1、第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) CNC系統(tǒng)軟件是一個(gè)典型而又復(fù)雜的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。本節(jié)將從系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)流的角度來(lái)分析CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程，介紹系統(tǒng)軟硬件界面的關(guān)系，并從多任務(wù)性和實(shí)時(shí)性的角度來(lái)分析CNC系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。主要內(nèi)容 CNC系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)之一就是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(dòng)作指令，控制加工設(shè)備的軌跡運(yùn)動(dòng)和邏輯動(dòng)作，加工出符合要求的零件。一、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程數(shù)控加工及信息處理過(guò)程零件程序控制面板零件緩沖器(BS)譯碼(DS)數(shù)據(jù)處理(CS)傳送AS工作寄存器(AR)插補(bǔ)伺服控制機(jī)床坐標(biāo)軸命令信號(hào)反饋信號(hào)調(diào)度機(jī)床邏輯控制顯示

2、控制信號(hào)回答信號(hào)機(jī)床強(qiáng)電部分執(zhí)行電器限位開(kāi)關(guān)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(dòng)位控處理位置反饋PLC控制 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程圖在系統(tǒng)軟件中各程序間的數(shù)據(jù)交換方式一般都是通過(guò)緩沖區(qū)進(jìn)行的。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(gè)。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。 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)換成后續(xù)程序（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）。譯碼Struct PROG_BUFFER char buf_state； /緩沖區(qū)狀態(tài)

3、，0 空；1 準(zhǔn)備好。int block_num； /以BCD碼的形式存放本程序段號(hào)。double COOR20；/存放尺寸指令的數(shù)值（m）。int F,S； /F（mm/min）S（r/min）。char G0； /以標(biāo)志形式存放G指令。char G1； char M0； /以標(biāo)志形式存放M指令。char M1；char T； /存放本段換刀的刀具號(hào)。char D； /存放刀具補(bǔ)償?shù)牡毒甙霃街?。；?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示例：以標(biāo)志形式存放G指令示例 D7D6D5D4D3D2D1D0G000:無(wú)該指令; 1:有該指令G011G02G03G90/G910:G90; 1:G91G0600：G40；11：G400

4、1：G41；10；G420:無(wú)該指令; 1:有該指令0:無(wú)該指令; 1:有該指令0:無(wú)該指令; 1:有該指令0:無(wú)該指令; 1:有該指令N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200 ； Struct PROG_BUFFER char buf_state； 0：(開(kāi)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） ch

5、ar D； D=11（D11） ；刀補(bǔ)處理(計(jì)算刀具中心軌跡)Pe(200,300)P0(72,148)XYG41G42PeP”eR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。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(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的合成移動(dòng)量，供插補(bǔ)程序使用。3. 速度預(yù)處理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；圓?。嚎偨俏灰屏?。該數(shù)供插補(bǔ)程序判斷減速起點(diǎn)和終點(diǎn)之用。計(jì)算每個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的合成進(jìn)給量： L= Ft/60 （m）

6、 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）L3. 速度預(yù)處理主要功能：計(jì)算插補(bǔ)周期的實(shí)際合成位移量： L1=L*修調(diào)值分解L1 （X1、Y1） 將L1按插補(bǔ)的線形（直線，圓弧等）和本插補(bǔ)點(diǎn)所在的位置分解到各個(gè)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。插補(bǔ)模塊以系統(tǒng)規(guī)定的插補(bǔ)周期t定時(shí)運(yùn)行。4. 插補(bǔ)計(jì)算5.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X3Y3X2新Y2新實(shí)際位置反饋位置增量X2、Y2X1舊Y1舊X2舊Y2舊速度指令VX、VY位置控制轉(zhuǎn)換流程+-+位置控制完成以下幾步計(jì)

7、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）5.位置控制處理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。這一步在有些系統(tǒng)中是采用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。VX、VY送給伺服驅(qū)動(dòng)單元，控制電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)CNC裝置的軌跡控制。二、 CNC裝置軟件和硬件的功能界面合理確定CNC裝置軟件硬件的功能分擔(dān)就是所謂的軟件和硬件的功能界面劃分的概念。在信息

8、處理方面，軟件與硬件在邏輯上是等價(jià)的，即硬件能完成的功能從理論上講也可以用軟件來(lái)完成。硬件和軟件在實(shí)現(xiàn)各種功能時(shí)的特點(diǎn)：硬件處理速度快，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(duì)較慢。功能界面劃分的準(zhǔn)則：系統(tǒng)的性能價(jià)格比數(shù)控系統(tǒng)功能界面的幾種劃分：輸 入預(yù)處理位置檢測(cè)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硬件軟件軟件軟件軟件 軟件和硬件的功能界面 CNC系統(tǒng)是典型的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。CNC裝置的系統(tǒng)軟件則可看成是一個(gè)專(zhuān)用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。由于其應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)控制領(lǐng)域（多任務(wù)性、實(shí)時(shí)性），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(lái)軟件測(cè)試

9、的重要依據(jù)，也是確定系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)的過(guò)程。同時(shí)，這些要求也應(yīng)是CNC系統(tǒng)軟件的特點(diǎn)。三、 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn). 多任務(wù)性與并行處理技術(shù) （1）CNC控制要求的多任務(wù)性任務(wù)定義：可并發(fā)執(zhí)行的程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上的運(yùn)行過(guò)程。CNC的功能則可定義為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、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(shí)序配合要求，CNC系統(tǒng)的任務(wù)必須采用并行處理，而不能逐一處理。（2）基于并行處理的多任務(wù)調(diào)度技術(shù)并行處理定義：系統(tǒng)在同一時(shí)間間隔或同一時(shí)刻內(nèi)完成兩個(gè)或兩個(gè)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

