第三章 CNC装置及其接口第一节 CNC装置的功能第二节 CNC装置的硬件结构第三节 CNC装置的软件结构第四节 可编程控制器（ PLC）
第五节 CNC装置的接口电路
CNC系统和 CNC装置
CNC系统：数控装置、伺服系统,PLC
CNC装置硬件组成,CPU、存储器,I/O接口
CNC装置应该具备以下一些功能：
(1)控制坐标轴运动 /联动的功能。
(2)准备功能，也称 G功能。
(3)插补功能。
(4)进给控制功能。
(5)主轴控制功能。
(6)辅助控制功能。。
(7)选刀及工作台分度功能。
(8)固定循环功能。
(9)补偿功能。
(10)字符、图形显示功能。
(11)诊断功能。
(12)通信功能。
(13)在线自动编程功能。
核心功能
[5]
可选功能
CNC装置的工作过程一、单微处理器结构与多微处理器结构 CNC装置二,专用 CNC装置与开放式 CNC装置第二节 CNC装置的硬件结构
CNC装置的硬件构成
CNC装置的硬件主要由中央处理单元、各类存储器、
输入输出接口、位置控制以及其它各类接口组成。
各组成部分的作用如下：
㈠ 中央处理单元 (CPU) 它的作用是实施对整个系统的运算、
控制和管理。
㈡ 存储器 存储器是用来储存系统软件、零件加工程序以及运算的中间结果等。
㈢ 位置控制 主要完成与伺服系统之间的信息交换。
㈣ 输入输出接口 主要用来交换数控装置与外部之间的往来信息。
㈤ MDI/CRT接口 完成手动数据输入和将信息显示在 CRT上。
CNC装置硬件构成
CPU
EPROM RAM
输入接口输出接口
MDI
CRT
接口位置控制接口其它接口磁带或磁盘机接 口总线
（一）单微处理器结构 CNC装置在单微处理器结构的 CNC装置中，只有一个微处理器，
因此多采用 集中控制，分时处理 的方式完成数控机床的各项任务。
有的 CNC装置虽然有两个或两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制系统总线资源，而其它微处理器不能控制系统总线，不能访问主存储器，只能成为一个专用的智能部件，他们组成主从结构，故也属于单微处理器结构。
一、单微处理器结构与多微处理器结构 CNC装置图 3-5 单微处理器 CNC装置组成框图总线
CPU
EPROM
RAM
MDI/CRT
接口
PLC
纸带阅读机接口
I/O接口位置控制穿孔机、电传机接口通信接口数控面板
CRT
纸带阅读机纸带穿孔机电传机机床速度控制单元 M
1,单微处理器 CNC装置组成硬件的作用
1） 微处理器微处理器是 CNC装置的核心,由于所有数控功能都由一个 CPU来完成,因此 CNC装置的功能受微处理器的字长,数据宽度,寻址能力和运算速度等因素的限制 。
为了提高处理速度,增强数控功能,常采用以下措施：
⑴ 采用协处理器；
⑵ 由硬件完成一部分插补工作；
⑶ 采用带有微处理器的 PLC和 CRT等智能部件 。
经济型 CNC装置常采用 8位的微处理器芯片或采用单片机芯片 (8位或 16位 )作为微处理器,一般 CNC装置通常采用 16位或 32位微处理器芯片 。 现在的 CNC装置都采用 64位微处理器芯片 。
2） 总线总线是由物理导线构成，从功能上说，一般可以分为三组。
(1)数据线：这一组线为各部件之间传输数据,线的根数与传送的数据宽度相等,它总是并行地一次传送 n位宽度的一个字,采用单向线 。
(2)地址线：这一组线上传输的是地址信号,与数据线结合使用,以确定数据总线上传输的数据来源或目的地,
采用单向线 。
(3)控制线：这一组线上传输的是管理总线的某些控制信号,如数据传输的读写控制,中断复位及各种确认信号,
采用单向线 。
3） 存储器存储器是用来存放数据、参数和程序的。
(1) CNC装置的系统程序存放在只读存储器 EPROM中，即使断电，程序也不会丢失。常用的 EPROM有,2716,2732、
2764,27128,27256,27010等。
(2) 运算的中间结果存放在随机存储器 RAM中，它可以随机读写，但断电后信息随即消失。
(3) 零件加工程序、数据和参数存放在有后备电池的 RAM
中，或是磁泡存储器中，能随机读取，操作或修改并且断电后，信息仍保存。
4） PLC
PLC用以代替传统的机床强电继电器逻辑控制。通过程序实现 M,S,T功能的控制。
PLC有内装型和独立型两种。内装型 PLC是 CNC装置的一个部件，可以共享 CNC装置的 CPU，也可以配置单独的
CPU。独立型 PLC完全独立于 CNC装置，本身具有完备的硬件（ CPU,ROM,RAM等）和软件，可以独立完成规定的控制任务。
5） 位置控制模块
CNC装置中的位置控制模块与伺服驱动装置的速度控制单元、位置检测元件组成位置闭环控制系统。
位置环主要用于单个轴运动的位置控制。
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。
6） I/O接口对 CNC装置来说,由机床向 CNC传送的信号称为输入信号，
由 CNC装置向机床传送的信号称为输出信号。 I/O接口的主要类型有：
开关信号接口
模拟信号接口
标准输入输出设备接口
串行通信接口
1） CNC装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、
输入输出控制,CRT显示等功能都由它 集中控制，分时处理。
2） 微处理器通过 总线 与存储器、输入输出控制等各种接口相连，构成 CNC装置；
3）结构简单，容易实现；
4）单微处理器因为只有一个微处理器进行集中控制，
其功能将受微处理器字长、数据宽度，寻址能力和运算速度等因素限制。
2、单微处理器 CNC装置的结构特点
3、（单微处理器） CNC装置的印刷电路板方式
1）大板结构
CNC装置由 主板 和辅助功能板（卡）组成辅助功能板插在主板插槽内，受主板驱动
2）模块化结构
CNC装置由 母板 和功能模板组成功能模板插在母板插槽内，由 CNC控制板驱动其他功能模块
（二） 多微处理器结构多微处理器 CNC装置多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。
与单微处理器 CNC装置相比，多微处理器 CNC装置的运算速度有了很大提高，它更适合多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。
多微处理器 CNC装置一般采用两种结构形式,
紧耦合结构,各微处理器构成处理部件，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 。
松耦合结构,由各微处理器构成功能模块，功能模块之间采取松耦合方式，有 多重操作系统,可以有效地实现并行处理。
一、
1、多微处理器 CNC装置的 基本功能模块模块化结构的多微处理器 CNC装置中的基本功能模块一般有以下六种。
1） CNC管理模块 管理和组织整个 CNC系统的工作,主要包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软硬件诊断等功能。
2） CNC插补模块 完成插补前的预处理，如对零件加工程序的译码、刀具半径补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等，之后进行插补运算，为各个坐标提供位置给定值。
3）位置控制模块 进行位置给定值与检测器测得的位置实际值的比较，进行自动加减速，回基准点、伺服系统滞后量的监视和飘移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，驱动进给电机。
4）存储器模块 该模块为程序和数据的主存储器，或为功能模块间进行数据传送的共享存储器。
5） PLC模块 对零件加工程序中的开关功能和来自机床的信号进行逻辑处理，实现机床电气设备的起、停，刀具交换，
转台分度，加工零件和机床运转时间的计数等。
6）指令、数据的输入输出及显示模块 它包括零件加工程序、参数和数据，各种操作命令的输入输出及显示所需要的各种接口电路。
