第4章计算机数控装置

1、第4章 计算机数控装置4.1 概述前章已经述及，CNC系统是在传统硬结构数控（NC）的基础上发展起来的。它主要由硬件和软件两大部分组成。通过系统控制软件和硬件的合理配合完成数据系统的输入、数据处理、插补运算和信息输出，控制数控机床的执行部件运动，实现所需零件的加工。此外，现代数控系统采用PLC取代了传统的机床电气逻辑控制装置（即继电器控制电路），利用PLC的逻辑运算功能实现诸如主轴的正、反转及停止，换刀，工件的夹紧、松开，切削液的开、关以及润滑系统的运行等各种开关量的控制。面板控制单元主轴电机进给伺服电机电子手轮I/O模块机床控制面板CNC键盘驱动系统4.2 计算机数字控制装置的硬件结构4.2

2、.1 单微处理器结构在单微处理器结构中，只有一个微处理器，对存储、插补运算、输人输出控制、CRT显示等功能进行集中控制和分时处理。一个微处理器通过总线与存储器、输入输出（O）接口及其它接口相连，构成整个CNC系统，其结构框图如图4-1所示。早期的CNC系统和当前的一些经济型CNC系统都采用单微处理器结构。微处理器CPU总线EPROM存储器RAM存储器存储器输入/输出I/O接口位置控制器MDI/CRT可编程控制器通信接口图4-1 单微处理器结构框图1微处理器微处理器是CNC装置的中央处理单元，它能实现数控系统的数字运算和管理控制，由运算器和控制器两部分组成。运算器对数据进行算术运算和逻辑运算。在

3、运算过程中，运算器不断地从存储器中读取数据，并将运算结果送回存储器保存起来。通过对运算结果的判断，设置寄存器的相应状态（进位、奇偶和溢出等）。控制器则从存储器中依次取出程序指令，经过译码后向数控系统的各部分按顺序发出执行操作的控制信号，以执行指令。控制器是数控系统的中央机构，它一方面向各个部件发出执行任务的指令；另一方面接收执行部件发回的反馈信息。控制器根据程序中的指令信息和反馈信息，决定下一步的指令操作。目前CNC装置中常用的有8位、16位、32位和64位的微处理器，可以根据机床实时控制和处理速度的要求，按字长、数据宽度、寻址能力、运算速度及计算机技术发展的最新成果选用适当的微处理器。如日本

4、的FANUC-1516 CNC系统选用Motorola公司的32位微处理器68020作为其控制CPU。2总线在单微处理器的CNC系统中常采用总线结构。总线一般可分为数据总线、地址总线、和控制总线三组。数据总线为各部分之间传送数据，数据总线的位数和传送的数据宽度相等，采用双方向线。地址总线传送的是地址信号，与数据总线结合使用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地，采用单方向线。控制总线传输的是一些控制信号，如数据传输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用单方向线。3存储器CNC装置的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两类。ROM一般采用可擦除的只读存储器（EPROM），存储

5、器的内容由CNC装置的生产厂家固化写入，即使断电，EPROM中信息也不会丢失。若要改变EPROM中的内容，必须用紫外线抹除之后重新写入。RAM中的信息可以随时被CPU读或写，但断电后，信息也随之消失。如果需要断电后保留信息，一般需采用后备电池。4输入/输出（IO）接口CNC装置和机床之间的信号传输是通过输入（Input）和输出（Output）接口电路来完成。信号经接口电路送至系统寄存器的某一位，CPU定时读取寄存器状态，经数据滤波后作相应处理。同时CPU定时向输出接口送出相应的控制信号。I/O接口电路可以起到电气隔离的作用，防止干扰信号引起误动作。一般在接口电路中采用光电耦合器或继电器将CNC

6、装置和机床之间的信号在电气上加以隔离。5位置控制器CNC装置中的位置控制器主要是对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制。坐标轴控制是数控机床上要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动和位置的精度有严格要求，在多轴联动时，还要求各移动轴有很好的动态配合。对于主轴的控制，要求在很宽的范围内速度连续可调，并且每一种速度下均能提供足够的切削所需的功率和扭矩。在某些高性能的CNC机床上还要求能实现主轴的定向准停，也就是主轴在某一给定角度位置停止转动。6MDICRT接口MDI接口是通过操作面板上的键盘，手动输入数据的接口。CRT接口是在CNC软件配合下，将字符和图形显示在显示器上。显示器一般是阴极射线管（

7、CRT），也可以是平板式液晶显示器（LCD）。7可编程序控制器（PLC）可编程序控制器用来代替传统机床强电的继电器逻辑控制，实现各种开关量（S、M、T）的控制。如主轴正转、反转及停止，刀具交换，工件的夹紧及松开，切削液的开、关以及润滑系统的运行等，同时还包括主轴驱动以及机床报警处理等。8通信接口通信接口用来与外部设备进行信息传输，如与上位计算机或直接数字控制器DNC等进行数字通信，一般采用RS232C串口。单微处理器结构由于CPU通过总线与各个控制单元相连，完成信息交换，结构比较简单，但是由于只用一个微处理器来集中控制，CNC的功能受到微处理器字长、寻址功能和运算速度等因素的限制。4.2.2

