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1、下午7时11分2005年4月20日星期三,1,第三章 计算机数控装置,下午7时11分,2,第三章 计算机数控装置,本章主要内容：了解数控装置的组成熟悉数控装置的硬件熟悉数控系统的软件结构掌握插补原理掌握刀具半径补偿原理了解数控系统的故障诊断功能了解可编程控制器,下午7时11分,3,3.1 概述,了解下面内容：CNC装置的组成CNC装置的工作过程CNC装置的优点CNC装置的功能,下午7时11分,4,3.1.1 CNC装置的组成,从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算
2、机控制系统。从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。,下午7时11分,5,3.1.1 CNC装置的组成,CNC系统硬件的层次结构由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成,下午7时11分,6,3.1.1 CNC装置的组成,CNC系统软件的功能结构从本质特征来看，CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，从功能特征来看，该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统活的灵魂。其结构框图如图3-2所示,下午7时11分,7,3.1.1 CNC装置的组成,操作系统,管理软件,控制软件,零,件,程,序,管,理,显,示,处,
3、理,人,机,交,互,交,互,位,置,控,制,输,入,输,出,管,理,插,补,运,算,故,障,诊,断,处,理,速,度,处,理,机,床,输,入,输,出,编,译,处,理,主,轴,控,制,刀,具,半,径,补,偿,.,.,下午7时11分,8,3.1.1 CNC装置的组成,CNC硬件软件的作用和相互关系CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台，如图3-3所示,下午7时11分,9,3.1.1 CNC装置的组成,下午7时11分,10,3.1.2 CNC装置的工作
4、过程,数控系统加工零件的过程：将被加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化，即将刀具与工件的相对运动轨迹，用代码按照规定的规则和格式编制程序数控系统按照程序的要求，进行相应的运算、处理数控系统发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作之间相互协调，实现刀具与工件之间的相对运动，自动完成零件的加工,下午7时11分,11,3.1.2 CNC装置的工作过程,CNC装置对输入程序的加工和处理过程逼近处理将曲线进行逼近处理，将其分解为微线段插补运算将微线段进行分解，获得各个轴上的进给分量指令输出根据各轴的进给分量，发送指令协调各轴运动注意：插补时，每次进给的时间一般固定,下午7时11分,12,3.1.3
5、CNC装置的优点,具有灵活性和通用性CNC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的结构，使系统功能的修改、扩充变得较为灵活CNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能,下午7时11分,13,3.1.3 CNC装置的优点,数控功能丰富插补功能：二次曲线、样条、空间曲面插补补偿功能：运动精度补偿、随机误差补偿、非线性误差补偿等人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级人机对话窗口编程功能：G代码、篮图编程、部分自动编程功能,下午7时11分,14,3.1.3 CNC装置的优点,可靠性高CNC装置采用集成度高的电子元件、芯片、采用VLSI本身就
6、是可靠性的保证许多功能由软件实现，使硬件的数量减少丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现)，从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低,下午7时11分,15,3.1.3 CNC装置的优点,使用维护方便操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便可进行正确操作编程方便：具有多种编程的功能、程序自动校验和模拟仿真功能维护维修方便：部分日常维护工作自动进行(润滑，关键部件的定期检查等)，数控机床的自诊断功能，可迅速实现故障准确定位,下午7时11分,16,3.1.3 CNC装置的优点,易于实现机电一体化数控系统控制柜的体积小（采用计算机，硬件数量减少；电子元件的集成度越来越高，硬件的不断减小
7、），使其与机床在物理上结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作,下午7时11分,17,3.1.4 CNC装置的功能,CNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。数控装置的功能包括基本功能和选择功能基本功能数控系统基本配置的功能，即必备功能选择功能用户可根据实际要求选择的功能,下午7时11分,18,3.1.4 CNC装置的功能,控制功能CNC能控制和能联动控制的进给轴数CNC的进给轴分类：移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）基本轴和附加轴（U、V、W）联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编 程也越困难,下午7时11分,19,3.1.4 CNC装置的功能,准备功能（G功能
8、）指令机床动作方式的功能,下午7时11分,20,3.1.4 CNC装置的功能,插补功能和固定循环功能插补功能是数控系统实现零件轮廓(平面或空间)加工轨迹运算的功能固定循环功能是数控系统实现典型加工循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能,下午7时11分,21,3.1.4 CNC装置的功能,进给功能进给速度的控制功能进给速度 控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min同步进给速度 实现切削速度和进给速度的同步，单位为 mm/r进给倍率（进给修调率）人工实时修调预先给定的进给速度,下午7时11分,22,3.1.4 CNC装置的功能,主轴功能数控系统的主轴的控制功能主轴转速主轴转速
