第四章計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置第一節(jié)概述第二節(jié)ＣＮＣ裝置硬件結(jié)構(gòu)第三節(jié)ＣＮＣ裝置軟件結(jié)構(gòu)第四節(jié)ＣＮＣ裝置的數(shù)據(jù)預(yù)處理CNC系統(tǒng)從自動(dòng)控制角度來(lái)講，CNC系統(tǒng)是一種位置(軌跡)控制系統(tǒng)，其本質(zhì)是以多執(zhí)行部件(各運(yùn)動(dòng)軸)的位移量為控制對(duì)象并使其協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，是一種配有專(zhuān)用操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。從外部特征來(lái)看，CNC系統(tǒng)由硬件(通用硬件和專(zhuān)用硬件)和軟件(專(zhuān)用)兩大部分組成。第一節(jié)概述一、CNC系統(tǒng)組成程序輸入設(shè)備數(shù)控裝置CNC輸出設(shè)備可編程控制器PLC主軸控制單元速度控制單元主軸電機(jī)機(jī)床進(jìn)給電機(jī)位置檢測(cè)CNC系統(tǒng)

CNC系統(tǒng)由數(shù)控程序、輸入輸出設(shè)備、CNC裝置、可編程控制器(PLC)、主軸驅(qū)動(dòng)裝置、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置等組成。二、CNC裝置組成CNC裝置是CNC系統(tǒng)核心。CNC裝置實(shí)質(zhì)上是一種專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，除了具有一般計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)外，還具有與數(shù)控機(jī)床功能有關(guān)的功能模塊和接口單元。CNC裝置由硬件和軟件兩大部分組成。第一節(jié)概述硬件是基礎(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(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)工作。CNC系統(tǒng)的硬件和軟件構(gòu)成了CNC系統(tǒng)的系統(tǒng)平臺(tái)。

CNC系統(tǒng)平臺(tái)硬件操作系統(tǒng)管理軟件應(yīng)用軟件控制軟件數(shù)控加工程序

接口被控設(shè)備機(jī)床機(jī)器人測(cè)量機(jī)

......第一節(jié)概述三、CNC裝置功能控制功能

準(zhǔn)備功能

插補(bǔ)功能固定循環(huán)功能

進(jìn)給功能主軸功能輔助功能刀具功能補(bǔ)償功能

顯示功能通訊功能

自診斷功能第一節(jié)概述第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)CNC裝置體系結(jié)構(gòu)CNC裝置的工作是在硬件的支持下，執(zhí)行系統(tǒng)軟件的過(guò)程，數(shù)控裝置的控制功能在很大程度上取決于硬件結(jié)構(gòu)。CNC裝置按體系結(jié)構(gòu)可以分為專(zhuān)用體系結(jié)構(gòu)和開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)兩大類(lèi)。

CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)按照控制功能的復(fù)雜程度可分為單微處理機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和多微處理機(jī)硬件結(jié)構(gòu)。初期CNC機(jī)床和現(xiàn)有一些經(jīng)濟(jì)型CNC機(jī)床采用單微處理機(jī)硬件結(jié)構(gòu)。多微處理機(jī)硬件結(jié)構(gòu)多用于高檔、全功能型CNC機(jī)床，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的復(fù)雜功能，滿足高進(jìn)給速度和高加工精度要求。第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)一、單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)CNC裝置特點(diǎn)：⑴CNC裝置內(nèi)有一個(gè)微處理器，對(duì)存儲(chǔ)、插補(bǔ)計(jì)算、輸入輸出控制、CRT顯示等功能實(shí)現(xiàn)集中控制分時(shí)處理；⑵微處理器通過(guò)總線與存儲(chǔ)器、輸入輸出控制等接口電路相連，構(gòu)成CNC裝置；⑶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)。由于只有一個(gè)微處理器集中控制，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的插補(bǔ)計(jì)算受到微處理器字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度等因素影響和限制。為了提高處理速度，增強(qiáng)數(shù)控功能，可以采用帶微處理器的PLC等智能部件，甚至采用多微處理機(jī)硬件結(jié)構(gòu)。第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的CNC裝置框圖D/ACPU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/A速度單元速度單元速度單元速度單元MMMMMST功能總線進(jìn)給電機(jī)主軸電機(jī)第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)(1)微處理器和總線