8、多微处理器结构多微处理器结构中有两个或两个以上微处理器。多微处理器CNC装置采用模块化技术，由多个功能模块组成。一般包括如下几种功能模块：1CNC管理模块 管理和组织整个CNC系统的工作，包括系统初始化、中断处理、总线冲突裁决、系统出错识别和处理、软硬件诊断等功能。2CNC插补模块 完成零件加工程序的译码、刀具半径的补偿、坐标位移量的计算和进给速度处理等插补前的预处理，以及进行插补计算，确定各坐标轴的位置。3位置控制模块 插补后的坐标位置给定值与位置检测装置测得的位置实际值进行比较，进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，去驱动进给电机。4存储器模

9、块 主要用于存放程序和数据，也可以是各功能模块间进行数据传送的共享存储器。5操作面板监控和显示模块 包括零件的数控程序、参数、各种操作命令和数据的输入、输出、显示所需要的各种接口电路。6PLC模块 零件程序中的开关功能和从机床来的信号在这个模块中作逻辑处理，实现各开关功能和机床操作方式之间的对应关系，如机床主轴的启停、冷却液的开关、刀具交换、回转工作台的分度、工件数量和运转时间的计数等。根据CNC装置的需要，还可再增加相应的模块实现某些扩展功能。多微处理器CNC装置在结构上可分为共享总线型和共享存储器型，通过共享总线或共享存储器，来实现各模块之间的互联和通信。1共享总线结构 共享总线结构以系统

10、总线为中心，把组成CNC装置的各个功能部件划分为带有CPU的主模块和不带CPU的从模块（如各种RAM、ROM模块，IO等）两大类。所有主、从模块都插在配有总线插座的机柜内，共享标准的系统总线。系统总线的作用是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，实现各种预定的功能，如图4-2所示。CNC管理模块（CPU）总线主存储器模块对话式自动编程模块CNC插补模块（CPU）操作面板显示模块位置控制模块（CPU）PLC功能模块主轴控制模块（CPU）图4-2 多微处理器共享总线结构框图在共享总线结构中，只有主模块有权控制使用系统总线。但由于有多个主模块，可能会同时请求使用总线，而某一

11、时刻只能由一个主模块占有总线。为了解决这一矛盾，系统设有总线仲裁电路。按照每个主模块负担的任务的重要程度，预先安排各自的优先级别顺序。总线仲裁电路在多个主模块争用总线而发生冲突时，能够判别出发生冲突的各个主模块的优先级别的高低，最后决定由优先级高的主模块优先使用总线。共享总线结构中由于多个主模块共享总线，易引起冲突，使数据传输效率降低；总线一旦出现故障，会影响整个CNC装置的性能。但由于其结构简单、系统配置灵活、实现容易等优点而被广泛采用。2共享存储器结构 共享存储器结构通常采用多端口存储器来实现各微处理器之间的连接与信息交换，由多端口控制逻辑电路解决访问冲突，其结构框图如图4-3所示。CNC

12、管理模块（CPU）（多端口）存储器（ RAM ）I/O控制模块（CPU）输出至机床的控制信号操作面板显示模块位置控制模块（CPU）主轴控制模块（CPU）来自机床的控制信号图4-3 多微处理器共享存储器结构框图在共享存储器结构中，各个主模块都有权控制使用系统存储器。即便是多个主模块同时请求使用存储器，只要存储器容量有空闲，一般不会发生冲突。在各模块请求使用存储器时，由多端口的控制逻辑电路来控制。共享存储器结构中多个主模块共享存储器时，引起冲突的可能较小，数据传输效率较高，结构也不复杂，所以也被广泛采用。4.2.3 开放式数控系统前述的数控系统是由厂商专门设计和制造的，其特点是专用性强，布局合理，

13、是一种专用的封闭系统，但是没有通用性，硬件之间彼此不能交换。各个厂家的产品之间不能互换，与通用计算机不能兼容，并且维修、升级困难，费用较高。虽然专用封闭式数控系统在很长时期内占领了国际市场，但是随着计算机技术的不断发展，人们对数控系统提出了新的要求，这种封闭式的专用系统严重制约着数控技术的发展。针对这种情况，开放式数控系统的概念应运而生，国内外正在大力研究开发开放式数控系统，有的已经进入实用阶段。开放式数控系统是一种模块化的、可重构的、可扩充的通用数控系统，它以工业PC机作为CNC装置的支撑平台，再由各专业数控厂商根据需要装入自己的控制卡和数控软件构成相应的CNC装置。由于工业PC机大批量生产