9、的控制功能，单位为r/min恒线速度控制刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能主轴定向控制主轴周向定位于特定位置控制的功能C轴控制主轴周向任意位置控制的功能主轴修调率人工实时修调预先设定的主轴转速。,下午7时11分,23,3.1.4 CNC装置的功能,辅助功能（M功能）用于机床辅助操作的功能,下午7时11分,24,3.1.4 CNC装置的功能,刀具管理功能实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功能使用刀具寿命是指时间寿命，当刀具寿命到期时，CNC系统将提示用户更换刀具CNC系统都具有刀具号（T）管理功能，用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具,下午7时11分,2
10、5,3.1.4 CNC装置的功能,补偿功能刀具半径和长度补偿功能：实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心轨迹的功能。传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。非线性误差补偿功能：对诸如热变形、静态弹性变形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等，采用AI、专家系统等新技术进行建模，利用模型实施在线补偿,下午7时11分,26,3.1.4 CNC装置的功能,人机对话功能菜单结构操作界面零件加工程序的编辑环境系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等,下午7时11分,27,3.1.4 CNC装置的功能,自诊断功能CNC自动实现故障预报和故障定位的功能开机自诊断在线自诊断离线自诊
11、断远程通讯诊断,下午7时11分,28,3.1.4 CNC装置的功能,通讯功能CNC与外界进行信息和数据交换的功能RS232C接口，可传送零件加工程序DNC接口，可实现直接数控MAP(制造自动化协议)模块网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求,下午7时11分,29,3.2 CNC装置的硬件结构,主要内容了解CNC装置的硬件结构（单机和多机）了解CNC装置中各个模块及其功能（主板和总线、显卡、输入输出模块、存储模块、设备辅助接口模块、位置控制模块了解CNC装置中两类多主结构：共享总线结构和共享存储器结构,下午7时11分,30,3.2.1 概述,CNC装置从它的硬件组成结构来看，若按
12、其中含有CPU的多少来分，可分为下面几类:,下午7时11分,31,单机系统:整个CNC装置只有一个CPU，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种NC功能。主从结构，系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权其它带CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。,3.2.1 概述,下午7时11分,32,多机系统:CNC装置中有两个或两个以上的CPU，即系统中的某些功能模块自身也带有CPU，根据部件间的相互关系又可将其分为：多主结构：系统中有两个或两个以上带CPU的模块部
13、件对系统资源有控制或使用权。模块之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过仲裁器来解决总线争用问题，通过公共存储器进行交换信息。分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间采用松耦合，且采用通讯方式交换信息。,3.2.1 概述,下午7时11分,33,CNC装置是按模块化设计的方法构造的模块化设计方法：将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能的单元模块,并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，即可组成一个完整的控制系统的方法。其中单元母板一般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。,3.2.2 单机
14、或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,34,优点：实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。采用模块化结构时，CNC系统设计工作则可归结为功能模块的合理选用。,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,35,CNC 系统硬件框图,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,36,计算机主板和系统总线(母板)计算机主板是CNC装置的核心。功能结构：CPU及其外围芯片；内存单元、cache及其外围芯片；通讯接口(串口，并口，键盘接口)。软、硬驱动器接口,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,37,计算机主板的主要作用：对输入到CNC
15、装置中的种种数据、信息(零件加工程序，各种I/O信息等)进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,38,系统总线(母板)：由一组传送数字信息的物理导线组成，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道：数据总线地址总线：控制总线：工业用PC机的总线母板是独立的无源四层板（走线面、元件面、电源层和地线层），它的可靠性高于两层板。其规格有6槽、8槽、12槽、14槽等。,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,39,显示模块(显示卡)显示卡的主要作用：接收来自CPU
