1、上午6時51分2005年4月20日星期三,數(shù)控技術(shù),計算機數(shù)控裝置,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),第三章 計算機數(shù)控裝置,本章主要內(nèi)容： 了解數(shù)控裝置的組成 熟悉數(shù)控裝置的硬件 熟悉數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 掌握插補原理 掌握刀具半徑補償原理 了解數(shù)控系統(tǒng)的故障診斷功能 了解可編程控制器,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1 概述,了解下面內(nèi)容： CNC裝置的組成 CNC裝置的工作過程 CNC裝置的優(yōu)點 CNC裝置的功能,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.1 CNC裝置的組成,從自動控制的角度來看，CNC系統(tǒng)是一種位置（軌跡）控制系統(tǒng)，其本質(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

2、控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)。 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。,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.1 CNC裝置的組成,CNC系統(tǒng)硬件的層次結(jié)構(gòu) 由計算機基本系統(tǒng)、設(shè)備支持層、設(shè)備層三部分組成,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.1 CNC裝置的組成,CNC系統(tǒng)軟件的功能結(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(wù)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)活的靈魂。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3-2所示,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.1 CNC裝置的組成,操作

3、系統(tǒng),管理軟件,控制軟件,零,件,程,序,管,理,顯,示,處,理,人,機,交,互,交,互,位,置,控,制,輸,入,輸,出,管,理,插,補,運,算,故,障,診,斷,處,理,速,度,處,理,機,床,輸,入,輸,出,編,譯,處,理,主,軸,控,制,刀,具,半,徑,補,償,.,.,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.1 CNC裝置的組成,CNC硬件軟件的作用和相互關(guān)系 CNC裝置的系統(tǒng)軟件在系統(tǒng)硬件的支持下，合理地組織、管理整個系統(tǒng)的各項工作，實現(xiàn)各種數(shù)控功能，使數(shù)控機床按照操作者的要求，有條不紊地進(jìn)行加工。 CNC系統(tǒng)的硬件和軟件構(gòu)成了CNC系統(tǒng)的系統(tǒng)平臺，如圖3-3所示,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3

4、.1.1 CNC裝置的組成,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.2 CNC裝置的工作過程,數(shù)控系統(tǒng)加工零件的過程： 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，用代碼按照規(guī)定的規(guī)則和格式編制程序 數(shù)控系統(tǒng)按照程序的要求，進(jìn)行相應(yīng)的運算、處理 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出控制命令，使各坐標(biāo)軸、主軸以及輔助動作之間相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)刀具與工件之間的相對運動，自動完成零件的加工,上午6時51分,數(shù)控技術(shù), 3.1.2 CNC裝置的工作過程,CNC裝置對輸入程序的加工和處理過程 逼近處理 將曲線進(jìn)行逼近處理，將其分解為微線段 插補運算 將微線段進(jìn)行分解，獲得各個軸上的進(jìn)給分量 指令輸出 根據(jù)各

5、軸的進(jìn)給分量，發(fā)送指令協(xié)調(diào)各軸運動 注意： 插補時，每次進(jìn)給的時間一般固定,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.3 CNC裝置的優(yōu)點,具有靈活性和通用性 CNC裝置的功能大多由軟件實現(xiàn)，且軟硬件采用模塊化的結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)功能的修改、擴充變得較為靈活 CNC裝置其基本配置部分是通用的，不同的數(shù)控機床僅配置相應(yīng)的特定的功能模塊，以實現(xiàn)特定的控制功能,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.3 CNC裝置的優(yōu)點,數(shù)控功能豐富 插補功能：二次曲線、樣條、空間曲面插補 補償功能：運動精度補償、隨機誤差補償、非線性誤差補償?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、籃圖編程、部分自

6、動編程功能,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.3 CNC裝置的優(yōu)點,可靠性高 CNC裝置采用集成度高的電子元件、芯片、采用VLSI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(hù)功能(大多由軟件實現(xiàn))，從而可使系統(tǒng)的故障發(fā)生的頻率和發(fā)生故障后的修復(fù)時間降低,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.3 CNC裝置的優(yōu)點,使用維護(hù)方便 操作使用方便：用戶只需根據(jù)菜單的提示，便可進(jìn)行正確操作 編程方便：具有多種編程的功能、程序自動校驗和模擬仿真功能 維護(hù)維修方便：部分日常維護(hù)工作自動進(jìn)行(潤滑，關(guān)鍵部件的定期檢查等)，數(shù)控機床的自診斷功能，可迅速實現(xiàn)故障準(zhǔn)確定位,上午6時5

7、1分,數(shù)控技術(shù),3.1.3 CNC裝置的優(yōu)點,易于實現(xiàn)機電一體化 數(shù)控系統(tǒng)控制柜的體積?。ú捎糜嬎銠C，硬件數(shù)量減少；電子元件的集成度越來越高，硬件的不斷減?。蛊渑c機床在物理上結(jié)合在一起成為可能，減少占地面積，方便操作,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.4 CNC裝置的功能,CNC裝置的功能是指滿足用戶操作和機床控制要求的方法和手段。數(shù)控裝置的功能包括基本功能和選擇功能 基本功能數(shù)控系統(tǒng)基本配置的功能，即必備功能 選擇功能用戶可根據(jù)實際要求選擇的功能,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.4 CNC裝置的功能,控制功能 CNC能控制和能聯(lián)動控制的進(jìn)給軸數(shù) CNC的進(jìn)給軸分類： 移動軸（X、Y、Z