10、統(tǒng)的資源提高CNC系統(tǒng)的處理速度。（3）并行處理的實(shí)現(xiàn)方式：資源分時(shí)共享并發(fā)處理（例如：流水處理）這些實(shí)現(xiàn)方式與CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。 （4）資源分時(shí)共享（對(duì)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(shí)共享”并行處理技術(shù)。資源分時(shí)共享在規(guī)定的時(shí)間長(zhǎng)度（時(shí)間片）內(nèi)，根據(jù)各任務(wù)實(shí)時(shí)性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時(shí)間，使它們分時(shí)共享系統(tǒng)的資源?！百Y源分時(shí)共享”的技術(shù)關(guān)鍵：其一：各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分配問(wèn)題。其二：各任務(wù)占用CPU的時(shí)間長(zhǎng)度，即時(shí)間片的分配問(wèn)題。資源（CPU）分時(shí)共享圖 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(jí)別高中斷級(jí)別低各任務(wù)占

11、用CPU 時(shí)間示意圖0ms 4ms 8ms 12ms 16ms位置控制插補(bǔ)運(yùn)算背景程序資源分時(shí)共享技術(shù)的特征:在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)占用CPU；在一個(gè)時(shí)間片（如8ms或16ms）內(nèi)，CPU并行地執(zhí)行了兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)。 因此，資源分時(shí)共享的并行處理只具有宏觀上的意義，即從微觀上來(lái)看，各個(gè)任務(wù)還是逐一執(zhí)行的。（5）并發(fā)處理和流水處理（對(duì)多資源的系統(tǒng)） 在多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，根據(jù)各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)程度，可采用以下兩種并行處理技術(shù)：若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度不高，則可讓其分別在不同的CPU上同時(shí)執(zhí)行 并發(fā)處理；若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度較高，即一個(gè)任務(wù)的輸出是另一個(gè)任務(wù)的輸入，則可采取流水處理的方法來(lái)

12、實(shí)現(xiàn)并行處理。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(gè)大的任務(wù)分成若干個(gè)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(gè)資源執(zhí)行一個(gè)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。流水處理技術(shù)示意圖 1231232tt空間時(shí)間順序處理輸出輸出CPU1時(shí)間t+tt空間111333222輸出輸出輸出CPU1CPU2CPU3并行處理并發(fā)處理和流水處理的特征在任何時(shí)刻（流水處理除開(kāi)始和結(jié)束外）均有兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)在并發(fā)執(zhí)行。并發(fā)處理和流水處理的關(guān)鍵是時(shí)間重疊，是以資源重復(fù)的代價(jià)換得時(shí)間上的重疊，或者說(shuō)以空間復(fù)雜性的代價(jià)

13、換得時(shí)間上的快速性。. 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(gè)任務(wù)的執(zhí)行，使之滿足一定的時(shí)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。. 前后臺(tái)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(tái)程序:主要完成插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、故障診斷等實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的任務(wù)，它是一個(gè)實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序。后臺(tái)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/出、插補(bǔ)預(yù)處理等弱實(shí)時(shí)性的任務(wù)，它是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行的程序，在運(yùn)行過(guò)程中，不斷地被前臺(tái)程序定時(shí)打斷，前后臺(tái)相互配合來(lái)

14、完成零件的加工任務(wù)。前后臺(tái)程序運(yùn)行關(guān)系圖前臺(tái)程序故障處理位置控制插補(bǔ)運(yùn)算后臺(tái)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)行前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式的特點(diǎn)任務(wù)調(diào)度機(jī)制: 優(yōu)先搶占調(diào)度和循環(huán)調(diào)度。前臺(tái)程序的調(diào)度是優(yōu)先搶占式的；前臺(tái)和后臺(tái)程序內(nèi)部各子任務(wù)采用的是順序調(diào)度。信息交換:緩沖區(qū)。前臺(tái)和后臺(tái)程序之間以及內(nèi)部各子任務(wù)之間的。實(shí)時(shí)性差。在前臺(tái)和后臺(tái)程序內(nèi)無(wú)優(yōu)先級(jí)等級(jí)、 也無(wú)搶占機(jī)制。 該結(jié)構(gòu)僅適用于控制功能較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。早期的CNC系統(tǒng)大都采用這種結(jié)構(gòu)。.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(gè)系統(tǒng)軟件的各個(gè)任務(wù)模塊分別安排在不同級(jí)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

15、件組成）對(duì)各級(jí)中斷服務(wù)程序?qū)嵤┱{(diào)度管理。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(jí)中斷服務(wù)程序 級(jí)中斷服務(wù)程序 級(jí)中斷服務(wù)程序級(jí)中斷服務(wù)程序1n2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(shí)性好。由于中斷級(jí)別較多（最多可達(dá)8級(jí)），強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)可安排在優(yōu)先級(jí)較高的中斷服務(wù)程序中。模塊間的關(guān)系復(fù)雜，耦合度大，不利于對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充。 二十世紀(jì)8090年代初的CNC系統(tǒng)大多采用這種結(jié)構(gòu)。五、PLC(Programmable Logic Controller)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(lái)自操作面板、機(jī)床上的各行程開(kāi)關(guān)、傳感器、按鈕、強(qiáng)電柜里的繼電器以及主軸控制、刀庫(kù)控制的有關(guān)信號(hào)，經(jīng)處理后輸出去控制相應(yīng)器件的運(yùn)行。PLC實(shí)現(xiàn)的功能M、S、T功能機(jī)床外部開(kāi)關(guān)量信號(hào)控制功能輸出信號(hào)控制功能伺服控制功能報(bào)警處理功能其他介質(zhì)輸入