK 802D： 控制控制4个进给轴和个进给轴和 1个主轴，个主轴，PLC IO模块，具有图形模块，具有图形式循环编程，车削、铣削钻削工艺循环，式循环编程，车削、铣削钻削工艺循环，FRAME（包括（包括移动、旋转和缩放）等功能，为复杂加工任务提供智能控移动、旋转和缩放）等功能，为复杂加工任务提供智能控制。制。2、SIEMENS数控系统简介数控系统简介SINUMERIK 8l0D： 用于数字闭环驱动控制，最多可控用于数字闭环驱动控制，最多可控6轴（包括轴（包括 1个主个主轴和轴和 1个辅助主轴），紧凑型可编程输入输出。个辅助主轴），紧凑型可编程输入输出。SINUMERIK 840D： 全数字模块化数控设计，用于复杂机床、模块化旋全数字模块化数控设计，用于复杂机床、模块化旋转加工机床和传送机床，最大可控转加工机床和传送机床，最大可控31个坐标轴。个坐标轴。 19691969年美国数字设备公司（年美国数字设备公司（DECDEC）根据招标的要求，研制）根据招标的要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在出世界上第一台可编程序控制器，并在GMGM公司汽车生产公司汽车生产线上首次应用成功。线上首次应用成功。 19801980年美国电气制造商协会（年美国电气制造商协会（NEMANEMA）正式将其命名为可）正式将其命名为可编程序控制器（编程序控制器（Programmable ControllerProgrammable Controller），简称），简称 PCPC。 为区别于个人计算机（为区别于个人计算机（Personal ComputerPersonal Computer），名称采用），名称采用可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller(Programmable Logic Controller，简称简称PLC )PLC )，该名称沿用至今。，该名称沿用至今。一、一、PLC简介介1、PLC的概念的概念第七节第七节 系统中的可编程序控制器系统中的可编程序控制器PLC的定义的定义国际电工委员会（国际电工委员会（ IEC）于）于 1982年年11月和月和 1985年年1月对可编程序控制器作了如下的定义：月对可编程序控制器作了如下的定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。型的机械或生产过程。 可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计则而设计”。模模拟量量输入入行程开关行程开关继电器触点器触点各种开关各种开关传感器感器CPUROM、RAM电源部件源部件输出出接接口口输入入接接口口外外设接口接口照明照明电磁装置磁装置执行机构行机构采用光采用光电隔离装置隔离装置继电器、可控硅、器、可控硅、晶体管晶体管电路路编程器程器打印机打印机计算机算机1. 1. 主机主机主机主机 CPU是是是是PLCPLC的核心，一切的核心，一切的核心，一切的核心，一切逻辑逻辑运算及判断都是由运算及判断都是由运算及判断都是由运算及判断都是由其完成的，并控制所有其它部件的操作。它就是我其完成的，并控制所有其它部件的操作。它就是我其完成的，并控制所有其它部件的操作。它就是我其完成的，并控制所有其它部件的操作。它就是我们们常常常常说说的的的的电脑电脑芯片。芯片。芯片。芯片。(1) (1) 运行用运行用运行用运行用户户程序。程序。程序。程序。(2) (2) 监监控控控控输输入入入入/ /输输出接口状出接口状出接口状出接口状态态。(3) (3) 作出作出作出作出逻辑逻辑判断和判断和判断和判断和进进行数据行数据行数据行数据处处理理理理 主机部分包括中央主机部分包括中央主机部分包括中央主机部分包括中央处处理器（理器（理器（理器（CPUCPU）、系）、系）、系）、系统统程序存程序存程序存程序存储储器和用器和用器和用器和用户户程序及数据存程序及数据存程序及数据存程序及数据存储储器。