数控系统的软硬件结构.docx

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1、第五章数控系统的软硬件结构5.1概述以上各章从数控系统如何处理输入的零件加工程序出发，阐述了数控系统的工 作原理。在本章，我们讨论构成数控系统的软硬件都有那些特点，它是如何实现以上 所述的功能。本质上，数控系统是一种位置控制系统，它是根据输入的数据段插补 出理想的运动轨迹,然后输出到执行部件，加工出所需的零件。数控系统是由软件和 硬件两大部分组成，其核心是数控装置。数控系统（Computer Neumerical Control - 简称CNC系统硬件一般包括一下几个部分:中央处理器（CPU、存储器 （ROM/RAM、输入输出设备（I/O、操作面板、显示器和键盘、纸带阅读机、可编 程逻辑控制器

2、等。轮入设林CWC拧制器输入设蓄散控癌统软n 计算机硬件肉掩入以备i珈li拧制主轴控 制.单无HiliW图5-1 CNC系统的结构框图图5-1 CNC系统的硬件结构框图图5-1所示为整个CNC系统的结构框图。数控系统主要是指图5-1中的CNC控制器,CNC控制器由计算机硬件、系统软件和相应的I/O接 口、可编程逻辑控制器构成。前者处理机床的轨迹运动的数字控制，后者处理开 关量的逻辑控制，如主轴的启停、冷却液的开、关、刀具的更换等。从计算机实时操作系统的角度来看,CNC系统是一种典型的多任务强实时系统, 所使用的实时控制也是比较成熟的。在CNC操作系统中，我们把具体完成某项作 业任务的程序称为实

3、时处理程序,即操作系统所指的用户程序。这些程序负责完成 诸如译码、轨迹计算、速度计算、插补等任务。而负责对这些程序进行实时监控 管理服务的程序称为实时系统程序。这些程序包括中断管理、监控、内存管理等 程序等。整个CNC系统就是由这些实时处理程序（用户程序和实时系统程序（中断 服务程序共同组成了 CNC实时操作系统。用户的零件加工程序是以数据段为单位编制的。一个数据段就是一个作业。每个作业都是由一系列任务组成。在系统程 序的调度管理下，实时处理程序执行系统赋予的这些任务，经过装入一一 编译 一预处理 插补 输出这样的运行过程，完成一个作业。而一次加工是由N个类似的作业构成的。完成一个加工就需要N

4、次这样的作业循环。我们可 以把它分为如图几步。图5-2框图图5-2 CNC的零件程序作业框图5.2 CNC系统的硬件结构CNC装置是在硬件和软件的有机结合下来完成控制任务的。其控制功能在相 当程度上取决于硬件的结构。当初期的控制功能和精度要求不是很高时，多采用单 微处理器结构。现在中高档CNC装置,大部分采用的是多微处理器结构。一.单微处理器的CNC结构单微处理器结构,由于只有一个CPU的控制，功能受字长、数据宽度、寻址能力 和运算能力的限制，因此多采用集中控制，分时处理的方式。这种CNC硬件是由 CPU通过总线与存储器、I/O控制元件等各种接口电路相连的专用计算机,它还包 括控制单元，如主轴

5、控制单元、速度单元等，由它们共同构成了 CNC的硬件。如 图5-3为一单CPU的CNC系统的硬件框图。图5-3单CPU结构CNC系统结构框图微处理器负责CNC系统的运算管理，它由运算器和控制器两部分组成，是CNC 系统的核心。目前,CNC装置中常用的有8位、16位和32位微处理器。如Intel 公司的 8088、8086 至到 Pentium 系列 CPU , Motorala 公司的 6800、68000、 68020、68030等。根据CNC系统的实时控制要求，按字长、运算速度、寻址能 力,CNC系统供应商选用相应的CPU。如F ANUC公司的F15系列，它选用了 32 位Motorala

6、的68020微处理器。在单CPU的CNC系统中，通常采用总线结构。总线是CPU赖以工作的物理导 线,它通常赋予一定的信号意义。按功能可分为三组总线，即数据总线（DB、地址总 线（AD、控制总线（CB。数据总线为各部分之间传送数据，采用双方向线;地址总 线传送的是地址信号，与数据总线结合使用,以确定数据总线上传输的数据来源或目 的地，它采用单向传送;控制总线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，采用单向传输。CNC系统的存储器包括只读存储器（ROM和随机存储器（RAM两种。只读存 储器主要用于存储CNC系统的软件管理程序、执行软件程序（即系统的应用模 块

