计算机数控装置概述

1、2022-3-20现代数控技术1第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置( (CNC)CNC) 内容提要内容提要 本章将详细讨论CNC装置的软件硬件结构；CNC装置基本功能的原理及实现方法。2022-3-20现代数控技术2 在第一章我们就知道了数控装置是机床数控系统的核心，并对其在系统中的主要作用也有了一个概括性的了解，由于它在整个系统中的重要性，故在本章我们将对其进行较详细的讨论。第一节第一节 概概 述述2022-3-20现代数控技术3 从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专

2、用操作系统的计算机控制系统。 从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。一. . CNCCNC装置的组成装置的组成2022-3-20现代数控技术4 CNCCNC系统硬件的层次结构系统硬件的层次结构 由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。计计 算算 机机 基基 本本 系系 统统设设备备层层设设备备支支持持层层接 口人机控制运动控制PMC其他I/O其他设备计算机系统显示设备输入/出设备机 床机器人测量机 .一. . CNCCNC装置的组成装置的组成2022-3-20现代数控技术5 CNCCNC系统软件的功能结构系统软件的功能结构 从本质特征来看

3、，CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，从功能特征来看，该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统活的灵魂。其结构框图如图3-2所示。一. . CNCCNC装置的组成装置的组成2022-3-20现代数控技术6操作系统管理软件控制软件零件程序管理显示处理人机交互交互位置控制输入输出管理插补运算故障诊断处理速度处理机床输入输出编译处理主轴控制刀具半径补偿.图 3-2 CNC 软件系统功能框图一. . CNCCNC装置的组成装置的组成2022-3-20现代数控技术7. CNCCNC硬件软件的作用和相互关系硬件软件的作用和相互关系 硬件是基础，软件是灵魂CNC装

4、置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。 CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台，如图3-3所示。一. . CNCCNC装置的组成装置的组成2022-3-20现代数控技术8 图3-3 CNC系统平台硬件硬件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序 接接口口被控设备被控设备 机机 床床 机器人机器人 测量机测量机 .一. . CNCCNC装置的组成装置的组成2022-3-20现代数控技术9n 该平台有以下两方面的含义：q提供CNC系统基本配置的必

5、备功能；q在平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发。一. . CNCCNC装置的组成装置的组成2022-3-20现代数控技术10q 具有灵活性和通用性具有灵活性和通用性qCNC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的结构，使系统功能的修改、扩充变得较为灵活。qCNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。二. CNCCNC装置的优点装置的优点2022-3-20现代数控技术11数控功能丰富数控功能丰富q插补功能：插补功能：二次曲线、样条、空间曲面插补q补偿功能：补偿功能：运动精度补偿、随机误差补偿、非线性误差补偿等q人机对话功能：人机

6、对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级人机对话窗口q编程功能：编程功能：G代码、篮图编程、部分自动编程功能。二. CNCCNC装置的优点装置的优点2022-3-20现代数控技术12 可靠性高可靠性高qCNC装置采用集成度高的电子元件、芯片、采用VLSI本身就是可靠性的保证。q许多功能由软件实现，使硬件的数量减少。q丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现)，从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低。二. CNCCNC装置的优点装置的优点2022-3-20现代数控技术13 使用维护方便使用维护方便q操作使用方便：操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便可进行正确操作。q编程方便：编

7、程方便：具有多种编程的功能、程序自动校验和模拟仿真功能。q维护维修方便：维护维修方便：部分日常维护工作自动进行(润滑，关键部件的定期检查等)，数控机床的自诊断功能，可迅速实现故障准确定位。二. CNCCNC装置的优点装置的优点2022-3-20现代数控技术14 易于实现机电一体化易于实现机电一体化 数控系统控制柜的体积小（采用计算机，硬件数量减少；电子元件的集成度越来越高，硬件的不断减小），使其与机床在物理上结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。二. CNCCNC装置的优点装置的优点2022-3-20现代数控技术15 CNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。数控装置的

8、功能包括基本功能和选择功能。n基本功能基本功能数控系统基本配置的功能，即必备功能；n选择功能选择功能用户可根据实际要求选择的功能。一CNCCNC装置的功能装置的功能2022-3-20现代数控技术16q 控制功能控制功能 CNC能控制和能联动控制的进给轴数。 nCNC的进给轴分类：n 移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）；n 基本轴和附加轴（U、V、W）。n联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编 程也越困难。一CNCCNC装置的功能装置的功能2022-3-20现代数控技术17 准备功能（准备功能（G G功能）功能） 指令机床动作方式的功能。一CNCCNC装置的功能装置的功能2022-3-