8、）和回轉(zhuǎn)軸（A、B、C） 基本軸和附加軸（U、V、W） 聯(lián)動控制軸數(shù)越多，CNC系統(tǒng)就越復(fù)雜，編 程也越困難,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.4 CNC裝置的功能,準(zhǔn)備功能（G功能） 指令機床動作方式的功能,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.4 CNC裝置的功能,插補功能和固定循環(huán)功能 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 固定循環(huán)功能是數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)典型加工循環(huán)（如：鉆孔、攻絲、鏜孔、深孔鉆削和切螺紋等）的功能,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.4 CNC裝置的功能,進(jìn)給功能 進(jìn)給速度的控制功能 進(jìn)給速度 控制刀具相對工件的運動速度，單位為mm/min 同步進(jìn)給速度

9、 實現(xiàn)切削速度和進(jìn)給速度的同步，單位為 mm/r 進(jìn)給倍率（進(jìn)給修調(diào)率）人工實時修調(diào)預(yù)先給定的進(jìn)給速度,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.4 CNC裝置的功能,主軸功能 數(shù)控系統(tǒng)的主軸的控制功能 主軸轉(zhuǎn)速主軸轉(zhuǎn)速的控制功能，單位為r/min 恒線速度控制刀具切削點的切削速度為恒速的控制功能 主軸定向控制主軸周向定位于特定位置控制的功能 C軸控制主軸周向任意位置控制的功能 主軸修調(diào)率人工實時修調(diào)預(yù)先設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速。,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.4 CNC裝置的功能,輔助功能（M功能） 用于機床輔助操作的功能,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.4 CNC裝置的功能,刀具管理功能 實現(xiàn)對刀具幾

10、何尺寸和壽命的管理功能 刀具幾何尺寸（半徑和長度），供刀具補償功能使用 刀具壽命是指時間壽命，當(dāng)?shù)毒邏勖狡跁r，CNC系統(tǒng)將提示用戶更換刀具 CNC系統(tǒng)都具有刀具號（T）管理功能，用于標(biāo)識刀庫中的刀具和自動選擇加工刀具,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.4 CNC裝置的功能,補償功能 刀具半徑和長度補償功能： 實現(xiàn)按零件輪廓編制的程序控制刀具中心軌跡的功能。 傳動鏈誤差：包括螺距誤差補償和反向間隙誤差補償功能。 非線性誤差補償功能：對諸如熱變形、靜態(tài)彈性變形、空間誤差以及由刀具磨損所引起的加工誤差等，采用AI、專家系統(tǒng)等新技術(shù)進(jìn)行建模，利用模型實施在線補償,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.4

11、 CNC裝置的功能,人機對話功能 菜單結(jié)構(gòu)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,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.4 CNC裝置的功能,自診斷功能 CNC自動實現(xiàn)故障預(yù)報和故障定位的功能 開機自診斷 在線自診斷 離線自診斷 遠(yuǎn)程通訊診斷,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.1.4 CNC裝置的功能,通訊功能 CNC與外界進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換的功能 RS232C接口，可傳送零件加工程序 DNC接口，可實現(xiàn)直接數(shù)控 MAP(制造自動化協(xié)議)模塊 網(wǎng)卡：適應(yīng)FMS、CIMS、IMS等制造系統(tǒng)集成的要求,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)

12、,主要內(nèi)容 了解CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（單機和多機） 了解CNC裝置中各個模塊及其功能（主板和總線、顯卡、輸入輸出模塊、存儲模塊、設(shè)備輔助接口模塊、位置控制模塊 了解CNC裝置中兩類多主結(jié)構(gòu)：共享總線結(jié)構(gòu)和共享存儲器結(jié)構(gòu),上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.2.1 概述,CNC裝置從它的硬件組成結(jié)構(gòu)來看，若按其中含有CPU的多少來分，可分為下面幾類:,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),單機系統(tǒng): 整個CNC裝置只有一個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NC功能。 主從結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中只有一個CPU(稱為主CPU)對系統(tǒng)的資源有控制和使用權(quán)其它帶CPU的功能部件，只能接受主CPU的控

13、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)。即它是處于以從屬地位的，故稱之為主從結(jié)構(gòu)。,3.2.1 概述,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),多機系統(tǒng): CNC裝置中有兩個或兩個以上的CPU，即系統(tǒng)中的某些功能模塊自身也帶有CPU，根據(jù)部件間的相互關(guān)系又可將其分為： 多主結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)中有兩個或兩個以上帶CPU的模塊部件對系統(tǒng)資源有控制或使用權(quán)。模塊之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過仲裁器來解決總線爭用問題，通過公共存儲器進(jìn)行交換信息。 分布式結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)有兩個或兩個以上帶CPU的功能模塊，各模塊有自己獨立的運行環(huán)境，模塊間采用松耦合，且采用通訊方式交換信息。,3.2.1 概述,上午6時51分

14、,數(shù)控技術(shù),CNC裝置是按模塊化設(shè)計的方法構(gòu)造的 模塊化設(shè)計方法：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,并配上相應(yīng)的驅(qū)動軟件。系統(tǒng)設(shè)計時按功能的要求選擇不同的功能模塊，并將其插入控制單元母板上，即可組成一個完整的控制系統(tǒng)的方法。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。,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),優(yōu)點： 實現(xiàn)CNC系統(tǒng)模塊化設(shè)計的條件是總線(BUS)標(biāo)準(zhǔn)化。 采用模塊化結(jié)構(gòu)時，CNC系統(tǒng)設(shè)計工作則可歸結(jié)為功能模塊的合理選用。,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),CNC 系統(tǒng)硬件框圖,

