计算机数控装置概述( 232).ppt

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第四章 计算机数控装置(CNC) 内容提要 本章将详细讨论CNC装置的软件硬件结构； CNC装置基本功能的原理及实现方法。 2022/6/18 1现代数控技术 在第一章我们就知道了数控装置是机 床数控系统的核心，并对其在系统中的主 要作用也有了一个概括性的了解，由于它 在整个系统中的重要性，故在本章我们将 对其进行较详细的讨论。 第一节 概 述 2022/6/18 2现代数控技术  从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨 迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴) 的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统， 是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。  从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和 专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。 一. CNC装置的组成 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 3现代数控技术 ⒈ CNC系统硬件的层次结构 由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。 图图3-1 3-1 CNCCNC系统硬件的层次结构系统硬件的层次结构 一. CNC装置的组成 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 4现代数控技术 ⒉ CNC系统软件的功能结构 从本质特征来看，CNC系统软件是具有实时性和多 任务性的专用操作系统，从功能特征来看，该操作系 统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC 系统活的灵魂。其结构框图如图3-2所示。 一. CNC装置的组成 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 5现代数控技术 操作系统 管理软件 控制软件 零 件 程 序 管 理 显 示 处 理 人 机 交 互 交 互 位 置 控 制 输 入 输 出 管 理 插 补 运 算 故 障 诊 断 处 理 速 度 处 理 机 床 输 入 输 出 编 译 处 理 主 轴 控 制 刀 具 半 径 补 偿 ...... 一. CNC装置的组成 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 6现代数控技术 ⒊. CNC硬件软件的作用和相互关系  硬件是基础，软件是灵魂 CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、 管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能，使数控机 床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。  CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台，如 图3-3所示。 一. CNC装置的组成 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 7现代数控技术  图3-3 CNC系统平台 硬件 操作系统 管理软件 应用软件 控制软件 数控加工程序 接 口 被控设备 机 床 机器人 测量机 ...... 一. CNC装置的组成 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 8现代数控技术  该平台有以下两方面的含义：  提供CNC系统基本配置的必备功能；  在平台上可以根据用户的要求进行功能 设计和开发。 一. CNC装置的组成 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 9现代数控技术 1. 具有灵活性和通用性  CNC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用 模块化的结构，使系统功能的修改、扩充变得 较为灵活。  CNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控 机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特 定的控制功能。 二. CNC装置的优点 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 10现代数控技术 2. 数控功能丰富  插补功能：二次曲线、样条、空间曲面插补  补偿功能：运动精度补偿、随机误差补偿、非线 性误差补偿等  人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级 人机对话窗口  编程功能：G代码、篮图编程、部分自动编程功 能。 二. CNC装置的优点 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 11现代数控技术 3. 可靠性高  CNC装置采用集成度高的电子元件、芯片、采用VLSI本身就 是可靠性的保证。  许多功能由软件实现，使硬件的数量减少。  丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现)，从而可使系 统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低。 二. CNC装置的优点 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 12现代数控技术 4. 使用维护方便  操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便 可进行正确操作。  编程方便：具有多种编程的功能、程序自动校 验和模拟仿真功能。  维护维修方便：部分日常维护工作自动进行(润 滑，关键部件的定期检查等)，数控机床的自诊 断功能，可迅速实现故障准确定位。 二. CNC装置的优点 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 13现代数控技术 5. 易于实现机电一体化 数控系统控制柜的体积小（采用计算机，硬件数 量减少；电子元件的集成度越来越高，硬件的不 断减小），使其与机床在物理上结合在一起成为 可能，减少占地面积，方便操作。 二. CNC装置的优点 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 14现代数控技术 CNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方 法和手段。数控装置的功能包括基本功能和选择功能。 基本功能——数控系统基本配置的功能，即必备功能； 选择功能——用户可根据实际要求选择的功能。 三. CNC装置的功能 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 15现代数控技术 1. 控制功能 —— CNC能控制和能联动控制的进给轴数。  　CNC的进给轴分类：  移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）；  基本轴和附加轴（U、V、W）。  　联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编  程也越困难。 三. CNC装置的功能 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 16现代数控技术 ⒉ 准备功能（G功能） —— 指令机床动作方式的功能。 三. CNC装置的功能 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 17现代数控技术 ⒊ 插补功能和固定循环功能 ——　插补功能是数控系统实现零件轮廓(平 　　　面或空间)加工轨迹运算的功能。 ——　固定循环功能是数控系统实现典型加工 　　　　循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻 　　　削和切螺纹等）的功能 三. CNC装置的功能 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 18现代数控技术 ⒋ 进给功能 ——　进给速度的控制功能。  进给速度—— 控制刀具相对工件的运动速度，单 位为mm/min。  同步进给速度—— 实现切削速度和进给速度的同 步，单位为 mm/r。  进给倍率（进给修调率）——人工实时修调预先 给定的进给速度。 三. CNC装置的功能 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 19现代数控技术 ⒌ 主轴功能  —— 数控系统的主轴的控制功能。  主轴转速——主轴转速的控制功能，单位为 r/min。  恒线速度控制——刀具切削点的切削速度为恒 速的控制功能。 三. CNC装置的功能 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 20现代数控技术  主轴定向控制——主轴周向定位于特定位置控制的 功能。  C轴控制——主轴周向任意位置控制的功能。  主轴修调率——人工实时修调预先设定的主轴转速。 三. CNC装置的功能 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 21现代数控技术 ⒍ 辅助功能（M功能） —— 用于指令机床辅助操作的功能。 三. CNC装置的功能 2022/6/18 22现代数控技术 ⒎ 刀具管理功能 ——实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。  刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功能使 用；  刀具寿命是指时间寿命，当刀具寿命到期时，CNC 系统将提示用户更换刀具；  CNC系统都具有刀具号（T）管理功能，用于标识刀 库中的刀具和自动选择加工刀具。 三. CNC装置的功能 2022/6/18 23现代数控技术 ⒏ 补偿功能  刀具半径和长度补偿功能： 实现按零件轮廓编制 的程序控制刀具中心轨迹的功能。  传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差 补偿功能。  非线性误差补偿功能：对诸如热变形、静态弹性 变形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误 差等，采用AI、专家系统等新技术进行建模，利 用模型实施在线补偿。 三. CNC装置的功能 2022/6/18 24现代数控技术 ⒐ 人机对话功能 在CNC装置中这类功能有：  菜单结构操作界面；  零件加工程序的编辑环境；  系统和机床参数、状态、故障信息的显示、 查询或修改画面等。 三. CNC装置的功能 第第 一一 节节 概概 述述 2022/6/18 25现代数控技术 ⒑ 自诊断功能 ——　CNC自动实现故障预报和故障定位的功能。  开机自诊断；  在线自诊断*；  离线自诊断；  远程通讯诊断*。 三. CNC装置的功能 2022/6/18 26现代数控技术 ⒒ 通讯功能 —— CNC与外界进行信息和数据交换的功能  RS232C接口，可传送零件加工程序，  DNC接口，可实现直接数控，  MAP(制造自动化协议)模块，  网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要 求。 三. CNC装置的功能 2022/6/18 27现代数控技术 第二节 CNC装置的硬件体系结构 一、概述 CNC装置从它的硬件组成结构来看，若按其中含 有CPU的多少来分，可分为下面几类: 2022/6/18 28现代数控技术  单机系统: 整个CNC装置只有一个CPU，它集中控制和管理 整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种NC功能。  主从结构，系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源 有控制和使用权其它带CPU的功能部件，只能接受主CPU的 控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数 据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。 一、概述 硬 件 体 系 结 构 硬 件 体 系 结 构 2022/6/18 29现代数控技术  多机系统: CNC装置中有两个或两个以上的CPU，即系统中的某些 功能模块自身也带有CPU，根据部件间的相互关系又可将其分为：  多主结构：系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统资源 有控制或使用权。模块之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通 过仲裁器来解决总线争用问题，通过共公存储器进行交换信息。  分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有 自己独立的运行环境，模块间采用松耦合，且采用通讯方式交换 信息。 一、概述 2022/6/18 30现代数控技术 CNC装置是按模块化设计的方法构造的  模块化设计方法：将控制系统按功能划分成若干种具有独立功 能的单元模块,并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要 求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，即可组 成一个完整的控制系统的方法。其中单元母板一般为总线结构 的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。 二.单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 31现代数控技术  实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。  采用模块化结构时，CNC系统设计工作则可归结为功能模块 的合理选用。 