14、，成本很低，因而也就降低了CNC系统的成本，同时工业PC机维护和升级均很容易。开放式数控系统采用系统、子系统和模块的分布式控制结构，各模块相互独立，各模块接口协议明确，可移植性好。根据用户的需要可方便地重构和编辑，实现一个系统的多种用途。以工业PC机为基础的开放式数控系统，很容易实现多轴、多通道控制，实时三维实体图形显示和自动编程等，利用Windows工作平台，使得开发工作量大大减少，而且可以实现数控系统三种不同层次的开放：1CNC系统的开放 CNC系统可以直接运行各种应用软件，如工厂管理软件、车间控制软件、图形交互编程软件、刀具轨迹校验软件、办公自动化软件、多媒体软件等，这大大改善了CNC的

15、图形显示、动态仿真、编程和诊断功能。2用户操作界面的开放 用户操作界面的开放使CNC系统具有更加友好的用户接口，并具备一些特殊的诊断功能，如远程诊断。3CNC内核的深层次开放 通过执行用户自己用C或C+语言开发的程序，就可以把应用软件加到标准CNC的内核中，称为编译循环。CNC内核系统提供已定义的出口点，机床制造厂商或用户把自己的软件连接到这些出口点，通过编译循环，将其知识、经验、诀窍等专用工艺集成到CNC系统中去，形成独具特色的个性化数控机床。这样三个层次的全部开放，能满足机床制造厂商和最终用户的种种需求，这种控制技术的柔性，使用户能十分方便地把CNC应用到几乎所有应用场合。4.2.4 嵌入

16、式数控系统随着嵌入式处理器的广泛使用，数控装置中也采用了嵌入式微处理器，这种数控系统在市场上被称为嵌入式数控系统。采用了嵌入式处理器的数控装置和先前的数控装置在功能上相似，不过由于嵌入式处理器强大的计算能力和扩展能力，嵌入式数控系统的计算速度更快，与外界的接口也更丰富。图4-4所示为嵌入式数控系统的结构框图。显示接口USB总线串口内存闪存嵌入式可编程计算部件进给轴接口伺服单元主轴接口PLCI/O传感器接口以太网接口主轴驱动单元嵌入式处理器图4-4 嵌入式数控系统结构框图嵌入式处理器是整个系统运算和控制中心，种类很多，比较常用的有ARM、嵌入式X86、MCU等。可编程计算部件是指现场可编程门阵列

17、（FPGA）、数字信号处理器（DSP）等可编程计算资源。嵌入式处理器中集成了LCD控制器，它提供与液晶显示器的接口，通过这个接口可以直接驱动液晶显示屏。嵌入式处理器中还集成了USB客户端控制器，方便实现USB客户端接口。嵌入式处理器中的以太网模块还可以实现数控系统的联网功能。4.3 计算机数字控制装置的软件结构4.3.1 CNC装置的软件组成CNC装置的软件构成如图4-4所示，包括管理软件和控制软件两大部分。管理软件主要包括输入、IO处理、通信、诊断和显示等功能。控制软件包括译码、刀具补偿、速度控制、插补和位置控制及开关量控制等功能。图4-4 CNC装置的软件构成4.3.2 CNC系统软件的工

18、作过程1输入CNC系统的输入内容包括零件数控加工程序、控制参数和补偿数据。一般通过键盘、RS232C接口等方式输入，这些输入方式采用中断方式来实现，且每一种输入法均有一个相对应的中断服务程序。其工作过程是先输入零件加工程序，然后将程序存放到缓冲器中，再经缓冲器将程序存储在零件程序存储器单元内。对于控制参数和补偿数据等可通过键盘输入存放在相应的数据寄存器内。2译码译码处理是以一个程序段为单位对零件数控加工程序进行处理。在译码过程中，首先对程序段的语法进行检查，若发现错误，立即报警。若没有错误，则把程序段中的零件轮廓信息（如起点、终点、直线或圆弧等）、加工速度信息（F代码）和其它辅助信息（M、S、

19、T代码等）按照一定的语法规则解释成微处理器能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定存储器的内存单元。3数据处理数据处理通常包括刀具长度补偿、刀具半径补偿、反向间隙补偿、丝杠螺距补偿、过象限及进给方向判断、进给速度换算、加减速控制及机床辅助功能处理等。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹，一些较好的CNC装置中，还能实现C刀具补偿，即程序段之间的自动转接和过切判别等。进给速度处理是根据程序中所给的刀具移动速度计算各运动在坐标方向的分速度，对机床允许的最低速度和最高速度的限制也要处理。4插补插补是在一条给定了起点、终点和形状的曲线上进行“数据点的密化”。根据给定的进给速度和曲线

20、形状，计算一个插补周期内各坐标轴进给的长度。数控系统的插补运算是一项精度要求较高、实时性很强的运算。插补精度直接影响工件的加工精度，而插补速度决定了工件的表面粗糙度和加工速度。通常插补分为粗插补和精插补，精插补的插补周期一般取伺服系统的采样周期，而粗插补的插补周期是精插补的插补周期的若干倍。一般的CNC装置中，能对直线、圆弧和螺旋线进行插补。一些较专用或高级的CNC装置还能完成椭圆、抛物线、正弦线的插补工作。5位置控制位置控制是在伺服系统的每个采样周期内，将精插补计算出的理论位置与实际反馈位置信息进行比较，其差值作为伺服调节的输入，经伺服驱动器控制伺服电机。在位置控制中通常还要完成位置回路的增

