第四章 数控装置
第一节 概 述
一, 数控装置的作用
数控装置的主要作用是, 读入数控加工程序, 将
其转换成控制机床运动和辅助功能要求的格式, 分别
送给进给电机控制单元, 主轴电机控制单元和 PLC，
具有内置 PLC功能的数控装置本身具有逻辑量解算功
能, 直接将解算结果送给机床强电控制系统 。 具有闭
环控制功能的数控系统还会读入机床位置检测装置发
出的实际位置信号, 与指令位置比较后, 用其差值控
制机床的移动, 可以获得较高的位置控制精度 。
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二, 数控装置软件和硬件的功能界面
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ 硬件 软件
Ⅳ
图 4-1 几种典型的软硬件界面的划分
程序
输
入
数据
处理
插
补
位
控
速
控
伺服
电机
测量
软硬件功能界面问题：哪些功能由软件来实现,
哪些功能由硬件来实现, 或怎样确定软件和硬件在数
控装置中所承担的任务 。
四种功能界面的划分, 代表了不同时期的数控装
置产品 。 数控装置发展的趋势是软件承担的任务越来
越多 。 这主要是由于计算机的运算处理能力不断增强,
使软件运行的速度大大提高的结果 。 这种趋势并不是
一成不变的, 随着电子技术的发展, 硬件的成本也在
不断降低, 如果硬件的制造可以做到象软件一样灵活,
能够根据特殊需求, 专门制做的时候, 硬件所担负的
功能还会逐步增加 。
第二节 数控装置的硬件结构
一, 由单片机组成的数控装置
二, 单微处理机数控装置
图 4-3 单微处理机数控装置的结构图
CPU
纸带机
接口
RS232
接口
CRT/M
DI接口
手摇轮
接口
ROM
接口
RAM
接口
PLC
接口
位控
单元
位控
单元
位控
单元
主轴
单元
D/A D/A D/A D/A
速度
单元
速度
单元
速度
单元
速度
单元
M M M M
MST
功能
图 4-4 数控装置的物理结构（ FANUC-6MB）
三,基于网络的数控装置
图 4-5 基于网络的数控系统结构图
数控装置各功能模块间的通讯是按照 SERCOS
（ Serial Communication System）协议进行的。图 4-
7表示了 SERCOS协议通讯的原理。由一个控制器和
若干个伺服驱动器构成通讯回路。通讯以循环方式进
行，每个循环的时间可设定为 62μs,125μs,250μs或
其整数倍。循环时间的长短以保证控制器和伺服驱动
器间的同步通讯为前提。图中的 Master表示运动控制
器,Slave i表示连接在控制环路中的第 i个伺服驱动器，
MST表示同步信息,ATi表示第 i个伺服驱动器发送的
数据,MDT为控制器发送到网络上的数据。
驱动器数 /光纤环
42
21
2 4 6 通讯周期
图 4-6 每个光纤环路能控制的驱动器个数
66
图 4-7 SERCOS通讯原理
控制器和伺服驱动器间的通讯包括三种情况：
1,控制器发出同步信息, 各伺服驱动器以此
同步信息为保证同步通讯的时间基准；
2,控制器向环路中的所有伺服驱动器发送
同步数据 （ Cycle Data） 和伺服数据 （ Serve
Data） ；
3,伺服驱动器将要发送的数据送到相应的
时间槽 （ Time Slots） 。 通讯按照 NRZI编码的
HDLC协议进行 。
第三节 数控软件
一,数控软件的数据转换流程
图 4-8 数控装置软件的数据转换流程
加工程序
译
码
刀补
处理
速度控
制
插补处
理
位
置
控
制
伺服驱
动
PLC 控
制
位置反
馈
译码缓冲区 刀补缓冲区 运行缓冲区
（ 一 ） 译码
译码就是把用 ASCⅡ 码编写的零件加工程序翻译成数
控系统要求的数据格式, 并存
放到译码缓冲区中, 准备为后续程序使用 。 译码后的数
据有两种存放格式 。
1,不按字符格式的存放方法
M03 G03 X100,Y50,I0 J50,F100.；
高 4 位 低 4 位 说明
1 3 G 03
2 3 M 03
100 X 值
50 Y 值
0 Z 值
0 I 值
50 J 值
0 K 值
100 F 值
图 4-9 不按字符格式的译码数据存放格式
2,保留字符格式的存放方法
Struct PROG_BUFFER{char buf_state； //0：空，
1：有数据
int block_num； //程序段号
double COORD[20]； //尺寸字的数值，单位为 μm
int F,S； //进给速度和主轴速度
char G_flag； //以标志形式存放的 G指令
char G1； //G指令表
...
