數(shù)控技術(shù)遼陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

1二、CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)CNC的軟件功能要有相應(yīng)的硬件水準(zhǔn)來(lái)支持。已有的或常規(guī)的CNC必須趨向開(kāi)放式的CNC。1、常規(guī)CNC的硬件結(jié)構(gòu)（1）常規(guī)CNC發(fā)展的主要形式，大體上有三種：一種是總線式模塊化結(jié)構(gòu)CNC，元器件采用了32位的RISC（精簡(jiǎn)指令集）芯片、數(shù)學(xué)協(xié)處理器及閃爍存儲(chǔ)器等；用于多軸控制高檔數(shù)控機(jī)床。2第二種是以單板或?qū)Ｓ眯酒澳０褰M成結(jié)構(gòu)緊湊的CNC。大量用于中檔和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。第三種是基于通用計(jì)算機(jī)（PC或IPC）基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的CNC。其優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用通用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，而且可以隨著計(jì)算機(jī)硬件的升級(jí)而升級(jí)。前兩種類(lèi)型相對(duì)第三種可稱(chēng)為專(zhuān)用結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，其特點(diǎn)是硬件印制板是制造廠專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制造的，不具有通用性。第三種的硬件通常無(wú)需專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，只要裝入不同的控制軟件，便可構(gòu)成不同類(lèi)型的CNC，通用性大，易于維修。3（2）單微處理器結(jié)構(gòu)：是CNC發(fā)展初期采用的結(jié)構(gòu)，由于只有一個(gè)微處理器能控制系統(tǒng)總線，占有總線資源，CNC的各個(gè)任務(wù)都以集中控制、分時(shí)處理的方式完成。如圖為單微處理器結(jié)構(gòu)CNC框圖，其中微處理器CPU是CNC的核心，主要由運(yùn)算器和控制器組成，完成對(duì)數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算以及系統(tǒng)操作的控制。45（3）多微處理器結(jié)構(gòu)CNC的多微處理器結(jié)構(gòu)是指在系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的微處理器能控制系統(tǒng)總線、或主存儲(chǔ)器進(jìn)行工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。具體有緊耦合和松耦合兩種結(jié)構(gòu)型式。所謂緊耦合，是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的微處理器構(gòu)成的處理部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，共享資源。所謂送耦合，是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的微處理器構(gòu)成的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。62）多微處理器的CNC的基本功能模塊主要有以下六種基本功能模塊：①CNC管理模塊。包括初始化、中斷管理、總線裁決、系統(tǒng)出錯(cuò)識(shí)別和處理、系統(tǒng)硬件與軟件診斷等。②CNC插補(bǔ)模塊。完成插補(bǔ)前的預(yù)處理，然后進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，給定各坐標(biāo)軸的位置值。③位置控制模塊。④PLC(PMC)模塊。零件程序中的開(kāi)關(guān)量（S、M、T）和機(jī)床面板來(lái)的信號(hào)在這個(gè)模塊中進(jìn)行邏輯處理。⑤命令與數(shù)據(jù)輸入輸出和顯示模塊。⑥存儲(chǔ)器模塊。這是程序和數(shù)據(jù)的主存儲(chǔ)器，或是功能模塊間數(shù)據(jù)傳送用的共享存儲(chǔ)器。92、開(kāi)放式CNC的硬件結(jié)構(gòu)目前，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的柔性和通用性的要求主要體現(xiàn)在：根據(jù)不同的加工需求迅速、高效、經(jīng)濟(jì)地構(gòu)筑面向客戶(hù)的控制系統(tǒng)；減少數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠對(duì)控制系統(tǒng)供應(yīng)商的高依賴(lài)性；大幅度降低維護(hù)和培訓(xùn)成本；改變目前數(shù)控系統(tǒng)的封閉型設(shè)計(jì)，以適應(yīng)未來(lái)車(chē)間面向任務(wù)惡化訂單的生產(chǎn)組織模式，使底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集成更為簡(jiǎn)便和有效。為此，必須重新審視原有控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，建立新的開(kāi)放型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，使數(shù)控系統(tǒng)向模塊化、平臺(tái)化、工具化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。10國(guó)外，數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放性在技術(shù)上體現(xiàn)為平臺(tái)技術(shù)和面向應(yīng)用功能單元的系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)。美國(guó)1981年開(kāi)始的NDD(NextGenerationalController)計(jì)劃，最終形成了一份開(kāi)放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)規(guī)范SOSAS。