4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念4.1.1數(shù)控系統(tǒng)簡介自1952年出現(xiàn)第一臺數(shù)控銑床以后,一直采用硬件數(shù)控裝置對機床進行控制,簡稱NC裝置,經(jīng)過大約20年的時間,到1971年引入了計算機控制。一開始CNC系統(tǒng)中用小型計算機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬件數(shù)控(NC),隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代數(shù)控機床大多采用成本低、功能強和可靠性高的微型計算機取代小型計算機進行機床數(shù)字控制,簡稱MNC,但是人們習慣上還是稱它們?yōu)镃NC。采用計算機控制和采用微型計算機控制的工作原理基本相同。CNC系統(tǒng)是一種位置控制系統(tǒng)。下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念其控制過程是根據(jù)輸入的信息(加工程序),進行數(shù)據(jù)處理和插補運算,獲得理想的運動軌跡信息,然后輸出到執(zhí)行部件,加工出所需要的工件。CNC系統(tǒng)的核心是CNC裝置。由于采用了計算機,使CNC裝置的性能和可靠性提高,促使CNC系統(tǒng)迅速發(fā)展。4.1.2數(shù)控系統(tǒng)的組成CNC裝置主要由硬件和軟件兩大部分組成,兩者的關(guān)系是密不可分的。硬件為軟件提供了活動舞臺,是軟件的肌體,而軟件則是整個系統(tǒng)的靈魂。數(shù)控系統(tǒng)是在軟件的控制下,有條不紊地進行工作的。上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念CNC裝置的軟件是為完成CNC數(shù)控機床的各項功能而專門設(shè)計和編制的,是一種專用軟件,結(jié)構(gòu)取決于軟件的分工,也取決于軟件本身的工作特點。軟件功能是CNC裝置的功能體現(xiàn)。一些廠商生產(chǎn)的CNC裝置,硬件設(shè)計好后基本不變,而軟件功能不斷升級,以滿足制造業(yè)發(fā)展的要求。4.1.2.1

CNC裝置軟硬件的分工在CNC裝置中,軟件和硬件的分工是由性能價格比決定的。在現(xiàn)代CNC裝置中,軟件和硬件的分工是不固定的。圖4-1所示為數(shù)控系統(tǒng)軟硬件分工的4種形式。上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念4.1.2.2

CNC裝置的硬件構(gòu)成如圖4-2所示,CNC裝置的硬件除了一般計算機具有的微型處理器(CPU)、可編程只讀存儲器(EPROM)、隨機存儲器(RAM)、輸入/輸出(I/O)接口外,還具有數(shù)控要求的專用接口和部件,即位置控制器、紙帶閱讀機接口、手動數(shù)據(jù)輸入(MDI)接口和視頻顯示(CRT)接口。因此,CNC裝置是一種專用計算機?？删幊讨蛔x存儲器(EPROM)又稱程序存儲器,用來存放CNC軟件。隨機存儲器(RAM)又稱數(shù)據(jù)存儲器,用來存放用戶編寫的加工程序和加工運算的中間結(jié)果。4.1.2.3

CNC軟件構(gòu)成上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念如圖4-3所示,CNC軟件是為實現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項功能而編制的專用軟件,又稱系統(tǒng)軟件,分管理軟件和控制軟件兩大部分。在系統(tǒng)軟件的控制下,CNC裝置對輸入的加工程序自動進行處理并發(fā)出相應(yīng)的控制指令,使機床運動并加工工件。CNC軟件系統(tǒng)采用了計算機軟件技術(shù)中的許多先進技術(shù),其中多任務(wù)并行處理和多重實時中斷兩項技術(shù)的運用是CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點。4.1.3數(shù)控系統(tǒng)的工作流程CNC裝置的工作就是在硬件的支持下執(zhí)行軟件的全過程。下面根據(jù)圖4-3所示系統(tǒng)軟件框圖簡要說明CNC系統(tǒng)的工作流程。