1、第2章 CNC數(shù)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),第一節(jié) 概述 第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),第一節(jié) 概述,數(shù)控系統(tǒng)(NCS)是數(shù)字控制系統(tǒng)簡稱，英文名稱為Numerical Control System，早期是由硬件電路構(gòu)成的稱為硬件數(shù)控(Hard NC) , 1970年代以后，硬件電路元件逐步由專用的計算機代替稱為計算機數(shù)控系統(tǒng)。,返回,下一頁,第一節(jié) 概述,計算機數(shù)控(Computerized Numerical Control, CNC)系統(tǒng)是用計算機控制加工功能，實現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)根據(jù)計算機存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和

2、伺服驅(qū)動裝置的專用計算機系統(tǒng)。 CNC系統(tǒng)由數(shù)控程序、輸入裝置、輸出裝置、計算機數(shù)控裝置(CNC裝置)、可編程邏輯控制器(PLC)、主軸驅(qū)動裝置和進給(伺服)驅(qū) 動裝置(包括檢測裝置)等組成。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,一、CNC系統(tǒng)的組成 把計算機技術應用于機床的控制系統(tǒng)，是數(shù)控機床發(fā)展史上的一個重要里程碑，這是因為它綜合了現(xiàn)代計算機技術、自動控制技術、傳感器及測量技術、機械制造技術等領域的最新成就，使機械加工技術達到了一個嶄新的水平。從自動控制的角度來看，數(shù)控系統(tǒng)是一種軌跡控制系統(tǒng)，即本質(zhì)上是以多執(zhí)行部件(各運動軸)的位移量為控制對象，并使其協(xié)調(diào)運動的自動控制系統(tǒng)，是一種配有專用

3、操作系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,計算機數(shù)控(CNC)與傳統(tǒng)的硬線數(shù)控(NC)相比有很多的優(yōu)點，其中最根本的一點就是，CNC的許多數(shù)控功能是由軟件實現(xiàn)的，因而較硬線數(shù)控具有更大的柔性，即它很容易通過軟件的改變來實現(xiàn)數(shù)控功能的更改或擴展。今天，硬線數(shù)控已被計算機數(shù)控所取代。 由上述討論可知，從外部特征來看，CNC系統(tǒng)是由硬件(通用硬件和專用硬件)和軟件(專用)兩大部分組成的。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,1.數(shù)控系統(tǒng)的一般硬件結(jié)構(gòu) 廣義數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2 -1所示，即由計算機基本系統(tǒng)、設備支持層、設備層三部分組成，它是CNC系統(tǒng)的物質(zhì)基礎。,返回,下一

4、頁,上一頁,第一節(jié) 概述,2. CNC系統(tǒng)軟件的功能性結(jié)構(gòu) 從本質(zhì)特征來看，CNC系統(tǒng)軟件是具有實時性和多任務性的專用操作系統(tǒng);從功能特征來看，該操作系統(tǒng)由CNC管理軟件和CNC控制軟件兩部分組成。它是CNC系統(tǒng)的靈魂，其結(jié)構(gòu)樞圖如圖2 -2所示。 CNC系統(tǒng)平臺的構(gòu)筑方式就是CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。體系結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)的分析、設計和建造提供框架。在下一節(jié)里將分別按硬件和軟件兩方面對CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進行討論。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,二、CNC系統(tǒng)的工作過程 一般來說，讓我們來回顧一下在普通機床上加工零件時，機床操作者總是根據(jù)工序卡的要求，在加工過程中不斷地操作機床改變刀具與工件的相對

5、運動軌跡和運動參數(shù)(位置、速度等)，使刀具對工件進行切削加工，從而得到所需要的合格零件。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,在CNC機床上，加工過程中的人工操作均被數(shù)控系統(tǒng)所取代。其工作過程如下:首先要將被加工零件圖上的幾何信息和工藝信息數(shù)字化，即將刀具與工件的相對運動軌跡，用代碼按規(guī)定的規(guī)則和格式編成加工程序，數(shù)控系統(tǒng)則按照程序的要求，進行相應的運算、處理，然后發(fā)出控制命令，使各坐標軸、主軸以及輔助動作相互協(xié)調(diào)運動，實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，自動完成零件的加工。 圖2-4為將要加工的零件，其形狀用曲線L描述。加工該零件就是要控制刀具T相對于該零件按軌跡曲線L運動。CNC系統(tǒng)對輸入加工程序的

6、運算和處理的核心部分有以下三步。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,1.逼近處理 首先對曲線L進行逼近處理，即按系統(tǒng)的插補時間t和加工所要求的進給速度F，將L分割成若干短直線L1，L2,，Li，這里 Li=Ft (i=1，2，) 則當t0時，折線段之和接近曲線L,即 當F為常數(shù)時，由于 t對于一個數(shù)控系統(tǒng)而言恒為常數(shù)，故Li的長度也為常數(shù)，只不過其斜率與在L上的位置有關。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,2.插補運算 在計算出Li后，必須將其分解為x軸及Y軸移動分量xi 和yi(在ti時間內(nèi))，它們將隨著Li在L上位置的不斷變化而變化，但它們滿足: 且有 由于Li的斜率是不斷變化的，因此

7、進給速度在X方向及Y方向的分量Fx與Fy以及它們之間的比值Fx/Fy 幾乎都在不斷變化。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,3.指令輸出 將計算出在 t時間內(nèi)的xi和yi作為指令輸出給X軸和Y軸，以控制它們聯(lián)動。由此可知，只要能連續(xù)地自動控制X, Y兩個進給軸在t時間內(nèi)的移動量，就可以實現(xiàn)曲線輪廓零件的加工。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,三、CNC系統(tǒng)的主要功能 1.準備功能 準備功能即G功能，指令機床動作方式的功能。 2.控制功能 CNC能控制和能聯(lián)動控制的進給軸數(shù)。CNC的控制進給軸有移動軸、回轉(zhuǎn)軸、基本軸和附加軸。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,3.進給功能 數(shù)控系統(tǒng)進給

