1、第第4章章 计算机数控计算机数控(CNC)装置装置lCNC装置的组成、功能及特点lCNC装置的硬件结构lCNC装置的软件结构l数据预处理（译码、刀具半径补偿原理）4.14.1 概述概述4.1.14.1.1 数控系统的组成数控系统的组成I/OI/O信号信号数控加工数控加工程序程序CNCCNC装置装置PLCPLC机机床床主轴驱动装置主轴驱动装置主轴驱动主轴驱动单元单元主轴主轴电机电机进给伺服驱动装置进给伺服驱动装置伺服驱动伺服驱动单元单元位置检测位置检测装置装置进给伺服进给伺服电机电机输入设备显 示 器数控装置是数控数控装置是数控系统的核心。系统的核心。计算机数控（计算机数控（CNCCNC，Com
2、puter Numerical Computer Numerical ControlControl）装置：）装置： 由计算机通过软件来实现全部或大部分数控由计算机通过软件来实现全部或大部分数控功能的数控装置。功能的数控装置。 美国电子工业协会美国电子工业协会EIA EIA （Electronic Industries Electronic Industries AssociationAssociation）数控化标准委员会定义：）数控化标准委员会定义：借助于计算机通过执行其存储器内的程序，借助于计算机通过执行其存储器内的程序，完成数控要求的部分或全部功能，完成数控要求的部分或全部功能，并配有接
3、口电路和伺服驱动装置的并配有接口电路和伺服驱动装置的一种专用计算机系统。一种专用计算机系统。4.1.24.1.2 CNCCNC装置的组成装置的组成 CNC装置由计算机硬件和软件两大部分组成。 CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下运行，合理地组织、管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能。CNCCNC装置的硬件：装置的硬件：l通用计算机的一般通用计算机的一般结构；结构；l数控特有的功能模块和接口单元。BUSCPUEPROM或或E2PROMRAMI/O接口接口通信接口通信接口主轴控制主轴控制CRT或液晶或液晶显示接口显示接口MDIMDI接口接口PLCPLC接口接口位置控制位置控制纸带阅读机纸带阅
4、读机接口接口CNCCNC装置的软件：装置的软件：l管理软件l控制软件CNC装置系统软件装置系统软件管理软件管理软件控制软件控制软件零件零件程序程序输入输入输出输出管理管理程序程序 零零件件程程序序的的管管理理程程序序显显示示处处理理程程序序故故障障诊诊断断处处理理程程序序编编译译处处理理程程序序刀刀具具补补偿偿计计算算程程序序插插补补运运算算程程序序位位置置控控制制程程序序主主轴轴控控制制程程序序速速度度处处理理程程序序机机床床输输入入输输出出控控制制4.1.34.1.3 CNCCNC装置的功能装置的功能 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。 数控装置的功能包括基本功能
5、和选择功能。数控装置的功能包括基本功能和选择功能。 基本功能是数控系统基本配置的或者说必备的功能。 选择功能则是供用户根据数控机床的特点和用途的实际需要来选择的功能。 CNCCNC装置的主要功能：装置的主要功能：1.控制功能 控制功能是指控制功能是指CNCCNC装置能够控制的进给轴数和联动进给装置能够控制的进给轴数和联动进给轴数。轴数。 它是它是CNCCNC装置的重要性能指标，是区分装置的重要性能指标，是区分CNCCNC装置档次的装置档次的重要参数。重要参数。数控车床: X、Z两轴联动；车削中心：X、Z、C三轴控制，两轴联动；活塞数控车床：X、Z、U三轴联动。（加工活塞裙部中凸椭圆型面 ）两轴
6、联动数控铣床：三轴控制，两轴联动；（加工平面轮廓）三轴联动数控铣床：三轴联动；（加工复杂曲面）多轴联动数控铣床：多轴控制，多轴联动；（高精度加工复杂曲面，如：螺旋桨叶面）2.准备功能 准备功能又称为G功能，用来指明下一步机床要执行的加工动作。3.插补功能 CNC装置核心功能，用于实现对零件轮廓加工的控制。 一般的CNC装置具有直线插补和圆弧插补功能。高档的CNC装置还具有抛物线、椭圆、极坐标、正弦线、螺旋线等二次曲线以及样条曲线插补功能。4.固定循环功能 用一条指定的G指令实现某个固定工作循环。 CNC装置具有固定循环功能，能大大减少加工程序编写工作量，减少出错率，提高编程效率。5.进给功能