21、益调整、各坐标的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。6诊断诊断程序包括在系统运行过程中进行的检查与诊断，和作为服务程序在系统运行前或故障发生停机后进行的诊断。诊断程序一方面可以防止故障的发生，另一方面在故障出现后，可以帮助用户迅速查明故障的类型和发生部位。4.3.3 CNC系统的软件结构特点CNC系统是一个实时多任务系统，由于CNC装置本身就是一台计算机，所以在CNC系统的控制软件设计中，采用了许多计算机软件结构设计的思想和技术。这里主要介绍多任务并行处理、前后台软件结构和中断型软件结构。1多任务并行处理CNC装置的软件构成包括管理软件和控制软件两大部分。在多数情况下，CNC装置

22、进行数控加工时，要完成多种任务。管理软件和控制软件的某些工作必须同时进行。例如，为使操作人员能及时了解CNC装置的工作状态，管理软件中的显示模块，必须与控制软件中其它模块同时运行。当在插补加工运行时，管理软件中的零件程序输入模块必须与控制软件中的相关模块同时运行。而当控制软件运行时，其本身的一些处理模块也必须同时运行。例如，为了保证加工过程的连续性，即刀具在各程序段之间不停刀，译码、刀具补偿和速度处理模块必须与插补模块同时运行，而插补程序又必须与位置控制程序同时进行。为此，数控加工的多任务常采用并行处理的方式来实现，即计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。图

23、4-5所示为各模块间多任务的并行处理。图中双箭头表示两个模块之间存在并行处理关系。译码刀补速度处理插补位置控制I/O诊断输入显示位置控制图4-5 任务的并行处理2前后台型软件结构前后台型软件结构适合于单微处理器CNC装置。在这种软件结构中，前台程序是一个实时中断服务程序，承担了几乎全部的实时功能，实现与机床动作直接相关的功能，如插补、位置控制、机床相关逻辑和监控等。后台程序是一个循环执行程序，承担一些实时性要求不高的功能，如输入、译码、数据处理等插补准备工作，管理程序一般也在后台运行。在后台程序循环运行的过程中，前台的实时中断程序不断地定时插入，二者密切配合，共同完成零件的加工任务。前台程序故

24、障处理位置控制插补运算后台程序译 码刀补处理速度预处理输入/输出显示中断执行循环执行 图4-6 前后台型软件结构3中断型软件结构中断型软件结构没有前后台之分，整个软件是一个大的中断系统。在执行完初始化程序之后，整个系统软件的各种任务模块分别安排在不同级别的中断程序中，系统通过响应不同的中断来执行相应的中断处理程序，完成数控加工的各种功能。其管理功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通讯来解决。中断优先级共分8级，0级最低，7级最高，除了第4级为硬件中断完成报警功能外，其余均为软件中断。4.4 数控机床的可编程控制器4.4.1 数控机床中PLC实现的功能1M、S、T功能M、S、T功能可以由数控加

25、工程序来指定，也可以在机床的操作面板上进行控制。PLC根据不同的M功能，可控制主轴的正转、反转和停止，主轴准停，冷却液的开、关，卡盘的夹紧、松开及换刀机械手的取刀、归刀等动作。S功能在PLC中可以容易地用四位代码直接指定转速。CNC送出S代码值到PLC，PLC将十进制数转换为二进制数后送到DA转换器，转换成相对应的输出电压，作为转速指令来控制主轴的转速。数控机床通过PLC可管理刀库，进行刀具的自动交换。处理的信息包括刀库选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命和刀具刃磨次数等。2机床外部开关量信号控制功能机床的开关量有各类控制开关、行程开关、接近开关、压力开关和温控开关等，将各开关量信号送入P

26、LC，经逻辑运算后，输出给控制对象。3输出信号控制功能PLC输出的信号经强电柜中的继电器、接触器，通过机床侧的液压或气动电磁阀，对刀库、机械手和回转工作台等装置进行控制，另外还对冷却泵电动机、润滑泵电动机及电磁制动器等进行控制。4伺服控制功能通过驱动装置，驱动主轴电动机、伺服进给电动机和刀库电动机等。5报警处理功能PLC收集强电柜、机床侧和伺服驱动装置的故障信号，将报警标志区中的相应报警标志位置位，数控系统便发出报警信号或显示报警文本以方便故障诊断。6其它介质输入装置互联控制有些数控机床用计算机软盘读入数控加工程序，通过控制软盘驱动装置，实现与数控系统进行零件程序、机床参数和刀具补偿等数据的传