7、。管理程序即是CNC系统的实时系统程序;执行软件程序即是系统的编译模 块、插补模块、轨迹计算模块等类似的应用程序（即操作系统的用户程序。这些 程序由生产厂家固化在里，不可更改。随机存储器主要用于存储运算过程的中间结果、运行中的状态、标志等信息，断电后即消失。而机床参数、刀具参数、零件 加工程序等存放在用电池供电的CMOS RAM中，这些信息可以从CMOS RAM中 随机读出,还可以根据需要随时写入，系统断电后，信息仍保留在CMOS RAM中。1阪机EH 5-1板OD社忤虹州CNC系统的位置控制单元主要对机床的坐标轴位置进行控制。例如，工作台的 移动，工作台围绕某一轴的转动，坐标轴的联动控制等是

8、它的基本功能。对坐标轴的 控制是数控机床要求最高的控制。一般位置控制的硬件采用大规模专用集成电路 位置控制芯片实现。CNC系统的输入输出接口，包括纸带阅读机、软盘驱动器、键 盘、对外的通讯口等形式,一般要考虑进行必要的电气隔离,或其它抗干扰措施。二、多微处理器结构多CPU结构是目前许多CNC系统采取的一种结构形式,它采用模块化结构， 具有比较好的扩展性，能够提供多种选择的功能。这种结构一般配置了多种控制软 件，以适应多种机床的控制。多微处理器结构的CNC系统是把数字控制的任务划分为多个子任务。在硬件 方面以多个微处理器配以机床的接口，形成多个子系统,把划分的子任务分配给不同 的子系统,由各子系

9、统协调完成数控。应注意的是，有的CNC系统虽然有两个以上 的CPU，但只有一个CPU具有总线控制权,而其它的CPU不能控制总线，也不能访 问主存储器，它们组成了主从结构。因此，应把它们归于单CPU结构中。例如 A900系统,见图5-4所示，它有三个独立的CPU，CIP/3440(PRC主CPU、SRP串 行CPU和DBP双总线CPU。在A900中,CIP/3440(PRC是A900的中央处理单元， 它作为输入数据准备与插补运算并管理机床主轴和相连机构的全部数据。SRP (串 行I/O处理器控制外围设备。如CRT、键盘等。SRP的输出是由CIP/3440管理, 不直接访问总线。DBP双总线CPU

10、控制各轴电机，控制伺服处理逻辑装载,它接收 兵计算伺服轴控制测量系统和反馈信息，计算主轴速度和管理软件插补速度,DBP 的输出也是由CIP/3440(PRC管理的。在整个系统中，SRP、DBP不能访问存储器 和系统总线,它们只有局部总线可以访问。这种具有主从结构的仍归为单处理器结 构。在多CPU结构中，具有两个或两个以上具有总线控制权的子系统，称为多CPU 结构。它们一般采用两种结构形式，即紧耦合和松耦合结构。在前一种结构中，由各 微处理器构成处理部件，处理部件之间采用紧耦合方式,有集中的操作系统,共享资 源。在后一种结构中，由各微处理器构成功能模块，功能模块之间采用松耦合方式， 有多重操作系

11、统,可以有效地实行并行处理。1多微处理器的典型结构在多CPU组成的CNC系统中，可以根据具体情况合理划分期功能模块，一般 来说,CNC系统基本由管理模块、插补模块、位置控制模块、操作和控制数据输入 输出及显示模块、存储器模块这6个模块构成，若需扩充功能时,可再增加模块。这 些模块之间的通信有共享总线和共享存储器两种结构。(1共享总线结构，以系统总线为中心的多CPUCNC系统,把组成CNC系统的各 个功能部分划分为带CPU或DMA器件的主模块和不带CPU或DMA器件的从模 块(如各种RAM、ROM模块、I/O等两大类。所有主、从模块都插在配有总线的 插座上，共享系统总线。系统总线的作用是把各个模

12、块有效地连接在一起，构成完整 的系统，实现CNC系统的各种预定功能。如图5-5图5-5共享总线的多CPU结构CNC系统结构框图这种结构中只有主模块有权控制使用系统总线，由于有多个主模块，系统设有总 线仲裁电路来裁决多个主模块同时请求使用总线而造成的竞争，以便解决某一时刻 只能由一个主模块占有总线的矛盾。每个主模块按其负担任务的重要程度，已经预 先安排好优先级别的顺序。总线仲裁电路的目的，就是在它们争用总线时，判别处理 各模块优先级的高低。这种结构中的各CPU模块共享总线时,会引起竞争”，使 信息传输效率降低，总线一旦出现故障，会影响全局。但由于结构简单，系统配置灵 活，实现容易，无源总线造价低