15、3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),計算機主板和系統(tǒng)總線(母板) 計算機主板是CNC裝置的核心。 功能結(jié)構(gòu)： CPU及其外圍芯片； 內(nèi)存單元、cache及其外圍芯片； 通訊接口(串口，并口，鍵盤接口)。 軟、硬驅(qū)動器接口,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),計算機主板的主要作用：對輸入到CNC裝置中的種種數(shù)據(jù)、信息(零件加工程序，各種I/O信息等)進(jìn)行相應(yīng)的算術(shù)和邏輯運算。并根據(jù)其處理結(jié)果，向各功能模塊發(fā)出控制命令，傳送數(shù)據(jù)，使用戶的指令得以執(zhí)行。,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),系統(tǒng)總線(母板

16、)：由一組傳送數(shù)字信息的物理導(dǎo)線組成，它是計算機系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)或信息交換的通道： 數(shù)據(jù)總線 地址總線： 控制總線： 工業(yè)用PC機的總線母板是獨立的無源四層板（走線面、元件面、電源層和地線層），它的可靠性高于兩層板。其規(guī)格有6槽、8槽、12槽、14槽等。,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),顯示模塊(顯示卡) 顯示卡的主要作用：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)生CRT顯示器所需要的視頻信號，在CRT上產(chǎn)生所需要的畫面。,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),在CNC裝置中，CRT顯示是一個非常重

17、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，可使用戶能快速地熟悉適應(yīng)其操作過程。 顯示卡是一個通用性很強的模塊。它不僅隨時可以在市場上買到，而且它還有非常豐富的支持軟件，因此無需用戶自己開發(fā)。,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),輸入/出模塊(多功能卡) 它是CNC裝置與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的接口板，即CNC裝置通過該接口可以從輸入設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，也可以將CNC裝置中的數(shù)據(jù)送給輸出設(shè)備。 該模塊也是標(biāo)準(zhǔn)的PC機模塊，一般不需要用戶自己開發(fā)。如果計算機主板選用的是 ALL-IN-ONE 主板，則此板可省略。,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的

18、功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),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算機系統(tǒng)，它是CNC裝置的核心，從某種意義上講， CNC裝置的檔次和性能是由它決定的。因此，CNC裝置中計算機系統(tǒng)的合理選用是至關(guān)重要的。,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),電子盤(存儲模塊) 電子盤是CNC裝置特有的存儲模塊。在CNC裝置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(jìn)給軸數(shù)，軸的定義，系統(tǒng)增益等)； 用戶的零件加工程序。,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),計算機領(lǐng)域所用存儲

19、器件有三類： 磁存儲器件，如：軟/硬磁盤（讀/寫）。 光存儲器件，如：光盤（只讀）。 電子（半導(dǎo)體）存儲器件，如 RAM、ROM、FLASH等。 前兩類一般用作外存儲器，其特點是容量大，價格低。,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),電子存儲器件一般用作內(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 只讀存儲元件（ROM、PROM、EPROM） 易失性隨機讀寫存儲元件（RAM）。 非易失性讀寫存儲元件。這類器件有： E2PROM；FLASH；帶后備電池的RAM。,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),在CNC裝置中，常

20、采用電子存儲器件作為外存儲器，主要是考慮到CNC裝置的工作環(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一些。 因電子器件組成的存儲單元是按磁盤的管理方式進(jìn)行的，故稱其為電子盤。 電子盤的規(guī)格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB等。,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),PLC(Programmable Logic Controller) 模塊 PLC模塊：CNC裝置實現(xiàn)順序控制的模塊。 PLC模塊的作用：接收來自操作面板、機床上的各行程開關(guān)、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(guān)信號，經(jīng)處理

21、后輸出去控制相應(yīng)器件的運行。 CNC裝置與被控設(shè)備交換的信息有三類： 開關(guān)信號、模擬信號、脈沖信號。,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),上述信號由于其類型、電平、功率以及抗干擾的原因，一般不能直接與CNC裝置相聯(lián)，需要一個接口對這些信號進(jìn)行變換處理。,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),PLC模塊變換處理其目的： 滿足CNC系統(tǒng)的輸入輸出要求。信號轉(zhuǎn)換主要包括以下幾個方面： 電平轉(zhuǎn)換； A/D、D/A轉(zhuǎn)換； 數(shù)字量與脈沖量相互轉(zhuǎn)換； 功率匹配； 阻斷外部的干擾信號進(jìn)入計算機，在電氣上將CNC裝置與外部信號進(jìn)行隔離，以提高CNC裝

22、置運行的可靠性。,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),PMC模塊實現(xiàn)方式有以幾種： 簡單I/O接口板：,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),PLC（Programmable Logic Controller）控制：它是目前CNC系統(tǒng)用得最廣泛的方式。,第二節(jié) CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu),3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),CNC機床用的PLC一般分為兩類： 內(nèi)裝型（Built-in Type）PLC（或集成式、內(nèi)含式）。 獨立型（Stand-alone Type）PLC（或通用型）,3.2.2 單機或

23、主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),位置控制模塊 位置控制模塊是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)軌跡控制時，CNC裝置與伺服驅(qū)動系統(tǒng)連接的接口模塊。 常用的位置控制模塊有： 開環(huán)位置控制模塊：CNC裝置與步進(jìn)電機驅(qū)動電源的接口； 閉環(huán)（含半閉環(huán)）位置控制模塊： CNC裝置與直流、交流伺服驅(qū)動裝置的接口。,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),功能接口模塊 實現(xiàn)用戶特定功能要求的接口板， 實例： 仿形控制器接口； 激光加工焦點自動跟蹤器接口； 刀具監(jiān)控系統(tǒng)中的信號采集器接口板。,3.2.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),華中