2、多微处理器 CNC装置的 典型结构
1）共享总线结构由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。
主模块，从模块，串行总线裁决，并行总线裁决。
CNC管理模块（ CPU）
主存储器模 块操作面板显示模块
CNC插补模块（ CPU）
PLC功能模块（ CPU）
位置控制模块（ CPU）
主轴控制模块总线
⒉ 共享存储器结构在这种多微处理器结构，采用 多端口存储器 来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、
地址、控制线，以供端口访问。由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。当微处理器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率。
下图为共享存储器结构框图。
插补
（ CPU2）
来自机床的控 制 信 号输到机床的控 制 信 号轴控制
（ CPU3）
I/O
CPU1
CRT
（ CPU4）
共 享存储器
3、多微处理器结构的特点为了满足高速化、复合化、智能化、系统化的要求，
现代 CNC装置多采用多微处理器结构，其主要特点是：
⒈ 多微处理器结构多采用模块化结构，具有比较好的扩展性。
⒉ 多微处理器结构的 CNC装置可提供多种选择功能,可以配置多种控制软件,因此可适用于多种机床的控制。
⒊ 系统的集成度和可靠性高。
⒋ 具有很强的通信能力,能很方便地进入 FMS,CIMS。
⒌ 能够进行多种语言显示。
二、专用 CNC装置与开放式 CNC装置
(一 )CNC装置必须开放化专用型 CNC装置采用封闭式的体系结构。其系统硬件是专用的，组成系统的功能板及其之间的连接方式都是专门设计的，与其他系统的同类型功能板相互不能通用；其系统软件的结构也是专用的，系统软件的细节对外不公开，
不能提供给用户。
由于 CNC装置的封闭性，机床制造厂家几乎不可能自主地组成、配备所需要的 CNC装置,CNC装置功能的增加和修改必须得有 CNC装置开发人员的介入。机床制造厂家更不能根据自身的需要开发适合自己应用领域的部件或引用第三厂商生产的部件。最终用户在使用、维护 CNC装置时也同样会面临这个问题。
CNC装置的开放化主要体现在：
(1)模块化
(2)标准化
(3)平台无关性
(4)可再次开发
(5)适应网络操作方式二、专用 CNC装置与开放式 CNC装置
(二 ) 开放式 CNC装置的组成方式基于 PC的 CNC装置
PC+NC形式的 CNC装置软件型一,CNC装置的控制流程二,CNC装置的多任务并行处理三,CNC装置软件的结构第三节 CNC装置的软件结构一,CNC装置的基本控制流程数控加工需要的各种控制指令,参数及加工数据通过输入设备送人 CNC装置的存储器中 。 加工时再从存储器中调出进行译码 。 译码后分成两路：低速辅助信息 (主要用于实现 M,S、
T功能 )通过 PLC处理,输出；高速轨迹信息通过预处理 (包括刀具补偿处理和进给速度处理 ),插补和位置控制,控制伺服系统实现坐标轴的协同移动 。
数控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处理位置反馈开关量控制数控软件的功能数控软件管 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
1、信息输入数控加工所需要的零件加工程序通常从 键盘、光电阅读机或通信接口输入 。由输入程序来完成。输入程序主要任务：
1）从键盘或光电阅读机将零件加工程序输人到零件 程序存储器 中；
2）将零件程序存储器中的零件加工程序送人 缓冲器 中，以便进行后续处理。
零件加工程序的存取零件加工程序在零件程序存储器中按段连续存放,段与段之间,程序与程序之间不留任何空间 。 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 。
在零件程序存储器中还设有零件程序 目录表 和存,取程序的 指针,该指针始终指向下一步应该存人或取出的单元 。
目录表一般由零件加工程序名称,在零件程序存储器中存放的起始地址和终止地址等三部分组成 。 在调用或编辑零件加工程序时,根据调用命令中指定的程序名查阅目录表 。 查不到则给出错误信息 。 查到则将该零件加工程序的起始地址和终止地址取出,存放在指定单元,然后逐段取出,直到将该零件加工程序取完为止 。
2、译码译码即是将零件加工程序转换为 CNC装置能够接受的代码：
将零件加工程序按程序段划分
解释每个程序段中的各种零件轮廓信息 (如起点,终点,
直线还是圆弧等 ),速度信息 (F代码 )和其他辅助信息 (M、
S,T代码 )等
存储解释后生成的目标代码在指定的存储区
检查程序段语法,错误报警 。
总是以程序段为单位进行
3、预处理预处理是插补运算前的预备处理 。
1） 刀具补偿处理：将零件轮廓轨迹转换成 刀具中心轨迹 。
刀具长度补偿
刀具半径补偿
2） 进给速度处理：
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 。
根据机床允许的最低速度和最高速度进行限速处理 。
4、插补
插补即是在已知起点和终点的曲线上插入,补充一些中间点,进行 数据点的密化 。
插补算法应能满足数控机床在实时控制中快速性和精确性的双重要求
目前 常用的插补算法有两种,
脉冲增量法：脉冲形式输出
数字增量法：数字量形式输出 。
5、位置控制
在闭环 (半闭环 )的 CNC系统中,位置控制由 CNC装置中的位置控制软件来完成 。
伺服控制系统还包括有速度环和电流环 。
在位置控制中,通常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等 。
6,I／ O处理
I／ O处理即是利用 PLC程序对 CNC装置与机床之间的信号输入,输出进行逻辑处理和控制 。
7,显示现代 CNC装置多采用 CRT或 LCD作为显示工具 。
显示零件加工程序,参数,刀具位置,机床状态,故障信息,加工轨迹的静态和动态图形 。
8、诊断
起动诊断 是指从系统通电至进入正常的运行准备状态一段时间内,CNC装置,内部诊断程序自动执行的诊断 。
在线诊断 也称后台诊断 (BackgroundDiagnostics),是指通过 CNC装置内装诊断程序在准备和循环运行状态期间,
对 CNC装置本身及与其连接的外部设备,伺服系统等执行的自动诊断 。 包括输入数据,程序错误的检测；操作差错的检测；与伺服系统,电动机有关的故障检测；超程检测；
电路板间连接故障的检测；机内超温检测；动态 RAM的电池电压监测等 。
离线诊断 多在 CNC装置因故障停机后进行 。 离线诊断一般由经过专门训练的人员,借助于模拟操作面板,测试用的计算机,逻辑分析仪以及专用的工程师面板,便携式测试仪器等,对 CNC装置进行检查,以便查明故障原因,精确确定故障部位 。
9、通信功能作为分布式数控系统,柔性制造系统设备层控制器,
为适应 CNC装置与上级主计算机或单元控制器间的大量数据交换的需要,要求 CNC装置：
具有一般的串行通信功能
具有网络通信功能二,CNC装置的多任务并行处理
CNC装置的系统软件必须完成管理和控制两项任务。
第三节二,CNC装置的多任务并行处理并行处理指 CNC装置同时进行管理和控制的某些工作例如：
在加工过程中，显示任务与控制任务必须同时执行
控制软件的运行中，其本身的各项处理任务也需要同时执行
译码、刀具补偿、和速度处理任务需和插补任务同时执行
插补任务又需和位置控制任务同时进行双箭头表示任务之间有并行处理关系多任务并行处理的实现
（ 1） 资源分时共享
0ms 4ms 8ms 12ms 16ms
位置控制插补运算背景程序各任务占用 CPU时间示意图
（ 2） 时间重叠流水处理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
