第二章机床数控系统

第二章机床数控系统第1页，共154页，2023年，2月20日，星期三学习导论本章以机床数控系统为主线，介绍数控系统的硬件和软件。通过本章的学习，可以掌握机床数控系统的基本构成、机床数控系统的工作原理、数控系统常见的硬件结构形式、数控系统常用的软件结构模式以及数控机床用可编程控制器的结构、工作原理、常见类型及与数控系统的连接方式等。本章还对FANUC数控系统、SIEMENSE数控系统进行了较为详细的介绍。

第2页，共154页，2023年，2月20日，星期三

概述第3页，共154页，2023年，2月20日，星期三一、机床数控系统的组成（1）

机

床

数

控

系

统

一

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输

入

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输

出

装

置

、

数

控

装

置（CNC装置）

、

可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置

、

进给驱动装置、机

床

电

器

逻

辑

控

制

装

置

等部

分

组

成，如图所示。

第4页，共154页，2023年，2月20日，星期三数控系统组成图例第5页，共154页，2023年，2月20日，星期三一、机床数控系统的组成（2）输入装置输入装置将数控加工程序等各种信息输入数控装置。通过键盘方式输入和编辑数控加工程序；通过通信方式输入其他计算机程序编辑器、自动编程器、CAD／CAM系统或上位机所提供的数控加工程序。高档的数控装置本身已包含一套自动编程系统或CAD／CAM系统，只需采用键盘输入相应的信息，数控装置本身就能生成数控加工程序。

第6页，共154页，2023年，2月20日，星期三一、机床数控系统的组成（3）数控装置CNC装置采用了微型计算机式微处理器，它靠执行存储软件来实现很多功能。CNC装置的功能通常分为两类：一类是基本功能，如控制功能、插补功能、辅助功能（M代码）、主轴速度功能、进给功能、刀具功能、准备功能（G代码）、自诊断功能、第二辅助功能等；另一类是选择功能，如固定循环功能、补偿功能、通信功能、其他的准备功能（G代码）、人机对话编程功能、图形显示功能等。基本功能是数控系统必备的功能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。第7页，共154页，2023年，2月20日，星期三一、机床数控系统的组成（4）数控系统实现的功能（1）：控制功能是指数控系统能够控制的以及能够同时控制的轴(坐标)的数量。一般加工中心都必须对三轴或三轴以上的轴（坐标）进行控制，同时控制轴数不低于两轴（即两轴联动）。主轴功能也称主轴转速功能即S功能。它是用来指令机床主轴转速（切削速度）的功能，用地址S及其后的数字来表示，目前有S2位和S4位之分。准备功能

也称G功能（或G代码），它是用来指令机床动作方式的功能，用地址G及其后的数字来指令机床动作。

第8页，共154页，2023年，2月20日，星期三一、机床数控系统的组成（5）数控系统实现的功能（2）：辅助功能也称M功能，它是用来指令机床辅助动作及状态的功能，用地址M其后面的数字宋表示。刀具功能是用来选择刀具的功能，用地址T及其后面的数字表示。进给功能是用来指令坐标轴的进给速度的功能，用地址F及其后面的数字来表示。在1SO中规定F1~F5位。第二辅助功能是用来指令工作台进行分度的功能，用地址B及其后面的三位数字来表示。插补功能CNC系统通过软件进行插补。一般数控装置都有直线和圆弧插补，高档数控装置还具有抛物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、正弦插补等。第9页，共154页，2023年，2月20日，星期三一、机床数控系统的组成（6）数控系统实现的功能（3）：自诊断功能

CNC装置设置了各种诊断程序，在故障出现后可迅速查明故障类型及位置，减少故障停机时间。固定循环功能在CNC装置中，将一些典型的加工工序（如钻孔、镗控等）预先编入程序并存储在存储器中，形成固定循环功能。第10页，共154页，2023年，2月20日，星期三一、机床数控系统的组成（7）数控系统实现的功能（4）：补偿功能一是刀具长度、刀具半径和刀尖圆弧的补偿，这些功能可以补偿刀具磨损以便换刀时对准正确位置；二是工艺量的补偿，包括坐标轴的反向间隙补偿、进给传动件的传动误差补偿、进给齿条齿距误差补偿、机件的温度变形补偿等。通信功能

CNC装置通常具有RS232接口，有的还具备DNC接口，可用数据格式输入，也可用二进制格式输入，进行高速传输。有的CNC系统还可以与MAP（制造自动化协议）)相连，接入通信网络，适应FMS和CIMS的要求。第11页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、机床数控系统的基本原理（1）

数控系统的工作流程

编程人员在编制好零件程序后，由操作人员输入至数控装置，存储在数控装置的零件程序存储区内。加工时，操作者用菜单命令调入需要的零件程序到加工缓冲区。数控装置采样到来自控制面板的“循环启动”指令后，即对加工缓冲区内的零件程序进行自动处理（如运动轨迹处理、机床输入／输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），加工出符合图样要求的零件。数控机床的工作流程可用图表示

。

第12页，共154页，2023年，2月20日，星期三数控机床的工作流程图机床PLC零件程序译码输入缓冲区输入译码缓冲区刀具补偿刀具补偿进给速度处理插补工作寄存器插补插补结果寄存器位置控制伺服驱动第13页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、机床数控系统的基本原理（2）程序的存储

