第三章CNC装置及接口

1、第三章第三章 CNC装置及其接口装置及其接口 数控机床数控机床 CNC系统与被控的机床构成系统与被控的机床构成CNC机床，即计算机数控机床机床，即计算机数控机床 CNC系统：借助于计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控要求的部分或全部功能，并配有接口电路、伺服驱动装置系统：借助于计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控要求的部分或全部功能，并配有接口电路、伺服驱动装置 的一种专用计算机系统。的一种专用计算机系统。 与与NC 的关系的关系 CNC的部分或全部控制功能通过软件来实现的部分或全部控制功能通过软件来实现 CNC系统的核心：系统的核心：CNC装置装置 其功能：其功能：根据输入的零件加工

2、程序、数据和参数，完成数值计算和逻辑判断，进行输入、输出控制。根据输入的零件加工程序、数据和参数，完成数值计算和逻辑判断，进行输入、输出控制。 CNCCNC装置由装置由计算机（硬、软件）计算机（硬、软件）、PLCPLC及及接口电路接口电路组成组成 第一节第一节 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构 CNC装置是在硬件支持下，执行软件来进行工作的。装置是在硬件支持下，执行软件来进行工作的。 其控制功能在相当大的程度上取决于硬件结构。其控制功能在相当大的程度上取决于硬件结构。 当控制功能不十分复杂时：单微处理器结构当控制功能不十分复杂时：单微处理器结构 现代现代CNC装置多采用装置多采用多微处理器结

3、构多微处理器结构（以满足高速化、复合化、智能化、系统化等要求）（以满足高速化、复合化、智能化、系统化等要求） 一、单微处理器结构一、单微处理器结构 只有一个微处理器：采用只有一个微处理器：采用集中控制，分时处理集中控制，分时处理的方式完成数控的各项任务的方式完成数控的各项任务 有的有的CNC装置虽有两个或两个以上微处理器：但只有一个能控制系统总线，占有总线资源；其他的不能控制系统总线装置虽有两个或两个以上微处理器：但只有一个能控制系统总线，占有总线资源；其他的不能控制系统总线 、访问主存储器，只能作为一个智能部件工作；各微处理器组成主从结构、访问主存储器，只能作为一个智能部件工作；各微处理器组

4、成主从结构 单微处理器单微处理器CNC装置的组成框图如下图所示：装置的组成框图如下图所示： CNC装置的功能将受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素装置的功能将受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素 的限制。（为提高处理速度，增强数控功能，可采用：的限制。（为提高处理速度，增强数控功能，可采用： 1、协处理器、协处理器 增强运算功能，提高运算速度增强运算功能，提高运算速度 2、智能部件、智能部件 PLCPLC、CRTCRT显示控制电路带微处理器显示控制电路带微处理器 3、将插补分为粗插补和精插补：分别由软件和硬件、将插补分为粗插补和精插补：分别由软件和硬件(MB 8

5、739)实现实现 经济型经济型CNC装置装置8位微处理器、位微处理器、8、16位的单片机芯片；一般的用位的单片机芯片；一般的用16、32位位64位位 微处理器芯片微处理器芯片 CPU EPROM RAM MDI/CRT 接口接口 PLC 串行通信及网串行通信及网 络接口络接口 纸带阅读机接口纸带阅读机接口纸带阅读机纸带阅读机 穿孔机、电传机穿孔机、电传机 接口接口 纸带穿孔机纸带穿孔机 电传机电传机 I/O接口接口机床机床 位置控制位置控制速度控制单元速度控制单元 数控面板数控面板 CRT M 数据存储、插补、数据存储、插补、I/O控制、显示控制、显示 EPROM 存放系统程序存放系统程序(2

6、716、2732、2764、27128、27256、27010) RAM 存放运算的中间结果；零件加工程序、数据和参数存放在带有后备电存放运算的中间结果；零件加工程序、数据和参数存放在带有后备电 池的池的RAM中或磁泡存储器（体积小，存储密度高，传输速度快，可靠性高，功中或磁泡存储器（体积小，存储密度高，传输速度快，可靠性高，功 耗低）中耗低）中 PLC 用以代替传统的机床强电继电器逻辑。通过程序进行逻辑运算，来实现用以代替传统的机床强电继电器逻辑。通过程序进行逻辑运算，来实现M、S、T功能的译码与控制功能的译码与控制 位置控制器与速度控制单元、位置检测及反馈控制组成位置环：用于轴进给的坐标位

7、置控制（工作台的前后左右移动，主位置控制器与速度控制单元、位置检测及反馈控制组成位置环：用于轴进给的坐标位置控制（工作台的前后左右移动，主 轴箱的移动及绕某一直线坐标轴的旋转运动）轴控制性能的高低对数控机床的加工精度、表面粗糙度和加工效率影响极大轴箱的移动及绕某一直线坐标轴的旋转运动）轴控制性能的高低对数控机床的加工精度、表面粗糙度和加工效率影响极大 。 单微处理器结构的单微处理器结构的CNC装置在逻辑上是面向总线的。装置在逻辑上是面向总线的。 1、按印刷电路板插接方式的不同，可分为：大板、模块化结构、按印刷电路板插接方式的不同，可分为：大板、模块化结构 (1) 大板结构大板结构 CNC装置由

8、主板（大印刷电路板，集成了主要功能，微处理器、存储器、定时与中断控制电路、位置控制电装置由主板（大印刷电路板，集成了主要功能，微处理器、存储器、定时与中断控制电路、位置控制电 路及标准接口）和辅助功能板（卡）（为小印刷电路板：路及标准接口）和辅助功能板（卡）（为小印刷电路板：PLC板、板、I/O控制板、控制板、CRT显示控制板、附加存储器板），辅助功显示控制板、附加存储器板），辅助功 能板插在主板的插槽内，受主板驱动。能板插在主板的插槽内，受主板驱动。 (2) 模块化结构模块化结构 将将CNC装置的硬件按功能划分成模块，将每个功能模块都制成尺寸相同的印刷电路板（功能模块）：装置的硬件按功能划分