输出输出第三节三,CNC装置的软件结构常见的 CNC装置软件结构：
前后台式软件结构
中断式软件结构
㈠ 前后台式软件结构前后台式软件结构适合于采用集中控制的单微处理器结构的 CNC装置。
前台程序为实时中断程序，承担了几乎全部的实时功能，
这些功能都与机床动作直接相关，如位置控制、插补、辅助功能处理、监控等。
后台程序主要用来完成准备工作和管理工作，包括输入、
译码、插补准备及管理，通常称为背景程序。背景程序是一个循环运行程序前后台型结构模式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。
背景程序通过设置标志来达到对实时中断程序的管理和控制。
㈡ 中断式软件结构中断式软件结构没有前后台之分，除了初始化程序外，
把控制程序安排成不同级别的中断服务程序，整个软件是一个大的多重中断系统。 调度管理 功能主要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 CNC装置。
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级中断服务程序例,FUNUC 7系统第四节 可编程控制器（ PLC）
一,PLC的组成、工作原理和特点
(一 )PLC定义
(二 )PLC分类二,PLC在数控机床中的应用三,PLC在机械制造中应用简述一,PLC的组成、工作原理和特点
PLC定义国际电工委员会 (1EC)颁布了可编程序控制器的国际标准草案,对 PLC做如下定义：
,可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统 。 它采用可编程序的存储器,
用来在其内部存储执行 逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术运算等操作的指令,并通过 数字式,模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械设备和生产过程,可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计 。,
工作过程及特点：
特点：可靠性高，性价比高可实现网络控制直接驱动能力强工作过程：循环扫描输入信号，在用户程序控制下，产生输出信号。
PLC的功能和特性指标有：
I／ O点数 (总的 I／ O点数,最多开关量 I／ O
点数,最多模拟量 I／ O点数 )
微处理器 (CPU)
扫描速度
存储器类型和容量
指令及功能
编程语言
接口模板类型等 。
PLC分类根据 I／ O点数多少，存储器容量的大小，指令与功能的多少和 高低，综合地划分其类别，有小型 PLC、中型
PLC,大型 PLC。
1．按 I／ O点数及存储器容量分类
2．按 I／ O点数的总数分类
1．按 I／ O点数及存 储 器容量分 类
(1)小型 PLC。最多 I／ O点数 为 40／ 40，
用 户 存 储 器容量 1 KB。
(2)中型 PLC。 最多 I／ O点数 为 128／ 128，
用 户 存 储 器容量 4KB。
(3)大型 PLC。 I／ 0的点数为 128/>128，
用户存储器容量 >4KB。
2．按 I／ O点数的总数分类
(1)微型 PLC。
I／ O总点数为 20-64点,后上移到 128点 。
(2)小型 PLC。
I／ O总点数为 65— 128点,后上移到 512点 。
(3)中型 PLC。
I／ O总点数为 129— 512点,后上移到 2048点 。
(4)大型 PLC。
I／ O总点数为 513— 1 024点,后上移到 8 192点 。
(5)超大型 PLC。
I／ O总点数 >1024点，后上移到 >8192点。
(一 )PLC的组成
1,PLC硬件
PLC是由中央处理单元 (CPU),存储器,输入／输出单元 (模块 ),编程器,电源和外部设备组成 。 PLC一般都采用总线结构,其硬件设备是通用的 。
较大 PLC的硬件框图
(1)中央处理单元 (CPU)
中央处理单元是 PLC的主要部分,是系统的核心 。 它通过输入模块 (板 )将现场的外设状态读人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 。
PLC常用的中央处理单元为通用微处理器,单片机或位微处理器 。 在小型 PLC中,大多采用 8位微处理器和单片微机；在中型 PLC中,大多采用 16位微处理器和单片微机,
并为双微处理器系统,一个字处理器和一个位处理器,采用主从关系的结构；在大型 PLC中,大多采用高速位片机和多微处理器系统,字处理器都为 16位或 32位的 。
(2)存储器由 PROM,EPROM及 RAM三种组成，主要用于存放系统程序、
用户程序和工作数据。
系统程序是指控制和完成 PLC各种功能的程序 。 它包括监控程序,模块化应用功能子程序,指令解释程序,故障自诊断程序和各种管理程序等,用 PROM存储器存储 。
用户程序是指使用 PLC的厂家,根据工程现场的生产过程和工艺要求而编写的应用程序 。 用户程序存储器常用
CMOS RAM,并用锂电池进行掉电保护 。 不经常变动的用户程序,可固化 EPROM模块 (盒 )中,中 。
工作数据是 PLC机在应用过程中经常变化,经常存取的一些数据,一般不需长久保持 。 因此,这部分数据的存储都选用 RAM
(3)输人／输出 (I／ O)模块
I／ O模块是 CPU与现场 I/O装置或其他外部设备的连接部件 。
将现场信号转换成 PLC机内部的信号
使 PLC内部信号电子与外部执行元件相匹配
I/O模块的特点是：
① 提供了选择性强的 I/O模块 (板 )。
② I/O模板抗干扰能力强
③ I／ 0状态直观并便于拆装
④ I／ O模板可靠性高,价格低廉,便于维修 。
典型 I／ O接口模板常用的 PLC I／ O接口分开关量 (包括数字量 )和模拟量
I／ O两类 。 每一类又区分为输入接口和输出接口：
①直流开关量输人模板。
② 直流开关量输出模板 。
③ 交流开关量输人模板 。
④ 交流开关量输出模板 。
⑤ 继电器输出模板 。
⑥ 模拟量输入模板 。
⑦ 模拟量输出模板 。
(4)编程器
PLC的编程器是用来开发,调试,运行应用程序的特殊工具 。 一般由键盘,显示屏,智能处理器,外部设备 (如软盘,硬盘驱动器 )等组成 。 通过通信接口与 PLC相连 。
编程器主要功能有：
① 作为编程和开发应用程序的工具 。
② 是与 PLC进行人 — 机对话的媒介 。
③ 是介 入 PLC和过程控制的手段 。
(5)扩展接口扩展接口是为 PLC中心单元与扩展单元或者扩展单元之间的连接用的,以扩展 PLC的规模 。
(6)智能 I／ 0模板智能 I／ 0模板是指模板自身有单独的 CPU,能够完成某种专用功能 。 它可以接受 PLC主 CPU的命令,通过驻留在模板上的程序或软件功能块,完成主 CPU所要求的工作 。 它和主 CPU是平行作业的,大大提高了 PLC的运行速度和效率 。
(7)电源电源单元负责将外部提供的交流电转变为 PLC内部所需要的直流电
PLC的内部电源一般要求有三路输出
一路供 CPU模板,
一路供编程接口
一路供 各种智能模板
PLC的基本软件包括 系统软件 和用户 应用软件 。
系统软件决定 PLC的功能 。 PLC的硬件通过基本软件实现对被控对象的控制 。 系统软件一般包括,操作系统,语言编译系统,各功能软件等 。
用户应用软件大多采用 梯形图语言 。 梯形图与继电器电气控制线路图相似 。
2,PLC的硬件和软件 -软件编程方法：
接点梯形图法
语句表法
控制流程图法
(二 )PLC的工作原理
PLC采用 循环 (巡回 )扫描方式工作,中,大型 PLC增加了中断工作方式 。
固定顺序循环扫描
可变顺序循环扫描扫描过程
1．自诊断
2,与编程器进行信息交换
3,与网络进行信息交换
4,用户程序
5,超时间差
6,出错显示,停机
4．用户程序扫描过程
(1)采集输入信号。
(2)执行用户程序。