二.单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 32现代数控技术 I/O设备 计算机主板 显 示 卡 功能模板m 功能模板1电 子 盘 多功能卡 位置控制板n 位置控制板1 PLC模块 主轴控制模板 机床I/O 控制面板 速度控制单元1 速度控制单元n 功能驱动1 功能驱动m … … …… 系 统 总 线 （ B U S ） 标准PC计算机 CNC装置 CNC系统 二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 33现代数控技术 1. 计算机主板和系统总线(母板) 计算机主板是CNC装置的核心。  功能结构：  CPU及其外围芯片；  内存单元、cache及其外围芯片；  通讯接口(串口，并口，键盘接口)。  软、硬驱动器接口 二.单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 34现代数控技术  计算机主板的主要作用：对输入到CNC装置中的 种种数据、信息(零件加工程序，各种I/O信息等 )进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结 果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使 用户的指令得以执行。 二.单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 35现代数控技术  系统总线(母板)：由一组传送数字信息的物理导线 组成，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的 通道： • 数据总线 • 地址总线： • 控制总线：  工业用PC机的总线母板是独立的无源四层板（走线 面、元件面、电源层和地线层），它的可靠性高于 两层板。其规格有6槽、8槽、12槽、14槽等。 二.单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 36现代数控技术 ⒉ 显示模块(显示卡)  显示卡的主要作用：接收来自CPU的控制命令和 显示用的数据，经与CRT的扫描信号调制后，产 生CRT显示器所需要的视频信号，在CRT上产生所 需要的画面。 二.单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 37现代数控技术  在CNC装置中，CRT显示是一个非常重要的功能，它是人机 交流的重要媒介，它给用户提供了一个直观的操作环境， 可使用户能快速地熟悉适应其操作过程。  显示卡是一个通用性很强的模块。它不仅随时可以在市场 上买到，而且它还有非常丰富的支持软件，因此无需用户 自己开发。 二.单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 38现代数控技术 ⒊ 输入/出模块(多功能卡)  它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口 板，即CNC装置通过该接口可以从输入设备获取 数据，也可以将CNC装置中的数据送给输出设备。  该模块也是标准的PC机模块，一般不需要用户 自己开发。如果计算机主板选用的是 ALL-IN-ONE 主板，则此板可省略。 二.单机或主从结构模块的功能介绍 硬 件 体 系 结 构 硬 件 体 系 结 构 2022/6/18 39现代数控技术 以上三部分，再配上键盘、电源、机箱，实际 上是一部通用的微型计算机系统，它是CNC装置的 核心，从某种意义上讲， CNC装置的档次和性能 是由它决定的。因此，CNC装置中计算机系统的合 理选用是至关重要的。 二.单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 40现代数控技术 ⒋ 电子盘(存储模块)  电子盘是CNC装置特有的存储模块。在CNC装置中 它用来存放下列数据和参数：  系统软件、系统固有数据；  系统的配置参数(系统所能控制的进给轴数，轴的定 义，系统增益等)；  用户的零件加工程序。 二.单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 41现代数控技术  计算机领域所用存储器件有三类：  磁存储器件，如：软/硬磁盘（读/写）。  光存储器件，如：光盘（只读）。  电子（半导体）存储器件，如 RAM、ROM、FLASH等。 前两类一般用作外存储器，其特点是容量大，价格低。 二.单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 42现代数控技术  电子存储器件一般用作内存储器，其价格高于前 两类。若按其读写性能来看，它又可分为三类  只读存储元件（ROM、PROM、EPROM）  易失性随机读写存储元件（RAM）。  非易失性读写存储元件。这类器件有：  E2PROM；FLASH；带后备电池的RAM。 二.单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 43现代数控技术  在CNC装置中，常采用电子存储器件作为外存储器，主要是考 虑到CNC装置的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可 靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一 些。  因电子器件组成的存储单元是按磁盘的管理方式进行的，故 称其为电子盘。  电子盘的规格有：、、6MB、12MB等。 二.单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 44现代数控技术 ⒌ PLC(Programmable Logic Controller) 模块  PLC模块：CNC装置实现顺序控制的模块。  PLC模块的作用：接收来自操作面板、机床上的各行程开关、 传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的 有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。  CNC装置与被控设备交换的信息有三类： 开关信号、模拟信号、脉冲信号。 二.单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 45现代数控技术 上述信号由于其类型、电平、功率以及抗干 扰的原因，一般不能直接与CNC装置相联， 需要一个接口对这些信号进行变换处理。 二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 46现代数控技术  PLC模块变换处理其目的：  满足CNC系统的输入输出要求。信号转换主要包括以下 几个方面：  电平转换；  A/D、D/A转换；  数字量与脉冲量相互转换；  功率匹配；  阻断外部的干扰信号进入计算机，在电气上将CNC装置 与外部信号进行隔离，以提高CNC装置运行的可靠性。 二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 47现代数控技术  PMC模块实现方式有以几种：  简单I/O接口板： 系 统 总 线 数 字 接 口 光 电 隔 离 器 件 A/D D/A 转换 调理电路 功率放大 传 感 元 件 功 率 放 大 光 电 隔 离 器 件 计 数 器 计数脉冲 滤波、倍频 整形 PMC模块硬件逻辑框图 开关量转换 脉冲量转换 模拟量转换 2022/6/18 48现代数控技术  PLC（Programmable Logic Controller）控制：它是目前 CNC系统用得最广泛的方式。 电 源 模 块 通信功能 人 机 接 口 编程调试和试验功能 至传感器和执行器的接口功能 应用程序的执 行 操作系统功能 应用程序存储 数 据 存 储信号处理功能 操作者 应用程序 设计人员 机器/过程 PLC系统的基本结构 外 部 供 电 外部设备 2022/6/18 49现代数控技术  CNC机床用的PLC一般分为两类：  内装型（Built-in Type）PLC（或集成式、内 含式）。  独立型（Stand-alone Type）PLC（或通用型） 二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 50现代数控技术 ⒍ 位置控制模块  位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实 现轨迹控制时，CNC装置与伺服驱动系统连接的接口 模块。  常用的位置控制模块有： 开环位置控制模块：CNC装置与步进电机驱动电源的接口； 闭环（含半闭环）位置控制模块： CNC装置与直流、交流伺 服驱动装置的接口。 二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 51现代数控技术 ⒎ 功能接口模块  实现用户特定功能要求的接口板，  实例：  仿形控制器接口；  激光加工焦点自动跟踪器接口；  刀具监控系统中的信号采集器接口板。 二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍 2022/6/18 52现代数控技术 华中Ⅰ型数控系统是我国为数不多具有自主版权的高性能 数控系统之一。它以通用的工业PC机（IPC）为基础，采用开 放式的体系结构，从而使华中Ⅰ型数控系统的可靠性和质量得 到了保证。它适合多坐标(2-5)数控镗铣床和加工中心，在增 加相应的软件模块后，也可适应于其它类型的数控机床(数控 磨床、车床、齿轮加工机床等)以及特种加工机床（激光加工 机、线切割机等）。 三三. 华中华中ⅠⅠ型数控系统型数控系统((硬件硬件))简介简介 2022/6/18 53现代数控技术 1. 采用模拟式交流/直流伺服单元 ALL-IN-ONE CPU卡 显 示 卡 位置控制板n 位置控制板1 电 子 盘 速度控制单元1 速度控制单元n 无 源 母 板 （ 系 统 总 线 B U S) 标准PC计算机 CNC装置 光隔I/O板 机床开关量I/O 按钮站、状态灯 NC键盘 CNC系统 多功能板 主轴控制模板 主轴编码器 手摇脉冲发生器 定制功能接口 网络卡 COM2串口 … … … 华中Ⅰ型数控系统硬件结构图 三三. 华中华中ⅠⅠ型数控系统型数控系统((硬件硬件))简介简介 2022/6/18 54现代数控技术 2. 采用数字式交流伺服单元 ALL-IN-ONE CPU卡 显 示 卡 电 子 盘 数字交流伺服单元1 数字交流伺服单元4 无 源 母 板 （ 系 统 总 线 B U S) 标准PC计算机 CNC装置 光隔I/O板 机床开关量I/O 按钮站、状态灯 NC键盘 CNC系统 多功能板 主轴控制模快 主轴编码器 手摇脉冲发生器 定制功能接口 网络卡 COM2串口 … … 华中Ⅰ型数控系统硬件结构图 四 串 口 通 信 板 三三. 华中华中ⅠⅠ型数控系统型数控系统((硬件硬件))简介简介 2022/6/18 55现代数控技术 3. 教学型(经济型)数控系统 打印机接口 计算机主板 显 示 卡 多功能板 步进电机单元1 步进电机单元8 系 统 总 线 （ B U S) 标准PC计算机 机床开关量I/O 操作面板 主轴编码器 手摇脉冲发生器控制 面板 定制功能接口 网络卡 … … 多 功 能 N C 接 口 板 光 隔 I/O 接 口 软/硬盘 驱动器 控制柜 华中Ⅰ型教学数控系统硬件结构图 三三. 华中华中ⅠⅠ型数控系统型数控系统((硬件硬件))简介简介 2022/6/18 56现代数控技术 多主CPU结构中，有两个或两个以上的CPU部件，部 件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁 器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共 存储器来进行信息交换。 四四. 多主结构的多主结构的CNCCNC系统硬件简介系统硬件简介 2022/6/18 57现代数控技术 1. 多主结构的特点：  能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可 以实现较复杂的系统功能。  容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重 组仍可断继续工作 2. 多主结构的结构形式：  共享总线结构型  共享存储器结构型。 四四. 多主结构的多主结构的CNCCNC系统硬件简介系统硬件简介 2022/6/18 58现代数控技术 3. 共享总线结构： FANUC BUS 操作面板 图形显示 模块(CPU) 通讯模块 (CPU) 自动编程模块 (CPU) 主存储 器模块 插补模块 (CPU) PLC模块 (CPU) 位置控制模块 (CPU) 主轴控 制模块 CRT/MDI I/O单元 伺服驱动单元 主轴单元 FANUC 15系统硬件结构 四四. 多主结构的多主结构的CNCCNC系统硬件简介系统硬件简介 第 二 节 第 二 节 C N C C N C 装 置 的 硬 件 体 系 结 构 装 置 的 硬 件 体 系 结 构 2022/6/18 59现代数控技术  结构特征：  功能模块分为带有CPU或DMA的主模块和从模块 (RAM/ROM，I/O模块)，  以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格 定义的标准系统总线上，  采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求 使用系统总线的竞争问题。 四四. 多主结构的多主结构的CNCCNC系统硬件简介系统硬件简介 第 二 节 第 二 节 C N C C N C 装 置 的 硬 件 体 系 结 构 装 置 的 硬 件 体 系 结 构 2022/6/18 60现代数控技术  共享总线结构的优点 结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高  共享总线结构的缺点  总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将使整个 系统受到影响；  由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。 四四. 多主结构的多主结构的CNCCNC系统硬件简介系统硬件简介 第 二 节 第 二 节 C N C C N C 装 置 的 硬 件 体 系 结 构 装 置 的 硬 件 体 系 结 构 2022/6/18 61现代数控技术 4. 共享存储器结构 显示CPU键盘 中央CPU 插补CPU 串口和收发器 CTRC 并 行 接 口 反馈脉冲和处理 EPROM EPROM RAM/EPROM 512 RAMRAM 512 字符 发生器 CRT 模拟量输出 机床接口 反馈信号收发器 … … XYZCW 共享存储器结构CNC系统硬件结构 四四. 