fanuc数控机床入门教程

机床CNC 基础知识

北京发那科机电有限公司王玉琪

2006

此文是本人对GM（中国厂）培训时的讲义。目的是对初学者对

CNC 有基本的综合概念。以便于更深入地学习诸如：加工编程，

PMC 和系统维修等课程。

机床CNC 基础知识

一．CNC 机床与CNC 系统

CNC 的含义是计算机数值控制。

1．CNC 机床

⑴．金属切削用

孔加工、攻丝、镗削、铣削、车削、切螺纹、切平面、轮廓加工、平面磨削、外圆磨

削、内圆磨削等。

⑵．线电极切割机。

⑶．冲床、步冲、冲压、金属成型、弯管等机床。

⑷．产业机器人。

⑸．注塑机。

⑹．检测、测量机。

⑺．木工机械。

⑻．特殊材料加工机械：如加工石材、玻璃、发射性矿料等。

⑼．特种加工机械

激光加工机、气体切割机、焊接机、制图机、印刷机等。

随着电子技术和计算机技术以及IT 技术的发展，目前，这些机床与加工设备都可用数值计算

机用数值数据进行控制，称为CNC 控制。

下图是一台金属加工机床------立式加工中心的一般结构。

2．CNC 系统

CNC 系统的含义是计算机数值控制系统。

下图是一台CNC 系统的基本配置图。

FANUC LTD

FS0 i - 6

系统配置

FSSB

βis 伺服电机

αis 伺服电机

I/O Link βi 伺服放大器

7.2 “ LCD/MDI(单色)

8.4 “ LCD /MDI(彩色)