24、型數(shù)控系統(tǒng)是我國為數(shù)不多具有自主版權(quán)的高性能數(shù)控系統(tǒng)之一。它以通用的工業(yè)PC機（IPC）為基礎(chǔ)，采用開放式的體系結(jié)構(gòu)，從而使華中型數(shù)控系統(tǒng)的可靠性和質(zhì)量得到了保證。它適合多坐標(biāo)(2-5)數(shù)控鏜銑床和加工中心，在增加相應(yīng)的軟件模塊后，也可適應(yīng)于其它類型的數(shù)控機床(數(shù)控磨床、車床、齒輪加工機床等)以及特種加工機床（激光加工機、線切割機等）。,3.2.3 華中型數(shù)控系統(tǒng)(硬件)簡介,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),采用模擬式交流/直流伺服單元,3.2.3 華中型數(shù)控系統(tǒng)(硬件)簡介,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),采用數(shù)字式交流伺服單元,3.2.3 華中型數(shù)控系統(tǒng)(硬件)簡介,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),教學(xué)型(

25、經(jīng)濟型)數(shù)控系統(tǒng),3.2.3 華中型數(shù)控系統(tǒng)(硬件)簡介,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),多主CPU結(jié)構(gòu)中，有兩個或兩個以上的CPU部件，部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過總線仲裁器(由硬件和軟件組成)來解決總線爭用問題，通過公共存儲器來進(jìn)行信息交換。,3.2.4 多主結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)硬件簡介,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),多主結(jié)構(gòu)的特點： 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)重組仍可斷繼續(xù)工作 多主結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式： 共享總線結(jié)構(gòu)型 共享存儲器結(jié)構(gòu)型。,3.2.4 多主結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)硬件簡介,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),共享

26、總線結(jié)構(gòu)：,3.2.4 多主結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)硬件簡介,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),結(jié)構(gòu)特征： 功能模塊分為帶有CPU或DMA的主模塊和從模塊(RAM/ROM，I/O模塊)， 以系統(tǒng)總線為中心，所有的主、從模塊都插在嚴(yán)格定義的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線上， 采用總線仲裁機構(gòu)(電路)來裁定多個模塊同時請求使用系統(tǒng)總線的競爭問題。,3.2.4 多主結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)硬件簡介,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),共享總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點 結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)組配靈活、成本相對較低、可靠性高 共享總線結(jié)構(gòu)的缺點 總線是系統(tǒng)的“瓶頸”，一旦系統(tǒng)總線出現(xiàn)故障，將使整個系統(tǒng)受到影響； 由于使用總線要經(jīng)仲裁，使信息傳輸率降低。,3.2.4 多主結(jié)構(gòu)的

27、CNC系統(tǒng)硬件簡介,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),共享存儲器結(jié)構(gòu),3.2.4 多主結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)硬件簡介,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),結(jié)構(gòu)特征： 面向共公存儲器來設(shè)計的，即采用多端口來實現(xiàn)各主模塊之間的互連和通訊， 采用多端口控制邏輯來解決多個模塊同時訪問多端口存儲器沖突的矛盾。 由于多端口存儲器設(shè)計較復(fù)雜，而且對兩個以上的主模塊，會因爭用存儲器可能造成存儲器傳輸信息的阻塞，所以這種結(jié)構(gòu)一般采用雙端口存儲器（雙端口RAM）。,3.2.4 多主結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)硬件簡介,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.3 CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu),CNC系統(tǒng)軟件是一個典型而又復(fù)雜的實時系統(tǒng)。本節(jié)將首先介紹系統(tǒng)軟硬件界面的關(guān)系

28、，然后從系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)流的角度來分析CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程，并從多任務(wù)性和實時性的角度來分析CNC系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)特點，最后介紹一個典型CNC裝置系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)。,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),軟件與硬件在實現(xiàn)各種功能的特點和關(guān)系 關(guān)系：從理論上講，硬件能完成的功能也可以用軟件來完成。從實現(xiàn)功能的角度看，軟件與硬件在邏輯上是等價的。 特點： 硬件處理速度快，但靈活性差，實現(xiàn)復(fù)雜控制的功能困難。 軟件設(shè)計靈活，適應(yīng)性強，但處理速度相對較慢。,3.3.1 CNC裝置軟件和硬件的功能界面,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),軟件、硬件實現(xiàn)功能的分配就是軟件硬件功能界面劃分。 功能界面劃分的準(zhǔn)則：系統(tǒng)的性能價格比,一、

29、CNC裝置軟件和硬件的功能界面,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),數(shù)控系統(tǒng)功能界面的幾種劃分：,一、CNC裝置軟件和硬件的功能界面,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),CNC裝置系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)：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)速指令和輔助動作指令，控制加工設(shè)備的軌跡運動和邏輯動作，加工出符合要求的零件。,3.3.2 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),CNC裝置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程示意圖,3.3.2 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),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（本例是指刀補處理

30、程序）所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式）。,3.3.2 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示例： Struct PROG_BUFFER char buf_state； /緩沖區(qū)狀態(tài)，0 空；1 準(zhǔn)備好。 int block_num； /以BCD碼的形式存放本程序段號。 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。 char D； /存放刀具補償?shù)?/p>

31、刀具半徑值。 ；,3.3.2 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),以標(biāo)志形式存放G指令示例,3.3.2 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),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(jìn)行的。該緩沖區(qū)由若干個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成，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。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(jìn)行工作。,3.3.2 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200 ； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - Struct PROG_BUFFER

32、 char buf_state； 0：(開始)；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） char D； D=11（D11） ；,3.3.2 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),刀補處理的主要工作： 根據(jù)G90/G91計算零件輪廓的終點坐標(biāo)值。 根據(jù)R和G41/42，計算本段刀具中心軌跡的終點（Pe/Pe）坐標(biāo)值。 根據(jù)本