上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念4.1.3.1輸入輸入的任務(wù)是把加工程序、控制參數(shù)和補償數(shù)據(jù)輸入到CNC裝置中去。輸入的方法有紙帶閱讀機輸入、鍵盤輸入、磁帶和磁盤輸入以及通信方式輸入。CNC工作方式一般有兩種,一種是邊輸入邊加工,即在前一個程序段正在加工時,輸入后一個程序段的內(nèi)容,稱為DNC工作方式;另一種是一次性地將整個工件加工程序輸入到CNC裝置的內(nèi)部存儲器中,加工時再把程序段一個一個地從存儲器中調(diào)出進行處理,稱為存儲工作方式。在輸入過程中,CNC還進行刪除無效代碼、代碼校驗和代碼轉(zhuǎn)換等工作。上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念4.1.3.2譯碼CNC接受的程序是由程序段組成的,程序段中包含工件輪廓信息(如直線還是圓弧,線段的起點和終點等)與加工進給速度(F代碼)等加工工藝信息和其他輔助信息(M、S、T代碼),計算機不能直接識別它們。譯碼程序就像翻譯,按照一定的語法規(guī)則將上述信息翻譯成能夠識別的數(shù)據(jù)形式,并按一定的格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)域。在翻譯過程中對程序段還要進行語法檢查,發(fā)現(xiàn)錯誤立即報警。4.1.3.3刀具補償?shù)毒哐a償包括刀具半徑補償和刀具長度補償。上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念刀具半徑補償是指在數(shù)控機床在加工過程中,CNC所控制的是刀具中心的軌跡,為了方便起見,用戶總是按零件輪廓編制加工程序,因而為了加工所需的零件輪廓,在進行內(nèi)輪廓加工時,刀具中心必須向零件的內(nèi)側(cè)偏移一個刀具半徑值;在進行外輪廓加工時,刀具中心必須向零件的外側(cè)偏移一個刀具半徑值。這種按零件輪廓編制的程序和預(yù)先設(shè)定的偏置參數(shù),數(shù)控裝置能實時自動生成刀具中心軌跡的功能稱為刀具半徑補償功能,如圖4-4所示。在圖4-4中,實線為所需加工的零件輪廓,虛線為刀具中心軌跡。上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念根據(jù)ISO標準,當?shù)毒咧行能壽E在編程軌跡(零件輪廓)前進方向的右邊時,稱為右刀補,用G42指令實現(xiàn);反之稱為左刀補,用G41指令實現(xiàn)。與刀具半徑補償相比,刀具長度補償相對較容易理解一些,其實質(zhì)就是刀具刀尖位置相對于Z軸坐標零點的偏置距離。我們在對一個零件編程時,首先要指定零件的編程中心,然后才能建立工件編程坐標系,而此坐標系只是一個工件坐標系,零點一般在工件上。長度補償只和Z坐標有關(guān),它不像X、Y平面內(nèi)的編程零點,因為刀具是由主軸錐孔定位,故不改變,而對于Z坐標的零點就不一樣了。上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念Z軸坐標零點從理論上講可設(shè)置在軸上的任意位置,但有可能帶來刀具長度補償?shù)闹涤锌赡苁钦狄灿锌赡苁秦撝?。一般推薦使用的補償方式是,用刀具的實際長度作為刀具長度的補償。使用刀長作為補償就是使用對刀儀測量刀具的長度,然后把這個數(shù)值輸入到刀具長度補償寄存器中,作為刀具長度補償。這種方式可使刀具長度補償?shù)闹刀紴檎?比較直觀,能有效避免操作人員換錯刀而不自知。上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念使用刀具長度作為刀長補償?shù)睦碛扇缦?首先,使用刀具長度作為刀長補償,可以避免在不同的工件加工中不斷地修改刀長偏置,這樣一把刀具用在不同的工件上也不用修改刀長偏置。在這種情況下,可以按照一定的刀具編號規(guī)則,給每一把刀具作檔案,用一個小標牌寫上每把刀具的相關(guān)參數(shù),包括刀具的長度、半徑等資料,事實上許多大型的機械加工型企業(yè)對數(shù)控加工設(shè)備的刀具管理都采用這種辦法。這對于那些專門設(shè)有刀具管理部門的公司來說,就不用面對面地告訴操作工刀具的參數(shù)了,同時即使因刀庫容量原因把刀具取下再重新裝上時,只需根據(jù)標牌上的刀長數(shù)值作為刀具長度補償而不需要再進行測量。