4.4 数控机床用可编程控制器.

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1 4.4 数控机床用可编程控制器

2 一、概述 （一）PC的产生及应用 国际电工委员会对PC定义：可编程控制器是一种数字运算电子系统，专为工业环境下应用而设计，它可以用可编程的存储器，用于存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数、算术运算等全部功能的用户指令，并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。可编程控制器及其辅助设备都应按易于构成一个工业控制系统，且它们所具有的全部功能易于应用的原则设计。

3 可编程控制器PC的名称： 微机可编程控制器MPC：Microprocessor Programmable Controller 可编程接口控制器PIC： Programmable Interface Controller 可编程逻辑控制器PLC： Programmable Logic Controller 可编程机器控制器PMC： Programmable Machine Controller 可编程顺序控制器PSC： Programmable Sequence Controller

4 （二）PC在数控机床上的应用 PC是由计算机简化而来的，为了适应顺序控制的要求，PC省去了计算机的一些数字运算功能，而强化了逻辑运算功能，是一种基于继电器控制和计算机控制之间的自动控制装置。PC代替数控机床上的继电器逻辑，使顺序控制的控制功能响应速度和可靠性大大提高了。

5 二、PC的结构和编程方法 （一）PC的结构：硬件（如P195图4.4.1）、软件 1、中央处理单元CPU 数控机床用PC有两种：一种是PC与CNC装置合用一个CPU，这种PC结构相对价格低，但其功能受到一定限制；另一种是带有专用的CPU，这种PC处理速度快，并能增加控制功能。 PC的CPU通常采用位片式或微处理器或通用微处理器芯片。

6 2、存储器 PC一般采用NMOS静态RAM存储器作为随机存储器，PC的只读存储器采用EPROM。 3、输入/输出（I/O）模块 多采用光电隔离回路、消抖动电路、多级滤波器 4、电源 采用多级滤波器 5、编程器 分简易型和智能型

7 PC的软件结构分二类： 一类是面向PC内部的程序，即系统管理程序和编译程序（或解释程序）； 另一类是面向用户或生产过程的“应用程序”（Application Program），也称PC程序或用户程序（User Program）。 （二）PC的编程方法（接点梯形图法、语句表、控制系统流程图） 1、接点梯形图（如P197图4.4.2应用最普遍） 组成：电力轨、电力轨与电力轨之间的节点、（软继电）线圈、功能模块 2、语句表（使用也较多） 也称指令表（IL-Instruction List），又叫指令表语言。每一个语句包含有一个操作码部分和一个操作数部分。

8 3、控制系统流程图（Control System Flowchart——CSF，如P198图4.4.3）
也就是逻辑功能图，用逻辑功能图编程与用半导体逻辑电路中的逻辑方块图表示顺序动作相似，每一个功能都使用一个运算方块表达，其运算功能由方块内的符号决定。 4、功能模块图表示的“功能块语言”编程方法 5、基于图形表示的“图形语言”编程方法 6、用指定子程序控制和指令语句表示的“结构文本语言”编程方法 7、逻辑方程式编程方法 编制顺序程序的设备：程编器、程编机、带有PC程编功能的CNC系统、个人计算机

9 三、PC的工作过程及其特点 （一）PC的工作过程（如P199图4.4.4） 原理：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PC的基本方式。只要PC接通电源，CPU就对用户存储器的程序进行扫描，扫描从0000H地址所存的第一条用户程序开始，直到存储器结尾或用户程序占有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又从存储器的0000H地址重新开始扫描运行。

10 对用户程序的循环扫描执行过程（如P200图4.4.5），分为：输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。
输入采样阶段：已扫描方式，顺序读入所有输入端的状态（接通状态或是断开状态），并将此状态存入输入映像寄存器中，接着转入程序执行阶段。

11 程序执行阶段：即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，状态的变化只能在一个工作周期的输入采样阶段才被读入，程序执行总是按先左后右，先上后下的步骤对每条指令进行扫描，并从输入映像寄存器中读入所有输入状态。若程序中需要读入某输出状态，则也在此时读入，然后进行逻辑运算，运算结果在存入元件映像寄存器中，它所寄存的内容会随着程序执行的进程而变化。 输出刷新阶段：元件映像寄存其中所有输出几点起的接通或断开状态在输出刷新阶段转存到输出锁存电路，再驱动输出线圈，这时的输出是实际工作的输出。

