計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的軟硬件結(jié)構(gòu)課件

1、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的軟硬件結(jié)構(gòu)課件計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的軟硬件結(jié)構(gòu)課件數(shù)控系統(tǒng)的核心是數(shù)控裝置。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控裝置性能越來越高，價格越來越低。從外部特征來看，CNC裝置是由硬件（通用硬件和專用硬件）和軟件（專用）兩大部分組成的，軟件在硬件的支持下運(yùn)行，離開軟件，硬件便無法工作，二者缺一不可。. CNC裝置的組成2022/9/142現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)數(shù)控系統(tǒng)的核心是數(shù)控裝置。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控裝置性能 CNC裝置硬件的層次結(jié)構(gòu)CNC裝置的硬件具有一般計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，還有數(shù)控機(jī)床所特有的功能模塊與接口單元。圖4-1 CNC系統(tǒng)硬件的層次結(jié)構(gòu). CNC裝置的組成2022/9/143現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)

2、 CNC裝置硬件的層次結(jié)構(gòu)圖4-1 CNC系統(tǒng)硬件的層2、CNC裝置軟件的功能結(jié)構(gòu) 從本質(zhì)特征來看，CNC裝置軟件是具有實(shí)時性和多任務(wù)性的專用操作系統(tǒng)，從功能特征來看，該操作系統(tǒng)由CNC管理軟件和CNC控制軟件兩部分組成。它是CNC系統(tǒng)活的靈魂。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4-2所示。為了提高機(jī)床的進(jìn)給速度控制，一些實(shí)時控制可以由硬件來完成，如硬件插補(bǔ)器。這樣CPU作些插補(bǔ)前的準(zhǔn)備工作，而位置控制由硬件電路完成。. CNC裝置的組成2022/9/144現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)2、CNC裝置軟件的功能結(jié)構(gòu). CNC裝置的組成2022/操作系統(tǒng)管理軟件控制軟件零件程序管理顯示處理人機(jī)交互位置控制輸入輸出管理插補(bǔ)運(yùn)算故障診斷

3、處理速度處理機(jī)床輸入輸出編譯處理主軸控制刀具半徑補(bǔ)償. CNC裝置的組成2022/9/145現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)操作系統(tǒng)管理軟件控制軟件零件程序管理顯示處理人機(jī)交互位置控制3、CNC裝置硬件軟件的作用和相互關(guān)系硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂CNC裝置的系統(tǒng)軟件在系統(tǒng)硬件的支持下，合理地組織、管理整個系統(tǒng)的各項(xiàng)工作，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功能，使數(shù)控機(jī)床按照操作者的要求，有條不紊地進(jìn)行加工。 CNC裝置的硬件和軟件構(gòu)成了CNC系統(tǒng)的系統(tǒng)平臺，如圖4-3所示。. CNC裝置的組成2022/9/146現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)3、CNC裝置硬件軟件的作用和相互關(guān)系. CNC裝置的組成 圖4-3 CNC系統(tǒng)平臺硬件操作系統(tǒng)管理軟件應(yīng)用軟件控

4、制軟件數(shù)控加工程序 接口被控設(shè)備 機(jī) 床 機(jī)器人 測量機(jī) . CNC裝置的組成2022/9/147現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 圖4-3 CNC系統(tǒng)平臺硬件操作系統(tǒng)管理軟件應(yīng)用軟件控制軟 1、具有靈活性和通用性CNC裝置的功能大多由軟件實(shí)現(xiàn)，且軟硬件采用模塊化的結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)功能的修改、擴(kuò)充變得較為靈活。CNC裝置其基本配置部分是通用的，不同的數(shù)控機(jī)床僅配置相應(yīng)的特定的功能模塊，以實(shí)現(xiàn)特定的控制功能。二. CNC裝置的優(yōu)點(diǎn)2022/9/148現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 1、具有靈活性和通用性二. CNC裝置的優(yōu)點(diǎn)2022/2、數(shù)控功能豐富插補(bǔ)功能：二次曲線、樣條曲線、空間曲面插補(bǔ)補(bǔ)償功能：運(yùn)動精度補(bǔ)償、隨機(jī)誤差補(bǔ)償、非線性誤

5、差補(bǔ)償?shù)热藱C(jī)對話功能：加工的動、靜態(tài)跟蹤顯示，高級人機(jī)對話窗口編程功能：G代碼、籃圖編程、部分自動編程功能。二. CNC裝置的優(yōu)點(diǎn)2022/9/149現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)2、數(shù)控功能豐富二. CNC裝置的優(yōu)點(diǎn)2022/9/10 3、 可靠性高CNC裝置采用集成度高的電子元件、芯片、可靠性得以保證。許多功能由軟件實(shí)現(xiàn)，使硬件的數(shù)量減少。豐富的故障診斷及保護(hù)功能(大多由軟件實(shí)現(xiàn))，從而可使系統(tǒng)的故障發(fā)生的頻率和發(fā)生故障后的修復(fù)時間降低。二. CNC裝置的優(yōu)點(diǎn)2022/9/1410現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 3、 可靠性高二. CNC裝置的優(yōu)點(diǎn)2022/9/104、使用維護(hù)方便操作使用方便：用戶只需根據(jù)菜單的提示，便可進(jìn)

6、行正確操作。編程方便：具有多種編程的功能、程序自動校驗(yàn)和模擬仿真功能。維護(hù)維修方便：部分日常維護(hù)工作自動進(jìn)行(潤滑，關(guān)鍵部件的定期檢查等)，數(shù)控機(jī)床的自診斷功能，可迅速實(shí)現(xiàn)故障準(zhǔn)確定位。二. CNC裝置的優(yōu)點(diǎn)2022/9/1411現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)4、使用維護(hù)方便二. CNC裝置的優(yōu)點(diǎn)2022/9/105、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化數(shù)控系統(tǒng)控制柜的體積?。ú捎糜?jì)算機(jī)，硬件數(shù)量減少；電子元件的集成度越來越高，硬件不斷減?。蛊渑c機(jī)床在物理上結(jié)合在一起成為可能，減少占地面積，方便操作。二. CNC裝置的優(yōu)點(diǎn)2022/9/1412現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)5、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化二. CNC裝置的優(yōu)點(diǎn)2022/9 CNC裝置的

7、功能是指滿足用戶操作和機(jī)床控制要求的方法和手段。數(shù)控裝置的功能包括基本功能和選擇功能。不管用于什么場合的CNC裝置，基本功能使必備的數(shù)控功能；選擇功能是供用戶根據(jù)機(jī)床特點(diǎn)和用途進(jìn)行選擇的功能?；竟δ軘?shù)控系統(tǒng)基本配置的功能，即必備功能；選擇功能用戶可根據(jù)實(shí)際要求選擇的功能。CNC裝置的功能2022/9/1413現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) CNC裝置的功能是指滿足用戶操作和機(jī)床控制要求的方法和手 1、控制功能 CNC能控制和能聯(lián)動控制的進(jìn)給軸數(shù)，它是數(shù)控裝置的重要性能指標(biāo)。 CNC的控制軸分有：移動軸（X、Y、Z）和回轉(zhuǎn)軸（A、B、C）；基本軸和附加軸（U、V、W）。數(shù)控車床一般只需X、Z兩軸聯(lián)動控制。數(shù)控銑