上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念其次,使用刀具長度作為刀長補償,可以讓機床一邊進行加工運行,一邊在對刀儀上進行其他刀具的長度測量,而不必因為在機床上對刀而占用機床的運行時間,這樣可以充分發(fā)揮加工中心的效率。同時,當主軸移動到編程Z坐標點時,就是主軸坐標加上(或減去)刀具長度補償后的Z坐標數(shù)值。使用刀具長度補償是通過執(zhí)行含有G43(G44)和H指令來實現(xiàn)的,同時我們給出一個Z坐標值,這樣刀具在補償之后移動到離工件表面距離為Z的地方。上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念另外一個指令G49的作用是取消G43(G44)指令,其實我們不必使用這個指令,因為每把刀具都有自己的長度補償,當換刀時,即可利用G43(G44)和H指令賦予自己的刀長補償而自動取消了前一把刀具的長度補償。4.1.3.4進給速度處理進給速度處理的任務(wù)是保證實現(xiàn)程序中指定的進給速度。指定的進給速度是沿運動軌跡方向上的速度,它是沿各坐標方向運動速度合成的結(jié)果。速度處理時,據(jù)此合成各坐標方向上的分速度,某些輔助功能如換刀和換擋等也在這里處理。上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念4.1.3.5插補插補(Interpolation),即機床數(shù)控系統(tǒng)依照一定方法確定刀具運動軌跡的過程。也可以說,已知曲線上的某些數(shù)據(jù),按照某種算法計算已知點之間的中間點的方法,也稱為“數(shù)據(jù)點的密化”;數(shù)控裝置根據(jù)輸入的零件程序的信息,將程序段所描述的曲線的起點、終點之間的空間進行數(shù)據(jù)密化,從而形成要求的輪廓軌跡,這種“數(shù)據(jù)密化”機能就稱為“插補”。插補的目的是控制加工運動軌跡,使刀具相對于工件走出符合工件輪廓軌跡的相對運動。上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念一個零件的輪廓往往是多種多樣的,有直線,有圓弧,也有可能是任意曲線、樣條線等。數(shù)控機床的刀具往往是不能以曲線的實際輪廓進行走刀的,而是近似地以若干條很小的直線去走刀,走刀的方向一般是X和Y方向。插補的方式一般有直線插補、圓弧插補、拋物線插補和樣條線插補等。4.1.3.6位置控制插補的結(jié)果是產(chǎn)生一個周期內(nèi)的位置增量。位置控制的任務(wù)是在每個采樣周期內(nèi),將插補計算的指令位置與實際反饋位置相比較,用其差值去控制伺服電動機。上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念在位置控制中通常還應(yīng)完成位置回路的增益調(diào)整、各螺距誤差補償和反向間隙補償,以提高數(shù)控機床的定位精度。位置控制處于伺服回路的位置環(huán)上,如圖4-5所示,一般由軟件進行位置控制,也可以由硬件完成。4.1.3.7

I/O處理I/O處理主要用來對CNC裝置與機床之間的強電信號進行處理,其工作包括開關(guān)量信號的輸入、輸出和控制(如換刀、換擋和冷卻液啟停、排屑等)。4.1.3.8顯示上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念在CNC裝置中,顯示的主要作用是為操作者提供方便,一般應(yīng)包括:工件加工程序的顯示、參數(shù)顯示、刀具位置顯示、機床狀態(tài)顯示、報警顯示以及運動軌跡的靜態(tài)圖形顯示,較高級的CNC裝置中還具有動態(tài)圖形顯示功能等。4.1.3.9診斷診斷功能是現(xiàn)代CNC裝置必備的,一般有聯(lián)機診斷和脫機診斷兩種。聯(lián)機診斷是指CNC裝置的自診斷程序融合于整個系統(tǒng)程序的各個部分,隨時檢查不正常的事件。上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念脫機診斷指的是系統(tǒng)運轉(zhuǎn)條件下的診斷,通過CNC裝置配置的各種脫機診斷程序邏輯,檢查存儲器、外圍設(shè)備(CRT、閱讀機、穿孔機)和I/O接口等。脫機診斷還可以實現(xiàn)遠程診斷,即采用遠程通信方式進行,具體做法是:通過網(wǎng)絡(luò)將CNC裝置與遠程診斷中心的計算機連接起來,由診斷中心的計算機對CNC裝置進行診斷、故障定位和修復(fù)。