αi 伺服放大器

Series 0i-C

以太网10 base T/100 base TX

Internet

αi 主轴电机

FANUC I/O Link

DI/DO 1024/1024

操作面板I/O 模块I/O 单元

系统在LCD后面

CNC 系统的基本配置

机床的CNC 控制是集成多学科的综合控制技术。

上图是一台典型的CNC 控制系统。从图中可见，一台CNC 系统包括：⑴．CNC 控制单元（数

值控制器部分）。⑵．伺服驱动单元和进给伺服电动机。⑶．主轴驱动单元和主轴电动机。

⑷．PMC

（PLC）控制器。⑸．机床强电柜（包括刀库）控制信号的输入/输出（I/O）单元。⑹．机床的位

置测量与反馈单元（通常包括在伺服驱动单元中）。⑺．外部轴（机械）控制单元。如：刀库、交

换工作台、上下料机械手等的驱动轴。⑻．信息的输入/输出设备。如电脑、磁盘机、存储卡、键

盘、专用信息设备等。⑼．网络。如以太网、HSSB（高速数据传输口）、RS-232C 口等和加工现场

的局域网。

上图右下方的I/O Link βi 伺服放大器与电动机用于外部机械的驱动与控制。上方画出了以太

网。

CNC 单元（控制器部分）的硬件实际上就是一台专用的微型计算机。是CNC 设备制造厂自己

设计生产的专门用于机床的控制的核心。下面的几张图表示出其基本硬件模块；基本的控制功能模

块和一台实际的控制器硬件。

CNC 单元的基本模块

CNC 单元内的基本模块

CNC 功能框图

下面是一台控制器部件装在LCD 显示器画面的CNC 单元硬件图。

二．机床的运动坐标及进给轴

一台机床有几个运动轴执行加工时的切削进给，因此称其为进给轴。机床开机后以机床零点为

基准建立了机床的机械坐标系（直角坐标系）。每个轴对应于其中的一个相应的坐标。轴有直线运

动的，有回转运动的。国际标准ISO 对坐标轴的方向与名称是有规定的。如下图。

根据规定，按直角坐标系右手法则定义各坐标轴，Z 轴正方向一般为机床主轴的方向。X、Y、

Z 定义为直线运动轴；U、V、W 为分别平行于X、Y、Z 的直线运动轴；A、B、C 为回转运动轴，

分别围绕X、Y、Z 运动，其正方向符合右手螺旋规则。

CNC 控制时用程序命令X、Y、Z、U、V、W、A、B、C 等指令被控的坐标轴，用数值指令

其运动的距离，正负号指令移动方向，F 指令运动速度。例如：

G01 X120 Y-300 F1000；

意义是G01：X 轴与Y 轴协调运动，加工一条直线；X120，Y-300：X 轴走120mm；Y 轴走

－300mm；F：进给速度为1000mm/分。

power supply

SERVO CARD CPU CARD

LCD UNIT

LATつCHめ

Screws

LCD 一体型CNC 单元

实际的机床上各进給轴的定义如下图所示。

图4 机床的进给轴

进给轴的坐标方向

三．CNC 插补与位置控制指令的输出

CNC 对机床的坐标运动进行控制。在控制原理上这是位置量控制系统。需要控制的是：几个

轴的联动，运动轨迹（加工轮廓）的计算：最重要的是保证运动精度和定位精度（动态的轮廓几何

精度和静态的位置几何精度）；各轴的移动量（mm）；移动速度（mm/分）；移动方向；起/制动过

程（加速/降速）；移动的分辨率。

现代的CNC 系统是纯电气的控制系统。进给轴的移动是由伺服电动机执行的。通常，一个进

给轴由一个伺服电动机驱动。电动机由伺服放大器供给动力。伺服放大器的工作由CNC 的插补器

的分配输出信号控制。

1．轨迹运动的插补计算--插补器

CNC的插补运算

CNC 对机床进给轴的控制，是执行事先编制好的加工程序指令。程序指令是按零件的轮廓编

制的加工刀具运动轨迹（如上图）。程序是根据零件轮廓分段编制的。一个程序段加工一段形状的

轮廓。轮廓形状不同，使用不同的程序指令（零件轮廓形状元素）。例如：G01---直线运动

指令；

G02---顺时针圆弧运动指令；G03---逆时针运动圆弧指令；G32（G33）---螺纹加工……

但是，在一段加工指令中，只是编写此段的走刀终点。如：下面一个程序段要加工X-Y 平面

上一段圆弧，程序中只指令了终点的坐标值X100；Y-200：

G90 G17 G02 X100. Y-200. R50. F500；

此段的起点已在前一段编写，就是前段的终点。因此，加工此段时，如上图所示，CNC 控制器即

计算机处理器只知道该段的起点和终点坐标值。段中的刀具运行轨迹上其它各个点的坐标值必须由

处理器计算出来。处理器是依据该段轮廓指令（G02）和起点和终点的坐标值计算的，即必须算出

希望加工的工件轮廓，算出在执行该段指令过程中刀具沿X 轴和Y 轴同时移动的中间各点的位置。

X 轴和Y 轴的合成运动即形成了刀具加工的工件轮廓轨迹。

除此之外，在程序中必须指令运动速度（加工速度），如：F500（mm/min）。在位置计算时，要根据轮廓位置算出对应点的刀具运动方向速度。此例中是分别算出沿X 轴各点的对应速度和沿Y

轴各点的对应速度。

实现上述运算的机构称之为插补器。

插补器每运算一次称为一个插补周期，一般为8ms；计算复杂型面的插补器使用高速CPU，插

补周期可缩短，目前可达2ms。一个程序段分多个插补周期，取决于轮廓形状和轮廓尺寸。执行上例程序段的指令是进行顺时针圆弧的插补。是执行以圆弧计算公式为基础的插补子程序。计算时的判断条件是：不断地执行刀具沿X 轴向和Y 轴向的进给，每进给一个脉冲当量即判

断是否到达终点，是否超差，计算方向是顺时针，进给当量是1μm/脉冲，速度是500mm/min。CNC 的系统控制软件中包括了多个插补子程序，工件形状的每一种几何元素均对应着刀具的

一种几何运动，因此就要求CNC 有相应的插补子程序。这就是CNC 系统控制软件中控制坐标轴运

新的铣削指令

&#; 螺锥

&#; 螺旋

&#; 3 维圆弧

&#; 刀具中心点控制

Circular interpolation in 3-D by specifying

intermediate and end points of arc

3 维圆弧插步器

Z Intermediate

point

End point

Start (X2, Y2, Z2)

point

G02.4 XX1 YY1 ZZ1 ;

(Intermediate)

XX2 YY2 ZZ2 ; (End)