33、段與前段連接關(guān)系，進(jìn)行段間連接處理。,. 刀補處理(計算刀具中心軌跡),Pe（200，300）,X,R,P0（72，48）,Pe”,Pe,G41,G42,Y,3.3.2 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),速度預(yù)處理 主要功能是根據(jù)加工程序給定的進(jìn)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。,3.3.2 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),速度處理程序主要完成以下幾步計算： 計算本段總位移量： 直線：合成位移量L； 園?。嚎偨俏灰屏?。 該數(shù)供插補程序判斷減速起點和終點之用。 計算每個插補周期內(nèi)的合成進(jìn)給量： L= F*t/60 （m） 式中：F-進(jìn)

34、給速度值（mm/min）；t-數(shù)控系統(tǒng)的插補周期（ms）,3.3.2 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),插補計算 主要功能： 根據(jù)操作面板上“進(jìn)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： L1=L*修調(diào)值 將L1按插補的線形（直線，園弧等）和本插補點所在的位置分解到各個進(jìn)給軸，作為各軸的位置控制指令（X1、Y1）。 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t定時運行。,3.3.2 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),位置控制處理,3.3.2 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),位置控制

35、完成以下幾步計算： 計算新的位置指令坐標(biāo)值： X1新= X1舊+X1；Y1新= Y1舊 +Y1； 計算新的位置實際坐標(biāo)值： X2新= X2舊+X2；Y2新= Y2舊 +Y2 計算跟隨誤差(指令位置值 實際位置值)： X3= X1新- X2新； Y3= Y1新- Y2新； 計算速度指令值： VX=f（X3）； VY=f（Y3）,3.3.2 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),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，控制電機運行，實現(xiàn)CNC裝置的軌跡控制,3.3.2 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程,上午6

36、時51分,數(shù)控技術(shù),CNC系統(tǒng)是典型的實時控制系統(tǒng)。CNC裝置的系統(tǒng)軟件則可看成是一個專用實時操作系統(tǒng)。由于其應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)控制領(lǐng)域（多任務(wù)性、實時性），因此，分析和了解這些要求是至關(guān)重要的，因為它既是系統(tǒng)設(shè)計和將來軟件測試的重要依據(jù)，也是確定系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)的過程。同時，這些要求也應(yīng)是CNC系統(tǒng)軟件的特點。,3.4 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),. 多任務(wù)性與并行處理技術(shù),CNC控制要求的多任務(wù)性 任務(wù)定義： 可并發(fā)執(zhí)行的程序在一個數(shù)據(jù)集合上的運行過程。 CNC的功能則可定義為CNC的任務(wù)： 顯示、譯碼、刀補、速度處理、插補處理、位置控制、 CNC系統(tǒng)的任務(wù)要求并行處

37、理： 為了保證控制的連續(xù)性和各任務(wù)執(zhí)行的時序配合要求，CNC系統(tǒng)的任務(wù)必須采用并行處理，而不能逐一處理。,3.4 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),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)在同一時間間隔或同一時刻內(nèi)完成兩個或兩個以上任務(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系統(tǒng)的資源 提高CNC系統(tǒng)的處理速度。 并行處理的實現(xiàn)方式： 資源分時共享 并發(fā)處理（例如：流水處理） 這些實現(xiàn)方式與CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。,3.4 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),資源分時共享（對單一資源的系統(tǒng)） 在單CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，可

38、采用“資源分時共享”并行處理技術(shù)。 資源分時共享在規(guī)定的時間長度（時間片）內(nèi)，根據(jù)各任務(wù)實時性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時間，使它們分時共享系統(tǒng)的資源。 “資源分時共享”的技術(shù)關(guān)鍵： 其一：各任務(wù)的優(yōu)先級分配問題。 其二：各任務(wù)占用CPU的時間長度，即 時間片的分配問題。,3.4 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),位置控制,插補運算,背景程序,4ms,8ms,16ms,中斷級別高,中斷級別低,資源（CPU）分時共享圖,3.4 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),各任務(wù)占用CPU 時間示意圖,3.4 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),資源分時

39、共享技術(shù)的特征,在任何一個時刻只有一個任務(wù)占用CPU； 在一個時間片（如8ms或16ms）內(nèi)，CPU并行地執(zhí)行了兩個或兩個以上的任務(wù)。 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(wù)還是逐一執(zhí)行的。,3.4 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),并發(fā)處理和流水處理（對多資源的系統(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，即一個任務(wù)的輸出是另一個任務(wù)的輸入，則可采取流水處理的方法來實現(xiàn)并行處理。,3.4 CNC裝

40、置的軟件系統(tǒng)特點,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),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），將一個大的任務(wù)分成若干個子任務(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資源執(zhí)行一個任務(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。,3.4 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),流水處理技術(shù)示意圖,時間,t+t,t,空間,3,3,3,2,2,2,輸出,CPU1,CPU2,CPU3,并行處理,3.4 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),并發(fā)處理和流水處理的特征,在任何時刻（流水處理除開始和結(jié)束外）均有兩個或兩個

41、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)鍵是時間重疊，是以資源重復(fù)的代價換得時間上的重疊，或者說以空間復(fù)雜性的代價換得時間上的快速性。,3.4 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),實時性和優(yōu)先搶占調(diào)度機制,實時性任務(wù)的定義和分類 實時性定義: 任務(wù)的執(zhí)行有嚴(yán)格時間要求（任務(wù)必須規(guī)定時間內(nèi)完成或響應(yīng)），否則將導(dǎo)致執(zhí)行結(jié)果錯誤或系統(tǒng)故障的特性。 實時性任務(wù)分類: 強實時性任務(wù) 實時突發(fā)性任務(wù)；實時周期性任務(wù) 弱實時性任務(wù),3.4 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),強實時性任務(wù),實時突發(fā)性任務(wù)： 任務(wù)的發(fā)生具有隨機性和突發(fā)性，是一種異步中斷事件。主要包括故障中