8、床、鉆床以及加工中心等需要三軸控制以及三軸以上聯(lián)動控制。聯(lián)動控制軸數(shù)越多，CNC系統(tǒng)就越復(fù)雜，編程也越困難。CNC裝置的功能2022/9/1414現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 1、控制功能CNC裝置的功能2022/9/1016現(xiàn)代數(shù)2、準(zhǔn)備功能（G功能） 指令機(jī)床動作方式的功能。它包括基本移動、程序暫停、平面選擇、坐標(biāo)設(shè)定、刀具補(bǔ)償、鏡像、固定循環(huán)加工、公英制轉(zhuǎn)換、子程序等指令。CNC裝置的功能2022/9/1415現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)2、準(zhǔn)備功能（G功能）CNC裝置的功能2022/9/10173、 插補(bǔ)功能和固定循環(huán)功能插補(bǔ)功能是數(shù)控裝置實(shí)現(xiàn)零件輪廓(平面或空間)加工軌跡運(yùn)算的功能。實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)功能的方法有逐點(diǎn)比較法、

9、數(shù)字積分法、直接函數(shù)法和雙DDA法等固定循環(huán)功能是數(shù)控裝置實(shí)現(xiàn)典型加工循環(huán)（如：鉆孔、攻絲、鏜孔、深孔鉆削和切螺紋等）的功能CNC裝置的功能2022/9/1416現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)3、 插補(bǔ)功能和固定循環(huán)功能CNC裝置的功能2022/9/14、進(jìn)給功能進(jìn)給速度的控制功能。進(jìn)給速度 控制刀具相對工件的運(yùn)動速度，單位為mm/min。同步進(jìn)給速度 實(shí)現(xiàn)切削速度和進(jìn)給速度的同步，單位為 mm/r。只有主軸裝有位置編碼器的機(jī)床才能指令同步進(jìn)給速度進(jìn)給倍率（進(jìn)給修調(diào)率）人工實(shí)時修調(diào)預(yù)先給定的進(jìn)給速度。使用倍率開關(guān)不用修改零件加工程序就改變進(jìn)給速度。CNC裝置的功能2022/9/1417現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)4、進(jìn)給功能C

10、NC裝置的功能2022/9/1019現(xiàn)代數(shù)控技5、主軸功能 數(shù)控系統(tǒng)的主軸的控制功能。主軸轉(zhuǎn)速主軸轉(zhuǎn)速的控制功能，單位為r/min。恒線速度控制刀具切削點(diǎn)的切削速度為恒速的控制功能。該功能主要 用于車削和磨削加工中，使工件端面質(zhì)量提高。主軸修調(diào)率人工實(shí)時修調(diào)預(yù)先設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速。主軸準(zhǔn)停該功能使主軸在徑向的某一位置準(zhǔn)確停止。加工中心必須有主軸準(zhǔn)停功能，主軸準(zhǔn)停后實(shí)施卸刀和裝刀動作。CNC裝置的功能2022/9/1418現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)5、主軸功能CNC裝置的功能2022/9/1020現(xiàn)代數(shù)控技 6、輔助功能（M功能） 用于指令機(jī)床輔助操作的功能。主要用于指定主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、冷卻泵的打開和關(guān)閉

11、、換刀等動作。CNC裝置的功能2022/9/1419現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 6、輔助功能（M功能）CNC裝置的功能2022/9/1027、刀具管理功能實(shí)現(xiàn)對刀具幾何尺寸和壽命的管理功能。刀具幾何尺寸（半徑和長度），供刀具補(bǔ)償功能使用；刀具壽命是指時間壽命，當(dāng)?shù)毒邏勖狡跁r，CNC系統(tǒng)將提示用戶更換刀具；CNC裝置都具有刀具號（T）管理功能，用于標(biāo)識刀庫中的刀具和自動選擇加工刀具。CNC裝置的功能2022/9/1420現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)7、刀具管理功能CNC裝置的功能2022/9/1022現(xiàn)代數(shù)8、補(bǔ)償功能刀具半徑和長度補(bǔ)償功能： 實(shí)現(xiàn)按零件輪廓編制的程序控制刀具中心軌跡的功能。傳動鏈誤差：包括螺距誤差補(bǔ)償和反

12、向間隙誤差補(bǔ)償功能。非線性誤差補(bǔ)償功能：對諸如熱變形、靜態(tài)彈性變形、空間誤差以及由刀具磨損所引起的加工誤差等，采用AI、專家系統(tǒng)等新技術(shù)進(jìn)行建模，利用模型實(shí)施在線補(bǔ)償。CNC裝置采用補(bǔ)償功能可以把這些補(bǔ)償量輸入到其內(nèi)部儲存器，在控制機(jī)床進(jìn)給時按一定的計(jì)算方法將這些補(bǔ)償量補(bǔ)上。CNC裝置的功能2022/9/1421現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)8、補(bǔ)償功能CNC裝置的功能2022/9/1023現(xiàn)代數(shù)控技 9、 人機(jī)對話功能在CNC裝置中這類功能有：菜單結(jié)構(gòu)操作界面；零件加工程序的編輯環(huán)境；系統(tǒng)和機(jī)床參數(shù)、狀態(tài)、故障信息的顯示、查詢或修改畫面等。CNC裝置的功能2022/9/1422現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 9、 人機(jī)對話功能

13、CNC裝置的功能2022/9/1024現(xiàn)10、自診斷功能CNC自動實(shí)現(xiàn)故障預(yù)報(bào)和故障定位的功能。CNC裝置中安裝了各種診斷程序，這些程序可以嵌入其它功能程序中，在CNC裝置運(yùn)行過程中進(jìn)行檢查和診斷。CNC裝置的功能2022/9/1423現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)10、自診斷功能CNC裝置的功能2022/9/1025現(xiàn)代數(shù)11、通訊功能 CNC與外界進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換的功能通訊功能主要完成上級計(jì)算機(jī)與CNC裝置之間的數(shù)據(jù)和命令傳送。CNC裝置的功能2022/9/1424現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)11、通訊功能CNC裝置的功能2022/9/1026現(xiàn)代數(shù)控第二節(jié) CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)CNC裝置從它的硬件組成結(jié)構(gòu)來看，若按其中

14、含有CPU的多少來分，可分為單微處理機(jī)和多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)兩大類。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置一般采用單微處理結(jié)構(gòu)，高級型CNC裝置采用多微處理結(jié)構(gòu)。多微處理結(jié)構(gòu)可以使數(shù)控機(jī)床向高速度、高精度和高智能化方向發(fā)展。2022/9/1425現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第二節(jié) CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)CNC裝置從它的硬件組成結(jié)構(gòu)一、分類：（一）、單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)控裝置1、單機(jī)系統(tǒng): 整個CNC裝置只有一個CPU，它集中控制和管理整個系統(tǒng)資源，通過分時處理的方式來實(shí)現(xiàn)各種NC功能。該CPU既要對鍵盤輸入和CRT顯示處理，又要進(jìn)行譯碼、刀補(bǔ)計(jì)算以及插補(bǔ)等實(shí)時處理，這樣進(jìn)給速度顯然受到影響。2、主從結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中只有一個CPU(稱為主CPU)對