器。器。器。 系系系系统统程序存程序存程序存程序存储储器：器：器：器：主要存放系主要存放系主要存放系主要存放系统统管理和管理和管理和管理和监监控程序控程序控程序控程序及及及及对对用用用用户户程序作程序作程序作程序作编译处编译处理的程序。系理的程序。系理的程序。系理的程序。系统统程序已由程序已由程序已由程序已由厂家固定，用厂家固定，用厂家固定，用厂家固定，用户户不能更改。不能更改。不能更改。不能更改。 用用用用户户程序及数据存程序及数据存程序及数据存程序及数据存储储器：器：器：器：主要存放用主要存放用主要存放用主要存放用户编户编制的制的制的制的应应用程序及各种用程序及各种用程序及各种用程序及各种暂暂存数据、中存数据、中存数据、中存数据、中间结间结果。果。果。果。内部存内部存内部存内部存储储器器器器有两有两类：1.系系统程序存程序存储器器2.用用户程序及数据存程序及数据存储器器2. 2. 输输入入入入/ /输输出出出出(I/O)(I/O)接口接口接口接口 输输入接口入接口入接口入接口用于接收用于接收用于接收用于接收输输入入入入设备设备（如：按（如：按（如：按（如：按钮钮、行程开、行程开、行程开、行程开关、关、关、关、传传感器等）的控制信号。感器等）的控制信号。感器等）的控制信号。感器等）的控制信号。PLC的的输入接口入接口电路（直流路（直流输入型）入型） 输输出接口出接口出接口出接口用于将用于将用于将用于将经经主机主机主机主机处处理理理理过过的的的的结结果通果通果通果通过输过输出出出出电电路路路路去去去去驱动输驱动输出出出出设备设备（如（如（如（如: :接触器、接触器、接触器、接触器、电电磁磁磁磁阀阀、指示灯等）、指示灯等）、指示灯等）、指示灯等）。3.3.电电源源源源 电电源源源源指指指指为为CPUCPU、存、存、存、存储储器、器、器、器、I/OI/O接口等内部接口等内部接口等内部接口等内部电电子子子子电电路路路路工作所配工作所配工作所配工作所配备备的直流开关的直流开关的直流开关的直流开关稳压电稳压电源源源源4.4.编编程器程器程器程器 编程器程器是是PLC很重要的外很重要的外围设备，它主要由，它主要由键盘、显示器示器组成。成。编程器分程器分简易型和智能型两易型和智能型两类。小型。小型PLC常用常用简易易编程器，大、中型程器，大、中型PLC多用智能多用智能编程程器。利用器。利用编程器可程器可输入、入、检查、修改、修改、调试用用户程程序和在序和在线监视PLC工作状况。工作状况。现在在较多采用将多采用将PLC和和计算机算机联接，并利用接，并利用专用的工具用的工具软件件进行行编程或程或监控。控。6. 6. 外部外部外部外部设备设备接口接口接口接口 I/O扩展接口展接口用于将用于将扩充外部充外部输入入/输出端子数的出端子数的扩展展单元与基本元与基本单元（即主机）元（即主机）连接在一起。接在一起。5. 5. 输输入入入入输输出出出出扩扩展接口展接口展接口展接口 此接口可将此接口可将编程器、打印机、条形程器、打印机、条形码扫描描仪等外等外围设备与主机相与主机相连。编编程元件的种程元件的种程元件的种程元件的种类类和数量和数量和数量和数量 编程元件指：程元件指：输入入继电器、器、输出出继电器、器、辅助助继电器、定器、定时器、器、计数器、通用数器、通用“字字”寄存器、寄存器、数据寄存器及特殊功能数据寄存器及特殊功能继电器等。其种器等。其种类和数量和数量是衡量是衡量PLC功能的一个指功能的一个指标。227PLCPLC的规模及其应用的规模及其应用 CPM1A系列系列PLC内部内部继电器分配情况器分配情况 229可可编程控制器的程控制器的编程方法程方法梯形梯形图梯形梯形图( (LDLadder Diagram)法法编程与程与传统的的继电器器电路路图的的设计很相似，用很相似，用电路元件符号路元件符号来表示控制任来表示控制任务直直观易理解。易理解。