42、斷(急停，機械限位、硬件故障等)、機床PLC中斷、硬件（按鍵）操作中斷等。 實時周期性任務(wù)： 任務(wù)是精確地按一定時間間隔發(fā)生的。主要包括插補運算、位置控制等任務(wù)。為保證加工精度和加工過程的連續(xù)性，這類任務(wù)處理的實時性是關(guān)鍵。在任務(wù)的執(zhí)行過程中，除系統(tǒng)故障外，不允許被其它任何任務(wù)中斷。,3.4 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),弱實時性任務(wù),這類任務(wù)的實時性要求相對較弱，只需要保證在某一段時間內(nèi)得以運行即可。在系統(tǒng)設(shè)計時，它們或被安排在背景程序中，或根據(jù)重要性將其設(shè)置成不同的優(yōu)先級（級別較低），再由系統(tǒng)調(diào)度程序?qū)λ鼈冞M(jìn)行合理的調(diào)度。 這類任務(wù)主要包括：CRT顯示、零件程序的編輯

43、、加工狀態(tài)的動態(tài)顯示、加工軌跡的靜態(tài)模擬仿真及動態(tài)顯示等。,3.4 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),搶占式優(yōu)先調(diào)度機制,多任務(wù)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度方法： 循環(huán)調(diào)度法 簡單循環(huán)調(diào)度法 時間片輪換調(diào)度法 優(yōu)先調(diào)度法 搶占式優(yōu)先調(diào)度法 非搶占式優(yōu)先調(diào)度法,3.4 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),搶占式優(yōu)先調(diào)度機制功能,搶占方式： 在CPU正在執(zhí)行某任務(wù)時，若另一優(yōu)先級更高的任務(wù)請求執(zhí)行，CPU將立即終止正在執(zhí)行的任務(wù)，轉(zhuǎn)而響應(yīng)優(yōu)先級高任務(wù)的請求 優(yōu)先調(diào)度： 在CPU空閑時，當(dāng)同時有多個任務(wù)請求執(zhí)行時，優(yōu)先級高的任務(wù)將優(yōu)先得到滿足。,3.4 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點,

44、上午6時51分,數(shù)控技術(shù),搶占式優(yōu)先調(diào)度機制的實現(xiàn)方式,硬件主要提供支持中斷功能的芯片和電路，如中斷管理芯片（8259或功能相同的芯片），定時器計數(shù)器（8253、8254等）等。 軟件主要完成對硬件芯片的初始化、任務(wù)優(yōu)先級的定義、任務(wù)切換（斷點的保護(hù)于恢復(fù)、中斷向量的保存與恢復(fù)等）等。,3.4 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),CNC系統(tǒng)中采用的任務(wù)調(diào)度機制,搶占式優(yōu)先調(diào)度； 時間片輪換調(diào)度； 非搶占式優(yōu)先調(diào)度。,3.4 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.5 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)度機制、

45、任務(wù)間的信息交換機制以及系統(tǒng)集成方法等。 結(jié)構(gòu)模式的功能：組織和協(xié)調(diào)各個任務(wù)的執(zhí)行，使之滿足一定的時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。,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),. 前后臺型結(jié)構(gòu)模式,該模式將CNC系統(tǒng)軟件劃分成兩部分： 前臺程序: 主要完成插補運算、位置控制、故障診斷等實時性很強的任務(wù)，它是一個實時中斷服務(wù)程序。 后臺程序(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/輸出、插補預(yù)處理（譯碼、刀補處理、速度預(yù)處理)等弱實時性的任務(wù)，它是一個循環(huán)運行的程序，其在運行過程中，不斷地定時被前臺中斷程序所打斷，前后臺相互配合來完成零件的加工任務(wù)。,3.5 CNC系統(tǒng)

46、軟件結(jié)構(gòu)模式,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),前后臺程序運行關(guān)系圖,3.5 CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),前后臺型結(jié)構(gòu)模式的特點,任務(wù)調(diào)度機制: 優(yōu)先搶占調(diào)度和循環(huán)調(diào)度。前臺程序的調(diào)度是優(yōu)先搶占式的；前臺和后臺程序內(nèi)部各子任務(wù)采用的是順序調(diào)度。 信息交換:緩沖區(qū)。前臺和后臺程序之間以及內(nèi)部各子任務(wù)之間的。 實時性差。在前臺和后臺程序內(nèi)無優(yōu)先級等級、 也無搶占機制。 該結(jié)構(gòu)僅適用于控制功能較簡單的系統(tǒng)。早期的CNC系統(tǒng)大都采用這種結(jié)構(gòu)。,3.5 CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),.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，整個系統(tǒng)軟件的各個任務(wù)模塊分別安排在不

47、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。整個軟件就是一個大的中斷管理系統(tǒng)。,3.5 CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),中斷型軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,1,n,2,3.5 CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),中斷型結(jié)構(gòu)模式的特點,任務(wù)調(diào)度機制：搶占式優(yōu)先調(diào)度。 信息交換：緩沖區(qū)。 實時性好。由于中斷級別較多（最多可達(dá)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。 模塊間的關(guān)系復(fù)雜，耦合度大，不利于對系統(tǒng)的維護(hù)和擴充。 8090年代初的CNC系統(tǒng)大多采用這種結(jié)構(gòu)。,3.5 CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式,上午6時51分,數(shù)