16、的控制命令和显示用的数据，经与CRT的扫描信号调制后，产生CRT显示器所需要的视频信号，在CRT上产生所需要的画面。,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,40,在CNC装置中，CRT显示是一个非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介，它给用户提供了一个直观的操作环境，可使用户能快速地熟悉适应其操作过程。显示卡是一个通用性很强的模块。它不仅随时可以在市场上买到，而且它还有非常丰富的支持软件，因此无需用户自己开发。,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,41,输入/出模块(多功能卡)它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即CNC装置通过该接口可以从
17、输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的数据送给输出设备。该模块也是标准的PC机模块，一般不需要用户自己开发。如果计算机主板选用的是 ALL-IN-ONE 主板，则此板可省略。,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,42,以上三部分，再配上键盘、电源、机箱，实际上是一部通用的微型计算机系统，它是CNC装置的核心，从某种意义上讲，CNC装置的档次和性能是由它决定的。因此，CNC装置中计算机系统的合理选用是至关重要的。,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,43,电子盘(存储模块)电子盘是CNC装置特有的存储模块。在CNC装置中它用来存放下列数据和参数：系统
18、软件、系统固有数据；系统的配置参数(系统所能控制的进给轴数，轴的定义，系统增益等)；用户的零件加工程序。,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,44,计算机领域所用存储器件有三类：磁存储器件，如：软/硬磁盘（读/写）。光存储器件，如：光盘（只读）。电子（半导体）存储器件，如 RAM、ROM、FLASH等。前两类一般用作外存储器，其特点是容量大，价格低。,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,45,电子存储器件一般用作内存储器，其价格高于前两类。若按其读写性能来看，它又可分为三类只读存储元件（ROM、PROM、EPROM）易失性随机读写存储元件（RAM）。
19、非易失性读写存储元件。这类器件有：E2PROM；FLASH；带后备电池的RAM。,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,46,在CNC装置中，常采用电子存储器件作为外存储器，主要是考虑到CNC装置的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。因电子器件组成的存储单元是按磁盘的管理方式进行的，故称其为电子盘。电子盘的规格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB等。,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,47,PLC(Programmable Logic Controller)模块PLC模块：CNC
20、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。CNC装置与被控设备交换的信息有三类：开关信号、模拟信号、脉冲信号。,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,48,上述信号由于其类型、电平、功率以及抗干扰的原因，一般不能直接与CNC装置相联，需要一个接口对这些信号进行变换处理。,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,49,PLC模块变换处理其目的：满足CNC系统的输入输出要求。信号转换主要包括以下几个方面：电平转换；A/D、D/
21、A转换；数字量与脉冲量相互转换；功率匹配；阻断外部的干扰信号进入计算机，在电气上将CNC装置与外部信号进行隔离，以提高CNC装置运行的可靠性。,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,50,PMC模块实现方式有以几种：简单I/O接口板：,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,51,PLC（Programmable Logic Controller）控制：它是目前CNC系统用得最广泛的方式。,第二节 CNC装置的硬件体系结构,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,52,CNC机床用的PLC一般分为两类：内装型（Built-in Type）
22、PLC（或集成式、内含式）。独立型（Stand-alone Type）PLC（或通用型）,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,53,位置控制模块位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨迹控制时，CNC装置与伺服驱动系统连接的接口模块。常用的位置控制模块有：开环位置控制模块：CNC装置与步进电机驱动电源的接口；闭环（含半闭环）位置控制模块：CNC装置与直流、交流伺服驱动装置的接口。,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,54,功能接口模块 实现用户特定功能要求的接口板，实例：仿形控制器接口；激光加工焦点自动跟踪器接口；刀具监控系统中的信号采集器
23、接口板。,3.2.2 单机或主从结构模块的功能介绍,下午7时11分,55,华中型数控系统是我国为数不多具有自主版权的高性能数控系统之一。它以通用的工业PC机（IPC）为基础，采用开放式的体系结构，从而使华中型数控系统的可靠性和质量得到了保证。它适合多坐标(2-5)数控镗铣床和加工中心，在增加相应的软件模块后，也可适应于其它类型的数控机床(数控磨床、车床、齿轮加工机床等)以及特种加工机床（激光加工机、线切割机等）。,3.2.3 华中型数控系统(硬件)简介,下午7时11分,56,采用模拟式交流/直流伺服单元,3.2.3 华中型数控系统(硬件)简介,下午7时11分,57,采用数字式交流伺服单元,3.