多主结构的多主结构的CNCCNC系统硬件简介系统硬件简介 2022/6/18 62现代数控技术  结构特征：  面向共公存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之 间的互连和通讯，  采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器 冲突的矛盾。 由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主 模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞， 所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口RAM）。 四四. 多主结构的多主结构的CNCCNC系统硬件简介系统硬件简介 第 二 节 第 二 节 C N C C N C 装 置 的 硬 件 体 系 结 构 装 置 的 硬 件 体 系 结 构 2022/6/18 63现代数控技术 第三节 CNC系统软件结构 CNC系统软件是一个典型而又复杂的实时系 统。本节将首先介绍系统软硬件界面的关系， 然后从系统内数据流的角度来分析CNC装置的 数据转换过程，并从多任务性和实时性的角 度来分析CNC系统软件的结构特点，最后介绍 一个典型CNC装置系统软件的结构。 第 三 章 第 三 章 计 算 机 数 控 装 置 计 算 机 数 控 装 置 2022/6/18 64现代数控技术 1. 软件与硬件在实现各种功能的特点和关系  关系：从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件 来完成。从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上 是等价的。  特点：  硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功 能困难。  软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。 一、一、CNCCNC装置软件和硬件的功能界面装置软件和硬件的功能界面 第 三 节 C N C 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 65现代数控技术 3. 软件、硬件实现功能的分配就是——软件 硬件功能界面划分。 4. 功能界面划分的准则：系统的性能价格比 一、一、CNCCNC装置软件和硬件的功能界面装置软件和硬件的功能界面 2022/6/18 66现代数控技术 5. 数控系统功能界面的几种划分： 输 入 预 处 理 位置检测 插 补 运 算 位 置 控 制 速 度 控 制 伺 服 电 机 程 序 硬件 硬件 硬件 硬件 硬 件 软件 软件 软件 软件 软件和硬件的功能界面 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 一、一、CNCCNC装置软件和硬件的功能界面装置软件和硬件的功能界面 2022/6/18 67现代数控技术 CNC装置系统软件的主要任务：如何将由零件加 工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移 指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制加工 设备的轨迹运动和逻辑动作，加工出符合要求的 零件。 二、二、 CNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程 2022/6/18 68现代数控技术 加 工 程 序 译 码 译码缓冲区 刀 补 处 理 刀补缓冲区 速 度 预 处 理 插补缓冲区 插 补 处 理 运行缓冲区 伺 服 驱 动 位 控 处 理 位置反馈 PLC控制 CNC装置数据转换流程示意图 二、二、 CNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程 2022/6/18 69现代数控技术 ⒈ 译码(解释) 将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工 程序，以程序段为单位转换成后续程序（本例是 指刀补处理程序）所要求的数据结构（格式）。 二、二、 CNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程 2022/6/18 70现代数控技术 数据结构示例： Struct PROG_BUFFER { char buf_state； //缓冲区状态，0 空；1 准备好。 int block_num； //以BCD码的形式存放本程序段号。 double COOR[20]；//存放尺寸指令的数值（μm）。 int F,S； //F（mm/min）S（r/min）。 char G0； //以标志形式存放G指令。 char G1； char M0； //以标志形式存放M指令。 char M1； char T； //存放本段换刀的刀具号。 char D； //存放刀具补偿的刀具半径值。 }； 二、二、 CNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第 三 节 C N C 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 71现代数控技术 以标志形式存放G指令示例 二、二、 CNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 72现代数控技术 在系统软件中各程序间的数据交换方式一般都是 通过缓冲区进行的。该缓冲区由若干个数据结构 组成，当前程序段被解释完后便将该段的数据信 息送入缓冲区组中空闲的一个。后续程序（如刀 补程序）从该缓冲区组中获取程序信息进行工作。 二、二、 CNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程 2022/6/18 73现代数控技术 N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200 ； ---------------------------------------- Struct PROG_BUFFER { char buf_state； 0：(开始)；1（；）⑨ int block_num； 06（N06）① double COOR[20]； COOR[1]=200000；（X200）⑥ COOR[2]=300000；（Y300）⑦ int F,S； F=200；（F200）⑧ char G0； D5=0；（G90）② D6,D7=0,1（G41）③ D1=1；（G01）⑤ …… char D； D=11（D11）④ }； 二、二、 CNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第 三 节 C N C 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 74现代数控技术 刀补处理的主要工作：  根据G90/G91计算零件轮廓的 终点坐标值。  根据R和G41/42，计算本段刀 具中心轨迹的终点（P’e/P 〃 e ）坐标值。  根据本段与前段连接关系，进 行段间连接处理。 2. 刀补处理(计算刀具 中心轨迹) 二、二、 CNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程 Pe（200，300） X R P0（72，48） Pe” Pe’ G41 G42 Y 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 75现代数控技术 ⒊ 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。 二、二、 CNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第 三 节 C N C 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 76现代数控技术 速度处理程序主要完成以下几步计算：  计算本段总位移量： 直线：合成位移量L； 园弧：总角位移量α。 该数供插补程序判断减速起点和终点之用。 计算每个插补周期内的合成进给量：  ΔL= F*Δt/60 （μm） 式中：F--进给速度值（mm/min）；△t--数控系统的插补周期（ms） L α 二、二、 CNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第 三 节 C N C 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 77现代数控技术 ⒋ 插补计算 主要功能： 根据操作面板上“进给修调”开关的设定值，计算本次插补周 期的实际合成位移量： △L1=△L*修调值 将△L1按插补的线形（直线，园弧等）和本插补点所在的位置 分解到各个进给轴，作为各轴的位置控制指令（△X1、△Y1）。 经插补计算后的数据存放在运行缓冲区中，以供位置控制程 序之用。本程序以系统规定的插补周期△t定时运行。 二、二、 CNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第 三 节 C N C 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 78现代数控技术 ⒌ 位置控制处理 f（） + + + - + + 插补输出 △X1△Y1 指令位置 X1新Y1新 跟随误差 △X3△Y3 实际位置 X2新Y2新 反馈位置增量 △X2、△Y2 X1旧Y1旧 X2旧Y2旧 速度指令 VX、VY 位置控制转换流程 二、二、 CNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 79现代数控技术 位置控制完成以下几步计算：  计算新的位置指令坐标值： X1新= X1旧+△X1；Y1新= Y1旧 +△Y1；  计算新的位置实际坐标值： X2新= X2旧+△X2；Y2新= Y2旧 +△Y2  计算跟随误差(指令位置值— 实际位置值)： △X3= X1新- X2新； △Y3= Y1新- Y2新；  计算速度指令值： VX=f（△X3）； VY=f（△Y3） 二、二、 CNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 80现代数控技术 f( )是位置环的调节控制算法，具体的算法视具体系 统而定。这一步在有些系统中是采用硬件来实现的。 VX、VY送给伺服驱动单元，控制电机运行，实现CNC装 置的轨迹控制 二、二、 CNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 81现代数控技术 CNC系统是典型的实时控制系统。CNC装置的系统软件 则可看成是一个专用实时操作系统。由于其应用领域是工 业控制领域（多任务性、实时性），因此，分析和了解这 些要求是至关重要的，因为它既是系统设计和将来软件测 试的重要依据，也是确定系统功能和性能指标的过程。同 时，这些要求也应是CNC系统软件的特点。 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 82现代数控技术 1. 多任务性与并行处理技术  CNC控制要求的多任务性  任务定义： 可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。  CNC的功能则可定义为CNC的任务： 显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、…  CNC系统的任务要求并行处理： 为了保证控制的连续性和各任务执行的时序配合要求，CNC系统 的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 83现代数控技术  基于并行处理的多任务调度技术  并行处理定义： 系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个以上任务 处理的方法。 • 采用并行处理技术的目的：  合理使用和调配CNC系统的资源  提高CNC系统的处理速度。  并行处理的实现方式：  资源分时共享  并发处理（例如：流水处理） 这些实现方式与CNC系统的硬件结构密切相关。 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 84现代数控技术  资源分时共享（对单一资源的系统）  在单CPU结构的CNC系统中，可采用“资源分时共享” 并行处理技术。  资源分时共享——在规定的时间长度（时间片）内， 根据各任务实时性的要求，规定它们占用CPU的时间， 使它们分时共享系统的资源。  “资源分时共享”的技术关键：  其一：各任务的优先级分配问题。  其二：各任务占用CPU的时间长度，即  时间片的分配问题。 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 85现代数控技术 … 译码 刀补I/O 显示 初始化 位置控制 插补运算 背景程序 4ms 8ms 16ms 中断级别高 中断级别低 资源（CPU）分时共享图 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 86现代数控技术 各任务占用CPU 时间示意图 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 87现代数控技术  资源分时共享技术的特征  在任何一个时刻只有一个任务占用CPU；  在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地执行了两个或 两个以上的任务。 因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从 微观上来看，各个任务还是逐一执行的。 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 88现代数控技术  并发处理和流水处理（对多资源的 系统）  在多CPU结构的CNC系统中，根据各任务之间的关联程度， 可采用以下两种并行处理技术：  若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上 同时执行—— 并发处理；  若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个 任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 89现代数控技术  流水处理技术的涵义 流水处理技术是利用重复的资源（CPU），将一个大的任务 分成若干个子任务(任务的分法与资源重复的多少有关)，这些 小任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一 个任务，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业 一样。 