8、速度的控制功能，主要有以下三種: 進給速度:控制刀具相對工件的運動速度，單位為mm/min ; 同步進給速度:實現(xiàn)切削速度和進給速度的同步，單位為mm/r，用于加工螺紋; 進給倍率(進給修調(diào)率):人工實時修調(diào)進給速度，即通過面板的倍率波段開關在0 % 200%對預先設定的進給速度實現(xiàn)實時修調(diào)。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,4.輔助功能 輔助功能即M功能，用于指令機床輔助操作的功能。 5.補償功能 (1)刀具半徑和長度補償功能該功能按零件輪廓編制的程序去控制刀具中心的軌跡，以及在刀具磨損或更換時(刀具半徑和長度變化)，可對刀具半徑或長度作相應的補償。該功能由G指令實現(xiàn)。,返回,下一頁,上

9、一頁,第一節(jié) 概述,(2)傳動鏈誤差包括螺距誤差補償和反向間隙誤差補償功能，即事先測量出螺距誤差和反向間隙，并按要求輸入到CNC系統(tǒng)相應的存儲單元內(nèi)，在坐標軸運行時，對螺距誤差進行補償;在坐標軸反向時，對反向間隙進行補償。 (3)智能補償功能對諸如機床幾何誤差造成的綜合加工誤差、熱變形引起的誤差、靜態(tài)彈性變形誤差以及由刀具磨損所帶來的加工誤差等，都可采用現(xiàn)代先進的人工智能、專家系統(tǒng)等技術建立模型，利用模型實施在線智能補償，這是數(shù)控技術正在研究開發(fā)的技術。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,6.插補功能和固定循環(huán)功能 所謂插補功能是數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)零件輪廓(平面或空間)加工軌跡運算的功能。一般CN

10、C系統(tǒng)僅具有直線和圓弧插補，而現(xiàn)在較為高檔的數(shù)控系統(tǒng)還備有拋物線、橢圓、極坐標、正弦線、螺旋線以及樣條曲線插補等功能。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,7.自診斷功能 一般的CNC系統(tǒng)或多或少都具有自診斷功能，尤其是現(xiàn)代的CNC系統(tǒng)，這些自診斷功能主要是用軟件來實現(xiàn)的。具有此功能的CNC系統(tǒng)可以在故障出現(xiàn)后迅速查明故障的類型及部位，便于及時排除故障，減少故障停機時間。 通常不同的CNC系統(tǒng)所設置的診斷程序不同，可以包含在系統(tǒng)程序之中，在系統(tǒng)運行過程中進行檢查，也可以作為服務性程序，在系統(tǒng)運行前或故障停機后進行診斷，查找故障的部位。有的CNC系統(tǒng)可以進行遠程通信診斷。,返回,下一頁,上一頁,

11、第一節(jié) 概述,8.刀具管理功能 刀具管理功能是實現(xiàn)對刀具幾何尺寸和刀具壽命的管理功能。 加工中心都應具有此功能，刀具幾何尺寸是指刀具的半徑和長度，這些參數(shù)供刀具補償功能使用;刀具壽命一般是指時間壽命，當某刀具的時間壽命到期時，CNC系統(tǒng)將提示用戶更換刀具;另外，CNC系統(tǒng)都具有T功能即刀具號管理功能，它用于標識刀庫中的刀具和自動選擇加工刀具。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,9.主軸功能 數(shù)控系統(tǒng)的主軸的控制功能，主要有以下幾種: 切削速度(主軸轉(zhuǎn)速):刀具切削點切削速度的控制功能，單位為m/min (r/min); .恒線速度控制:刀具切削點的切削速度為恒速控制的功能，如端面車削的恒速控

12、制;,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,.主軸定向控制:主軸軸向定位控制于特定位置的功能; .C軸控制:主軸軸向任意位置控制的功能; .切削倍率(主軸修調(diào)率):人工實時修調(diào)切削速度，即通過面板的倍率波段開關在0 % 200%之間對預先設定的主軸速度實現(xiàn)實時修調(diào)。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,10.通信功能 CNC系統(tǒng)與外界進行信息和數(shù)據(jù)交換的功能。 通常CNC系統(tǒng)都具有RS-2320接口，可與上級計算機進行通信，傳送零件加工程序，有的還備有DNC(直接數(shù)字控制/分布式控制)接口，以利實現(xiàn)直接數(shù)控。更高檔的系統(tǒng)還可與MAP(制造自動化協(xié)議)相連，以適應FMS、 CIMS、 IMS(整體

13、維修解決方案)等大制造系統(tǒng)集成的要求。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,11.人一機對話功能 在CNC系統(tǒng)中配有單色或彩色CRT(陰極射線管)、LCD(液晶顯示屏)，通過軟件可實現(xiàn)字符和圖形的顯示，以方便用戶的操作和使用。在CNC系統(tǒng)中這類功能有:菜單結(jié)構(gòu)的操作界面;零件加工程序的編輯環(huán)境;系統(tǒng)和機床參數(shù)、狀態(tài)、故障信息的顯示、查詢或修改畫面等。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,四、CNC系統(tǒng)的主要優(yōu)點 1.數(shù)控功能豐富 由于CNC系統(tǒng)中的計算機具有較強的計算能力，因此，使其實現(xiàn)復雜的數(shù)控功能成為可能，如: .插補功能:二次曲線插補、樣條插補、空間曲面插補; 補償功能:運動精度補償、隨

14、機補償、非線性補償?shù)? .人-機對話功能:加工的動、靜態(tài)跟蹤顯示，高級人-機對話窗口; .編程功能:G代碼、藍圖編程、部分自動編程功能。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,2.使用維護方便 .操作使用方便:現(xiàn)在大多數(shù)數(shù)控機床的操作采用了菜單結(jié)構(gòu)，用戶只需根據(jù)菜單的提示，進行正確操作; .編程方便:現(xiàn)代數(shù)控機床大多具有多種編程的功能，并且都具有程序自動校驗和模擬仿真功能; .維護維修方便:數(shù)控機床的許多日常維護工作都由數(shù)控系統(tǒng)承擔(潤滑、關鍵部件的定期檢查等)，另外，數(shù)控機床的自診斷功能，可迅速確定故障位置，方便維修人員。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,3.易于實現(xiàn)機電一體化 由于采用計