9、成模块，将每个功能模块都制成尺寸相同的印刷电路板（功能模块）：CNC 控制板、位置控制板、控制板、位置控制板、PLC板、板、CRT显示控制板、通信板等；采用标准总线作为母板。将各功能模块插在母板上，由显示控制板、通信板等；采用标准总线作为母板。将各功能模块插在母板上，由CNC 控制板驱动其他各块功能模块，完成控制板驱动其他各块功能模块，完成CNC各种功能。（常用的总线：各种功能。（常用的总线：PC、STD、VME、Mltibus 、） 2、按、按CNC装置的制造方式的不同，可将其分为：专用型：装置的制造方式的不同，可将其分为：专用型：(由厂家专门设计、制造的，结构紧凑，布局合理，专用性强由厂家

10、专门设计、制造的，结构紧凑，布局合理，专用性强)、 通用型通用型CNC装置（以装置（以PC机为平台，配以控制卡和相应的数控软件，由于其开放性，对先进技术的适应性及应用的广泛性都机为平台，配以控制卡和相应的数控软件，由于其开放性，对先进技术的适应性及应用的广泛性都 较好）较好） 二、多微处理器结构二、多微处理器结构 多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元（功能模块）。可采取积木方式：适应性和多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元（功能模块）。可采取积木方式：适应性和 扩展性好、结构紧凑；插件模块更换方便，可使故障对系统的影响降到最低限度；运算速

11、度高、适合于多轴控制、高进给扩展性好、结构紧凑；插件模块更换方便，可使故障对系统的影响降到最低限度；运算速度高、适合于多轴控制、高进给 速度、高精度、高效率的数控要求。速度、高精度、高效率的数控要求。 结构型式：紧耦合（各微处理器构成处理部件，之间采取紧耦合方式，有集中的操作系统，共享资源）和松耦合（功结构型式：紧耦合（各微处理器构成处理部件，之间采取紧耦合方式，有集中的操作系统，共享资源）和松耦合（功 能模块，松耦合方式，多重操作系统，并行处理。）能模块，松耦合方式，多重操作系统，并行处理。） (一一) 基本功能模块基本功能模块 (1) CNC管理模块管理模块 管理和组织：初始化、中断、总线

12、裁决、系统出错、软硬件诊断。管理和组织：初始化、中断、总线裁决、系统出错、软硬件诊断。 (2) CNC插补模块插补模块 完成插补前的预处理；进行插补计算，为各坐标提供位置给定值完成插补前的预处理；进行插补计算，为各坐标提供位置给定值 (3) 位置控制模块位置控制模块 进行给定值与实际值的比较，进行自动加减速、回基准点、伺服系统进行给定值与实际值的比较，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，以使驱动进给电机。滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，以使驱动进给电机。 (4) 存储器模块存储器模块 程序和数据的主存储器，为功能模块间进行

13、数据传送的共享存储器。程序和数据的主存储器，为功能模块间进行数据传送的共享存储器。 (5) PLC模块模块 对零件程序中的开关功能和机床来的信号进行逻辑处理，实现机床对零件程序中的开关功能和机床来的信号进行逻辑处理，实现机床 电气设备的起、停，刀具交换，主轴转数，转台分度，加工零件和机床运转时间的计数，电气设备的起、停，刀具交换，主轴转数，转台分度，加工零件和机床运转时间的计数， 及各功能、操作方式间的联动及各功能、操作方式间的联动 (6) 指令、数据的输入输出及显示模块指令、数据的输入输出及显示模块 包括零件程序、参数和数据，各种操作命令的包括零件程序、参数和数据，各种操作命令的I/OI/O

14、 及显示所需的各种接口电路及显示所需的各种接口电路 (二二) 典型结构典型结构 (共享总线和共享存储器结构，进行各功能模块间的互连和通信共享总线和共享存储器结构，进行各功能模块间的互连和通信) 1、共享总线结构、共享总线结构 由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按要求交换各控制指令和数据，实现各种预定的功能。由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按要求交换各控制指令和数据，实现各种预定的功能。 挂在总线上的挂在总线上的 功能模块按是否带有功能模块按是否带有CPU或或DMA器件分为：主模块、从模块器件分为：主模块、从模块 只有主模块才有权控制使用总线，且某一时刻只能有一只有主模块才有权控制使用

15、总线，且某一时刻只能有一 个占有总线个占有总线 仲裁机构：串行仲裁机构：串行（由各主模块的链接位置来决定其优先权）（由各主模块的链接位置来决定其优先权）、并行、并行（由优（由优 先权编码器和译码器等组成的专门逻辑电路来解决各主模块使用总线优先权的判别问题）先权编码器和译码器等组成的专门逻辑电路来解决各主模块使用总线优先权的判别问题） 裁决方式裁决方式 采用公共存储器方式进行各模块之间的信息交换，直接挂在系统总线上，各主模块都能访问，采用公共存储器方式进行各模块之间的信息交换，直接挂在系统总线上，各主模块都能访问， 可供任意两个主模块交换信息可供任意两个主模块交换信息 CNC管理模块管理模块(C

16、PU)主存储器模块主存储器模块操作面板显示模块操作面板显示模块 CNC插补模插补模 块块(CPU) PLC功能模功能模 块块(CPU) 位置控制模位置控制模 块块(CPU) 主轴控制模块主轴控制模块 2、共享存储器结构、共享存储器结构 采用多端口存储器来实现各微处理器间的互联和通信，每个端口都配有一采用多端口存储器来实现各微处理器间的互联和通信，每个端口都配有一 套数据、地址、控制线。由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突。套数据、地址、控制线。由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突。 第二节第二节 CNC装置的软件结构装置的软件结构 一、一、CNC装置的控制流程装置的控制流程 信息信息