char M_flag； //以标志形式存放的 M指令
char M1； //M指令表
...
char T； //刀具代号
char D； //刀具半径值
}；
（ 二 ） 刀补
刀补处理程序主要进行以下几项工作：
1,计算本段零件轮廓的终点坐标值；
2,根据刀具的半径值和刀具补偿方向, 计算出本
段刀具中心轨迹的终点位置；
3,根据本段和下一段的转接关系进行段间处理 。
（ 三 ） 速度预处理
速度预处理程序主要完成以下几步计算：
1,计算本程序段总位移量
2,计算每个插补周期内的合成进给量
ΔL=FΔt/60（ μm）
式中, F — 进给速度值 （ mm/min） ；
Δt — 数控系统的插补周期 （ ms） 。
（ 四 ） 插补处理
1,根据速度倍率值计算本次插补周期的实
际合成位移量；
2,计算新的坐标位置；
3,将合成位移分解到各个坐标方向, 得到
各个坐标轴的位置控制指令 。
插补程序的实时性
（ 五 ） 位置控制
图 4-10 位置控制算法原理
指令位置 +插补输出 +
Δ x2,Δ y2 -
-
位控输出
Δ x3,Δ y3+ X2新, Y2新
实 际 位 置 增
量 Δ x1,Δ y1
实际位置
X1新, Y1新X2旧, Y2旧
X1旧, Y1旧
+
+
-
1,计算新的指令坐标位置
X2新 = X2旧 + Δx2
Y2新 = Y2旧 + Δy2
2,计算实际坐标位置
X1新 = X1旧 + Δx1
Y1新 = Y1旧 + Δy1
3,计算位置控制输出值
Δx3 = X2新 - X1新
Δy3 = Y2新 – Y1新
位置控制是强实时性任务，所有计算必须在位置控制
周期（伺服周期）内完成。伺服周期可以等于插补周
期，也可以是插补周期的整数分之一。
二,数控软件的特点
（ 一 ） 多任务与并行处理技术
1,数控装置的多任务性
图 4-11 数控装置的任务
数控装置
管 理 控 制
输
入
I/O
处
理
显
示
诊
断
通
讯
速
度
处
理
刀
具
补
偿
译
码
插
补
位
置
控
制
这些任务中有些可以顺序执行, 有些必须同时执行,
如：
（ 1） 显示和控制任务必须同时执行, 以便操作人员
及时了解机床运行状态；
（ 2） 在加工过程中, 为使加工过程连续, 译码, 刀
补, 插补和位置控制模快也必
须同时进行 。
2,多任务并行处理的实现
（ 1） 资源分时共享
图 4-12 分时共享多任务处理方案
优
先
级
顺
序
显示
其它 译码
I/ O 刀补
位置控制
插补运算
背景程序
背景程
序
初始化
图 4-13 各任务占用 CPU时间示意图
0ms 4ms 8ms 12ms 16ms
位置控
制
插补运
算
背景程
序
（ 2） 时间重叠流水处理
图 4-14 时间重叠流水处理示意图
1 2 3 4
1 2 3 4
1 2 3 41 2 3 4
1 2 3 4
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 时间 t1 t2 t3 t4 t5 t6 时间
a） 顺序处理 b） 并行处理
空间
N3
N2
N1
空间
N2
N1
输出
输出
三, 数控软件的基本结构
（ 一 ） 前后台型结构模式
图 4-15 前后台程序的运行关系
故障处理；
位置控制；
插补运算；
．．．
译码；
刀补；
速度处理；
输入 /输出；
显示 。
循环执行
后台程序
前台程序
中断执行
（ 二 ） 中断型结构模式
中断型结构的数控软件系统见图 4-16。
图 4-16 中断型结构的数控软件系统
初 始 化
中 断 管 理 系 统 （ 硬件 +软件 ）
0 级中
断
服务
程序
1 级中
断
服务
程序
2 级中
断
服务
程序
N级中
断
服务
程序
第四节 数控装置的输入 /输出接口
一, 接口标准化
二, 接口的任务
1,进行电平和功率放大 。
2,将数控装置和机床之间的信号在电气上加以隔
离 。
3,数 /模 （ D/A） 或模 /数 （ A/D） 转换电路 。
抗衰减和畸变 。
主轴
驱动电机
数控装置
Ⅰ
接
口
分 Ⅱ
类
Ⅲ
Ⅳ
电机速度控制
进给
主轴驱动
机床
坐标轴
进给电机
操作面板
限位开关
机电器件
（ 电磁铁, 离合
器等 ）
辅助功能 （ 齿
轮箱, 转台, 换
刀装置等 ）
辅助电机
机床控制设备
控制装置