24、2.3 华中型数控系统(硬件)简介,下午7时11分,58,教学型(经济型)数控系统,3.2.3 华中型数控系统(硬件)简介,下午7时11分,59,多主CPU结构中，有两个或两个以上的CPU部件，部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。,3.2.4 多主结构的CNC系统硬件简介,下午7时11分,60,多主结构的特点：能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作多主结构的结构形式：共享总线结构型共享存储器结构型。,3.2.4 多主结构的C
25、NC系统硬件简介,下午7时11分,61,共享总线结构：,3.2.4 多主结构的CNC系统硬件简介,下午7时11分,62,结构特征：功能模块分为带有CPU或DMA的主模块和从模块(RAM/ROM，I/O模块)，以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上，采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。,3.2.4 多主结构的CNC系统硬件简介,下午7时11分,63,共享总线结构的优点结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高 共享总线结构的缺点总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将使整个系统受到影响；由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。
26、,3.2.4 多主结构的CNC系统硬件简介,下午7时11分,64,共享存储器结构,3.2.4 多主结构的CNC系统硬件简介,下午7时11分,65,结构特征：面向共公存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯，采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口RAM）。,3.2.4 多主结构的CNC系统硬件简介,下午7时11分,66,3.3 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。本节将首先介绍系统软硬件界面
27、的关系，然后从系统内数据流的角度来分析CNC装置的数据转换过程，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，最后介绍一个典型CNC装置系统软件的结构。,下午7时11分,67,软件与硬件在实现各种功能的特点和关系关系：从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。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。,3.3.1 CNC装置软件和硬件的功能界面,下午7时11分,68,软件、硬件实现功能的分配就是软件硬件功能界面划分。功能界面划分的准则：系统的性能价格比,一、CNC装置软
28、件和硬件的功能界面,下午7时11分,69,数控系统功能界面的几种划分：,一、CNC装置软件和硬件的功能界面,下午7时11分,70,CNC装置系统软件的主要任务：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。,3.3.2 CNC装置的数据转换流程,下午7时11分,71,CNC装置数据转换流程示意图,3.3.2 CNC装置的数据转换流程,下午7时11分,72,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）
29、。,3.3.2 CNC装置的数据转换流程,下午7时11分,73,数据结构示例：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。；,3.3.2 CNC装置的数据转换流程,下午7时11分
30、,74,以标志形式存放G指令示例,3.3.2 CNC装置的数据转换流程,下午7时11分,75,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。该缓冲区由若干个数据结构组成，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。,3.3.2 CNC装置的数据转换流程,下午7时11分,76,N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200；1 2 3 4 5 6 7 8 9-Struct PROG_BUFFER char buf_state；0：(开始)；1（；）int block_num；06（N
31、06）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）；,3.3.2 CNC装置的数据转换流程,下午7时11分,77,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。根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。,.刀补处理(计算刀具中心轨迹),Pe（200，300）,X,R,P0（72，48）,Pe”,
32、Pe,G41,G42,Y,3.3.2 CNC装置的数据转换流程,下午7时11分,78,速度预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。,3.3.2 CNC装置的数据转换流程,下午7时11分,79,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；园弧：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=F*t/60（m）式中：F-进给速度值（mm/min）；t-数控系统的插补周期（ms）,3.3.2 CNC装置的数据转换流程,下午7时11分,80,插补计算主要功能：根据操作面板上“进给修调