15、算機，使硬件數(shù)量相應減少，加之電子元件的集成度越來越高，使硬件的體積不斷減小，控制柜的尺寸也相應減小。因此，數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常緊湊，使其與機床結(jié)合在一起成為可能，減少占地面積，方便操作。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,4.靈活性和通用性 與早期的硬線數(shù)控系統(tǒng)相比，CNC系統(tǒng)在功能的修改和擴充、適應性方面都具有較大的靈活性和通用性。這是由于CNC系統(tǒng)的數(shù)控功能大多由軟件在通用性較強的硬件的支持下來實現(xiàn)的，因此，若要改變、擴充其功能，均可通過對軟件的修改和擴充來實現(xiàn)。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,另一方面，CNC系統(tǒng)的硬件和軟件大多是采用模塊化的結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)的擴充、擴展變得較方便和靈

16、活。不僅如此，按模塊化方法組成的CNC系統(tǒng)基本配置部分(軟件和硬件)是通用的，不同的數(shù)控機床(如車床、銑床、磨床、加工中心、特殊機床)只要配置相應的功能模塊(軟件和硬件)，就可滿足這些機床的特定控制功能。這種通用性對數(shù)控機床的培訓、學習以及維護維修也是相當方便的。,返回,下一頁,上一頁,第一節(jié) 概述,5.可靠性高 CNC系統(tǒng)的高可靠性可以從以下兒方面看出: CNC系統(tǒng)總是采用集成度高的電子元件、芯片，采用VLSI(超大規(guī)模集成電路)本身就是可靠性的保證; .許多功能由軟件實現(xiàn)，使硬件的數(shù)量減少; 豐富的故障診斷及保護功能(大多由軟件實現(xiàn))，從而可使系統(tǒng)故障發(fā)生的頻率降低，發(fā)生故障后的修復時間縮

17、短。,返回,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)按含有CPU的多少來分，可分為單機系統(tǒng)和多機系統(tǒng)。 一、CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分類 1.單機系統(tǒng) 它是指整個CNC系統(tǒng)只有一個CPU，它集中控制和管理整個系統(tǒng)資源，通過分時處理的方式來實現(xiàn)各種數(shù)控功能。其特點是投資小，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，但系統(tǒng)功能受到CPU字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等因素的限制?，F(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)已被多機系統(tǒng)的主從結(jié)構(gòu)所取代。,返回,下一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),2.多機系統(tǒng) 它是指整個CNC系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的CPU，也就是系統(tǒng)中的某些功能模塊自身也帶有CPU，根據(jù)這些CPU間的相互關系的不同

18、又可將其分為:,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),(1)主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在該系統(tǒng)中只有一個CPU(通常稱為主CPU)對系統(tǒng)的資源(系統(tǒng)存儲器、系統(tǒng)總線)有控制和使用權(quán)，而其他帶有CPU的功能部件(通常稱之為智能部件)，則無權(quán)控制和使用系統(tǒng)資源，它只能接收主CPU的控制命令或數(shù)據(jù)，或向主CPU發(fā)出請求信息以獲得所需的數(shù)據(jù)。只有一個CPU處于主導地位，其他CPU處于從屬地位的結(jié)構(gòu)，稱之為主從結(jié)構(gòu)。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),(2)多主結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在該系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的帶CPU的功能部件對系統(tǒng)資源有控制或使用權(quán)。該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)功能部件之間采用緊耦合(即均掛在系統(tǒng)

19、總線上，集中在一個機箱內(nèi))，有集中的操作系統(tǒng)，通過總線仲裁器(軟件和硬件)來解決爭用總線問題，通過公共存儲器來交換系統(tǒng)信息。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),(3)分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)該系統(tǒng)有兩個或兩個以上的帶有CPU的功能模塊，每個功能模塊有自己獨立的運行環(huán)境(系統(tǒng)總線、存儲器、操作系統(tǒng)等)，功能模塊間采用松耦合，即在空間上可以較為分散，各模塊間采用通信方式交換信息。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),早期的計算機數(shù)控系統(tǒng)都是單機系統(tǒng)，到了20世紀80年代中期，市場上已有多機系統(tǒng)的產(chǎn)品了，其中絕大部分是主從結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。目前，多主結(jié)構(gòu)和分布結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)較復

20、雜，操作系統(tǒng)的設計較困難，加之主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能滿足數(shù)控加工的大多數(shù)要求，故這兩種結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)較少。 從硬件的體系結(jié)構(gòu)來看，單機結(jié)構(gòu)與主從結(jié)構(gòu)極其相似，因此，在本帝也稱單機結(jié)構(gòu)與主從結(jié)構(gòu)為單主結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),二、單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹 圖2-5是單機或主從結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)樞圖。這類CNC系統(tǒng)的硬件由若干功能不同的模塊組成，這些模塊既是系統(tǒng)的組成部分，又有相對的獨立性，即所謂的模塊化結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)對CNC系統(tǒng)的設計和生產(chǎn)以及維修都有極大好處。實現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的方法稱為模塊化設計方法。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)

21、構(gòu),所謂模塊化設計方法就是:將控制系統(tǒng)按功能劃分成若干種具有獨立功能的單元模塊，每個模塊配上相應的驅(qū)動軟件，按功能的要求選擇不同的功能模塊，并將其插人控制單元母板上，組成一個完整的控制系統(tǒng)，其中單元母板一般為總線結(jié)構(gòu)的無源母板，它提供模塊間互聯(lián)的信號通路。這種方法稱之為模塊化設計方法。 實現(xiàn)CNC系統(tǒng)模塊化設計的條件是總線(BUS)標準化。而采用模塊化結(jié)構(gòu)時，CNC系統(tǒng)設計工作則可歸結(jié)為功能模塊的合理選用。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),下面我們從功能方面來討論圖2 -5所示CNC系統(tǒng)中各硬件模塊的作用。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),1.計算機主板

22、 它是CNC系統(tǒng)的核心，由于目前CNC系統(tǒng)普遍采用了基于PC機的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，即CNC系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)在功能上完全與標準的PC機一樣，各硬件模塊也均與PC機總線標準兼容。其目的是利用PC機豐富的軟件和硬件OEM資源，提高系統(tǒng)的適應性、開放性，降低價格，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。CNC系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)與普通的商用PC機在結(jié)構(gòu)上略有不同，從系統(tǒng)的可靠性出發(fā)，它的主板與系統(tǒng)總線(母板)是分離的，即系統(tǒng)總線是一單獨的無源母板。主板則做成插卡形式，且集成度更高，即所謂的All-In-One主板。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),計算機主板外觀如圖2 -6所示，這種主板主要包括以下的功能結(jié)