电源控制
（ 变压器, 保护
装置等 ）
速度
Vx, Vy, Vz
电源
位置测量
传感器激励
位置指示电源
连锁
停止命令
开 /关指令
信号
三, 常用的输入输出接口
1,直流模拟信号接口
a)单极性输出 b)双极性输出
图 4-18 AD7520电压输出电路
+5V +5V
2,2k 2.2k
100
0.1u
4,7u
100
a)斯密特触发电路 b) R—S触发器整形电路
图 4-20 消除触点抖动的电路
斯密特
触发器
CNC
接收器 +5V
电平转换电
路
以电压输入的接收电路见图 4-21。
MT
电压
输入
接收器 +5V
图 4-21 电压输入的接收电路
+24V +24V
输出
CNC
a)继电器输出 b)无触点
输出
图 4-22 输出接口电路
CNC CNC
3、数控装置的通信接口
输入文件名
初始化 8520
输入文件名
输入文件名
字符？
DC1？
DC3？
结束？
结束
第五节 PLC控制
一, PLC的基本概念
1,RLC与 PLC
CW T1
Stop
T1
CCW
T2
T2
图 4-24 实现主轴正反转及停止控制的继电器逻辑电路
现代数控系统中采用可编程逻辑控制器
（ Programmable Logic Controller--PLC）来实现开关
量及其逻辑关系的控制。 PLC是由计算机简化而来的，
为了适应顺序控制的要求,PLC省去了计算机的一些
数字运算功能，强化了逻辑运算功能，是一种介于继
电器控制和计算机控制之间的自动控制装置。 PLC的
最大特点是，其输入输出量之间的逻辑关系是由软件
决定的，因此改变控制逻辑时，只要修改控制程序即
可，是一种柔性的逻辑控制装置。另外 PLC能够控制
的开关量数量要比 RLC多，能实现复杂的控制逻辑。
由于减少了硬件线路，控制系统的可靠性大大提高。
2,数控装置中的 PLC
数控装置中的 PLC有两种类型：内装型 PLC和独立
型 PLC。 内装型 PLC是指 PLC包含在数控装置当中,
PLC与数控功能模块间的信号传送在数控装置内部实
现, PLC与机床间的信号传送则通过输入 /输出接口电
路实现, 如图 4-25所示 。
图 4-25 内装型 PLC结构图
NC
PLC I/O
电路
伺服驱动单元
主轴驱动单元
强电电路
机床操作面
板
MDI/CRT 面
板
伺服驱动单元
主轴驱动单元
辅 助
动 作
独立型 PLC又称通用型 PLC，的 CPU、系统程序、用
户程序、输入 /输出电路、通讯等均设计成独立的模块。
独立型 PLC与数控装置的关系如图 4-26
图 4-26 独立型 PLC结构图
N
C
PL
C
伺服驱动单
元
主轴驱动单
元
强电电路
机床操作面
板
MDI/CRT
面板
伺服驱动单
元
主轴驱动单
元
辅 助
动 作
DI
/D
O
电
路
DI
/D
O
电
路
DI
/D
O
电
路
二, PLC编程的基本方法
由于 PLC的硬件结构不同, 功能也不尽相
同, 程序的表达方法也不同 。 可编程序逻辑控
制器的常用编程方法有接点梯形图法和语句表
法 。
1,接点梯形图
梯形图 （ LC—Ladder Diagram） 编程是一
种图形编程方法, 由于用了电路元件符号来表
示控制任务, 与传统的继电器电路图很相似,
因此梯形图很直观, 易于理解 。 前面提到的电
机正反转控制的梯形图程序如图 4-27所示 。
R1
支路 1 1.0 A E 梯级 1
支路 2 120.1 1.2 120.1
支路 3 1,1 B E R2
梯级 2
1.2 120.2
支路 4 120.2
电力轨 电力
轨
图 4-27 电机正反转控制的接点梯形图
2,语句表
语句表也称指令表 （ IL—Instruction List）, 或指
令表语言 。 指令表语言和汇编语言很相似, 每条语句
包含有一个操作码部分和一个操作数部分 。 操作码表
示功能类型, 操作数表示操作的对象, 操作数由地址
码和参数组成 。 若采用指令语句, 图 4-27所示的梯形
图程序可表达为：
RD A 1.0
OR R1 120.1
AND,NOT E 1.2
WRT R1 120.1
RD B 1.1
OR R2 120.2
AND,NOT E 1.2
WRT R2 120.2
其中的 RD,OR,AND,NOT等称为指令