CNC系统一般在计算机的存储器中开辟一个零件程序区，输入时将零件整个加工程序一次送入存储区。零件加工程序在零件程序存储区中连续存放，段与段之间、程序与程序之间不留任何空间。零件程序存储区中设有一个零件程序目录表和取程序指针单元，该指针单元的内容永远指向下一步存入或取出单元的地址。第14页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、机床数控系统的基本原理（3）译码

译码程序的主要功能是将零件加工程序翻译成便于数控系统计算机处理的格式，其中包括数据信息和控制信息。第15页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、机床数控系统的基本原理（4）刀具半径补偿

刀具半径补偿分为两种类型：刀具半径左补偿和刀具半径右补偿。沿着加工方向，当刀具位于工件左侧时称为刀具半径左补偿。如用某数控系统加工工件时，用G41指令调用时表示刀具半径左补偿；沿着加工方向，当刀具位于工件右侧时，称为刀具半径右补偿。如用某数控系统加工工件时用G42指令调用时表示刀具半径右补偿。刀具半径补偿的类型如图所示

第16页，共154页，2023年，2月20日，星期三刀具半径补偿示意图例第17页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、机床数控系统的基本原理（5）刀具半径的补偿，一般分三步进行：建立刀具半径补偿如图所示，刀具由起刀点以进给速度接近工件，刀具中心在法线方向与待加工工件偏离一刀具半径。偏置方向由数控系统的左补偿、右补偿指令确定。执行刀具半径补偿一旦建立刀补，刀具中心轨迹始终偏离程序描述轨迹一个刀具半径值，直到取消刀补为止。取消刀具半径补偿刀具撤离工件，回到退刀点，由数控系统的取消刀具半径补偿指令确定。退刀点应位于零件轮廓之外，可以与起刀点相同，也可以不相同。第18页，共154页，2023年，2月20日，星期三刀具半径补偿建立示意图例第19页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、机床数控系统的基本原理（6）直线B刀补计算如图所示，在直角坐标系中，OA是加工工件的直线轮廓，O，A，是刀具中心轨迹，直线刀补的计算，就是要建立O，A，的直线方程。第20页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、机床数控系统的基本原理（7）圆弧B刀补计算如图所示，在所建立的直角坐标系中，圆弧AB为工件轮廓，A，B，为刀具中心轨迹，二者之间是相差刀具半径R的同心圆弧。第21页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、机床数控系统的基本原理（8）C刀具补偿能自动地处理两段程序之间的刀具中心轨迹的转接，编程人员仍然完全按工件轮廓编程。如图所示为直线与直线各种转接进行左刀补的情况，编程轨迹为OA→AF。

第22页，共154页，2023年，2月20日，星期三C刀补示意图例第23页，共154页，2023年，2月20日，星期三第24页，共154页，2023年，2月20日，星期三第25页，共154页，2023年，2月20日，星期三第26页，共154页，2023年，2月20日，星期三第27页，共154页，2023年，2月20日，星期三机床数控系统硬件第28页，共154页，2023年，2月20日，星期三一、单微处理器结构（1）

单微处理器数控系统以微处理器（CPU）为核心，CPU通过总线与存储器以及各种接口相连接，采用集中控制，分式处理的工作方式，完成数控加工中各个任务。有的CNC装置虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能控制总线，其它的CPU只是附属的专用智能部件，不能控制总线，不能访问主存储器。它们之间构成主从结构，也属于单微处理器结构。如图所示为单微处理器数控装置典型框图。

第29页，共154页，2023年，2月20日，星期三单微处理器数控装置典型框图例第30页，共154页，2023年，2月20日，星期三一、单微处理器结构（2）单CPU结构的CNC装置具有如下特点：CNC系统内只有一个CPU，对所有的数控功能和管理功能，诸如数控加工程序的输入、数据预处理、插补计算、数据输入／输出、位置控制、人机交互处理和诊断等功能都只有依靠它集中控制，分时处理。CPU通过总线与存储器、各种接口（包括纸带阅读机等输入设备接口、开关量接口、MDI/CRT接口）、位置控制器等相连，构成CNC系统。结构简单，容易实现。因为只有单CPU集中控制，其功能将受到微处理器字长、数据寻址能力和运算速度等因素限制。由于插补等功能由软件来实现，因此进给速度受到较大的影响

第31页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、多微处理器结构（1）

多微处理器由两个或两个以上的CPU构成处理部件。各处理部件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接。每个CPU都可享用系统公用存储器或I／O接口，并分担一部分数控功能，从而将单微处理器的CNC装置中顺序完成的工作，转变为多微处理器并行、同时完成的工作，因而大大增强了整个系统的性能。第32页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、多微处理器结构（2）多微处理器结构CNC装置的基本功能模块（1）

CNC管理模块具有管理和组织整个CNC系统工作过程的职能。例如系统初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软硬件诊断等。CNC插补模块对工件加工程序进行译码、刀具补偿、坐标位移量计算和进给速度处理等插补前的预处理工作。然后按给定的插补类型和轨迹坐标进行插补计算，向各个坐标轴发出位置指令值。位置控制模块将插补后的坐标位置指令值与位置检测单元反馈回来的实际位置值进行比较，并进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，得到速度控制的模拟电压，驱动进给电动机。第33页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、多微处理器结构（3）多微处理器结构CNC装置的基本功能模块（2）