13、等优点而被广泛运用。例如,A950数控装置中,使用了 6个80186CPU，采用共享总线结构，每个CPU 配置有局部随机存储器，大小有不同规格从512K到32K不等。各处理器之间的通 信通过MUL T1总线完成。由于采用了多CPU总线共享结构，不同的任务可以由不 同的CPU分担,从而允许多个独立任务同时出现。克服了单一处理器的不足。大 大增强了数据处理能力。见图5 6。(2共享存储器结构。在实现这种结构中，通常采用多端口存储器来实现各CPU 之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以解决端口访问。由 多端控制逻辑电路解决访问冲突。见图5 7。图5-7共享存储器的多CPU结构框图

14、图5 7共享存储器的多CPU结构框图图5 7所示为一双端口存储器器结构，它配有两套数据、地址和控制线，可供 两个端口访问，访问优先权预先安排好。当两个端口同时访问时，由内部仲裁电路 裁决优先访问权。当CNC系统功能复杂，要求CPU多时，会因争用共享存储器而 造成传输阻塞，降低了系统的运行效率，且功能复杂，扩展功能较为困难。典型的如 MD公司的Actrion系统，它包括三个处理器，利用公用存储器统一协调工作。5.3 CNC的软件结构我们知道，CNC系统是一个强实时的计算机控制系统,其管理、监控服务程序一 这里我们称为CNC的实时操作系统，它负责对诸如插补程序、编译程序、刀补程 序、速度计算等程序

15、进行调度及监控，以实现数控系统的运转功能。那么CNC操作 系统是如何实现它的功能的。一 CNC操作系统的功能1对CNC系统资源的管理设想有三个实时任务，如速度计算、插补、输出到伺服机构的输出。按照一般 的做法，计算机对这三个任务进行排队，按队列串行执行，来处理它们的执行过程。如 图58所示。但是，在CNC系统中，一般用图59所示的方式排列执行，这种过程 称为并发执行。任务I对执行村务N的执行任务3的执行nt1速度可刃,速度计算7，速度汁算?I插补1!插补2|；插补3I输川1 ；I输帜 ；|输围3图5V W个任务的串行执行图58三个任务的串行执行任务荷机行杠务Z的执行 . 速度计算?料度计算?|

16、插补11!|插补？I输出11I输出图57 一个任务的44KI,您冬m的执行在图59的工作方式下，速度计算、插补、输出与CPU重叠工作，三个任务并 发执行，就是所谓的时间重叠流水处理技术。它提高了系统资源的利用率，增加了系 统的处理能力，缩短了系统的处理时间，加快了响应速度。但是，必须有一个机构来管 理各种设备和处理任务的程序之间的多重操作，协调CPU和各个部分之间的工作，调 度各个处理程序之间的运行。这个机构就是CNC的操作系统,它必须跟踪哪个处理 程序在使用什么资源，满足这些任务队资源的请求,记录资源的使用情况，在实时任务 对资源的请求发生冲突时，进行管理。这些功能包括:实时任务管理、内存储

17、器管 理、外部设备的管理、文件系统的管理等。2 CNC操作系统的调用系统用指令是CNC操作系统与实时处理任务的接口。每个CNC操作系统调 用指令，它涵盖了系统所能提供的所有功能,包括实时任务的管理、内存的管理、各 种外设的管理等。事实上,CNC操作系统正是通过上述系统调用命令的执行,来完成任务的请求， 从而实现对整个CNC系统的管理。实时处理程序通过系统调用指令，向操作系统发出执行某种命令的请求时，便把 CPU的控制权交给了操作系统。当操作系统完成实时处理程序的请求时，再把CPU 的控制权转交给实时处理程序。由CPU控制的这种转移，就把操作系统分为监控态 和用户态两种。监控态和用户态是为了保护

18、操作系统，以免受处理程序的干扰和破坏而引入的 两种状态。它们包括：(1中断操作指令，如允许中断、禁止中断、屏蔽中断；(2在任务之间切换CPU的控制权的指令；(3输入输出指令等。CNC操作系统在监控态下运行。在监控态下运行的程序,可执行包括特权指令 在内的所有指令。实时处理程序在用户态下运行。在用户态下运行的程序,不能使 用特权指令。例如,Motorla MC68X0的CPU提供两级状态切换，实时处理程序,使用向量地址 编号为015的TRAP指令，把CPU的控制权转交给操作系统。TRAP指令的执行， 使系统的状态自动由用户态变为监控态;实时操作系统使用RTE指令,把控制权转交 给实时处理程序。此