23、構(gòu): CPU芯片及其外圍芯片; 內(nèi)存單元、Cache及其外圍芯片; 通信接口(串口，并口，鍵盤接口); .軟、硬驅(qū)動器接口。 各功能模塊的組成原理與普通微型計算機的原理完全一樣，這里不再一一講述。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),計算機主板的主要作用是:對輸入到CNC系統(tǒng)中的種種數(shù)據(jù)、信息(零件加工程序，各種I/O信息等)進行相應的算術和邏輯運算，并根據(jù)其處理結(jié)果向其他功能模塊發(fā)出控制命令，傳送數(shù)據(jù)，使用戶的指令得以執(zhí)行。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),2.系統(tǒng)總線 它是由一組傳送數(shù)字信息的物理導線組成的，它是計算機系統(tǒng)內(nèi)部(CNC系統(tǒng)內(nèi)部)進行數(shù)據(jù)或

24、信息交換的通道，從功能上來講，它可分三組: .數(shù)據(jù)總線:它是各模塊間數(shù)據(jù)交換的通道，線的根數(shù)與數(shù)據(jù)寬度相等，它是雙向總線; .地址總線:它是傳送數(shù)據(jù)存放地址的總線，與數(shù)據(jù)總線結(jié)合，可以確定數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)的來源地或目的地，它是單向總線;,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),.控制總線:它是一組傳送管理或控制信號的總線(如數(shù)據(jù)的讀、寫、控制，中斷、復位、I/O讀/寫及各種確認信號等)，它是單向總線。 一般作為工業(yè)用PC機的總線母板是獨立的無源四層印制電路板，即其規(guī)格有6槽、8槽、12槽、14槽等。用戶可根據(jù)CNC系統(tǒng)功能板的多少進行選擇。無源母板的外觀如圖2-7所示。,返回,下一

25、頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),3.輸入/輸出模塊(多功能卡) 該模塊也是標準的PC機模塊，一般不需要用戶自己開發(fā)。它是CNC系統(tǒng)與外界進行數(shù)據(jù)和信息交換的接口板，即CNC系統(tǒng)中的CPU通過該接口可以從外部輸入設備獲取數(shù)據(jù)，也可以將CNC系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)輸送給外部設備。這些輸入/輸出設備是:,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),.輸入設備:軟盤驅(qū)動器; .輸出設備:打印機; 輸入/輸出設備:磁盤驅(qū)動器、磁帶機等; .通信接口:串行接口RS-232。 如果計算機主板選用的是All-In-One主板，則此板可省略。 以上三部分，再配上鍵盤、電源、機箱，實際上是一部通用的微型計

26、算機系統(tǒng)。這個系統(tǒng)是CNC系統(tǒng)的核心，從某種意義上講，它的檔次和性能決定了CNC系統(tǒng)的檔次和性能，因此，CNC系統(tǒng)計算機子系統(tǒng)的合理選用是至關重要的。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),4.顯示卡 顯示卡是一個通用性很強的模塊?，F(xiàn)在市場上出售的有VGA卡、SVGA卡，早期的有CGA、EGA等。 在CNC系統(tǒng)中，C RT顯示是一個非常重要的功能，它是人機交流的重要媒介，它給用戶提供了一個直觀的操作環(huán)境，使用戶能快速地熟悉適應其操作過程。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),顯示卡的主要作用是:接收來自CPU的控制命令和顯示用的數(shù)據(jù)，經(jīng)與CRT的掃描信號調(diào)制后，產(chǎn)

27、生C RT顯示器所需要的視頻信號，由CRT中的電子槍對屏幕進行掃描，從而產(chǎn)生所需要的畫面。 顯示卡這種硬件不僅可以在市場上買到，而且它還有非常豐富的支持軟件，因此無須用戶自己開發(fā)。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),5.電子盤 (1)電子盤存儲內(nèi)容 電子盤是CNC系統(tǒng)特有的存儲模塊，在CNC系統(tǒng)中它用來存放下列數(shù)據(jù)和參數(shù): 系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)固有數(shù)據(jù); 系統(tǒng)的配置參數(shù)(系統(tǒng)所能控制的進給軸數(shù)、軸的定義、系統(tǒng)增益等); .用戶的零件加工程序。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),(2)存儲器件種類 目前在計算機領域所用存儲器件有三類: .磁性存儲器件，如軟磁盤、硬磁

28、盤，它們都是可隨機讀/寫的; .光存儲器件，如光盤; .半導體存儲器件，又稱電子存儲器件，如RAM、ROM、FLASH等。 前兩類一般作為外存儲器，其特點是容量大，價格低。電子存儲器件一般作為內(nèi)存儲器，其價格高于前兩類。若按其讀/寫性能來看，它又可分為三類。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),.只讀存儲元件(ROM、PROM和EPROM) 其特點是只能讀出其存放的數(shù)據(jù)，而不能隨時修改它們。它用于固化調(diào)試通過了的系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)固有的參數(shù)。 .易失性隨機讀/寫存儲元件(RAM)。其特點是可以隨時對其進行讀/寫操作，一旦掉電其信息將會全部丟失。它又有動態(tài)和靜態(tài)之分，動態(tài):價格低，速

29、度慢，主要用作計算機系統(tǒng)的內(nèi)存;靜態(tài):價格高，速度快，主要用作計算機系統(tǒng)的緩存器Cache。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),非易失性讀/寫存儲元件。其特點是可以隨時對其進行讀/寫操作，即使掉電信息也不會丟失。它用于存放系統(tǒng)的配置參數(shù)，零件加工程序。一般它們讀的速度要快于寫的速度。這類存儲器件有EEPROM、FLASH、帶后備電池的RAM。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),在CNC系統(tǒng)中，常采用電子存儲器件作為外存儲器，而不采用磁性存儲器件，主要是考慮到CNC系統(tǒng)的工作環(huán)境有可能受到電磁干擾，磁性器件的可靠性低，而電子存儲器件的抗電磁干擾能力相對來講要強