33、”开关的设定值，计算本次插补周期的实际合成位移量：L1=L*修调值将L1按插补的线形（直线，园弧等）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（X1、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。本程序以系统规定的插补周期t定时运行。,3.3.2 CNC装置的数据转换流程,下午7时11分,81,位置控制处理,3.3.2 CNC装置的数据转换流程,下午7时11分,82,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
34、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）,3.3.2 CNC装置的数据转换流程,下午7时11分,83,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送给伺服驱动单元，控制电机运行，实现CNC装置的轨迹控制,3.3.2 CNC装置的数据转换流程,下午7时11分,84,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
35、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。,3.4 CNC装置的软件系统特点,下午7时11分,85,.多任务性与并行处理技术,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。,3.4 CNC装置的软件系统特点,下午7时11分,86,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
36、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。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。,3.4 CNC装置的软件系统特点,下午7时11分,87,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。,3
37、.4 CNC装置的软件系统特点,下午7时11分,88,位置控制,插补运算,背景程序,4ms,8ms,16ms,中断级别高,中断级别低,资源（CPU）分时共享图,3.4 CNC装置的软件系统特点,下午7时11分,89,各任务占用CPU 时间示意图,3.4 CNC装置的软件系统特点,下午7时11分,90,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。,3.4 CNC装置的软件系统特点,下午7时11分,91,并发处理和流
38、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。,3.4 CNC装置的软件系统特点,下午7时11分,92,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。,3.4 CNC装
39、置的软件系统特点,下午7时11分,93,流水处理技术示意图,时间,t+t,t,空间,3,3,3,2,2,2,输出,CPU1,CPU2,CPU3,并行处理,3.4 CNC装置的软件系统特点,下午7时11分,94,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。,3.4 CNC装置的软件系统特点,下午7时11分,95,实时性和优先抢占调度机制,实时性任务的定义和分类实时性定义:任务的执行有严格时间要求（任务必须规定时间内完成或响应），
40、否则将导致执行结果错误或系统故障的特性。实时性任务分类:强实时性任务 实时突发性任务；实时周期性任务 弱实时性任务,3.4 CNC装置的软件系统特点,下午7时11分,96,强实时性任务,实时突发性任务：任务的发生具有随机性和突发性，是一种异步中断事件。主要包括故障中断(急停，机械限位、硬件故障等)、机床PLC中断、硬件（按键）操作中断等。实时周期性任务：任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括插补运算、位置控制等任务。为保证加工精度和加工过程的连续性，这类任务处理的实时性是关键。在任务的执行过程中，除系统故障外，不允许被其它任何任务中断。,3.4 CNC装置的软件系统特点,下午7时11分,9
41、7,弱实时性任务,这类任务的实时性要求相对较弱，只需要保证在某一段时间内得以运行即可。在系统设计时，它们或被安排在背景程序中，或根据重要性将其设置成不同的优先级（级别较低），再由系统调度程序对它们进行合理的调度。这类任务主要包括：CRT显示、零件程序的编辑、加工状态的动态显示、加工轨迹的静态模拟仿真及动态显示等。,3.4 CNC装置的软件系统特点,下午7时11分,98,抢占式优先调度机制,多任务系统的任务调度方法：循环调度法简单循环调度法时间片轮换调度法优先调度法抢占式优先调度法非抢占式优先调度法,3.4 CNC装置的软件系统特点,下午7时11分,99,抢占式优先调度机制功能,抢占方式：在CP