9、20现代数控技术18 插补功能和固定循环功能插补功能和固定循环功能 插补功能插补功能是数控系统实现零件轮廓(平 面或空间)加工轨迹运算的功能。 固定循环功能固定循环功能是数控系统实现典型加工 循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻 削和切螺纹等）的功能一CNCCNC装置的功能装置的功能2022-3-20现代数控技术19 进给功能进给功能 进给速度的控制功能。q进给速度进给速度 控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min。q同步进给速度同步进给速度 实现切削速度和进给速度的同步，单位为 mm/r。q进给倍率（进给修调率）进给倍率（进给修调率）人工实时修调预先给定的进给速度。一CNCCNC装置的功

10、能装置的功能2022-3-20现代数控技术20 主轴功能主轴功能 数控系统的主轴的控制功能。q主轴转速主轴转速主轴转速的控制功能，单位为r/min。q恒线速度控制恒线速度控制刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。一CNCCNC装置的功能装置的功能2022-3-20现代数控技术21q主轴定向控制主轴定向控制主轴周向定位于特定位置控制的功能。qC C轴控制轴控制主轴周向任意位置控制的功能。q主轴修调率主轴修调率人工实时修调预先设定的主轴转速。一CNCCNC装置的功能装置的功能2022-3-20现代数控技术22 辅助功能（辅助功能（M M功能）功能） 用于指令机床辅助操作的功能。一CNCCNC装置的

11、功能装置的功能2022-3-20现代数控技术23 刀具管理功能刀具管理功能 实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。q刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功能使用；q刀具寿命是指时间寿命，当刀具寿命到期时，CNC系统将提示用户更换刀具；qCNC系统都具有刀具号（T）管理功能，用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。一CNCCNC装置的功能装置的功能2022-3-20现代数控技术24 补偿功能补偿功能q刀具半径和长度补偿功能：刀具半径和长度补偿功能： 实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心轨迹的功能。q传动链误差：传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。q非线性误差补偿功能：非线性误差补

12、偿功能：对诸如热变形、静态弹性变形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等，采用AI、专家系统等新技术进行建模，利用模型实施在线补偿。一CNCCNC装置的功能装置的功能2022-3-20现代数控技术25 人机对话功能人机对话功能在CNC装置中这类功能有：q菜单结构操作界面；q零件加工程序的编辑环境；q系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。一CNCCNC装置的功能装置的功能2022-3-20现代数控技术26 自诊断功能自诊断功能 CNC自动实现故障预报和故障定位的功能。q开机自诊断；q在线自诊断*；q离线自诊断；q远程通讯诊断*。一CNCCNC装置的功能装置的功能2022-3

13、-20现代数控技术27 通讯功能通讯功能 CNC与外界进行信息和数据交换的功能qRS232C接口，可传送零件加工程序，qDNC接口，可实现直接数控，qMAP(制造自动化协议)模块，q网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。一CNCCNC装置的功能装置的功能2022-3-20现代数控技术28第二节第二节 CNCCNC装置的硬件体系结构装置的硬件体系结构一、概述一、概述 CNC装置从它的硬件组成结构来看，若按其中含有CPU的多少来分，可分为下面几类:2022-3-20现代数控技术29q单机系统单机系统: 整个CNC装置只有一个CPU，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式

14、来实现各种NC功能。q主从结构主从结构，系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权其它带CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。一、概述一、概述2022-3-20现代数控技术30q多机系统多机系统: CNC装置中有两个或两个以上的CPU，即系统中的某些功能模块自身也带有CPU，根据部件间的相互关系又可将其分为：n多主结构多主结构：系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统资源有控制或使用权。模块之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过仲裁器来解决总线争用问题，通过共公存储器进行

15、交换信息。n分布式结构分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间采用松耦合，且采用通讯方式交换信息。一、概述一、概述2022-3-20现代数控技术31CNC装置是按模块化设计的方法构造的l模块化设计方法模块化设计方法：将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能的单元模块,并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，即可组成一个完整的控制系统的方法。其中单元母板一般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。二二. .单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍2022-3-20现代数控技术

16、32l实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。l采用模块化结构时，CNC系统设计工作则可归结为功能模块的合理选用。二二. .单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍2022-3-20现代数控技术33I/O设备计算机主板显 示 卡功能模板m功能模板1电 子 盘多功能卡位置控制板n位置控制板1PLC模块主轴控制模板机床I/O控制面板速度控制单元1速度控制单元n功能驱动1功能驱动m系 统 总 线（BUS）标准PC计算机CNC装置CNC系统 2022-3-20现代数控技术34q 计算机主板和系统总线计算机主板和系统总线( (母板母板) ) 计算机主板是CNC装置的核心。q