微處理器是CNC裝置核心，主要由運(yùn)算器和控制器組成。運(yùn)算器完成刀補(bǔ)計(jì)算、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制計(jì)算及其它數(shù)據(jù)計(jì)算和邏輯運(yùn)算?？刂破鲝拇鎯?chǔ)器中依次取出程序指令，經(jīng)過(guò)譯碼，向CNC裝置各部分按順序發(fā)出執(zhí)行操作的控制信號(hào)，使指令得以執(zhí)行。同時(shí)接受執(zhí)行部件的反饋信息，決定下一步命令操作。

總線是將微處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口等相對(duì)獨(dú)立的裝置或部件聯(lián)系起來(lái)，并傳送信息的公共通道。數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)(2)存儲(chǔ)器

用于存放數(shù)據(jù)、參數(shù)和程序等，包括只讀存儲(chǔ)器（ROM）和隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）兩類(lèi)。

只讀存儲(chǔ)器(ROM)專(zhuān)門(mén)存放系統(tǒng)軟件（控制程序、管理程序、表格和常數(shù)），使用時(shí)其存儲(chǔ)單元內(nèi)容不可改變，即不可寫(xiě)入而只能讀出，也不會(huì)因斷電而丟失內(nèi)容。隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）用來(lái)存儲(chǔ)零件加工程序，或作為工作單元存放各種輸出數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)、中間計(jì)算結(jié)果等，其存儲(chǔ)單元的內(nèi)容既可以讀出又可寫(xiě)入或改寫(xiě)。第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)(3)I/O接口

CNC裝置和機(jī)床之間的信號(hào)一般不直接連接，需要通過(guò)輸入和輸出I/O接口電路連接。第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)接口電路主要作用：一、進(jìn)行必要電氣隔離，防止干擾信號(hào)引起誤動(dòng)作。主要用光電耦合器或繼電器將CNC裝置和機(jī)床之間信號(hào)在電氣上加以隔離。二、進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和功率放大。一般CNC裝置的信號(hào)是TTL電平，而機(jī)床控制信號(hào)通常不是TTL電平，且負(fù)載較大，需要進(jìn)行必要的信號(hào)電平轉(zhuǎn)換和功率放大。三、進(jìn)行模擬量與數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換。第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)(4)MDI/CRT接口

MDI手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入通過(guò)數(shù)據(jù)面板上鍵盤(pán)進(jìn)行操作。當(dāng)掃描到有鍵按下時(shí)，將數(shù)據(jù)送入移位寄存器，經(jīng)數(shù)據(jù)處理判別該鍵的屬性及其有效性，并進(jìn)行相關(guān)的監(jiān)控處理。CRT接口在CNC裝置軟件的控制下，在單色或彩色CRT上實(shí)現(xiàn)字符和圖形顯示，對(duì)數(shù)控代碼程序、參數(shù)、各種補(bǔ)償數(shù)據(jù)、零件圖形和動(dòng)態(tài)刀具軌跡等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)(5)位置控制模塊主要是對(duì)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給坐標(biāo)軸的位置進(jìn)行控制，其硬件一般采用大規(guī)模專(zhuān)用集成電路位置控制芯片和位置控制模板。

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(shí)，CNC裝置與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接的接口模塊。

常用的位置控制模塊：開(kāi)環(huán)位置控制模塊：CNC裝置與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口；閉環(huán)(半閉環(huán))位置控制模塊：CNC裝置與直流、交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置接口。第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)(6)可編程控制器（PLC）

可編程控制器的功能是代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)床的繼電器邏輯控制來(lái)實(shí)現(xiàn)各種開(kāi)關(guān)量的控制。數(shù)控機(jī)床中使用PLC可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是“內(nèi)裝型”P(pán)LC，它是為實(shí)現(xiàn)機(jī)床的順序控制而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制造。另一類(lèi)是“獨(dú)立型”P(pán)LC，它是在技術(shù)規(guī)范、功能和參數(shù)上均可滿足數(shù)控機(jī)床要求的獨(dú)立部件。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。第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)二、多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的CNC裝置在單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)CNC裝置中，只有一個(gè)CPU，只能采用集中控制，該CPU既要對(duì)鍵盤(pán)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(shí)控制處理，這顯然影響進(jìn)給速度。