15、系統(tǒng)的資源有控制和使用權(quán)。其它帶CPU的功能部件只能接受主CPU的控制命令或數(shù)據(jù)，或向主CPU發(fā)出請求信息以獲得所需的數(shù)據(jù)。即它是處于以從屬地位的，故稱之為主從結(jié)構(gòu)，也歸類于單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)第二節(jié) CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)2022/9/1426現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)一、分類：第二節(jié) CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)2022/9/10（二）、多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)CNC裝置中有兩個或兩個以上的CPU，即系統(tǒng)中的某些功能模塊自身也帶有CPU，根據(jù)部件間的相互關(guān)系又可將其分為：1、多主結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)中有兩個或兩個以上帶CPU的模塊部件對系統(tǒng)資源有控制或使用權(quán)。模塊之間采用緊耦合（關(guān)聯(lián)與依賴），有集中的操作系統(tǒng)，通過仲裁器來解決總線爭用問題

16、，通過公共存儲器進(jìn)行交換信息。2、分布式結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)有兩個或兩個以上帶CPU的功能模塊，各模塊有自己獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境，模塊間采用松耦合，且采用通訊方式交換信息。第二節(jié) CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)2022/9/1427現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)（二）、多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)第二節(jié) CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)202CPU紙帶機(jī)接口RS232接口CRT/MDI接口手搖輪接口ROM接口RAM接口PLC接口位控單元位控單元位控單元主軸單元D/AD/AD/AD/A速度單元速度單元速度單元速度單元MMMMMST功能單微處理機(jī)數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)圖二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹2022/9/1428現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)CPU紙帶機(jī)接口RS232CRT/MDI

17、接口手搖輪接口ROM 1、微處理器和系統(tǒng)總線(母板) 微處理器由控制器和運(yùn)算器組成，是微處理機(jī)的核心，他完成控制和運(yùn)算兩方面的內(nèi)容。在CNC裝置中，控制器的控制任務(wù)為：從程序存儲器中依次取出的指令，經(jīng)解釋，向CNC裝置各部分按順序發(fā)出執(zhí)行操作的控制信號，使指令得以執(zhí)行。而且又接受執(zhí)行部件發(fā)回來的反饋信號，控制器根據(jù)程序中的指令信息以及這些反饋信息，決定下一步命令操作。運(yùn)算器的任務(wù)主要是：零件加工程序的譯碼、刀補(bǔ)計(jì)算、插補(bǔ)計(jì)算、位置控制計(jì)算及其它數(shù)據(jù)的計(jì)算和邏輯運(yùn)算。系統(tǒng)總線是將微處理器、存儲器和輸入/輸出接口等相對獨(dú)立的裝置或功能部件聯(lián)系起來，并傳送信息的公共通道。由數(shù)據(jù)總線、地址總線：控制總

18、線組成。二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹2022/9/1429現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 1、微處理器和系統(tǒng)總線(母板)二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能2、 顯示模塊(顯示卡)顯示卡的主要作用：接收來自CPU的控制命令和顯示用的數(shù)據(jù)，經(jīng)與CRT的掃描信號調(diào)制后，產(chǎn)生CRT顯示器所需要的視頻信號，在CRT上產(chǎn)生所需要的畫面。二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹2022/9/1430現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)2、 顯示模塊(顯示卡)二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹20在CNC裝置中，CRT顯示是一個非常重要的功能，它是人機(jī)交流的重要媒介，它給用戶提供了一個直觀的操作環(huán)境，可使用戶能快速地熟悉適應(yīng)其操作過程。顯示卡是一個通用性很強(qiáng)的模

19、塊。它不僅隨時可以在市場上買到，而且它還有非常豐富的支持軟件，因此無需用戶自己開發(fā)。二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹2022/9/1431現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)在CNC裝置中，CRT顯示是一個非常重要的功能，它是人機(jī)交流3、 輸入/出模塊(多功能卡)它是CNC裝置與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的接口板，即CNC裝置通過該接口可以從輸入設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，也可以將CNC裝置中的數(shù)據(jù)送給輸出設(shè)備。該模塊也是標(biāo)準(zhǔn)的PC機(jī)模塊，一般不需要用戶開發(fā)。（1）I/O（輸入/輸出）接口同其它工業(yè)上的輸入/輸出接口一樣CNC裝置與機(jī)床間的接口也有國際標(biāo)準(zhǔn)，稱為“機(jī)床/數(shù)控接口”標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)控裝置與機(jī)床以及機(jī)床電器設(shè)備之間的接口分為三種類

20、型二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹2022/9/1432現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)3、 輸入/出模塊(多功能卡)二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹第一類：與驅(qū)動控制器和測量裝置之間的連接電路第二類：電源及保護(hù)電路第三類：開/關(guān)信號和代碼連接電路第一類接口傳送的信息是CNC裝置與伺服單元、伺服電機(jī)、位置監(jiān)測和速度檢測之間的控制信息，它們屬于數(shù)字控制、伺服控制和檢測控制。第二類電源及保護(hù)電路由數(shù)控機(jī)床強(qiáng)電線路中的電源控制電路構(gòu)成。強(qiáng)電線路由電源變壓器、繼電器、接觸器、保護(hù)開關(guān)、熔斷器等連接而成，為驅(qū)動主軸電機(jī)、輔助電機(jī)、電磁鐵、電磁閥、離合器等功率執(zhí)行元件供電。強(qiáng)電線路不能與低壓下工

21、作的控制電路或弱電路直接連接，只能通過中間繼電器、熱保護(hù)器、控制開關(guān)等轉(zhuǎn)換。第三類開/關(guān)信號和代碼連接電路是CNC裝置與機(jī)床參考點(diǎn)、限位、面板開關(guān)等以及一些輔助功能輸出控制連接的信號。當(dāng)數(shù)控機(jī)床沒有用PLC時，這些信號在CNC裝置與機(jī)床之間直接傳送，當(dāng)有PLC時，除一些高速信號外，均通過PLC輸入/輸出2022/9/1433現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹第一類：與驅(qū)動控制器和測量裝二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹CNC裝置與被控設(shè)備交換的信號有三類：開關(guān)信號、模擬信號、脈沖信號。這些信號由于其類型、電平、功率以及抗干擾的原因，一般不能直接與CNC裝置相聯(lián)，需要一個接口對這些信號進(jìn)

22、行變換處理。接口電路主要包括以下幾個方面任務(wù)（1）電平轉(zhuǎn)換：一般CNC裝置的信號是TTL電平，而控制機(jī)床和來自機(jī)床的電信號電平通常不是TTL電平，因此要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，在重負(fù)載情況下，還要進(jìn)行功率放大。2022/9/1434現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹CNC裝置與被控設(shè)備交換的信二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹（2）A/D、D/A轉(zhuǎn)換：CNC裝置的微處理器只能處理數(shù)字量而對于模擬量控制的地方，則需數(shù)/模（D/A)轉(zhuǎn)換器，同理，將模擬量輸入到CNC裝置需要模/數(shù)（A/D)轉(zhuǎn)換器。（3）防止噪聲引起誤動作阻斷外部的干擾信號進(jìn)入計(jì)算機(jī)，用光電耦合器或繼電器將CNC裝置和機(jī)床之間的信號在

23、電器上加以隔離。以提高CNC裝置運(yùn)行的可靠性。2022/9/1435現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹（2）A/D、D/A轉(zhuǎn)換：C 4、電子盤(存儲模塊)電子盤是CNC裝置特有的存儲模塊。在CNC裝置中它用來存放下列數(shù)據(jù)和參數(shù)：（1）系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)固有數(shù)據(jù)；（2）系統(tǒng)的配置參數(shù)(系統(tǒng)所能控制的進(jìn)給軸數(shù)，軸的定義，系統(tǒng)增益等)；（3）用戶的零件加工程序。 二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹2022/9/1436現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 4、電子盤(存儲模塊)二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹2存儲器有兩大類：只讀存儲器（ROM)和隨機(jī)存儲器（RAM)。常用的只讀存儲器有：紫外線可擦除的只讀存儲器（EP