1994年又開(kāi)始了OMAC(OpenModularArchitectureSystems)項(xiàng)目的研究。歐共體于1992年在ESPRIT框架內(nèi)，開(kāi)始了OSACA(OpenSystemArchitectureforControlsWithinAutomationSystems)項(xiàng)目的研究，1994年完成了定義，1996年完成了原型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。1990年日本的IMS中，對(duì)CNC要求標(biāo)準(zhǔn)化和智能化。11（1）開(kāi)放式CNC的定義參照IEEE對(duì)開(kāi)放式系統(tǒng)的規(guī)定：一個(gè)真正意義上的開(kāi)放式數(shù)控系統(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，提供面向功能的動(dòng)態(tài)重構(gòu)工具，同時(shí)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序用戶(hù)界面，具有以下特征：1）可互操作性（Interoperability）：指不同的應(yīng)用程序模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序接口運(yùn)行于系統(tǒng)平臺(tái)之上，不同模塊之間保持平等的相互操作能力，協(xié)調(diào)工作。這一特征要求提供標(biāo)準(zhǔn)化的接口、通訊和交互模型。122）可移植性（Portability）：指不同的應(yīng)用程序模塊可運(yùn)行于不同供應(yīng)商提供的系統(tǒng)平臺(tái)之上。這一特征解決CNC軟件的公用問(wèn)題；要求設(shè)計(jì)的軟件與設(shè)備無(wú)關(guān)性，即通過(guò)統(tǒng)一的應(yīng)用程序接口，完成對(duì)設(shè)備的控制。3）可縮放性（Scalability）：指增加和減少系統(tǒng)功能僅表現(xiàn)為特定模塊單元的裝載和卸載。4）可相互替代性(Interchangeability)：指不同性能與可靠性和不同功能能力的功能模塊可相互替代。13一個(gè)開(kāi)放式CNC的開(kāi)放性體現(xiàn)在：提供標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境的基礎(chǔ)平臺(tái)，允許不同開(kāi)發(fā)商所提供不同功能的軟、硬件模塊介入，以構(gòu)成滿(mǎn)足不同需求的CNC。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)是從全新的角度分析和實(shí)現(xiàn)數(shù)控的功能，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)對(duì)控制需求的可重構(gòu)性和透明性，以及系統(tǒng)功能面向多供應(yīng)商。14（2）基于PC(或IPC)開(kāi)放式CNC的硬件配置形式1）基于PC的有限開(kāi)放CNC大多通過(guò)改造原有CNC系統(tǒng)的接口，使CNC系統(tǒng)能與PC互連，由PC承擔(dān)CNC人機(jī)界面功能。具體有①PC連接型CNC如圖,是將現(xiàn)有CNC與PC用串行線直接相連而構(gòu)成。15②PC內(nèi)藏型CNC，如圖。是指在CNC內(nèi)部加裝PC，PC與CNC之間用專(zhuān)用總線連接。162）基于PC的可開(kāi)放CNC是在通用PC機(jī)的擴(kuò)展槽中加入專(zhuān)用CNC卡而成，也稱(chēng)CNC內(nèi)藏型。專(zhuān)用CNC卡包括加工軌跡生成等幾乎所有的CNC處理功能。17三、CNC的軟件結(jié)構(gòu)1、CNC中軟、硬件界面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在CNC系統(tǒng)中，軟件和硬件在邏輯上是等價(jià)的，即由硬件完成的工作原則上也可由軟件完成。如圖為不同時(shí)期和產(chǎn)品中的典型CNC軟、硬件界面。18在CNC中，直線、圓弧和其他曲線控制功能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程是類(lèi)同的。如圖為直線控制功能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程。192、CNC系統(tǒng)的多任務(wù)并行處理與實(shí)時(shí)中斷處理CNC的多任務(wù)表現(xiàn)在他的軟件必須完成管理和控制兩大任務(wù)。系統(tǒng)管理包括：輸入、I/O處理、顯示、診斷。系統(tǒng)控制包括：譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)、位置控制。如圖。20CNC的各項(xiàng)任務(wù)必須協(xié)調(diào)工作，在許多情況下，管理和控制的某些工作必須同時(shí)進(jìn)行。如圖。21所謂并行處理，是指計(jì)算機(jī)在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上相同或不同的工作。并行處理方法有資源重復(fù)、時(shí)間重疊和資源分時(shí)共享等處理方法。CNC系統(tǒng)的中斷管理主要靠硬件完成，中斷類(lèi)型有：①外部中斷。②內(nèi)部定時(shí)中斷。③硬件故障中斷。④程序性中斷。223、常規(guī)CNC的軟件結(jié)構(gòu)CNC的軟件結(jié)構(gòu)決定于系統(tǒng)采用的中斷結(jié)構(gòu)。常規(guī)的CNC中，已有的結(jié)構(gòu)模式有中斷型結(jié)構(gòu)和前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)。（1）中斷型結(jié)構(gòu)模式此類(lèi)型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是除了初始化程序之外，整個(gè)系統(tǒng)軟件的各種任務(wù)模塊分別安排在不同級(jí)別的中斷服務(wù)程序中，整個(gè)軟件就是一個(gè)大的多重中斷系統(tǒng)。其管理功能主要通過(guò)各級(jí)中斷程序之間的相互通信安排來(lái)實(shí)現(xiàn)。如FANUE-BESK7CMCNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)就是一個(gè)典型的中斷型結(jié)構(gòu)。23（2）前后型結(jié)構(gòu)模式這種軟件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是前臺(tái)程序?yàn)橐粋€(gè)