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 90现代数控技术 流水处理技术 示意图 时间 t+△tt 空 间 1 1 1 3 3 3 2 2 2 输 出 输 出 输 出 CPU1 CPU2 CPU3 并行处理 1 2 3 1 2 3 2tt 空 间 时间 顺序处理 输 出 输 出 CPU1 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 91现代数控技术  并发处理和流水处理的特征  在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或 两个以上的任务在并发执行。  并发处理和流水处理的关键是时间重叠，是以资源重 复的代价换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的 代价换得时间上的快速性。 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 92现代数控技术 ⒉ 实时性和优先抢占调度机制  实时性任务的定义和分类  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 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:  强实时性任务 实时突发性任务；实时周期性任务  弱实时性任务 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 93现代数控技术  强实时性任务  实时突发性任务： 任务的发生具有随机性和突发性，是一种异步中断事件。主要包 括故障中断(急停，机械限位、硬件故障等)、机床PLC中断、硬件 （按键）操作中断等。  实时周期性任务： 任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括插补运算、位置 控制等任务。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。在任务的执行过程中，除系统故障外，不允 许被其它任何任务中断。 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 94现代数控技术  弱实时性任务 这类任务的实时性要求相对较弱，只需要保证在某一段 时间内得以运行即可。在系统设计时，它们或被安排在背 景程序中，或根据重要性将其设置成不同的优先级（级别 较低），再由系统调度程序对它们进行合理的调度。 这类任务主要包括：CRT显示、零件程序的编辑、加工状 态的动态显示、加工轨迹的静态模拟仿真及动态显示等。 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 95现代数控技术  抢占式优先调度机制  多任务系统的任务调度方法：  循环调度法 • 简单循环调度法 • 时间片轮换调度法  优先调度法  抢占式优先调度法  非抢占式优先调度法 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 96现代数控技术  抢占式优先调度机制功能  抢占方式： 在CPU正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行， CPU将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高任务的请求  优先调度： 在CPU空闲时，当同时有多个任务请求执行时，优先级高的任务 将优先得到满足。 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 97现代数控技术  抢占式优先调度机制的实现方 式  硬件主要提供支持中断功能的芯片和电路，如中断管 理芯片（8259或功能相同的芯片），定时器计数器 （8253、8254等）等。  软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务优先级的定 义、任务切换（断点的保护于恢复、中断向量的保存 与恢复等）等。 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 98现代数控技术  CNC系统中采用的任务调度机制  抢占式优先调度；  时间片轮换调度；  非抢占式优先调度。 三三. . CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 99现代数控技术 四. CNC系统软件结构模式  结构模式：指系统软件的组织管理方式，即系统任 务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交换 机制以及系统集成方法等。  结构模式的功能：组织和协调各个任务的执行，使 之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足CNC 系统的各种控制要求。 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 100现代数控技术 1. 前后台型结构模式 该模式将CNC系统软件划分成两部分： 前台程序: 主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时 性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。 后台程序(背景程序): 完成显示、零件加工程序的编辑管理、 系统的输入/输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处 理)等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行 过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配 合来完成零件的加工任务。 四四. . CNCCNC系统软件结构模式系统软件结构模式 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 101现代数控技术 前后台程序运行 关系图 前台程序 故障处理 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 四四. . CNCCNC系统软件结构模式系统软件结构模式 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 102现代数控技术  前后台型结构模式的特点  任务调度机制: 优先抢占调度和循环调度。前台程序的调度 是优先抢占式的；前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序 调度。  信息交换:缓冲区。前台和后台程序之间以及内部各子任务之 间的。  实时性差。在前台和后台程序内无优先级等级、 也无抢占机 制。 该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早期的CNC系统大 都采用这种结构。 四四. . CNCCNC系统软件结构模式系统软件结构模式 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 103现代数控技术 2.中断型结构模式 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，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 的中断管理系统。 四四. . CNCCNC系统软件结构模式系统软件结构模式 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 104现代数控技术 中断型软件系统 结构图 初始化 中断管理系统（硬件 + 软件） 0 级 中 断 服 务 程 序 级 中 断 服 务 程 序 级 中 断 服 务 程 序 级 中 断 服 务 程 序 …… …… …… 1 n2 四四. . CNCCNC系统软件结构模式系统软件结构模式 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 105现代数控技术 中断型结构模式的特点  任务调度机制：抢占式优先调度。  信息交换：缓冲区。  实时性好。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。  模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩 充。 80～90年代初的CNC系统大多采用这种结构。 四四. . CNCCNC系统软件结构模式系统软件结构模式 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 106现代数控技术 3. 基于实时操作系统的结构模式 实时操作系统（Real Time Operating System RTOS）是操 作系统的一个重要分支，它除了具有通用操作系统的功能外，还具 有任务管理、多种实时任务调度机制（如优先级抢占调度、时间片 轮转调度等）、任务间的通信机制（如邮箱、消息队列、信号灯等） 等功能。由此可知，CNC系统软件完全可以在实时操作系统的基础 上进行开发。 四四. . CNCCNC系统软件结构模式系统软件结构模式 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 107现代数控技术 基于实时操作系统软 件结构图 RTOS 模 块 （ 任 务 ） 1 模 块 （ 任 务 ） 2 模 块 （ 任 务 ）  …… 四四. . CNCCNC系统软件结构模式系统软件结构模式 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 108现代数控技术  基于实时操作系统的结构模式 的优点  弱化功能模块间的耦合关系 CNC各功能模块之间在逻辑上存在着耦合关系，在时间 上存在着时序配合关系。为了协调和组织它们，前述结构 模式中，需用许多全局变量标志和判断、分支结构，致使 各模块间的关系复杂。 在本模式中，设计者只须考虑模块自身功能的实现， 然后按规则挂到实时操作系统上，而模块间的调用关系、 信息交换方式等功能都由实时操作系统来实现。从而弱化 了模块间的耦合关系。 四四. . CNCCNC系统软件结构模式系统软件结构模式 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 109现代数控技术  系统的开放性和可维护性好  从本质上讲，前述结构模式采用的是单一流程加中 断控制的机制，一旦开发完毕，系统将是的完全封闭 （对系统的开发者也是如此），若想对系统进行功能 扩充和修改将是困难的。  在本模式中，系统功能的扩充或修改，只须将编写好 的任务模块（模块程序加上任务控制块（TCB）），挂 到实时操作系统上（按要求进行编译）即可。因而， 采用该模式开发的CNC系统具有良好的开放性和可维护 性。 四四. . CNCCNC系统软件结构模式系统软件结构模式 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 110现代数控技术  减少系统开发的工作量 在CNC系统软件开发中，系统内核（任务管理、调度、通 信机制）的设计开发的往往是很复杂的，而且工作量也相当 大。当以现有的实时操作系统为内核时，即可大大减少系统 的开发工作量和开发周期。 四四. . CNCCNC系统软件结构模式系统软件结构模式 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 111现代数控技术  基于实时操作系统开发CNC系统 的方法  在商品化的实时操作系统下开发CNC系统，国外有些 著名CNC系统厂家采用了这种方式。  将通用PC机操作系统（DOS、WINDOWS）扩充扩展成实 时操作系统，然后在此基础上开发CNC系统软件。目 前国内有些CNC系统的生产厂家就是采用的这种方法。 该法的优点在于DOS WINDOWS是得到普遍应用的操作 系统，扩充扩展相对较容易，有利于形成具有我国自 主版权的数控软件，这是一种适合我国国情的好方法。 四四. . CNCCNC系统软件结构模式系统软件结构模式 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 112现代数控技术 五. 华中I型数控系统软件结 构介绍 华中I型数控系统软件的实时操作环境是在DOS操 作系统上扩充扩展而成的。以该环境为内核，实现了 一个开放式的数控系统软件平台，它能提供方便的二 次开发环境，使之能灵活地组配不同类型的数控系统 和扩充系统的功能。因而，这种结构具有良好的开放 性和可维护性。 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 113现代数控技术 编辑 程序 参数 设置 解释 程序 PLC 管理 MDI 故障 显示 …… 过程控制软件 NCBIOS RTM MS-DOS 位置控制 I/O控制 PLC控制 低层软件 过程层软件 NABASE 华中华中 II 型数控系统软件结构型数控系统软件结构 五. 华中I型数控系统软件结 构介绍 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 114现代数控技术 ⒈ 软件结构概述 华中Ⅰ型数控系统的系统软件由两部分组成：  底层软件（软件平台）  上层软件(过程层软件) 五五. . 华中华中II型数控系统软件结构介绍型数控系统软件结构介绍 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 115现代数控技术  底层软件（软件平台） 图中虚线以下的部分： DOS、RTM和NCBIOS  RTM模块：为自主开发的 实时多任务管理模块，负 责CNC系统的任务管理调度。  NCBIOS模块：为基本输入系统，管理CNC系统所有的外部 控制对象，包括设备驱动程序（I/O）的管理、位置控制、 PLC控制、插补计算以及内部监控等。  NCBASE ：RTM和NCBIOS的统称。 编辑 程序 参数 设置 解释 程序 PLC 管理 MDI 故障 显示 …… 过程控制软件 NCBIOS RTM MS-DOS 位置控制 I/O控制 PLC控制 低层软件 过程层软件 NABASE 五五. . 