在多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)CNC裝置中，有兩個(gè)或兩個(gè)以上微處理機(jī)構(gòu)成處理部件，處理部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，資源共享；或者有兩個(gè)或者兩個(gè)以上微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的功能模塊，功能模塊之間采用松耦合，有多重操作系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)并行處理。多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)CNC能克服單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)不足，使CNC裝置性能有較大提高。第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)多微處理機(jī)共享總線結(jié)構(gòu)框圖

第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)1.CNC管理模塊管理和組織整個(gè)CNC裝置各功能協(xié)調(diào)工作，如系統(tǒng)初始化、中斷管理、總線裁決、系統(tǒng)錯(cuò)誤識(shí)別和處理、系統(tǒng)軟硬件診斷等，還完成數(shù)控代碼編譯、坐標(biāo)計(jì)算和轉(zhuǎn)換、刀具補(bǔ)償和進(jìn)給速度處理等插補(bǔ)前的預(yù)處理。2.存儲(chǔ)器模塊存放程序和數(shù)據(jù)，為主存儲(chǔ)器。各CPU控制模塊中還有局部存儲(chǔ)器。主存儲(chǔ)器模塊是各功能模塊間數(shù)據(jù)傳送的共享存儲(chǔ)器。3.CNC插補(bǔ)模塊根據(jù)前面的編譯指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，按規(guī)定的插補(bǔ)類(lèi)型通過(guò)插補(bǔ)計(jì)算為各坐標(biāo)軸提供位置給定值。第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)4.位置控制模塊根據(jù)插補(bǔ)后坐標(biāo)給定值與位置檢測(cè)器測(cè)得位置實(shí)際值進(jìn)行比較，通過(guò)控制算法，得到速度控制的模擬電壓，驅(qū)動(dòng)進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)超調(diào)、無(wú)滯后、高性能的閉環(huán)位置控制。5.指令、數(shù)據(jù)的輸入輸出及顯示模塊包括零件加工程序、參數(shù)和數(shù)據(jù)、各種操作命令的輸入/輸出及顯示等所需要的各種接口電路，如紙帶閱讀機(jī)接口、穿孔機(jī)、鍵盤(pán)、CRT接口、通信接口等。6.PLC功能模塊將零件程序中的開(kāi)關(guān)功能和由機(jī)床傳遞來(lái)的信號(hào)等進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現(xiàn)各功能和操作方式之間的連鎖，機(jī)床電器設(shè)備的啟停，刀具交換，轉(zhuǎn)臺(tái)分度，工件數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的計(jì)數(shù)等。第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)2.多微處理機(jī)CNC裝置的典型結(jié)構(gòu)（１）共享總線型結(jié)構(gòu)所有部件共享總線，只有主模塊能控制系統(tǒng)總線;同一時(shí)刻只能有一個(gè)主模塊占用總線;有總線仲裁機(jī)構(gòu)?？偩€CNC管理模塊（CPU）主存儲(chǔ)器模塊自動(dòng)編程模塊（CPU）操作面板顯示模塊CNC插補(bǔ)模塊（CPU）PLC功能模塊(CPU)位置控制模塊(CPU)主軸控制模塊