17、输入输入 存存 储储 译译 码码 预处理预处理 插补插补位置控制位置控制 位置反馈位置反馈 伺服放大伺服放大 电机电机 机机 床床 PLC处理处理I/O CNC装置装置 是一位置控制装置，工作时，根据输入数据是一位置控制装置，工作时，根据输入数据 插补出理想的运动轨迹，输出到执行部件，加工出所需的零插补出理想的运动轨迹，输出到执行部件，加工出所需的零 件。件。 低速辅助信息（低速辅助信息（M、S、T）；高速轨迹信息）；高速轨迹信息 显示、诊断、通信功能显示、诊断、通信功能 控制指令控制指令 、参数及、参数及 加工数据加工数据 (一一) 输入输入 键盘键盘(MDIMDI缓冲器缓冲器)、光电阅读机

18、光电阅读机(零件程序缓冲器零件程序缓冲器) 、通信接口（通信接口（DMA） 输入程序的任务：将加工程序输入到零件程序存储器中；将零件程序存储器中的零件加工程序送入缓冲器中，以便进行输入程序的任务：将加工程序输入到零件程序存储器中；将零件程序存储器中的零件加工程序送入缓冲器中，以便进行 后续处理。后续处理。 零件加工程序在零件程序存储器中按段连续存放，每个程序段中有几个单元用来存放该段的顺序号、字数、字符数等零件加工程序在零件程序存储器中按段连续存放，每个程序段中有几个单元用来存放该段的顺序号、字数、字符数等 信息（为取数、显示、编辑提供方便）。信息（为取数、显示、编辑提供方便）。 在零件程序存

19、储器中还设有零件程序目录表（零件加工程序名称、在零件程序存储器起始地址、终止地址）和存、取在零件程序存储器中还设有零件程序目录表（零件加工程序名称、在零件程序存储器起始地址、终止地址）和存、取 程序的指针（该指针始终指向下一步应该存入或取出的单元）程序的指针（该指针始终指向下一步应该存入或取出的单元） 输入到输入到CNC装置中的控制信息和加工数据除零件加工程序外，还有机床参数（控制参数、补偿参数）：与机床有关的装置中的控制信息和加工数据除零件加工程序外，还有机床参数（控制参数、补偿参数）：与机床有关的 （间隙补偿量、螺距补偿参数、主轴换挡速度、主轴准停速度、行程极限）（间隙补偿量、螺距补偿参数

20、、主轴换挡速度、主轴准停速度、行程极限）、与伺、与伺 服系统有关的服系统有关的（到位宽度、位置误差极限、漂移补偿量、快速移动速度、切削进给速（到位宽度、位置误差极限、漂移补偿量、快速移动速度、切削进给速 度上限、加减速时间常数）度上限、加减速时间常数） 、刀具参数、刀具参数（刀号、刀具类型、刀具长度、刀具的半径（刀号、刀具类型、刀具长度、刀具的半径 ） 、与外设有关的、与外设有关的（串行通信的波特率）（串行通信的波特率） (二二) 译码译码 译码即是将零件加工程序转换为译码即是将零件加工程序转换为CNC装置能接收的代码。以程序段为单位进行。将零件加工程序按程序段划分，并按一装置能接收的代码。以

21、程序段为单位进行。将零件加工程序按程序段划分，并按一 定语法规则对每个程序段中的各种零件轮廓信息、速度信息、辅助信息进行解释；生成目标代码；以一定的数据格式存储定语法规则对每个程序段中的各种零件轮廓信息、速度信息、辅助信息进行解释；生成目标代码；以一定的数据格式存储 在指定的存储区；语法检查。在指定的存储区；语法检查。 译码本身包括零件加工程序的整理和存放。两种方式：译码本身包括零件加工程序的整理和存放。两种方式： 1. 不按字符格式的整理与存放不按字符格式的整理与存放 译码：去掉程序段序号，每个程序段数据均以译码：去掉程序段序号，每个程序段数据均以LF或或CR开头和结尾。各功能字功能字用特征

22、码进行换码；尺寸字、速开头和结尾。各功能字功能字用特征码进行换码；尺寸字、速 度字不再保留地址符，将尺寸及速度转换成二进制后按固定格式存放：度字不再保留地址符，将尺寸及速度转换成二进制后按固定格式存放：X、Y、Z、I、J、K、F 2. 保留字符格式的整理与存放保留字符格式的整理与存放 在零件加工程序输入时，只对字符换码；在零件加工程序输入时，只对字符换码；（输出零件加工程序时只要进行反换码即可）（输出零件加工程序时只要进行反换码即可）。通过。通过 编辑将零件加工程序转换成一种标准的固定格式编辑将零件加工程序转换成一种标准的固定格式 (三三) 预处理预处理 插补运算前的预备处理：对目标代码进行刀

23、具补偿（插补运算前的预备处理：对目标代码进行刀具补偿（长度、半径，将零件轮廓轨迹转换成刀具长度、半径，将零件轮廓轨迹转换成刀具 中心轨迹）中心轨迹）和进给速度处理和进给速度处理（A、根据程序给出的坐标合成速度计算出各运动坐标方、根据程序给出的坐标合成速度计算出各运动坐标方 向的分速度；向的分速度；B、进行限速处理）、进行限速处理） (四四) 插补插补 （数据点的密化）（数据点的密化） 以脉冲形式输出以脉冲形式输出的脉冲增量法和的脉冲增量法和以数字量形式输出以数字量形式输出的数字增量法的数字增量法 (五五) 位置控制位置控制 由位置环完成，由位置环完成，（速度环、电流环）（传统的在伺服放大器中闭