12 PC控制与RLC控制电路联通区别（如P200图4.4.6）：
在RLC电路中，当接点A闭合时，（在B和C常闭触点都闭合的情况下），继电器D和E线圈同时通电； 在PC顺序程序中，在触点A闭合的情况下，继电器D线圈先通电，然后E通电，D和E是按先后顺序通电的。

13 梯形电路顺序变化对PC与RLC控制的影响区别（如P200图4.4.7）：
在RLC中图（a）和图（b）效果相同，即当A触点闭合时，图（a）、（b）中的B线圈、C线圈通电，当两图中C线圈通电后，其常闭触点打开，图（a）、（b）中的B线圈都断电。 在PC中，图（a）中B和C线圈都通电，在一个PC顺序循环之后，线圈B都断开，而在图（b）中，触点A闭合时，C线圈接通，但不能接通B线圈。

14 （二）PC的特点 1、可靠性高 硬件方面：电源采用多级滤波环节；在CPU和I/O回路之间采用光电隔离； 软件方面：PC采用故障自诊断方法。 2、功能齐全，性能价格比高 PC一系列化、模块化，可以根据需要，经济地进行组合。 3、容易实现机电一体化 4、编程简单 5、操作维护容易

15 四、数控机床中的PC功能 （一）CNC、PC、机床之间的信号处理过程 在信息传递过程中，PC处于CNC和机床之间 CNC装置与机床之间的信号传送处理包括：CNC装置至机床和机床向CNC装置传送两个过程。 CNC装置至机床： 1) CNC装置控制程序将输出数据写到CNC装置的RAM中； 2) CNC装置RAM中的数据传送到PC的RAM中； 3) 由PC软件进行逻辑运算处理； 4) 处理后的数据仍在PC的RAM中，对内装型PC，存在PC存储器RAM中已处理好的数据再传回CNC装置的RAM中，通过CNC装置的输出接口送至机床；对独立型PC，其RAM中已处理好的数据通过PC的输出接口送至机床。

16 机床向CNC装置传送： 对内装型PC，信号处理过程为： 1) 从机床输入开关量数据，送到CNC装置的RAM中； 2) CNC装置的RAM传送给PC的RAM； 3) PC的软件进行逻辑运算处理； 4) 处理后的数据仍在PC的RAM中，并被传送到CNC装置的RAM中； 5) CNC装置软件读取RAM中数据。

17 对独立型PC： 1、数据通过PC的输入接口输送到PC的RAM中； 2、PC的软件进行逻辑运算处理； 3、处理后的数据仍在PC的RAM中，并被送到CNC装置的RAM中； 4、CNC装置软件读取RAM中数据。

18 （二）数控机床中的PC功能 PC在数控机床中实现M、S、T等辅助功能。 S功能实现：CNC装置送出S代码进入PC，经过电平转换（独立型PC）、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。

19 T功能实现：队刀套编码的T功能处理过程是CNC装置发送T代码指令给PC，PC经过译码，在数据表内检索找到了T代码指定的新刀号所在的数据表的表地址，并与现行的刀号进行判别比较，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。 PC给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。 PC向机床传递的信号：主要是控制机床执行件的执行信号。 机床给PC的信息主要有机床操作面板上各开关、按钮等信息。

20 五、典型PC的指令和程序编制 （一）FANUC PMC-L型PC指令 该PC为内装型PC，有两种指令：基本指令和功能指令。 存储原理（如P203图4.4.8） 1、基本指令（如P204表4-1:12种） 2、功能指令 （1）功能指令的格式（如P205图4.4.9（（1））： 控制条件、指令参数、输出 功能指令的编码表和运算结果如P205表4-2

21 （2）PMC-L部分功能指令说明（如P206表4-3）
①顺序结束指令（END1、END2指令格式如P207图4.4.9（2）） 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； END2：低级顺序程序结束。