27、输。4.4.2 PLC、CNC与数控机床的关系根据PLC、CNC和数控机床的关系，可将PLC分为内装型PLC和独立型PLC两类。1内装型PLC 内装型PLC从属于CNC装置，PLC与CNC间的信号传送在CNC装置内部实现。PLC与数控机床之间的信号传送则通过CNC输入输出接口电路实现，如图4-7所示。CNCPLCI/O电路主轴电机机床操作面板辅助动作、换刀、冷却、排屑MDI/CRT面板伺服电机速度控制单元主轴速度控制单元强电电路图4-7 内装型PLC、 CNC与数控机床的关系内装型PLC具有以下特点：（1）内装型PLC实际上是CNC装置带有的PLC功能，一般是作为一种基本的功能提供给用户。（2

28、）内装型PLC的性能指标是根据所从属的CNC系统的规格、性能、适用机床的类型等确定的，其硬件和软件部分是被作为CNC系统的基本功能或附加功能与CNC系统统一设计制造的，PLC所具有的功能针对性强，技术指标较合理、实用，适用于单台数控机床及加工中心等场合。（3）内装型PLC可与CNC共用CPU，也可单独使用一个CPU；内装型PLC一般单独制成一块附加板，插装到CNC主机中。不单独配备IO接口，而是使用CNC系统本身的IO接口；PLC控制部分及部分IO电路所用电源由CNC装置提供，不另备电源。（4）采用内装型PLC结构，CNC系统可以具有某些高级的控制功能，如梯形图编辑和传送功能等。2独立型PLC

29、独立型PLC是独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置。独立型的PLC与数控机床的关系如图4-8所示。CNCPLCI/O电路主轴电机机床操作面板辅助动作、换刀、冷却、排屑MDI/CRT面板伺服电机速度控制单元主轴速度控制单元强电电路I/O电路I/O电路图4-8 独立型PLC、 CNC与数控机床的关系独立型PLC具有以下特点：（1）独立型PLC本身即是一个完整的计算机系统，具有CPU、程序存贮器、IO接口通讯接口及电源等。（2）在数控机床的应用中多采用积木式模块化结构，具有安装方便、功能易于扩展和变更等优点。（3）输入、输出点数可以通过输入、输出模块的增减灵活配

30、置，有的还可通过多个远程终端连接器构成有大量输入、输出点的网络，以实现大范围的集中控制。4.4.3 PLC在数控机床上的应用举例数控机床的PLC提供了完整的编程语言，利用编程语言，按照不同的控制要求可编制不同的控制程序。梯形图方法是现在使用最广泛的编程方法，在形式上类似于继电器控制电路图，简单、直观、易读、好懂。数控机床中的PLC编程步骤如下：（1）确定控制对象；（2）制作输入和输出信号电路原理图、地址表和PLC数据表；（3）在分析数控机床工作原理或动作顺序的基础上，用流程图、时序图等描述信号与机床运动之间的逻辑顺序关系，设计制作梯形图；（4）把梯形图转换成指令表的格式，然后用编程器键盘写入顺

31、序程序，接下来用仿真装置或模拟台进行调试、修改；（5）将经过反复调试并确认无误的顺序程序固化到EPROM中，并将程序存人软盘或光盘，同时整理出有关图纸及维修所需资料。表4-1中所列为FANUC系列梯形图的图形符号。下面以数控机床主轴定向控制为例说明PLC在数控机床上的应用。定向RSTAUTOORARM06M19200.7210.7206.744.2ORCM1.665.1R1222.6TM01206.61.64.5s203TM01206.6主轴定向定向时间检验定向有误TMRORCM在数控机床进行加工时，自动交换刀具或精镗孔都要用到主轴定向功能。图4-11所示为主轴定向功能的PLC控制梯形图。图4

32、-11 数控机床主轴定向控制梯形图梯形图4-11中AUTO为自动工作状态信号，手动时AUTO为“0”，自动时为“1”。M06是换刀指令，M19是主轴定向指令，这两个信号并联作主轴定向控制的控制信号。RST为CNC系统的复位信号。ORCM为主轴定向继电器。ORAR为从机床输入的定向到位信号。另外，这里还设置了定时器TMR功能，来检测主轴定向是否在规定时间内完成。通过手动数据输入（MDI）面板在监视器上设定4.5秒的延时数据，并存储在第203号数据存储单元。当在4.5秒内不能完成定向控制时，将发出报警信号。Rl为报警继电器。图中的梯形图符号边的数据表示PLC内部存储器的单元地址，如200.7表示数

33、据存储器中第200号存储单元的第7位，这些地址可由PLC程序编制人员根据需要来指定。4.5 典型的CNC系统简介4.5.1 FANUC公司的主要数控系统FANUC数控系统以其高质量、低成本、高性能、较全的功能，适用于各种机床和生产机械等特点，在市场的占有率远远超过其它的数控系统。（1）高可靠性的PowerMate 0系列 用于控制2轴的小型车床，取代步进电动机的伺服系统；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DPLMDI。（2）普及型CNC 0-D系列 0-TD用于车床，0-MD用于铣床及小型加工中心，0-GCD用于圆柱磨床，0-GSD用于平面磨床，0-PD用于冲