24、合）（速度环、电流环）（传统的在伺服放大器中闭合），全数字式伺服控制，全数字式伺服控制 （三环在（三环在CNC装置内闭合）装置内闭合） 。还要完成位置回路的增益调整，各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿。还要完成位置回路的增益调整，各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿 (六六) I/O处理处理 （利用（利用PLC程序对程序对CNC装置与机床间的装置与机床间的I/O信号进行逻辑处理和控制）信号进行逻辑处理和控制） (七七) 显示显示 (CRT、LCD，显示加工程序、参数、刀具位置等，人机对话编程、仿真，显示加工程序、参数、刀具位置等，人机对话编程、仿真) (八八) 诊断诊断 起始诊断起始诊断

25、(Start-up)、在线诊断、在线诊断On-line、离线诊断、离线诊断off-line Diagnostics (九九) 通信功能通信功能 二、二、CNC装置的多任务并行处理装置的多任务并行处理 输入输入 I/O处理处理 显示显示 诊断诊断 译码译码 刀具补偿刀具补偿 速度补偿速度补偿 插补插补 位置控制位置控制 管理和控制的某些任务必须同时执行（并行处理），在控制软件运行中，其本身的各项管理和控制的某些任务必须同时执行（并行处理），在控制软件运行中，其本身的各项 处理任务也需要同时执行处理任务也需要同时执行 过程控制单元过程控制单元 控制（译码、刀具补偿、速度控制、插补、位置控制）和管理

26、（输入控制（译码、刀具补偿、速度控制、插补、位置控制）和管理（输入 、I/O处理、显示、诊断）处理、显示、诊断） 输入输入 显示显示控制控制 诊断诊断I/O 译码译码 刀具补偿刀具补偿 速度处理速度处理 插补插补 位置控制位置控制 多任务并行处理示意图多任务并行处理示意图 三、三、CNC装置软件的结构装置软件的结构 在在CNC软件的设计中，必须考虑软件的设计中，必须考虑CNC装置的实时、多任务、并行处理等特点。装置的实时、多任务、并行处理等特点。CNC软件可以设计成不同的结构形式软件可以设计成不同的结构形式 ，常见的有：，常见的有： (一一) 前后台式软件结构前后台式软件结构 适合于采用集中控

27、制的单微处理器的适合于采用集中控制的单微处理器的CNC装置。装置。 前台程序（实时中断程序），承担实时功能，都与机床动作直接相关：位置控制、插补、辅助功能处理、监控、面板扫前台程序（实时中断程序），承担实时功能，都与机床动作直接相关：位置控制、插补、辅助功能处理、监控、面板扫 描及输出等描及输出等 后台程序（背景程序）完成准备和管理工作：输入、译码、插补准备及管理等。是一循环运行程序，在其运行过程中后台程序（背景程序）完成准备和管理工作：输入、译码、插补准备及管理等。是一循环运行程序，在其运行过程中 实时中断程序不断插入，前、后台程序相互配合完成加工任务。实时中断程序不断插入，前、后台程序相互

28、配合完成加工任务。 初始化初始化 显示显示 I/O处理处理 输入输入插补准备插补准备 诊断诊断 阅读机中断阅读机中断(如果有如果有) 定时中断定时中断 键盘中断键盘中断 前后台式软件在运行过程中的调度管理功能由背景程序完成。要保证加工中不会出现停刀现象前后台式软件在运行过程中的调度管理功能由背景程序完成。要保证加工中不会出现停刀现象（系统必须保（系统必须保 证在当前程序插补过程中完成下段程序的译码和预处理）。证在当前程序插补过程中完成下段程序的译码和预处理）。 背景程序是通过设置标志来达到实时中断程序的管理和控制背景程序是通过设置标志来达到实时中断程序的管理和控制 资源分时共享：插补、伺服输出

29、与译码、预处理分时共享资源分时共享：插补、伺服输出与译码、预处理分时共享CPU，以完成多任务并行处理。，以完成多任务并行处理。 定时中断服务程序：系统的核心：插补、位置控制还要完成面板扫描、机床逻辑控制及实时诊断等任务。定时中断服务程序：系统的核心：插补、位置控制还要完成面板扫描、机床逻辑控制及实时诊断等任务。 位置控制位置控制 (根据采样值、位置增量，算出跟随误差根据采样值、位置增量，算出跟随误差) 面板扫描面板扫描(设置面板控制状态的设置面板控制状态的 系统标志系统标志) 机床逻辑处理机床逻辑处理(调用调用PLC程序执行程序执行M、S、T功能及机床逻辑状态监控；处功能及机床逻辑状态监控；处

30、 理控制面板的输入信息；进行各种故障的诊断处理理控制面板的输入信息；进行各种故障的诊断处理) 插补插补 (算出位置增量算出位置增量) 面板输出面板输出(扫扫 描和修正控制面板的显示描和修正控制面板的显示) 对第一个程序段译码、预处理、轨迹计算、速度计算，得到插补所需的各对第一个程序段译码、预处理、轨迹计算、速度计算，得到插补所需的各 种数据，并送插补缓冲存储器保存，辅助功能代码送系统工作寄存器保存。再分种数据，并送插补缓冲存储器保存，辅助功能代码送系统工作寄存器保存。再分 别送插补工作存储区、系统标志单元。完成交换后设置标志。实时中断程序进行别送插补工作存储区、系统标志单元。完成交换后设置标志

