第二章 数控系统(CNC装置)和数控机床编程及加工

数控机床与编程

宁波大学

机械学院

二0二三年第二章数控系统及工作原理第一节概述第二节数控插补原理第三节数控补偿原理第四节位移与速度检测第五节伺服驱动与控制第六节CNC装置第七节

CNC系统中的可编程控制器（PLC）

第六节CNC装置CNC系统包括CNC装置、PLC和部分输入／输出设备，其核心是CNC装置。CNC装置由硬件和软件构成，软件在硬件的支持下完成所要求的数控功能。一、数控装置硬件结构硬件结构类型

按CNC装置中各印制电路板的插接方式，可以分为大板式结构和模块式结构。按CNC装置中微处理器的个数，可以分为单微处理器结构和多微处理器结构。按CNC装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和通用型结构。按CNC装置的开放程度又可分为封闭式结构、PC嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型开放式结构。

（一）大板式结构和模块式结构

1．大板式结构

由主电路板、位置控制板、PLC板、图形控制板和电源单元等组成，其特征是将主电路做成大块印制电路板，称为主板，其他电路制成小板，可插在大板的插槽内。

主板上是控制核心电路，称微机基本系统，由CPU、存储器（ROM和RAM）、定时和中断等控制电路组成。通常还将CNC装置一些特有的功能电路（如位置控制电路）和对外接口也制作在主板上。大板式结构紧凑，可靠性高，但其硬件功能不易变动，柔性低。FANUC6MBCNC系统采用大板式结构。2．模块式结构

特点是将整个CNC装置按功能划分为若干个功能模块，每个功能模块按模块化方法做成尺寸相同的印制电路板（称为功能模板），各板均可插接到符合相应工业标准总线的母板插槽内。对应各功能模块的控制软件也是模块化的。

常用的功能模板有CPU板、扩展存储器板、位置控制板、PLC板、图形板和通信板等。连接各模板的总线可选用各种工业标准总线，如工业PCI总线、STD总线等。

模块化结构的CNC装置设计简单，调试与维修方便，具有良好的适应性和扩展性。

FANUC15系列的CNC系统就采用了模块式结构。

（二）单微处理器结构和多微处理器结构

1．单微处理器结构

只有一个CPU，集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种数控功能。优点：投资小，结构简单，易于实现。缺点：系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。在CNC系统发展的初期使用较多，现在已经被多微处理器的主从结构取代。

2．多微处理器结构

按各CPU之间的关系又分成主从、多主和分布三种不同的结构。

（1）主从式结构

（2）分布式结构

每个CPU都有自己完整和独立的系统，即功能模块。在每个功能模块内，CPU有自己的运行环境（总线、存储器、操作系统等），各功能模块之间采用松耦合，即在空间上可以较分散，通过一条外部通信链路连接在一起，采用通信的方式交换信息和共享资源。

（3）多主结构

多主结构的多微处理器CNC装置中有两个或两个以上主CPU及其功能模块对系统资源有控制或使用权，这些功能模块之间采用紧耦合，即采用总线互连方式，有集中的操作系统，可共享资源。多个主CPU之间通过总线仲裁器来解决并行总线的争用问题，通过公共存储器来交换信息。典型的有共享总线结构、共享存储器结构。

1）功能模块①CNC管理模块：主要完成初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统硬件与软件诊断等功能，负责管理和组织整个CNC装置有条不紊地工作。②CNC插补模块：主要完成插补前预处理和实时插补计算。③位置控制模块：负责对插补输出的指令位置（或位移）和检测反馈的实际位置（或位移）进行比较并获得位置偏差，进行速度和位置控制。④PLC（或PMC）模块：负责对零件程序中的开关量顺序控制指令(S、M、T)、来自机床操作面板的控制信号和机床上各行程开关的信号进行逻辑处理，实现机床的启停、换刀、转台分度、工件计数等功能，以及各功能和操作方式之间的联锁等。⑤输入输出和显示模块：用于零件程序、参数和数据以及各种操作命令的输入输出和各种信息的显示。⑥存储器模块：提供程序和数据存储的存储器以及各功能模块间数据传送用的共享存储器。2）共享总线结构