24、ROM)，和電擦除只讀存儲器（E2PROM)。只讀存儲器存放系統(tǒng)程序，由數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家寫入或由生產(chǎn)廠家提供系統(tǒng)程序軟件和操作工具。隨機(jī)存儲器RAM用于存放中間運(yùn)行結(jié)果，顯示數(shù)據(jù)以及運(yùn)算中的狀態(tài)、標(biāo)志信息等。屬于加工程序存儲器二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹2022/9/1437現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)存儲器有兩大類：只讀存儲器（ROM)和隨機(jī)存儲器（RAM)。5、PLC模塊PLC模塊：CNC裝置實(shí)現(xiàn)順序控制的模塊。PLC模塊的作用：接收來自操作面板、機(jī)床上的各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、強(qiáng)電柜里的繼電器以及主軸控制、刀庫控制的有關(guān)信號，經(jīng)處理后輸出去控制相應(yīng)器件的運(yùn)行。6、MDI接口（手動數(shù)據(jù)輸入）MDI是

25、通過數(shù)控面板上的鍵盤操作。數(shù)控裝置的微處理器掃描到按下鍵的信號時，就將數(shù)據(jù)送到移位寄存器，移位寄存器的輸出經(jīng)報(bào)警檢查，若按鍵有效，按鍵數(shù)據(jù)在控制選通信號的作用下，經(jīng)選擇器、移位寄存器、數(shù)據(jù)總線送入RAM存儲起來，若按鍵無效，則數(shù)據(jù)不送入RAM.二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹2022/9/1438現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)5、PLC模塊二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹2022/9/7、位置控制模塊位置控制模塊是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)軌跡控制時，CNC裝置與伺服驅(qū)動系統(tǒng)連接的接口模塊。每一進(jìn)給軸對應(yīng)一套位置控制器。位置控制器在CNC裝置的指令下控制電器帶動工作臺按要求的速度移動規(guī)定的距離。軸控制是

26、數(shù)控機(jī)床上要求最高的控制，不僅對單個軸的運(yùn)動和位置精度的控制有嚴(yán)格要求，而且在多軸聯(lián)動時，還要求各移動軸有很好的配合。常用的位置控制模塊有：開環(huán)位置控制模塊：CNC裝置與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源的接口；閉環(huán)（含半閉環(huán)）位置控制模塊： CNC裝置與直流、交流伺服驅(qū)動裝置的接口。二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹2022/9/1439現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)7、位置控制模塊二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹2022/98、功能接口模塊 實(shí)現(xiàn)用戶特定功能要求的接口板， 實(shí)例：仿形控制器接口；激光加工焦點(diǎn)自動跟蹤器接口；刀具監(jiān)控系統(tǒng)中的信號采集器接口板。二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹2022/9/1440現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)8、功

27、能接口模塊二.單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹2022/9三、多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的CNC裝置 在多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的CNC裝置中，有兩個或兩個以上的CPU，多重操作系統(tǒng)有效地實(shí)行并行處理，1、多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的CNC裝置基本功能模塊（1）CNC管理模塊 實(shí)現(xiàn)管理和組織整個CNC系統(tǒng)工作過程所需要的功能。如系統(tǒng)初始化、中斷管理、總線裁決、系統(tǒng)出錯識別和處理。（2）CNC插補(bǔ)模塊 該模塊完成譯碼、刀具補(bǔ)償計(jì)算、坐標(biāo)位移量的計(jì)算和進(jìn)給速度處理等插補(bǔ)前的預(yù)處理。然后再進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，為各坐標(biāo)軸提供位置給定量。（3）位置控制模塊 插補(bǔ)后的坐標(biāo)位置給定值與位置監(jiān)測器測得的位置實(shí)際值進(jìn)行比較，進(jìn)行自動加減速、回基準(zhǔn)點(diǎn)、伺服

28、系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和飄移補(bǔ)償，最后得到速度控制的模擬電壓，去驅(qū)動進(jìn)給電機(jī)。2022/9/1441現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)三、多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的CNC裝置 在多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的CNC裝三、多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的CNC裝置（4）PLC模塊 零件加工中的某些輔助功能和從機(jī)床來的信號在PLC模塊中作邏輯處理，實(shí)現(xiàn)各功能與操作方式之間的連接，機(jī)床電器設(shè)備的啟停、刀具交換、轉(zhuǎn)臺分度、工件數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)時間的計(jì)數(shù)等。（5）操作與控制數(shù)據(jù)輸入輸出和顯示模塊。零件加工程序、參數(shù)和數(shù)據(jù)、各種操作命令的輸入輸出、顯示所要求的各種電路。（6）存儲器模塊。該模塊指存放程序和數(shù)據(jù)的主存儲器，或功能模塊間數(shù)據(jù)傳送的共享存儲器。 2、多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的C

29、NC裝置的優(yōu)點(diǎn) 與單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)CNC裝置相比，多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)CNC裝置有以下優(yōu)點(diǎn)：2022/9/1442現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)三、多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的CNC裝置（4）PLC模塊 零件加工中的三、多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的CNC裝置（1）運(yùn)算速度快，性能價格比高。多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)中每一微處理機(jī)完成某一特定功能，相互獨(dú)立，并且并行工作，所以運(yùn)算速度快。它適應(yīng)多軸控制，高進(jìn)給速度、高精度、高效率的數(shù)控要求，由于系統(tǒng)共享資源，故性能價格比高。（2）適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)展容易。多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)CNC裝置大都采用模塊化結(jié)構(gòu)。可將微處理機(jī)、存儲器、輸入輸出控制分別作成插件板，或?qū)⑵浣M成獨(dú)立的硬件模塊，相應(yīng)的軟件也是模塊結(jié)構(gòu)，固化在硬件模塊中

30、，這樣可以積木式組成CNC裝置，具有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，維修也方便。（3）可靠性高。由于多微處理機(jī)功能模塊獨(dú)立完成某一任務(wù)，所以某一功能模塊出故障，其它模塊照常工作，不至于整個系統(tǒng)癱瘓，只要換上正常模塊就解決問題，提高系統(tǒng)可靠性。（4）硬件易于組織規(guī)模生產(chǎn) 一般硬件是通用的，易于配置，只要開發(fā)新的軟件就可以構(gòu)成不同的CNC裝置，便于組織規(guī)模生產(chǎn)，保證質(zhì)量，形成批量。2022/9/1443現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)三、多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的CNC裝置（1）運(yùn)算速度快，性能價格比高 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) CNC系統(tǒng)軟件是一個典型而又復(fù)雜的實(shí)時系統(tǒng)。本節(jié)將首先介紹系統(tǒng)軟硬件界面的關(guān)系，然后從系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)流的角度來

31、分析CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程，并從多任務(wù)性和實(shí)時性的角度來分析CNC系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，CNC裝置的軟件是為完成CNC數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)功能而專門設(shè)計(jì)和編制的，是一種專用軟件，其結(jié)構(gòu)取決于軟件的分工，也取決于軟件本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。軟件功能是CNC裝置的功能體現(xiàn)。一些廠商生產(chǎn)的CNC裝置，硬件設(shè)計(jì)好后基本不變，而軟件功能不斷升級，以滿足制造業(yè)發(fā)展的要求。2022/9/1444現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) CNC系統(tǒng)軟件是一個典型而1、軟件與硬件實(shí)現(xiàn)各種功能的特點(diǎn)和關(guān)系關(guān)系：從理論上講，硬件能完成的功能也可以用軟件來完成。從實(shí)現(xiàn)功能的角度看，軟件與硬件在邏輯上是等價的。特點(diǎn)：硬件處理速度快，