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、配置靈活

缺點(diǎn)：總線是系統(tǒng)的“瓶頸”，一旦系統(tǒng)總線出現(xiàn)故障，將使整個(gè)系統(tǒng)受到影響；共享總線時(shí)會(huì)引起“競(jìng)爭(zhēng)”，降低傳輸效率。第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)（２）共享存儲(chǔ)器型結(jié)構(gòu)采用多端口存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)各CPU之間通信,每個(gè)端口都配有一套數(shù)據(jù)、地址、控制線，以供端口訪問(wèn)。由多端口邏輯電路解決訪問(wèn)沖突問(wèn)題。缺點(diǎn)功能擴(kuò)展困難第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)3.多微處理機(jī)CNC裝置優(yōu)點(diǎn)運(yùn)算速度快、性能價(jià)格比高適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)展容易可靠性高硬件易于組織規(guī)?；a(chǎn)第二節(jié)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)三、開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)開(kāi)放式CNC系統(tǒng)必須具備不同應(yīng)用程序能協(xié)調(diào)地運(yùn)行于系統(tǒng)平臺(tái)上的能力，提供面向功能地動(dòng)態(tài)重構(gòu)工具，同時(shí)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化地應(yīng)用程序用戶界面。具有以下特征:可互操作性：不同應(yīng)用程序模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化地應(yīng)用程序接口運(yùn)行于系統(tǒng)平臺(tái)，不同模塊之間保持平等地相互操作能力?？梢浦残裕翰煌瑧?yīng)用程序模塊可運(yùn)行于不同供應(yīng)商提供的不同系統(tǒng)平臺(tái)上?？煽s放性：增加和減少系統(tǒng)功能僅僅表現(xiàn)為特定模塊單元的裝載與卸載。可相互替代性：不同性能與可靠性和不同功能能力的功能模塊可以相互替代。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的模式1、PC嵌入NC中（專(zhuān)用CNC+PC主板）一些傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)制造商，把專(zhuān)用結(jié)構(gòu)CNC部分和PC機(jī)結(jié)合在一起，將非實(shí)時(shí)控制部分由PC機(jī)來(lái)承擔(dān)，實(shí)時(shí)控制部分仍使用多年積累的專(zhuān)用技術(shù)。從而改善了數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面、圖形顯示、切削仿真、網(wǎng)絡(luò)通信、生產(chǎn)管理、編程和診斷等功能，并使系統(tǒng)具有較好開(kāi)放性。如FANUC150/160/180/210系列是一種典型的PC嵌入NC模式CNC系統(tǒng)。SIEMENS840D數(shù)控系統(tǒng)具有模塊化結(jié)構(gòu)和較好開(kāi)放性。

2、NC嵌入PC中（通用PC+運(yùn)動(dòng)控制卡）一些以PC機(jī)為基礎(chǔ)的CNC制造商，主要生產(chǎn)、銷(xiāo)售各種高性能運(yùn)動(dòng)控制卡和運(yùn)動(dòng)控制軟件。這些產(chǎn)品開(kāi)放性好，用戶可以自行開(kāi)發(fā)。其中有的制造商把運(yùn)動(dòng)控制卡和PC機(jī)加上機(jī)床數(shù)控軟件，構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，如美國(guó)DELTATAU公司的PMAC是一種高性能運(yùn)動(dòng)控制卡，它以Motorola56000系列DSP為CPU，板上有存儲(chǔ)器、I/O接口和伺服接口。此卡本身就是一個(gè)NC系統(tǒng)，具有優(yōu)秀的伺服控制、插補(bǔ)計(jì)算和實(shí)時(shí)控制能力，可單獨(dú)使用，也可以插入PC機(jī)中，構(gòu)成開(kāi)放式控制系統(tǒng)。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的模式

3、完全PC型的全軟件化NC

計(jì)算機(jī)CPU速度的提高和基于WindowsNT/Linux等的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，為高性能開(kāi)放式全軟件化數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展創(chuàng)造了條件。這種形式的數(shù)控系統(tǒng)以PC機(jī)為基礎(chǔ)，以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)的控制軟件。軟件化NC所用的I/O接口和伺服接口通常不帶CPU，它可以是數(shù)字、模擬或現(xiàn)場(chǎng)總線接口。由于它實(shí)現(xiàn)了控制器的PC化和控制方案的軟件化，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、開(kāi)放性好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因而是當(dāng)今開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的模式第三節(jié)CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)一、CNC裝置軟件硬件分工

二、CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三、CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)模式SoftwareStructureofCNCDevice

軟件和硬件在邏輯上等價(jià)，由硬件完成的工作同樣可以由軟件完成。CNC系統(tǒng)中，軟硬件的分工，隨微電子、計(jì)算機(jī)、控制技術(shù)的發(fā)展而不斷變化。1952年到1970年，“硬聯(lián)接”數(shù)控時(shí)代；70年代后，進(jìn)入“軟聯(lián)接”的數(shù)控時(shí)代；80年代后期，計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)。CNC裝置軟件：設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但 處理速度較慢。硬件：處理速度快，但價(jià)格較貴。支持第三節(jié)CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)第三節(jié)CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)一、CNC裝置軟件硬件分工