17、 功能结构：nCPU及其外围芯片； n内存单元、cache及其外围芯片；n通讯接口(串口，并口，键盘接口)。n软、硬驱动器接口二二. .单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍2022-3-20现代数控技术35q计算机主板的主要作用计算机主板的主要作用：对输入到CNC装置中的种种数据、信息(零件加工程序，各种I/O信息等)进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。 二二. .单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍2022-3-20现代数控技术36q系统总线(母板)：由一组传送数字信息的物理导线组成，它

18、是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道：n数据总线n地址总线：n控制总线：q工业用PC机的总线母板是独立的无源四层板（走线面、元件面、电源层和地线层），它的可靠性高于两层板。其规格有6槽、8槽、12槽、14槽等。二二. .单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍2022-3-20现代数控技术37 显示模块显示模块( (显示卡显示卡) )q显示卡的主要作用显示卡的主要作用：接收来自CPU的控制命令和显示用的数据，经与CRT的扫描信号调制后，产生CRT显示器所需要的视频信号，在CRT上产生所需要的画面。二二. .单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍2022-3

19、-20现代数控技术38q在CNC装置中，CRT显示是一个非常重要的功能，它是人机它是人机交流的重要媒介交流的重要媒介，它给用户提供了一个直观的操作环境，可使用户能快速地熟悉适应其操作过程。q显示卡是一个通用性很强的模块。它不仅随时可以在市场上买到，而且它还有非常丰富的支持软件，因此无需用户自己开发。二二. .单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍2022-3-20现代数控技术39 输入输入/ /出模块出模块( (多功能卡多功能卡) )q它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即CNC装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的数据送给输出设备。q该模块

20、也是标准的PC机模块，一般不需要用户自己开发。如果计算机主板选用的是 ALL-IN-ONE ALL-IN-ONE 主板，则此板可省略。二二. .单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍2022-3-20现代数控技术40 以上三部分，再配上键盘、电源、机箱，实际上是一部通用的微型计算机系统，它是CNC装置的核心，从某种意义上讲， CNC装置的档次和性能是由它决定的。因此，CNC装置中计算机系统的合理选用是至关重要的。二二. .单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍2022-3-20现代数控技术41 电子盘电子盘( (存储模块存储模块) )q电子盘是CNC装置特有

21、的存储模块。在CNC装置中它用来存放下列数据和参数：n系统软件、系统固有数据；n系统的配置参数(系统所能控制的进给轴数，轴的定义，系统增益等)；n用户的零件加工程序。 二二. .单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍2022-3-20现代数控技术42q计算机领域所用存储器件有三类：n磁存储器件，如：软/硬磁盘（读/写）。n光存储器件，如：光盘（只读）。n电子（半导体）存储器件，如 RAM、ROM、FLASH等。前两类一般用作外存储器，其特点是容量大，价格低。二二. .单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍2022-3-20现代数控技术43q电子存储器件一般用

22、作内存储器，其价格高于前两类。若按其读写性能来看，它又可分为三类n只读存储元件（ROM、PROM、EPROM）n易失性随机读写存储元件（RAM）。n非易失性读写存储元件。这类器件有：n E2PROM；FLASH；带后备电池的RAM。二二. .单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍2022-3-20现代数控技术44q在CNC装置中，常采用电子存储器件作为外存储器，主要是考虑到CNC装置的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。q因电子器件组成的存储单元是按磁盘的管理方式进行的，故称其为电子盘电子盘。q电子盘的规格有：1.4

23、4MB、2.88MB、6MB、12MB等。二二. .单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍2022-3-20现代数控技术45 PLC(Programmable Logic Controller) PLC(Programmable Logic Controller) 模块模块qPLCPLC模块模块：CNC装置实现顺序控制的模块。qPLCPLC模块的作用模块的作用：接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。qCNC装置与被控设备交换的信息有三类：开关信号、模拟信号、脉冲信号。二二. .单

24、机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍2022-3-20现代数控技术46上述信号由于其类型、电平、功率以及抗干上述信号由于其类型、电平、功率以及抗干扰的原因，一般不能直接与扰的原因，一般不能直接与CNCCNC装置相联，装置相联，需要一个接口对这些信号进行变换处理。需要一个接口对这些信号进行变换处理。2022-3-20现代数控技术47q PLCPLC模块变换处理其目的模块变换处理其目的：n满足CNC系统的输入输出要求。信号转换主要包括以下几个方面：电平转换；A/D、D/A转换；数字量与脉冲量相互转换；功率匹配；n阻断外部的干扰信号进入计算机，在电气上将CNC装置与外部信号进行隔离