华中华中II型数控系统软件结构介绍型数控系统软件结构介绍 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 116现代数控技术 上层（过程控制层）软件：虚线以上部分。  主要功能模块：编辑 程序、参数设置、译 码程序、PLC管理、MDI、 故障显示等与用户操作 有关功能子模块。  不同数控系统，其系统功能的区别和增减均在这一层实现。  各功能模块都通过NCBIOS与底层进行信息交换，使上层模 块与系统的硬件无关。这便是本系统具有开放性的关键所 在。 编辑 程序 参数 设置 解释 程序 PLC 管理 MDI 故障 显示 …… 过程控制软件 NCBIOS RTM MS-DOS 位置控制 I/O控制 PLC控制 低层软件 过程层软件 NABASE 五五. . 华中华中II型数控系统软件结构介绍型数控系统软件结构介绍 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 117现代数控技术 2. NCBASE的功能  实时多任务调度 该功能由RTM模块实现，它是通过DOS的INT08中断 功能构造的调度核心来实现对多任务调度的。 五五. . 华中华中II型数控系统软件结构介绍型数控系统软件结构介绍 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 118现代数控技术 调度核心结构及其多任务调度图 刀 补 运 算 译 码 解 释 动 态 显 示 人 机 界 面 PLC 功 能 数 据 采 集 插 补 运 算 位 置 控 制 时钟中断 服务程序 任 务 调度程序 调度核心 五五. . 华中华中II型数控系统软件结构介绍型数控系统软件结构介绍 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 119现代数控技术 调度核心程序框图 五五. . 华中华中II型数控系统软件结构介绍型数控系统软件结构介绍 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 120现代数控技术  CNC 任务的划分及优先级的确定 华中I型将任务划分为8个，优先级从高到低排列为：  位置控制任务（4ms）；  插补计算任务（8ms）；  数据采集任务（12ms）；  PLC任务（16ms）；  刀补运算任务（条件（缓冲区）驱动）；  译码解释任务（条件（缓冲区）驱动）；  动态显示任务（96ms）；  人机界面（菜单管理，一次性死循环任务）。 五五. . 华中华中II型数控系统软件结构介绍型数控系统软件结构介绍 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 121现代数控技术  设备驱动程序  功能：满足不同的控制对象（加工中心、铣床、车床、磨 床等）不同硬件配置对不同驱动程序的要求。实现系统的 通用性。  实现：在配置系统时，将所有的硬件模块的驱动程序都在 NCBIOS的（类似于DOS的文件）中说 明。系统在运行时，NCBIOS根据的预先的设置， 调入对应模块的驱动程序，建立相应的接口通道。 五五. . 华中华中II型数控系统软件结构介绍型数控系统软件结构介绍 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 122现代数控技术  位置控制  位置控制是NCBIOS的一个固定程序，其主要 功能是接受插补运算程序送来的位置控制指令， 经进行螺距误差补偿、传动间隙补偿、极限位置 判别等处理后，输出速度指令值给位置控制模块。 五五. . 华中华中II型数控系统软件结构介绍型数控系统软件结构介绍 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 123现代数控技术  插补器  华中I型为数控系统多通道（最多可达4通道） 数控系统，每个通道有一个插补器，相应就创建 一个插补任务。该任务主要完成以下工作：直线、 圆弧、螺纹、攻丝以及微小直线段（供自由曲线 和自由曲面加工用）等的插补运算。 五五. . 华中华中II型数控系统软件结构介绍型数控系统软件结构介绍 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 124现代数控技术  PLC调度 PLC调度的主要任务是：故障报警处理、MST处理、 急停和复位处理、虚拟轴驱动处理、刀具寿命管理、 操作面板开关处理、指示灯及突发事件处理等。 五五. . 华中华中II型数控系统软件结构介绍型数控系统软件结构介绍 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 125现代数控技术 3. NCBIOS提供给上层软件的接口  NC功能调用接口  插补器接口：供插补预处理（译码、刀补、速度预处理） 的数据给底层软件；  故障信息交换接口；  设备调用接口。 五五. . 华中华中II型数控系统软件结构介绍型数控系统软件结构介绍 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 126现代数控技术  数据通讯区  上层软件通过数据区观察系统的状态，包括坐标轴状态 （轴位置、跟随误差、运动速度）、输入/输出状态、PLC 内部状态等。 五五. . 华中华中II型数控系统软件结构介绍型数控系统软件结构介绍 第 三 节 第 三 节 C N C C N C 系 统 软 件 结 构 系 统 软 件 结 构 2022/6/18 127现代数控技术 第四节 CNC装置的插补原理 一、概述 1. 插补的概念  插补(Interpolation)：根据给定进给速度和给定 轮廓线形的要求，在轮廓的已知点之间，确定一 些中间点的方法，这种方法称为插补方法或插补 原理。  插补算法：对应于每种插补方法(原理)的各种实 现算法。  插补功能是轮廓控制系统的本质特征。 第 三 章 第 三 章 计 算 机 数 控 装 置 计 算 机 数 控 装 置 2022/6/18 128现代数控技术 2. 评价插补算法的指标  稳定性指标  插补运算是一种迭代运算，存在着算法稳定性问题。  插补算法稳定的充必条件：在插补运算过程中，对计算 误差和舍入误差没有累积效应。  插补算法稳定是确保轮廓精度要求的前提。 一、概述一、概述 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 129现代数控技术  插补精度指标  插补精度：插补轮廓与给定轮廓的符合程度，它可用插补误 差来评价。  插补误差分类：  逼近误差（指用直线逼近曲线时产生的误差）；  计算误差（指因计算字长限制产生的误差）；  圆整误差 其中，逼近误差和计算误差与插补算法密切相关。 一、概述一、概述 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 130现代数控技术  采用逼近误差和计算误差较小的插补算法；采用优化的小 数圆整法，如：逢奇（偶）四舍五入法、小数累进法等。  一般要求上述三误差的综合效应小于系统的最小运动指令 或脉冲当量。 一、概述一、概述 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 131现代数控技术  合成速度的均匀性指标  合成速度的均匀性：插补运算输出的各轴进给率，经运动合成 的实际速度（Fr）与给定的进给速度（F ）的符合程度。  速度不均匀性系数：  合成速度均匀性系数应满足：  λmax ≤ 1 % 一、概述一、概述 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 132现代数控技术  插补算法要尽可能简单，要便于 编程 因为插补运算是实时性很强的运算，若算法太复杂， 计算机的每次插补运算的时间必然加长，从而限制进给速 度指标和精度指标的提高。 一、概述一、概述 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 133现代数控技术 3. 插补方法的分类  脉冲增量插补(行程标量插补)  特点：  每次插补的结果仅产生一个单位的行程增 量（一个脉冲当量）。以一个一个脉冲的 方式输出给步进电机。其基本思想是：用 折线来逼近曲线（包括直线）。 一、概述一、概述 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 134现代数控技术  插补速度与进给速度密切相关。因而进给速度指 标难以提高，当脉冲当量为10μm时，采用该插 补算法所能获得最高进给速度是3-4 m/min。  脉冲增量插补的实现方法较简单，通常仅用加法 和移位运算方法就可完成插补。因此它比较容易 用硬件来实现，而且，用硬件实现这类运算的速 度很快的。但是也有用软件来完成这类算法的。 一、概述一、概述 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 135现代数控技术  这类插补算法有：逐点比较法；最小偏差法；数字积分法； 目标点跟踪法；单步追综法等  它们主要用早期的采用步进电机驱动的数控系统。  由于此算法的速度指标和精度指标都难以满足现在零件加 工的要求，现在的数控系统已很少采用这类算法了。 一、概述一、概述 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 136现代数控技术  数字增量插补(时间标量插补)  特点：  插补程序以一定的时间间隔定时(插补周期)运行，在每个周 期内根据进给速度计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移 增量（数字量）。其基本思想是：用直线段（内接弦线，内 外均差弦线，切线）来逼近曲线（包括直线）。  插补运算速度与进给速度无严格的关系。因而采用这类插补 算法时，可达到较高的进给速度（一般可达 10m/min以上）。 一、概述一、概述 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 137现代数控技术  数字增量插补的实现算法较脉冲增量插补复杂，它对计算机的运算 速度有一定的要求，不过现在的计算机均能满足要求。  这类插补方法有：数字积分法(DDA)、二阶近似插补法、双DDA插补 法、角度逼近插补法、时间分割法等。这些算法大多是针对圆弧插 补设计的。  这类插补算法主要用于交、直流伺服电机为伺服驱动系统的闭环， 半闭环数控系统，也可用于以步进电机为伺服驱动系统的开环数控 系统，而且，目前所使用的CNC系统中，大多数都采用这类插补方 法。 一、概述一、概述 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 138现代数控技术 ㆓二、 脉冲增量插补算法 逐点比较法是这类算法最典型的代表，它是一种最 早的插补算法，该法的原理是：CNC系统在控制过程中， 能逐点地计算和判别运动轨迹与给定轨迹的偏差，并 根据偏差控制进给轴向给定轮廓靠扰，缩小偏差，使 加工轮廓逼近给定轮廓。 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 139现代数控技术 逐点比较法工作 过程图 偏差判别 终点判别 进给输出 偏差计算 终点到退出 ㆓㆓二、二、 脉冲增量插补算法脉冲增量插补算法 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 140现代数控技术 1. 逐点比较法加工的原理（直线） (Xe，Ye) (Xm，Ym) Y 直线 X 直线: Fm = Xe *Ym - Ye * Xm Fm＞0 在直线上方，+X向输出 一步 Fm＝0 在直线上 +X 向输出一步Fm＜0 在直线下方， +Y向输出一步 ㆓㆓二、二、 脉冲增量插补算法脉冲增量插补算法 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 141现代数控技术 圆弧: Fm = Xm2 +Ym2 - R Fm＞0 在圆外， -Y向输出一步 Fm＝0 在圆上， +X向输出一步 Fm＜0 在圆内， +X向输出一步 R X Y (Xm，Ym) 圆 弧 ㆓二、 脉冲增量插补算法 . 逐点比较法加工的原理（圆弧）逐点比较法加工的原理（圆弧） 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 142现代数控技术 三. 数字增量插补 1 . 插补周期的选择 • 插补周期Δt 与精度δ、速度F 的关系 δ Y X ρ △L 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 143现代数控技术  插补周期Δt与插补运算时间 T 的关系 一旦系统各种线形的插补算法设计完毕，那么该系统插补运算 的最长时间Tmax就确定了。显然要求： Tmax < Δt 在采用分时共享的CNC系统中， Tmax < Δt/2 这是因为系统除进行插补运算外，CPU还要执行诸如位置控制、显 示等其他任务。 三. 数字增量插补 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 144现代数控技术  插补周期Δt与位置控制周期ΔtP 的关系 Δt= nΔtP n=0，1，…… 由于插补运算的输出是位置控制的输入，因此插补周期要 么与位置控制周期相等、要么是位置控制周期的整数倍，只有 这样才能使整个系统协调工作。例如，日本FANUC 7M系统的插 补周期是8ms，而位置控制周期是4ms。华中I型数控系统的插 补周期也是8ms，位置控制周期可以设定为1ms、2ms、 4ms、 8ms 。 三. 数字增量插补 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 145现代数控技术 2.直线插补算法 在设计直线插补程序时，通常将 插补计算坐标系的原点选在被插补直 线的起点，如图所示，设有一直线 OPe， O(0,0)为起点，Pe (Xe,Ye)为终 点，要求以速度F(mm/min)，沿OPe 进给。 Pe (Xe,Ye) △L Pi+1 (Xi+1,Yi+1) Pi (Xi,Yi) △Yi △Xi α X Y O β 三三. . 数字增量插补数字增量插补 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 146现代数控技术 设插补周期为Δt(ms)，则在Δt内的合成进给量△L为： 若Δt =8ms 则： 式中： 直线插补公式的推导 Pe (Xe,Ye) △L Pi+1 (Xi+1,Yi+1) Pi (Xi,Yi) △Yi △Xi α X Y O β 三三. . 