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1、第三节 CNC系统软件结构,CNC系统软件是一个典型而又复杂的实时系统。本节将从系统内数据流的角度来分析CNC装置的数据转换过程，介绍系统软硬件界面的关系，并从多任务性和实时性的角度来分析CNC系统软件的结构特点。,主要内容,CNC系统软件的主要任务之一就是如何将由零件加工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制加工设备的轨迹运动和逻辑动作，加工出符合要求的零件。,一、 CNC装置的数据转换流程,数控加工及信息处理过程,CNC装置的数据转换流程图,在系统软件中各程序间的数据交换方式一般都是通过缓冲区进行的。当前程序段被解释完后便将该段的数据信息送入缓冲区组
2、中空闲的一个。后续程序（如刀补程序）从该缓冲区组中获取程序信息进行工作。,译码(解释)将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成后续程序（本例是指刀补处理程序）所要求的数据结构（格式）。,译码,Struct PROG_BUFFER char buf_state； /缓冲区状态，0 空；1 准备好。int block_num； /以BCD码的形式存放本程序段号。double COOR20；/存放尺寸指令的数值（m）。int F,S； /F（mm/min）S（r/min）。char G0； /以标志形式存放G指令。char G1； char M0； /以标志形式存放
3、M指令。char M1；char T； /存放本段换刀的刀具号。char D； /存放刀具补偿的刀具半径值。；,数据结构示例：,以标志形式存放G指令示例,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,G00,0:无该指令; 1:有该指令,G01,1,G02,G03,G90/G91,0:G90; 1:G91,G06,00,：,G40,；,11,：,G40,01,：,G41,；,10,；,G42,0:无该指令; 1:有该指令,0:无该指令; 1:有该指令,0:无该指令; 1:有该指令,0:无该指令; 1:有该指令,N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200 ； ,Str
4、uct PROG_BUFFER char buf_state； 0：(开始)；1（；） int block_num； 06（N06） double COOR20； COOR1=200000；（X200） COOR2=300000；（Y300） int F,S； F=200；（F200） char G0； D5=0；（G90） D6,D7=0,1（G41） D1=1；（G01） char D； D=11（D11） ；,刀补处理(计算刀具中心轨迹),刀补处理的主要工作：根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。根据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点（Pe/Pe）坐标值。根据本段与前段连
5、接关系，进行段间连接处理。,主要功能是根据加工程序给定的进给速度，计算在每个插补周期内的合成移动量，供插补程序使用。,3. 速度预处理,速度处理程序主要完成以下几步计算：计算本段总位移量： 直线：合成位移量L；圆弧：总角位移量。该数供插补程序判断减速起点和终点之用。计算每个插补周期内的合成进给量： L= Ft/60 （m） 式中：F-进给速度值（mm/min）；t-数控系统的插补周期（ms）,L,3. 速度预处理,主要功能：计算插补周期的实际合成位移量： L1=L*修调值分解L1 （X1、Y1） 将L1按插补的线形（直线，圆弧等）和本插补点所在的位置分解到各个进给轴，作为各轴的位置控制指令（X
6、1、Y1）。 经插补计算后的数据存放在运行缓冲区中，以供位置控制程序之用。插补模块以系统规定的插补周期t定时运行。,4. 插补计算,5.位置控制处理,位置控制完成以下几步计算：计算新的位置指令坐标值：X1新= X1旧+X1；Y1新= Y1旧 +Y1；计算新的位置实际坐标值：X2新= X2旧+X2；Y2新= Y2旧 +Y2计算跟随误差(指令位置值 实际位置值)：X3= X1新- X2新； Y3= Y1新- Y2新； 计算速度指令值： VX=f（X3）； VY=f（Y3）,5.位置控制处理,f( )是位置环的调节控制算法，具体的算法视具体系统而定。这一步在有些系统中是采用硬件来实现的。VX、VY送
7、给伺服驱动单元，控制电机运行，实现CNC装置的轨迹控制。,二、 CNC装置软件和硬件的功能界面合理确定CNC装置软件硬件的功能分担就是所谓的软件和硬件的功能界面划分的概念。在信息处理方面，软件与硬件在逻辑上是等价的，即硬件能完成的功能从理论上讲也可以用软件来完成。,硬件和软件在实现各种功能时的特点：硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。功能界面划分的准则：系统的性能价格比,数控系统功能界面的几种划分：,输 入,预处理,位置检测,插补运算,位置控制,速度控制,伺服电机,程序,硬件,硬件,硬件,硬件,硬件,软件,软件,软件,软件,软件和硬件
8、的功能界面, ,CNC系统是典型的实时控制系统。CNC装置的系统软件则可看成是一个专用实时操作系统。由于其应用领域是工业控制领域（多任务性、实时性），因此，分析和了解这些要求是至关重要的，因为它既是系统设计和将来软件测试的重要依据，也是确定系统功能和性能指标的过程。同时，这些要求也应是CNC系统软件的特点。,三、 CNC装置的软件系统特点,. 多任务性与并行处理技术,（1）CNC控制要求的多任务性任务定义：可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。CNC的功能则可定义为CNC的任务：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、CNC系统的任务要求并行处理：为了保证控制的连续性和各任务执行