(3)控制输出状态。
(三 )PLC的功能和特点
1,PLC可以完成的功能
(1)逻辑控制。 PLC设置有与、或、非等逻辑指令，具有逻辑运算功能，
能描述继电器触点的串联、并联、串并联各种连接，因此可以代替继电器进行顺序逻辑与组合逻辑控制。
(2)计数控制。 PLC为用户提供足够多的计数器，并设置有计数指令。计数值可通过编程设定，并可在运行中被读出或修改。
(3)定时功能。 PLC为用户提供足够多的定时器，并设置有定时指令。定时的长短可通过编程设定，并可在运行中被读出或修改。
(4)步进控制。 PLC为用户提供多个移位寄存器或设置有步进指令，以用于步进控制。步进控制亦即顺序控制。
(5)A／ D,D／ A转换。通过 A／ D,D／ A转换以实现对模拟量的控制与调节。
(6)数据处理。有的 PLC设置有并行运算指令，可以进行数据的并行传送、
比较和逻辑运算。
(7)通信与联网。配有通信的 PLC可以进行远程 I／ O控制，多台 PLC之间可以进行同位链接，也可以与计算机或 PLC进行上位链接，可以由一台计算机和多台 PLC组成分布式控制网络，以完成较大规模的复杂的控制。
(8)对控制系统监控。 PLC都配置有较强的监控功能，能记忆某些异常事件。当发生异常时能自动终止运行，并显示异常信息。
(三 )PLC的功能和特点
2,PLC的特点
(1)可靠性高,适用于工业现场环境 。
① 硬件措施主要有：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等 。
② 软件措施主要有：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,PLC采用梯形图编程 。
(3)控制程序可变,具有很好的柔性 。
(4)直接带负载能力强 。
(5)便于实现机电一体 。
(6)通信,网络技术趋于标准化,利于实现计算机网络控制 。
二,PLC在数控机床中的应用
PLC作用,主要 是协助 CNC装置实现机床低速 辅助动作的控制
S,M,T 指令
(一 )数控机床用 PLC的类型
1．内装型 PLC
2．独立型 PLC
(二 )数控机床用 PLC的工作方式内装型 PLC
独立型 PLC
(二 )数控机床用 PLC的工作方式数控机床用 PLC作为数控机床的有机组成部分,其工作方式必须与数控机床的动作方式相协调 。 数控机床用 PLC要按照数控机床的动作要求,编制特定的 PLC程序,进行顺序控制,并连续工作 。
顺序控制 -按照梯形图给定的顺序进行工作
连续工作 -会自动返回到程序起始处,重复执行数控机床用 PLC的顺序程序分为高级顺序程序和低级顺序程序
(三 )数控机床用 PLC程序设计一般按以下过程来设计机床的 PLC控制程序。
(1)确定从机床输入到 PLC的信号以及从 PLC输出到机床的信号。
(2)根据所控制的机床，估算所用 PLC存储器的容量。
(3)选用适配的 PLC。
(4)制作 PLC地址表。
(5)制作梯形图。
(6)编写顺序程序。
(7)写入顺序程序。
(8)调试顺序程序。
三,PLC在机械制造中应用简述
（ 一 ） PLC的应用类型
1．顺序控制和开关逻辑控制类型
2,闭环过程控制类型
3,组合数字控制类型
4,组成多级控制系统类型
5,控制机器人的类型三,PLC在机械制造中应用简述
（ 二 ） PLC在位置控制中的应用辅助坐标的点位运动控制第五节 CNC装置的接口电路一、机床 I/O接口二、标准输入输出设备接口三、串行数据通信及接口一、机床 I/O接口
(一 )光电耦合器
(二 )簧式继电器
(三 )固态继电器 (SSR)
(四 )接口驱动电路作用,隔离，电平转换，功率放大
(一 )光电耦合器
(1)光电耦合器用光传递信号,输入与输出在电气上完全 隔离,抗干扰能力强,特别是抗电磁干扰能力强 。
(2)可用于电位不同的电路间的耦合,可实现 电平转换 。
(3)传递信号是 单方向 的,寄生反馈小,传递信号的频带宽 。
(4)响应 速度快,易与逻辑电路配合 。
(5)无触点,耐冲击,寿命长,可靠性高 。
(二 )簧式继电器
隔离,电平转换,功率驱动
响应速度低
(三 )固态继电器
四端口功率电子开关
隔离,电平转换,功率驱动
响应速度高
AC,DC类型
(四 )功率放大电路分立元件电路
1,功率晶体管驱动电路
2,达林顿晶体管驱动电路
3,功率场效应管 (VMOS)
集成电路达林顿缓冲器阵列
(五 )I/O接口电路实例二、标准输入输出设备接口
(一 )光电阅读机接口
(二 )键盘及其接口
(三 )显示器及其接口
LED显示及接口
LCD显示及接口
CRT显示及接口
(二 )键盘及其接口键盘有全编码键盘和非编码键盘两种基本类型 。
全编码键盘由硬件逻辑提供与被按键相对应的 ASCⅡ 码或其他编码
非编码键盘由程序 识别 行,
列键盘矩阵中的被按键,产生与被按键相对应的编码,
去抖动,防止串键错误等
(二 )键盘及其接口非编码键盘
（ 1） 按键识别行扫描法线反转法
（ 2） 去抖和多键保护
(三 )显示器及其接口
1,LED显示
2,LCD显示
3,CRT显示三、串行数据通信及接口现代 CNC装置都带有标准串行通信接口,能够方便地与编程机及微型计算机相连,进行 点对点通信,实现 零件程序,参数的传送 。
随着工厂自动化 (FA)和计算机集成制造系统 (CIMS)的发展,CNC装置作为 分布式数控系统 (DNC)及柔性制造系统
(FMS)的基础组成部分,应该具有与 DNC计算机或上级主计算机直接通信功能或 网络通信功能 。
(一 )计算机网络的体系结构
ISO(国际标准化组织 )为计算机网络规定了一个统一的分层结构，制定出
OSI(开放系统互连 )基本参考模型，从逻辑上把复杂的计算机网络划分成 7个相对独立的功能层次。
每层都有自己的编号和名称，并且分担着从网络到网络的不同功能，同时又为较高层提供不同的可靠的服务。对应层通信都要遵守该层的通信协议。
每一层把数据和控制信息送到相邻的下一层，直到达到最低层，在最低层进行两台机器之间的物理通信。在高层的对应层之间只存在着虚拟通信。
(二 )物理层协议
1,RS— 232C标准
RS— 232C是由 EIA(美国电气工业协会 )于 1969年制订的一种串行接口标准,它主要涉及 DTE(数据终端设备 )和 DCE(数据通信设备 )之间的通信 。
RS— 232C标准规定使用 25根插针的标准连 +15v接器
RS— 232C电平与 TTL电平不同,需采用电平转换电路,常用芯片有,MC1489,74189
2,RS— 449以及 RS— 423,RS— 422标准
EIA于 1977年 11月颁发了直接涉及机械特性和功能特性的 RS—
449标准 。 并于 1978年 9月和 1978年 12月分别推出有关电气特性的 RS—
423A和 RS— 422A标准 。
通用 37针和 9针连接器
3,RS-485
1,RS-232接口的电器特性
2,RS-423A,RS422A接口的电器特性
3,RS-485接口的电器特性
RS-485实际上是 RS-
422A的变型。只是将 RS-
422A的全双工改成半双工；
并只采用一对平衡差分信号线。用 RS-485连接的两个站，
某一时刻只能有一个站可以发送数据，因此在发送电路中必须加使能控制。
RS-485可以十分方便地用来进行多站互联，最多可以连接 32对驱动器／接收器。
图 3-61为多站互联的原理图。
采用 RS-485可以节省昂贵的信号线。
4,20mA电流环路
20 mA电流环路可以用于任何两个装置间的数据交换。它工作在位串行方式，按时间串行顺序接通和断开电流，用以代表逻辑电平。
如图 3— 62所示的 20 mA电流环接口工作在半双工方式下，它使用一个电流环路进行两个设备间的信息交换。其通信距离在 1～ 2 km范围之内。
20 mA电流环路价格便宜，接口简单。用于 9 600 bps以下的数据传输，其性能胜过 RS-232C。它的缺点是没有任何机械、电气标准，
实际应用中可能干扰附近的其他电路。
习 题
1-1
1-2
1-4
3-2
3-5