PLC模块对加工程序中的开关功能和来自机床的信号进行逻辑处理，实现各功能与操作方式之间的连锁，如机床电气设备的起动与停止、刀具交换、回转台分度、工件数量和运行时间的计算等。数据输入输出和显示模块包括加工程序、参数和数据、各种操作命令的输入（如通过纸带阅读机、键盘或上级计算机等）和输出（如通过打印机、纸带穿孔机等）以及显示（如通过CRT、液晶显示器等）所需要的各种接口电路。存储器模块既可以是存放程序和数据的主存储器，也可以是各功能模块间传送数据用的共享存储器。第34页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、多微处理器结构（4）多微处理器结构的特点（1）计算处理速度高多微处理机结构中的每一个微处理器完成系统中指定的一部分功能，独立执行程序，并行运行，比单微处理机提高了计算处理速度。它适应多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。由于系统共享资源，性能价格比也较高。可靠性高由于系统中每个微处理器分管各自的任务，形成若干模块插件，模块更换方便，可使故障对系统影响减到最小。共享资源省去了重复机构，不但降低造价，也提高了可靠性。第35页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、多微处理器结构（5）多微处理器结构的特点（2）有良好的适应性和扩展性多微处理机的CNC装置大都采用模块化结构。可将微处理机、存储器、输入输出控制组成独立微计算机级的硬件模块，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中。硬软件模块形成一个特定的功能单元，称为功能模块。功能模块间有明确定义的接口，接口是固定的，成为工厂标准或工业标准，彼此可以进行信息交换。于是可以积木式组成CNC装置，使设计简单，有良好的适应性和扩展性。硬件易于组织规模生产一般硬件是通用的，容易配置，只要开发新软件就可构成不同的CNC装置，便于组织硬件规模生产，保证质量，形成批量。第36页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、多微处理器结构（6）多微处理器结构CNC装置的典型结构（1）共享总线结构以系统总线为中心，把组成CNC装置的各种功能模块划分为带有CPU的各种主模块和不带CPU的各种从模块，如RAM／ROM模块或I／O模块是从模块，管理模块、控制模块、插补模块是主模块。所有主、从模块共享是严格定义的标准系统总线。第37页，共154页，2023年，2月20日，星期三共享总线示意图例第38页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、多微处理器结构（7）多微处理器结构CNC装置的典型结构（2）共享存储器结构是面向公共存储器来没计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互联和通讯，同共享总线结构一样，该系统在同一时刻也只能允许有一主模块对多端口存储器进行访问（读／写），所以，也必须有一套多端口控制逻辑来解决访问冲突这一矛盾。但由于多端口存储器设计较复杂，而目对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，降低系统效率，给扩展功能造成困难，所以一般采用双端口存储器（双端口RAM）。第39页，共154页，2023年，2月20日，星期三共享存储器结构示意图例第40页，共154页，2023年，2月20日，星期三机床数控系统软件第41页，共154页，2023年，2月20日，星期三一、数控系统的软件构成（1）数控系统的软件主要分为系统软件和应用软件。应用软件包括零件数控加工程序或其他辅助软件。系统软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，一般包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序。第42页，共154页，2023年，2月20日，星期三系统软件构成图例第43页，共154页，2023年，2月20日，星期三一、数控系统的软件构成（2）输入数据处理程序

它接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。有的系统还要进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。通常，输入数据处理程序包括输入，译码和数据处理三项内容。输入程序输入零件加工程序，并将其存放在工件程序存储器中；从工件程序存储器中把零件加工程序逐段往外调出，进入缓冲区，以便译码时使用。译码程序将加工信息翻译成计算机内部能识别的语言。数据处理程序

它一般包括刀具半径补偿、刀具长度补偿、反向间隙补偿、丝杠螺距补偿、过象限及进给方向判断、速度计算、加减速控制以及辅助功能的处理等。第44页，共154页，2023年，2月20日，星期三一、数控系统的软件构成（3）插补计算程序

CNC系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点等进行运算。根据运算结果，分别向各坐标轴发出进给脉冲。这个过程称为插补运算．进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。CNC系统是一边插补进行运算，一边进行加工，是一种典型的实时控制方式。插补运算的快慢直接影响机床的进给速度。

第45页，共154页，2023年，2月20日，星期三一、数控系统的软件构成（4）速度控制程序

速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以保证预定的进给速度。在速度变化较大时，需要进行自动加减速控制，以避免因速度突变而造成驱动系统失步。第46页，共154页，2023年，2月20日，星期三一、数控系统的软件构成（5）管理程序

管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。水平较高的管理程序可以使多道程序并行工作，如在插补运算与速度控制的空闲时间进行数据输入处理，即调用各种功能子程序，完成下一数据段的读入、译码和数据处理工作，并且保证在数据段加工过程中将下一数据段准备完毕。一旦本数据段加工完毕就立即开始下一数据段的插补加工。