主模块从模块3）共享存储器结构

（三）专用型结构和通用型结构

1．专用型结构：由各制造厂专门设计和制造，具有布局合理、结构紧凑、专用性强等优点。封闭式的体系结构。如FANUC系统、SIEMENS系统、美国A-B系统等。目前在生产中使用的数控设备大多数都是采用这类CNC装置。2．通用型结构：以工业PC机作为硬件支撑平台，再根据数控功能的需要插入专用控制卡，与数控软件一起构成相应CNC装置。开放性和可维修性好。目前，世界各国都在致力于这类CNC系统的研发。美国ANILAM公司和AI公司生产的CNC装置均属这种类型。

（四）封闭式结构、PC嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型开放式结构

1．封闭式结构

封闭式结构CNC装置的功能扩展、改变和维修，都必须求助于系统供应商，对用户来说这些方面是不开放的。

FANUC0、MITSUBISHIM50、SIEMENS810等系统都属于封闭体系结构的CNC系统。2．PC嵌入NC式结构

采用在CNC装置内部加装PC的方法来进一步扩展功能，使CNC系统具有一定的开放性。但由于其基础部分仍然是传统的CNC系统，其体系结构还是不开放的，用户无法介入系统的核心。FANUC18i和16i、SIEMENS840D、Numl060、AB9／360等CNC系统均是这种结构，其结构复杂、功能强大，但价格昂贵。

3．NC嵌入PC式结构这类CNC系统由开放式体系结构的运动控制卡加PC机构成。运动控制卡本身就是一个CNC系统，可以单独使用，通常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和顺序逻辑控制能力。美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMACCNC系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC64构造的MAZATROL640CNC数控系统等。4．软件型开放式结构

数控软件全部装在计算机中，用户只需选配计算机及其与伺服系统和外设之间的标准化接口。用户可以在WindowsNT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能CNC系统。典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC、德国PowerAutomation公司的PA8000NT等。

5．开放式体系结构的定义

参照IEEE对开放式系统的规定，一个真正意义上的开放式CNC系统必须具备使不同应用程序协调地运行于系统平台上的能力，提供面向功能的动态重构工具以及标准化的用户界面，并应具有以下特征：

1）按分布式控制原则，采用系统、子系统和模块等分级式控制结构，其构造应是可移植的和透明的。2）根据需要可实现重构和编辑，以便实现一个系统多种用途。3）各模块相互独立，系统厂、机床厂和最终用户都可很容易地把一些专用功能和有个性的模块加入平台中。通过系统的初始化设置实现功能分配，允许机床厂、用户对系统实施补充、扩展、裁减或修改。4）具有一种较好的通信和接口协议，以使各相对独立的功能模块互相交换信息，并满足实时控制的要求。二、CNC装置的软件结构1．多任务

2．并行处理：

3．实时性

（一）CNC装置的任务特点

控制任务：译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制等

管理任务：输入、I/O处理、显示、诊断等

加工、显示、I/O处理、故障诊断等同时进行强实时性任务

弱实时性任务（编辑、显示等）

实时突发性任务（急停、故障等）实时周期性任务（插补、位控等）

（二）CNC装置的软件特点

1．资源分时共享并行处理在一定的时间长度（通常称为时间片）内，根据系统各任务的实时性要求程度，规定它们占用CPU的时间，使它们按规定顺序分时共享系统的资源，进行各任务的处理。2．时间重叠流水处理

其关键是时间重叠，即在每一段较小的时间间隔内，不再仅处理一个子过程，而是处理两个或更多的子过程。这样一来，每个程序段的输出之间的时间间隔大为减小，从而保证了电机运转和刀具移动的连续性。

3．实时中断处理CNC装置软件的另一个重要特征是实时中断处理，CNC装置的多任务性和实时性决定了中断处理成为其软件必不可少的重要组成部分。1）外部中断（外部监控终端、操作面板输入中断等）2）内部定时中断（插补周期定时、位置采样周期定时中断等）3）硬件故障中断（存储器出错、插补运算器超时等中断）4）程序性中断（程序中运算溢出报警等）