数字增量插补数字增量插补 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 2022/6/18 147现代数控技术 上述算法是先计算△Xi后计算 △Yi，同样还可以先计算△Yi 后计算△Xi，即： Pe (Xe,Ye) △L Pi+1 (Xi+1,Yi+1) Pi (Xi,Yi) △Yi △Xi α X Y O β 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 三三. . 数字增量插补数字增量插补 2022/6/18 148现代数控技术 插补公式的选用 可以证明，从插补精度的角度考虑，插补公式的选用原则 为： 这个结论的实质就是在插补计算时总是先计算大的坐标增 量，后计算小的坐标增量。 为什么？请同学们思考！ 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 三三. . 数字增量插补数字增量插补 2022/6/18 149现代数控技术 公式的归一化处理 为程序设计的方便，引入引导坐标的概念，即将进给增量值 较大的坐标定义为引导坐标G，进给增量值较小的定义为非引导 坐标N。这样便可将八组插补公式归结为一组： 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 三三. . 数字增量插补数字增量插补 2022/6/18 150现代数控技术 3. 园弧插补 算法 采用时间分割插补法进 行园弧插补的基本方法是用 内接弦线逼近圆弧。设计圆 弧插补程序时，通常将插补 计算坐标系的原点选在被插 补圆弧的圆心上，如图所示， 以第一象限顺圆（G02）插 补为例来讨论圆弧插补原理。 Pe(Xe,Ye) P0(X0,Y0) Y δ X R △L A G02 Pi(Xi,Yi) Pi+1(Xi+1,Yi+1) O D B 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 三三. . 数字增量插补数字增量插补 2022/6/18 151现代数控技术 圆弧插补公式的推导 图中Pi(Xi，Yi)为圆上某 一插补点A ，Pi+1(Xi+1，Yi+1) 为圆上下一插补点C，直线段 AC（=△L）为本次的合成进 给量，D为AC的中点，辅助线 DYm垂直于Y轴，δ为本次插补 的逼近误差。有图的几何关 系可得： Y δ X R △L D C A △Xi G02 B △Yi Pi(Xi,Yi ) Pi+1(Xi+1,Yi+1) Ym γi αi O △αi 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 三三. . 数字增量插补数字增量插补 2022/6/18 152现代数控技术 则有： Y δ X R △L D C A △Xi G02 B △Yi Pi(Xi,Yi ) Pi+1(Xi+1,Yi+1) Ym γi αi O △αi 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 三三. . 数字增量插补数字增量插补 2022/6/18 153现代数控技术 由于△Yi ，δ未知，可进行 下列近似替换： △Yi-1≈△Yi R＞＞ δ，R≈R -δ； 则有： cosγi =（Yi-△Yi-1/2）/ R 上式中△Yi-1是上一次插补运 算中自动生成的。但是在开始 时没有△Y0，可采用DDA法求取 该值： △X0 = △L * Y0 / R △Y0 = △L * X0 / R Y δ X R △L D C A △Xi G02 B △Yi Pi(Xi,Yi ) Pi+1(Xi+1,Yi+1) Ym γi αi O △αi 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 三三. . 数字增量插补数字增量插补 2022/6/18 154现代数控技术 Y δ X R △L D C A △Xi G02 B △Yi Pi(Xi,Yi ) Pi+1(Xi+1,Yi+1) Ym γi αi O △αi 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 三三. . 数字增量插补数字增量插补 2022/6/18 155现代数控技术 同直线插补一样,上述算法是先计算△Xi后计算△Yi，同 样还可以先计算△Yi后计算△Xi，即： 这两个公式的选用原则同直线一样。 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 三三. . 数字增量插补数字增量插补 2022/6/18 156现代数控技术 公式的归一化处理 考虑不同的象限和不同的插补方向（G02/G03），则该算 法的圆弧插补计算公式将有16组。为了程序设计的方便， 同样在引入引导坐标后，可将16组插补计算公式归结为2 组： 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 三三. . 数字增量插补数字增量插补 2022/6/18 157现代数控技术 顺圆插补（G02）和逆圆插补（G03）在各象限采 用公式的情况如图所示： A B A BA B A B B A B AB A B A G02 G03 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 三三. . 数字增量插补数字增量插补 2022/6/18 158现代数控技术 近似计算误差的影响 近似计算对插补的影响为：  对插补精度无影响，算法本 身可保证每个插补点均落在 圆弧上。  对合成进给速度均匀性的有 影响。但是影响很小，可以 证明：λmax < % 。  对逼近误差也有一定的影响 γ’i γi γ”i △L” △L’ △L X Y 0 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 三三. . 数字增量插补数字增量插补 2022/6/18 159现代数控技术 4. 几个问题的说明  上面所推导的公式均是在第一象限，而且规定了进给方向， 当这些条件不满足时，插补的公式将是不同的，请同学们 在课后自己推导一下。  由于每个象限的公式不同，这里便存在一个过象限的问题 (指园弧插补)，如何在过象限时即能顺利而均匀连续切换， 算法又简单，是值得讨论的题目。  终点判别的问题，这里而涉及到两个问题  在程序中间的程序段的终点判别要考虑与下面程序段 联接的问题  在要求降速为零的程序段中，有一个减速起点的问题  升降速处理问题 第 四 节 第 四 节 C N C C N C 装 置 的 插 补 原 理 装 置 的 插 补 原 理 三三. . 数字增量插补数字增量插补 2022/6/18 160现代数控技术 第五节 刀具半径补偿原理 一 . 刀具半径补偿的基本概念 1. 什么是刀具半径补偿(Tool Radius Compensation offset)  根据按零件轮廓  编制的程序和预先设  定的偏置参数，数控  装置能实时自动生成  刀具中心轨迹的功能  称为刀具半径补偿功  能。 A ’ B’ C” C B A G41 刀具 G42 刀具 编程轨迹 刀具中心轨迹C’ 第 三 章 第 三 章 计 算 机 数 控 装 置 计 算 机 数 控 装 置 2022/6/18 161现代数控技术 2. 刀具半径补偿功能的主要用途  实现根据编程轨迹对刀具中心轨迹的控制。可避免在加工 中由于刀具半径的变化(如由于刀具损坏而换刀等原因)而 重新编程的麻烦。  刀具半径误差补偿，由于刀具的磨损或因换刀引起的刀具 半径的变化，也不必重新编程，只须修改相应的偏置参数 即可。  减少粗、精加工程序编制的工作量。由于轮廓加工往往不 是一道工序能完成的，在粗加工时，均要为精加工工序预 留加工余量。加工余量的预留可通过修改偏置参数实现， 而不必为粗、精加工各编制一个程序。 一、一、 刀具半径补偿的基本概念刀具半径补偿的基本概念 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 2022/6/18 162现代数控技术 3. 刀具半径补偿的常用方法：  B刀补：有R2 法，比例法，该法对加工轮廓的连接都是以园弧 进行的。如图示，其缺点是：  在外轮廓尖角加工时，由于轮廓尖角处，始终处于切削 状态，尖角的加工工艺性差。  在内轮廓尖角加工时，由于C”点不易求得(受计算能力 的限制)编程人员必须在零件轮廓中插入一个半径大于 刀具半径的园弧，这样才能避免产生过切。  这种刀补方法，无法满足实际应用中的许多要求。因此 现在用得较少，而用得较多的是C刀补。 一、一、 刀具半径补偿的基本概念刀具半径补偿的基本概念 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 2022/6/18 163现代数控技术  C刀补  它的主要特点是采用直线作为轮廓之间的过渡，因 此，它的尖角性好，并且它可自动预报(在内轮廓加 工时) 过切，以避免产生过切。 一、一、 刀具半径补偿的基本概念刀具半径补偿的基本概念 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 2022/6/18 164现代数控技术 二. 刀具半径补偿的工作原理 1.刀具半径补偿的工作过程  刀补建立  刀补进行  刀补撤销。 起刀点 刀补建立 刀补进行 刀补撤销 编程轨迹刀具中心轨迹 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 2022/6/18 165现代数控技术 机能刀具半径补偿的转接形式 和过渡方式  转接形式  在一般的CNC装置中，均有园弧和直线插补两种功能。而C机能刀补 的主要特点就是来用直线过渡，由于采用直线过渡，实际加工过程中， 随着前后两编程轨迹的连接方法的不同，相应的加工轨迹也会产生不 同的转接情况：  直线与直线  园弧与直线  直线与园弧直线与园弧  园弧与园弧园弧与园弧 二二. . 刀具半径补偿的工作原理刀具半径补偿的工作原理 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 2022/6/18 166现代数控技术 α 刀具中心轨迹 编程轨迹 非加工侧 加工侧 α 非加工侧 编程轨迹 刀具中心轨迹 加工侧  过渡方式  轨迹过渡时矢量夹角α的定义：  指两编程轨迹在交点处非加工侧的夹角α 二二. . 刀具半径补偿的工作原理刀具半径补偿的工作原理 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 2022/6/18 167现代数控技术 根据两段程序轨迹的矢量夹角α 和刀补方向的不同， 又有以下几种转接过度方式：  缩短型：矢量夹角α≥180°  刀具中心轨迹短于编程轨迹的过渡方式。  伸长型：矢量夹角90°≤α＜180°  刀具中心轨迹长于编程轨迹的过渡方式。  插入型：矢量夹角α＜90°  在两段刀具中心轨迹之间插入一段直线的过渡方式。 二. 刀具半径补偿的工作原理 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 2022/6/18 168现代数控技术 3. 刀具中心轨迹的转接形式和过 渡方式列表 刀具半径补偿功能在实施过程中，各种转接形式和过渡 方式的情况，如下面两表所示。表中实线表示编程轨迹；虚 线表示刀具中心轨迹；α为矢量夹角；r为刀具半径；箭头 为走刀方向。表中是以右刀补（G42）为例进行说明的，左 刀补（G41）的情况于右刀补相似，就不再重复。 二二. . 刀具半径补偿的工作原理刀具半径补偿的工作原理 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 2022/6/18 169现代数控技术 刀具半径补偿的建立和撤消 二二. . 刀具半径补偿的工作原理刀具半径补偿的工作原理 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 2022/6/18 170现代数控技术 刀具半径补偿的进行过程 二二. . 刀具半径补偿的工作原理刀具半径补偿的工作原理 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 2022/6/18 171现代数控技术 4. 刀具半径补偿的实例  读入OA，判断出是刀补建立， 继续读下一段。  读入AB，因为∠OAB＜90o， 且又是右刀补（G42），由表 可知，此时段间转接的过渡形 式是插入型。则计算出a、b、 c的坐标值，并输出直线段oa、 ab、bc，供插补程序运行。 B c b A O C D E a 二二. . 刀具半径补偿的工作原理刀具半径补偿的工作原理 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 2022/6/18 172现代数控技术  读入BC，因为∠ABC＜90o，同理，由表可知，段间转接的过渡形式 是插入型。则计算出d、e点的坐标值，并输出直线cd、de。  读入CD，因为∠BCD＞180o， 由表可知，段间转接的过渡 形式是缩短型。则计算出f点 的坐标值，由于是内侧加工， 须进行过切判别（过切判别的 原理和方法见后述），若过切 则报警，并停止输出，否则输 出直线段ef。 B f e dc b A O C D E a 二. 刀具半径补偿的工作原理 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 2022/6/18 173现代数控技术  读入DE（假定由撤消刀 补的G40命令），因为 90o＜∠ABC＜180o，由于 是刀补撤消段，由表可知， 段间转接的过渡形式是伸 长型。则计算出g、h点 的坐标值，然后输出直线 段fg、gh、hE。  刀具半径补偿处理结束。 B f e dc b A O C D E a g h 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 二. 刀具半径补偿的工作原理 2022/6/18 174现代数控技术 三. 加工工过程中的过切判别原理 前面我们说过C刀补能避免过切现象，是指 若编程人员因某种原因编制出了肯定要产生过切 的加工程序时，系统在运行过程中能提前发出报 警信号，避免过切事故的发生。下面将就过切判 别原理进行讨论。 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 2022/6/18 175现代数控技术 1. 直线加工时的过切判别 如右图所示，当被加工的 轮廓是直线段时，若刀具半径选用 过大，就将产生过切削现象。图中， 编程轨迹为 ABCD，B′为对应于AB、 BC的刀具中心轨迹的交点。当读 入编程轨迹CD时，就要对上段刀 具中心轨迹B’C’进行修正，确定刀 具中心应从B′点移到C′点。显然， 这时必将产生如图阴影部分所示的 过切削。 A’ D’ CB C’ D B’ A 编程轨迹 刀具中 心轨迹 过切削 部分 发出报警程 序段 刀具 三三. . 