第47页，共154页，2023年，2月20日，星期三一、数控系统的软件构成（6）诊断程序

诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发生后，检查系统各主要部件（CPU、存储器、接口、开关、伺服系统等）的功能是否正常，并指出发生故障的部位。第48页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、多任务并行处理（1）

CNC系统的多任务性及并行工作方式

数控加工时，CNC系统要完成许多任务，有的任务对实时性要求很高，有的任务无实时性要求。在多数情况下，几个任务必须同时进行。第49页，共154页，2023年，2月20日，星期三数控系统多任务性图例第50页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、多任务并行处理（2）指令的执行方式

一条指令执行完后，后续指令的衔接方式有三种：顺序方式、重叠方式和流水方式。顺序的执行方式是将第一个零件程序段处理完以后再处理第二个程序段，依此类推。两个程序段的输出之间将有一个时间间隔t1；重叠的执行方式是指当现行程序段尚未执行完毕，就去取后续指令。因为在取出第N1条指令执行时，存储器已空闲，可以提前去取N2条指令。这样，第N1条指令的执行周期便与第N2条指令的取指周期重叠，使其相应的操作并行执行。流水的工作方式它是将一条指令的执行过程分解为多个子过程，每个子过程由独立的功能部件完成，构成一条流水线。经过流水处理后，虽然一条指令的执行速度并没有提高，但提高了指令序列的执行速度。每个程序段的输出之间不再有间隔，从而保证了电动机和刀具工作的连续性。第51页，共154页，2023年，2月20日，星期三指令的执行方式图例（1）第52页，共154页，2023年，2月20日，星期三指令的执行方式图例（2）第53页，共154页，2023年，2月20日，星期三指令的执行方式图例（3）第54页，共154页，2023年，2月20日，星期三三、CNC系统的中断控制方式（1）中断的概念

当数控系统运行时，出现某种非预期的事件，CPU暂时停下现行程序，转向为该事件服务，待事件处理完毕，再恢复执行原程序，这个过程称为中断。中断赋予数控系统中的CPU应变能力，把有序的运行和无序的事件统一起来，大大增强了系统的处理能力。中断具有以下作用：中断能实现主机和外部设备的并行工作；中断系统能在故障出现时发出中断信号，调用相应的处理程序，将故障的危害降到最低程度，并请求系统管理员排除故障。计算机在现场测试和控制、网络通讯、人机对话时都具有强烈的实时性，中断技术能确保实时信号的处理。第55页，共154页，2023年，2月20日，星期三三、CNC系统的中断控制方式（2）中断的类型外部中断主要有纸带光电阅读机读孔中断、外部监控中断（如紧急停、量仪到位等）和键盘操作面板输入中断。内部定时中断主要有插补周期定时中断和位置采样中断。硬件故障中断是指各种硬件故障检测装置发出的中断，如存储器出错、定时器出错、插补运算超时等。程序性中断是程序中出现的各种异常情况的报警中断，如各种溢出、清零等。第56页，共154页，2023年，2月20日，星期三三、CNC系统的中断控制方式（3）中断的优先级

优先级是指CPU响应并处理中断请求的先后秩序。它根据中断事件的重要性和迫切性而定。在计算机硬件系统中，应赋予各设备以响应的优先级。当几个设备同时有中断请求时，优先级高的先响应，优先级低的后响应。通常，硬件故障中断属于最高级，其次是程序错误中断，再次是各种输入输出传送中断等。第57页，共154页，2023年，2月20日，星期三三、CNC系统的中断控制方式（4）中断的处理过程（1）中断响应将CPU最重要的两个寄存器——指令计数器和程序状态字寄存器的内容保存到存储器中。中断识别判断是哪一个中断源发出请求，并调出即将响应的中断服务程序。保存现场中断服务程序中要使用的通用寄存器原内容保存到存储器中，中断服务程序要动用哪个寄存器，就保存哪个寄存器中的内容。第58页，共154页，2023年，2月20日，星期三三、CNC系统的中断控制方式（5）中断的处理过程（2）中断服务是中断处理的核心。不同的中断要求配置不同的中断服务程序。恢复现场在完成中断服务后，将动用的寄存器中的原来内容从存储器中取回来，恢复原样。返回原程序原程序的断点就是在中断响应时保存起来的指令计数器的内容，此时恢复指令计数器和程序状态字寄存器。第59页，共154页，2023年，2月20日，星期三中断处理过程图例第60页，共154页，2023年，2月20日，星期三四、数控系统的软件结构（1）前后台型软件结构前后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理器CNC装置。在这种软件结构中，将CNC系统软件划分成两部分：前台程序和后台程序。前台程序是一个实时中断服务程序，承担了几乎全部实时的功能，实现与机床动作直接相关的功能如插补运算、位置控制、机床I／O控制和软硬件故障处理等实时性很强的任务，它们由不同优先级的实时中断服务程序处理。后台程序则完成显示、零件程序的输入／输出、人机界面管理（参数设置、程序编辑、文件管理等）和插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理）等弱实时性的任务。第61页，共154页，2023年，2月20日，星期三前后台软件结构图例第62页，共154页，2023年，2月20日，星期三四、数控系统的软件结构（2）中断型软件结构没有前后台之分，其特点是除了初始化程序之外，整个系统软件的各种任务模块按轻重缓急分别安排在不同级别的中断服务程序中。整个软件就是一个大的中断系统，由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序按照中断的优先级的高低实施调度管理。第63页，共154页，2023年，2月20日，星期三中断型软件结构图例第64页，共154页，2023年，2月20日，星期三数控机床与可编程控制器（PLC）