32、但靈活性差，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制的功能困難軟件設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度相對較慢。2、軟、硬件實(shí)現(xiàn)功能的分配軟件硬件功能界面劃分3、功能界面劃分的準(zhǔn)則：系統(tǒng)的性能價格比一、CNC裝置軟件和硬件的功能界面2022/9/1445現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)1、軟件與硬件實(shí)現(xiàn)各種功能的特點(diǎn)和關(guān)系一、CNC裝置軟件和硬4、數(shù)控系統(tǒng)功能界面的幾種劃分：輸 入預(yù)處理位置檢測插補(bǔ)運(yùn)算位置控制速度控制伺服電機(jī)程序硬件硬件硬件硬件軟件軟件軟件軟件 軟件和硬件的功能界面 一、CNC裝置軟件和硬件的功能界面2022/9/1446現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)4、數(shù)控系統(tǒng)功能界面的幾種劃分：輸 入預(yù)處理位置檢測插補(bǔ)運(yùn)一、CNC裝置軟件和硬件的功能界面 四

33、種功能界面的劃分，代表了不同時期的數(shù)控裝置產(chǎn)品。數(shù)控裝置發(fā)展的趨勢是軟件承擔(dān)的任務(wù)越來越多。這主要是由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理能力不斷增強(qiáng)，使軟件運(yùn)行的速度大大提高的結(jié)果。這種趨勢并不是一成不變的，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，硬件的成本也在不斷降低，如果硬件的制造可以做到象軟件一樣靈活，能夠根據(jù)特殊需求，專門制做的時候，硬件所擔(dān)負(fù)的功能還會逐步增加。2022/9/1447現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)一、CNC裝置軟件和硬件的功能界面 四種功能界面 CNC裝置系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)：如何將由零件加工程序表達(dá)的加工信息，變換成各進(jìn)給軸的位移指令、主軸轉(zhuǎn)速指令和輔助動作指令，控制加工設(shè)備的軌跡運(yùn)動和邏輯動作，加工出符合要求的零件。二

34、、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程2022/9/1448現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) CNC裝置系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)：如何將由零件加工程序表達(dá)加工程序譯 碼譯碼緩沖區(qū)刀補(bǔ)處理刀補(bǔ)緩沖區(qū)速度預(yù)處理插補(bǔ)緩沖區(qū)插補(bǔ)處理運(yùn)行緩沖區(qū)伺服驅(qū)動位控處理位置反饋PLC控制CNC裝置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程示意圖 二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程2022/9/1449現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)加工程序譯 碼譯碼緩沖區(qū)刀補(bǔ)處理刀補(bǔ)緩沖區(qū)速度預(yù)處理插在系統(tǒng)軟件中各程序間的數(shù)據(jù)交換方式一般都是通過緩沖區(qū)進(jìn)行的。該緩沖區(qū)由若干個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成，當(dāng)前程序段被解釋完后便將該段的數(shù)據(jù)信息送入緩沖區(qū)組中空閑的一個。后續(xù)程序（如刀補(bǔ)程序）從該緩沖區(qū)組中獲取程序信息進(jìn)行工作。二、 C

35、NC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程2022/9/1450現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)在系統(tǒng)軟件中各程序間的數(shù)據(jù)交換方式一般都是通過緩沖區(qū)進(jìn)行的。一、零件程序的輸入1、零件程序的輸入零件程序的輸入對于早期的數(shù)控裝置是用紙帶閱讀機(jī)鍵盤進(jìn)行。現(xiàn)代的數(shù)控裝置可通過通信方式或其它輸入裝置實(shí)現(xiàn)。紙帶閱讀機(jī)中斷服務(wù)程序執(zhí)行一次只讀入一個字符，而且要經(jīng)過一系列的檢查判別，認(rèn)為合格后才能存入緩沖區(qū)。鍵盤中斷服務(wù)程序執(zhí)行一次讀入一個按鍵的信息，即按下一個鍵就向CPU 申請一次中斷。在鍵盤服務(wù)程序中將鍵盤上打入的字符送入MDI緩沖器，然后再送入零件程序存儲器。(圖4-33）2、數(shù)據(jù)存放形式在零件程序存儲器中可以儲存多個零件程序，零件程序一般是

36、按順序存放的，為了方便零件程序的調(diào)用，2022/9/1451現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)一、零件程序的輸入1、零件程序的輸入2022/9/105在零件程序存儲器中還開辟了目錄區(qū)，在目錄區(qū)中按固定格式存放著相應(yīng)零件程序的有關(guān)信息，形成目錄表，目錄表的每一項(xiàng)對應(yīng)一個零件程序。（圖4-34）儲存的零件程序通常已不用ISO代碼或EIA代碼表示，而是將它轉(zhuǎn)換為某些數(shù)控內(nèi)部代碼。（如表4-2）例如：程序 N10 G91 G01 X100 Y-50 F150 M03 LF 轉(zhuǎn)換成數(shù)控內(nèi)部碼如表4-3，為該零件程序段存儲器中的信息。3、零件加工程序的編輯將零件加工程序輸入后，常常需對該程序編輯，編輯工作主要有插入、刪除、替換

37、和修改等操作。2022/9/1452現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)在零件程序存儲器中還開辟了目錄區(qū)，在目錄區(qū)中按固定格式存放著二、譯碼(解釋)將用文本格式（通常用ASCII碼）表達(dá)的零件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成數(shù)控系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)格式（本例是指刀補(bǔ)處理程序所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式）。并按系統(tǒng)規(guī)定的格式放在譯碼結(jié)果緩沖器中為后續(xù)程序使用。譯碼有解釋和編譯兩種方法。解釋方法是將輸入程序整改成某種形式，在執(zhí)行時由計(jì)算機(jī)順序取出進(jìn)行分析、判斷和處理，即一邊解釋一邊執(zhí)行。編輯方法是將輸入程序作為源程序，對它進(jìn)行編譯，形成由機(jī)器指令組成的目的程序，然后計(jì)算機(jī)執(zhí)行這個目的程序。譯碼工作主要有：代碼識別和各項(xiàng)功能的譯碼202

38、2/9/1453現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)二、譯碼(解釋)2022/9/1055現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)1、代碼識別在CNC系統(tǒng)中，代碼識別由軟件完成。譯碼程序從零件緩沖器中逐個輸入字符代碼，將其與相應(yīng)數(shù)字作比較，若相等就說明輸入了該字符。（圖4-35）2、各功能碼的譯碼經(jīng)代碼識別設(shè)立了各功能代碼的標(biāo)志后，就可以分別對各功能碼進(jìn)行處理了。 對于不同的CNC系統(tǒng)來說，編程格式有自己的規(guī)定，所以可以將譯碼結(jié)果緩沖器的設(shè)置與零件程序段格式相對應(yīng)。（如表4-4）各個功能代碼的處理方式是不盡相同的，表4-4，除G代碼和M代碼分組外，其與功能代碼只有一項(xiàng)，其地址在內(nèi)存中是指定的，因此，譯碼程序根據(jù)代碼識別設(shè)置的各功能碼的標(biāo)志，確定