120.21.41.5120.1120.11.31.21.0支路支路1支路支路2支路支路3梯级梯级1梯级梯级2AB CEFR2R1R1电力轨电力轨电力轨电力轨230q语句表句表语句表也称指令表句表也称指令表( (ILInstruction List)。或叫指令表或叫指令表语言。它是以言。它是以RD、OR、AND、NOT等等逻辑指令指令为语句的操作句的操作码，以操作地址，以操作地址或参数操作数的或参数操作数的编程程语言。操作言。操作码表示要操作的功表示要操作的功能能类型，操作数表示到哪里去操作。型，操作数表示到哪里去操作。这种种编程方法程方法紧凑、系凑、系统化，但比化，但比较抽象，抽象，有有时先用梯形先用梯形图表达，然后写成相表达，然后写成相应的指令的指令语句句输入。入。可可编程控制器的程控制器的编程方法程方法231梯形图与语句表的关系 RD 1.0OR 120.1AND NOT 1.2AND 1.3WRT 120.1RD 1.4AND NOT 1.5WRT 120.2120.21.41.5120.1120.11.31.21.0支路支路1支路支路2支路支路3梯级梯级1梯级梯级2ABCEFR2R1R1电力轨电力轨电力轨电力轨可可编程控制器的程控制器的编程方法程方法232高高级语言言编程法（如程法（如C语言等）；言等）；随着数控技随着数控技术的的发展，可展，可编程控制器控制的程控制器控制的设备已已由由单机机扩展到展到FMS、CIMS等。等。可可编程控制器程控制器处理的信息除开关量信号、模理的信息除开关量信号、模拟量信量信号、交流信号外，号、交流信号外，还需要完成与上位机或下位机的信需要完成与上位机或下位机的信息交息交换。某些信息的某些信息的处理已不能采用理已不能采用顺序序执行的方式，而必行的方式，而必须采用高速采用高速实时处理方式。理方式。基于基于这些原因，些原因，计算机所用的高算机所用的高级语言便逐步被引言便逐步被引用到用到PC的的应用程序中来。用程序中来。可编程控制器的编程方法233其他其他编程法程法控制系控制系统流程流程图( (逻辑功能功能图)编程法；程法；功能模功能模块图表示的表示的“功能功能块语言言”编程法；程法；基于基于图形表示的形表示的“图形形语言言”编程法；程法；用指定子程序控制和指令用指定子程序控制和指令语句表示的句表示的“结构文本构文本语言言”编程法；程法；逻辑式式编程法。程法。可编程控制器的编程方法234输 入入 端端 器器 件件输 入入 映映 象象元元 件件 映映 象象 寄寄 存存输 出出 锁 存存输 入入 端端 器器 件件输 入入输 出出输入采入采样阶段段输出刷新出刷新阶段段程序程序执行行阶段段程序程序执行行过程程图235操作面板操作面板换刀刀动作作冷却排屑冷却排屑.主主轴控制控制换刀刀动作作冷却排屑冷却排屑.辅助助动作作换刀刀动作作冷却排屑冷却排屑.数控系数控系统CNCPLC数控机床数控机床 数控系数控系统中，各种开关量的控制通常都是由中，各种开关量的控制通常都是由PLC实现的，并通的，并通过数字的、模数字的、模拟的的输入和入和输出，控制各种出，控制各种类型的机械或生型的机械或生产过程。程。 二、二、PLC在在CNC系系统中的中的应用用236CNCRAMPLCI/O电路路MDI/CRT面板面板机床机床强电电路路主主轴控制控制单元元伺服控制伺服控制单元元换刀刀、冷冷却、排屑却、排屑机床操作面板机床操作面板隔离隔离电路路1. 内装式（内装式（built in type） 237CNCPLC隔隔离离电路路MDI面板面板机床机床强电主主轴控制控制换刀刀、冷冷却、排屑却、排屑操作面板操作面板隔隔离离I/O伺服控制伺服控制2.独立式（独立式（stand alone type） 238作用：作用：完成各种完成各种辅助功能助功能 机床主机床主轴的起停、正反的起停、正反转控制控制 速度控制速度控制:主主轴转速及速及进给速度的倍率速度的倍率选择 机床冷却、机床冷却、润滑系滑系统的通和断的通和断 机床刀机床刀库的起停和刀具的的起停和刀具的选择、更、更换 机床卡机床卡盘的的夹紧、松开、松开 机床自机床自动门的开、的开、闭 机床排屑等机床排屑等辅助装置的控制等。助装置的控制等。