动的G 代码。如：G01，G02，G03，G32，G33，G05，G08……。还有一些子程序是考虑加工工

艺的要求控制刀具运动的。G 代码越多，CNC 的功能也就越强。用这些G 代码编制零件的加工程

序。

CNC 的系统控制软件是用汇编语言编制的。不同类型的机床使用不同的CNC 系统。当然，这

些系统的控制软件是完全不同的。

插补器的硬件是CNC 的主CPU。当然，还有用纯硬件的插补器。

2．插补脉冲的分配输出

经过插补运算，算出了加工所要求的工件形状在同一时间周期（插补周期）内各个坐标轴移动

的距离（移动量），它是以脉冲数表示的，如：在本插补周期内X 轴进給25 个脉冲；Y 轴进給50

个脉冲，分别送给对应的坐标轴，作为相应轴的位置移动指令。脉冲序列有正负号，指令对应轴的

运动方向；脉冲序列按一定的频率输出，指令该轴的运动速度。这一装置叫做脉冲分配器，如下图

所示。

为了防止产生加工运动的冲击、提高加工精度和光洁度，在脉冲分配给各进给轴之前，对进给

速度都进行加/减速。如下图所示，CNC 可实现两种加/减速控制：插补前加/减速和插补后加/减速。

插补后通常用直线型或指数型加减速方法：指数型加/减速的速度变化比较平滑，因而冲击小，

但是速度指令的滞后较大。相反，直线型加减速的速度变化迅速，时间常数设得较小时会造成冲击，

引起机床的震动。但是，加工出的零件轮廓可能与裎编的轮廓接近。

插补前用直线型加减速方法，这样可以减小加工的形状误差。除此之外，为了提高加工精度和

加工速度，还开发了预读/预处理多个程序段、精细加减速等CNC 软件。

CNC

插补器

脉冲分配器

进给脉冲输出

3．加工刀具的偏置及补偿

上述插补的位置脉冲，是按工件轮廓编制的程序计算出来的，即刀具中心点的运行轨迹是工件

的轮廓。考虑到刀具有半径和不同的长度，实际加工时刀具中心不能按此轨迹行进，必须根据实际

使用的刀具，计入其实际半径和长度，由CNC 计算出实际刀具的中心轨迹，按此轨迹控制刀具的

移动。此功能叫做“刀具的偏置及补偿”。

⑴．刀具半径偏置，补偿

如下图所示，实际的刀具中心轨迹与按照零件轮廓尺寸编制的CNC 加工程序轨迹偏移了一个

刀具半径的尺寸。在编程时，用G 指令（G41，G42）告诉CNC 的插补器执行刀具半径的偏置计

算，插补器即按照实际的刀具半径计算出刀具的中心轨迹，以此控制刀具的行进。就是说，上述脉

冲分配器输出的给各个进给轴的脉冲数，是插补的零件轮廓偏移了一个刀具半径后的刀心轨迹的进

给脉冲数。每个轴的补偿脉冲分别送给相应的进給轴。

实际刀具的半径值在加工前必须输入至刀具补偿存储器。刀具补偿存储器可同时存储多把刀具

的几何尺寸（半径值）。加工中用哪一把刀具，由程序用刀具号指定，如：T102。根据程序中指令

的刀号，CNC 插补器找到实际的刀具半径值执行计算。

G41 为左刀补：沿着刀具行进的方向看，在工件的左侧加补偿；G42：沿着刀具行进的方向，在工件的右侧加补偿。下图所示为G41。

K 1/

Ｘ

CNC 伺服轴

加减速时间常数(T1)

加减速时间常数(T2)

Ｙ

插补前加/减速

K 1/

时间常数(T2)

时间常数(T1)

程序指令

插补

插补后加/减速

加减速控制

刀具半径补偿

⑵．刀具长度补偿

铣削刀具的长度补偿

加工前，用一把刀具的长度作为基准，将实际加工中使用的各把刀具先测量好其与基准刀具刀长的正、负差值，将这一差值与上述的刀具半径值一样按刀号输入刀具补偿存储器。编制

加工程序时，编入刀具号。加工的开始，用基准刀具的刀尖对刀。CNC 执行加工程序时，根

据程序中指令的刀号找出刀长的差值，按刀长差值的符号伸长或缩短，进行补偿。上图是铣

床刀具长度的补偿，只有Z 向补偿。对于车床，有X 和Z 两个方向。如下图所示。

在铣床类的CNC 系统中，用G43 和G44 指令刀具的长度补偿，G43 为正刀补，即将刀具补偿值加到程序指令的终点坐标值上。G44 为负刀补，即由程序指令的终点坐标值减去刀具的