（三）CNC装置的软件结构

所谓CNC装置的软件结构是指系统软件的任务（程序）组织管理方式。不同的软件结构，对各项任务的安排方式不同，管理方式也不同。在单CPU的CNC装置中，常采用前后台型或多重中断型软件结构。在多CPU的CNC装置中，各CPU分别承担一定的任务，具有很高的并行处理能力，其中某个CPU承担多任务时，仍然采用前后台型或多重中断型软件结构。如果某个CPU承担的任务比较单一，该CPU的软件可以是循环往复式的结构，即顺序执行程序结构。

1．前后台型软件结构

2．多重中断型软件结构

三、典型CNC系统简介1．FANUCCNC系统简介

目前FANUC公司的主流CNC系统为FANUC0系列，它的主要特点是体积小，价格低。FANUC0系列是多微处理器CNC系统。

FANUC0A、0B和0C系列的主CPU分别为80186、80286和80386。

三轴控制系统的主控制电路以及输入/输出接口、PMC和CRT电路等，都制作在一块大型印制电路板上，与操作面板、CRT组成一体。

FANUC0-MA/MB/MEA/MC/IMF用于加工中心、铣床和镗床FANUC0-TA/TB/TEA/TC/TF用于车床FANUC0-TTA/TTB/TTC/用于一个主轴双刀架或两个主轴双刀架的4轴控制车床FANUC0-GA/GB用于磨床，FANUC0-PB用于回转头压力机。

北京发那科机电生产的FANUC0系列有BEIJING-FANUC0C和0D系列，其中D为普及型，C为全功能型。BEIJING-FANUC0Mate为FANUC0系列的派生产品，是功能简单，结构更为紧凑的经济型CNC系统。在多轴控制方面，目前FANUC公司有FANUC15、FANUC16和FANUC18系列CNC系统。

2．SIEMENSCNC系统简介

目前在低端CNC系统中，SIEMENS公司的主流产品有20世纪90年代中后期推出的SINUMERIK802系列。

SINUMERIK802S/802C是经济型数控系统，可驱动三个进给轴。SINUMERIK802S是用于步进电动机驱动的CNC系统。SINUMERIK802C是用于伺服电动机驱动的CNC系统。SINUMERIK802S/802C均提供一个－10V～＋10V的输出接口，用于驱动主轴电动机。SINUMERIK802S/802C由数控操作面板、机床操作面板、NC单元、PLC模块等几部分组成。SINUMERIK802D是用于数字式伺服系统的CNC系统，可控制最多4个进给轴和一个主轴。目前在高端CNC系统中，SIEMENS公司的主流产品有SINUMERIK810D/DE、SINUMERIK840C等系列的CNC系统。

作业2-44简要介绍多微处理器CNC装置的几种结构。2-45何谓开放式结构的CNC系统？2-46CNC装置的任务特点主要有哪些？第二章数控系统及工作原理第一节概述第二节数控插补原理第三节数控补偿原理第四节位移与速度检测第五节伺服驱动与控制第六节CNC装置第七节

CNC系统中的可编程控制器（PLC）

第七节CNC系统中的可编程控制器（PLC）1．PLC的概念

可编程控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是20世纪60年代末发展起来的一种新型自动控制装置，早期主要用于替代传统的继电器—接触器顺序逻辑控制装置。

随着技术的进步，PLC的控制功能已远远超出逻辑控制的范畴，发展成为一种功能强大的工业控制计算机（ProgrammableController），简称PC。微型和小型PLC：I/0≤128点，一体化。中型以上PLC：I/0≥

129点，功能电路制成具有统一插槽和尺寸的标准模块。

一、PLC简介

2．PLC的硬件

PLC=CPU+存储器+输入／输出单元+电源+编程器采用总线结构（1）CPU：CPU是系统的核心，完成全部运算和控制任务。（2）存储器：存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作数据。（3）I/O单元：是CPU与被控对象或其他外部设备的连接部件，是PLC有别于其它计算机应用系统的特色部分。（4）扩展接口：用于PLC主机与扩展单元模块之间的连接。（5）智能I/O单元：自身有单独的CPU，能够通过驻留在单元上的程序完成某种专用功能。（6）电源：负责提供PLC内部以及输入单元所需要的直流电源。（7）编程器：用于用户程序的编制、编辑、调试和运行监视，还可用于调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。