幾種典型軟硬件分工程序輸入數(shù)據(jù)處理插補(bǔ)位置控制速度控制伺服電機(jī)測(cè)量反饋ⅠⅡⅢⅣ軟件硬件第三節(jié)CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)二、CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

CNC系統(tǒng)是一個(gè)專(zhuān)用的實(shí)時(shí)多任務(wù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，軟件設(shè)計(jì)采用了計(jì)算機(jī)軟件中的多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，無(wú)論硬件采用單微處理器結(jié)構(gòu)還是多微處理器結(jié)構(gòu)，都具有兩個(gè)典型特點(diǎn)：多任務(wù)并行處理、多重實(shí)時(shí)中斷兩項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用。多任務(wù)性表現(xiàn)在軟件必須完成管理和控制兩大任務(wù)。加工過(guò)程中，多數(shù)情況下以上兩項(xiàng)工作須同時(shí)進(jìn)行。1.多任務(wù)并行處理(1)CNC裝置的多任務(wù)性☆顯示、I/O處理、坐標(biāo)計(jì)算等必須與故障診斷同時(shí)進(jìn)行?！铒@示與控制加工同時(shí)進(jìn)行?！畋径芜\(yùn)算和控制執(zhí)行與下段預(yù)處理同時(shí)進(jìn)行保證加工連續(xù)。(2)并行處理為了保證加工過(guò)程連續(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(shí)進(jìn)行，而插補(bǔ)又必須與位置控制同時(shí)進(jìn)行。

并行處理指計(jì)算機(jī)在同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不同工作。1)并行處理概念(2)并行處理2)并行處理的方法☆資源共享：分時(shí)共享，多個(gè)用戶按時(shí)間順序使用同一套設(shè)備?！钯Y源重復(fù)：通過(guò)增加資源提高運(yùn)算速度?！顣r(shí)間重疊：根據(jù)流水線處理技術(shù)，使多個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)，輪流使用設(shè)備。

CNC硬件通常采用資源重復(fù)并行處理方法；CNC軟件設(shè)計(jì)主要采用資源分時(shí)共享和資源重疊的流水處理技術(shù)?！镔Y源分時(shí)共享

在單CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)中，可采用資源分時(shí)共享并行處理技術(shù)，即在規(guī)定時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，根據(jù)各任務(wù)實(shí)時(shí)性要求，規(guī)定它們占用CPU時(shí)間，使它們分時(shí)共享系統(tǒng)資源。技術(shù)關(guān)鍵：一：各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分配問(wèn)題。二：各任務(wù)占用CPU時(shí)間長(zhǎng)度，即時(shí)間片分配問(wèn)題。

CNC裝置中，各任務(wù)占用CPU采用循環(huán)輪流和中斷優(yōu)先相結(jié)合方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。(2)并行處理初始化…譯碼刀補(bǔ)I/O顯示位置控制插補(bǔ)運(yùn)算背景程序4ms8ms16ms中斷級(jí)別高中斷級(jí)別低循環(huán)輪流：若干個(gè)任務(wù)(顯示、譯碼、刀補(bǔ)、I/O…)在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)順序輪流執(zhí)行。中斷優(yōu)先：將任務(wù)按實(shí)時(shí)性要求程度分為不同的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行(優(yōu)先)，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)可隨時(shí)中斷優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)的運(yùn)行(搶占)。各任務(wù)占用CPU時(shí)間在任何時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)占用CPU；從一個(gè)時(shí)間片(8或16ms)來(lái)看，CPU并行執(zhí)行了三個(gè)任務(wù)。資源分時(shí)共享并行處理是宏觀意義上的，微觀上還是各個(gè)任務(wù)順序執(zhí)行。資源重疊流水處理