48、控技術(shù),. 基于實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式,實時操作系統(tǒng)（Real Time Operating System RTOS）是操作系統(tǒng)的一個重要分支，它除了具有通用操作系統(tǒng)的功能外，還具有任務(wù)管理、多種實時任務(wù)調(diào)度機制（如優(yōu)先級搶占調(diào)度、時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等）、任務(wù)間的通信機制（如郵箱、消息隊列、信號燈等）等功能。由此可知，CNC系統(tǒng)軟件完全可以在實時操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)。,3.5 CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),基于實時操作系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖,3.5 CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),基于實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)點,弱化功能模塊間的耦合關(guān)系 CNC各功能模塊之間在邏

49、輯上存在著耦合關(guān)系，在時間上存在著時序配合關(guān)系。為了協(xié)調(diào)和組織它們，前述結(jié)構(gòu)模式中，需用許多全局變量標(biāo)志和判斷、分支結(jié)構(gòu)，致使各模塊間的關(guān)系復(fù)雜。 在本模式中，設(shè)計者只須考慮模塊自身功能的實現(xiàn)，然后按規(guī)則掛到實時操作系統(tǒng)上，而模塊間的調(diào)用關(guān)系、信息交換方式等功能都由實時操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。從而弱化了模塊間的耦合關(guān)系。,3.5 CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),系統(tǒng)的開放性和可維護(hù)性好,從本質(zhì)上講，前述結(jié)構(gòu)模式采用的是單一流程加中斷控制的機制，一旦開發(fā)完畢，系統(tǒng)將是的完全封閉（對系統(tǒng)的開發(fā)者也是如此），若想對系統(tǒng)進(jìn)行功能擴充和修改將是困難的。 在本模式中，系統(tǒng)功能的擴充或修改，只須將

50、編寫好的任務(wù)模塊（模塊程序加上任務(wù)控制塊（TCB），掛到實時操作系統(tǒng)上（按要求進(jìn)行編譯）即可。因而，采用該模式開發(fā)的CNC系統(tǒng)具有良好的開放性和可維護(hù)性。,3.5 CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),減少系統(tǒng)開發(fā)的工作量,在CNC系統(tǒng)軟件開發(fā)中，系統(tǒng)內(nèi)核（任務(wù)管理、調(diào)度、通信機制）的設(shè)計開發(fā)的往往是很復(fù)雜的，而且工作量也相當(dāng)大。當(dāng)以現(xiàn)有的實時操作系統(tǒng)為內(nèi)核時，即可大大減少系統(tǒng)的開發(fā)工作量和開發(fā)周期。,3.5 CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),基于實時操作系統(tǒng)開發(fā)CNC系統(tǒng)的方法,在商品化的實時操作系統(tǒng)下開發(fā)CNC系統(tǒng)，國外有些著名CNC系統(tǒng)廠家采用了這種方式。 將

51、通用PC機操作系統(tǒng)（DOS、WINDOWS）擴充擴展成實時操作系統(tǒng)，然后在此基礎(chǔ)上開發(fā)CNC系統(tǒng)軟件。目前國內(nèi)有些CNC系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家就是采用的這種方法。該法的優(yōu)點在于DOS WINDOWS是得到普遍應(yīng)用的操作系統(tǒng)，擴充擴展相對較容易，有利于形成具有我國自主版權(quán)的數(shù)控軟件，這是一種適合我國國情的好方法。,3.5 CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.6 華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)介紹,華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件的實時操作環(huán)境是在DOS操作系統(tǒng)上擴充擴展而成的。以該環(huán)境為內(nèi)核，實現(xiàn)了一個開放式的數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺，它能提供方便的二次開發(fā)環(huán)境，使之能靈活地組配不同類型的數(shù)控系統(tǒng)和擴充系統(tǒng)的功

52、能。因而，這種結(jié)構(gòu)具有良好的開放性和可維護(hù)性。,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),華中 I 型數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu),3.6 華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),軟件結(jié)構(gòu)概述,華中型數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件由兩部分組成： 底層軟件（軟件平臺） 上層軟件(過程層軟件),3.6 華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),底層軟件（軟件平臺）,圖中虛線以下的部分： DOS、RTM和NCBIOS RTM模塊：為自主開發(fā)的 實時多任務(wù)管理模塊，負(fù) 責(zé)CNC系統(tǒng)的任務(wù)管理調(diào)度。 NCBIOS模塊：為基本輸入系統(tǒng)，管理CNC系統(tǒng)所有的外部控制對象，包括設(shè)備驅(qū)動程序（I/O）的管理、位置控制、P

53、LC控制、插補計算以及內(nèi)部監(jiān)控等。 NCBASE ：RTM和NCBIOS的統(tǒng)稱。,3.6 華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),上層（過程控制層）軟件：虛線以上部分。 主要功能模塊：編輯 程序、參數(shù)設(shè)置、譯 碼程序、PLC管理、MDI、 故障顯示等與用戶操作 有關(guān)功能子模塊。 不同數(shù)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)功能的區(qū)別和增減均在這一層實現(xiàn)。 各功能模塊都通過NCBIOS與底層進(jìn)行信息交換，使上層模塊與系統(tǒng)的硬件無關(guān)。這便是本系統(tǒng)具有開放性的關(guān)鍵所在。,3.6 華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),. NCBASE的功能,實時多任務(wù)調(diào)度 該功能由RTM模塊實現(xiàn)，它是通過D