25、，以提高CNC装置运行的可靠性。2022-3-20现代数控技术48qPMC模块实现方式有以几种：n简单I/O接口板：系 统 总 线数 字 接 口光电隔离器件A/DD/A转换调理电路功率放大传 感 元 件功 率 放 大光电隔离器件计 数 器计数脉冲滤波、倍频整形PMC模块硬件逻辑框图开关量转换脉冲量转换模拟量转换2022-3-20现代数控技术49PLC（Programmable Logic Controller）控制：它是目前CNC系统用得最广泛的方式。电 源 模 块通信功能人 机 接 口编程调试和试验功能至传感器和执行器的接口功能应用程序的执行操作系统功能应用程序存储数 据 存 储信号处理功能

26、操作者应用程序设计人员机器/过程PLC系统的基本结构外部供电外部设备2022-3-20现代数控技术50qCNC机床用的PLC一般分为两类：内装型内装型（Built-in Type）PLC（或集成式、内含式）。独立型独立型（Stand-alone Type）PLC（或通用型）2022-3-20现代数控技术51 位置控制模块位置控制模块q位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨迹控制时，现轨迹控制时，CNCCNC装置与伺服驱动系统连接的接口装置与伺服驱动系统连接的接口模块。模块。q常用的位置控制模块有：常用的位置控制模块有：n开环位置控制模块

27、：CNC装置与步进电机驱动电源的接口；n闭环（含半闭环）位置控制模块： CNC装置与直流、交流伺服驱动装置的接口。2022-3-20现代数控技术52 功能接口模块功能接口模块q 实现用户特定功能要求的接口板，q 实例：n仿形控制器接口；n激光加工焦点自动跟踪器接口；n刀具监控系统中的信号采集器接口板。2022-3-20现代数控技术53 华中型数控系统是我国为数不多具有自主版权的高性能数控系统之一。它以通用的工业PC机（IPC）为基础，采用开放式的体系结构，从而使华中型数控系统的可靠性和质量得到了保证。它适合多坐标(2-5)数控镗铣床和加工中心，在增加相应的软件模块后，也可适应于其它类型的数控机

28、床(数控磨床、车床、齿轮加工机床等)以及特种加工机床（激光加工机、线切割机等）。2022-3-20现代数控技术54 采用模拟式交流采用模拟式交流/ /直流伺服单元直流伺服单元ALL-IN-ONE CPU卡显 示 卡位置控制板n位置控制板1电 子 盘速度控制单元1速度控制单元n无 源 母 板（系 统 总 线 BUS)标准PC计算机CNC装置光隔I/O板机床开关量I/O按钮站、状态灯NC键盘CNC系统多功能板主轴控制模板主轴编码器手摇脉冲发生器定制功能接口网络卡COM2串口华中型数控系统硬件结构图2022-3-20现代数控技术55 采用数字式交流伺服单元采用数字式交流伺服单元ALL-IN-ONE

29、CPU卡显 示 卡电 子 盘数字交流伺服单元1数字交流伺服单元4无 源 母 板（系 统 总 线 BUS)标准PC计算机CNC装置光隔I/O板机床开关量I/O按钮站、状态灯NC键盘CNC系统多功能板主轴控制模快主轴编码器手摇脉冲发生器定制功能接口网络卡COM2串口华中型数控系统硬件结构图四串口通信板2022-3-20现代数控技术56 教学型教学型( (经济型经济型) )数控系统数控系统打印机接口计算机主板显 示 卡多功能板步进电机单元1步进电机单元8系 统 总 线 （BUS)标准PC计算机机床开关量I/O操作面板主轴编码器手摇脉冲发生器控制面板定制功能接口网络卡多功能NC接口板光隔I/O接口软/

30、硬盘驱动器控制柜华中型教学数控系统硬件结构图2022-3-20现代数控技术57 多主CPU结构中，有两个或两个以上的CPU部件，部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。2022-3-20现代数控技术58 多主结构的特点：多主结构的特点：q能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。q容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作 多主结构的结构形式多主结构的结构形式：q共享总线结构型q共享存储器结构型。2022-3-20现代数控技术59l共享总线结构：共享总线结构：FANUC B