34、床。（3）全功能型的0-C系列 0-TC用于通用车床、自动车床，0-MC用于铣床、钻床、加工中心，0-GCC用于内、外圆磨床，0-GSC用于平面磨床，0-TTC用于双刀架4轴车床。（4）高性能价格比的0i系列 整体软件功能包，高速、高精度加工，并具有网络功能。0i-MBMA用于加工中心和铣床，4轴4联动；0i-TBTA用于车床，4轴2联动；0i-mateMA用于铣床，3轴3联动；0i-mateTA用于车床，2轴2联动。（5）具有网络功能的超小型、超薄型CNC 16i18i21i系列 控制单元与LCD集成于一体，具有网络功能，超高速串行数据通讯。其中FSl6i-MB的插补、位置检测和伺服控制以纳

35、米为单位。16i最大可控8轴，6轴联动；18i最大可控6轴，4轴联动；21i最大可控4轴，4轴联动。除此之外，还有实现机床个性化的CNCl618160180系列。1FANUC 0系列FANUC 0系列分别有A、B、C、D等产品，各产品又有不同。在这四种产品中，目前在国内使用最多的是普及型FANUC 0-D和全功能型FANUC 0-C两个系列。FANUC 0系统由CNC基本配置，主轴和进给伺服单元以及相应的主轴电动机和进给电动机，CRT显示器，系统操作面板，机床操作面板，附加的输入输出接口板（B2），电池盒，手摇脉冲发生器等部件组成。其中的CNC基本配置又由主印制电路板（PCB）、存储器板、图形

36、显示板、可编程机床控制器板（PMC-M）、伺服轴控制板、输入输出接口板、子CPU（中央处理器）板、扩展的轴控制板、数控单元电源和DNC控制板组成，各板插在主印制电路板上，与CPU的总线相连。FANUC 0系列产品有以下特点：（1）采用高速的微处理器芯片 FANUC的0系列产品使用Intel 80386芯片，1988年以后的产品改用使用Intel 80486DX2。（2）采用高可靠性的硬件设计及全自动化生产制造 该产品采用了高品质的元器件，并且大量采用了专用VLSI超大规模集成电路芯片，在一定程度上提高了数控系统的可靠性和系统的集成度。使用表面安装元件（SMD），进一步提高了数控系统的集成度，使

37、数控系统的体积大幅度减小。（3）丰富的系统控制功能 在系统的功能上具有刀具寿命管理、极坐标插补、圆柱插补、多边形加工、简易同步控制、Cf轴控制（主轴回转由进给伺服电动机实现，回转位置可与其他进给轴一起参与插补）和Cs轴控制（主轴电动机不是进给伺服电动机，而是FANUC主轴电动机，由装在主轴上的编码器检测主轴位置，可与其他进给轴一起参与插补）、串行和模拟的主轴控制、主轴刚性攻丝、多主轴控制功能、主轴同步控制功能、PLC梯形图显示和PLC梯形图编辑功能（需要编程卡）、PLC轴控制功能等。该系统除了通用的宏程序功能以外，还增加了定制型用户宏程序，这样为用户提供了更大的个性化设计的空间。用户可以通过编

38、程对显示屏幕、处理过程控制等进行编辑，以实现个性化机床的设计。（4）高速高精度的控制 FANUC 0-C数控系统采用了多CPU方式进行分散处理，实现了高速连续的切削。为了实现在切削路径中的高速、高精度，在系统功能中增加了自动拐角倍率、伺服前馈控制等，大大地减少了伺服系统的误差。对PLC的接口增加了高速M、S、T接口功能，进一步缩短了执行时间，提高了系统的运行速度。为了提高系统处理外部数据的速度，FANUC 0-C系统在硬件上增加了远程缓冲控制，系统可以实现高速的DNC操作。（5）全数字伺服控制结构 FANUC 0-C系统采用全数字伺服控制结构，实现伺服控制的数字化，大大地提高了伺服运行的可靠性

39、和自适应性，改善了伺服的性能。由于实现了全数字的伺服控制，可以实现高速、高精度的伺服控制功能。可以实现伺服波形（位置、偏差、电流）的CRT显示，用于伺服系统的诊断调试。（6）全数字的主轴控制 FANUC 0-C系统除了模拟主轴接口以外，还提供了串行主轴控制（仅限于使用FANUC的主轴放大器）。主轴控制信号通过光缆与主轴放大器连接，连接方便、简洁、可靠。可以实现主轴的刚性攻丝、定位，双主轴的速度、相位同步以及主轴的Cs轮廓控制。FANUC的0系列产品自1985年开发成功以来，在车床、铣床、加工中心、圆柱平面磨床、冲床等机床中得到广泛应用。目前，国内很多机床生产厂家都可以根据用户要求，选用FANU

40、C 0系列数控系统。2FANUC 0i系列FANUC 0i系列目前在国内已成为主流产品，各机床生产厂家已大量采用。FANUC 0i系统由主板和IO两个模块构成。主板模块包括主CPU、内存、PMC控制、IOLink控制、伺服控制、主轴控制、内存卡IF、LED显示等；IO模块包括电源、IO接口、通讯接口、MDI控制、显示控制、手摇脉冲发生器控制和高速串行总线等。 FANUC 0i系列产品有以下特点：（1）FANUC 0i系统的结构为模块化结构。主CPU板上除了主CPU及外围电路之外，还集成了FROMalSRAM模块、PMC控制模块、存储器和主轴模块、伺服模块等。其集成度较FANUC 0系统的集成度