42、U正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，CPU将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高任务的请求优先调度：在CPU空闲时，当同时有多个任务请求执行时，优先级高的任务将优先得到满足。,3.4 CNC装置的软件系统特点,下午7时11分,100,抢占式优先调度机制的实现方式,硬件主要提供支持中断功能的芯片和电路，如中断管理芯片（8259或功能相同的芯片），定时器计数器（8253、8254等）等。软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务优先级的定义、任务切换（断点的保护于恢复、中断向量的保存与恢复等）等。,3.4 CNC装置的软件系统特点,下午7时11分,101,CNC系统中采用的任务调度机
43、制,抢占式优先调度；时间片轮换调度；非抢占式优先调度。,3.4 CNC装置的软件系统特点,下午7时11分,102,3.5 CNC系统软件结构模式,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。,下午7时11分,103,.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、
44、系统的输入/输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理)等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。,3.5 CNC系统软件结构模式,下午7时11分,104,前后台程序运行关系图,3.5 CNC系统软件结构模式,下午7时11分,105,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
45、的系统。早期的CNC系统大都采用这种结构。,3.5 CNC系统软件结构模式,下午7时11分,106,.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。整个软件就是一个大的中断管理系统。,3.5 CNC系统软件结构模式,下午7时11分,107,中断型软件系统结构图,1,n,2,3.5 CNC系统软件结构模式,下午7时11分,108,中断型结构模式的特点,任务调度机制：抢占式优先调度。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
46、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。8090年代初的CNC系统大多采用这种结构。,3.5 CNC系统软件结构模式,下午7时11分,109,.基于实时操作系统的结构模式,实时操作系统（Real Time Operating System RTOS）是操作系统的一个重要分支，它除了具有通用操作系统的功能外，还具有任务管理、多种实时任务调度机制（如优先级抢占调度、时间片轮转调度等）、任务间的通信机制（如邮箱、消息队列、信号灯等）等功能。由此可知，CNC系统软件完全可以在实时操作系统的基础上进行开发。,3.5 CNC系统软件结构模式,下午7时11分,110,
47、基于实时操作系统软件结构图,3.5 CNC系统软件结构模式,下午7时11分,111,基于实时操作系统的结构模式的优点,弱化功能模块间的耦合关系 CNC各功能模块之间在逻辑上存在着耦合关系，在时间上存在着时序配合关系。为了协调和组织它们，前述结构模式中，需用许多全局变量标志和判断、分支结构，致使各模块间的关系复杂。在本模式中，设计者只须考虑模块自身功能的实现，然后按规则挂到实时操作系统上，而模块间的调用关系、信息交换方式等功能都由实时操作系统来实现。从而弱化了模块间的耦合关系。,3.5 CNC系统软件结构模式,下午7时11分,112,系统的开放性和可维护性好,从本质上讲，前述结构模式采用的是单一
48、流程加中断控制的机制，一旦开发完毕，系统将是的完全封闭（对系统的开发者也是如此），若想对系统进行功能扩充和修改将是困难的。在本模式中，系统功能的扩充或修改，只须将编写好的任务模块（模块程序加上任务控制块（TCB），挂到实时操作系统上（按要求进行编译）即可。因而，采用该模式开发的CNC系统具有良好的开放性和可维护性。,3.5 CNC系统软件结构模式,下午7时11分,113,减少系统开发的工作量,在CNC系统软件开发中，系统内核（任务管理、调度、通信机制）的设计开发的往往是很复杂的，而且工作量也相当大。当以现有的实时操作系统为内核时，即可大大减少系统的开发工作量和开发周期。,3.5 CNC系统软件
49、结构模式,下午7时11分,114,基于实时操作系统开发CNC系统的方法,在商品化的实时操作系统下开发CNC系统，国外有些著名CNC系统厂家采用了这种方式。将通用PC机操作系统（DOS、WINDOWS）扩充扩展成实时操作系统，然后在此基础上开发CNC系统软件。目前国内有些CNC系统的生产厂家就是采用的这种方法。该法的优点在于DOS WINDOWS是得到普遍应用的操作系统，扩充扩展相对较容易，有利于形成具有我国自主版权的数控软件，这是一种适合我国国情的好方法。,3.5 CNC系统软件结构模式,下午7时11分,115,3.6 华中I型数控系统软件结构介绍,华中I型数控系统软件的实时操作环境是在DOS
50、操作系统上扩充扩展而成的。以该环境为内核，实现了一个开放式的数控系统软件平台，它能提供方便的二次开发环境，使之能灵活地组配不同类型的数控系统和扩充系统的功能。因而，这种结构具有良好的开放性和可维护性。,下午7时11分,116,华中 I 型数控系统软件结构,3.6 华中I型数控系统软件结构介绍,下午7时11分,117,软件结构概述,华中型数控系统的系统软件由两部分组成：底层软件（软件平台）上层软件(过程层软件),3.6 华中I型数控系统软件结构介绍,下午7时11分,118,底层软件（软件平台）,图中虚线以下的部分：DOS、RTM和NCBIOS RTM模块：为自主开发的 实时多任务管理模块，负 责