3-7
3-8
3-11
3-15
2-4
2-5
2-11
2-20
第五节 CNC装置的接口电路
CNC系统和 CNC装置
CNC系统：数控装置、伺服系统,PLC
CNC装置硬件组成,CPU、存储器,I/O接口
CNC装置应该具备以下一些功能：
(1)控制坐标轴运动 /联动的功能。
(2)准备功能，也称 G功能。
(3)插补功能。
(4)进给控制功能。
(5)主轴控制功能。
(6)辅助控制功能。。
(7)选刀及工作台分度功能。
(8)固定循环功能。
(9)补偿功能。
(10)字符、图形显示功能。
(11)诊断功能。
(12)通信功能。
(13)在线自动编程功能。
核心功能
[5]
可选功能
CNC装置的工作过程一、单微处理器结构与多微处理器结构 CNC装置二,专用 CNC装置与开放式 CNC装置第二节 CNC装置的硬件结构
CNC装置的硬件构成
CNC装置的硬件主要由中央处理单元、各类存储器、
输入输出接口、位置控制以及其它各类接口组成。
各组成部分的作用如下：
㈠ 中央处理单元 (CPU) 它的作用是实施对整个系统的运算、
控制和管理。
㈡ 存储器 存储器是用来储存系统软件、零件加工程序以及运算的中间结果等。
㈢ 位置控制 主要完成与伺服系统之间的信息交换。
㈣ 输入输出接口 主要用来交换数控装置与外部之间的往来信息。
㈤ MDI/CRT接口 完成手动数据输入和将信息显示在 CRT上。
CNC装置硬件构成
CPU
EPROM RAM
输入接口输出接口
MDI
CRT
接口位置控制接口其它接口磁带或磁盘机接 口总线
（一）单微处理器结构 CNC装置在单微处理器结构的 CNC装置中，只有一个微处理器，
因此多采用 集中控制，分时处理 的方式完成数控机床的各项任务。
有的 CNC装置虽然有两个或两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制系统总线资源，而其它微处理器不能控制系统总线，不能访问主存储器，只能成为一个专用的智能部件，他们组成主从结构，故也属于单微处理器结构。
一、单微处理器结构与多微处理器结构 CNC装置图 3-5 单微处理器 CNC装置组成框图总线
CPU
EPROM
RAM
MDI/CRT
接口
PLC
纸带阅读机接口
I/O接口位置控制穿孔机、电传机接口通信接口数控面板
CRT
纸带阅读机纸带穿孔机电传机机床速度控制单元 M
1,单微处理器 CNC装置组成硬件的作用
1） 微处理器微处理器是 CNC装置的核心,由于所有数控功能都由一个 CPU来完成,因此 CNC装置的功能受微处理器的字长,数据宽度,寻址能力和运算速度等因素的限制 。
为了提高处理速度,增强数控功能,常采用以下措施：
⑴ 采用协处理器；
⑵ 由硬件完成一部分插补工作；
⑶ 采用带有微处理器的 PLC和 CRT等智能部件 。
经济型 CNC装置常采用 8位的微处理器芯片或采用单片机芯片 (8位或 16位 )作为微处理器,一般 CNC装置通常采用 16位或 32位微处理器芯片 。 现在的 CNC装置都采用 64位微处理器芯片 。
2） 总线总线是由物理导线构成，从功能上说，一般可以分为三组。
(1)数据线：这一组线为各部件之间传输数据,线的根数与传送的数据宽度相等,它总是并行地一次传送 n位宽度的一个字,采用单向线 。
(2)地址线：这一组线上传输的是地址信号,与数据线结合使用,以确定数据总线上传输的数据来源或目的地,
采用单向线 。
(3)控制线：这一组线上传输的是管理总线的某些控制信号,如数据传输的读写控制,中断复位及各种确认信号,
采用单向线 。
3） 存储器存储器是用来存放数据、参数和程序的。
(1) CNC装置的系统程序存放在只读存储器 EPROM中，即使断电，程序也不会丢失。常用的 EPROM有,2716,2732、
2764,27128,27256,27010等。
(2) 运算的中间结果存放在随机存储器 RAM中，它可以随机读写，但断电后信息随即消失。
(3) 零件加工程序、数据和参数存放在有后备电池的 RAM
中，或是磁泡存储器中，能随机读取，操作或修改并且断电后，信息仍保存。
4） PLC
PLC用以代替传统的机床强电继电器逻辑控制。通过程序实现 M,S,T功能的控制。
PLC有内装型和独立型两种。内装型 PLC是 CNC装置的一个部件，可以共享 CNC装置的 CPU，也可以配置单独的
CPU。独立型 PLC完全独立于 CNC装置，本身具有完备的硬件（ CPU,ROM,RAM等）和软件，可以独立完成规定的控制任务。
5） 位置控制模块
CNC装置中的位置控制模块与伺服驱动装置的速度控制单元、位置检测元件组成位置闭环控制系统。
位置环主要用于单个轴运动的位置控制。
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。
6） I/O接口对 CNC装置来说,由机床向 CNC传送的信号称为输入信号，
由 CNC装置向机床传送的信号称为输出信号。 I/O接口的主要类型有：
开关信号接口
模拟信号接口
标准输入输出设备接口
串行通信接口
1） CNC装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、
输入输出控制,CRT显示等功能都由它 集中控制，分时处理。
2） 微处理器通过 总线 与存储器、输入输出控制等各种接口相连，构成 CNC装置；
3）结构简单，容易实现；
4）单微处理器因为只有一个微处理器进行集中控制，
其功能将受微处理器字长、数据宽度，寻址能力和运算速度等因素限制。
2、单微处理器 CNC装置的结构特点
3、（单微处理器） CNC装置的印刷电路板方式
1）大板结构
CNC装置由 主板 和辅助功能板（卡）组成辅助功能板插在主板插槽内，受主板驱动
2）模块化结构
CNC装置由 母板 和功能模板组成功能模板插在母板插槽内，由 CNC控制板驱动其他功能模块
（二） 多微处理器结构多微处理器 CNC装置多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。
与单微处理器 CNC装置相比，多微处理器 CNC装置的运算速度有了很大提高，它更适合多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。
多微处理器 CNC装置一般采用两种结构形式,
紧耦合结构,各微处理器构成处理部件，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 。
松耦合结构,由各微处理器构成功能模块，功能模块之间采取松耦合方式，有 多重操作系统,可以有效地实现并行处理。
一、
1、多微处理器 CNC装置的 基本功能模块模块化结构的多微处理器 CNC装置中的基本功能模块一般有以下六种。
1） CNC管理模块 管理和组织整个 CNC系统的工作,主要包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软硬件诊断等功能。
2） CNC插补模块 完成插补前的预处理，如对零件加工程序的译码、刀具半径补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等，之后进行插补运算，为各个坐标提供位置给定值。
3）位置控制模块 进行位置给定值与检测器测得的位置实际值的比较，进行自动加减速，回基准点、伺服系统滞后量的监视和飘移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，驱动进给电机。
4）存储器模块 该模块为程序和数据的主存储器，或为功能模块间进行数据传送的共享存储器。
5） PLC模块 对零件加工程序中的开关功能和来自机床的信号进行逻辑处理，实现机床电气设备的起、停，刀具交换，
转台分度，加工零件和机床运转时间的计数等。
6）指令、数据的输入输出及显示模块 它包括零件加工程序、参数和数据，各种操作命令的输入输出及显示所需要的各种接口电路。
2、多微处理器 CNC装置的 典型结构