补偿值。

车削刀具长度补偿

⑶．三维刀具补偿

加工复杂形状的零件（如模具）需要用多个坐标轴同时移动的多坐标插补器。当然也必

须用多坐标（多维）的刀具补偿。下图所示是三维的刀具半径补偿和刀具前角的补偿。

刀具的半径偏置和前角偏置

Tool axis

Offset path Programmed path

Offset vector

Offset plane

Leading edge offset

Tool axis

Offset plane

Offset path Offset vector

Programmed path

Tool side offset

四．运动误差的补偿

1．运动轴反向时的间隙补偿（失动量补偿）

在机床工作台的运动中从某一方向变为相反方向的反向时刻，会由于滚珠丝杠和螺母的间隙或

丝杠的变形而丢失脉冲，就是所说的失动量。

在机床上打表实测各轴的反向移动间隙量，根据实测的间隙值用参数设定其补偿量------补偿

脉

冲数（1μm/脉冲）。这样，在工作台反向时、执行CNC 的程序指令的移动前，CNC 将补偿脉冲经

脉冲分配器、按CNC 事先设定的速率输出至相应轴的伺服放大器，对失动量补偿。

反向间隙值与工作台的移动速度有关，设定相关参数，系统可以对G00（快速移动）和进给速

度（F）下的间隙分别进行补偿。

2．螺距误差补偿

机床使用的滚珠丝杠，其螺距是有误差的。CNC 可对实测的各进给轴滚珠丝杠的螺距误差进

行补偿。通常是用激光干涉仪测量滚珠丝杠的螺距误差。测量的基准点为机床的零点。每隔一定的

距离设置一个补偿点，该距离是用参数设定的。当然，各轴可以任意设定，比如：X 轴的行程长，

设为50mm 补一个点，Z 轴行程短或是要求移动精度高，设为20mm 补一个点……。

补偿值根据实际测量的滚珠丝杠误差确定，其值（补偿脉冲个数）按照补偿点号（从基准点即

机床零点算起）设入CNC 的螺距误差补偿存储器，如下图所示。通常，一个补偿脉冲的当量是一

个μm。补偿值可正、可负。在进给轴运动时，CNC 实时检测移动距离，按照这些事先设定的参数

值在各轴的相应补偿点给各轴分别输出补偿值，使相应轴在CNC 插补输出脉冲的基础上多走或少

走相应的螺补脉冲数。

近来，CNC 系统开发了按工作台移动方向的双向螺距误差的补偿功能。进一步提高了进给轴

的移动精度。

螺距误差补偿器

五．信息、数据的输入、输出控制

CNC 的输入信息与数据包括加工程序，功能参数，系统参数，机床参数，伺服控制参数，主

轴控制参数，PMC 参数，刀具数据，Macro(宏)变量，坐标系，专用软件数据……这些信息与数据

由信息输入/输出操作设备经相应的数据口输入或输出。

1．数据的输入、输出设备

CNC 系统目前常用的I/O 设备有：⑴. 键盘：为了减小安装尺寸，通常是专门设计的，称为

MDI 键盘，向CNC 输入信息与数据，用于操作CNC 单元。⑵. 机床操作面板：操作工操作机床的

各种动作。⑶. PC 机。⑷. 软磁盘驱动器(Handy file)：FANUC 系统的专用设备。⑸. Panel- i：FANUC

系统的专用设备。⑹. Flash 存储卡等等。

每一种设备都有相应的驱动与控制程序。

2．数据的输入、输出口

CNC 控制器上配有几种数据传送口，用于与外界数据设备的连接。⑴. RS-232C 口：连接PC

机、软磁盘驱动器等有串行通讯口的设备。⑵. HSSB：高速串行数据总线，用于与PC 机或Panel- i

连接，高速传送数据。⑶. I/O Link：是基于RS-485 的数据口，日本的工业企业标准，用于传送机

床强点控制的I/O 信号信息。⑷. 以太网。⑸. 现场局部网络。关于⑷和⑸，下面专门叙述。3．显示器

用来显示系统的操作与运行的现状与结果，显示加工仿真图形。目前的FANUC 系统已经全部

使用LCD 显示器。这种显示器体积小，彩色显示器的色彩丰富，加工件的仿真非常逼真。LCD 显示器

FANUC LTD

? Display 256 colors out of 4096 at a time

Work piece shape 3-dimensionally

using shades (Super CAP II T)

Cross section of a work

piece(Super CAP II M)

LCD VVGGAA GGrraapphhiicc ffuunnccttiioonn

六．网络及CNC 加工的集中控制

机械加工厂的网络一般可分3 级：厂级网；加工单元级网和下级的现场网。

ＩＴ?知能化- 5

???