39、其存放其相應(yīng)數(shù)碼的地址，以便送入數(shù)據(jù)。 （圖4-36）2022/9/1454現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)1、代碼識別2022/9/1056現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)刀補(bǔ)處理的主要工作：根據(jù)G90/G91計(jì)算零件輪廓的終點(diǎn)坐標(biāo)值。根據(jù)R和G41/42，計(jì)算本段刀具中心軌跡的終點(diǎn)（Pe/Pe）坐標(biāo)值。根據(jù)本段與前段連接關(guān)系，進(jìn)行段間連接處理。2. 刀補(bǔ)處理(計(jì)算刀具中心軌跡)二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程Pe（200，300）XRP0（72，48）Pe”PeG41G42Y2022/9/1455現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)刀補(bǔ)處理的主要工作：2. 刀補(bǔ)處理(計(jì)算刀具中心軌跡)二、 3、速度預(yù)處理主要功能是根據(jù)加工程序給定的進(jìn)給速度，計(jì)算在每個插

40、補(bǔ)周期內(nèi)的合成移動量，供插補(bǔ)程序使用。二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程2022/9/1456現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)3、速度預(yù)處理二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程2022/9/1速度處理程序主要完成以下幾步計(jì)算：計(jì)算本段總位移量：直線：合成位移量L；園弧：總角位移量。計(jì)算每個插補(bǔ)周期內(nèi)的合成進(jìn)給量： L= F*t/60 （m）式中：F-進(jìn)給速度值（mm/min）；t-數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期（ms）L二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程2022/9/1457現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)速度處理程序主要完成以下幾步計(jì)算：L二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)4、插補(bǔ)計(jì)算 主要功能：根據(jù)操作面板上“進(jìn)給修調(diào)”開關(guān)的設(shè)定值，計(jì)算本次插補(bǔ)周期的實(shí)際合成位移量

41、：L1=L*修調(diào)值將L1按插補(bǔ)的線形（直線，園弧等）和本插補(bǔ)點(diǎn)所在的位置分解到各個進(jìn)給軸，作為各軸的位置控制指令（X1、Y1）。 經(jīng)插補(bǔ)計(jì)算后的數(shù)據(jù)存放在運(yùn)行緩沖區(qū)中，以供位置控制程序 之用。本程序以系統(tǒng)規(guī)定的插補(bǔ)周期t定時運(yùn)行。二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程2022/9/1458現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)4、插補(bǔ)計(jì)算二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程2022/9/105、 位置控制處理f（）+-+插補(bǔ)輸出X1Y1指令位置X1新Y1新跟隨誤差X3Y3實(shí)際位置X2新Y2新反饋位置增量X2、Y2X1舊Y1舊X2舊Y2舊速度指令VX、VY位置控制轉(zhuǎn)換流程二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程2022/9/1459現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)

42、5、 位置控制處理f（）+-+插補(bǔ)輸出指令位置跟隨誤差位置控制完成以下幾步計(jì)算：計(jì)算新的位置指令坐標(biāo)值：X1新= X1舊+X1；Y1新= Y1舊 +Y1；計(jì)算新的位置實(shí)際坐標(biāo)值：X2新= X2舊+X2；Y2新= Y2舊 +Y2計(jì)算跟隨誤差(指令位置值 實(shí)際位置值)：X3= X1新- X2新； Y3= Y1新- Y2新； 計(jì)算速度指令值： VX=f（X3）； VY=f（Y3）二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程2022/9/1460現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)位置控制完成以下幾步計(jì)算：二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程20f( )是位置環(huán)的調(diào)節(jié)控制算法，具體的算法視具體系統(tǒng)而定。這一步在有些系統(tǒng)中是采用硬件來實(shí)現(xiàn)的。VX

43、、VY送給伺服驅(qū)動單元，控制電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)CNC裝置的軌跡控制二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程2022/9/1461現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)f( )是位置環(huán)的調(diào)節(jié)控制算法，具體的算法視具體系統(tǒng)而定。 CNC系統(tǒng)是典型的實(shí)時控制系統(tǒng)。CNC裝置的系統(tǒng)軟件則可看成是一個專用實(shí)時操作系統(tǒng)。它的控制軟件也采用了計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)中的許多先進(jìn)技術(shù)。其中多任務(wù)并行處理和多重實(shí)時中斷兩項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用是CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。因此，分析和了解這些要求是至關(guān)重要的，因?yàn)樗仁窍到y(tǒng)設(shè)計(jì)和將來軟件測試的重要依據(jù)，也是確定系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)的過程。三、 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)2022/9/1462現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) CNC系統(tǒng)是典型的實(shí)時

44、控制系統(tǒng)。CNC裝置的系統(tǒng)軟件. 多任務(wù)性與并行處理技術(shù)CNC的功能可定義為CNC的任務(wù)：顯示、譯碼、刀補(bǔ)、速度處理、插補(bǔ)處理、位置控制、等 CNC系統(tǒng)的任務(wù)要求并行處理：為了保證控制的連續(xù)性和各任務(wù)執(zhí)行的時序配合要求，CNC系統(tǒng)的任務(wù)必須采用并行處理，如：插補(bǔ)的同時在屏幕上顯示坐標(biāo)位置，為了保證加工過程的連續(xù)性，即刀具在各程序段不停刀、譯碼、刀具補(bǔ)償和速度控制模塊必須與插補(bǔ)模塊同時進(jìn)行，而插補(bǔ)又必須與位置控制同時進(jìn)行，而不能逐一處理。. CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)2022/9/1463現(xiàn)代數(shù)控技術(shù). 多任務(wù)性與并行處理技術(shù)CNC的功能可定義為CNC的任數(shù)控裝置管 理 控 制輸入I/O處理顯示診

45、斷通訊速度處理刀具補(bǔ)償譯碼插補(bǔ)位置控制數(shù)控裝置的任務(wù)數(shù)控裝置的多任務(wù)性2022/9/1464現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)數(shù)控裝置管 理 控 制輸I/O處顯診通速刀具補(bǔ)任務(wù)的并行處理關(guān)系輸入顯示診斷I/O控制譯碼刀補(bǔ)速度處理插補(bǔ)位置控制雙箭頭表示兩個模塊之間有并行處理關(guān)系任務(wù)的并行處理關(guān)系2022/9/1465現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)任務(wù)的并行處理關(guān)系輸入顯示診斷I/O控制譯碼刀補(bǔ)速度處理插補(bǔ)并行處理定義：系統(tǒng)在同一時間間隔或同一時刻內(nèi)完成兩個或兩個以上任務(wù)處理的方法。 采用并行處理技術(shù)的目的：合理使用和調(diào)配CNC系統(tǒng)的資源 提高CNC系統(tǒng)的處理速度。并行處理的實(shí)現(xiàn)方式：資源分時共享資源重復(fù)和時間重疊處理這些實(shí)現(xiàn)方式與CN

46、C系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。. CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)2022/9/1466現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)并行處理定義：. CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)2022/9/10（1）、資源分時共享（對單一資源的系統(tǒng)）在單CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，可采用“資源分時共享”并行處理技術(shù)。資源分時共享在規(guī)定的時間長度（時間片）內(nèi)，根據(jù)各任務(wù)實(shí)時性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時間，即使多個用戶按時間順序使用同一套設(shè)備，使它們分時共享系統(tǒng)的資源。“資源分時共享”的技術(shù)關(guān)鍵：其一：各任務(wù)的優(yōu)先級分配問題。（各任務(wù)何時占用CPU)其二：各任務(wù)占用CPU的時間長度，即時間片的分配問題。在CNC裝置中，各任務(wù)占用CPU是用循環(huán)輪流和中段優(yōu)先