1）共享总线结构由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。
主模块，从模块，串行总线裁决，并行总线裁决。
CNC管理模块（ CPU）
主存储器模 块操作面板显示模块
CNC插补模块（ CPU）
PLC功能模块（ CPU）
位置控制模块（ CPU）
主轴控制模块总线
⒉ 共享存储器结构在这种多微处理器结构，采用 多端口存储器 来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、
地址、控制线，以供端口访问。由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。当微处理器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率。
下图为共享存储器结构框图。
插补
（ CPU2）
来自机床的控 制 信 号输到机床的控 制 信 号轴控制
（ CPU3）
I/O
CPU1
CRT
（ CPU4）
共 享存储器
3、多微处理器结构的特点为了满足高速化、复合化、智能化、系统化的要求，
现代 CNC装置多采用多微处理器结构，其主要特点是：
⒈ 多微处理器结构多采用模块化结构，具有比较好的扩展性。
⒉ 多微处理器结构的 CNC装置可提供多种选择功能,可以配置多种控制软件,因此可适用于多种机床的控制。
⒊ 系统的集成度和可靠性高。
⒋ 具有很强的通信能力,能很方便地进入 FMS,CIMS。
⒌ 能够进行多种语言显示。
二、专用 CNC装置与开放式 CNC装置
(一 )CNC装置必须开放化专用型 CNC装置采用封闭式的体系结构。其系统硬件是专用的，组成系统的功能板及其之间的连接方式都是专门设计的，与其他系统的同类型功能板相互不能通用；其系统软件的结构也是专用的，系统软件的细节对外不公开，
不能提供给用户。
由于 CNC装置的封闭性，机床制造厂家几乎不可能自主地组成、配备所需要的 CNC装置,CNC装置功能的增加和修改必须得有 CNC装置开发人员的介入。机床制造厂家更不能根据自身的需要开发适合自己应用领域的部件或引用第三厂商生产的部件。最终用户在使用、维护 CNC装置时也同样会面临这个问题。
CNC装置的开放化主要体现在：
(1)模块化
(2)标准化
(3)平台无关性
(4)可再次开发
(5)适应网络操作方式二、专用 CNC装置与开放式 CNC装置
(二 ) 开放式 CNC装置的组成方式基于 PC的 CNC装置
PC+NC形式的 CNC装置软件型一,CNC装置的控制流程二,CNC装置的多任务并行处理三,CNC装置软件的结构第三节 CNC装置的软件结构一,CNC装置的基本控制流程数控加工需要的各种控制指令,参数及加工数据通过输入设备送人 CNC装置的存储器中 。 加工时再从存储器中调出进行译码 。 译码后分成两路：低速辅助信息 (主要用于实现 M,S、
T功能 )通过 PLC处理,输出；高速轨迹信息通过预处理 (包括刀具补偿处理和进给速度处理 ),插补和位置控制,控制伺服系统实现坐标轴的协同移动 。
数控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处理位置反馈开关量控制数控软件的功能数控软件管 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
1、信息输入数控加工所需要的零件加工程序通常从 键盘、光电阅读机或通信接口输入 。由输入程序来完成。输入程序主要任务：
1）从键盘或光电阅读机将零件加工程序输人到零件 程序存储器 中；
2）将零件程序存储器中的零件加工程序送人 缓冲器 中，以便进行后续处理。
零件加工程序的存取零件加工程序在零件程序存储器中按段连续存放,段与段之间,程序与程序之间不留任何空间 。 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 。
在零件程序存储器中还设有零件程序 目录表 和存,取程序的 指针,该指针始终指向下一步应该存人或取出的单元 。
目录表一般由零件加工程序名称,在零件程序存储器中存放的起始地址和终止地址等三部分组成 。 在调用或编辑零件加工程序时,根据调用命令中指定的程序名查阅目录表 。 查不到则给出错误信息 。 查到则将该零件加工程序的起始地址和终止地址取出,存放在指定单元,然后逐段取出,直到将该零件加工程序取完为止 。
2、译码译码即是将零件加工程序转换为 CNC装置能够接受的代码：
将零件加工程序按程序段划分
解释每个程序段中的各种零件轮廓信息 (如起点,终点,
直线还是圆弧等 ),速度信息 (F代码 )和其他辅助信息 (M、
S,T代码 )等
存储解释后生成的目标代码在指定的存储区
检查程序段语法,错误报警 。
总是以程序段为单位进行
3、预处理预处理是插补运算前的预备处理 。
1） 刀具补偿处理：将零件轮廓轨迹转换成 刀具中心轨迹 。
刀具长度补偿
刀具半径补偿
2） 进给速度处理：
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 。
根据机床允许的最低速度和最高速度进行限速处理 。
4、插补
插补即是在已知起点和终点的曲线上插入,补充一些中间点,进行 数据点的密化 。
插补算法应能满足数控机床在实时控制中快速性和精确性的双重要求
目前 常用的插补算法有两种,
脉冲增量法：脉冲形式输出
数字增量法：数字量形式输出 。
5、位置控制
在闭环 (半闭环 )的 CNC系统中,位置控制由 CNC装置中的位置控制软件来完成 。
伺服控制系统还包括有速度环和电流环 。
在位置控制中,通常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等 。
6,I／ O处理
I／ O处理即是利用 PLC程序对 CNC装置与机床之间的信号输入,输出进行逻辑处理和控制 。
7,显示现代 CNC装置多采用 CRT或 LCD作为显示工具 。
显示零件加工程序,参数,刀具位置,机床状态,故障信息,加工轨迹的静态和动态图形 。
8、诊断
起动诊断 是指从系统通电至进入正常的运行准备状态一段时间内,CNC装置,内部诊断程序自动执行的诊断 。
在线诊断 也称后台诊断 (BackgroundDiagnostics),是指通过 CNC装置内装诊断程序在准备和循环运行状态期间,
对 CNC装置本身及与其连接的外部设备,伺服系统等执行的自动诊断 。 包括输入数据,程序错误的检测；操作差错的检测；与伺服系统,电动机有关的故障检测；超程检测；
电路板间连接故障的检测；机内超温检测；动态 RAM的电池电压监测等 。
离线诊断 多在 CNC装置因故障停机后进行 。 离线诊断一般由经过专门训练的人员,借助于模拟操作面板,测试用的计算机,逻辑分析仪以及专用的工程师面板,便携式测试仪器等,对 CNC装置进行检查,以便查明故障原因,精确确定故障部位 。
9、通信功能作为分布式数控系统,柔性制造系统设备层控制器,
为适应 CNC装置与上级主计算机或单元控制器间的大量数据交换的需要,要求 CNC装置：
具有一般的串行通信功能
具有网络通信功能二,CNC装置的多任务并行处理
CNC装置的系统软件必须完成管理和控制两项任务。
第三节二,CNC装置的多任务并行处理并行处理指 CNC装置同时进行管理和控制的某些工作例如：
在加工过程中，显示任务与控制任务必须同时执行
控制软件的运行中，其本身的各项处理任务也需要同时执行
译码、刀具补偿、和速度处理任务需和插补任务同时执行
插补任务又需和位置控制任务同时进行双箭头表示任务之间有并行处理关系多任务并行处理的实现
（ 1） 资源分时共享
0ms 4ms 8ms 12ms 16ms
位置控制插补运算背景程序各任务占用 CPU时间示意图
（ 2） 时间重叠流水处理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
输出输出第三节三,CNC装置的软件结构常见的 CNC装置软件结构：