第65页，共154页，2023年，2月20日，星期三一、PLC的基本结构PLC的硬件结构

由硬件系统和软件系统两大部分组成。CPU是PLC的核心部件，其上不仅有CPU集成芯片，而且还有一定数量的内存储器RAM和系统程序存储器EPROM，用户程序存储器EPROM，输入输出（I／O）模块及电源等组成，其各部分均采用总线结构。第66页，共154页，2023年，2月20日，星期三可编程控制器结构框图例第67页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、PLC的工作原理（1）用户程序通过编程器输入到用户存储器，CPU对用户程序循环扫描并顺序执行，这是PLC的基本工作原理。所谓扫描与顺序执行是指，只要PLC接通电源，CPU就对用户存储器的程序进行扫描，即从第一条用户程序开始顺序执行，直到用户程序最后一条，形成一个扫描周期，周而复始。用梯形图形象地说就是从上至下，从左至右，逐行扫描执行梯形图所描述的逻辑功能。目前在PLC中，执行每条指令的平均时间可达μs级。第68页，共154页，2023年，2月20日，星期三二、PLC的工作原理（2）PLC对用户程序的扫描执行过程可分为三个阶段，即输入采样、程序执行和输出刷新。输入采样

PLC以扫描方式将所有输入端的输入信号状态（ON／OFF状态）读入到输入映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样。程序执行阶段在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描。如程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序扫描。每扫描到一条指令时，所需要的输入状态或其他元素的状态分别从输入映像寄存器或输出映像寄存器中读入，然后进行相应的逻辑或算术运算，运算结果再存入专用寄存器。若执行程序输出指令时，则将相应的运算结果存入输出映像寄存器。输出刷新阶段在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中的状态就是欲输出的状态。第69页，共154页，2023年，2月20日，星期三PLC执行程序的一个扫描周期：第70页，共154页，2023年，2月20日，星期三三、数控机床用可编程控制器的类型（1）内装型PLC

内装型PLC从属于CNC装置，PLC与NC之间信号传送在CNC装置内部就可完成，而PLC与机床侧的信息传送则要通过输入输出接口来完成。第71页，共154页，2023年，2月20日，星期三内装型PLC数控系统图例第72页，共154页，2023年，2月20日，星期三三、数控机床用可编程控制器的类型（2）独立型PLC

独立型PLC又称通用型PLC。独立型PLC独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件，能独立完成规定控制任务的装置。数控机床用独立型PLC，一般采用模块化结构，装在插板式笼箱内，它的CPU系统程序、用户程序、输入输出电路、通信等均设计成独立的模块。独立型PLC主要用于FMS、CIMS形式中的CNC机床，具有较强的数据处理、通信和诊断功能，成为CNC与上级计算机联网的重要设备。

第73页，共154页，2023年，2月20日，星期三具有独立型PLC的数控系统图例第74页，共154页，2023年，2月20日，星期三四、PLC在数控机床上的配置方式

PLC在数控机床上常见的有四种配置方式，如图所示。

第75页，共154页，2023年，2月20日，星期三PLC在数控机床上的配置方式图例第76页，共154页，2023年，2月20日，星期三五、可编程控制器与外部的信息交换

机床至PLC（MT→PLC）机床侧的开关量信号通过I／O单元接口输入至PLC中，PLC至机床（PLC→MT）PLC控制机床的信号通过PLC的开关量输出接口送到机床侧，所有开关量输出信号的含义及所占用PLC的地址均可由PLC程序设计者自行定义。CNC至PLC（CNC→PLC）CNC送至PLC的信息可由CNC直接送入PLC的寄存器中，所有CNC送至PLC的信号含义和地址（开关量地址或寄存器地址）均由CNC厂家确定，PLC编程者只可使用，不可改变和增删。PLC至CNC（PLC→CNC）PLC送至CNC的信息也由开关量信号或寄存器完成，所有PLC送至CNC的信号地址与含义由CNC厂家确定，PLC编程者只可使用，不可改变和增删。第77页，共154页，2023年，2月20日，星期三六、数控机床用可编程控制器功能S功能处理

主轴转速可以用S2位代码或S4位代码直接指定。T功能处理

数控机床通过PLC可管理刀库，特别是对加工中心的自动换刀带来了很大的方便。处理的信息包括选刀方式，刀具累计使用的次数，刀具剩余寿命和刀具刃磨次数等。M功能处理

M功能是辅助功能，根据不同的M代码，可控制主轴的正、反转和停止，主轴齿轮箱的换档变速，主轴准停，切削液的开、关，卡盘的夹紧、松开及换刀机械手的取刀、归刀等动作。第78页，共154页，2023年，2月20日，星期三七插补原理第79页，共154页，2023年，2月20日，星期三

逼近处理图为欲加工的圆弧轨迹L，起点为P0，终点为Pe。CNC装置首先对圆弧进行逼近处理。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图数控加工轨迹控制原理第80页，共154页，2023年，2月20日，星期三系统按插补时间⊿t和进给速度F的要求，将L分割成若干短直线

XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图⊿L1，⊿L2，…，⊿Li，…，

这里：⊿Li=F⊿t（i=1，2，…）F：用户给定的进给速度⊿t：数控系统插补周期第81页，共154页，2023年，2月20日，星期三用直线⊿Li逼近圆弧存在着逼近误差δ，但只要δ足够小（⊿Li足够短），总能满足零件的加工要求。当F为常数时，而⊿t对数控系统而言恒为常数，则⊿Li的长度也为常数⊿L，只是其斜率与其在L上的位置有关。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图第82页，共154页，2023年，2月20日，星期三将⊿Li分解为X轴及Y轴移动分量Xi和Yi（在ti时间内），要求满足：

且有：Fx=Xi/ti

Fy=Yi

/ti⊿Li的斜率和F的分量Fx、Fy以及比值Fx/Fy都在不断变化。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图第83页，共154页，2023年，2月20日，星期三指令输出将计算出△ti在时间内的和作为指令输出给X，Y轴，以控制它们联动。即：

Xi

X轴；YiY轴只要能连续自动地控制X，Y两个进给轴在△ti时间内移动量，就可以实现曲线轮廓零件的加工。第84页，共154页，2023年，2月20日，星期三数控装置的插补原理一、插补的概念：

理解插补的前提：数控机床刀具轨迹不是连续的，因为它是数字量

如何控制刀具或工件的运动是数控机床的核心问题。数控机床的信息数字化就是把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小单位量，即最小位移量。数控系统按照程序的要求，经过信息处理、分配，使坐标移动若干个最小位移量，实现刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。第85页，共154页，2023年，2月20日，星期三在数控机床中，刀具的运动轨迹是折线，因此刀具不能严格地沿着所加工的曲线运动，只能用折线以一定的精度要求逼近被加工曲线，当逼近误差相当小时，这些折线之和就接近曲线了。数控机床是以脉冲当量为单位，计算轮廓起点与终点之间的坐标值，进行有限分段，以折代直，以弦代弧，以直代曲，分段逼近，相连成轨迹的。CNC装置每发出一个脉冲，机床执行部件的最小位移量称为脉冲当量。常用机床的脉冲当量为0.01～0.001mm/脉冲，脉冲当量越小，数控机床精度越高。各种斜线、圆弧、曲线均可由以脉冲当量为单位的微小直线段拟合而成。第86页，共154页，2023年，2月20日，星期三1沿着规定的轮廓、在轮廓的起点和终点之间一定的算法进行数据点密化、即“插入〃“补上〃运动中间点的坐标。通常把这个过程称为插补。分直线插补和曲线插补，2

软、硬件插补：（1）硬件（数字）电路来完成插补；（2）由软件来完成插补功能称为软件插补。（3）软+硬第87页，共154页，2023年，2月20日，星期三1、基准脉冲插补(逐点比较插补法)2、数字积分法插补3、数据采样法插补插补方法的分类第88页，共154页，2023年，2月20日，星期三

逐点即每一个脉冲当量为一个点。用于没有反馈的开环系统。1概念：是一种逐点计算、判别偏差，并纠正逼近理论轨迹的一种方法。在插补过程中，每走一步要完成以下四节拍。（1）偏差判别：判别当前点偏离理论点的位置。

（2）进给控制：确定进给坐标及进给方向，并产生移动。（3）新偏差计算：进给后到达新位置，计算出新的偏差作为下一次判别的依据。（4）终点判别：查询是否到达终点。一、逐点比较插补法第89页，共154页，2023年，2月20日，星期三2.在Ⅰ相限直线插补的基本原理

（1）偏差的判别

OE为理论轨迹：N”、N’为动点：当N在OE上时：Yi/Xi=Ye/Xe 即XeYi-XiYe=0当N”在OE上方时：Yi/Xi＞Ye/Xe即XeYi-XiYe＞0令F=XeYi-XiYe则：当F=0时，在直线上当F＞0时，N（Xi，Yi）在OE上方当F＜0时，N（Xi，Yi）在OE下方第90页，共154页，2023年，2月20日，星期三（2)坐标进给当Fm≥0时，向X走一步。当Fm＜0时，向Y走一步

（3）新偏差计算Fm≥0，时下一点：Ym+1=Xm+1Ym+1=Ym新偏差：Fm+1=Ym+1×Xe-Xm+1×Ye=YmXe-（Xm+1）Ye=FM-Ye当Fm＜时，F下一点Xm+1=XmYm+1=Ym+1Fm+1=Fm+Xe（4）终点判别：根据刀具沿X、Y轴所走的总步数判别是否达到终点第91页，共154页，2023年，2月20日，星期三例1