31、US操作面板图形显示模块(CPU)通讯模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储器模块插补模块(CPU)PLC模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控制模块CRT/MDII/O单元伺服驱动单元主轴单元FANUC 15系统硬件结构2022-3-20现代数控技术60q 结构特征：结构特征：功能模块分为带有CPU或DMA的主模块和从模块(RAM/ROM，I/O模块)，以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上，采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。2022-3-20现代数控技术61q 共享总线结构的优点共享总线结构的优点结构简单、系统组配灵活、

32、成本相对较低、可靠性高q 共享总线结构的缺点共享总线结构的缺点总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将使整个系统受到影响；由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。2022-3-20现代数控技术62二共享存储器结构共享存储器结构显示CPU键盘中央CPU插补CPU串口和收发器CTRC并 行 接 口反馈脉冲和处理EPROMEPROMRAM/EPROM512 RAMRAM 512 字符发生器CRT模拟量输出机床接口反馈信号收发器XYZCW共享存储器结构CNC系统硬件结构2022-3-20现代数控技术63q 结构特征：结构特征：面向共公存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯，采

33、用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。 由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口RAMRAM）。）。2022-3-20现代数控技术64 第三节第三节 CNCCNC系统软件结构系统软件结构 CNC系统软件是一个典型而又复杂的实时系统。本节将首先介绍系统软硬件界面的关系，然后从系统内数据流的角度来分析CNC装置的数据转换过程，并从多任务性和实时性

34、的角度来分析CNC系统软件的结构特点，最后介绍一个典型CNC装置系统软件的结构。2022-3-20现代数控技术65软件与硬件在实现各种功能的特点和关系q关系：关系：从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。q特点特点：n硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。n软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。 第三节第三节 CNCCNC系统软件结构系统软件结构2022-3-20现代数控技术66软件、硬件实现功能的分配就是软件硬件功能界面划分。功能界面划分的准则：系统的性能价格比2022-3-20现代数控技术67数控系统功能界面的几种

35、划分：输 入预处理位置检测插补运算位置控制速度控制伺服电机程序硬件硬件硬件硬件硬件软件软件软件软件 软件和硬件的功能界面 2022-3-20现代数控技术68 CNC装置系统软件的主要任务：如何将由零件加工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制加工设备的轨迹运动和逻辑动作，加工出符合要求的零件。2022-3-20现代数控技术69加工程序译 码译码缓冲区刀补处理刀补缓冲区速度预处理插补缓冲区插补处理运行缓冲区伺服驱动位控处理位置反馈PLC控制CNC装置数据转换流程示意图 2022-3-20现代数控技术70 译码译码( (解释解释) ) 将用文本格式（通常用A

36、SCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成后续程序（本例是指刀补处理程序）所要求的数据结构（格式）。2022-3-20现代数控技术71 数据结构示例：数据结构示例： Struct PROG_BUFFERStruct PROG_BUFFER char buf_state； /缓冲区状态，0 空；1 准备好。 int block_num； /以BCD码的形式存放本程序段号。 double COOR20；/存放尺寸指令的数值（m）。 int F,S； /F（mm/min）S（r/min）。 char G0； /以标志形式存放G指令。 char G1； char M0； /以标志形式存放M指

37、令。 char M1； char T； /存放本段换刀的刀具号。 char D； /存放刀具补偿的刀具半径值。 ； 第三节第三节 CNCCNC系统软件结构系统软件结构2022-3-20现代数控技术72以标志形式存放G指令示例D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0G00 0：无该指令；1：有该指令G01 0：无该指令；1：有该指令G02 0：无该指令；1：有该指令G03 0：无该指令；1：有该指令G90/G91 0：G90；1：G91G06 0：无该指令；1：有该指令00：G40；11：G4001：G41；10；G42 2022-3-20现代数控技术73在系统软件中各程序间的数据交换方式

38、一般都是通过缓冲区进行的。该缓冲区由若干个数据结构组成，当前程序段被解释完后便将该段的数据信息送入缓冲区组中空闲的一个。后续程序（如刀补程序）从该缓冲区组中获取程序信息进行工作。2022-3-20现代数控技术74 N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200 N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200 ； - Struct PROG_BUFFERStruct PROG_BUFFER char buf_state； 0 0：( (开始开始) )；1 1（；）（；） int block_num； 0606（N06N06） double COOR20