4.1.4數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程數(shù)控系統(tǒng)的主要任務(wù)之一就是將零件加工程序表達的加工信息,變換成各進給軸的位移指令、主軸轉(zhuǎn)速指令和輔助動作指令,控制數(shù)控機床加工時的軌跡運動和邏輯動作,加工出符合要求的零件。上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念數(shù)控加工程序輸入數(shù)控裝置后,先經(jīng)過代碼轉(zhuǎn)換存儲在程序存儲器中,然后在執(zhí)行數(shù)控加工程序時,進行譯碼、刀具補償處理、速度預(yù)處理、插補運算處理和位置控制處理等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,如圖4-6所示。4.1.4.1譯碼將用文本格式(通常用ASCII碼)表達的零件加工程序,以程序段為單位轉(zhuǎn)換成后續(xù)程序(本例是指刀補處理程序)所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(格式)。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緩沖區(qū)進行的。上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念該緩沖區(qū)由若干個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成,當前程序段被解釋完后便將該段的數(shù)據(jù)信息送進緩沖區(qū)組中空閑的一個,后續(xù)程序(如刀補程序)從該緩沖區(qū)組中獲取程序信息進行工作。4.1.4.2刀補處理刀補處理的主要工作:(1)根據(jù)G90/G91計算零件輪廓的終點坐標值。(2)根據(jù)R和G41/42計算本段刀具中心軌跡的終點坐標值。(3)根據(jù)本段與前段的連接關(guān)系,進行段間連接處理。4.1.4.3速度預(yù)處理上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念速度預(yù)處理的主要功能是根據(jù)加工程序給定的進給速度,計算在每個插補周期內(nèi)的合成移動量,供插補程序使用。速度處理程序主要完成以下幾步計算:(1)計算本段總位移量,即直線:合成位移量L;圓弧:總角位移量α。該數(shù)據(jù)供插補程序判定減速出發(fā)點和終點之用。(2)計算每個插補周期內(nèi)的合成進給量:4.1.4.4插補計算插補計算的主要功能如下:上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念根據(jù)操縱面板上“進給修調(diào)”開關(guān)的設(shè)定值,計算本次插補周期的實際合成位移量:將ΔL1按插補的線形(直線、圓弧等)和本插補點所在的位置分解到各個進給軸,作為各軸的位置控制指令(ΔX1、ΔY1)。經(jīng)插補計算后的數(shù)據(jù)存放在運行緩沖區(qū)中,以供位置控制程序之用。本程序以系統(tǒng)規(guī)定的插補周期Δt定時運行。4.1.4.5位置控制處理上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念位置控制轉(zhuǎn)換流程如圖4-7所示,位置控制處理需要完成以下幾步計算:(1)計算新的位置指令坐標值:(2)計算新的位置實際坐標值:(3)計算跟隨誤差(指令位置值-實際位置值):上一頁下一頁返回4.1數(shù)控系統(tǒng)CNC的基本概念(4)計算速度指令值:f()是位置環(huán)的調(diào)節(jié)控制算法,其算法視具體系統(tǒng)而定。這一步在有些系統(tǒng)中是采用硬件來實現(xiàn)的。VX、VY

輸送給伺服驅(qū)動單元,控制電動機運行,以實現(xiàn)CNC裝置的軌跡控制。由以上介紹可知,CNC裝置中對軌跡控制功能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理過程是由軟件實現(xiàn)的,其中的一部分功能也可由硬件實現(xiàn)。在早期的數(shù)控(NC)系統(tǒng)中,數(shù)控的全部功能都由硬件完成,隨著計算機的發(fā)展,硬件電路被計算機取代,計算機在數(shù)控中扮演了重要的角色,并構(gòu)成了計算機數(shù)控(CNC)系統(tǒng)。上一頁返回4.2

CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)4.2.1整體式和分體式結(jié)構(gòu)(1)整體式結(jié)構(gòu)是根據(jù)CNC系統(tǒng)的總體安裝結(jié)構(gòu)來劃分的。所謂整體式結(jié)構(gòu),是把CRT和MDI面板、操作面板以及功能模塊板組成的電路板等安裝在同一機箱內(nèi)。這種方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、便于安裝,但有時可能造成某些信號連線過長。該類型的典型系統(tǒng)有海德漢TNC310。(2)分體式結(jié)構(gòu)通常把CRT和MDI面板以及操作面板等做成一個部件,而把功能模塊板組成的電路板安裝在一個機箱內(nèi),兩者之間用導(dǎo)線或光纖連接。下一頁返回4.2

CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)許多CNC機床把操作面板作為一個部件,這是由于所控制機床的要求不同,操作面板相應(yīng)地也要改變,做成一個部件有利于更換和安裝。該類型的典型系統(tǒng)有FANUC0i-C。4.2.2大板式和模塊化結(jié)構(gòu)(1)大板式結(jié)構(gòu):CNC裝置內(nèi)一般都有一塊大板,稱為主板。主板上裝有主CPU和各軸的位置控制電路等(集成度較高的系統(tǒng)把所有的電路都安裝在一塊板上),其他相關(guān)子板(完成一定功能的電路板),如ROM板、RAM板和PLC板都插在主板上面。①優(yōu)點:CNC裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高、價格低,有很高的性能價格比。上一頁下一頁返回4.2

CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)②缺點:硬件功能不易變動,柔性低。該類型的典型系統(tǒng)有AB公司的8601。(2)模塊化結(jié)構(gòu):將CPU、存儲器、輸入輸出控制、位置檢測、顯示部件等分別做成插件板(稱為硬件模塊),相應(yīng)的軟件也是模塊化結(jié)構(gòu),固化在硬件模塊中。硬、軟件模塊形成一個特定的功能單元,稱為功能模塊。功能模塊間有明確定義的接口,接口是固定的,使用工廠標準或工業(yè)標準,彼此間可進行信息交換。各模塊間連接的定義,形成了所謂的總線。上一頁下一頁返回4.2

CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單,試制周期短,調(diào)整維護方便(如果某個模塊壞了,其他模塊可照常工作,有可能進行部分CNC功能的操作),具有良好的適應(yīng)性和擴展性。該類型的典型系統(tǒng)有三菱公司的E60。4.2.3單微處理器和多微處理器結(jié)構(gòu)4.2.3.1單微處理器結(jié)構(gòu)如圖4-8所示,在單微處理器CNC中,CPU通過總線與存儲器和各種接口相連接,構(gòu)成CNC的硬件支持,采取集中控制、分時處理的方式完成CNC對存儲、插補運算、I/O控制和CRT顯示等多任務(wù)的處理。該類型的典型系統(tǒng)有德國西門子公司的810/820系列。上一頁下一頁返回4.2

CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)在單微處理器CNC中,所有數(shù)控功能(如數(shù)據(jù)的存取、插補運算、輸入/輸出控制、位置控制、故障診斷和信息顯示等)均由一個微處理器完成。有的CNC裝置有兩個以上的微處理器,但只有一個微處理器能夠控制總線,占有總線資源,其他微處理器不能控制總線,不能訪問主存儲器,只能作為一個智能部件工作,這種構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)的CNC裝置也屬于單微處理器結(jié)構(gòu)。4.2.3.2多微處理器結(jié)構(gòu)多微處理器結(jié)構(gòu):多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置把機床數(shù)字控制這個總?cè)蝿?wù)劃分為多個子任務(wù),也稱子功能模塊。上一頁下一頁返回4.2

CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)在硬件方面一般采用模塊化結(jié)構(gòu),以多個(兩個或兩個以上)CPU配以相應(yīng)的接口形成多個子系統(tǒng),每個子系統(tǒng)分別承擔不同的子任務(wù),各子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)動作,共同完成整個數(shù)控任務(wù)。這樣的多微處理器結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)真正意義上的并行處理,處理速度快,可以實現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng)功能;容錯能力強,在某模塊出了故障后,通過系統(tǒng)重組仍可繼續(xù)工作。多微處理器CNC區(qū)別于單微處理器CNC的最顯著特點是通信,CNC的各項任務(wù)和職能都是依靠組成系統(tǒng)的各CPU之間的相互通信配合完成的。多微處理器的CNC典型通信方式有共享總線和共享存儲器兩類結(jié)構(gòu)。上一頁下一頁返回4.2

CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)1.共享總線結(jié)構(gòu)共享總線結(jié)構(gòu)的典型代表是FANUC15系統(tǒng),它將系統(tǒng)劃分為若干個功能模塊,其中帶有CPU的稱為主模塊,不帶CPU的稱為從模塊。根據(jù)不同的配置可選用7、9、11和13個功能模塊插件板。所有主從模塊都插在配有總線插座的機柜內(nèi),通過共享總線把各個模塊有效地連接在一起,按要求交換各種數(shù)據(jù)和信息,組成一個完整的實時多任務(wù)系統(tǒng),實現(xiàn)CNC的預(yù)定功能,其硬件結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。共享總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是系統(tǒng)配置靈活、結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、造價低;缺點是會引起競爭,使信息傳輸率降低,總線一旦出現(xiàn)故障會影響全局。上一頁下一頁返回4.2

CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)2.共享存儲器結(jié)構(gòu)共享存儲器結(jié)構(gòu)的典型代表有GE公司的MTC1CNC,其硬件結(jié)構(gòu)如圖4-10所示。MTC1CNC共有3個CPU,其中中央CPU負責數(shù)控程序的編輯、譯碼、刀具和機床參數(shù)的輸入;顯示CPU把中央CPU的指令和顯示數(shù)據(jù)送到視頻電路進行顯示,此外還可定時掃描鍵盤和倍率開關(guān)狀態(tài)并送到中央CPU進行處理;插補CPU完成插補運算、位置控制、I/O控制和RS232C通信等任務(wù),還向中央CPU提供機床操作面板開關(guān)狀態(tài)及所需顯示的位置信息等。中央CPU、顯示CPU和插補CPU之間各有512字節(jié)的公共存儲器用于交換信息。上一頁返回4.3數(shù)控系統(tǒng)CNC的軟件結(jié)構(gòu)及工作原理4.3.1多任務(wù)并行處理4.3.1.1

CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性CNC系統(tǒng)通常作為一個獨立的過程控制單元,用于工業(yè)自動化生產(chǎn)中,因此它的系統(tǒng)軟件必須完成管理和控制兩大任務(wù)。系統(tǒng)管理部分的工作包括輸入、I/O處理、顯示和診斷。系統(tǒng)控制部分的工作包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補和位置控制。在許多情況下,管理和控制的某些工作必須同時進行。為便于讀者理解CNC系統(tǒng)多任務(wù)并行處理的工作方式,下面我們通過圖4-11,以多種形式來揭示CNC系統(tǒng)多任務(wù)性之間的內(nèi)在聯(lián)系。下一頁返回4.3數(shù)控系統(tǒng)CNC的軟件結(jié)構(gòu)及工作原理圖4-11(a)所示為任務(wù)分解圖,它表示CNC在運行時所要處理的各種任務(wù)。