加工工过程中的过切判别原理加工工过程中的过切判别原理 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 2022/6/18 176现代数控技术 直线过切的判别方法 在直线加工时，可以通过编程矢量与其相对应的修正矢量的标量积 的正负进行判别。在上图中，BC为编程矢量， 为BC对应的修正矢 量，α为它们之间的夹角。则： 标量积 显然，当 （即90o<α<270o）时，刀具就要 背向编程轨迹移动，造成过切削。上图中α=180o，所以必定产生过切削。 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 三三. . 加工工过程中的过切判别原理加工工过程中的过切判别原理 2022/6/18 177现代数控技术 圆弧加工时的过切削判别 在内轮廓圆弧加工（当圆弧 加工的命令为 G41G03 或 G42G02）时，若选用的刀具半径 rD过大，超过了所需加工的圆弧 半径R，那么就会产生过切削。 G41G03 G42G02 rD rD R R 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 三三. . 加工工过程中的过切判别原理加工工过程中的过切判别原理 2022/6/18 178现代数控技术 圆弧加工时的过切削判别 刀具中心轨迹 编程轨迹 R 发出报警程序段 过切削部分 rD a 圆弧加工过切削 G41⊕G02=0？ 报 警 返 回 否（内侧加工） 是（外侧加工） 是 否 b 判别流程 刀具 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 三三. . 加工工过程中的过切判别原理加工工过程中的过切判别原理 2022/6/18 179现代数控技术 在实际加工中，还有各种各样的过切削情况，限于 时间，无法一一列举。但是通过上面的分析可知，过切 削现象都发生在过渡形式为缩短型的情况下，因而可以 根据这一原则，来判断发生过切削的条件，并据此设计 过切削判别程序。 第 五 节 第 五 节 刀 具 半 径 补 偿 原 理 刀 具 半 径 补 偿 原 理 三三. . 加工工过程中的过切判别原理加工工过程中的过切判别原理 2022/6/18 180现代数控技术 第六节 数控系统中的可编程控制器 一 . 概述 1. 可编程控制器的概念 定义: 可编程控制器(Programmable Controller)是一种用于 工业环境、可存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数 和算术运算等特定功能的用户指令、并能通过数字式或模拟 式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程的可编程 数字控制系统。 第 三 章 第 三 章 计 算 机 数 控 装 置 计 算 机 数 控 装 置 2022/6/18 181现代数控技术 可编程控制器的别名  可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller PLC )  可编程接口控制器(Programmable Interface Controller、PIC)  可编程机器控制器(Programmable Machine Controller、 PMC)  可编程顺序控制器(Programmable Sequence Controller、PSC) 在数控领域上，人们习惯称其为：  可编程逻辑控制器（PLC）  可编程机器控制器（PMC）。 一、概述、概述 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 182现代数控技术 数控装置、可编程控制器、机床之间的 关系图  CNC系统 数 数 控 控 装 装 置 置 可 编 程 控 制 器 可 编 程 控 制 器 操作面板操作面板 主轴控制主轴控制 辅助动作辅助动作 换刀动作换刀动作 冷却排屑冷却排屑 ............ ⒉ PCPC在数控系统中的应用在数控系统中的应用 一、概述、概述 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 183现代数控技术 ⒊ 可编程控制器的分类  按结构形式分类：  内装型（Built-in Type）PLC（或称集成式、内含式）。 它是为数控设备顺序控制而设计制造的专用PLC。  独立型（Stand-alone Type）PLC ，或称为“通用型 ”PLC它是适应范围较广、功能齐全、通用化程度较高 的PLC。  按规模分类：  小型：输入/输出的点数< 128点；  中型：128点< 输入/输出的点数< 512点；  大型 ：输入/输出的点数>512点 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 一、概述、概述 2022/6/18 184现代数控技术 PLC的规模及其应用 一、概述、概述 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 185现代数控技术 二. 可编程控制器的结构和编程方法 1. 可编程控制器的结构  PLC的结构包括硬件和软件两大 部分。在硬件和控制对象之间有 三环：  第一个环：是操作系统，用它来 管理PLC的硬件资源；  第二个环：是编译系统，这两 个环构成了的PLC软件系统。  第三个环：是实现用户要求的应 用程序。 PLC控制对象 用户应用程 序 语言编译程 序操作系 统PLC 硬件 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 186现代数控技术 PLC 的硬件原理框图 CPU EEPROM 用户程序 EPROM 系统软件 总 线 RAM编程器 电 源 输入输出模块 功能开关和指示器 电 池 二二. . 可编程控制器的结构和编程方法可编程控制器的结构和编程方法 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 187现代数控技术 2. 可编程控制器的编程方法  梯形图 n 梯形图(LD——Ladder Diagram)法编程与传统的继电器 电路图的设计很相似，用电路元 件符号来表示控制任务直观易理 解。 支路1 支路2 支路3 梯级1 梯级2 A B C E F R2 R1 R1 电力轨 电力轨 二二. . 可编程控制器的结构和编程方法可编程控制器的结构和编程方法 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 188现代数控技术  语句表  语句表也称指令表(IL—Instruction List)。或叫指令表 语言。它是以RD、OR、AND、NOT……等逻辑指令为语句 的操作码，以操作地址或参数操作数的编程语言。操作码 表示要操作的功能类型，操作数表示到哪里去操作。  这种编程方法紧凑、系统化，但比较抽象，有时先用 梯形图表达，然后写成相应的指令语句输入。 二. 可编程控制器的结构和编程方法 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 189现代数控技术 梯形图与语句表的关系  RD OR AND, NOT AND WRT RD AND, NOT WRT 支路1 支路2 支路3 梯级1 梯级2 A B C E F R2 R1 R1 电力轨 电力轨 二二. . 可编程控制器的结构和编程方法可编程控制器的结构和编程方法 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 190现代数控技术  高级语言编程法（如C语言等）；  随着数控技术的发展，可编程控制器控制的设备已 由单机扩展到FMS、CIMS等。可编程控制器处理的信息 除开关量信号、模拟量信号、交流信号外，还需要完成与 上位机或下位机的信息交换。某些信息的处理已不能采用 顺序执行的方式，而必须采用高速实时处理方式。基于这 些原因，计算机所用的高级语言便逐步被引用到PC的应 用程序中来。 二. 可编程控制器的结构和编程方法 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 191现代数控技术  其他编程法  控制系统流程图(逻辑功能图) 编程法；  功能模块图表示的“功能块语言”编程法；  基于图形表示的“图形语言”编程法；  用指定子程序控制和指令语句表示的“结构文本语言” 编程法；  逻辑式编程法。 二. 可编程控制器的结构和编程方法 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 192现代数控技术 三. PC的工作过程及其特点 1. 可编程控制器的工作过程 PLC接通电源，CPU进行输入点的状态 采集、用户程序的逻辑解算、相应输出状态 的更新和I/O执行。接入编程器时，也对编程 器的输入响应，并更新显示。然后CPU对自 身的硬件进行快速自检，并对监视扫描用定 时器进行复位。并在完成自检后，又重新开 始扫描运行。周而复始。  输入输出状态采集 解算梯形图 扫描I/O口，输出状态更新 扫描编程器 更新显示 强行I/O操作 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 193现代数控技术 PLC 程序执行过程图 输 入 端 器 件 输 入 映 象 元 件 映 象 寄 存 输 出 锁 存 输 入 端 器 件 输 入 输 出 输入采样阶段 输出刷新阶段程序执行阶段 三三. . PCPC的工作过程及其特点的工作过程及其特点 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 194现代数控技术  由于输入/输出模块滤波器的时间常数，以及执行时要按工 作周期顺序进行等原因，会使输入/输出响应出现滞后现象，对 一般工业控制设备来说，这种滞后现象是允许的，但地某些设备 的某些信号要做出快速响应。通常的做法是：  将顺序程序分为快速响应的高优先级程序和一般响应速度的低 优先级程序两类。 三. PC的工作过程及其特点 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 195现代数控技术 2. 可编程控制器的特点  可靠性高  PLC的硬件采取了屏蔽措施；电源采用了多级滤波环节； CPU 和 I/O 回路之间采用了光电隔离，提高了硬件可靠性。在 软件方面，可编程控制器采用了故障自诊断方法，一发现故障， 就显示故障原因，并立即将信号状态存入存储器进行保护。当 外界条件恢复正常时，可继续工作。 三三. . PCPC的工作过程及其特点的工作过程及其特点 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 196现代数控技术  功能完善，性能价格比高  由于PLC是介于继电器控制和计算机控制之间的自动控制装置，所以 PLC不仅有逻辑运算的基本功能和控制功能，还具有四则运算和数据处理 (如比较、判别、传递和数据变换等)等功能。PLC具有面向用户的指令和 专用于存储用户程序的存储器，用户控制逻辑由软件实现，这样使PLC适 用于控制对象动作复杂、控制逻辑需要灵活变更的场合。有的PLC还具有 旋转控制、数据表检索等功能，使数控机床复杂的刀库控制程序变得很 简单。PLC已系列化、模块化、可以根据需要，经济地进行组合，因而使 性能价格比得到提高。 三. PC的工作过程及其特点 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 197现代数控技术  容易实现机电一体化  由于PLC结构紧凑，体积小，容易装入机床内部或电气柜内，实 现机电一体化。  编程简单  大多数PLC都采用梯形图方法编程，形象直观，原理易于理解和掌 握，编程方便。PLC可以与专用程编机、程编器、甚至个人计算机等 设备连接，可以很方便地实现程序的显示、编辑、诊断和传送等操作。 三. PC的工作过程及其特点 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 198现代数控技术  操作维护容易  可编程控制器信息通过总线或数据传送线与主机相连，调 试和操作方便。可编程控制器采用模块化结构，如有损坏，即可 更换。 三. PC的工作过程及其特点 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 199现代数控技术 四. 数控机床的PLC功能 1. CNC、PLC、机床之间的信号处理过程  CNC装置和机床之间的信号传送处理两个过程：  CNC装置→机床：  CNC装置CNC装置的RAM PLC的RAM中。  PLC 软件对其RAM中的数据进行逻辑运算处理。  处理后的数据仍在PLC的RAM中，  对内装型PLC，PLC将已处理好的数据通过CNC的输出接 口送至机床；  对独立型PLC，其RAM中已处理好的数据通过PLC的输出 接口送至机床。 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 200现代数控技术  机床→CNC装置  对于内装型PLC，信号传送处理如下：  从机床输入开关量数据CNC装置的RAM  PLC的 RAM。  PLC的软件进行逻辑运算处理。  处理后的数据仍在PLC的RAM中，同时传送到CNC装置 的RAM中。  CNC装置软件读取RAM中数据。  对于独立型PLC，输入的第一步，数据通过PLC的输入接口 送到PLC的RAM中，然后进行上述的第2步，以下均相同。 四. 数控机床的PLC功能 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 201现代数控技术 2. 数控机床中的可编程控制器 功能  主轴S功能  通常用S二位或S四位代码指定主轴转速。CNC装置送 出S代码(如二位代码)进入PLC，经过电平转换(独立型 PLC)、译码、数据转换、限位控制和D/A变换，最后输给 主轴电机伺服系统。  为了提高主轴转速的稳定性，增大转矩、调整转速范 围，还可增加1～2级机械变速档。通过PLC的M代码功能实 现。 四四. . 数控机床的数控机床的PLCPLC功能功能 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 202现代数控技术  刀具T功能  PLC控制 对加工中心自动换刀的管理带来了很大的方便。 自动换刀控制方式有固定存取换刀方式和随机存取换刀方式， 它们分别采用刀套编码制和刀具编码制。对于刀套编码的T功 能处理过程是：CNC装置送出T代码指令给PLC，PLC经过译 码，在数据表内检索，找到T代码指定的新刀号所在的数据表 的表地址，并与现行刀号进行判别比较。如不符合，则将刀 库回转指令发送给刀库控制系统，直到刀库定位到新刀号位 置时，刀库停止回转，并准备换刀。 四. 数控机床的PLC功能 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 203现代数控技术  辅助M功能  PLC完成的M功能是很广泛的。