语句的操作码, 而 1.0,120.1,1.2等为操作数 。
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
再用编程器上的指令和功能键输入到 PLC中 。
表 4-1是常用的操作码及其涵义 。
序号 指 令 处 理 内 容
1 RD 读出给定信号的状态
2 RD,N O T 读出给定信号的非状态
3 W R T 将运算结果写入指定的地址单元
4 W R T,N O T 将运算结果的非状态写入指定的地址单元
5 AND 执行逻辑与
6 A N D,N O T 以指定的地址信号的非状态执行逻辑与
7 OR 执行逻辑或
8 O R.N O T 以指定的地址信号的非状态执行逻辑或
9 RD,S T K S T 0 内容左移,并将指定地址信号写入 S T 0
10 RD,N O T,S T K S T 0 内容左移,并将指定地址的非信号信号写入 S T 0
11 A N D,S T K 将 S T 0 和 S T 1 的内容相与,结果存于 S T 0
12 O R.S T K 将 S T 0 和 S T 1 的内容相或,结果存于 S T 0
三, PLC的工作过程
1,PLC的硬件结构
图 4-28 PLC硬件原理图
CPU
RAM
EPROM
用户程序
EPROM
用户程序
编程器
电 源 输入输出模块 功能开关和指示器
电 池
2,PLC的工作过程
PLC的工作过程是在硬件的支持下运行软件的过程 。
0000H
图 4-29 PLC的扫描过程
输入 /输出状态采集
解算梯形图
扫描 I/O口，更新输出状态
扫描编程器
更新显示
强行 I/O操作
用户程序通过编程器顺序输入到用户存储器内,
CPU对用户程序循环扫描并顺序执行 。 这是 PLC的基
本工作方式 。 图 4-29给出了 GE系列 PLC的 CPU扫描过
程 。 只要 PLC接通电源, CPU就对用户存储器的程序
进行扫描 。 扫描从 0000H地址所存储的第一条用户程
序开始, 顺序进行, 直到存储器结尾或用户程序的最
后一个地址为止, 形成一个扫描循环, 周而复始 。 每
扫描一次, 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 。 完成自检后, CPU又从存储器的
0000H地址重新开始扫描运行 。 图 4-30用一个控制实
例进一步说明行程开关 PB1被压下时 PLC的控制过程 。
（ 1） 当按钮开关 PB1压下, 输入继电器 X401的线圈接
通；
（ 2） X401常开触点闭合, 由此输出继电器 Y430通电；
（ 3） 外部输出点 Y430闭合, 指示灯 PL亮；
（ 4） 当 PB1被放开时, 输入继电器 X401的线圈不再工
作, 其对应的触点 X401断
开, 这时输出继电器 Y430仍保持接通, 这是因为 Y430的
触点接通后, 其中的一个触点起到了自锁作用；
（ 5） 当行程开关 LS1被压下时, 继电器 X403的线圈接
通, X403的常闭触点断开,
使得继电器 Y430的线圈断电, 指示灯灭, 输出继电器
Y430的自锁功能复位 。
（ 6） PB1被按下的同时, X401的另一个常开触点接通
另一个梯级, 这时若触点 M100也处于闭合状态, 定时
器通电, 到达定时器设定的时间后, 定时器断开 。
梯形图
输出继电器
X401 X403
Y430
定时器
X401 M100
X405 X407
辅助继电器
输入继电器 K10 外部
输出触点
电源
指示灯
继电器
负荷
430
430
431
431
432
432
433
~
D
Y43
0
T450
M10
0
按钮 PB1
行程开关
LS1
PB2
CO
M
400
401
402
403
404
405
407
407
X40
1
X40
33
X40
5
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第一节 概 述
一, 数控装置的作用
数控装置的主要作用是, 读入数控加工程序, 将
其转换成控制机床运动和辅助功能要求的格式, 分别
送给进给电机控制单元, 主轴电机控制单元和 PLC，
具有内置 PLC功能的数控装置本身具有逻辑量解算功
能, 直接将解算结果送给机床强电控制系统 。 具有闭