典型的I/O单元：1）直流开关量输入单元：接近开关、按钮、选择开关、继电器等2）直流开关量输出单元：大功率晶体管3）交流开关量输入单元4）交流开关量输出单元：双向晶闸管5）继电器输出单元：微型继电器6）模拟量输入单元（A/D单元）：电压型和电流型7）模拟量输出单元（D/A单元）：电压型和电流型

3．PLC的软件（1）系统程序：包括监控程序、编译程序及诊断程序等，由生产厂家提供并固化到ROM中，对用户是不透明的，不能由用户存取，也不需要用户干预。（2）用户程序用户程序是用户针对要解决的控制问题，用PLC编程语言编制的的应用程序。

4．用户程序的编制和输入方法

（1）梯形图：梯形图编程方法是在电器控制系统原理图的基础上演变而来的，为广大电气技术人员所熟知，是PLC的主要编程方法。（2）语句表：语句表编程类似于汇编语言编程，直接采用指令助记符。（3）控制系统流程图编程方法。（4）计算机高级语言编程方法。

5．PLC的用户程序执行过程

1）输入采样：PLC以扫描方式将所有输入端的输人信号状态（ON或OFF）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。

2）程序执行：PLC对用户程序按顺序进行扫描、运算处理，将状态寄存，将结果送入输出映像寄存器。

3）输出刷新：将输出映像寄存器中的状态转存到输出锁存电路，再经输出端子输出信号去驱动被控对象，这就是PLC的实际输出。PLC重复地执行上述三个阶段，每重复一次就是一个工作周期

二、PLC在CNC系统中的应用1．PLC在CNC系统的作用

实现S、T、M等辅助功能控制：

1）机床主轴的起停和正反转控制以及主轴转速的控制、倍率的选择等。2）机床冷却、润滑系统的接通和断开。3）机床刀库的起停和刀具的选择与更换。4）机床卡盘的夹紧和松开。5）机床自动门的打开和闭合。6）机床尾座和套筒的前进与后退。7）机床排屑器等辅助装置的控制。2．CNC系统用PLC的分类

（1）内装型PLC

内装型PLC从属于CNC装置，PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部即可实现。

内装型PLC与独立型PLC相比具有如下特点：

1）实质上是CNC装置带有PLC的功能，其性能指标由CNC装置的性能、规格来确定，其硬件和软件部分被作为CNC系统的基本功能统一设计，因此具有结构紧凑，功能针对性强，技术指标合理等优点。

2）有与CNC装置共用微处理器和具有专用微处理器两种类型。前者利用CNC装置微处理器的余力来实现PLC的功能，输入/输出点数较少；后者由于有独立的CPU，多用于程序复杂、动作速度要求快的场合。3）与CNC装置的其它电路通常装在一个机箱内，不需另备电源，可与CNC装置的其它电路制做在同一块印制线路板上，或单独制成附加印制电路板。

4）采用内装型PLC后，CNC装置扩展了某些控制功能，如梯形图编辑和传送功能、在CNC装置内部直接处理PLC窗口的信息等，提高了CNC的性能价格比。

（2）独立型PLC独立型PLC在软件和硬件上均独立于CNC装置，并能独立完成顺序逻辑控制任务。

独立型PLC的特点：

1）可以根据数控机床对控制功能的要求灵活选购或自行开发通用型PLC。2）具有安装方便、功能构成和扩展容易的优点。3）在性能/价格比上不如内装型PLC。4）专门为柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统系统（FMS）、工厂自动化开发的独立型PLC具有强大的数据处理、通信和诊断功能。

3．在CNC系统中PLC的应用特点（1）较多地使用功能指令PLC的指令分基本指令和功能指令两种。基本指令主要包括读/写指令、位逻辑运算指令等，它们都是简单的、基本的操作。功能指令都是较复杂的、组合的操作。满足数控机床信息处理和动作控制的特殊要求，如对CNC装置输出的M、S、T二进制代码信号的译码、机械运动状态或液压系统动作状态的延时确认、加工零件的计数、刀库、分度工作台沿最短路径旋转以及现在位置至目标位置步数的计算等。功能指令实质上是一些子程序，应用功能指令就是调用相应的子程序。（2）高级程序和低级程序