47、相結(jié)合的方法來解決。. CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)2022/9/1467現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)（1）、資源分時共享（對單一資源的系統(tǒng)）. CNC裝置的軟件其他譯碼刀補(bǔ)I/O顯示初始化位置控制插補(bǔ)運(yùn)算背景程序4ms8ms16ms中斷級別高中斷級別低CNC裝置各任務(wù)分時共享（CPU）時間分布圖 系統(tǒng)在完成初始化以后自動進(jìn)入時間分配中，在環(huán)中依次輪流處理各任務(wù)。對于系統(tǒng)中一些實(shí)時性很強(qiáng)的任務(wù)則按優(yōu)先級排隊(duì)，分別放在不同優(yōu)先級上作環(huán)外任務(wù)，環(huán)外任務(wù)可以隨時中斷環(huán)內(nèi)各任務(wù)的執(zhí)行。2022/9/1468現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)其他譯碼刀補(bǔ)I/O顯示初始化位置控制插補(bǔ)運(yùn)算背景程序4ms8各任務(wù)占用CPU 時間示意圖 . CNC裝置

48、的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)2022/9/1469現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)各任務(wù)占用CPU 時間示意圖 . CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)2資源分時共享技術(shù)的特征在任何一個時刻只有一個任務(wù)占用CPU；在一個時間片（如8ms或16ms）內(nèi)，CPU并行地執(zhí)行了兩個或兩個以上的任務(wù)。 因此，資源分時共享的并行處理只具有宏觀上的意義，即從 微觀上來看，各個任務(wù)還是逐一執(zhí)行的。. CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)2022/9/1470現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)資源分時共享技術(shù)的特征在任何一個時刻只有一個任務(wù)占用CPU； （2）、資源重復(fù)和時間重疊 . CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)時間重疊是根據(jù)流水處理技術(shù)，使多個處理過程在時間上相互錯開，輪流使用同一設(shè)備的幾個

49、部分。資源重復(fù)是通過增加資源（如多CPU）提高運(yùn)算速度。CNC裝置的硬件設(shè)計(jì)普遍采用資源重復(fù)的并行處理方法。而CNC裝置的軟件設(shè)計(jì)則常采用資源分時共享和資源重疊的流水線處理技術(shù)。2022/9/1471現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) （2）、資源重復(fù)和時間重疊 . CNC裝置的軟件系統(tǒng)特 流水處理技術(shù)的涵義 流水處理技術(shù)是利用重復(fù)的資源（CPU），將一個大的任務(wù)分成若干個子任務(wù)(任務(wù)的分法與資源重復(fù)的多少有關(guān))，這些小任務(wù)是彼此關(guān)系的，然后按一定的順序安排每個資源執(zhí)行一個任務(wù)，就象在一條生產(chǎn)線上分不同工序加工零件的流水作業(yè)一樣。. CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)2022/9/1472現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 流水處理技術(shù)的涵義 流

50、水處理技術(shù)是利用重復(fù)的資源（CPU）流水處理技術(shù)示意圖 時間t+t空間123123123輸出輸出輸出CPU1CPU2CPU3流水處理三、CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)流水處理的關(guān)鍵是時間重疊，在一個時間間隔內(nèi)不是處理一個子程序，而是處理兩個或更多的子程序t2022/9/1473現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)流水處理技術(shù)示意圖 時間t+t空間123123123輸出輸 流水處理的特征在任何時刻（流水處理除開始和結(jié)束外）均有兩個或兩個以上的任務(wù)在同時執(zhí)行。流水處理的關(guān)鍵是時間重疊。. CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)2022/9/1474現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 流水處理的特征在任何時刻（流水處理除開始和結(jié)束外）均有兩個實(shí)時性定義: 任務(wù)的執(zhí)

51、行有嚴(yán)格時間要求（任務(wù)必須規(guī)定時間內(nèi)完成或響應(yīng)），否則將導(dǎo)致執(zhí)行結(jié)果錯誤或系統(tǒng)故障的特性。實(shí)時中斷類型：外部中斷、內(nèi)部定時中斷、硬件故障中斷、程序性中斷實(shí)時性任務(wù)分類: 強(qiáng)實(shí)時性任務(wù)實(shí)時突發(fā)性任務(wù)；實(shí)時周期性任務(wù)弱實(shí)時性任務(wù)2、實(shí)時中斷處理2022/9/1475現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)實(shí)時性定義: 2、實(shí)時中斷處理2022/9/1077現(xiàn)代數(shù)控 強(qiáng)實(shí)時性任務(wù)實(shí)時突發(fā)性任務(wù)：任務(wù)的發(fā)生具有隨機(jī)性和突發(fā)性，是一種異步中斷事件。主要包括故障中斷(急停，機(jī)械限位、硬件故障等)、機(jī)床PLC中斷、硬件（按鍵）操作中斷等。實(shí)時周期性任務(wù)：任務(wù)是精確地按一定時間間隔發(fā)生的。主要包括插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制等任務(wù)。為保證加工精度

52、和加工過程的連續(xù)性，這類任務(wù)處理的實(shí)時性是關(guān)鍵。在任務(wù)的執(zhí)行過程中，除系統(tǒng)故障外，不允許被其它任何任務(wù)中斷。2022/9/1476現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 強(qiáng)實(shí)時性任務(wù)實(shí)時突發(fā)性任務(wù)：2022/9/1078現(xiàn)代數(shù)控弱實(shí)時性任務(wù)這類任務(wù)的實(shí)時性要求相對較弱，只需要保證在某一段時間內(nèi)得以運(yùn)行即可。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，它們或被安排在背景程序中，或根據(jù)重要性將其設(shè)置成不同的優(yōu)先級（級別較低），再由系統(tǒng)調(diào)度程序?qū)λ鼈冞M(jìn)行合理的調(diào)度。這類任務(wù)主要包括：CRT顯示、零件程序的編輯、加工狀態(tài)的動態(tài)顯示、加工軌跡的靜態(tài)模擬仿真及動態(tài)顯示等。. CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)2022/9/1477現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)弱實(shí)時性任務(wù)這類任務(wù)的實(shí)時性

53、要求相對較弱，只需要保證在某一段搶占式優(yōu)先調(diào)度機(jī)制多任務(wù)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度方法：循環(huán)調(diào)度法 ；優(yōu)先調(diào)度法搶占方式：在CPU正在執(zhí)行某任務(wù)時，若另一優(yōu)先級更高的任務(wù)請求執(zhí)行，CPU將立即終止正在執(zhí)行的任務(wù)，轉(zhuǎn)而響應(yīng)優(yōu)先級高任務(wù)的請求優(yōu)先調(diào)度：在CPU空閑時，當(dāng)同時有多個任務(wù)請求執(zhí)行時，優(yōu)先級高的任務(wù)將優(yōu)先得到滿足。. CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)2022/9/1478現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)搶占式優(yōu)先調(diào)度機(jī)制多任務(wù)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度方法：循環(huán)調(diào)度法 ；優(yōu)四、CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式結(jié)構(gòu)模式：指系統(tǒng)軟件的組織管理方式，即系統(tǒng)任務(wù)的劃分方式、任務(wù)調(diào)度機(jī)制、任務(wù)間的信息交換機(jī)制以及系統(tǒng)集成方法等。結(jié)構(gòu)模式的功能：組織和協(xié)調(diào)各個