圖4-11(b)所示為任務(wù)并行處理關(guān)系圖,它表示CNC在運行時,各種任務(wù)之間的處理關(guān)系。其中注意,雙向箭頭表示兩個模塊之間有并行處理關(guān)系。圖4-11(c)所示為CPU分時共享圖,它表示CNC在運行時,各任務(wù)的分時處理時序。4.3.1.2并行處理的概念并行處理是指計算機在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作。上一頁下一頁返回4.3數(shù)控系統(tǒng)CNC的軟件結(jié)構(gòu)及工作原理并行處理最顯著的優(yōu)點是提高了運算速度。拿n位串行運算和n位并行運算來比較,在元件處理速度相同的情況下,后者運算速度幾乎提高為前者的n倍。這是一種資源重復(fù)的并行處理方法,它是根據(jù)“以數(shù)量取勝”的原則來大幅度提高運算速度的。但是并行處理還不止于設(shè)備的簡單重復(fù),它還有更多的含義,如時間重疊和資源共享。所謂時間重疊是根據(jù)流水線處理技術(shù),使多個處理過程在時間上相互錯開,輪流使用同一套設(shè)備的幾個部分。而資源共享則是根據(jù)“分時共享”的原則,使多個用戶按時間順序使用同一套設(shè)備。目前在CNC系統(tǒng)的硬件設(shè)計中,已廣泛使用資源重復(fù)的并行處理方法,如采用多CPU的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)的速度。上一頁下一頁返回4.3數(shù)控系統(tǒng)CNC的軟件結(jié)構(gòu)及工作原理而在CNC系統(tǒng)的軟件設(shè)計中,則主要采用資源分時共享和資源重疊的流水線處理技術(shù)。4.3.1.3資源分時共享在單CPU的CNC系統(tǒng)中,主要采用CPU分時共享的原則來解決多任務(wù)的同時運行。一般來講,在使用分時共享并行處理的計算機系統(tǒng)中,首先要解決的問題是各任務(wù)占用CPU時間的分配原則,這里面有兩方面的含義:其一是各任務(wù)何時占用CPU;其二是允許各任務(wù)占用CPU的時間長短。在CNC系統(tǒng)中,對各任務(wù)使用CPU是用循環(huán)輪流和中斷優(yōu)先相結(jié)合的方法來解決的。上一頁下一頁返回4.3數(shù)控系統(tǒng)CNC的軟件結(jié)構(gòu)及工作原理圖4-11(c)所示為一個典型CNC系統(tǒng)各任務(wù)分時共享CPU的時間分配圖。系統(tǒng)在完成初始化以后自動進入時間分配環(huán)中,在環(huán)中依次輪流處理各任務(wù)。而對于系統(tǒng)中一些實時性很強的任務(wù)則按優(yōu)先級排隊,分別放在不同中斷優(yōu)先級上,環(huán)外的任務(wù)可以隨時中斷環(huán)內(nèi)各任務(wù)的執(zhí)行。每個任務(wù)允許占有CPU的時間受到一定限制,通常是這樣處理的,對于某些占有CPU時間比較多的任務(wù),如插補準備,可以在其中的某些地方設(shè)置斷點,當程序運行到斷點處時,自動讓出CPU,待到下一個運行時間里自動跳到斷點處繼續(xù)執(zhí)行。上一頁下一頁返回4.3數(shù)控系統(tǒng)CNC的軟件結(jié)構(gòu)及工作原理4.3.1.4資源重疊流水處理當CNC系統(tǒng)處在NC工作方式時,其數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程由零件程序輸入、插補準備(包括譯碼、刀具補償和速度處理)、插補、位置控制4個子程序組成。如圖4-12(a)所示,如果每個子程序的處理時間分別為Δt1、Δt2、Δt3,那么一個零件程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間將是如果以順序方式處理每個零件程序段,即第一個零件程序段處理完以后再處理第二個程序段,依此類推。上一頁下一頁返回4.3數(shù)控系統(tǒng)CNC的軟件結(jié)構(gòu)及工作原理從圖4-12(a)中可以看出,如果等到第一個程序段處理完之后才開始對第二個程序段進行處理,那么在兩個程序段的輸出之間將有一個時間長度為t的間隔。同樣在第二個程序段與第三個程序段的輸出之間也會有時間間隔,依此類推。這種時間間隔反映在電動機上就是電動機的時轉(zhuǎn)時停,反映在刀具上就是刀具的時走時停。