环控制功能的数控系统还会读入机床位置检测装置发
出的实际位置信号, 与指令位置比较后, 用其差值控
制机床的移动, 可以获得较高的位置控制精度 。
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二, 数控装置软件和硬件的功能界面
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ 硬件 软件
Ⅳ
图 4-1 几种典型的软硬件界面的划分
程序
输
入
数据
处理
插
补
位
控
速
控
伺服
电机
测量
软硬件功能界面问题：哪些功能由软件来实现,
哪些功能由硬件来实现, 或怎样确定软件和硬件在数
控装置中所承担的任务 。
四种功能界面的划分, 代表了不同时期的数控装
置产品 。 数控装置发展的趋势是软件承担的任务越来
越多 。 这主要是由于计算机的运算处理能力不断增强,
使软件运行的速度大大提高的结果 。 这种趋势并不是
一成不变的, 随着电子技术的发展, 硬件的成本也在
不断降低, 如果硬件的制造可以做到象软件一样灵活,
能够根据特殊需求, 专门制做的时候, 硬件所担负的
功能还会逐步增加 。
第二节 数控装置的硬件结构
一, 由单片机组成的数控装置
二, 单微处理机数控装置
图 4-3 单微处理机数控装置的结构图
CPU
纸带机
接口
RS232
接口
CRT/M
DI接口
手摇轮
接口
ROM
接口
RAM
接口
PLC
接口
位控
单元
位控
单元
位控
单元
主轴
单元
D/A D/A D/A D/A
速度
单元
速度
单元
速度
单元
速度
单元
M M M M
MST
功能
图 4-4 数控装置的物理结构（ FANUC-6MB）
三,基于网络的数控装置
图 4-5 基于网络的数控系统结构图
数控装置各功能模块间的通讯是按照 SERCOS
（ Serial Communication System）协议进行的。图 4-
7表示了 SERCOS协议通讯的原理。由一个控制器和
若干个伺服驱动器构成通讯回路。通讯以循环方式进
行，每个循环的时间可设定为 62μs,125μs,250μs或
其整数倍。循环时间的长短以保证控制器和伺服驱动
器间的同步通讯为前提。图中的 Master表示运动控制
器,Slave i表示连接在控制环路中的第 i个伺服驱动器，
MST表示同步信息,ATi表示第 i个伺服驱动器发送的
数据,MDT为控制器发送到网络上的数据。
驱动器数 /光纤环
42
21
2 4 6 通讯周期
图 4-6 每个光纤环路能控制的驱动器个数
66
图 4-7 SERCOS通讯原理
控制器和伺服驱动器间的通讯包括三种情况：
1,控制器发出同步信息, 各伺服驱动器以此
同步信息为保证同步通讯的时间基准；
2,控制器向环路中的所有伺服驱动器发送
同步数据 （ Cycle Data） 和伺服数据 （ Serve
Data） ；
3,伺服驱动器将要发送的数据送到相应的
时间槽 （ Time Slots） 。 通讯按照 NRZI编码的
HDLC协议进行 。
第三节 数控软件
一,数控软件的数据转换流程
图 4-8 数控装置软件的数据转换流程
加工程序
译
码
刀补
处理
速度控
制
插补处
理
位
置
控
制
伺服驱
动
PLC 控
制
位置反
馈
译码缓冲区 刀补缓冲区 运行缓冲区
（ 一 ） 译码
译码就是把用 ASCⅡ 码编写的零件加工程序翻译成数
控系统要求的数据格式, 并存
放到译码缓冲区中, 准备为后续程序使用 。 译码后的数
据有两种存放格式 。
1,不按字符格式的存放方法
M03 G03 X100,Y50,I0 J50,F100.；
高 4 位 低 4 位 说明
1 3 G 03
2 3 M 03
100 X 值
50 Y 值
0 Z 值
0 I 值
50 J 值
0 K 值
100 F 值
图 4-9 不按字符格式的译码数据存放格式
2,保留字符格式的存放方法
Struct PROG_BUFFER{char buf_state； //0：空，
1：有数据
int block_num； //程序段号
double COORD[20]； //尺寸字的数值，单位为 μm
int F,S； //进给速度和主轴速度
char G_flag； //以标志形式存放的 G指令
char G1； //G指令表
...