54、任務(wù)的執(zhí)行，使之滿足一定的時序配合要求和邏輯關(guān)系，以滿足CNC系統(tǒng)的各種控制要求。2022/9/1479現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)四、CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式結(jié)構(gòu)模式：指系統(tǒng)軟件的組織管理方式. 前后臺型結(jié)構(gòu)模式該模式將CNC系統(tǒng)軟件劃分成兩部分：前臺程序: 主要完成插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、故障診斷等實(shí)時性很強(qiáng)的任務(wù)，它是一個實(shí)時中斷服務(wù)程序。后臺程序(背景程序): 完成顯示、零件加工程序的編輯管理、系統(tǒng)的輸入/輸出、插補(bǔ)預(yù)處理（譯碼、刀補(bǔ)處理、速度預(yù)處理)等弱實(shí)時性的任務(wù)，它是一個循環(huán)運(yùn)行的程序，其在運(yùn)行過程中，不斷地定時被前臺中斷程序所打斷，前后臺相互配合來完成零件的加工任務(wù)。該結(jié)構(gòu)僅適用于控制功能較簡單的系

55、統(tǒng)。早期的CNC系統(tǒng)大都采用這種結(jié)構(gòu)。. CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式2022/9/1480現(xiàn)代數(shù)控技術(shù). 前后臺型結(jié)構(gòu)模式該模式將CNC系統(tǒng)軟件劃分成兩部分：. 前后臺程序運(yùn)行關(guān)系圖 前臺程序故障處理位置控制插補(bǔ)運(yùn)算后臺程序譯 碼刀補(bǔ)處理速度預(yù)處理輸入/輸出顯示中斷執(zhí)行循環(huán)執(zhí)行. CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式2022/9/1481現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)前后臺程序運(yùn)行關(guān)系圖 前臺程序后臺程序中斷執(zhí)行循環(huán)執(zhí)行.中斷型結(jié)構(gòu)模式這種結(jié)構(gòu)是將除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的各個任務(wù)模塊分別安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，然后由中斷管理系統(tǒng)（由硬件和軟件組成）對各級中斷服務(wù)程序?qū)嵤┱{(diào)度管理，其管理的功能主要通過各級中斷服務(wù)

56、程序之間的相互通信來解決。整個軟件就是一個大的中斷管理系統(tǒng)。. CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式2022/9/1482現(xiàn)代數(shù)控技術(shù).中斷型結(jié)構(gòu)模式這種結(jié)構(gòu)是將除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件中斷型軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 初始化中斷管理系統(tǒng)（硬件 + 軟件）0級中斷服務(wù)程序 級中斷服務(wù)程序 級中斷服務(wù)程序級中斷服務(wù)程序1n2. CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式2022/9/1483現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)中斷型軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 初始化中斷管理系統(tǒng)（硬件 + 軟件）0中斷型結(jié)構(gòu)模式的特點(diǎn)任務(wù)調(diào)度機(jī)制：搶占式優(yōu)先調(diào)度。信息交換：緩沖區(qū)。實(shí)時性好。由于中斷級別較多（最多可達(dá)8級），強(qiáng)實(shí)時性任務(wù)可安排在優(yōu)先級較高的中斷服務(wù)程序中。模塊間的關(guān)系復(fù)

57、雜，耦合度大，不利于對系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充。 8090年代初的CNC系統(tǒng)大多采用這種結(jié)構(gòu)。. CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式2022/9/1484現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)中斷型結(jié)構(gòu)模式的特點(diǎn)任務(wù)調(diào)度機(jī)制：搶占式優(yōu)先調(diào)度。. CN. 基于實(shí)時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式 實(shí)時操作系統(tǒng)（Real Time Operating System RTOS）是操作系統(tǒng)的一個重要分支，它除了具有通用操作系統(tǒng)的功能外，還具有任務(wù)管理、多種實(shí)時任務(wù)調(diào)度機(jī)制（如優(yōu)先級搶占調(diào)度、時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等）、任務(wù)間的通信機(jī)制（如郵箱、消息隊(duì)列、信號燈等）等功能。由此可知，CNC系統(tǒng)軟件完全可以在實(shí)時操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)。. CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式2022

58、/9/1485現(xiàn)代數(shù)控技術(shù). 基于實(shí)時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式 實(shí)時操作系統(tǒng)（Rea基于實(shí)時操作系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖 RTOS模塊（任務(wù)）1模塊（任務(wù)）2模塊（任務(wù)）. CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式2022/9/1486現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)基于實(shí)時操作系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖 RTOS模塊（任務(wù)）1模塊（任務(wù)基于實(shí)時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)點(diǎn)（1）弱化功能模塊間的耦合關(guān)系在本模式中，設(shè)計(jì)者只須考慮模塊自身功能的實(shí)現(xiàn)，然后按規(guī)則掛到實(shí)時操作系統(tǒng)上，而模塊間的調(diào)用關(guān)系、信息交換方式等功能都由實(shí)時操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。從而弱化了模塊間的耦合關(guān)系。. CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式2022/9/1487現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)基于實(shí)時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)點(diǎn)（1）

59、弱化功能模塊間的耦合關(guān) （2）系統(tǒng)的開放性和可維護(hù)性好從本質(zhì)上講，前述結(jié)構(gòu)模式采用的是單一流程加中斷控制的機(jī)制，一旦開發(fā)完畢，系統(tǒng)將使得完全封閉（對系統(tǒng)的開發(fā)者也是如此），若想對系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)充和修改將是困難的。在本模式中，系統(tǒng)功能的擴(kuò)充或修改，只須將編寫好的任務(wù)模塊（模塊程序加上任務(wù)控制塊（TCB），掛到實(shí)時操作系統(tǒng)上（按要求進(jìn)行編譯）即可。因而，采用該模式開發(fā)的CNC系統(tǒng)具有良好的開放性和可維護(hù)性。. CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式2022/9/1488現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) （2）系統(tǒng)的開放性和可維護(hù)性好從本質(zhì)上講，前述結(jié)構(gòu)模式采用（3）減少系統(tǒng)開發(fā)的工作量在CNC系統(tǒng)軟件開發(fā)中，系統(tǒng)內(nèi)核（任務(wù)管理、調(diào)度

60、、通信機(jī)制）的設(shè)計(jì)開發(fā)的往往是很復(fù)雜的，而且工作量也相當(dāng)大。當(dāng)以現(xiàn)有的實(shí)時操作系統(tǒng)為內(nèi)核時，即可大大減少系統(tǒng)的開發(fā)工作量和開發(fā)周期。. CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式2022/9/1489現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)（3）減少系統(tǒng)開發(fā)的工作量在CNC系統(tǒng)軟件開發(fā)中，系統(tǒng)內(nèi)核（第四節(jié) STD80數(shù)控系統(tǒng)的硬件 STD80系統(tǒng)是通用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，既可以組成開環(huán)的也可以組成閉環(huán)的數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用STD總線結(jié)構(gòu) 該系統(tǒng)的硬件以Z80A CPU為核心，采用高集成度的存儲器，控制程序固化在ROM中，在實(shí)際加工過程中，最高切削速度和最高進(jìn)給速度均由用戶根據(jù)機(jī)床性能和加工需要自行設(shè)定。系統(tǒng)選用CMOS RAM作為“零件加工程序