19、指令的执行,使系统由监控态变为原来的状态。Intel的80X86系列的CPU,为不同级别运行的程序提供四级特权机制。一般来 说,实时处理程序运行于级别最低的特权级;而操作系统的指令,则运行于较高的特权 级。它们一般用INT中断指令，来实现特权级的中断转移和任务的切换，而用IRET 指令返回原特权级。MC680X0的TRAP指令或80X86的软中断INT指令,都是通过中断，实现CPU 控制权的转移。一般地,计算机提供如下几种类型的中断：(1硬件故障中断:如电源故障、总线错误、地址错误、非法的越权指令、除零 等；(2外部中断:所有的外部设备I/O所产生的中断；(3陷阱中断:由正在执行的程序执行陷阱

20、指令(如,MC680X0的TRAP指令或 80X86的软中断INT指令所产生的中断；(4现场中断:如触点、越程开关、限位开关等引起的中断,可把它们归为外部设 备各I/O所产生的中断。如图5-10所示的中断处理情况首先,它把实时任务的所有CPU寄存器的内容，保护在该实时任务的一个特定的 地方，再从实时任务的堆栈中取出指令，去执行相应的处理程序。由于在执行系统调 用指令的处理程序时，实时任务之间的状态可能发生变化,所以,还得执行任务调度程 序,对实时任务进行调度。最后，再从实时任务的这个特定地方,恢复实时任务的所有 CPU寄存器的内容，利用IRET之类的特权指令，把CPU的控制权交还给实时处理程

21、序。3实时处理程序的建立和启动当实时操作系统完成初始化以后，需要建立和启动整个系统，一般有两种方法。 第一种方法,由实时操作系统直接启动;第二种方法，通过后台任务处理程序 BACKGROUND，由用户(操作者自己启动整个系统。对CNC系统来讲，一般通过后 台处理程序启动整个系统。对于主流的CNC系统，它的操作系统是嵌入式的实时操作系统,一般比较小。 供应商把操作系统与实时处理程序等固化在EPROM中，系统启动时，把它们再从 EPROM拷贝到内存。实时应用程序是这样启动的，实时操作系统首先完成整个系统的初始化操作之 后，马上建立并启动两个任务:“ROOT”任务和，IDLE”任务。ROOT任务具有

22、较高的 优先权,IDLE任务具有最低优先权。实时操作系统在启动整个系统时，所执行的过程可用下面的程序描述:Create T ask(“ROOT”,PRIORITY1 ; /* 建立 ROOT 任务Create T ask(IDLEII,PRIORITY2 ; /*建立 IDLE 任务Start Task(ROOTII ; /* 启动 ROOT 任务Start Task(IDLEII ; /* 启动 IDLE 任务Scheduler ( ; /* 调度以上的执行过程，在监控状态下完成。两个CreateTask模块的执行，分别把两个 程序代码置于内存的某个地方，并进行一些必要的工作;两个Start

23、Task模块的执行， 则使这两个任务处于就绪状态，而不是马上就转去执行,而是这两个任务就绪。最后, 用Scheduler，才把CPU的控制权转交给优先级较高的ROOT任务。ROOT任务是用户实时操作系统中的根任务。它完成用户系统的所有初始化工 作,然后再建立和启动其它的实时任务，启动整个系统的运行。ROOT任务也可以只 建立若干个子任务，再由这些子任务去建立第三层的任务,如此等，整个实时处理程序 的任务就像树一样。IDLE任务的优先级最低，它一般做些与实时任务无关的事或者 什么也不做,只是执行一条无条件转移到自身的指令就行。它的作用是:当整个系统中的现有实时任务都 消亡而退出运行，或被暂停挂起

24、时，就运行这个什么也不做的IDLE任务。只要某个 实时任务被解除暂停，处于就绪状态,该任务马上就可以由调度程序调度，而转入运行, 因为IDLE任务的优先级最低。在用户的实时处理程序中，只有ROOT任务和IDLE任务是由操作系统内部建 立的。其余的实时任务(实时处理程序,都是由ROOT任务及其子孙任务动态建立 的。这种方法,针对一种确定的实时应用,所要进行的实时处理内容由ROOT任务确 定,系统一旦启动，就马上进入用户的实时系统,长期运行下去。这种系统结构就是下 一节所介绍的中断型软件结构。!台任务II和-空闲II任务还有一种方法:实时操作系统在完成初始化之后，马上建立一个后台任务 “BACKG