30、一些。因為這些由電子器件組成的存儲單元是按磁盤的管理方式進行的，故稱其為電子盤。 目前電子盤的規(guī)格有1.44MB、2.88MB、6MB、12MB、128MB、256MB等。電子盤的邏輯框圖如圖2 -8所示。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),6.設備輔助控制接口模塊 CNC系統(tǒng)對設備的控制分為兩類:一類是對各坐標軸的速度和位置的“軌跡控制”;另一類是對設備動作的“順序控制”。對數(shù)控機床而言，“順序控制”是指在數(shù)控機床運行過程中，以CNC內(nèi)部和機床各行程開關、傳感器、按鈕、繼電器等開關量信號狀態(tài)為條件，并按預先規(guī)定的邏輯順序?qū)χT如主軸的起停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開，

31、液壓、冷卻、潤滑系統(tǒng)的運行等進行控制。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),在CNC系統(tǒng)中實現(xiàn)順序控制的模塊是設備輔助控制接口模塊，由圖2 -9可看出，設備輔助控制接口模塊主要接收來自操作面板、機床上的各行程開關、傳感器、按鈕、強電柜里的繼電器以及主軸控制、刀庫控制的有關信號，經(jīng)處理后輸出去控制相應器件的運行。 通過對以上信號進行分析可知，CNC系統(tǒng)與被控設備之間要交換的信息有三類:開關量信號、模擬量信號和脈沖量信號。然而上述信號一般不能直接與CNC系統(tǒng)相連，需要一個接口(即設備輔助控制接口)對這些信號進行變換處理，其目的是:,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

32、,對上述信號進行相應的轉(zhuǎn)換，以滿足CNC系統(tǒng)輸入/輸出的要求。輸入時，必須將被控設備有關的狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，以滿足計算機對輸入/輸出信號的要求;輸出時，應滿足各種有關執(zhí)行元件的輸入要求。信號轉(zhuǎn)換主要包括電平轉(zhuǎn)換、數(shù)字量與模擬量的相互轉(zhuǎn)換、數(shù)字量與脈沖量的相互轉(zhuǎn)換以及功率匹配等; .阻斷外部的干擾信號進入計算機，在電氣上將CNC系統(tǒng)與外部信號進行隔離，以提高CNC系統(tǒng)運行的可靠性。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),由此可知，設備輔助控制接口的功能必須能完成上述兩個任務:即電平的轉(zhuǎn)換和功率放大;電氣隔離。 目前，設備輔助控制接口的實現(xiàn)方式有以下幾種: (1)簡單I/O接口

33、板如圖2-9所示，在該接口電路中，光電隔離器件起電氣隔離和電平轉(zhuǎn)換作用;調(diào)理電路對輸入信號進行整形、濾波等處理。其他功能塊的作用是顯而易見的，這里不再贅述。而信號間的互鎖、連鎖、延時控制，則由后續(xù)的繼電器邏輯來實現(xiàn)，其柔性較差，體積龐大。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),(2) PLC (Programable Logic Controller)控制這種控制是目前CNC系統(tǒng)用得最廣泛的方式。它的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2-10所示。CNC機床用的PLC一般分為兩類: 一類是CNC系統(tǒng)的生產(chǎn)了家為實現(xiàn)數(shù)控機床的順序控制，而將CNC和PLC綜合起來設計，稱為內(nèi)裝型(Built-in T

34、ype) PLC(或稱集成式、內(nèi)含式)。內(nèi)裝型PLC是CNC系統(tǒng)的一部分，它與CNC中CPU的信息交換是在CNC內(nèi)部進行的。這種類型的PLC一般不能獨立工作，它是CNC系統(tǒng)的一個功能模塊，是CNC系統(tǒng)功能的擴展，兩者是不能分離的。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),由于PLC與CNC之間的連線較少，且PLC內(nèi)的信息也能通過CNC系統(tǒng)的顯示器顯示，使PLC的編程更為方便，而且故障診斷的功能也有提高，從而提高了CNC系統(tǒng)的可靠性。 另一類是由專業(yè)化生產(chǎn)了家生產(chǎn)的PLC產(chǎn)品來實現(xiàn)順序控制，稱為獨立型(Stand-alone Type) PLC，或稱為“通用型”PLC。獨立型PLC是

35、獨立于CNC系統(tǒng)的，它具有完備的硬件和軟件功能，能夠獨立完成規(guī)定的控制任務。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),在數(shù)控機床選用獨立型PLC時，主要考慮能滿足以下要求:輸入/輸出信號接口技術規(guī)范、輸入/輸出點數(shù)、程序存儲容量以及運算和控制功能等。由于這種類型PLC的生產(chǎn)了家較多，品種、類型豐富，使用戶有較大的選擇余地，可以選擇自己熟悉的產(chǎn)品，而且其功能的擴展也較方便。獨立型PLC與CNC系統(tǒng)之間是通過輸入/輸出接口連接的。國內(nèi)已引進應用的獨立型PLC有:西門子公司的SIMAT-IC55 , S7系列產(chǎn)品;A-B公司的PLC系列產(chǎn)品;FANUC公司的PMC-J系列產(chǎn)品等。,返回,

36、下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),7.位置控制模塊 位置控制模塊是進給伺服系統(tǒng)的重要組成部分，實現(xiàn)軌跡控制時，是CNC系統(tǒng)與伺服驅(qū)動系統(tǒng)連接的接口模塊。在數(shù)控機床中，通常由若干進給伺服系統(tǒng)控制的進給軸構(gòu)成成形運動系統(tǒng)，每個坐標軸(進給軸)都有一套獨立的位置控制器。該位置控制器的作用是:接收CNC插補運算后輸出的位置控制命令，如x、y、z等，經(jīng)相應調(diào)節(jié)運算(位置控制通常是比例調(diào)節(jié)運算)輸出速度控制指令，然后進行相應的變換后(D/A轉(zhuǎn)換)，輸出速度指令電壓給速度控制單元，去控制伺服電動機運行;對于閉環(huán)控制或半閉環(huán)控制，它還要回收實際位置信號和實際速度信號，以供位置和速度閉環(huán)控制運算使用