31、。实时中断程序进行 插补、伺服输出、辅助功能处理，同时开始下一段程序进行译码、预处理。插补、伺服输出、辅助功能处理，同时开始下一段程序进行译码、预处理。 (二二) 中断式软件结构中断式软件结构 除初始化程序外，把控制程序安排成不同级别的中断服务程序除初始化程序外，把控制程序安排成不同级别的中断服务程序 系统的管理功能通过各级中断服务程序之间的通信来实现。系统的管理功能通过各级中断服务程序之间的通信来实现。 适用于多微处理器结构的功能分布式适用于多微处理器结构的功能分布式CNC装置装置 以以FANUC-7为例讨论中断式软件的调度管理问题为例讨论中断式软件的调度管理问题 初始化程序初始化程序 0

32、硬件硬件 3 硬件硬件 5 硬件硬件(或软件或软件 ) 6 4ms硬件时钟硬件时钟 7 硬件硬件 1 软件，软件，16ms定定 时时 2 软件，软件，16ms定定 时时 4 软件，软件，8ms定定 时时 控制控制CRT显示显示 译码，刀具中心轨迹计算，显示处理译码，刀具中心轨迹计算，显示处理 键盘控制，键盘控制，I/O信号处理，穿孔机控制信号处理，穿孔机控制 外部操作面板，电传打字机处理外部操作面板，电传打字机处理 插补计算，终点判别及转移处理插补计算，终点判别及转移处理 阅读机中断阅读机中断 位置控制位置控制（由于刀具运动的实时性要求高）（由于刀具运动的实时性要求高） 测试测试 0 0级中断

33、请求始终存在级中断请求始终存在 FANUC-7系统采取的中断程序间的通信方式有：系统采取的中断程序间的通信方式有： 1、设置软件中断、设置软件中断 1、2、4、6级中断的联系级中断的联系 2、中断服务程序自身的链接、中断服务程序自身的链接 1级中断分成级中断分成13个口子个口子 每个口子对应于状态字的一位，每一位对应处理一个任务。在执每个口子对应于状态字的一位，每一位对应处理一个任务。在执 行第一级中断各口子的子任务时，可以设置口状态字的其他位的请求。行第一级中断各口子的子任务时，可以设置口状态字的其他位的请求。 0128BC 依次查询口状态，若为依次查询口状态，若为“1”，转入相应处，转入相

34、应处 理理 所有口检查完？所有口检查完？ 消除消除1级中断请求级中断请求 N Y 口状态字口状态字 3、设置标志、设置标志 标志是各程序之间相互通信的有力工具。标志是各程序之间相互通信的有力工具。 如：第如：第4级中断主要完成插补任务；译码、刀具半径补偿在第级中断主要完成插补任务；译码、刀具半径补偿在第1级中断中进行。级中断中进行。 在第在第1 1级中断服务程序中，进行完译码级中断服务程序中，进行完译码 和刀具半径补偿处理后，即刻设置标志。是否开放插补中断取决于该标志的设置，在未设置译码、刀具半径补偿完成标志和刀具半径补偿处理后，即刻设置标志。是否开放插补中断取决于该标志的设置，在未设置译码、

35、刀具半径补偿完成标志 的情况下，的情况下，CNCCNC装置跳过插补服务程序而继续往下执行装置跳过插补服务程序而继续往下执行 四、常用的软件设计技术四、常用的软件设计技术 进行进行CNC装置软件设计时，常采用资源分时共享和资源重叠流水处理技术装置软件设计时，常采用资源分时共享和资源重叠流水处理技术 在加工中，在加工中，CNCCNC装置需要执行多项任务，而且要求在同一时间间隔完成两项或两项以上的任务。装置需要执行多项任务，而且要求在同一时间间隔完成两项或两项以上的任务。 单微处理器结构：对单微处理器结构：对CPU分时共享：多采用循环轮流与中断优先相结合的方法来解决各任务对分时共享：多采用循环轮流与

36、中断优先相结合的方法来解决各任务对CPU的合理占用，即采的合理占用，即采 用前后台型的软件结构型式。用前后台型的软件结构型式。 多微处理器结构：资源重叠流水处理技术。多微处理器结构：资源重叠流水处理技术。 流水处理流水处理 时间重叠，要求同时处理的各子程序的处理时间相等，取最长的子过程处理时间作为流水处理的时间间隔时间重叠，要求同时处理的各子程序的处理时间相等，取最长的子过程处理时间作为流水处理的时间间隔 。对多微处理器。对多微处理器CNC装置才具有意义。装置才具有意义。 1234 1234 1234 CNC CNC装置的工作过程是一面向数据流的处理过程。装置的工作过程是一面向数据流的处理过程

37、。NCNC方式，其基本数据流程为：零件程序输入方式，其基本数据流程为：零件程序输入插补准备插补准备插补插补 位置控制；各子过程的处理时间分别为：位置控制；各子过程的处理时间分别为：t1t1，t2t2，t3t3，t4t4；如以顺序方式处理，则两个程序段输出间的时间间隔较长。；如以顺序方式处理，则两个程序段输出间的时间间隔较长。 停刀现象。停刀现象。 第三节第三节 可编程序控制器（可编程序控制器（PLC） 一、一、PLC的定义与分类的定义与分类 （一）（一） PLC的定义的定义 是一种专为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子系统。采用可编程序的存储器，用其来存是一种专为工业环境应用而设计的数字运

38、算操作的电子系统。采用可编程序的存储器，用其来存 储执行（逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等）操作的指令；通过数字式、模拟式的储执行（逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等）操作的指令；通过数字式、模拟式的I/O，控制各种类型的机械，控制各种类型的机械 设备和生产过程。设备和生产过程。 （二）（二） PLC的分类的分类 介绍介绍PLC的功能和特性的项目有：的功能和特性的项目有：I/O点数、点数、CPU、扫描速度、存储器类型和容量，指令及功能，编程语言，接口模板、扫描速度、存储器类型和容量，指令及功能，编程语言，接口模板 类型等类型等 1、按、按I/O点数及存储器容量分类：小型点数及