25、ROUD”,它以很低的优先级运行。再建立一个空闲任务“IDLE”,它以最低优 先级运行,它的作用同上面所述一样。BACKGROUD任务以终端作为其输入和输出 命令。然后，发出读键盘系统调用命令，等待用户输入。用户的实时任务比后台任务的优先级高，当系统调用类似于StartT ask和 Scheduler模块后，前者使该实时任务处于就绪状态，后者使实时任务占先后台任务，从 而取得CPU的控制权。系统转入运行用户的实时应用程序。该实时任务又可以象 ROOT任务那样,建立若干个子任务,子任务又可以建立孙任务,使系统围绕整个实时 应用程序而运行。后台任务的执行,只有在实时任务全部退出,或全部任务因某种原

26、因而停止运行 时，才有机会获得对CPU的控制权。若实时任务尚未结束，它就一直处于等待状态， 直到实时任务结束，它才能继续取得对CPU的控制权。这时，它又回到循环的顶部， 继续读取命令行,为启动第二个实时应用程序做准备。这类结构就是下一节所介绍 的前后台型软件结构。若全部实时任务由于某种原因（例如延时或本身是定时任务而暂停运行，后台任 务又处于等待状态,而只有优先级最低的IDLE任务，它是永远就绪的,就运行IDLE 任务。对于CNC操作系统,它的任务是一系列定时任务（见后面的数控系统实例，即每 个任务的执行是有时间限制的,必须保证在规定时间里执行完所给的任务，以保证机 床运动的连续性。5.4 C

27、NC系统的典型软件结构实例一概论CNC系统是一个实时的计算机控制系统，其数控的基本功能是由多种功能子程 序（即上面所讲的实时处理程序实现的。例如译码子程序、刀具半径补偿子程序、 插补子程序、伺服控制子程序等。这是任何一个计算机数控系统所必须具备的。不 同的软件结构中对这些子程序的安排方式不同，管理方式亦不同,在有的CNC系统 中整个软件分为前台程序和后台程序。前台程序是指实时中断程序，实现插补、伺 服、机床相关逻辑和监控等功能。这些功能是和机床的动作直接相关。后台程序就 好象舞台演出重，除了演员在前台表演外，还必须有背景音乐、舞台灯光及舞台监督 等配合一样。这种前后台型的软件结构一般适合单处理

28、机集中控制分时处理。对处 理机性能要求较高。例如A-B公司的7360系统就是采用这种软件结构。它所采 用的处理机为美国A-B公司的工业处理机。字长为16位。该工业处理机兼有普通 小型机及PLC的功能，可实现包括机床逻辑在内的全部数控功能。背景程序是一个 循环运行的程序。实时中断程序每10ms定时发生一次。如图5-11所示。程序一启 动,经过一段初始化程序后即进入背景循环。同时开放定时中断，每10 ms定时中断 发生一次，执行一次中断服务程序，此时背景程序停止运行。定时中断程序执行完毕以后又返 回背景程序。以后10 ms定时中断又发生,背景程序又停止执行。如此循环往复，共 同完成数控的全部功能。

29、在有的CNC系统中，所有的各种功能子程序均被安排成级别不同的中断程序。整个软件就是一个大的中断系统。其管理功能主要通过各级中断程序之间的相互通讯来解决。我国引进并重点消化的F ANUC 7M系统就是采用这种软件结构。整个软件分为8级中断。0级最低,7级为最高。0级中断为CRT显示,即没有其余事情可做的时候，就进行显示。插补前的准备工作主要被安排在一级中断，每16 ms发生一次。插补程序被安排在第4级中断，每8 ms发生一次。伺服控制程序被安排在第6级中断，每4 ms由定时时钟中断一次。这里需要注意的是， 除了第6级中断是由时钟产生以外,其余各级中断的产生均由第六级中断设置，即所 谓软件中断。二

30、背景类中断程序简化后的7360CNC系统软件框图如图5-12所示,主要的可屏蔽中断有10.24ms 实时时钟中断、阅读机中断和键盘中断;其中阅读机中断优先级最高,10.24ms时钟 中断次之,键盘中断优先级最低。阅读机中断仅在输入零件程序时启动了阅读机之 后才发生，键盘中断仅在键盘方式下发生，而10.24ms中断是定时发生的。系统初始 化等待紧停复位保存现场位置伺服面板扫描PAL程序插补面板输出恢复现场返回保存现场存入字符恢复现场返回保存现场存入字符恢复现场返回增加点动;连续点动；回参考点；设置零点;阅读机复位测试方式；CRT显示MCU总清方式选择状态检查操作命令;MDI段执行;数据输入;CR