单元主机

Power Mate

I/O Unit等

1个装置

网络的层次

I/O Link

Power

Mate I/O

PLC /

单元网络信息管理级

控制级

１个单元专用加工线

PLC /

I/O Link

I/O

I/O Link

I/O

I/O Link

I/O

I/O Link

I/O

NC NC

机器人

控制器

I/O Link

I/O

I/O Link

I/O

Power

Mate NC

区域网络

现场网络

工厂级

主机

单元主机

加工厂的网络

厂级和加工单元级网目前多用以太网。加工现场网络，FANUC 系统可配：Profibus-DP；Device

net；FL-Net。选用不同的网路需配不同的网路板，如下图。

ＩＴ?知能化- 8

FANUC Series 16i/18i/21i

适应生产线的系统化发展。满足上级网络和下级网络

两方面的要求。

适应各种FA网络

上级网络用插槽

Ethernet 板

下级网络用插槽

PROFIBUS 板

网络板及其插口

1．以太网

FANUC CNC-16i/18i/21i，0i-C 可配3 个不同用途的以太网口：内装于CNC 主板的以太网口，

网板和网卡，如下图所示。

ＩＴ?知能化- 7

ＣＮＣ上标准装备的以太网功能

伺服调整指南

FANUC

LADDER-Ⅲ

CIMPLICITY

i CELL

選択

由发那科提供

使用高级应用软件可以与多台PC进

行更高速的通信

10BASE-T

10BASE-T/100BASE-TX

10BASE-T

100BASE-TX

Series 16i / 18i / 21i -B

（21i 为选项）

数据服务器

（选项）

大容量记

忆装置

快速以太网

接口

标准装备

机械远程診断

CNC上配置以太网功能，可方便的与网络连接

各种应用软件可直接拿来

使用

FANUC CNC 的以太网

其中，网卡为即用即插，为临时用途，如调试梯形图；调试机床的进给伺服特性和主轴特性……。

网板是在系统上增加的插板，上有大容量半导体存储器（最大1GB），代替硬磁盘。主要用于与

大容量数据设备（如PC 机）连接，批量传送数据与信息，如用于模具加工。

内装于主板的以太网口可用于单元控制，与单元控制主机连接。

2．现场网

现场网络用于与其他设备批量传送I/O 控制信号信息。如，在自动生产线上与其它专用加工机

械、装料/卸料机械、物料搬运机械、清洗机械等的信息（信号）联系。根据要求或地域可选

Profibus-DP，Device-net 或FL-net。FANUC 生产了这些网路板，并开发了相应的配套软件。3．CNC 加工的集中控制

现代的机械加工工厂（如汽车发动机制造厂）使用CNC 机床不只是使其单机运行，是将多台

CNC 机床和有关的专用设备如上/下料装置，物料传送机械，清洗机，翻转机，测量机，专用加工

机等连成流水生产线。对这些机械用网路连接起来，用计算机实施生产的集中管理。整个工厂的生

产集中管理的基础是加工单元的集中控制。

加工单元控制器：由一台主计算机集中控制多台CNC 机床的运行。主机与CNC 系统用以太网

连接。

为实现对多台CNC 机床的集中控制，控制加工单元的主计算机必须能获取各CNC 机床的各种

信息与数据，包括：①. 机床的运行状态：是处于加工运行还是待机；是否有报警；加工哪一个程

序？哪一个程序段？是否结束了此次的加工任务？…….②. CNC 与机床的信息与数据，如：CNC

存储的加工程序；机床正在运行的加工程序；CNC 存储的刀具信息；主轴上的刀具号；已加工的

工件数；加工时间；程序的运行时间；CNC 参数；伺服参数；主轴参数；机床参数；PMC 参数；

PMC 的梯形图；宏变量；报警号与信息等等。就是说，主计算机能够实时监视各CNC 机床的运行

状况，了解对机床进行维护的信息。

另外，主计算机还必须：①. 对各机床进行必要、有时是实时的控制。如，机床的暂停，急停；

②. 信息与数据的下传，如：加工运行指令；要求的加工工件数；加工程序；刀具信息；CNC 参数；

伺服参数；主轴参数；机床参数；PMC 参数；PMC 的梯形图；宏变量等等。③. CNC 机床的维护

与维修指导信息。

最终用户可在单元控制的主计算机上自行开发集中控制软件（包括生产管理，计划调度，加工

现场监控，故障诊断等软件）。这些应用软件的开发基础，必须使用CNC 系统的生产厂家提供的

CNC 信息库与通讯软件包。FANUC 为用户开发了用于此目的的工具软件FOCAS（FANUC Open

CNC Application Software）。利用该软件包提供的指令，用户可以实现主计算机与CNC 的通讯，

上/下传送上面所述的信息与数据。下图是FOCAS 能提供的基本功能。

ＩＴ?知能化- 10

PC的应用软件CNC CNC

NC 程序的上装

NC 程序目录的阅读

NC 程序下载

NC 程序删除

NC 程序检索

参数的阅读参数写入

用户宏变量的阅读用户宏变量写入

刀具偏置数据阅读刀具偏置数据写入

工件坐标系偏移数据阅读工件坐标系移位数据写入

螺距误差补偿量阅读螺距误差补偿量写入

刀具寿命管理数据阅读刀具寿命管理数据写入

PMC数据阅读PMC数据写入

PC的应用软件

'’read'' '’write''

FOCAS1提供的功能举例

为了方便用户，FANUC 还开发了单元控制器----i-CELL 作为商品。下面的图是i-CELL 的功能

框图。如果CNC 使用的PMC 是SB7，还可以传送与显示（在主机上）被控机床的梯形图。数据传送功能

ＩＴ?知能化- 19

CIMPLICITY HMI

FOCAS1 / Ethernet、DNC2

网络

CNC机床

ＮＣ程序

管理运转监控维修功能

远程监视

CIMPLICITY i CELL :

对联网的CNC机床进行集中管理

Windows 2000

Windows NT 4.0

ＣＮＣ

显示／

操作

用户编制

应用软件

远程支援和服务发那科服务

CS24i

CNC机床的集中管理软件

NC程序管理、机床加工运作的监

控等功能

NC程序管理、机床加工运作的监

控等功能

使用ｉ方式

进行监视

使用Web

观察器进

行监视

遠距

启动与CS24i服务联动的远

程诊断

启动与CS24i服务联动的远

程诊断

利用互联网、I方式移动电话等手段的远程监视

使用CIMPLICITY追加

用户专用功能

使用CIMPLICITY追加

用户专用功能

随着IT 技术的迅速发展，现代加工工厂的生产线使用集中管理越来越多。下面是典型的加工

线的集中管理图。

加工单元控制器

生产线的加工集中管理

七．PMC 和机床的强电控制

机床的开机、停机；主轴的起动、停止；加工的开始、结束、中停；润滑、冷却的开、关；工

件的装、卸控制；找刀、换刀；工作台交换；辅机的起、停等这些机床动作，都是由接触器、继电

器、阀执行的。指令这些动作的控制信号相互间都有一定的顺序或时序，相互之间是互锁的。普通机床因动作简单，由电气元、部件（按钮，按键，触点，线圈等）按继电逻辑的原理图硬