22 ②定时器指令（TMR、TMRB） 工作原理（如P207图4.4.9（3）、4.4.9（4））：当控制条件ACT=0时，输出W=0（或者说定时继电器TM00断开）；当ACT=1时，定时器开始计时，在到达预定的时间后，W=1，（或者说接通定时继电器TM00）

23 ③译码指令（DEC）格式如P208图4.4.9（5） 工作原理：控制条件译码ACT=0时，不译码，译码结果继电器断开；ACT=1时，允许译码。当指定译码信号地址中的代码信号状态与指定序号相同时，输出W=1。反之，译码输出W的地址由编程员任意指定。

24 （二）顺序程序的编制 1、编程举例 ①基本指令例1（如P209图4.4.10结果如P209表4-4）

25 ②基本指令例2（如P209图4.4.11结果如P210表4-5）

26 ③基本指令例3（如P210图4.4.12结果如P210表4-6）

27 ④控制主轴运动的顺序程序编制（如P211图4.4.13梯形图，结果如P213表4-7）
2、数控机床顺序程序设计步骤 ①确定PC型号及其硬件配置 ②制作接口信号文件 ③绘制梯形图 ④用程编机编制顺序程序 ⑤顺序程序的调试与确认 ⑥顺序程序的固化 ⑦程序的存储和文件整理

28 第五章 位置检测装置

29 5.1 概述 一、对检测装置的要求 检测装置的作用：检测装置和速度、发送反馈信号，构成闭环控制。 分辨率：位置检测系统能够测量出的最小位移量称为分辨率。 数控机床对检测装置的主要要求： 1、工作可靠，抗干扰性强 2、使用维护方便，适应机床的工作环境 3、满足精度和速度的要求 4、成本低

30 二、检测装置的分类 按测量装置的安装位置及与机床运动部件的耦合方式分类：

31 5.2 旋转变压器 一、旋转变压器的结构和工作原理 结构：定子、转子组成 旋转变压器是一种小型精密的交流电机。 分类：有刷、无刷 有刷旋转变压器结构：定子与转子上均为两相交流分布绕组，二相绕组轴线分别相互垂直，转子绕组的端点通过电刷和滑环引出。 无刷旋转变压器结构：分解器、变压器（如P221图5.2.1）

32 旋转变压器工作原理（如P222图5.2.2） 旋转变压器是根据互感原理工作的，它的结构保证了其定子与转子之间空气隙内的磁通分布呈正（余）弦规律，输出电压的大小取决于定子和转子两绕组轴线在空间的相对位置，两者平行式感应电势最大，两者垂直时，感应电势为零。

33 二、旋转变压器的应用（鉴相式、鉴幅式） （一）鉴相式工作方式（如P222图5.2.3） 原理：旋转变压器转子绕组中的感应电势与定子绕组中的激励电压同频率，但相位不同，其差值为 ，测量转子绕组输出电压的相位角 ，即可测得转子相对于定子的空间位置转角。 应用：把定子正弦绕组激磁的交流电压相位作为基准相位，与转子绕出输出电压相位作比较，来确定转子转角的位置。

34 （二）鉴幅式工作方式 原理：感应电势是以 为角频率的交变信号，其幅值为 ，若电气角 已知，那么只要测出 的幅值，便可间接地求出 值，即可知被测角位移大小。 应用：根据转子误差电压的大小，不断修正定子激磁信号的 （即激磁幅值），使其跟踪 的变化。

35 5.3 感应同步器 一、感应同步器的结构和工作原理 （一）结构 感应同步器是多级旋转变压器的展开形式。 分类：用于角度测量的旋转式、用于长度测量的直线式。 旋转式与直线式二者工作原理相同，以直线感应同步器为例（如P224图5.3.1）

36 （二）工作原理（如P225图5.3.2与图5.3.3） 原理：当滑尺绕组与定尺绕组完全重合时，定尺绕组中感应电势最大，如果滑尺相对于定尺从重合处逐渐向左（或向右）平行移动，感应电势就随之逐渐减小。在两绕组刚好处于相差1/4节距的位置时，感应电势为0，滑尺移动到1/2节距位置时，感应电势又处于最大，但极性相反。当达到3/4节距位置时，又变为0。移动了一个节距后，又出现了出始情况。