根据不同的M代码，可控 制主轴的正反转及停止，主轴齿轮箱的变速，冷去液的开、 关、卡盘的夹紧和松开，以及自动换刀装置机械手取刀、 归刀等运动。 四. 数控机床的PLC功能 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 204现代数控技术 PLC  CNC 、机床间的信息交 换  PLC  CNC的信号：主要有机床各坐标基准点信号，M、S、 T功能的应答信号等。  PLC  机床的信号：主要是控制机床执行件的执行信号，如 电磁铁、接触器、继电器的动作信号以及确保机床各运动部 件状态的信号及故障指示。  机床  PLC的信息：主要有机床操作面板上各开关、按钮等 信息，其中包括机床的起动、停止，机械变速选择，主轴正/ 反转、停止，冷却液的开/关，各坐标的点动和刀架、夹盘的 松/夹等信号，以及上述各部件的限位开关等保护装置、主轴 伺服保护监视信号和伺服系统运行准备等信号。 四四. . 数控机床的数控机床的PLCPLC功能功能 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 205现代数控技术 五. 典型PLC的指令和程序编制 1. FANUC PMC-L型可编程控制器指令 该PLC为数控机床用内装型PLC，其指令有两种类型： 基本指令：基本的逻辑运算指令。它在设计顺序程序时是 使用得最多的指令。 功能指令：由于数控机床执行的顺序逻辑往往较为复杂， 仅用基本指令编程常会十分困难或规模庞大， 借助功能指令，可以简化编程。 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 206现代数控技术  在指令执行中，逻辑操作的中间结果暂存于“堆栈”寄存器中， 该寄存器由九位组成(见右图)，按先进后出，后进先出的堆栈原理 工作。ST0位存放正在执行的操作结果，其它8位(ST1～ST8)寄存逻 辑操作的中间状态。操作的中间结果进栈时(执行暂存进栈指令)， 寄 存器左移一位；出 栈时，寄存器右移 一位。  PLC 指令执行中的堆栈寄存器 ST8 ST7 ST6 ST5 ST4 ST3 ST2 ST1 ST0 堆栈寄存器 (暂存操作中间结果) 当前正在执行的 操作结果写在这里 五五. . 典型典型PLCPLC的指令和程序编制的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 207现代数控技术  基本指令 PMC-L有12种基本指令，基本指令格式如下图所示： 位数 地址号位数 基本指令位数 地址 五五. . 典型典型PLCPLC的指令和程序编制的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 208现代数控技术 PMC-L基本指令表 五五. . 典型典型PLCPLC的指令和程序编制的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 209现代数控技术  数控机床用PLC的指令必须满足数控机床信息处理和动作控制 的特殊要求。例如，由NC输出的M、S、T二进制代码信号的译码 (DEC)，机械运动状态或液压系统动作状态的延时(TMR)确认，加 工零件的计数(CTR)，刀库、分度工作台沿最短路径旋转和现在 位置至目标位置步数的计算(ROT)，换刀时数据检索(DSCH)等。 对于上述指令的译码、定时、计数、最短径选择，以及比较、检 索、转移、代码转换、四则运算、信息显示等控制功能，用移位 操作的基本指令编程实现将会十分困难。因此需要一些具有专门 控制功能的指令解决那些较复杂控制。这些专门指令就是功能指 令。功能指令都是一些子程序，应用功能指令就是调用了相应的 子程序。  功能指令 五五. . 典型典型PLCPLC的指令和程序编制的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 210现代数控技术  功能指令的格式  指令 参数 （1） 参数 （2） 参数 （3） 参数 （4）X4。7 R571。4 A B RST D X6。7 R560。5 R541。6 ACT R550。0 C W R500。0 输出参数指令控制条件 五五. . 典型典型PLCPLC的指令和程序编制的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 211现代数控技术 控制条件： 每条功能指令控制条件的数量和含义各 不相同，控制条件以及指令、参数和输出(W)必须无一 遗漏按固定的编码顺序编写。 指 令： 指令有三种格式分别用于梯形图、纸带 穿孔和程序显示，编程机输入时用简化指令。 五. 典型PLC的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 212现代数控技术  参 数： 与基本指令不同，功能指令可处理数据。数据或 存有数据的地址可作为参数写入功能指令。参数数目和含义随 指令不同而异。用PLC编程器的PRM键可以输入参数。  输 出(W)：功能指令操作结果用逻辑“0”或“1”状态输出到 W。W地址由编程者任意指定。有些功能指令不用W，如MOVE (逻辑乘后，数据移动)、COM(公共线控制)、JMP(转移)等。 五. 典型PLC的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 213现代数控技术 PLC的功能指令 五五. . 典型典型PLCPLC的指令和程序编制的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 214现代数控技术  PMC-L部分功能指令说明  顺序结束指令(END1，END2) 顺序程序结束指令包括：  END1：高级顺序结束指令。要求响应快的信号(如脉冲  信号)编在高级顺序程序中，分为1、2、3级，用  功能指令END1指定高级顺序结束。  END2：低级顺序程序结束  指令格式：  其中i=1和2，  分别表示高级和  低级顺序结束指令。 ENDi （SUBi） 五五. . 典型典型PLCPLC的指令和程序编制的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 215现代数控技术  定时器指令(TMR，TMRB)  在数控机床梯形图编制中，定时器是不可缺少的指令。 它用在机械动作完成状态和稳定状态的延时确认(如卡盘 夹紧/松开、自动夹具夹紧松开、转台锁释放、刀具夹紧/ 松开、主轴起动/停止等)，机床液压、润滑、冷却、供气 系统执行器件稳定工作状态的延时确认(如油缸、气缸、 电磁阀、压力阀、气阀等动作完成确认)，以及顺序程序 中其它需要与时间建立逻辑顺序关系的场合。 五. 典型PLC的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 216现代数控技术 定时器指令格式  TMR ○○ ○○○○ACT ○○○.○ TM○○ ○○○.○ 控制条件 指令 定时器 编号 定时器控制 数据地址 输出地址 TMR ○○ TM○○ ACT ○○○.○ 控制条件 指令 定时器 编号 定时器 继电器 定时器号 五五. . 典型典型PLCPLC的指令和程序编制的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 217现代数控技术 TMR是设定时间可以更改的延时定时器。设定值用二进 制表示。二进制1相当与50ms。设定范围：～ 。 定时器工作原理：当控制条件ACT=0时，输出W=0 (即 定时继电器TM○○断开)。当ACT=1时，定时器开始计时， 在到达预定的时间后，W=1(即接通定时器继电器TM○○)。 五. 典型PLC的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 218现代数控技术  译码指令(DEC)  数控机床在执行加工程序 中规定的M、S、T机能时， CNC 装置以BCD代码形式输 出M、S、T代码信号。这些信 号需要经过译码才能从BCD码 状态，转换成具有特定功能 含义的一位逻辑状态。DEC功 能指令的格式  DEC ○○○○ ○○○○ACT ○○○.○ W ○○○.○ 控制条件 指令 译码信号 地址 译码规 格数据 译码结果 输出地址 五. 典型PLC的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 219现代数控技术 译码信号地址是指数控装置至 PLC的二字节BCD代码的信号地址。 译码规格数据由序号和译码位数 两部分组成，如右图所示：  序号必须两位数指定。例如， 对M03译码，这二位数即为03。 译码位数的设定有三种情况：  01：对低位数译码  10：对高位数译码  11：对二位数译码 译码位数 序 号 五. 典型PLC的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 220现代数控技术  DEC指令的工作原理：  ACT=0：不译码，结果继电器断开，  ACT=1：允许译码； 当指定译码信号地址中的代码信号状态与指定 信号相同时，输出W=1，反之，W=0。  译码输出W的地址由编程员任意指定。 五. 典型PLC的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 221现代数控技术 2. 主轴运动控制PLC程序示例 RD WRT RD WRT HAND AUTO DEC 0115 0411 MF M04 DEC 0115 0311 MF M03 DEC 0115 0511 MF M05 HAND AUTO 手动方式 自动方式 M03 M04 M05 五五. . 典型典型PLCPLC的指令和程序编制的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 222现代数控技术 RD DEC PRM WRT RD DEC PRM WRT RD DEC PRM WRT 0115 0311 0115 0411 0115 0511 HAND AUTO DEC 0115 0411 MF M04 DEC 0115 0311 MF M03 DEC 0115 0511 MF M05 HAND AUTO 手动方式 自动方式 M03 M04 M05 五. 典型PLC的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 223现代数控技术 HAND AUTO M03 SPCW SPCCW SPOFF SPCW HAND AUTO M04 SPCCW SPCW SPOFF SPCCW SPOFFHAND AUTO M05 主轴顺转 主轴逆转 主轴停 五. 典型PLC的指令和程序编制 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 224现代数控技术 六、数控机床PLC程序设计步骤 1. 熟悉PLC硬件配置及指令系统  不同型号PLC具有不同的硬件组成和性能指标。它们的基本 I/O点数和扩展范围、程序存储容量往往差别很大。因此，在PLC 程序设计之前，要对所用PLC型号，硬件配置(如内装型PLC是否 要增加I/O板，通用型PLC是否要增加I/O模板等)作出选择。  对PLC的性能指标主要考虑输入/输出点数和存储容量。另外， 所选择PLC的处理时间、指令功能、定时器、计数器、内部继电 器的技术规格、数量等指标也应满足要求。 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 225现代数控技术 2. 制作接口信号文件  需要设计和编制的接口技术文件有：输入和输出信号电路 原理图、地址表、PLC数据表。这些文件是制作PLC程序不可缺 少的技术资料。梯形图中所用到的所有内部和外部信号、信号 地址、名称、传输方向，与功能指令有关的设定数据，与信号 有关的电器元件等都反映在这些文件中。编制文件的人员除需 要掌握所用CNC装置和PLC控制器的技术性能外，还需要具有一 定的电气设计知识。 六、数控机床六、数控机床PLCPLC程序设计步骤程序设计步骤 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 226现代数控技术 3. 绘制梯形图  梯形图逻辑控制顺序的设计，从手工绘制梯形图开始。在绘 制过程中，设计员可以在仔细分析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时间的逻辑顺序 关系，然后据此设计梯形图的控制关系顺序。  在梯形图中，要用大量的输入触点符号。设计员应搞清输入 信号为“1”和“0”状态的关系。若外部信号触点是常开触点， 当触点动作时(即闭合)，则输入信号为“1”，若信号触点是常 闭触点，当触点动作时(即打开)，则输入信号为“0”。一个设 计得好的梯形图除要满足机床控制的要求外，还应具有最少的步 数、最短的顺序处理时间和易于理解的逻辑关系。 六、数控机床六、数控机床PLCPLC程序设计步骤程序设计步骤 2022/6/18 227现代数控技术 4. 用编程机编制PLC程序  手工绘制的梯形图，可先转换成指令表的形式，再用键盘输 入程编机进行修改。  如果设计员对程编机比较熟悉，且具有一定的PLC程序设计知 识，也可省去手工绘制梯形图这一步，直接在编程机上编制梯形 图程序。由于程编机具有丰富的编辑功能，可以很方便地实现程 序的显示、输入、输出、存储等操作。因此，采用程编机编制程 序可以大大提高工作效率。 六、数控机床六、数控机床PLCPLC程序设计步骤程序设计步骤 2022/6/18 228现代数控技术 5. PLC程序的调试与确认  编好的程序需要经过运行调试。一般来说，PLC程序要经 过“仿真调试”和“联机调试”二个步骤。仿真调试是在实验 室条件下，采用仿真装置或模拟实验台进行调试程序。联机调 试是将机床、CNC装置、PLC装置和编程设备联接起来进行整机 机电运行调试。只有这样，才能最终确认程序的正确性。 六、数控机床六、数控机床PLCPLC程序设计步骤程序设计步骤 2022/6/18 229现代数控技术 6. PLC程序的固化  将经过反复调试并确认无误的PLC程序用编程机或编程器写 入EPROM中，这称为PLC程序的固化。在PLC装置上，用存储了 顺序程序的EPROM代替RAM，使机床在各种方式下作运行检查。 如果满足了整机控制的各项技术要求，则PLC程序的调试即告结 束。 六、数控机床六、数控机床PLCPLC程序设计步骤程序设计步骤 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 230现代数控技术 7. 程序的存储和文件整理  联机调试合格的PLC程序，是重要的技术文件，除 固化到EPROM中外，还应存入软盘。技术文件是分析 故障原因、扩展功能以及编制其它PLC程序的重要技术 资料。所以对程序文件要整理存档。 六、数控机床六、数控机床PLCPLC程序设计步骤程序设计步骤 第 六 节 第 六 节 数 控 系 统 中 的 数 控 系 统 中 的 P LC P LC 2022/6/18 231现代数控技术