前后台式软件结构
中断式软件结构
㈠ 前后台式软件结构前后台式软件结构适合于采用集中控制的单微处理器结构的 CNC装置。
前台程序为实时中断程序，承担了几乎全部的实时功能，
这些功能都与机床动作直接相关，如位置控制、插补、辅助功能处理、监控等。
后台程序主要用来完成准备工作和管理工作，包括输入、
译码、插补准备及管理，通常称为背景程序。背景程序是一个循环运行程序前后台型结构模式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。
背景程序通过设置标志来达到对实时中断程序的管理和控制。
㈡ 中断式软件结构中断式软件结构没有前后台之分，除了初始化程序外，
把控制程序安排成不同级别的中断服务程序，整个软件是一个大的多重中断系统。 调度管理 功能主要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 CNC装置。
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级中断服务程序例,FUNUC 7系统第四节 可编程控制器（ PLC）
一,PLC的组成、工作原理和特点
(一 )PLC定义
(二 )PLC分类二,PLC在数控机床中的应用三,PLC在机械制造中应用简述一,PLC的组成、工作原理和特点
PLC定义国际电工委员会 (1EC)颁布了可编程序控制器的国际标准草案,对 PLC做如下定义：
,可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统 。 它采用可编程序的存储器,
用来在其内部存储执行 逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术运算等操作的指令,并通过 数字式,模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械设备和生产过程,可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计 。,
工作过程及特点：
特点：可靠性高，性价比高可实现网络控制直接驱动能力强工作过程：循环扫描输入信号，在用户程序控制下，产生输出信号。
PLC的功能和特性指标有：
I／ O点数 (总的 I／ O点数,最多开关量 I／ O
点数,最多模拟量 I／ O点数 )
微处理器 (CPU)
扫描速度
存储器类型和容量
指令及功能
编程语言
接口模板类型等 。
PLC分类根据 I／ O点数多少，存储器容量的大小，指令与功能的多少和 高低，综合地划分其类别，有小型 PLC、中型
PLC,大型 PLC。
1．按 I／ O点数及存储器容量分类
2．按 I／ O点数的总数分类
1．按 I／ O点数及存 储 器容量分 类
(1)小型 PLC。最多 I／ O点数 为 40／ 40，
用 户 存 储 器容量 1 KB。
(2)中型 PLC。 最多 I／ O点数 为 128／ 128，
用 户 存 储 器容量 4KB。
(3)大型 PLC。 I／ 0的点数为 128/>128，
用户存储器容量 >4KB。
2．按 I／ O点数的总数分类
(1)微型 PLC。
I／ O总点数为 20-64点,后上移到 128点 。
(2)小型 PLC。
I／ O总点数为 65— 128点,后上移到 512点 。
(3)中型 PLC。
I／ O总点数为 129— 512点,后上移到 2048点 。
(4)大型 PLC。
I／ O总点数为 513— 1 024点,后上移到 8 192点 。
(5)超大型 PLC。
I／ O总点数 >1024点，后上移到 >8192点。
(一 )PLC的组成
1,PLC硬件
PLC是由中央处理单元 (CPU),存储器,输入／输出单元 (模块 ),编程器,电源和外部设备组成 。 PLC一般都采用总线结构,其硬件设备是通用的 。
较大 PLC的硬件框图
(1)中央处理单元 (CPU)
中央处理单元是 PLC的主要部分,是系统的核心 。 它通过输入模块 (板 )将现场的外设状态读人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 。
PLC常用的中央处理单元为通用微处理器,单片机或位微处理器 。 在小型 PLC中,大多采用 8位微处理器和单片微机；在中型 PLC中,大多采用 16位微处理器和单片微机,
并为双微处理器系统,一个字处理器和一个位处理器,采用主从关系的结构；在大型 PLC中,大多采用高速位片机和多微处理器系统,字处理器都为 16位或 32位的 。
(2)存储器由 PROM,EPROM及 RAM三种组成，主要用于存放系统程序、
用户程序和工作数据。
系统程序是指控制和完成 PLC各种功能的程序 。 它包括监控程序,模块化应用功能子程序,指令解释程序,故障自诊断程序和各种管理程序等,用 PROM存储器存储 。
用户程序是指使用 PLC的厂家,根据工程现场的生产过程和工艺要求而编写的应用程序 。 用户程序存储器常用
CMOS RAM,并用锂电池进行掉电保护 。 不经常变动的用户程序,可固化 EPROM模块 (盒 )中,中 。
工作数据是 PLC机在应用过程中经常变化,经常存取的一些数据,一般不需长久保持 。 因此,这部分数据的存储都选用 RAM
(3)输人／输出 (I／ O)模块
I／ O模块是 CPU与现场 I/O装置或其他外部设备的连接部件 。
将现场信号转换成 PLC机内部的信号
使 PLC内部信号电子与外部执行元件相匹配
I/O模块的特点是：
① 提供了选择性强的 I/O模块 (板 )。
② I/O模板抗干扰能力强
③ I／ 0状态直观并便于拆装
④ I／ O模板可靠性高,价格低廉,便于维修 。
典型 I／ O接口模板常用的 PLC I／ O接口分开关量 (包括数字量 )和模拟量
I／ O两类 。 每一类又区分为输入接口和输出接口：
①直流开关量输人模板。
② 直流开关量输出模板 。
③ 交流开关量输人模板 。
④ 交流开关量输出模板 。
⑤ 继电器输出模板 。
⑥ 模拟量输入模板 。
⑦ 模拟量输出模板 。
(4)编程器
PLC的编程器是用来开发,调试,运行应用程序的特殊工具 。 一般由键盘,显示屏,智能处理器,外部设备 (如软盘,硬盘驱动器 )等组成 。 通过通信接口与 PLC相连 。
编程器主要功能有：
① 作为编程和开发应用程序的工具 。
② 是与 PLC进行人 — 机对话的媒介 。
③ 是介 入 PLC和过程控制的手段 。
(5)扩展接口扩展接口是为 PLC中心单元与扩展单元或者扩展单元之间的连接用的,以扩展 PLC的规模 。
(6)智能 I／ 0模板智能 I／ 0模板是指模板自身有单独的 CPU,能够完成某种专用功能 。 它可以接受 PLC主 CPU的命令,通过驻留在模板上的程序或软件功能块,完成主 CPU所要求的工作 。 它和主 CPU是平行作业的,大大提高了 PLC的运行速度和效率 。
(7)电源电源单元负责将外部提供的交流电转变为 PLC内部所需要的直流电
PLC的内部电源一般要求有三路输出
一路供 CPU模板,
一路供编程接口
一路供 各种智能模板
PLC的基本软件包括 系统软件 和用户 应用软件 。
系统软件决定 PLC的功能 。 PLC的硬件通过基本软件实现对被控对象的控制 。 系统软件一般包括,操作系统,语言编译系统,各功能软件等 。
用户应用软件大多采用 梯形图语言 。 梯形图与继电器电气控制线路图相似 。
2,PLC的硬件和软件 -软件编程方法：
接点梯形图法
语句表法
控制流程图法
(二 )PLC的工作原理
PLC采用 循环 (巡回 )扫描方式工作,中,大型 PLC增加了中断工作方式 。
固定顺序循环扫描
可变顺序循环扫描扫描过程
1．自诊断
2,与编程器进行信息交换
3,与网络进行信息交换
4,用户程序
5,超时间差
6,出错显示,停机
4．用户程序扫描过程
(1)采集输入信号。
(2)执行用户程序。
(3)控制输出状态。
(三 )PLC的功能和特点
1,PLC可以完成的功能