为了适应不同控制信号对不同响应速度的要求，CNC系统的PLC用户程序常分为高级程序和低级程序。PLC处理高级程序和低级程序是按“定时分割周期”分段进行的。在每个定时分割周期高级程序都被执行一次，在定时分割周期的剩余时间执行低级程序。低级程序被分割成几份，分别在不同的定时分割周期内执行。（3）用户程序的编制

同样的CNC系统可以用于不同的数控机床，而不同的数控机床由于机床侧配置不同，对辅助功能控制的要求是不同的。

CNC系统生产厂家都将CNC系统中的PLC部分对用户开放，即提供PLC部分的详细资源情况，包括指令系统、编程方法等，使用户能够根据具体需要自行开发用户程序。购置数控机床整机时，其中的PLC用户程序编制已由机床生产厂家完成，使用数控机床的用户一般不必进行用户程序的开发。用户完全可以根据自己需要对购置的数控机床进行机床侧的重新配置，并自行开发PLC用户程序。4．顺序控制功能的实现零件加工程序的一个程序段经译码后，其指令被转换成后续处理程序所要求的数据格式存放在译码缓冲区。在执行这段程序时，CNC装置将译码缓冲区中有关主轴转速S、刀具选择T和辅助机能M的指令数据传送到PLC的相应寄存器中，供PLC的用户程序使用。不同的指令，译码后的数据不同，传送到PLC的不同寄存器中，PLC的用户程序对其进行不同的逻辑处理，从而产生不同的结果，实现各种不同的辅助功能控制。

CNC系统的组成、功用、工作原理及过程；插补方法：基准脉冲插补，数据采样插补；刀具位置补偿、长度补偿、半径补偿直线光栅、脉冲编码器开环、闭环与半闭环伺服系统结构与执行元件；CNC装置的硬件结构、软件结构；PLC在CNC系统中的应用。本章小结作业2-49PLC中用户程序的执行过程怎样？2-50CNC装置中PLC的作用是什么？2-53了解CNC系统的顺序控制功能是如何由PLC实现的。

第二章结束数控机床编程及加工机械工程实验教学中心实验目的通过数控机床的加工程序编制，掌握编程的方法及技巧；将在计算机上用OpenSoftCNC软件模拟显示加工过程校验程序，然后在数控机床上对工件进行加工；结合机械加工工艺，实现最优化编程，提高加工质量和生产效率。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理数控编程的目的；数控编程的内容；编程步骤。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理所谓编程，就是把零件的图形尺寸、工艺过程、工艺参数、机床的运动以及刀具位移等内容，按照数控机床的编程格式和能识别的语言记录在程序单上的全过程。这样编制的程序还必须按规定把程序单制备成控制介质如程序纸带、磁带等，变成数控系统能读懂的信息，再送入数控机床，数控机床的CNC装置对程序经过处理之后，向机床各坐标的伺服系统发出指令信息，驱动机床完成相应的运动。机械工程实验教学中心数控编程的目的数控编程的基本原理①分析零件图纸，确定加工工艺过程；②计算走刀轨迹，得出刀位数据；③编写零件加工程序；④制作控制介质；⑤校对程序及首件试加工。机械工程实验教学中心数控编程的内容数控编程的基本原理机械工程实验教学中心数控编程的步骤零件图纸分析零件图纸制定工艺规程数学处理编写程序文件制作控制介质程序校验及试切数控机床OpenSoftCNC软件介绍OpenSoftCNC软件包括数控车床模拟仿真和数控铣床模拟仿真系统，由软件+标准硬件系统构成，不要求专用硬件或运动控制卡，所有数控功能和逻辑控制功能均由软件完成，操作界面由系统操作和机床控制两大部分组成。机械工程实验教学中心OpenSoftCNC软件介绍机械工程实验教学中心为例，软件提供下列指令：以数控车床模拟仿真系统（OpenSoftCNC01T）组别指令功能编程格式模态

1G00快速线性移动G00X(U)_Z(W)_√G01直线插补G01X(U)_Z(W)_√G02顺时针圆弧插补G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆时针圆弧插补G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺纹插补G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺纹插补G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X轴返回程序零点G27

G28Z轴返回程序零点G28

G92定义绝对坐标系G92X_Z_√2G04延时G04E_

3M00暂停M