39、； COOR1=200000COOR1=200000；（；（X200X200） COOR2=300000 COOR2=300000；（；（Y300Y300） int F,S； F=200F=200；（；（F200F200） char G0； D5=0D5=0；（；（G90G90） D6,D7=0,1D6,D7=0,1（G41G41） D1=1D1=1；（；（G01G01） char D； D=11D=11（D11D11） ； 第三节第三节 CNCCNC系统软件结构系统软件结构2022-3-20现代数控技术75 刀补处理的主要工作：n根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。n根据R和G41/

40、42，计算本段刀具中心轨迹的终点（Pe/Pe）坐标值。n根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。2. . 刀补处理刀补处理( (计算刀具计算刀具中心轨迹中心轨迹) )Pe（200，300）XRP0（72，48）Pe”PeG41G42Y2022-3-20现代数控技术76 速度预处理速度预处理 主要功能是根据加工程序给定的进给速度，计算在每个插补周期内的合成移动量，供插补程序使用。 第三节第三节 CNCCNC系统软件结构系统软件结构2022-3-20现代数控技术77 速度处理程序主要完成以下几步计算：q 计算本段总位移量： 直线直线：合成位移量L L； 园弧园弧：总角位移量。 该数供插补程序判断

41、减速起点和终点之用。q 计算每个插补周期内的合成进给量： L= F*t/60 （m） 式中：F-进给速度值（mm/min）；t-数控系统的插补周期（ms）L 第三节 CNC系统软件结构2022-3-20现代数控技术78 插补计算插补计算 主要功能：q 根据操作面板上“进给修调”开关的设定值，计算本次插补周期的实际合成位移量： L1=L*修调值q 将L1按插补的线形（直线，园弧等）和本插补点所在的位置分解到各个进给轴，作为各轴的位置控制指令（X1、Y1）。 经插补计算后的数据存放在运行缓冲区中，以供位置控制程序之用。本程序以系统规定的插补周期t定时运行。 第三节第三节 CNCCNC系统软件结构系

42、统软件结构2022-3-20现代数控技术79 位置控制处理位置控制处理f（）+-+插补输出X1Y1指令位置X1新Y1新跟随误差X3Y3实际位置X2新Y2新反馈位置增量X2、Y2X1旧Y1旧X2旧Y2旧速度指令VX、VY位置控制转换流程2022-3-20现代数控技术80 位置控制完成以下几步计算：q计算新的位置指令坐标值： X1新= X1旧+X1；Y1新= Y1旧 +Y1；q计算新的位置实际坐标值： X2新= X2旧+X2；Y2新= Y2旧 +Y2q计算跟随误差(指令位置值 实际位置值)： X3= X1新- X2新； Y3= Y1新- Y2新； q计算速度指令值： VX=f（X3）； VY=f（

43、Y3）2022-3-20现代数控技术81 f( )是位置环的调节控制算法，具体的算法视具体系统而定。这一步在有些系统中是采用硬件来实现的。VX、VY送给伺服驱动单元，控制电机运行，实现CNC装置的轨迹控制2022-3-20现代数控技术82 CNC系统是典型的实时控制系统。CNC装置的系统软件则可看成是一个专用实时操作系统。由于其应用领域是工业控制领域（多任务性、实时性），因此，分析和了解这些要求是至关重要的，因为它既是系统设计和将来软件测试的重要依据，也是确定系统功能和性能指标的过程。同时，这些要求也应是CNC系统软件的特点。2022-3-20现代数控技术831. 多任务性与并行处理技术n C

44、NC控制要求的多任务性 任务定义： 可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。 CNC的功能则可定义为CNC的任务： 显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、 CNC系统的任务要求并行处理：为了保证控制的连续性和各任务执行的为了保证控制的连续性和各任务执行的时序配合时序配合要求，要求，CNCCNC系统系统的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。2022-3-20现代数控技术84q 基于并行处理的多任务调度技术n 并行处理定义：系统在系统在同一时间间隔同一

45、时间间隔或或同一时刻同一时刻内完成两个或两个以上任务内完成两个或两个以上任务处理的方法。处理的方法。n 采用并行处理技术的目的： 合理使用和调配合理使用和调配CNCCNC系统的资源系统的资源 提高提高CNCCNC系统的处理速度。系统的处理速度。 并行处理的实现方式： 资源分时共享资源分时共享 并发处理（例如：流水处理）并发处理（例如：流水处理） 这些实现方式与CNC系统的硬件结构密切相关。2022-3-20现代数控技术85q 资源分时共享（对单一资源的系统）在单CPU结构的CNC系统中，可采用“资源分时共享”并行处理技术。资源分时共享在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它