54、OS的INT08中斷功能構(gòu)造的調(diào)度核心來實現(xiàn)對多任務(wù)調(diào)度的。,3.6 華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),調(diào)度核心結(jié)構(gòu)及其多任務(wù)調(diào)度圖,調(diào)度核心,3.6 華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),調(diào)度核心程序框圖,3.6 華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),CNC 任務(wù)的劃分及優(yōu)先級的確定,華中I型將任務(wù)劃分為8個，優(yōu)先級從高到低排列為： 位置控制任務(wù)（4ms）； 插補計算任務(wù)（8ms）； 數(shù)據(jù)采集任務(wù)（12ms）； PLC任務(wù)（16ms）； 刀補運算任務(wù)（條件（緩沖區(qū)）驅(qū)動）； 譯碼解釋任務(wù)（條件（緩沖區(qū)）驅(qū)動）； 動態(tài)顯示任務(wù)（96ms

55、）； 人機界面（菜單管理，一次性死循環(huán)任務(wù)）。,3.6 華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),設(shè)備驅(qū)動程序,功能：滿足不同的控制對象（加工中心、銑床、車床、磨床等）不同硬件配置對不同驅(qū)動程序的要求。實現(xiàn)系統(tǒng)的通用性。 實現(xiàn)：在配置系統(tǒng)時，將所有的硬件模塊的驅(qū)動程序都在NCBIOS的NCBIOS.CFG（類似于DOS的CONFIG.SYS文件）中說明。系統(tǒng)在運行時，NCBIOS根據(jù)NCBIOS.CFG的預(yù)先的設(shè)置，調(diào)入對應(yīng)模塊的驅(qū)動程序，建立相應(yīng)的接口通道。,3.6 華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),位置控制,位置控制是NCBIOS的一個固定程序，其主要功

56、能是接受插補運算程序送來的位置控制指令，經(jīng)進(jìn)行螺距誤差補償、傳動間隙補償、極限位置判別等處理后，輸出速度指令值給位置控制模塊。,3.6 華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),插補器,華中I型為數(shù)控系統(tǒng)多通道（最多可達(dá)4通道）數(shù)控系統(tǒng)，每個通道有一個插補器，相應(yīng)就創(chuàng)建一個插補任務(wù)。該任務(wù)主要完成以下工作：直線、圓弧、螺紋、攻絲以及微小直線段（供自由曲線和自由曲面加工用）等的插補運算。,3.6 華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),PLC調(diào)度,PLC調(diào)度的主要任務(wù)是：故障報警處理、MST處理、急停和復(fù)位處理、虛擬軸驅(qū)動處理、刀具壽命管理、操作面板開關(guān)處理、指示燈

57、及突發(fā)事件處理等。,3.6 華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),. NCBIOS提供給上層軟件的接口,NC功能調(diào)用接口 插補器接口：供插補預(yù)處理（譯碼、刀補、速度預(yù)處理）的數(shù)據(jù)給底層軟件； 故障信息交換接口； 設(shè)備調(diào)用接口。,3.6 華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),數(shù)據(jù)通訊區(qū),上層軟件通過數(shù)據(jù)區(qū)觀察系統(tǒng)的狀態(tài)，包括坐標(biāo)軸狀態(tài)（軸位置、跟隨誤差、運動速度）、輸入/輸出狀態(tài)、PLC內(nèi)部狀態(tài)等。,3.6 華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)介紹,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.7 CNC裝置的插補原理,主要內(nèi)容 插補方法：脈沖增量插補和數(shù)字增量插補 升降速控制（選講）

58、重點內(nèi)容： 數(shù)字增量插補：直線插補和圓弧插補,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),3.7.1 概述,插補的概念 插補(Interpolation)：根據(jù)給定進(jìn)給速度和給定輪廓線形的要求，在輪廓的已知點之間，確定一些中間點的方法，這種方法稱為插補方法或插補原理。 插補算法：對應(yīng)于每種插補方法(原理)的各種實現(xiàn)算法。 插補功能是輪廓控制系統(tǒng)的本質(zhì)特征。,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),. 評價插補算法的指標(biāo),穩(wěn)定性指標(biāo) 插補運算是一種迭代運算，存在著算法穩(wěn)定性問題。 插補算法穩(wěn)定的充必條件：在插補運算過程中，對計算誤差和舍入誤差沒有累積效應(yīng)。 插補算法穩(wěn)定是確保輪廓精度要求的前提。,3.7.1 概述,上午6時51

59、分,數(shù)控技術(shù),插補精度指標(biāo),插補精度：插補輪廓與給定輪廓的符合程度，它可用插補誤差來評價。 插補誤差分類： 逼近誤差（指用直線逼近曲線時產(chǎn)生的誤差）； 計算誤差（指因計算字長限制產(chǎn)生的誤差）； 圓整誤差 其中，逼近誤差和計算誤差與插補算法密切相關(guān)。,3.7.1 概述,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),采用逼近誤差和計算誤差較小的插補算法；采用優(yōu)化的小數(shù)圓整法，如：逢奇（偶）四舍五入法、小數(shù)累進(jìn)法等。 一般要求上述三誤差的綜合效應(yīng)小于系統(tǒng)的最小運動指令或脈沖當(dāng)量。,3.7.1 概述,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),合成速度的均勻性指標(biāo),合成速度的均勻性：插補運算輸出的各軸進(jìn)給率，經(jīng)運動合成的實際速度（Fr）與給定的進(jìn)給速度（F ）的符合程度。 速度不均勻性系數(shù)： 合成速度均勻性系數(shù)應(yīng)滿足： max 1 %,3.7.1 概述,上午6時51分,數(shù)控技術(shù),插補算法要盡可能簡單，要