9、的时序配合要求，CNC系统的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。,（2）基于并行处理的多任务调度技术并行处理定义：系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个以上任务处理的方法。采用并行处理技术的目的：合理使用和调配CNC系统的资源提高CNC系统的处理速度。,（3）并行处理的实现方式：资源分时共享并发处理（例如：流水处理）这些实现方式与CNC系统的硬件结构密切相关。,（4）资源分时共享（对单一资源的系统）在单CPU结构的CNC系统中，可采用“资源分时共享”并行处理技术。资源分时共享在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。“资源
10、分时共享”的技术关键：其一：各任务的优先级分配问题。其二：各任务占用CPU的时间长度，即时间片的分配问题。,资源（CPU）分时共享图,各任务占用CPU 时间示意图,资源分时共享技术的特征:,在任何一个时刻只有一个任务占用CPU；在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。 因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。,（5）并发处理和流水处理（对多资源的系统）,在多CPU结构的CNC系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种并行处理技术：若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上同时执行 并发处理；若
11、任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。,流水处理技术的涵义:,流水处理技术是利用重复的资源（CPU），将一个大的任务分成若干个子任务(任务的分法与资源重复的多少有关)，这些小任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。,流水处理技术示意图,并发处理和流水处理的特征,在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以上的任务在并发执行。并发处理和流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。,. CNC系统软件
12、结构模式,结构模式：指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交换机制以及系统集成方法等。结构模式的功能：组织和协调各个任务的执行，使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足CNC系统的各种控制要求。,. 前后台型结构模式,该模式将CNC系统软件划分成两部分：前台程序:主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。后台程序(背景程序): 完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入/出、插补预处理等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，在运行过程中，不断地被前台程序定时打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。,前后台程序
13、运行关系图,前后台型结构模式的特点,任务调度机制: 优先抢占调度和循环调度。前台程序的调度是优先抢占式的；前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度。信息交换:缓冲区。前台和后台程序之间以及内部各子任务之间的。实时性差。在前台和后台程序内无优先级等级、 也无抢占机制。 该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早期的CNC系统大都采用这种结构。,.中断型结构模式,这种结构是将除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。,中断型软件系统结构图,1,n,2,中断型结构模式的特点,任务调度机制：抢占
14、式优先调度。信息交换：缓冲区。实时性好。由于中断级别较多（最多可达8级），强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。 二十世纪8090年代初的CNC系统大多采用这种结构。,五、PLC(Programmable Logic Controller)模块,PLC模块：CNC装置实现顺序控制的模块。PLC模块的作用：接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。,PLC实现的功能,M、S、T功能机床外部开关量信号控制功能输出信号控制功能伺服控制功能报警处理功能其他介质输入装置互联控制,CNC机床用的PLC一般分为两类：,内装型（Built-in Type）PLC（或集成式、内含式）。独立型（Stand-alone Type）PLC（或通用型）,内容小结,1、数控装置软件和硬件的功能界面 2、数控装置的数据转换流程 3、数控装置的软件系统特点 4、数控系统软件结构模式,习题与思考题,1、名词解释： 译码、速度预处理、并行处理、流水处理2、简述前后台型结构模型的含义及其特点。3、简述中断型结构模型的含义及其特点。4、简述基于实时操作系统结构模型的含义及其特点。,