接线实现的，运行起来不可靠。CNC 机床采用PMC 逻辑控制。PMC 其实就是PLC（可编程逻辑

控制器。）但是因为FANUC 的机床控制PLC 是专门用于控制机床的，其中有多条专用指令，故而

叫做PMC-----可编程机床控制器。而且，PMC 的程序格式FANUC 采用的是梯形图。梯形图的显

示格式非常类似于机床的继电逻辑图，直观易懂，易编，易操作。

CNC一启动，PMC 程序即运行。在CNC 执行加工程序时，PMC 与加工程序并行运行。PMC

时刻扫描机床或机床操作者的输入信号和强电柜控制信号的执行结果。

执行上述机床上的各种动作，在加工程序中需要编制控制指令：M（辅助功能），T（换刀），B（第二辅助功能）。

1. 信号及其地址

PMC 把信号根据其作用部位及作用方向分为4 种，如下图：

CNC PMC 机床

PMC 信号

X：由机床输入至PMC。如：操作员由机床操作面板上输入的按钮、按键、开关信号。Y：由PMC 输出至机床的使机床强电动作的信号。如：主轴的正、反向；润滑、冷却的

开/关信号。PMC 处理梯形图程序输出这些信号使机床动作。

G：PMC 输出至CNC 的信号（CNC 输入）。

这些信号中有些是启动CNC 的一个子程序。这些子程序是CNC 控制软件的一部分：

根据机床的实际动作设计好的机床的强电控制功能。如：急停（G8.4）；自动加工程序

启动(G7.2)；工作方式选择（G43.0~2）。

数

控

系

统

机床

接收

驱动负

载

电

源

公共端

DI/DO

*ESP,*DECx等

保持型继电器

?Counter (C)

?Timer (T)

?Keep relay (K)

中间

继电

器

(R)

另外一些信号是PMC 通知CNC，使CNC 改变或执行某一种运行。如：FIN（G4.3）

----是PMC 通知CNC 辅助功能M 或换刀功能T 已经结束执行。CNC 接受到该信号后

即可启动下个加工程序段的执行；*SSTP（G29.6）：CNC 停止主轴电机的控制信号。

F：CNC 输出至PMC 的信号。

其中的一些信号是反映CNC 运行状态的标志，表明CNC 正处于某一状态。如：

AL（F1.0）：报警状态。MV（F102）：进给轴移动中。

另一些信号是CNC 响应X（经过G）后，执行某一运行的结果，用以通知PMC。

PMC 收到该信号，视其具体情况，再做适当处理。

还有一些信号是加工程序指令的译码输出。如：M 代码（F10~F13）；T 代码

（F26~F29）。CNC 将这些信号输出给PMC 进行处理。

上述这些信号在梯图程序中都必须赋予地址。G 和F 信号的地址是由CNC 的系统软件规定好

的，是固定的。有一些X 信号地址也由CNC 规定好。CNC 提供地址表。Y 信号可由PMC 设计人

员自行指定。

X和Y 信号由输入/输出模块经CNC 的I/O Link 口与CNC 单元连接。X 和Y 信号的另一端经

电缆线与电器元件连接。见下图。

I/O信号的连接

下图是CNC 规定的有专门用途的固定地址。图示为16i 系统，T：表示是车床系统；M：表示

是铣床系统。

固定的X 信号地址

2. 内部寄存器

地址范围

在编制PMC 程序时，为了保存数据或信号，PMC 要用到内部的一些寄存器：R，K，D，T，

C，和A。

R：中间寄存器。可任意使用。

K：保持型寄存器。存储的内容由后备电池维持。有几个存储单元已被PMC 系统使用。D：数据存储器。如存储刀具表；主轴变速的各挡速度表。

T：定时器。存储定时器时间。

C：计数器。存储计数器的预置值，计数值。

A：显示信息：存储信息字符。

3. 功能指令

编制机床的PMC（PLC）控制逻辑，首先必须要弄清所控制的（要实现的）机床动作，对该

动作的各个细节排出时序，即，将实现该动作的一步步的子步骤（细微动作）按先后次序列出顺序

表，必要步骤还要估计出其执行时间，还要考虑各动作之间的相互关系，动作之间的互锁和解锁条

件，另外要了解实现各细微动作，执行PMC 指令的电器元件。PMC 逻辑就是用PMC 指令（语言）

将这些细微动作的执行按顺序表示出来。

对于顺序逻辑程序，不同的系统制造厂提供了不同的格式，常用的有：语句表和梯形图。FANUC

的PMC 逻辑程序用梯形图格式，特点是直观，类似于机床的继电器逻辑图，所以非常易于理解。

而且，PMC 语言用了许多专用指令，称为功能指令。这样，逻辑图编得相当简洁。FANUC PMC 的功能指令约有50 余条，但实际常用的也就是20 条左右，如：定时器，计数器，