31、T显示循环停处理段执行程序;读程序段到 缓冲区;译码、处理传送;等待段完成等待循环启动自动M30到带M02EOR背景程序键盘自动/单段阅读机中断键盘中断10.24ms中断图5-12 7360CNC软件总框 图下面我们主要说明10.24ms中断有关的情况。当7360CNC控制系统接通电源或复位后，首先运行初始化程序，然后，设置系统 有关的局部标志和全局性标志;设置机床参数;预清机床逻辑I/O信号在RAM中的 映象区;设置中断向量;并开放10.24ms实时时钟中断，最后进入紧停状态。此时，机床 的主轴和坐标轴伺服系统的强电是断开的，程序处于对“紧停复位”的等待循环中。 由于10.24ms时钟中断定

32、时发生，控制面板上的开关状态被随时扫描,并设置了相应 的标志，以供主程序使用。一旦操作者按了“紧停复位”按钮，接通机床强电时,程序下 行，背景程序被启动。首先进行MCU总清（即清除零件程序缓冲区、键盘MDI缓冲区、插补参数区等，并使 系统进入约定的初始控制状态（如G90、G01、G94、M48、M80，接着根据面板上的 方式选择,进入相应的服务环中。各服务环的出口又循环到方式选择例程，一旦10.24ms时钟中断程序扫描到面板上的方式服务中,10.24ms的时钟中断总是定时发 生的。实时时钟中断服务程序是系统的核心，实时控制任务包括位置伺服、面板扫 描、机床逻辑、实时诊断和轮廓插补,它们都是在其

33、中实现。实时时钟中断服务流 程如图5-13所示，其过程是：(1检查前10.24ms中断服务程序是否完成,若发生10.24ms中断服务重叠，系统 自动进入紧停。(2对用于实时监控的系统标志进行清零初始化。(3首先进行位置伺服控制,即对前10.24ms周期中坐标轴的实际位移增量进行 采样，根据前10.24ms周期结束前所插补的本周期的位置增量命令(经过齿隙补偿，算 出当前的跟随误差，为伺服系统算出适当的进给速度指令，驱动坐标轴运动。(4如果有新的数据段被传送,即根据现行段编程格式设置M、S、T被编程与否 的系统标志，这三个标志将被P AL程序使用，用以启动相应的M、S、T辅助功能的执 行。这些标志

34、与数据段传送标志都是一次叠代为真的标志,即仅仅在一次10.24ms 周期中有效。如果现行段编入了 M00、M01、M02、M30及 M48/49、M80/81之一,设置相应的标志，以被随后处理。(5扫描主控制面板和辅助控制面板，设置控制面板状态的系统标志。(6调用可编程的逻辑控制程序P AL,执行M、S、T辅助功能及机床逻辑状态 监控。(7处理控制面板输入信息，对操作者的要求诸如循环启动、停止、改变工作方 式、手动操作、进给率超调等作出及时的响应。(8检查系统状态，当发生超程、超温、熔丝熔断、阅读机出错等故障时,作出及 时响应。处理点动请求。检查MST辅助功能的执行状态，当段前处理未完成时，禁

35、 止插补;当段后处理未完成时，禁止新的数据段传送。无论发生了软件设置的紧停请 求，或操作者按了紧停按钮,系统都进入了紧停状态。(9当允许插补的条件为真使，执行插补程序,算出的位置增量将作为下一周期的 位置增量命令。(10当扫描和修正控制面板的指示灯，为操作者指明系统的现时状态。(11清除一次叠代为真的系统标志及一些实时监控标志。二中断型软件结构表5-1 FNUC 7M的各级中断功能中断级别主要功能中断源0 CRT显示硬件（接地1译码、刀具中心轨迹计算等软件16ms定时2键盘及面板输入扫描、输入、输出信息等软件16ms定时3 （外部遥控面板和电传机4插补运算、终点判别及转段处理软件8ms定时5阅

36、读机中断硬件或软件6伺服系统位置控制4ms硬件时钟7测试硬件允许插补吗？前10.24ms中断服务完成否？否否是是是是图5-13实时时钟中断服务程序10.24ms时钟中断关中断，清时钟中断标志保护现场数据段传送标志为真?置10.24ms中断服务状态标志开中断清点动保持、进给 保持请求标志清段前处理、段后处理请求标志清软件紧停请求、故障指示标志齿隙补偿位置伺服设现行段中M、S、T 被编程的标志，检测 M00、M01、M02、M30、M48/M49、M80/M81主轴反馈服务及表面恒速处理扫描控制面板输入机床逻辑PAL例程控制面板输入信息处理超程、温度、熔丝、回参考点、监控点动处理与监控阅读机监控1