37 二、感应同步器的应用 （一）鉴相方式 应用：通过测量定尺感应电势相位 ，即可测出定尺相对滑尺的位移 x。 （二）鉴幅方式 应用：把位移量转化成数字量——脉冲，已达到测量和控制的目的。 感应同步器检测装置的优点 （一）精度高 （二）工作可靠，抗干扰性强 （三）维修简单，寿命长 （四）测量距离长 （五）工业性好，成本低，便于成批生产

38 5.4 脉冲编码器 一、脉冲编码器的分类与结构 分类：光电式、接触式、电磁感应式 光电脉冲编码器的结构（如P228图5.4.1）：电路板、圆光栅（在一个圆盘的圆周上刻有相等间距线纹，分为透明和不透明的部分，称为圆光栅）、轴、光源、光敏元件、指示光栅（与圆光栅相对平行地放置一个固定的扇形薄片，称为指示光栅）、连接法兰。

39 二、光电脉冲编码器的工作原理（如P229图5.4.2） 当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗相间的条纹。当电源件接收这些明暗相间的光信号，并转换为交替变化的电信号，该信号为两组近似于正弦波的电流信号A和B，A和B信号相位差90°，经放大和整形变成方波，通过两个光栅的信号，还有“一个脉冲”，称为Z相脉冲。

40 三、光电脉冲编码器的应用 光电脉冲编码器将位置检测信号反馈给 CNC装置有两种方法： 一是适应带加减计数要求的可逆计数器， 形成加计数脉冲和减计数脉冲（如P230 图5.4.3）

41 二是适应有技术控制和技术要求的计数器，形成方向控制信号和计数脉冲（如P231图5.4.4）
加、减计数脉冲原理：脉冲输出信号A、 、B、 经过差分驱动和差分接收进入CNC装置，经过整形放大， 变为A1、 、B1作为控制信号，当正走A 超前B时，y2输出加计数脉冲，y1输出 为低电平；当反走B超前A时，y1输出 减计数脉冲，y2输出低电平。 形成方向控制信号和计数脉冲原理： 输出信号经差分、微分、与非门由R-S 触发器输出方向信号，正走时为“0” ，反走时为“1”，由与非门3输出计 数脉冲。

42 5.5 绝对值编码器 一、绝对值编码器的种类和工作原理 （一）绝对值编码器的种类 常用的编码器有编码盘和编码尺，通称为码盘。 从编码器使用的计数制来分类：二进制编码、二进制循环码（葛莱码）、二-十进制码。 从结构原理来分类：接触式、光电式、电磁式。 绝对式码盘结构示意图（如P232图5.1.1）

43 接触式码盘可以做到9位二进制： 优点：简单、体积小、输出信号强、不需放大。 缺点：电刷摩擦、寿命低、转速不能太高，而且精度受到最低位分段宽度的限制，要求更大计数长度，可采用粗精测量组合码盘。 光电式码盘： 优点：没有接触磨损、寿命长、转速高、最外层每片宽度可以做得更小，因而精度高，单个码盘可以做到18位二进制。 缺点：结构复杂、价格高。 电磁式码盘：是无接触式码盘，寿命长、转速高。

44 （二）工作原理（如P233图5.5.2） 每个码道上有一个电刷与之接触，最里面一层有一导电公用区，与各码道导电部分连在一起，而与绝缘部分分开，导电公用区接到电源负极，当被测对象带动码盘一起转动时，与电刷串联的电阻上将会出现有电流流过或没有电流流过两种情况，代表二进制的“1” 或“0”，若码盘顺时针转动，就可依次得到按规定码盘的数字信号输出。

45 二、混合式绝对值编码器 结构：圆盘的最外圈是高密度的增量条纹，中间有四个码道组成绝对式的四位葛莱码，每1/4圆心被葛莱码分割为16个等分段，圆盘最里面有发一转信号狭缝。 工作原理： 三级计数：粗、中、精计数，码盘转的转数由对“一转脉冲”的计数表示，在一转以内的角度位置由葛莱码的4×16不同数值表示，每1/4圆葛莱码的细分由最外圈增量制码完成。