37、。目前，常用的位置控制模塊有如下類型。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),(1)開環(huán)位置控制模塊 開環(huán)控制系統(tǒng)的驅(qū)動電動機是步進電動機，該控制模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 -11所示。數(shù)字/脈沖變換的功能是將CPU送來的進給指令(數(shù)字量)變換成相應頻率(與進給速度相適應)的指令脈沖量，該功能可用具有計數(shù)器功能的芯片來實現(xiàn)，如8253等;脈沖整形的功能是調(diào)整輸出脈沖的占空比，提高脈沖波形的質(zhì)量，該功能一般由D觸發(fā)器和相應的門電路組成;環(huán)行分配器的功能是將指令脈沖，按步進電動機要求的通電方式(如四相八拍、五相十拍等)進行分配，使之按規(guī)定的方式通電和斷電，從而控制步進電動機旋轉(zhuǎn)。光電隔離器

38、件的功能如前所述。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),(2)閉環(huán)位置控制模塊 閉環(huán)控制系統(tǒng)所使用的驅(qū)動電動機通常是直流伺服電動機、交流伺服電動機，這類驅(qū)動電動機用于位置控制系統(tǒng)時，只能采用閉環(huán)控制，而不能用于開環(huán)控制。所以閉環(huán)位置控制模塊的結(jié)構(gòu)要比開環(huán)的復雜。閉環(huán)位置控制模塊的原理樞圖如圖2 -12所示。由圖可知，該模塊由以下三部分組成:,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),.速度指令電壓轉(zhuǎn)換部分 它由鎖存器、光電隔離器、D/A轉(zhuǎn)換器和方向控制與功率放大器組成。鎖存器接收CPU計算出的速度指令值并進行鎖存，為D/A轉(zhuǎn)換器提供數(shù)據(jù);該數(shù)據(jù)經(jīng)光電隔離器進行電氣隔離

39、;D/A轉(zhuǎn)換器將速度指令值(數(shù)字量)轉(zhuǎn)換成模擬量，經(jīng)功率放大后得到速度指令電壓，由它控制進給速度的大小;進給速度方向的控制則由方向控制電路來實現(xiàn)。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),.位置反饋脈沖回收部分 它由幅值比較電路、倍頻電路、展寬選通電路、光電隔離器和計數(shù)器組成。幅值比較電路接收來自光電脈沖編碼盤的三組脈沖信號(A、A、 B、 B、 Z、Z),輸出A、B、Z三相脈沖。幅值比較電路的作用一是改善脈沖波形的前沿，二是濾掉由長線傳愉而引入的干擾信號;A、 B兩相經(jīng)四倍頻器后，從CK端愉出的波形頻率是A或B的四倍，Q端愉出電動機旋轉(zhuǎn)方向的信號。當A超前B，電動機正向旋轉(zhuǎn)時，Q

40、=0;反之，Q=1。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),此信號作為方向選通信號;CK端愉出的脈沖經(jīng)展寬電路后，送入選通電路，該電路根據(jù)Q的極性分別將反饋脈沖送入正向計數(shù)器或負向計數(shù)器;經(jīng)光電隔離器后，計數(shù)器對反饋脈沖進行計數(shù)，CPU則定時從該計數(shù)器讀取計數(shù)值，經(jīng)運算處理即可得到電動機的實際位移值。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),速度反饋電壓轉(zhuǎn)換部分 進給伺服系統(tǒng)的速度控制單元需要一個速度反饋電壓，以形成速度閉環(huán)。如圖2 -12的右上部分所示，由四倍頻器CK端愉出的脈沖頻率正比于電動機的轉(zhuǎn)速，利用線性的頻率/電壓轉(zhuǎn)換(F/V變換)電路可將該脈沖信號轉(zhuǎn)換成正

41、比于電動機轉(zhuǎn)速的電壓信號，經(jīng)后面的方向控制和功率放大電路變換，即可獲得帶極性的速度反饋電壓信號Vg。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),圖2 -12所示的閉環(huán)位置控制模塊是不帶CPU的，因此，位置環(huán)的調(diào)節(jié)運算是CNC系統(tǒng)的CPU進行的，由于時間的限制，調(diào)節(jié)運算的算法只能采用較簡單的，以滿足CNC系統(tǒng)實時性的要求，一般采用比例調(diào)節(jié)。現(xiàn)在也有些位置控制模塊自帶CPU，則調(diào)節(jié)運算就在模塊內(nèi)進行，因而具有較大的靈活性，它可利用CPU的處理能力，采用一些調(diào)節(jié)效果好的算法，如比例加前饋算法、變結(jié)構(gòu)算法、模糊控制算法等，以提高進給伺服系統(tǒng)的性能。,返回,下一頁,上一頁,第二節(jié) CNC系統(tǒng)的

42、硬件結(jié)構(gòu),8.功能接口模塊 該模塊是實現(xiàn)用戶特定功能要求的接口板，如對仿形數(shù)控銑床需增加仿形控制器、激光切割機的焦點自動跟蹤功能(Z軸浮動控制器)、刀具監(jiān)控系統(tǒng)中的信號采集器等。所有增加的功能，必須在CNC系統(tǒng)中增加相應的接口板才能實現(xiàn)。就目前的情況而言，用戶特殊的功能要求，必須向CNC系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家定制，一般來講，用戶是無法自行開發(fā)的。其原因是由于現(xiàn)在的CNC系統(tǒng)是封閉的，而不是開放的?，F(xiàn)在數(shù)控技術的發(fā)展趨勢之一就是研究開放式結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)，一旦研制成功并推廣使用，用戶即可根據(jù)自己的要求來增減CNC系統(tǒng)的功能，這正是人們所追求的目標。,返回,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),CNC系統(tǒng)

43、軟件是一個典型而又復雜的實時系統(tǒng)，它的許多控制任務是由軟件實現(xiàn)的。從邏輯上講，這些任務可看成是一個個功能模塊，模塊之間存在著耦合關系;從時間上來講，各功能模塊之間存在一個時序配合問題。在設計CNC系統(tǒng)軟件時，如何組織和協(xié)調(diào)這些功能模塊，使之滿足一定的時序及邏輯關系，就是CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)要考慮的問題。,返回,下一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),一、CNC系統(tǒng)軟件、硬件功能界面 CNC系統(tǒng)是由軟件和硬件組成的，硬件為軟件的運行提供支持環(huán)境。在信息處理方面，軟件與硬件在邏輯上是等價的，即硬件能完成的功能從理論上講也可以用軟件來完成，但是，硬件和軟件在實現(xiàn)這種功能時各有不同的特點: 硬件處理速度快