37、紧停处理有软件或硬件紧停请求吗?辅助功能 执行状态、监控轮廓插补清M、S、T编入现行段的标志;清数据段传送标志清系统处于MCU复位状态标志控制面板输出扫描关中断清进给保持请求标志；清禁止进给请求标志清10.24ms中断服务状态标志恢复现场开中断返回否有无图5-13实时时钟中断服务程序中断型的软件结构是指除了初始化程序之外，整个控制程序分成若十个不同级 别的中断服务程序。例如F ANUC 7M系统共分成8级中断程序。无论前后台程序 之分,不过这8级中断程序的优先级别有不同，级别高的中断程序可以打断级别低的 中断程序。在F ANUC 7M系统软件中，各中断程序功能配置情况如表5-1所示。其中伺服系

38、统位置控制被安排成很高的级别，因为机床的刀具运动实时性最 强,CNC系统对其服务必须丝毫不能耽误。CRT显示被安排的级别最低，即0级以上 的中断程序均未发生的情况下,才进行CRT显示。表5-2 F ANUC 7M 一级中断的13种功能口状态位对应口的功能0显示处理发光二极管数显1公英制转换2部分初始化3从存储区（MP、PC、SP读一段（译码BS区4轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹5再启动处理6 “再启动”开关无效,刀具回到断点“启动”处理7按“启动”按钮时，要读一段程序到BS的处理8连续加工时，要读一段程序到BS的预处理9阅读机反绕，或存储器指针返回首址的处理10启动阅读机,正常进给一步11置M、S

39、、T指令标志及G96速度换算12置纸带反绕标志一级中断相当于背景程序的功能，进行插补前的准备工作。F ANUC7M系统中 的一级中断有13种功能，对应着口状态子的13个位，每位对应于一个处理任务。在 进入一级中断服务时，先查询口状态字的012的状态，再转入相应的服务。13个口 所对应的处理功能如表5-2所示。中断请求的发生,除了第6级中断是由4ms时钟发生之外，其余均靠别的中断设 置。即依靠各中断程序之间的相互通讯来解决。例如第六级中断程序中每两次设置 一次第四级中断请求（8ms;每四次设置一次第1、2级中断。插补的第4级中断在插 补完一段以后，要求从缓冲器中取一段并作刀具半径补偿,这时,就置

40、第1级中断请求, 并把4号口置1。这个过程在第1级中断内部亦可以自行链接，例如进行8号口处理 时即把3号口置1。这样,8号口处理程序一结束即可转入3号口处理。从表5-1的中断级别安排中可知,F ANUC 7M系统中最经常的工作是由第1 级、第4级和第6级这三种中断程序承担。如果要和前后台型的软件相比,背景程 序大体上相当于第1级中断。而实时中断程序就相当于第4级和第六级中断。下面 我们简要地叙述一下F ANUC7M的工作过程及其各中断程序之间的相互关联。（1开机初始化0级CRT显示经过4ms,时钟请求第6级中断。在第6级中断服务程序中,设置第1级（16ms和第4级中断（8ms请求。(2(设零件

41、加工程序已装入计算机内部按机床启动按钮，由第2级中断程序发现 (第2级中断服务程序主要是监控面板及键盘状态等，则立即置第1级中断地7号口 从存储区读一段零件程序至缓冲器BS中的预处理。(3第1级中断发生时，查询到7号口已置1,即进行7号口服务程序，同时将3号 口置1,表示允许从存储区读一段至BS并进行译码。当3号口服务例程完毕时，设 置BS已装了一段的标志，表示已译码完毕。(4控制进入第4级中断(8ms 一次，当它发现BS已装了一段的标志及其余条件 满足时,置允许BS人$(工件寄存器的标志。并把第1级中断4号口置1，准备进 行刀具半径补偿(先译码，后进行半径补偿。(5第1级中断发生时，查询得知

42、4号口已置1，即转入4号口处理程序，将BS中 的内容AS，同时进行刀具半径补偿。完成半径补偿之后，置相应标志。(6第4级中断发生时，发现刀具半径补偿完成的标志已置位，则进行插补的预处 理。处理结束后置允许插补开始标志。接着转入速度计算，插补计算，进给处理，计算 出8ms中的进给量,完成一次插补。同时，第1级中断8号口置1，要求从存储区 读下一段到缓冲寄存器BS。(7第6级中断发生，发现插补完成标志，将一次插补中的进给量分两次进给，以利提高精度。(8第1级中断发生，处理8号口,允许再读入一段。同时置3号口为1,处理3号 口，从存储区读入一段到缓冲寄存器。新的一段处理开始。(9反复地进行第1级、第