46 5.6 光栅 分类： 根据光线传播路径分为：透射光栅和反射光栅 从形状上看分为：圆光栅和长光栅。圆光栅用于测量转角位移，长光栅用于测量直线位移。 一、光栅的结构 组成：标尺光栅和光栅读数头。标尺光栅固定在机床活动部件上。 （一）光栅尺 光栅尺：是指标尺光栅和指示光栅，它们是用真空镀膜的方法光刻上均匀密集条纹的透明玻璃片或长条形金属镜面。

47 （二）光栅读数头（又叫光电转换器，如P234图5.6.1）
组成：光源、透镜、指示光栅、光敏元件、驱动线路。

48 二、工作原理（如P234图5.6.2） 当指示光栅上的线温和标尺光栅上的线纹成一小角度 放置两个光栅尺时，造成两光栅尺上线纹相互交叉，在光源照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色线纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为“莫尔条纹”。 莫尔条纹特性： 1、用平行光来照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带到亮带，通过的光强度分布近似于余弦函数； 2、起放大作用； 3、起平均误差作用； 4、莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。

49 三、光栅位移——数字变换电路 光栅测量系统的组成（如P235图5.6.3） 光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件接受，然后经过位移——数字变换电路形成正走时的正向脉冲或反走时的反向脉冲，由可逆计数器接受。

50 工作原理（如P235图5.6.4）： 四块光电池产生的信号a、b、c、d，相位彼此差90°，a、c信号是相位差180°的两个信号，送入差动放大器放大，得sin信号，将信号幅度放大足够大。同理b、d信号送入另一个差动放大器，得到cos信号。sin信号、cos信号经整形变成方波A和B，A和B信号经反向得C和D信号。A、B、C、D信号再经微分变成窄脉冲 ，即在正走或反走时每个方波的上升沿产生窄脉冲 、 、 、 ，由与门电路把0°、90°、180°、270°四个位置上产生的窄脉冲组合起来，根据不同的移动方向形成正向脉冲或反向脉冲，用可逆计数器进行计数，测量光栅的实际位移。

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52 第六章 数控机床的伺服系统

53 6.1 概述 一、伺服系统的组成 概念： 数控机床伺服系统：是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。 原理：伺服系统接收计算机插补软件产生的进给脉冲或进给位移量，经变换和放大转化为工作台位移量。 结构（如P240图6.1.1）：

54 伺服系统组成（如双闭环系统）：内环速度环，外环速度换。
速度环中用作速度反馈的检测装置组成：测速发电机、脉冲编码器。 速度控制单元组成：电流调节器、功率放大器。 位置环组成：位置控制模块、速度控制单元、位置检测、反馈控制。 二、对伺服系统的基本要求 1、精度高 2、稳定性好 3、快速响应 4、调速范围宽 5、低速大转矩

55 三、伺服系统的分类 （一）按调节理论分类 1、开环伺服系统（如P242图6.1.2） 原理：无位置反馈的系统，其驱动元件主要是功率步进电机或电液脉冲马达，这两种驱动元件工作原理的实质是数字脉冲到角度位移的变换，它不用位置检测元件实现定位，而是靠驱动装置本身，转过的角度正比于指令脉冲的个数；运动速度由进给脉冲的频率决定。 特点：结构简单，但精度差，低速不平稳，高速扭距小，一般用于轻载负载变化不大或经济型数控机床上。

56 2、闭环伺服系统（如P243图6.1.3）

57 3、半闭环系统（如P243图6.1.4）

58 （二）按使用的驱动元件分类：电液伺服系统、电气伺服系统
（三）按使用直流伺服电机和交流伺服电机分类：直流伺服系统、交流伺服系统 （四）按进给驱动和主轴驱动分类 1、进给伺服系统 2、主轴伺服系统 （五）按反馈比较控制方式分类 1、脉冲、数字比较伺服系统 2、相位比较伺服系统 3、幅值比较伺服系统 4、全数字伺服系统