41、更高，因此0i控制单元的体积更小，便于安装排布。（2）采用全字符键盘，可用B类宏程序编程，使用方便。（3）用户程序区容量比0MD大一倍，有利于较大程序的加工。（4）使用编辑卡编写或修改梯形图，携带与操作都很方便，特别是在用户现场扩充功能或实施技术改造时更为便利。（5）使用存储卡存储或输人机床参数、PMC程序以及加工程序，操作简单方便。使复制参数、梯形图和机床调试程序过程十分快捷，缩短了机床调试时间，明显提高数控机床的生产效率。（6）系统具有HRV（高速矢量响应）功能，伺服增益设定比0MD系统高一倍，理论上可使轮廓加工误差减少一半。以切削圆为例，同一型号机床0MD系统的圆度误差通常为0.020.

42、03mm，换用0i系统后圆度误差通常为0.010.02mm。（7）机床运动轴的反向间隙，在快速移动或进给移动过程中由不同的间隙补偿参数自动补偿。该功能可以使机床在快速定位和切削进给不同工作状态下，反向间隙补偿效果更为理想，这有利于提高零件加工精度。（8）0i系统可预读12个程序段，比0MD系统多。结合预读控制及前馈控制等功能的应用，可减少轮廓加工误差。小线段高速加工的效率、效果优于0MD系统，对模具三维立体加工有利。（9）与0MD系统相比，0i系统的PMC程序基本指令执行周期短，容量大，功能指令更丰富，使用更方便。（10）0i系统的界面、操作、参数等与18i、16i、21i基本相同。熟悉0i系

43、统后，自然会方便地使用上述其他系统。（11）0i系统比0M、0T等产品配备了更强大的诊断功能和操作信息显示功能，给机床用户使用和维修带来了极大方便。（12）在软件方面0i系统比0系统也有很大提高，特别在数据传输上有很大改进，如RS232串口通讯波特率达19200bs，可以通过HSSB（高速串行总线）与PC机相连，使用存储卡实现数据的输入输出。3FANUC 16i18i21i系列FANUCl6i18i21i系列产品比0i系统体积进一步缩小，将液晶显示器与CNC控制部分合为一体，实现了超小型化和超薄型化（无扩展槽时厚度只有60mm）。FANUC l6i18i21i系统由液晶显示器一体型CNC、机床

44、操作面板、伺服放大器、强电盘用IO模块、IOLink放大器、便携式机床操作面板及适配器、i系列AC伺服电动机、i系列AC主轴电动机、应用软件包等部分组成。FANUC 16i18i21i系列产品有以下特点：（1）纳米插补 以纳米为单位计算发送到数字伺服控制器的位置指令，极为稳定，在与高速、高精度的伺服控制部分配合下能够实现高精度加工。通过使用高速RISC处理器，可以在进行纳米插补的同时，以适合于机床性能的最佳进给速度进行加工。（2）超高速串行通讯 利用光导纤维将CNC控制单元和多个伺服放大器之间连接起来的高速串行总线，可以实现高速度的数据通讯并减少连接电缆。（3）伺服HRV（HighRespon

45、seVector高响应向量）控制 通过组合借助于纳米CNC的稳定指令和高响应伺服HRV控制的高增益伺服系统以及高分辨率的脉冲编码器（16000000r-1）实现高速、高精度加工。（4）丰富的网络功能 FANUC 16i18i21i系统具有内嵌式以太网控制板（21i为选购件），可以与多台电脑同时进行高速数据传输，适合于构建在加工线和工厂主机之间进行交换的生产系统。并配以集中管理软件包，以一台电脑控制多台机床，便于进行监控、运转作业和NC程序传送的管理。（5）远程诊断 通过因特网对数控系统进行远程诊断，将维护信息发送到服务中心。（6）操作与维护 可以通过接触摸画面上所显示的按键进行操作；可以利用存

46、储卡进行各类数据的输入输出；可以以对话方式诊断发生报警的原因，显示出报警的详细内容和处置办法；显示出随附在机床上的易损件的剩余寿命；存储机床维护时所需的信息；通过波形方式显示伺服的各类数据，便于进行伺服的调节；可以存储报警记录和操作人员的操作记录，便于发生故障时查找原因。（7）控制个性化 通过C语言编程，实现画面显示和操作的个性化；用宏语言编程，实现CNC功能的高度定制；通过C语言编程，可以构建与由梯形图控制的机器处理密切相关的应用功能。（8）高性能的开放式CNC FANUC 系列160i180i210i是与Windows 2000对应的高功能开放式CNC。这些型号的CNC与Windows 2