不管這種時間間隔多么小,這種時走時停在加工工藝上都是不允許的。消除這種間隔的方法是采用流水處理技術(shù)。采用流水處理后的時間、空間關(guān)系如圖4-12(b)所示。上一頁下一頁返回4.3數(shù)控系統(tǒng)CNC的軟件結(jié)構(gòu)及工作原理流水處理的關(guān)鍵是時間重疊,即在一段時間間隔內(nèi)不是處理一個子程序,而是處理兩個或更多的子程序。從圖4-12(b)中可以看出,經(jīng)過流水處理后從第一個程序段開始,每個程序段的輸出之間不再有間隔,從而保證了電動機轉(zhuǎn)動和刀具移動的連續(xù)性。流水處理要求每一個處理子程序的運算時間相等。而在CNC系統(tǒng)中,每一個子程序所需的處理時間都是不相等的,解決的辦法是取最長的子程序處理完時間為處理時間間隔,這樣當處理完時間較短的子程序后即進入等待狀態(tài)。上一頁下一頁返回4.3數(shù)控系統(tǒng)CNC的軟件結(jié)構(gòu)及工作原理在單CPU的CNC裝置中,流水處理的時間重疊只有宏觀的意義,即在一段時間內(nèi),CPU處理多個子程序,但從微觀上看,各子程序分時占用CPU時間。4.3.2實時中斷處理4.3.2.1中斷類型CNC系統(tǒng)控制軟件的另一個重要特征是實時中斷處理。CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性和實時性決定了系統(tǒng)中斷成為整個系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。CNC系統(tǒng)的中斷管理主要靠硬件完成,而系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)。通常中斷類型有外部中斷、內(nèi)部定時中斷、硬件故障中斷以及程序性中斷等。上一頁下一頁返回4.3數(shù)控系統(tǒng)CNC的軟件結(jié)構(gòu)及工作原理(1)外部中斷,主要有紙帶光電閱讀機讀孔中斷、外部監(jiān)控中斷(如緊急停、量儀到位等)和鍵盤操作面板輸入中斷。前兩種中斷的實時性要求很高,通常把這兩種中斷放在較高的優(yōu)先級上,而鍵盤和操作面板輸入中斷則放在較低的中斷優(yōu)先級上。在有些系統(tǒng)中,甚至用查詢的方式來處理它。(2)內(nèi)部定時中斷,主要有插補周期定時中斷和位置采樣定時中斷。在有些系統(tǒng)中,這兩種定時中斷合二為一。但在處理時,總是先處理位置控制,然后處理插補運算。上一頁下一頁返回4.3數(shù)控系統(tǒng)CNC的軟件結(jié)構(gòu)及工作原理(3)硬件故障中斷,它是各種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷,如存儲器出錯、定時器出錯和插補運算超時等。(4)程序性中斷,它是程序中出現(xiàn)的各種異常情況的報警中斷,如各種溢出和清零等。4.3.2.2中斷型結(jié)構(gòu)模式中斷型結(jié)構(gòu)是將除了初始化程序之外,整個系統(tǒng)軟件的各個任務(wù)模塊分別安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中,然后由中斷管理系統(tǒng)(由硬件和軟件組成)對各級中斷服務(wù)程序?qū)嵤┱{(diào)度管理。中斷型軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-13所示。上一頁下一頁返回4.3數(shù)控系統(tǒng)CNC的軟件結(jié)構(gòu)及工作原理中斷型結(jié)構(gòu)模式的特點:(1)任務(wù)調(diào)度機制:搶占式優(yōu)先調(diào)度。(2)信息交換:緩沖區(qū)。(3)實時性好:由于中斷級別較多(最多可達8級),強實時性任務(wù)可安排在優(yōu)先級較高的中斷服務(wù)程序中。(4)模塊間的關(guān)系復(fù)雜,耦合度大,不利于對系統(tǒng)的維護和擴充。20世紀80—90年代初的CNC系統(tǒng)大多采用這種結(jié)構(gòu)。4.3.2.3基于實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式上一頁下一頁返回4.3數(shù)控系統(tǒng)CNC的軟件結(jié)構(gòu)及工作原理實時操作系統(tǒng)(RealTimeOperat