设要加工第I象限直线OE，起点在原点，终点为E(3，5)，试用逐点比较法进行插补。解

总步数Σ0=|Xe|+|Ye|=|3|+|5|=8。开始时刀具处于直线起点，即在直线上，所以F0=0。插补运算过程列于表中，插补轨迹如图所示。第92页，共154页，2023年，2月20日，星期三第93页，共154页，2023年，2月20日，星期三第94页，共154页，2023年，2月20日，星期三2.逐点比较法圆弧插补1）插补原理在圆弧加工过程中，刀具与编程圆弧之间的相对位置可用动点到圆心的距离大小来反映。如图所示，假设编程轮廓为第Ⅰ象限逆圆弧SE，圆心为0(0，0)，半径为R，刀具动点坐标为Ni(Xi，Yi)。第95页，共154页，2023年，2月20日，星期三第96页，共154页，2023年，2月20日，星期三（1）偏差判别函数。设经过i次插补后，当前刀具在Ni(Xi，Yi)点，则通过比较Ni点到圆心的距离与圆弧半径的大小，就可反映出动点与圆弧之间的相对位置关系。即取

Fi＝X2i+Y2i-R2为圆弧插补时的偏差函数，则有：第97页，共154页，2023年，2月20日，星期三当Ni正好落在圆弧SE上时X2i+Y2i=X2e+Y2e=R2即Fi＝X2i+Y2i-R2=0；当Ni落在圆弧SE外侧时X2i+Y2i＞X2e+Y2e=R2即Fi＝X2i+Y2i-R2＞0；当Ni落在圆弧SE内侧时X2i+Y2i＜X2e+Y2e=R2即Fi＝X2i+Y2i-R2＜0。第98页，共154页，2023年，2月20日，星期三(2)进给方向。进给方向由偏差判别的结果决定，即当F≥0时，向-X轴方向进给一步（-ΔX）；

当F＜0时，向+Y轴方向进给一步（+ΔY）。（3）偏差计算。开始时，刀具位于直线的起点O，因此F0=0。

设经过i次插补后，当前刀具在Ni(Xi，Yi)点，对应偏差函数为Fi＝X2i+Y2i-R2。第99页，共154页，2023年，2月20日，星期三（4）终点判别。和直线插补一样，插补过程中也要进行终点判別。对于仅在一个象限内的圆弧，仍然可以采用直线插补终点判别的3种方法，只是公式稍有不同：

总步长法Σ=|Xe-Xs|+|Ye-Ys|

投影法Σ＝max(|Xe-Xs|，|Ye-Ys|)

终点坐标法Σ1=|Xe-Xs|；Σ2=|Ye-Ys|式中，(Xs，Ys)为圆弧起点坐标，(Xe，Ye)为圆弧终点坐标。第100页，共154页，2023年，2月20日，星期三例2设要加工第Ⅰ象限逆圆弧SE，起点S(4，3)，终点为E(0，5)，试用逐点比较法进行插补。解总步数Σ0=|Xe-Xs|+|Ye-Ys|=|0-4|+|5-3|=6；开始时刀具处于起点S(4，3)处，所以F0=0；插补运算过程列于表中，插补轨迹如图所示。第101页，共154页，2023年，2月20日，星期三第102页，共154页，2023年，2月20日，星期三第103页，共154页，2023年，2月20日，星期三1.数字积分法基本原理从几何意义上讲，函数Y＝f(t)的积分运算就是求出此函数曲线与横轴所围成的面积，如图所示。

数字积分法插补第104页，共154页，2023年，2月20日，星期三数字积分的几何描述

第105页，共154页，2023年，2月20日，星期三当取Δt=“1”单位时，上式可表示为称为函数Y＝f(t)在区间［t0，tn］内对t的数字积分。将其推广到数控系统的轮廓插补中，则有第106页，共154页，2023年，2月20日，星期三2.DDA法直线插补1）插补原理如图所示，第I象限直线OE，起点O为坐标原点，终点为E(Xe，Ye)，刀具进给速度在两个坐标轴上的速度分量为VX、VY，从而可求得刀具在X、Y方向上的位移增量分别为ΔX=VXΔtΔY=VYΔt第107页，共154页，2023年，2月20日，星期三DDA直线插补

第108页，共154页，2023年，2月20日，星期三根据几何关系可以得出

第109页，共154页，2023年，2月20日，星期三经过m次插补后，到达（Xm、Ym）取Δt=“1”单位，则

第110页，共154页，2023年，2月20日，星期三设经过n次插补，到达终点E（Xe、Ye），则从而nK=1或n=1/K。

第111页，共154页，2023年，2月20日，星期三为了保证坐标轴上每次分配的进给脉冲不超过1个脉冲当量单位，则ΔX=KXe≤1ΔY=KYe≤1若系统字长为N位，则Xe、Ye的最大数为2N-1，代入上式可得

K（2N-1）≤1即K≤1/（2N-1）取K=1/2N，则n=1/K=2N。

第112页，共154页，2023年，2月20日，星期三第113页，共154页，2023年，2月20日，星期三

例3设要插补第I象限直线OE，如图所示，起点在原点，终点在E(4，6)，设寄存器位数为3位，试用DDA法进行插补。解寄存器位数N=3，则累加次数n=2N=8；插补前J∑=JRX=JRY=0，JVX=Xe=4，JVY=Ye=6。其插补运算过程如表所示，插补轨迹如图所示。

第114页，共154页，2023年，2月20日，星期三第115页，共154页，2023年，2月20日，星期三第116页，共154页，2023年，2月20日，星期三3.DDA法圆弧插补1）插补原理以第Ⅰ象限逆圆NR1为例，如图所示，圆心在坐标原点O，起点为S(Xs，Ys)，终点为E(Xe，Ye)，圆弧半径为R，进给速度为V，在两坐标轴上的速度分量为VX和VY，动点为N(Xi，Yi)，则根据图中几何关系，有如下关系式:第117页，共154页，2023年，2月20日，星期三