39、存储器容量分类：小型(40/40 、1KB)、中型、中型(128/128 、4KB) 、大型、大型 2、按、按I/O点数总数分类：微型、小型、中型、大型、超大型点数总数分类：微型、小型、中型、大型、超大型 一种新型自动化控制装置，代替传统的继电器控制装置，功能上只有逻辑、顺序控制、定时、计数等，且只能进行开关一种新型自动化控制装置，代替传统的继电器控制装置，功能上只有逻辑、顺序控制、定时、计数等，且只能进行开关 量控制。量控制。 二、二、PLC的原理和特点的原理和特点 1、PLC的硬件的硬件 CPU、存储器、存储器、I/O单元、编程器、电源和外设单元、编程器、电源和外设 采用总线结构，硬件设备

40、是通用的采用总线结构，硬件设备是通用的 (1) CPU （通用微处理器、单片机或位微处理器）（通用微处理器、单片机或位微处理器） 通过输入模块（板）将现场的外设状态读入并按照用户程序去处理，根据处理结果通过输出模块去控制现场设备通过输入模块（板）将现场的外设状态读入并按照用户程序去处理，根据处理结果通过输出模块去控制现场设备 （一）（一）PLC的硬件和软件的硬件和软件 是一种计算机控制系统，特点：面向工业现场，具有更多、更强的是一种计算机控制系统，特点：面向工业现场，具有更多、更强的I/O接口和面向电气工程技术人员的编程语言。接口和面向电气工程技术人员的编程语言。 输输 入入 接接 口口 C

41、P U 存存 储储 器器 I/O 数据数据 存储存储 输输 出出 接接 口口 开关或传感器开关或传感器 继电器接点继电器接点 开关或传感器开关或传感器 模拟量输入模拟量输入 编程编程 单元单元 地址总线地址总线 控制总线控制总线 地址总线地址总线 控制总线控制总线 数据总线数据总线 电源单元电源单元 照明照明 电磁装置电磁装置 电动机电动机 其他执行装其他执行装 置或接触器置或接触器 (2) 存储器存储器 用于存放系统程序、用户程序和工作数据用于存放系统程序、用户程序和工作数据 系统程序系统程序 控制和完成控制和完成PLC各种功能的程序（监控、模块化应用功能子、指令各种功能的程序（监控、模块化

42、应用功能子、指令 解释、故障自诊断和各种管理程序）解释、故障自诊断和各种管理程序） PROM存储器存储器 用户程序用户程序 根据工程现场的生产过程和工艺要求而编写的根据工程现场的生产过程和工艺要求而编写的 用用CMOS RAM，并用锂电池进行掉电保护。，并用锂电池进行掉电保护。 EPROM 工作数据工作数据 PLC在应用过程中经常变化、存取的一些数据。在应用过程中经常变化、存取的一些数据。 RAM 在工在工 作数据存储区中开辟有作数据存储区中开辟有I/O数据映像区、定时器与计数器的设定值与当前值的数数据映像区、定时器与计数器的设定值与当前值的数 据存放区等。据存放区等。 (3) I/O模块模块

43、 将现场信号转换成将现场信号转换成PLC机内部的信号电平，或使机内部的信号电平，或使PLC内部信号内部信号 电平与外部执行元件相匹配。电平与外部执行元件相匹配。 特点：特点： 提供了选择性强的提供了选择性强的I/O模板模板 抗干扰能力强抗干扰能力强 光电耦合器件隔离、小型继电器隔离、消抖动回路、多级滤光电耦合器件隔离、小型继电器隔离、消抖动回路、多级滤 波电路等保护措施，抑制了外部电压的瞬变冲击和噪音扰动波电路等保护措施，抑制了外部电压的瞬变冲击和噪音扰动 I/O状态直观并便于拆装状态直观并便于拆装 每一个每一个I/O点上有：点上有：LED、接线端子；、接线端子；I/O模板采用模板采用 插板式

44、结构插板式结构 I/O模板可靠性高，价格低廉，便于维修模板可靠性高，价格低廉，便于维修 常用的常用的PLC I/O接口分开关量和模拟量；而每一类又分输入接口和输出接口接口分开关量和模拟量；而每一类又分输入接口和输出接口 典型的模板有：典型的模板有： 直流开关量输入直流开关量输入 8/168/16点点 输入器件的类型：接近开关、按钮、选择开关、继输入器件的类型：接近开关、按钮、选择开关、继 电器触点；光电隔离电器触点；光电隔离 输入电源：输入电源：DC24V DC24V （PLCPLC提供）提供） 直流开关量输出直流开关量输出 由大功率晶体管作为输出驱动级；光电隔离；电动机启动器由大功率晶体管作

45、为输出驱动级；光电隔离；电动机启动器 、接触器线圈、电磁阀线圈、指示灯等；晶体管驱动的特点：无触点、响应速度、接触器线圈、电磁阀线圈、指示灯等；晶体管驱动的特点：无触点、响应速度 快（快（ns）、寿命长、输出可调（适用于高频、调整动作电路）、寿命长、输出可调（适用于高频、调整动作电路） 交流开关量输入交流开关量输入 4/8路路 输入器件类型与直流同；采用桥式整流电路将交变输入器件类型与直流同；采用桥式整流电路将交变 直，再用光电隔离和阻容滤波器（双向发光二极管的光电耦合器）直，再用光电隔离和阻容滤波器（双向发光二极管的光电耦合器） AC115/AC230VAC115/AC230V由外部提供由外