44、，但靈活性差，實現(xiàn)復雜控制的功能困難; .軟件設計靈活，適應性強，但處理速度相對較慢。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),因此，哪些功能應由硬件實現(xiàn)，哪些功能應由軟件實現(xiàn)，即如何合理確定軟件、硬件的功能分擔是CNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計的重要任務。這就是所謂的軟件和硬件的功能界面劃分的概念。通常功能界面劃分的準則是系統(tǒng)的性能價格比。圖2 -13是數(shù)控系統(tǒng)功能界面的幾種劃分方法。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),這四種功能界面是CNC系統(tǒng)在不同時期、不同產(chǎn)品的劃分。其中后面兩種是現(xiàn)在的CNC系統(tǒng)常用的兩種方案。由圖可知，劃分方案從，軟件所承擔的任務越來越多，硬件承擔的

45、任務越來越少。這主要是因為計算機技術在數(shù)控領域的廣泛應用，并且隨著計算機技術的發(fā)展，計算機的運算處理能力不斷增強，使軟件的運行效率大大提高，這就為用軟件實現(xiàn)數(shù)控功能提供了技術上的支持;另一方面，隨著數(shù)控技術的發(fā)展，人們對數(shù)控功能的要求也越來越高，若用硬件來實現(xiàn)這些功能不僅結(jié)構(gòu)復雜，而且柔性差，有時甚至不可能，而用軟件實現(xiàn)則具有較大的靈活性。因而用相對較少且標準化程度高的硬件，配以功能豐富的軟件模塊，構(gòu)成CNC系統(tǒng)是當今數(shù)控技術發(fā)展的趨勢。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),二、CNC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 CNC系統(tǒng)軟件的主要任務之一就是如何將由零件加工程序表達的加工信息，變換成

46、各進給軸的位移指令、主軸轉(zhuǎn)速指令和輔助動作指令，控制加工設備的軌跡運動和邏輯動作，加工出符合要求的零件。其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程如圖2 -14所示。下面我們將以直線加工為例，從數(shù)據(jù)流的角度來考查CNC系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程(圓弧以及其他曲線加工的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程大致是相同的)。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),1.譯碼(解釋) 譯碼程序的主要功能是將用文本格式(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)。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來描述一個程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。它主要包括X、Y、 Z等坐標值，進給速度，主軸轉(zhuǎn)速，G代碼，M代碼

47、，刀具號，子程序處理和循環(huán)調(diào)用處理等數(shù)據(jù)或標志的存放順序和格式。一個譯碼緩沖區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的例子如下:,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),在程序中一般都有若干個由這種結(jié)構(gòu)組成的程序緩沖區(qū)組，當前程序段被解釋完后便將該段的數(shù)據(jù)信息送人緩沖區(qū)組中空閑的一個。后續(xù)程序(如刀補程序)從該緩沖區(qū)中獲取程序信息進行工作。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2.刀補處理 用戶零件加工程序通常是按零件輪廓編制的，而數(shù)控機床在加工過程中控制的是刀具中心軌跡，因此在加工前必須將零

48、件輪廓變換成刀具中心的軌跡。刀補處理就是完成這種轉(zhuǎn)換的程序，它主要進行以下幾項工作: 根據(jù)絕對坐標(G90)或增量坐標(G91)，計算零件輪廊的終點坐標值;,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),.根據(jù)刀具半徑和刀具半徑補償?shù)姆较?G41 /42 )，計算刀具半徑補償后本段刀具中心軌跡的終點坐標值; .根據(jù)本段與前段的連接關系，進行段間連續(xù)處理。 經(jīng)刀補處理程序轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存放在刀補緩沖區(qū)中，以供后續(xù)程序之用。刀補緩沖區(qū)與譯碼緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)相似，這里不再贅述。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),3.速度預處理 該程序主要功能是根據(jù)加工程序給定的進給速度，計算在每個插

49、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兒步計算: (1)計算本段總位移量 對直線則計算其合成位移量，對圓弧就計算其總角位移量。這個數(shù)據(jù)供插補程序判斷減速起點或終點之用。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),(2)計算每個插補周期內(nèi)的合成進給量 L=Ft/60 式中，F(xiàn)是進給速度值(mm/min)，t是數(shù)控系統(tǒng)的插補周期(ms)。 經(jīng)速度預處理程序轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存放在插補緩沖區(qū)中，以供插補程序之用。以上兩步有時統(tǒng)稱插補預處理。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),4.插補計算 本程序以系統(tǒng)規(guī)定的插補周期vt定時運行，其主要功能是: (1)根據(jù)操

50、作面板上“進給修調(diào)”開關的設定值，計算本次插補周期的實際合成位移量: L1= L x 修調(diào)值 (2)將 L1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，作為各進給軸的位置控制指令( xi, yi ,)。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。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),5.位置控制處理 位置控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程如圖2-15所示。位置控制處理主要進行各進給軸跟隨誤差(x3, y3)的計算，并進行調(diào)節(jié)處理，其輸出為位移速度控制指令(vx,vy)。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),位置控制完成以下幾步計算。 (1)計

51、算新的位置指令坐標值 (2)計算新的位置實際坐標值,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),(3)計算跟隨誤差(指令位置值一實際位置值) (4)計算速度指令值 這里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)中是采用硬件來實現(xiàn)的。 vx、vy送給伺服驅(qū)動單元，控制電動機驅(qū)動兩執(zhí)行部件以某一速度移動一個距離，以實現(xiàn)CNC系統(tǒng)的軌跡控制。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),三、CNC系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)特點 CNC系統(tǒng)是典型的實時控制系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件則可看成是一個專用實時操作系統(tǒng)，由于其應用領域是工業(yè)控制領域，因此必須滿足該領域?qū)刂葡?/p>

52、統(tǒng)的要求。分析和了解這些要求是至關重要的，因為它既是系統(tǒng)設計和將來軟件測試的重要依據(jù)，也是確定系統(tǒng)功能和性能要求的過程。同時，這些要求也就是CNC系統(tǒng)軟件的特點。通過分析，目前CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的特點主要有:,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),1.多任務性與并行處理技術 (1) CNC系統(tǒng)的多任務性所謂任務就是可并行執(zhí)行的程序在一個數(shù)據(jù)集合上的運行過程。因此，CNC的功能則可定義為CNC的任務。CNC的任務通?？煞譃閮纱箢?管理任務和控制任務。管理任務主要承擔系統(tǒng)資源管理和系統(tǒng)各子任務的調(diào)度，負責系統(tǒng)的程序管理、顯示、診斷等子任務;控制任務主要完成CNC的基本功能，如譯碼、刀