46、们占用CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。“资源分时共享”的技术关键： 其一：各任务的优先级分配问题。 其二：各任务占用CPU的时间长度，即 时间片的分配问题。2022-3-20现代数控技术86译码刀补I/O显示初始化位置控制插补运算背景程序4ms8ms16ms中断级别高中断级别低资源（CPU）分时共享图 2022-3-20现代数控技术870ms 4ms 8ms 12ms 16ms位置控制插补运算背景程序各任务占用CPUCPU 时间示意图 2022-3-20现代数控技术88 资源分时共享技术的特征在任何一个时刻只有一个任务占用CPU；在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地执行了

47、两个或两个以上的任务。 因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。2022-3-20现代数控技术89q 并发处理和流水处理（对多资源的系统） 在多CPU结构的CNC系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种并行处理技术：若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上同时执行 并发处理并发处理；若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取流水处理流水处理的方法来实现并行处理。2022-3-20现代数控技术90 流水处理技术的涵义 流水处理技术是利用重复的资源（CPU），将一个大的任务分成若干个子任务(任务的分法与资

48、源重复的多少有关)，这些小任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。2022-3-20现代数控技术91流水处理技术示意图 时间t+tt空间111333222输出输出输出CPU1CPU2CPU3并行处理1231232tt空间时间顺序处理输出输出CPU12022-3-20现代数控技术92 并发处理和流水处理的特征在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以上的任务在并发执行。并发处理和流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。2022-3-20现代数控技术9

49、3 实时性和优先抢占调度机制q 实时性任务的定义和分类n实时性定义实时性定义: 任务的执行有严格时间要求（任务必须规定时间内完成任务的执行有严格时间要求（任务必须规定时间内完成或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障的特性。或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障的特性。n实时性任务分类实时性任务分类: : 强实时性任务强实时性任务 实时突发性任务；实时周期性任务实时突发性任务；实时周期性任务 弱实时性任务弱实时性任务2022-3-20现代数控技术94q 强实时性任务 实时突发性任务：实时突发性任务：任务的发生具有随机性和突发性，是一种异步中断事件。主要包任务的发生具有随机性和突发性，是一

50、种异步中断事件。主要包括括故障中断故障中断( (急停，机械限位、硬件故障等急停，机械限位、硬件故障等) )、机床机床PLCPLC中断中断、硬硬件（按键）操作中断件（按键）操作中断等。等。 实时周期性任务：实时周期性任务：任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括插补运算插补运算、位置位置控制控制等任务。为保证加工精度和加工过程的连续性，这类任务处等任务。为保证加工精度和加工过程的连续性，这类任务处理的实时性是关键。在任务的执行过程中，除系统故障外，不允理的实时性是关键。在任务的执行过程中，除系统故障外，不允许被其它任何任务中断。许被其它任何任务中断。2

51、022-3-20现代数控技术95q 弱实时性任务 这类任务的实时性要求相对较弱，只需要保证在某一段时这类任务的实时性要求相对较弱，只需要保证在某一段时间内得以运行即可。在系统设计时，它们或被安排在背景间内得以运行即可。在系统设计时，它们或被安排在背景程序中，或根据重要性将其设置成不同的优先级（级别较程序中，或根据重要性将其设置成不同的优先级（级别较低），再由系统调度程序对它们进行合理的调度。低），再由系统调度程序对它们进行合理的调度。 这类任务主要包括：这类任务主要包括：CRTCRT显示、零件程序的编辑、加工状显示、零件程序的编辑、加工状态的动态显示、加工轨迹的静态模拟仿真及动态显示态的动态显

52、示、加工轨迹的静态模拟仿真及动态显示等。等。2022-3-20现代数控技术96q 抢占式优先调度机制 多任务系统的任务调度方法：循环调度法n简单循环调度法n时间片轮换调度法优先调度法抢占式优先调度法抢占式优先调度法非抢占式优先调度法2022-3-20现代数控技术97q 抢占式优先调度机制功能抢占方式抢占方式：在在CPUCPU正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，CPUCPU将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高任务的请求将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高任务的请求优先调度：优先调度：在在CPUCPU空闲时，当同时有多个任

53、务请求执行时，优先级高的任务空闲时，当同时有多个任务请求执行时，优先级高的任务将优先得到满足。将优先得到满足。2022-3-20现代数控技术98q 抢占式优先调度机制的实现方式硬件主要提供支持中断功能的芯片和电路，如中断管理芯片（8259或功能相同的芯片），定时器计数器（8253、8254等）等。软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务优先级的定义、任务切换（断点的保护于恢复、中断向量的保存与恢复等）等。2022-3-20现代数控技术99q CNC系统中采用的任务调度机制抢占式优先调度；时间片轮换调度；非抢占式优先调度。2022-3-20现代数控技术100四. CNCCNC系统软件结构模式系统软件

