数控技术第3章33节

1、0第3章 计算机数控装置3.1 概述概述3.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构3.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构3.4 典型数控功能原理及实现典型数控功能原理及实现3.5 国内外典型国内外典型CNC系统简介系统简介14.3 CNCCNC系统的软件系统的软件数控系统功能界面的几种划分：数控系统功能界面的几种划分：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软件和硬件的功能界面 3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构24.3 CNCCNC系统的软件系统的软件加工程序加工程序译译 码码译码缓冲区译码缓冲区刀补处理刀

2、补处理刀补缓冲区刀补缓冲区速度预处理速度预处理插补缓冲区插补缓冲区插补处理插补处理运行缓冲区运行缓冲区伺服驱动伺服驱动位控处理位控处理位置反馈位置反馈PLCPLC控制控制3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构34.3 CNCCNC系统的软件系统的软件3.3.1 CNC系统软件的组成与功能系统软件的组成与功能 1. 组成组成 CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，该操作系统由该操作系统由CNC管理软件和管理软件和CNC控制软件两部分组成。控制软件两部分组成。操作系统操作系统管理软件管理软件控制软件控制软件零零件件程程序序管管理理显显

3、示示处处理理输输入入输输出出管管理理机机床床输输入入输输出出位位置置控控制制故故障障诊诊断断处处理理插插补补运运算算主主轴轴控控制制编编译译处处理理刀刀具具补补偿偿.3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构42. 功能功能u位置控制位置控制u插补运算插补运算u状态显示状态显示uPLCu故障诊断故障诊断u 3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构51.译码译码(Decode) 将用文本格式（通常用将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加码）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）。是指刀补

4、处理程序）所要求的数据结构（格式）。3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构6 数据结构示例：数据结构示例： Struct PROG_BUFFER char buf_state； /缓冲区状态，缓冲区状态，0 空；空；1 准备好。准备好。 int block_num； /以以BCD码的形式存放本程序段号。码的形式存放本程序段号。 double COOR20；/存放尺寸指令的数值（存放尺寸指令的数值（m）。）。 int F,S； /F（mm/min）S（r/min）。）。 char G0； /以标志形式存放以标志形式存放G指令。指令。 char G1； char M0； /以标志形式存放以标志

5、形式存放M指令。指令。 char M1； char T； /存放本段换刀的刀具号。存放本段换刀的刀具号。 char D； /存放刀具补偿的刀具半径值。存放刀具补偿的刀具半径值。 ；3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构7以标志形式存放G指令示例3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构8 N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200 ； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - Struct PROG_BUFFER char buf_state； 0：(开始)；1（；） int block_num； 06（N06） double COOR20； COOR1=20000

6、0；（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 CNC系统的软件结构系统的软件结构9 刀补处理的主要工作：刀补处理的主要工作：根据根据G90/G91计算零件轮廓的计算零件轮廓的终点坐标值。终点坐标值。根据根据R和和G41/42，计算本段刀计算本段刀具中心轨迹的终点（具中心轨迹的终点（Pe/Pe）坐标值。坐标值。根据本段与前段连接关系，根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。进行段间连接处理。2. 刀补处理刀

7、补处理(计算刀具中心轨迹计算刀具中心轨迹)Pe（200，300）XRP0（72，48）Pe”PeG41G42Y3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构10 速度处理程序主要完成以下几步计算：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：计算本段总位移量： 直线：合成位移量直线：合成位移量L； 园弧：总角位移量园弧：总角位移量。q 计算每个插补周期内的合成进给量：计算每个插补周期内的合成进给量： L= F*t/60 （m） L 3. 速度预处理速度预处理 3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构114. 插补计算插补计算 主要功能：主要功能：q根据操作面板上根据操作面板上“进给修调

8、进给修调”开关的设定值，计算本开关的设定值，计算本次插补周期的实际合成位移量：次插补周期的实际合成位移量： L1=L*修调值修调值q将将L1按插补的线形（直线，园弧等）和本插补点所按插补的线形（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在的位置分解到各个进给轴，作为各轴的位置控制指令（令（X1、Y1）。）。3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构125. 位置控制处理位置控制处理f（）（）+-+插补输出插补输出X1Y1指令位置指令位置X1新新Y1新新跟随误差跟随误差X3Y3实际位置实际位置X2新新Y2新新反馈位置增量反馈位置增量X2、Y2X1旧旧Y1旧旧X2旧旧

9、Y2旧旧速度指令速度指令VX、VY位置控制转换流程位置控制转换流程3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构13 位置控制完成以下几步计算：位置控制完成以下几步计算：(以两轴联动为例以两轴联动为例)q 计算新的位置指令坐标值：计算新的位置指令坐标值： X1新新= X1旧旧+X1；Y1新新= Y1旧旧 +Y1；q 计算新的位置实际坐标值：计算新的位置实际坐标值： X2新新= X2旧旧+X2；Y2新新= Y2旧旧 +Y2q 计算跟随误差计算跟随误差(指令位置值指令位置值 实际位置值实际位置值)： X3= X1新新- X2新新； Y3= Y1新新- Y2新新； q 计算速度指令值：计算速度指令值：