46、部提供 交流开关量输出交流开关量输出 直接驱动交流接触器线圈、电机启动器、交流气动阀或液压直接驱动交流接触器线圈、电机启动器、交流气动阀或液压 阀等；阀等；PLC输出的开关量信号，经双向光电隔离器作为双向晶闸管驱动级的触发输出的开关量信号，经双向光电隔离器作为双向晶闸管驱动级的触发 信号，从而接通交流负载（负载的供电电源由外部供给）；双向晶闸管驱动级的信号，从而接通交流负载（负载的供电电源由外部供给）；双向晶闸管驱动级的 特点：耐压高、负载电流大、响应速度快特点：耐压高、负载电流大、响应速度快(us) 继电器输出继电器输出 特点：有触点，响应速度特点：有触点，响应速度ms，可带直流，可带直流/

47、交流负载；交流负载；PLC与与 负载之间进行隔离负载电压的类型不限负载之间进行隔离负载电压的类型不限 模拟量输入模拟量输入 将来自过程的模拟量信号转换成将来自过程的模拟量信号转换成PLC所需的数字量信号。所需的数字量信号。 模拟量输出模拟量输出 (4) 编程器编程器 用来开发、调试、运行应用程序的特殊工具。键盘、显示屏、智用来开发、调试、运行应用程序的特殊工具。键盘、显示屏、智 能处理器、外部设备等。通过通信接口与能处理器、外部设备等。通过通信接口与PLC相连。其主要功能有：相连。其主要功能有： A、作为编程和开发应用程序的工具；、作为编程和开发应用程序的工具；B、是与、是与PLC进行人进行人

48、-机对话的媒介；机对话的媒介；C、 是介入是介入PLC和过程控制的手段。和过程控制的手段。 分类：手持式、高功能分类：手持式、高功能 手持式手持式 语句表语言语句表语言 梯形图图形语言梯形图图形语言 高功能高功能 （智能型编辑器）（智能型编辑器） 语句表语言语句表语言 梯形图图形语言梯形图图形语言 高级语言；即可在高级语言；即可在 线也可离线编程，还可远离线也可离线编程，还可远离PLC插到现场控制站的相应接口进行编程。插到现场控制站的相应接口进行编程。 (5) 扩展接口扩展接口 (6) 智能智能I/O模板模板 (7) 电源电源 2、PLC的软件的软件 基本软件（系统和用户应用软件）；基本软件（

49、系统和用户应用软件）；PLC的硬件通过基本软的硬件通过基本软 件实现对被控对象的控制件实现对被控对象的控制 系统软件（操作系统、语言编译系统、各功能软件）系统软件（操作系统、语言编译系统、各功能软件） ；统一管理；统一管理PLC的各的各 种资源，协调系统各部分之间、系统与用户之间的关系。种资源，协调系统各部分之间、系统与用户之间的关系。 用户应用软件用户应用软件 梯形图语言，梯形图与继电器控制线路图相似梯形图语言，梯形图与继电器控制线路图相似 系统软件的作用之一是深化了继电器控制线路图与系统软件的作用之一是深化了继电器控制线路图与PLC梯形图的相似之处，梯形图的相似之处， 淡化两者之间的本质区

50、别；客观上，对不熟悉计算机而熟悉继电器控制的人员起淡化两者之间的本质区别；客观上，对不熟悉计算机而熟悉继电器控制的人员起 到了到了PLC易学、易懂和便于使用的效果易学、易懂和便于使用的效果 （二）（二）PLC的工作原理的工作原理 循环（巡回）扫描工作方式（中、大型的增加循环（巡回）扫描工作方式（中、大型的增加 了中断工作方式）：固定、二级（高级和低级了中断工作方式）：固定、二级（高级和低级 ）、可变顺序）、可变顺序 将设计、调试好的程序键入将设计、调试好的程序键入PLC；输入信号；输入信号 和执行元件接在和执行元件接在I/O端上，通过控制开关使端上，通过控制开关使PLC处处 于运行工作方式，于

51、运行工作方式，PLC就以循环顺序扫描的工作就以循环顺序扫描的工作 方式进行工作。方式进行工作。（在输入信号、用户程序的控制下，（在输入信号、用户程序的控制下， 产生相应的输出信号，完成预期的控制任务。）产生相应的输出信号，完成预期的控制任务。） 开始开始 自诊断自诊断 有故障？有故障？ 与编程器进行信息交换与编程器进行信息交换 与网络进行信息交换与网络进行信息交换 采集现场信号采集现场信号 执行用户程序执行用户程序 是否有网络？是否有网络？ 超时？超时？ 停机停机 出错显示出错显示 停机停机 出错显示出错显示 Y Y Y N N N 扫描周期扫描周期 1、自诊断扫描过程、自诊断扫描过程 系统软

52、件的校验、硬系统软件的校验、硬 件件RAM的测试、的测试、CPU测试、总线的动态监测测试、总线的动态监测 2、与编程器进行信息交换扫描过程、与编程器进行信息交换扫描过程 用户用户 可通过编程器进行监视和修改内存程序、起可通过编程器进行监视和修改内存程序、起 动或停止动或停止CPU、读、读CPU状态，封锁或开放状态，封锁或开放I/O ，对逻辑变量和数字变量进行读写等，对逻辑变量和数字变量进行读写等 3、与网络进行信息交换扫描过程（通信扫描、与网络进行信息交换扫描过程（通信扫描 过程）过程） 用于用于PLC之间、之间、PLC与磁带机与磁带机/计计 算机之间的信息交换。算机之间的信息交换。 4、用户

53、程序扫描过程、用户程序扫描过程 （采集现场信号、执行用户程序和输出服务）（采集现场信号、执行用户程序和输出服务） 输入端器件输入端器件 输入映像输入映像 输出映像输出映像 输出数据寄存器输出数据寄存器 输出锁存输出锁存 输出端器件输出端器件 输入信号输入信号 梯形图梯形图 输出输出 输入输入 刷新刷新 输出输出 刷新刷新 输入采样阶段输入采样阶段程序执行阶段程序执行阶段输出阶段输出阶段 （1）采集现场信号）采集现场信号 查询方式查询方式 （2）执行用户程序）执行用户程序 按一定规律扫描用户程序按一定规律扫描用户程序 （3）输出服务）输出服务 用户程序如何被执行，取决于用户程序如何被执行，取决于