54、结构模式 结构模式结构模式：指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交换机制以及系统集成方法等。 结构模式的功能结构模式的功能：组织和协调各个任务的执行，使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足CNC系统的各种控制要求。2022-3-20现代数控技术1011. 前后台型结构模式 该模式将CNC系统软件划分成两部分： 前台程序前台程序: : 主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。 后台程序后台程序( (背景程序背景程序):): 完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入/输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处

55、理)等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。2022-3-20现代数控技术102前后台程序运行关系图 前台程序故障处理位置控制插补运算后台程序译 码刀补处理速度预处理输入/输出显示中断执行循环执行2022-3-20现代数控技术103q 前后台型结构模式的特点 任务调度机制: 优先抢占调度和循环调度优先抢占调度和循环调度。前台程序的调度是优先抢占式的；前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度。 信息交换: :缓冲区。缓冲区。前台和后台程序之间以及内部各子任务之间的。 实时性差。实时性差。在前台和后台程序内无优

56、先级等级、 也无抢占机制。 该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早期的CNC系统大都采用这种结构。2022-3-20现代数控技术1042.中断型结构模式 这种结构是将除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。2022-3-20现代数控技术105中断型软件系统结构图 初始化中断管理系统（硬件 + 软件）0级中断服务程序 级中断服务程序 级中断服务程序级中断服务程序1n22022-3-20现代数控技术106q中断型结构模式的特点任务调度机制：抢占式优先调度

57、抢占式优先调度。信息交换：缓冲区缓冲区。实时性好实时性好。由于中断级别较多（最多可达8级），强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充充。 8090年代初的CNC系统大多采用这种结构。2022-3-20现代数控技术1073. 基于实时操作系统的结构模式 实时操作系统（Real Time Operating System RTOS）是操作系统的一个重要分支，它除了具有通用操作系统的功能外，还具还具有任务管理、多种实时任务调度机制（如优先级抢占调度、时间片有任务管理、多种实时任务调度机制（如

58、优先级抢占调度、时间片轮转调度等）、任务间的通信机制（如邮箱、消息队列、信号灯等）轮转调度等）、任务间的通信机制（如邮箱、消息队列、信号灯等）等功能等功能。由此可知，CNC系统软件完全可以在实时操作系统的基础上进行开发。2022-3-20现代数控技术108基于实时操作系统软件结构图 RTOS模块（任务）1模块（任务）2模块（任务）2022-3-20现代数控技术109q 基于实时操作系统的结构模式的优点 弱化功能模块间的耦合关系 CNC各功能模块之间在逻辑上存在着耦合关系，在时间上存在着时序配合关系。为了协调和组织它们，前述结构模式中，需用许多全局变量标志和判断、分支结构，致使各模块间的关系复杂

59、。 在本模式中，设计者只须考虑模块自身功能的实现，然后按规则挂到实时操作系统上，而模块间的调用关系、信息交换方式等功能都由实时操作系统来实现。从而弱化了模块间的耦合关系。2022-3-20现代数控技术110 系统的开放性和可维护性好 从本质上讲，前述结构模式采用的是单一流程加中断控制的机制，一旦开发完毕，系统将是的完全封闭（对系统的开发者也是如此），若想对系统进行功能扩充和修改将是困难的。 在本模式中，系统功能的扩充或修改，只须将编写好的任务模块（模块程序加上任务控制块（TCB），挂到实时操作系统上（按要求进行编译）即可。因而，采用该模式开发的CNC系统具有良好的开放性和可维护性。2022-3

60、-20现代数控技术111 减少系统开发的工作量 在CNC系统软件开发中，系统内核（任务管理、调度、通信机制）的设计开发的往往是很复杂的，而且工作量也相当大。当以现有的实时操作系统为内核时，即可大大减少系统的开发工作量和开发周期。2022-3-20现代数控技术112q 基于实时操作系统开发CNC系统的方法在商品化的实时操作系统下开发CNC系统，国外有些著名CNC系统厂家采用了这种方式。将通用PC机操作系统（DOS、WINDOWS）扩充扩展成实时操作系统，然后在此基础上开发CNC系统软件。目前国内有些CNC系统的生产厂家就是采用的这种方法。该法的优点在于DOS WINDOWS是得到普遍应用的操作系