在多CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)中，根據(jù)各任務(wù)之間關(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)輸入，則可采取流水處理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)并行處理。(2)并行處理t+△tt流水處理順序處理時(shí)間空間111333222輸出輸出輸出CPU1CPU2CPU31231232tt空間時(shí)間輸出輸出CPU1流水處理技術(shù)：利用重復(fù)資源(CPU)，將一個(gè)大任務(wù)分成若干子任務(wù)，子任務(wù)彼此關(guān)聯(lián)，然后按一定的順序安排每個(gè)資源執(zhí)行一個(gè)子任務(wù)，如同在一條生產(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)換得時(shí)間上的快速性。3)并行處理中的信息交換和同步

加工程序譯碼刀補(bǔ)預(yù)處理插補(bǔ)處理位置控制伺服驅(qū)動(dòng)PLC控制位置反饋速度預(yù)處理譯碼緩沖區(qū)刀補(bǔ)緩沖區(qū)插補(bǔ)緩沖區(qū)運(yùn)行緩沖區(qū)CNC裝置中信息交換主要通過(guò)各種緩沖存儲(chǔ)區(qū)實(shí)現(xiàn)。(2)并行處理2、實(shí)時(shí)中斷處理第三節(jié)CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)CNC裝置的多任務(wù)性和實(shí)時(shí)性決定了中斷成為整個(gè)裝置必不可少的組成部分。CNC裝置的中斷管理主要靠硬件完成，而中斷結(jié)構(gòu)決定了CNC裝置軟件的結(jié)構(gòu)。

中斷：CPU在正常運(yùn)行程序時(shí)，由于內(nèi)部/外部事件或由程序預(yù)先安排的事件，引起CPU暫停正在運(yùn)行的程序，而轉(zhuǎn)到為內(nèi)部/外部事件或?yàn)轭A(yù)先安排的事件服務(wù)的程序中去，服務(wù)完畢，再返回去執(zhí)行被暫時(shí)中斷的程序。中斷源：引起中斷事件的原因。中斷服務(wù)程序：處理中斷源，完成其所要求功能的程序。第三節(jié)CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的中斷類(lèi)型：外部中斷：主要有光電閱讀機(jī)讀孔中斷，外部監(jiān)控中斷和鍵盤(pán)及操作面板中斷。內(nèi)部定時(shí)中斷：主要有插補(bǔ)周期定時(shí)中斷和位置采樣定時(shí)中斷。硬件故障中斷：各種硬件故障檢測(cè)裝置發(fā)出的中斷。程序性中斷：程序中出現(xiàn)的各種異常情況的報(bào)警中斷。第三節(jié)CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)四、CNC裝置中斷結(jié)構(gòu)模式結(jié)構(gòu)模式：軟件的組織管理方式，即任務(wù)劃分方式、任務(wù)調(diào)度機(jī)制、任務(wù)間信息交換機(jī)制、系統(tǒng)集成方法。解決的問(wèn)題：如何協(xié)調(diào)各任務(wù)的執(zhí)行，使其滿足一定的時(shí)序配合要求和邏輯關(guān)系，以滿足CNC裝置的各種控制要求。前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式中斷型結(jié)構(gòu)模式(一)前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式

前臺(tái)程序(中斷服務(wù)程序)：完成與機(jī)床動(dòng)作直接相關(guān)的實(shí)時(shí)功能，包括位置控制、插補(bǔ)、輔助功能、面板掃描及輸出等。

后臺(tái)程序(背景程序)：循環(huán)程序，完成準(zhǔn)備和管理工作，包括輸入譯碼、插補(bǔ)準(zhǔn)備及管理等。后臺(tái)程序運(yùn)行時(shí)，前臺(tái)實(shí)時(shí)中斷程序不斷插入，與后臺(tái)程序相互配合，共同完成零件加工任務(wù)。四、CNC裝置中斷結(jié)構(gòu)模式（二）中斷型結(jié)構(gòu)模式除初始化程序外，所有任務(wù)按實(shí)時(shí)性強(qiáng)弱，分別劃分到不同優(yōu)先級(jí)別的中斷服務(wù)程序中。采用優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制，在事先編排好的優(yōu)先級(jí)別下，由中斷管理系統(tǒng)對(duì)各級(jí)中斷服務(wù)程序進(jìn)行管理。整個(gè)軟件是一個(gè)大的中斷管理系統(tǒng)。四、CNC裝置中斷結(jié)構(gòu)模式中斷型軟件結(jié)構(gòu)第四節(jié)CNC裝置的數(shù)據(jù)預(yù)處理CNC裝置控制刀具相對(duì)于工件作出符合零件輪廓軌跡的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)插補(bǔ)實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)，而插補(bǔ)所需信息（如曲線種類(lèi)、起點(diǎn)終點(diǎn)坐標(biāo)、進(jìn)給速度等），需要通過(guò)預(yù)處理得到。