43、4级、第6级等中断处理，机床在系统插补计算中不 断进给，显示器不断显示新的位置。加工过程就是由许多次各级中断来完成的。从上述流程中可以看出程序之间的相互通讯有如下几种方式：1设置软中断中断分为硬中断和软中断。第1级、第2级、第4级中断均在第6级中断的服 务例程中设置。第6级中断是由时钟(硬件产生的，每4ms 一次。其余中断均为软中 断。第4级中断每8ms发生一次，即第6级中断每发生两次，设置一次第4级中断请 求。同理，第6级中断每发生4次,设置第1、2级中断。这样就可以将1、2、4、6 这四级中断服务程序连接起来。2中断服务程序的自身链接在第1级中断服务例程中，各个口之间可以相互设置请求。例如

44、，在8号口的处 理程序中，可将3号口置处理程序一完即可转入3号口处理。其原理框图如图5-14 所示。3设立标志标志是各程序之间相互通讯的有力工具。在一个中断服务例程（例如第4级插补服务例程中包含着许多功能子程序，这些功能子程序是否可以运行,主要取决于外界条件是否具备。在插补服务例程中主要包含速度计算、插补计算、进给量变换等功能。该中断每8ms定时发生一次。即每隔8ms均要运行一次该程序。但是在译码及刀具半径补偿完成之前是不能进行插补计算的。解决这一问题的主要途径是标志的设立。当第4级中断发生时, 依靠该标志的状态（还有其它条件来决定是否开放插补。在刀具半径补偿完成标志 没有设立之前，计算机就跳

45、过插补服务程序而继续往下执行，这样可以保证程序运行 的正确顺序。系统软件的结构可以是中断型或前后台型。中断型的软件结构更适合于分布式 微型机数控的方向发展，是很有前途的一种软件结构。可以看到,CNC的操作系统具有一下特点：1作业任务具有截至期。实时系统在响应外部事件时，处理该外部事件的实时任 务，必须在一个确定的时间里完成，如插补任务，必须在分配的时间里完成。就是说，任 务具有截止期。2.CNC系统中各个任务的执行是互相关联的。如预处理时速度计算影响着插 补计算的速度和精度。它们在结构上互相关联成为一体。3在CNC系统中，对一个作业顺序上是不可改变的，需按装入编译预处理一 插补加工等顺序。4在

46、CNC系统中，每个任务执行时间和精度都是可以预测的。比如，进给速度F 与插补精度都是可以按规定控制住的。5.CNC系统执行的实时任务都是周期性的。一个作业一次循环，都是要经过装 入编译预处理插补伺服等过程。这些过程构成一个循环,加工一个零件就 需要N次这样的循环才能完成。5.5开放式数控系统的结构及其特点传统的数控系统在过去的几十年里已取得了很大的发展，对制造系统自动化发 挥了巨大的作用。但是，传统的数控系统采用了专用的计算机系统，各个厂家的产品 互不兼容,这样,构成系统的软硬件对用户来说都是封闭的。因此，就形成了数控系统 维修、升级困难,维护费用高昂，使用操作培训要求高等缺点。这些严重地制约

47、着数 控技术的发展，基于上述问题,在二十世纪九十年代，人们提出了开放式的数控系统的 概念,以解决传统数控系统所出现的问题。目前,以美国、欧洲各国以及日本为首的 工业发达国家，正在大力研究这种新型的数控系统，已建立起了统一的系统框架，对于接口也制定出了接口标准,并开始在工业上使用。由于开放式数控系统的所牵涉的 面比较广，因此本章仅介绍一些就开放式数控系统的结构特点初期的开放式数控系统,大部分是基于PC的总线开放的系统，但系统结构仍然 是面向装置、硬件和软件的，就如当前的工控系统一样,并没有很好的考虑系统的开 放性。虽然采用微机的中央处理器和母板，但仍与系统软件、应用软件和硬件紧密 相关，即复杂又不灵活。如图5-15从图中可见，所讲的开放式数控系统结构是面向软件配置的，可以由用户自行定 义接口和软件平台，不断将功能集成到控制系统中。为了使开放式数控系统完全遵守IEEE定义的标准,须将整个系统建立在供应 商中立结构”基础上（Vendor-Neutral Open Control System。在供应商中立的开放式 数控系统结构后面的核心思想是模块化。如图5-165-16数控系统的开放分类图 5-16模块化是用来把复杂系统（包括硬件和软件分割成更小的可管理的