char M_flag； //以标志形式存放的 M指令
char M1； //M指令表
...
char T； //刀具代号
char D； //刀具半径值
}；
（ 二 ） 刀补
刀补处理程序主要进行以下几项工作：
1,计算本段零件轮廓的终点坐标值；
2,根据刀具的半径值和刀具补偿方向, 计算出本
段刀具中心轨迹的终点位置；
3,根据本段和下一段的转接关系进行段间处理 。
（ 三 ） 速度预处理
速度预处理程序主要完成以下几步计算：
1,计算本程序段总位移量
2,计算每个插补周期内的合成进给量
ΔL=FΔt/60（ μm）
式中, F — 进给速度值 （ mm/min） ；
Δt — 数控系统的插补周期 （ ms） 。
（ 四 ） 插补处理
1,根据速度倍率值计算本次插补周期的实
际合成位移量；
2,计算新的坐标位置；
3,将合成位移分解到各个坐标方向, 得到
各个坐标轴的位置控制指令 。
插补程序的实时性
（ 五 ） 位置控制
图 4-10 位置控制算法原理
指令位置 +插补输出 +
Δ x2,Δ y2 -
-
位控输出
Δ x3,Δ y3+ X2新, Y2新
实 际 位 置 增
量 Δ x1,Δ y1
实际位置
X1新, Y1新X2旧, Y2旧
X1旧, Y1旧
+
+
-
1,计算新的指令坐标位置
X2新 = X2旧 + Δx2
Y2新 = Y2旧 + Δy2
2,计算实际坐标位置
X1新 = X1旧 + Δx1
Y1新 = Y1旧 + Δy1
3,计算位置控制输出值
Δx3 = X2新 - X1新
Δy3 = Y2新 – Y1新
位置控制是强实时性任务，所有计算必须在位置控制
周期（伺服周期）内完成。伺服周期可以等于插补周
期，也可以是插补周期的整数分之一。
二,数控软件的特点
（ 一 ） 多任务与并行处理技术
1,数控装置的多任务性
图 4-11 数控装置的任务
数控装置
管 理 控 制
输
入
I/O
处
理
显
示
诊
断
通
讯
速
度
处
理
刀
具
补
偿
译
码
插
补
位
置
控
制
这些任务中有些可以顺序执行, 有些必须同时执行,
如：
（ 1） 显示和控制任务必须同时执行, 以便操作人员
及时了解机床运行状态；
（ 2） 在加工过程中, 为使加工过程连续, 译码, 刀
补, 插补和位置控制模快也必
须同时进行 。
2,多任务并行处理的实现
（ 1） 资源分时共享
图 4-12 分时共享多任务处理方案
优
先
级
顺
序
显示
其它 译码
I/ O 刀补
位置控制
插补运算
背景程序
背景程
序
初始化
图 4-13 各任务占用 CPU时间示意图
0ms 4ms 8ms 12ms 16ms
位置控
制
插补运
算
背景程
序
（ 2） 时间重叠流水处理
图 4-14 时间重叠流水处理示意图
1 2 3 4
1 2 3 4
1 2 3 41 2 3 4
1 2 3 4
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 时间 t1 t2 t3 t4 t5 t6 时间
a） 顺序处理 b） 并行处理
空间
N3
N2
N1
空间
N2
N1
输出
输出
三, 数控软件的基本结构
（ 一 ） 前后台型结构模式
图 4-15 前后台程序的运行关系
故障处理；
位置控制；
插补运算；
．．．
译码；
刀补；
速度处理；
输入 /输出；
显示 。
循环执行
后台程序
前台程序
中断执行
（ 二 ） 中断型结构模式
中断型结构的数控软件系统见图 4-16。
图 4-16 中断型结构的数控软件系统
初 始 化
中 断 管 理 系 统 （ 硬件 +软件 ）
0 级中
断
服务
程序
1 级中
断
服务
程序
2 级中
断
服务
程序
N级中
断
服务
程序
第四节 数控装置的输入 /输出接口
一, 接口标准化
二, 接口的任务
1,进行电平和功率放大 。
2,将数控装置和机床之间的信号在电气上加以隔
离 。
3,数 /模 （ D/A） 或模 /数 （ A/D） 转换电路 。
抗衰减和畸变 。
主轴
驱动电机
数控装置
Ⅰ
接
口
分 Ⅱ
类
Ⅲ
Ⅳ
电机速度控制
进给
主轴驱动
机床
坐标轴
进给电机
操作面板
限位开关
机电器件
（ 电磁铁, 离合