(1)逻辑控制。 PLC设置有与、或、非等逻辑指令，具有逻辑运算功能，
能描述继电器触点的串联、并联、串并联各种连接，因此可以代替继电器进行顺序逻辑与组合逻辑控制。
(2)计数控制。 PLC为用户提供足够多的计数器，并设置有计数指令。计数值可通过编程设定，并可在运行中被读出或修改。
(3)定时功能。 PLC为用户提供足够多的定时器，并设置有定时指令。定时的长短可通过编程设定，并可在运行中被读出或修改。
(4)步进控制。 PLC为用户提供多个移位寄存器或设置有步进指令，以用于步进控制。步进控制亦即顺序控制。
(5)A／ D,D／ A转换。通过 A／ D,D／ A转换以实现对模拟量的控制与调节。
(6)数据处理。有的 PLC设置有并行运算指令，可以进行数据的并行传送、
比较和逻辑运算。
(7)通信与联网。配有通信的 PLC可以进行远程 I／ O控制，多台 PLC之间可以进行同位链接，也可以与计算机或 PLC进行上位链接，可以由一台计算机和多台 PLC组成分布式控制网络，以完成较大规模的复杂的控制。
(8)对控制系统监控。 PLC都配置有较强的监控功能，能记忆某些异常事件。当发生异常时能自动终止运行，并显示异常信息。
(三 )PLC的功能和特点
2,PLC的特点
(1)可靠性高,适用于工业现场环境 。
① 硬件措施主要有：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等 。
② 软件措施主要有：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,PLC采用梯形图编程 。
(3)控制程序可变,具有很好的柔性 。
(4)直接带负载能力强 。
(5)便于实现机电一体 。
(6)通信,网络技术趋于标准化,利于实现计算机网络控制 。
二,PLC在数控机床中的应用
PLC作用,主要 是协助 CNC装置实现机床低速 辅助动作的控制
S,M,T 指令
(一 )数控机床用 PLC的类型
1．内装型 PLC
2．独立型 PLC
(二 )数控机床用 PLC的工作方式内装型 PLC
独立型 PLC
(二 )数控机床用 PLC的工作方式数控机床用 PLC作为数控机床的有机组成部分,其工作方式必须与数控机床的动作方式相协调 。 数控机床用 PLC要按照数控机床的动作要求,编制特定的 PLC程序,进行顺序控制,并连续工作 。
顺序控制 -按照梯形图给定的顺序进行工作
连续工作 -会自动返回到程序起始处,重复执行数控机床用 PLC的顺序程序分为高级顺序程序和低级顺序程序
(三 )数控机床用 PLC程序设计一般按以下过程来设计机床的 PLC控制程序。
(1)确定从机床输入到 PLC的信号以及从 PLC输出到机床的信号。
(2)根据所控制的机床，估算所用 PLC存储器的容量。
(3)选用适配的 PLC。
(4)制作 PLC地址表。
(5)制作梯形图。
(6)编写顺序程序。
(7)写入顺序程序。
(8)调试顺序程序。
三,PLC在机械制造中应用简述
（ 一 ） PLC的应用类型
1．顺序控制和开关逻辑控制类型
2,闭环过程控制类型
3,组合数字控制类型
4,组成多级控制系统类型
5,控制机器人的类型三,PLC在机械制造中应用简述
（ 二 ） PLC在位置控制中的应用辅助坐标的点位运动控制第五节 CNC装置的接口电路一、机床 I/O接口二、标准输入输出设备接口三、串行数据通信及接口一、机床 I/O接口
(一 )光电耦合器
(二 )簧式继电器
(三 )固态继电器 (SSR)
(四 )接口驱动电路作用,隔离，电平转换，功率放大
(一 )光电耦合器
(1)光电耦合器用光传递信号,输入与输出在电气上完全 隔离,抗干扰能力强,特别是抗电磁干扰能力强 。
(2)可用于电位不同的电路间的耦合,可实现 电平转换 。
(3)传递信号是 单方向 的,寄生反馈小,传递信号的频带宽 。
(4)响应 速度快,易与逻辑电路配合 。
(5)无触点,耐冲击,寿命长,可靠性高 。
(二 )簧式继电器
隔离,电平转换,功率驱动
响应速度低
(三 )固态继电器
四端口功率电子开关
隔离,电平转换,功率驱动
响应速度高
AC,DC类型
(四 )功率放大电路分立元件电路
1,功率晶体管驱动电路
2,达林顿晶体管驱动电路
3,功率场效应管 (VMOS)
集成电路达林顿缓冲器阵列
(五 )I/O接口电路实例二、标准输入输出设备接口
(一 )光电阅读机接口
(二 )键盘及其接口
(三 )显示器及其接口
LED显示及接口
LCD显示及接口
CRT显示及接口
(二 )键盘及其接口键盘有全编码键盘和非编码键盘两种基本类型 。
全编码键盘由硬件逻辑提供与被按键相对应的 ASCⅡ 码或其他编码
非编码键盘由程序 识别 行,
列键盘矩阵中的被按键,产生与被按键相对应的编码,
去抖动,防止串键错误等
(二 )键盘及其接口非编码键盘
（ 1） 按键识别行扫描法线反转法
（ 2） 去抖和多键保护
(三 )显示器及其接口
1,LED显示
2,LCD显示
3,CRT显示三、串行数据通信及接口现代 CNC装置都带有标准串行通信接口,能够方便地与编程机及微型计算机相连,进行 点对点通信,实现 零件程序,参数的传送 。
随着工厂自动化 (FA)和计算机集成制造系统 (CIMS)的发展,CNC装置作为 分布式数控系统 (DNC)及柔性制造系统
(FMS)的基础组成部分,应该具有与 DNC计算机或上级主计算机直接通信功能或 网络通信功能 。
(一 )计算机网络的体系结构
ISO(国际标准化组织 )为计算机网络规定了一个统一的分层结构，制定出
OSI(开放系统互连 )基本参考模型，从逻辑上把复杂的计算机网络划分成 7个相对独立的功能层次。
每层都有自己的编号和名称，并且分担着从网络到网络的不同功能，同时又为较高层提供不同的可靠的服务。对应层通信都要遵守该层的通信协议。
每一层把数据和控制信息送到相邻的下一层，直到达到最低层，在最低层进行两台机器之间的物理通信。在高层的对应层之间只存在着虚拟通信。
(二 )物理层协议
1,RS— 232C标准
RS— 232C是由 EIA(美国电气工业协会 )于 1969年制订的一种串行接口标准,它主要涉及 DTE(数据终端设备 )和 DCE(数据通信设备 )之间的通信 。
RS— 232C标准规定使用 25根插针的标准连 +15v接器
RS— 232C电平与 TTL电平不同,需采用电平转换电路,常用芯片有,MC1489,74189
2,RS— 449以及 RS— 423,RS— 422标准
EIA于 1977年 11月颁发了直接涉及机械特性和功能特性的 RS—
449标准 。 并于 1978年 9月和 1978年 12月分别推出有关电气特性的 RS—
423A和 RS— 422A标准 。
通用 37针和 9针连接器
3,RS-485
1,RS-232接口的电器特性
2,RS-423A,RS422A接口的电器特性
3,RS-485接口的电器特性
RS-485实际上是 RS-
422A的变型。只是将 RS-
422A的全双工改成半双工；
并只采用一对平衡差分信号线。用 RS-485连接的两个站，
某一时刻只能有一个站可以发送数据，因此在发送电路中必须加使能控制。
RS-485可以十分方便地用来进行多站互联，最多可以连接 32对驱动器／接收器。
图 3-61为多站互联的原理图。
采用 RS-485可以节省昂贵的信号线。
4,20mA电流环路
20 mA电流环路可以用于任何两个装置间的数据交换。它工作在位串行方式，按时间串行顺序接通和断开电流，用以代表逻辑电平。
如图 3— 62所示的 20 mA电流环接口工作在半双工方式下，它使用一个电流环路进行两个设备间的信息交换。其通信距离在 1～ 2 km范围之内。
20 mA电流环路价格便宜，接口简单。用于 9 600 bps以下的数据传输，其性能胜过 RS-232C。它的缺点是没有任何机械、电气标准，
实际应用中可能干扰附近的其他电路。
习 题
1-1
1-2
1-4
3-2
3-5
3-7
3-8
3-11
3-15
2-4
2-5
2-11
2-20