回转指令，译码器等。下面的两张图为功能指令格式和功能指令集（部分）。

PMC 功能指令格式

PMC功能指令集（部分）

4. 梯形图

下图是实际的梯形图程序实例（部分）。图右侧可加注释；左侧有网格号，以便于查找。

实际的梯形图程序

5. PMC 的执行

CNC 与PMC 程序的执行时序

CNC开机后，CNC 与PMC 同时运行。上图为两者执行的时序图。一个工作周期为8ms，其中

前1.25ms 为PMC 执行梯形图程序。首先执行完全部的第一级程序，1.25ms 内剩下的时间内执行

第2 级程序的一部分。第一级程序为要求PMC 紧急处理的事件，比如：急停。执行完PMC 程序

后的8ms 的剩余时间，为CNC 的处理时间。在随后的各周期内，每个周期的开始均执行一次PMC

的一级程序，因此在宏观上，紧急事件似乎是立即反应的。执行完一级程序后，在各周期内均执行

一部分PMC 的第2 级程序，这叫做程序的分割。直至全部PMC 程序执行完毕。然后又重新执行

PMC 程序，周而复始。

CNC程序的执行和PMC 程序的执行两者之间的关系是：

若是PMC 接收到机床操作者的X 信号要求CNC 实现某一操作，例如启动自动加工程序，在

梯形图中就把该X 信号送到G7.2，CNC 收到该指令后，知道是执行自动循环启动子程序，即立即

执行。执行过程中输出F0.5，通知PMC，CNC 正处于运行加工程序状态。

如果CNC 在执行加工程序时，发现程序段中有M，T 等指令，即将该指令译码后以F 信号地

址送往PMC，例如：M 代码，送到F10~F13。PMC 处理（译码，顺序和互锁）后，在经某一Y 地

址送到强电柜，由执行元件（继电器等）执行所须的控制动作。若M 指令所在的零件加工程序的

程序段中有进给轴运动指令，被控轴走完要求的移动量后，还要判断PMC 是否已经执行完CNC

赋予（指令）的动作，因此就要求PMC 在执行M，T 等指令时必须返回一个完成信号FIN。CNC

收到该信号时，即可读下一段，执行下一个程序段。

八．进给伺服轴控制

机床工作台（包括转台）的进给是用伺服机构驱动的，目前都是电气化的，是用伺服电动机驱

动的，而且多数都是用同步电动机。电动机与滚珠丝杠直接连接（如下图），这样由于传动链短，

运动损失（lost motion）小，且反应迅速，因此可获得高精度。

机床的进给伺服属于位置控制伺服系统。如下图所示，输入端接收的是来自CNC 插补器、在

每个插补周期内串行输出的位置脉冲。脉冲数表示位置的移动量（通常是一个脉冲为

1μm------即

系统的分辨率为1μm）；脉冲的频率（即在单位时间内输出的脉冲数的多少）表示进给的速度；脉

冲的符号表示轴的进给方向,通常是将脉冲直接送往不同伺服轴的指令输入口。

下图只画出了一个进给轴，实际的机床有几个轴，但是控制原理都是一样的。几个轴在同一插

补周期内接收到插补指令时，由于在同一时间内的进给量不同，进給速度不同，运动方向不同，其

合成的运动就是曲线，刀具依此曲线轨迹运动即可加工出程序所要求的工件轮廓。

对进给伺服的要求不只是静态特性，如：停止时的定位精度、稳定度。更重要的是进给的伺服

刚性好，响应性快，运动的稳定性好，分辨率高。这样才能高速、高精度地加工出表面光滑的高质

量工件。

1. 伺服系统的结构类型

伺服系统分为开环和闭环两种结构。

开环：

所谓开环，就是没有位置反馈的伺服系统。这种结构的电气系统都用步进电动机驱动，如下图

所示。由于没有速度和位置的反馈，所以跟随精度差，响应性差，因此加工精度差，效率低。开环伺服系统

另外由于步进电动机控制原理及本身的结构等原因：运行及定位速度不高，控制性不好，易丢

失控制脉冲，响应性差、效率低等，不适于CNC 机床工作台的驱动控制。

闭环：

闭环是有被控元件的位置反馈的伺服系统。系统的构成包括：执行元件------伺服电动机（一般

与滚珠丝杠直接连接）；速度控制器和位置控制器，位置控制器接收CNC 插补器的输出指令（如下

面的图所示）。

根据使用的位置反馈元件的种类：回转式还是直线式以及位置反馈元件的机械安装部位，闭环

系统从机械使用角度又可分为半闭环、闭环和混合式闭环，如下图。

①．半闭环：如上图所示：这种结构，使用回转运动的脉冲编码器（光码盘），并将其安装于

电动机轴上或滚珠丝杠上（远离电机轴的一端）。因此，编码器只能随着电动机的回转，测量电动

机轴或滚珠丝杠转过的角度。但是，工作台是带动工件作直线运动的，位置检测器应该实测其直线