54、I/O状态暂存区中数据（即受现场信号的控制）；状态暂存区中数据（即受现场信号的控制）； 由于有由于有I/O状态暂存区，在用户程序的一个扫描周期中，具有如下的特点：状态暂存区，在用户程序的一个扫描周期中，具有如下的特点： 在一个扫描周期内，某个输入点的状态对整个用户程序是一致的；在一个扫描周期内，某个输入点的状态对整个用户程序是一致的； 对某个输出点的状态，用户程序应只赋值一次，如赋值多次，则最后一次赋值对某个输出点的状态，用户程序应只赋值一次，如赋值多次，则最后一次赋值 有效；有效； 输出端点的值也可当作逻辑运算的条件使用。输出端点的值也可当作逻辑运算的条件使用。 5、超时检查扫描过程、超时检

55、查扫描过程 由时间监视器由时间监视器WDT完成，扫描周期时间与完成，扫描周期时间与WDT的设定时间的关系决定的设定时间的关系决定 6、出错显示、停机扫描过程、出错显示、停机扫描过程 （二）（二）PLC的特点的特点 (1) 可靠性高，适用于工业现场环境（硬件）屏蔽、滤波、隔离、电源调整与保护、联锁、模块化结构、环境检测与诊断可靠性高，适用于工业现场环境（硬件）屏蔽、滤波、隔离、电源调整与保护、联锁、模块化结构、环境检测与诊断 电路；（软件）自诊断程序、故障检测、信息保护与恢复等）电路；（软件）自诊断程序、故障检测、信息保护与恢复等） (2) 编程简单，使用方便编程简单，使用方便 (3) 控制程序

56、可变，具有很好的柔性控制程序可变，具有很好的柔性 (4) 直接带负载能力强直接带负载能力强 (5) 便于实现机电一体化便于实现机电一体化 (6) 通信、网络技术趋于标准化，利于实现计算机网络控制通信、网络技术趋于标准化，利于实现计算机网络控制 采用循环扫描方式，才能保证采用循环扫描方式，才能保证PLC可靠工作，才能周期地将输入端上的输入信号的变化采集到输入状态暂存区，通过执行可靠工作，才能周期地将输入端上的输入信号的变化采集到输入状态暂存区，通过执行 用户程序，产生相应的输出信号，使控制系统的执行元件的状态发生相应的变化，从而使用户程序，产生相应的输出信号，使控制系统的执行元件的状态发生相应的

57、变化，从而使PLC控制系统及时地做出反应，来完控制系统及时地做出反应，来完 成预期的控制任务。若改变被控任务，只改变用户程序、成预期的控制任务。若改变被控任务，只改变用户程序、I/O端信号、执行元件。端信号、执行元件。 三、三、PLC在数控机床中的应用在数控机床中的应用 (一一)数控机床用数控机床用PLC的类型的类型 内装型内装型(Built-in Type)、独立型、独立型(Stand-alone Type) 1、内装型、内装型PLC MDI/CRT 面板面板 机床操作面机床操作面 板板 强电电路强电电路 主轴驱动单主轴驱动单 元元 伺服驱动单伺服驱动单 元元 辅助动作辅助动作 换刀动作换刀

58、动作 冷却、排冷却、排 屑屑 主轴电机主轴电机 伺服电机伺服电机 DI/DO电路 电路 PLC NC CNC 装置装置 特点：特点： (1) 其性能指标由所其性能指标由所 从属的从属的CNC的性能、的性能、 规格确定规格确定 (2) 也可有其独立的也可有其独立的 微处理器微处理器 (3) 与与CNC其他电路其他电路 同在一机箱内，共用同在一机箱内，共用 电源、地电源、地 (4) PLC的电路可与的电路可与 CNC其他电路在同一其他电路在同一 块；也可单独。块；也可单独。 (5) PLC不单独配不单独配I/O接口接口 (6) 扩大了扩大了CNC内部直接处理的窗口通信功能，可使用梯形图编辑和传送高

59、级控内部直接处理的窗口通信功能，可使用梯形图编辑和传送高级控 制功能，提高了性价比。制功能，提高了性价比。 2、独立型、独立型PLC MDI/CRT 面板面板 机床操作面机床操作面 板板 强电电路强电电路 主轴驱动单主轴驱动单 元元 伺服驱动单伺服驱动单 元元 辅助动作辅助动作 换刀动作换刀动作 冷却、排冷却、排 屑屑 主轴电机主轴电机 伺服电机伺服电机 DI/DO电路 电路 PLC NC CNC 装置装置 DI/DO电路 电路 DI/DO电路 电路 PLC 装置装置 特点：特点： (1) 可根据要求，可选购或自研通用型可根据要求，可选购或自研通用型PLC。 (2) 要分别与要分别与CNC、机

60、床侧的、机床侧的I/O连接。连接。 (3) 可扩大可扩大CNC的控制功能。在（半）闭环数控机床中，采用的控制功能。在（半）闭环数控机床中，采用D/A、A/D模块，可实现对伺服装置的直接控制，从而可形成模块，可实现对伺服装置的直接控制，从而可形成 两个以上的附加轴控制。两个以上的附加轴控制。 (4) 性价比不如内装。性价比不如内装。 总之，都是协助总之，都是协助CNC装置实现低速辅助信息的控制装置实现低速辅助信息的控制 (二二)数控机床用数控机床用PLC的工作方式的工作方式 必须与数控机床的动作方式相协调；要按数控机床的动作要求，编制特定的必须与数控机床的动作方式相协调；要按数控机床的动作要求，