10、VX=f（X3）；）； VY=f（Y3） 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。一步在有些系统中是采用硬件来实现的。3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构143.3.3 CNC装置软件的特点和结构装置软件的特点和结构1.1. CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点 1 1）多任务性与并行处理技术）多任务性与并行处理技术o多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、置控制、o并行处理：系统在并行处理：系统在同一

11、时间间隔同一时间间隔或或同一时刻同一时刻内完成两个或内完成两个或两个以上任务处理。两个以上任务处理。o并行处理的实现方式：并行处理的实现方式： 资源分时共享（单资源分时共享（单CPUCPU） 资源重叠流水处理（多资源重叠流水处理（多CPUCPU）3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构15译码译码刀补刀补I/O显示显示初始化初始化位置控制位置控制插补运算插补运算背景程序背景程序4ms8ms16ms中断级别高中断级别高中断级别低中断级别低资源（资源（CPU）分时共享图分时共享图3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构16资源分时共享（单资源分时共享（单CPUCPU） 在规定的时间长度（时间片

12、）内，根据各任务实时性的要在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用求，规定它们占用CPUCPU的时间，使它们分时共享系统的资源。的时间，使它们分时共享系统的资源。o资源分时共享技术的特征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在任何一个时刻只有一个任务占用CPUCPU； 在一个时间片（如在一个时间片（如4ms4ms或或8ms8ms）内，内，CPUCPU并行地执行了两个并行地执行了两个或两个以上的任务。或两个以上的任务。3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构17各任务占用各任务占用CPU 时间示意图时间示意图3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构1

13、8 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在任何一个时刻只有一个任务占用CPU； 在一个时间片（如在一个时间片（如8ms或或16ms）内，内，CPU并行地并行地执行了两个或两个以上的任务。执行了两个或两个以上的任务。 资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即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。从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构19流水处理技术示意图流水处理技术示意图时间时间t+tt空间空间111333222输输出出输输出出输输出出CPU1CPU2CPU3并行处理并行处理1231232

14、tt空间空间时间时间顺序处理顺序处理输输出出输输出出CPU13.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构20资源重叠流水处理（多资源重叠流水处理（多CPUCPU） 流水处理技术是利用重复的资源（流水处理技术是利用重复的资源（CPUCPU），），将一个大的将一个大的任务分成若干个子任务，这些小任务是彼此关系的，然后任务分成若干个子任务，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。产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。u 资源重叠流水处理的特征资源重叠流水处理的特征 流水处理

15、在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有流水处理在任何时刻（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。两个或两个以上的任务在并发执行。 流水处理的关键是流水处理的关键是时间重叠时间重叠3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构21 并发处理和流水处理的特征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。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并发处理和流水处理的关键是时间重叠时间重叠，是以资源，是以资源重复的代价换得时间上的重叠，或者说重复的代价换得时间上的重叠，或者说以

16、空间复杂以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。性的代价换得时间上的快速性。3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构22 实时性和优先抢占调度机制实时性和优先抢占调度机制q 实时性任务的定义和分类实时性任务的定义和分类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。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3.3 CNC

17、系统的软件结构系统的软件结构23q 强实时性任务强实时性任务 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。主要包括要包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中中断断、硬件（按键）操作中断硬件（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、位置控制位置控制等任务。为保证加工精度和加工过程的连续性，这等任务。为保证加工精度和加工过程的

18、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，不允许被其它任何任务中断。故障外，不允许被其它任何任务中断。3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构24q 弱实时性任务弱实时性任务 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，它们或被安排在背时间内得以运行即可。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（级别景程序中，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。

19、较低），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状态的动态显示、加工轨迹的静态模拟仿真及动态显示等。等。3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构25q 抢占式优先调度机制抢占式优先调度机制 多任务系统的任务调度方法：循环调度法循环调度法n简单循环调度法简单循环调度法n时间片轮换调度法时间片轮换调度法优先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非抢占式优先调度法3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构26q 抢占式优先调

20、度机制功能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正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，执行，CPUCPU将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级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，当同时有多个任务请求执行时，优先级高空闲时，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。的任务将优先得到满足。3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构27q CNC系统中采用的任务调度机制系统中采用的任务调度机制抢占式优先调度；抢占式优先调度；时间片轮换调

21、度；时间片轮换调度；非抢占式优先调度。非抢占式优先调度。3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构结构模式结构模式：指系统软件的组织管理方式，即系统任：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。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：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，以满足之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足CNCCNC系统的各种控制要求系统的各种控制要求28前后台程序运行关系图前后台程序运行关系图前台程序前台程序故障处理故障处理位置控制位置控