53、具補償、速度預處理、插補運算、位置控制等任務。CNC系統(tǒng)在工作中這些任務不是順序執(zhí)行的，而往往需要多任務并行處理。如:,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),.當機床正在加工時(執(zhí)行控制任務)，CRT要實時顯示加工狀態(tài)(管理任務)，這是控制任務與管理的并行; .在管理任務中也是如此，當用戶將程序輸入系統(tǒng)時，CRT便實時顯示輸入的內(nèi)容; .在控制任務中更是如此，為了保證加工的連續(xù)性，刀具補償、速度處理、插補運算以及位置控制必須同時不間斷執(zhí)行。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),(2)基于并行處理的多任務調(diào)度技術并行處理是指軟件系統(tǒng)在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)完成兩個

54、或兩個以上任務處理的方法。采用并行處理技術的目的是為了提高CNC系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)的處理速度。并行處理的實現(xiàn)方式是與CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)密切相關的。在CNC系統(tǒng)中常采用以下方法。 .資源分時共享對單CPU系統(tǒng)，采用“分時”來實現(xiàn)多任務的并行處理。其方法是:,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),在一定的時間長度(通常稱為時間片)內(nèi)，根據(jù)系統(tǒng)各任務的實時性要求程度，規(guī)定它們占用CPU的時間，使它們按規(guī)定順序和規(guī)則分時共享系統(tǒng)的資源。因此，在采用“資源分時共享”并行處理技術的CNC系統(tǒng)中，首先要解決各任務占用CPU(資源)時間的分配原則。該原則解決如下兩個問題:其一是各任務何時占

55、用CPU，即任務的優(yōu)先級分配問題。其二是各任務占用CPU的時間長度，即時間片的分配問題。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),一般地，在單CPU的CNC系統(tǒng)中，通常采用循環(huán)調(diào)度和優(yōu)先搶占調(diào)度相結(jié)合的方法來解決上述問題。圖2-16是一個典型CNC系統(tǒng)多任務分時共享CPU的時間分配圖。 為了簡單起見，假定某CNC系統(tǒng)軟件將其功能僅分為三個任務:位置控制、插補運算和背景程序。這三個任務的優(yōu)先級從上到下逐步下降，即位置控制優(yōu)先級最高，插補運算其次，背景程序(主要包括實時性要求相對不高的一些子任務)相對最低。系統(tǒng)規(guī)定:位置控制任務每4 ms執(zhí)行一次，插補運算每8 ms執(zhí)行一次，則兩個任務

56、都由定時中斷激活。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),當位置控制和插補運算都不執(zhí)行時便執(zhí)行背景程序，正因為如此才稱其為“背景”程序。系統(tǒng)的運行是:在完成初始化后，自動進入背景程序，在背景程序中采用循環(huán)調(diào)度的方式，輪流反復地執(zhí)行各個子任務。優(yōu)先級高的任務(如位置控制或插補運算任務)可以隨時中斷背景程序的運行。同樣位置控制也可中斷插補運算的運行，因為在這里位置控制任務的優(yōu)先級最高。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),各任務在運行中占用CPU的時間如圖2-16 (b)所示。在圖中，粗實線表示任務對CPU的中斷請求;兩粗實線之間的長度表示該任務的執(zhí)行周期;不同顏色深

57、度的陰影部分表示各任務占用CPU的時間長度。由圖可以看出:在任何一個時刻只有一個任務占用CPU;從一個時間片(如8 ms或16 ms)來看，CPU并行地執(zhí)行了三個任務。 因此，資源分時共享的并行處理只具有宏觀上的意義，即從微觀上來看，各個任務還是順序執(zhí)行的。圖2-16 (b)清楚地說明了資源分時共享的意義和內(nèi)涵。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),.并發(fā)處理和流水處理 在多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，根據(jù)各任務之間的關聯(lián)程度，可采用以下兩種策略來提高系統(tǒng)處理速度。其一，如果任務之間的關聯(lián)程度不高，則可將這些任務分別安排一個CPU，讓其同時執(zhí)行，即所謂的“并發(fā)處理”;其二，如果各

58、任務之間的關聯(lián)程度較高，即一個任務的愉出是另一個任務的愉入，則可采取流水處理的方法來實現(xiàn)并行處理。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),流水處理技術是利用重復的資源( CPU)，將一個大的任務分成若干個子任務(任務的分法與資源重復的多少有關)，這些小任務是彼此關聯(lián)的，然后按一定的順序安排每個資源執(zhí)行一個任務，就像在一條生產(chǎn)線上分不同工序加工零件的流水作業(yè)一樣。例如，前面所述的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程的插補準備是由譯碼、刀補處理、速度預處理三個任務組成的。如果每個任務的處理時間分別為t1、t2 、t3，若以順序方式處理每個程序段，那么一個程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間將是t = t1 + t2 + t

59、3，其時間空間關系如圖2-17 ( a)所示。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),可以看出，兩個程序段的輸出之間將有一個時間長度為t的時間間隔，這個時間間隔越長，CNC系統(tǒng)的控制性能就越差，因此應盡量縮短這個時間間隔。采用流水處理方式是解決上述問題的有效方法，流水處理方式的時間空間關系如圖2-17 ( b)所示。采用流水處理方式兩個程序段的輸出之間的時間間隔僅為t3 ，大大縮短了輸出時的時間間隔。另外，由圖還可看出，在任何一個時刻(除開始和結(jié)束外)均有兩個或兩個以上的任務在并發(fā)執(zhí)行。綜上所述，流水處理的關鍵是時間重疊，是以資源重復的代價換得時間上的重疊，或者說以空間復雜性的代價換得時間上的快速性。,返回,下一頁,上一頁,第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2.實時性和優(yōu)先搶占調(diào)度機制 實時性是指某任務的執(zhí)行有嚴格的時間要求，即必須在系統(tǒng)的規(guī)定時間內(nèi)完成，否則將導致執(zhí)行結(jié)果錯誤和系統(tǒng)故障。,返回,下一