器等 ）
辅助功能 （ 齿
轮箱, 转台, 换
刀装置等 ）
辅助电机
机床控制设备
控制装置
电源控制
（ 变压器, 保护
装置等 ）
速度
Vx, Vy, Vz
电源
位置测量
传感器激励
位置指示电源
连锁
停止命令
开 /关指令
信号
三, 常用的输入输出接口
1,直流模拟信号接口
a)单极性输出 b)双极性输出
图 4-18 AD7520电压输出电路
+5V +5V
2,2k 2.2k
100
0.1u
4,7u
100
a)斯密特触发电路 b) R—S触发器整形电路
图 4-20 消除触点抖动的电路
斯密特
触发器
CNC
接收器 +5V
电平转换电
路
以电压输入的接收电路见图 4-21。
MT
电压
输入
接收器 +5V
图 4-21 电压输入的接收电路
+24V +24V
输出
CNC
a)继电器输出 b)无触点
输出
图 4-22 输出接口电路
CNC CNC
3、数控装置的通信接口
输入文件名
初始化 8520
输入文件名
输入文件名
字符？
DC1？
DC3？
结束？
结束
第五节 PLC控制
一, PLC的基本概念
1,RLC与 PLC
CW T1
Stop
T1
CCW
T2
T2
图 4-24 实现主轴正反转及停止控制的继电器逻辑电路
现代数控系统中采用可编程逻辑控制器
（ Programmable Logic Controller--PLC）来实现开关
量及其逻辑关系的控制。 PLC是由计算机简化而来的，
为了适应顺序控制的要求,PLC省去了计算机的一些
数字运算功能，强化了逻辑运算功能，是一种介于继
电器控制和计算机控制之间的自动控制装置。 PLC的
最大特点是，其输入输出量之间的逻辑关系是由软件
决定的，因此改变控制逻辑时，只要修改控制程序即
可，是一种柔性的逻辑控制装置。另外 PLC能够控制
的开关量数量要比 RLC多，能实现复杂的控制逻辑。
由于减少了硬件线路，控制系统的可靠性大大提高。
2,数控装置中的 PLC
数控装置中的 PLC有两种类型：内装型 PLC和独立
型 PLC。 内装型 PLC是指 PLC包含在数控装置当中,
PLC与数控功能模块间的信号传送在数控装置内部实
现, PLC与机床间的信号传送则通过输入 /输出接口电
路实现, 如图 4-25所示 。
图 4-25 内装型 PLC结构图
NC
PLC I/O
电路
伺服驱动单元
主轴驱动单元
强电电路
机床操作面
板
MDI/CRT 面
板
伺服驱动单元
主轴驱动单元
辅 助
动 作
独立型 PLC又称通用型 PLC，的 CPU、系统程序、用
户程序、输入 /输出电路、通讯等均设计成独立的模块。
独立型 PLC与数控装置的关系如图 4-26
图 4-26 独立型 PLC结构图
N
C
PL
C
伺服驱动单
元
主轴驱动单
元
强电电路
机床操作面
板
MDI/CRT
面板
伺服驱动单
元
主轴驱动单
元
辅 助
动 作
DI
/D
O
电
路
DI
/D
O
电
路
DI
/D
O
电
路
二, PLC编程的基本方法
由于 PLC的硬件结构不同, 功能也不尽相
同, 程序的表达方法也不同 。 可编程序逻辑控
制器的常用编程方法有接点梯形图法和语句表
法 。
1,接点梯形图
梯形图 （ LC—Ladder Diagram） 编程是一
种图形编程方法, 由于用了电路元件符号来表
示控制任务, 与传统的继电器电路图很相似,
因此梯形图很直观, 易于理解 。 前面提到的电
机正反转控制的梯形图程序如图 4-27所示 。
R1
支路 1 1.0 A E 梯级 1
支路 2 120.1 1.2 120.1
支路 3 1,1 B E R2
梯级 2
1.2 120.2
支路 4 120.2
电力轨 电力
轨
图 4-27 电机正反转控制的接点梯形图
2,语句表
语句表也称指令表 （ IL—Instruction List）, 或指
令表语言 。 指令表语言和汇编语言很相似, 每条语句
包含有一个操作码部分和一个操作数部分 。 操作码表
示功能类型, 操作数表示操作的对象, 操作数由地址
码和参数组成 。 若采用指令语句, 图 4-27所示的梯形
图程序可表达为：
RD A 1.0
OR R1 120.1