由于第一象限顺圆对应Y坐标值逐渐减小，所以式)中表达式中取负号，即Vx，Vy均取绝对值计算。2.数字积分法圆弧插补第一象限顺圆，圆弧的圆心在坐标原点O，起点为A（Xa，Ya），终点为B（Xb，Yb）。圆弧插补时，要求刀具沿圆弧切线作等速运动，设圆弧上某一点P（X，Y）的速度为V，则在两个坐标方向的分速度为Vx，Vy，根据图中几何关系，有如下关系式(3-20)对于时间增量而言，在X，Y坐标轴的位移增量分别为

第118页，共154页，2023年，2月20日，星期三与DDA直线插补类似，也可用两个积分器来实现圆弧插补Δt

○○

ΔxΔy

X函数寄存器JVX与门X累加器JRXY函数寄存器JVY与门Y累加器JRY第119页，共154页，2023年，2月20日，星期三设有第一象限顺圆AB，如图3-23所示，起点A（0，5），终点B（5，0），所选寄存器位数n=3。若用二进制计算，起点坐标A（000，101），终点坐标B（101，000），试用DDA法对此圆弧进行插补。第120页，共154页，2023年，2月20日，星期三第121页，共154页，2023年，2月20日，星期三第122页，共154页，2023年，2月20日，星期三第123页，共154页，2023年，2月20日，星期三第124页，共154页，2023年，2月20日，星期三第125页，共154页，2023年，2月20日，星期三图3-23DDA圆弧插补实例第126页，共154页，2023年，2月20日，星期三例4设有第Ⅰ象限逆圆弧SE，起点为S(4，0)，终点为E(0，4)，且寄存器位数N＝3。试用DDA法对其进行插补。解插补开始时，被积函数初值分别为JVX=Ys=0，JVY=Xs=4。寄存器位数N＝3，终点判别寄存器J∑X=|Xe-Xs|=4，J∑Y=|Ye-Ys|=4。其插补过程如表所示，插补轨迹如图中折线所示。第127页，共154页，2023年，2月20日，星期三第128页，共154页，2023年，2月20日，星期三第129页，共154页，2023年，2月20日，星期三1.基本概念1）数据采样法插补数据采样法插补又叫时间分割法插补，它以系统的位置采样周期的整数倍为插补时间间隔，根据编程进给速度将零件轮廓曲线分割成一系列微小直线段ΔL，然后计算出每次插补与微小直线段ΔL对应的各坐标位置增量ΔX、ΔY，并分别输出到各坐标轴的伺服系统，用以控制各坐标轴的进给，完成整个轮廓段的插补。数据采样法插补第130页，共154页，2023年，2月20日，星期三2）插补周期TS与位置控制周期TC（1）插补周期TS。

插补周期是相邻两个微小直线段之间的插补时间间隔。（2）位置控制周期TC。

位置控制周期是每两次位置采样的时间间隔，即数控系统中位置控置环的采样控制周期。（3）TS和TC的关系。对于给定的某个数控系统而言，TS和TC是两个固定不变的时间参数。

第131页，共154页，2023年，2月20日，星期三3）步长ΔL的计算现假设程编进给速度为F，系统的插补周期为TS，则可求得每次插补分割的微小直线段ΔL的长度为

ΔL＝FTS444)插补精度直线插补时，插补所形成的每段小直线与编程直线重合，不会造成插补轮廓误差。圆弧插补时，一般用弦线来逼近圆弧，这些微小直线段不可能完全与圆弧互相重合，从而会造成轮廓误差。

第132页，共154页，2023年，2月20日，星期三图数据采样法直线插补第133页，共154页，2023年，2月20日，星期三2.数据采样法直线插补1）基本原理如图所示，在XOY平面内的直线OE，其起点为O(0，0)，终点为E(Xe，Ye)，动点为

Ni-1(Xi-1，Yi-1)，编程进给速度为F，插补周期为TS。根据数据采样法插补的有关定义，每个插补周期的进给步长为ΔL＝FTS。第134页，共154页，2023年，2月20日，星期三

根据几何关系，可求得插补周期内刀具在各坐标轴方向上的位移增量分别为新的动点Ni的坐标为第135页，共154页，2023年，2月20日，星期三数据采样法直线插补流程图第136页，共154页，2023年，2月20日，星期三2)插补流程通过前面的分析可以看出，利用数据采样法来插补直线的算法比较简单，一般可分为以下三个步骤。

（1）插补准备。完成一些常量的计算工作，求出ΔL＝FTS，

（mm）和K=ΔL/L等的值，一般对每个零件轮廓段仅执行一次。第137页，共154页，2023年，2月20日，星期三（2）插补计算。每个插补周期均执行一次，求出该周期对应坐标增量值（ΔXi，ΔYi）以及新的动点坐标值(Xi，Yi)。（3）终点判别。

第138页，共154页，2023年，2月20日，星期三3.数据采样法圆弧插补

1）基本原理数据采样法圆弧插补的基本