預(yù)處理包括零件程序輸入、譯碼、刀具補(bǔ)償計(jì)算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及速度預(yù)處理等。零件程序的輸入包括兩方面內(nèi)容:1）從閱讀機(jī)、鍵盤(pán)輸入到零件程序存儲(chǔ)器。

2）從零件程序存儲(chǔ)器將零件程序的程序段送入緩沖器（緩沖存儲(chǔ)區(qū)）。

一、零件程序輸入第四節(jié)CNC裝置的數(shù)據(jù)預(yù)處理零件程序的輸入紙帶閱讀機(jī)鍵盤(pán)通訊外碼，外界表示零件程序的代碼（ISO或EIA碼）換碼數(shù)控裝置的內(nèi)部代碼二、譯碼譯碼程序又稱(chēng)翻譯程序，把零件程序段的各種工件輪廓信息(如起點(diǎn)、終點(diǎn)、直線或圓弧等)、加工速度F和其它輔助信息(M、S、T)按一定規(guī)律翻譯成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，并按系統(tǒng)規(guī)定格式存放在譯碼結(jié)果緩沖器中。方法：解釋和編譯。解釋方法是將輸入程序整理成某種形式，在執(zhí)行時(shí)由計(jì)算機(jī)順序取出進(jìn)行分析、判斷和處理，邊解釋邊執(zhí)行；編譯方法是將輸入程序作為源程序進(jìn)行編譯，形成由機(jī)器指令組成的目標(biāo)程序，然后計(jì)算機(jī)執(zhí)行該目標(biāo)程序。數(shù)控代碼比較簡(jiǎn)單，程序不復(fù)雜，解釋執(zhí)行并不慢，且解釋程序占內(nèi)存少，操作簡(jiǎn)單，CNC控制軟件中多采用解釋方法。

第四節(jié)CNC裝置的數(shù)據(jù)預(yù)處理第四節(jié)CNC裝置的數(shù)據(jù)預(yù)處理三、刀具補(bǔ)償?shù)堆a(bǔ)處理程序主要進(jìn)行以下工作：

1.計(jì)算本段零件輪廓的終點(diǎn)坐標(biāo)值；

2.根據(jù)刀具的半徑值和刀具補(bǔ)償方向，計(jì)算出本段刀具中心軌跡的終點(diǎn)位置；

3.根據(jù)本段和下一段轉(zhuǎn)接關(guān)系進(jìn)行段間處理。建立刀補(bǔ)Ｇ４１撤消刀補(bǔ)Ｄ４０工件輪廓起刀點(diǎn)起刀點(diǎn)建立刀補(bǔ)Ｇ４２撤消刀補(bǔ)Ｄ４０工件輪廓a）左刀補(bǔ)G41b）右刀補(bǔ)G42第四節(jié)CNC裝置的數(shù)據(jù)預(yù)處理1.B功能刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算

根據(jù)零件尺寸和刀具半徑值計(jì)算直線或圓弧的起點(diǎn)和終點(diǎn)的刀具中心值，以及圓弧刀補(bǔ)后刀具中心軌跡的圓弧半徑值。

刀具半徑矢量：在加工過(guò)程中始終垂直于編程軌跡，大小等于刀具半徑，方向指向刀具中心的矢量。第四節(jié)CNC裝置的數(shù)據(jù)預(yù)處理(１)直線刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算

被加工直線段OE起點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)，終點(diǎn)E的坐標(biāo)為(x，y)。設(shè)刀具半徑為r，刀具偏移后E點(diǎn)移動(dòng)到了E′點(diǎn)。E點(diǎn)刀具半徑矢量分量、為：E′點(diǎn)的坐標(biāo)(，