移动量，并将其反馈至位置控制器。因为编码器不是直接测量工作台的直线移动，需经滚珠丝杠和

螺母将丝杠的转角转换为直线位移，属于被控元件（这里是直线运动的工作台）的被控量（这里是

位置量）的间接测量，就称之为半闭环。就是说进给传动链上有一部份元件没有闭在环内（如图中

的滚珠螺母和工作台），因此会造成反馈量（实际位置）的测量误差，以至于影响整个伺服系统环

路的控制误差。图中，电机轴与滚珠丝杠间的耦合，滚珠丝杠与螺母间的反向时的间隙，丝杠、工

作台的变形等等引起的运动误差，编码器均未测到。因此，这种结构从理论上讲，伺服的跟随精度

不如全闭环高。

闭环伺服系统的结构

由图中可见，其中的编码器既作为电动机的速度反馈，以维持电动机转速的恒定，从而使工作

台的进给速度恒定；又作为被控元件的位置反馈。作速度反馈时，是将电动机的转速以单位时间内

的脉冲数表示、将其反馈至速度控制器，与指令速度进行比较。作位置反馈时，是将实测的脉冲个

数反馈至位置控制器，与CNC 输出的位置指令值比较，用求出的位置误差作为位置环路的控制量。

②．全闭环：这种结构使用直线尺（通常使用直线光栅尺）作为位置测量元件，并将其安装于

工作台的侧面，随工作台一起运动。因此，能够直接测量出工作台的实际移动量（称之为直接测量）。

整个传动链上的所有元件全部被包括于闭环内，故测量精度高，因之伺服的控制精度也就高。此种结构中，装在电动机轴上的编码器只用于电动机的速度反馈，位置量的反馈使用直线光栅

尺。

③．混合控制闭环（双闭环）：这种结构中，位置量的测量同时使用了两种元件：脉冲编码器

和直线光栅尺。

另外，编码器还和半闭环一样，同时兼用于速度反馈（如上图所示）。由于有两种位置反馈，故系

统精度较高，跟随性好。

上述三种结构，尽管全闭环达到的精度较高，但是使用的还是比较少，其原因是调试比较困难，

特别是当机床的机械刚性较差，如：丝杠细而长、工作台和导轨间的摩擦大、工作台较重、使用蜗

轮/蜗杆传动、装配时机件间的间隙较大时，极易引起传动链的震动，因而无法调试。使用全闭环

系统，对机床的机械元、部件的结构设计，机件的变形，机件的制造精度，传动部件的装配精度要

求都较高。鉴于此种原因，一般机床都使用半闭环结构。这种结构对机械要求一般，调试比较容易。

其伺服传动的精度可以用反向间隙补偿和滚珠丝杠的螺距误差补偿功能加以弥补。在大型机

床或是

要求高精度的机床上可以使用混合闭环控制技术。

2. 同步电动机

闭环伺服结构的电气系统目前都用交流伺服电动机驱动，多数使用永磁式同步电动机。

永磁式同步电动机的结构如下图所示。其转子是用高导磁率的永久磁钢作成的磁极，中间穿有

电机轴，轴两端用轴承支撑并将其固定于机壳上。定子是用矽钢片叠成的导磁体，导磁体的内表面

有齿槽，嵌入用导线绕成的三相绕组线圈。另外在轴的后端部装有编码器。

当定子的三相绕组通有三相交流电流时，产生的空间旋转磁场就会吸住转子上的磁极同步旋转。同步电动机的速度控制与电功率的提供是用逆变器，逆变器中从直流变到三相交流的功率驱动

电路元件需要根据转子磁场的位置实时地换向，这一点非常类似于直流电动机的转子绕组电流随定

子磁场位置的换向。因此，为了实时地检测同步电动机转子磁场的位置，在电动机轴上（后端）安

装了一个编码器（光码盘------图中的11）。由于有了光码盘，无论电机的转速是快、还是慢，均可

以随着电机轴地回转实际地测出转子上磁极磁场的位置，将该位置值送到控制电路后，使控制器可

以实时地控制逆变器功率元件的换向，实现了伺服驱动器的自控换向。因此，有人将这种同步电动

机的驱动控制器和电动机一起称为自换向同步电动机；另外，因为其控制特性类似于直流电动机，

所以也称为无整流子式直流电动机。

同步电动机在整个速度控制范围内，力矩基本维持恒定，堵转（零转速）时力矩最大。力矩可

以短时过载，过载倍数可达3~4 倍的额定力矩，其机械特性（力矩------转矩关系）请见下图。

同步电动机的机械特性和过载特性

由左图可见，纵轴是力矩（Nm），横轴是转速（rpm）。特性分为两个工作区：实线底下是连续

工作区，即连续运行或连续加工的工作区域；虚线与实线间的区域是断续工作区，用于动态过渡过

程，是加/减速、反向、或执行停止动作的工作区域。由于此区可以过载使用，从图中可见，过载

倍数达3 倍多的额定力矩，所以过渡过程可以加速执行，使得伺服的跟随精度可以提高，生产效率

也可提高。

另外，同步电机的结构设计使得在非常低的速度下能够平稳、平滑地转动，所以即使在低速加

工时，也能获得高质量的表面。

同步电动机结构