47、000对应，可以使用多种应用软件，不仅支持机床制造商的机床个性化和智能化，而且还可以与终端用户自身的个性化相对应。（9）软件环境 为了与CNCPMC进行数据交换，提供可以从C语言或BASIC语言调用的FOCASl驱动器和库函数；提供CNC基本操作软件包，它是在电脑进行CNCPMC的显示、输入、维护的应用软件，通过用户界面向操作人员提供“状态显示、位置显示、程序编辑、数据设定”等操作画面；CNC画面显示功能软件，是在电脑上显示出与标准的i系列CNC相同画面的应用软件；DNC运转管理软件包，可以完成从电脑上的硬盘高速地向CNC传输NC程序并加以运转工作。4.5.2 SIEMENS公司的主要数控系统

48、SIEMENS数控系统，以较好的稳定性和较优的性能价格比，在我国数控机床行业被广泛应用。SINMENS数控系统的产品类型，主要包括SINUMERIK 802、810、840等系列。SINUMERIK 802SC 用于车床、铣床等，可控3个进给轴和1个主轴，802S适于步进电机驱动，802C适于伺服电机驱动，具有数字IO接口。SINUMERIK 802D 控制4个数字进给轴和1个主轴，PLC，IO模块，具有图形式循环编程，车削、铣削钻削工艺循环，FRAME（包括移动、旋转和缩放）等功能，为复杂加工任务提供智能控制。SINUMERIK 810D 用于数字闭环驱动控制，最多可控6轴（包括1个主轴和1

49、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、模块化旋转加工机床和传送机，最大可控31个坐标轴。SINUMERIK 810D840D数控系统已被很多机床生产厂家所采用。本节以SINUMERK 840D数控系统为例，介绍其性能特点以及软硬件结构。1）SINUMERIK 840D数控系统性能SINUMERIK 840D是西门子公司20世纪90年代推出的高性能数控系统。它采用三CPU结构：人机通信CPU（MMC-CPU）、数字控制CPU（NC-CPU）和可编程逻辑控制器CPU（PLC-CPU）。三部分在功能上既相互分工，又互为支持。在物理结构上

50、，NC-CPU和PLC-CPU合为一体，合成在NCU（Numerical Control Unit）中，但在逻辑功能上相互独立。SINUMERIK 840D具有以下几个特点： （1）数字化驱动 在SINUMERIK 840D中，数控和驱动的接口信号是数字量，通过驱动总线接口，挂接各轴驱动模块。 （2）轴控规模大 最多可以配31个轴，其中可配10个主轴。 （3）可以实现五轴联动 SINUMERIK 840D可以实现X、Y、Z、A、B五轴的联动加工，任何三维空间曲面都能加工。 （4）操作系统视窗化SINUMERIK 840D采用Windows 95作为操作平台，使操作简单、灵活，易掌握。 （5）软

51、件内容丰富功能强大SINUMERIK 840D可以实现加工（Machine）、参数设置（Parameter）、服务（Services）、诊断（Diagnosis）及安装启动（Start-up）等几大软件功能。 （6）具有远程诊断功能 如现场用PC适配器、MODEM卡，通过电话线实现SINUMERIK 840D与远程PC机通信，完成修改PLC程序和监控机床状态等远程诊断功能。 （7）保护功能健全 SINUMERIK 840D系统软件分为西门子服务级、机床制造厂家级、最终用户级等7个软件保护等级，使系统更加安全可靠。 （8）硬件高度集成化 SINUMERIK 840D数控系统采用了大量超大规模集成

52、电路，提高了硬件系统的可靠性。 （9）模块化设计 SINUMERIK 840D的软硬件系统根据功能和作用划分为不同的功能模块，使系统连接更加简单。（10）内装大容量的PLC系统 SINUMERIK 840D数控系统内装PLC最大可以配2048输入和2048输出，而且采用了Profibus现场总线和MPI多点接口通信协议，大大减少了现场布线。 （11）PC化 SINUMERIK 840D数控系统是一个基于PC的数控系统。 2）SINUMERIK 840D数控系统硬件结构 SINUMERIK 840D系统硬件组成原理如图4-12所示。 软盘驱动器主轴驱动系统进给驱动系统1进给驱动系统nMMC CP

53、U模块PLC输入/输出接口HHU手持单元MCP机床操作面板PC编程器NCU模块键盘OP031操作员面板串行接口并行接口MPIPLC输入/输出接口MPIProfiBusMPIMPI图4-12 SINUMERIK 840D数控系统硬件组成框图下面介绍SINUMERIK 840D数控系统主要的功能部件。（1）数字控制单元NCUNCU（Numerical Control Unit）是SINUMERIK 840D数控系统的控制中心和信息处理中心，数控系统的直线插补、圆弧插补等轨迹运算和控制、PLC系统的算术运算和逻辑运算都是由NCU完成的。在SINUMERIK 840D中，NC-CPU和PLC-CPU采用硬件一体化结构，合成在NCU中。（2）人机通信中央处理单元MMC-CPUMMC-CPU的主要作用是完成机床与外界及与PLC-CPU、NC-CPU之间的通信，内带硬盘，用以存储系统程