AND,NOT E 1.2
WRT R1 120.1
RD B 1.1
OR R2 120.2
AND,NOT E 1.2
WRT R2 120.2
其中的 RD,OR,AND,NOT等称为指令
语句的操作码, 而 1.0,120.1,1.2等为操作数 。
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
再用编程器上的指令和功能键输入到 PLC中 。
表 4-1是常用的操作码及其涵义 。
序号 指 令 处 理 内 容
1 RD 读出给定信号的状态
2 RD,N O T 读出给定信号的非状态
3 W R T 将运算结果写入指定的地址单元
4 W R T,N O T 将运算结果的非状态写入指定的地址单元
5 AND 执行逻辑与
6 A N D,N O T 以指定的地址信号的非状态执行逻辑与
7 OR 执行逻辑或
8 O R.N O T 以指定的地址信号的非状态执行逻辑或
9 RD,S T K S T 0 内容左移,并将指定地址信号写入 S T 0
10 RD,N O T,S T K S T 0 内容左移,并将指定地址的非信号信号写入 S T 0
11 A N D,S T K 将 S T 0 和 S T 1 的内容相与,结果存于 S T 0
12 O R.S T K 将 S T 0 和 S T 1 的内容相或,结果存于 S T 0
三, PLC的工作过程
1,PLC的硬件结构
图 4-28 PLC硬件原理图
CPU
RAM
EPROM
用户程序
EPROM
用户程序
编程器
电 源 输入输出模块 功能开关和指示器
电 池
2,PLC的工作过程
PLC的工作过程是在硬件的支持下运行软件的过程 。
0000H
图 4-29 PLC的扫描过程
输入 /输出状态采集
解算梯形图
扫描 I/O口，更新输出状态
扫描编程器
更新显示
强行 I/O操作
用户程序通过编程器顺序输入到用户存储器内,
CPU对用户程序循环扫描并顺序执行 。 这是 PLC的基
本工作方式 。 图 4-29给出了 GE系列 PLC的 CPU扫描过
程 。 只要 PLC接通电源, CPU就对用户存储器的程序
进行扫描 。 扫描从 0000H地址所存储的第一条用户程
序开始, 顺序进行, 直到存储器结尾或用户程序的最
后一个地址为止, 形成一个扫描循环, 周而复始 。 每
扫描一次, 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 。 完成自检后, CPU又从存储器的
0000H地址重新开始扫描运行 。 图 4-30用一个控制实
例进一步说明行程开关 PB1被压下时 PLC的控制过程 。
（ 1） 当按钮开关 PB1压下, 输入继电器 X401的线圈接
通；
（ 2） X401常开触点闭合, 由此输出继电器 Y430通电；
（ 3） 外部输出点 Y430闭合, 指示灯 PL亮；
（ 4） 当 PB1被放开时, 输入继电器 X401的线圈不再工
作, 其对应的触点 X401断
开, 这时输出继电器 Y430仍保持接通, 这是因为 Y430的
触点接通后, 其中的一个触点起到了自锁作用；
（ 5） 当行程开关 LS1被压下时, 继电器 X403的线圈接
通, X403的常闭触点断开,
使得继电器 Y430的线圈断电, 指示灯灭, 输出继电器
Y430的自锁功能复位 。
（ 6） PB1被按下的同时, X401的另一个常开触点接通
另一个梯级, 这时若触点 M100也处于闭合状态, 定时
器通电, 到达定时器设定的时间后, 定时器断开 。
梯形图
输出继电器
X401 X403
Y430
定时器
X401 M100
X405 X407
辅助继电器
输入继电器 K10 外部
输出触点
电源
指示灯
继电器
负荷
430
430
431
431
432
432
433
~
D
Y43
0
T450
M10
0
按钮 PB1
行程开关
LS1
PB2
CO
M
400
401
402
403
404
405
407
407
X40
1
X40
33
X40
5
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