7、进给功能是指CNC装置能实现或控制的进给运动速度。 一般包括： 1）切削进给速度，指切削加工时刀具相对于工件的运动速度（mm/min），用F指令设定。 2）同步进给速度，指主轴转一转时，刀具相对于工件的位移量（mm/r）。 3）快速进给速度，指机床的最高移动速度（mm/min），用于非切削加工时的快速进给。 4）进给倍率（进给修调率），用于人工实时修调进给速度。 6.主轴功能 主轴功能是指CNC装置对主轴运动的控制功能。 一般包括： 1）主轴转速（r/min），用S指令设定。 2）恒线速度控制，指保持刀具切削点的切削速度恒定的功能。 3）主轴定向控制，指将主轴周向定位控制于特定位置的功能，又称
8、为主轴准停。 4）C轴控制，指对主轴周向任意位置控制的功能。 5）切削倍率（主轴修调率），用于人工实时修调切削速度。7.辅助功能 辅助功能指CNC装置能指令的辅助操作，即M功能。8.刀具管理功能 刀具管理功能是指CNC装置刀具的管理和控制功能。 包括： 1）刀具几何尺寸管理。存储、修改刀具的半径、长度等参数。 2）刀具寿命管理。记录、存储刀具使用的时间，当刀具时间寿命到期时，提示用户更换刀具。 3）刀号管理。即T功能，用于识别和选用刀具。9.补偿功能 补偿功能是指CNC装置根据设定的一些补偿量，在控制机床进给时对刀具轨迹或位置进行修正补偿的功能。 1）刀具半径和长度补偿功能。 2）传动链误差补
9、偿功能（螺距误差补偿和和反向间隙补偿）。 3）智能误差补偿。对几何误差造成的综合加工误差、热变形引起的误差、静态弹性变形误差、刀具磨损带来的误差等，采用专家系统、人工神经网络、模糊控制等人工智能方法建立误差补偿模型。CNC装置在控制数控机床加工的过程中，根据检测的机床状态参数和误差补偿模型，实时地进行误差补偿。10.显示功能 显示功能是指CNC装置利用配置的显示器显示器提供显示各种信息的的功能。11.通信功能 通信功能是指NCN装置能提供的与上级计算机或计算机网络进行信息传输的功能。 RS232C接口； DNC接口，MAP（自动化制造协议）通信； 现代CNC装置则配置网卡。12自诊断功能 自诊
10、断功能是指CNC装置具有的对数控系统和机床出现的故障进行诊断的功能。 有在线诊断；离线诊断；远程故障诊断。4.1.44.1.4 CNCCNC装置的特点装置的特点与与NCNC装置比较，装置比较，CNCCNC装置有如下特点：装置有如下特点：1扩展性和通用性强 只需修改和扩充软件模块就可以改变和扩充数控功能。 基本配置（软件和硬件）是通用的，只要配置相应的功能模块就可以满足不同数控机床的特定控制要求。 特别是具有开放式体系结构的数控系统： CNC装置的硬件和软件是按统一的标准设计开发的。硬件和系统软件具有兼容性，系统软件具有开放性。 能很方便的重新根据使用要求来配置系统和扩展使用功能。2数控功能丰富
11、v插补功能： 除直线和圆弧插补外，还能实现复杂的二次曲线插补、样条曲线插补等功能。v补偿功能： 除刀具半径和长度补偿、反向间隙补偿外，还能实现运动精度补偿、随机补偿、非线性补偿、智能补偿等功能。v显示功能： 具有高级的人机交互界面，具有加工过程的动、静态跟踪显示以及图形显示。v编程功能：能进行一定的自动编程。3可靠性高 CNC装置可靠性高的原因主要在于： 1）采用高集成度的电子元件和大规模集成电路（VLSI）芯片，在器件层面上保证其具有高的可靠性。 2）由软件实现数控功，减少了硬件数量，从而减少硬件故障发生的概率，提高了可靠性。 （平均无故障时间长） 3）由于具有自诊断功能，从而使系统发生故障
12、的频率降低，发生故障后的修复时间缩短，可靠性提高。 （平均故障修复时间短）4使用维护方便 在操作上具有良好的菜单式操作界面，用户只需根据菜单的提示就可以进行正确的操作，使用十分方便。 在编程上具有多种编程功能，而且具有程序子校验和模拟仿真功能。使得数控加工程序编制更加方便和快捷。 在维护维修上，CNC装置可以承担许多日常的数控机床维护工作，如润滑、关键部位的定期检查，减少了人工维护的工作量。另外，CNC装置的自诊断功能，可以迅速判断故障类型和位置，方便维修人员的维修。5易于实现制造系统的集成 CNC装置具有的通信功能，使得CNC装置能够与上级计算机和网络进行连接通信。CNC装置能接受上级计算机
13、或网络发出的控制和管理信息，同时也能向上级计算机或网络发送机床和系统运行的各种信息。因此，数控机床能容易的集成到各种类型的现代制造系统之中。 特别是配置有网卡的CNC装置，CNC装置及其数控机床可直接作为网络终端，使得通过计算机网络组成跨地区的网络制造系统成为可能。4.24.2 CNCCNC装置的硬件结构装置的硬件结构4.2.14.2.1 概述概述 按其使用的CPU的多少来分，可分为单微处理器结构和多微处理器结构。1.单微处理器结构： 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来实现各种数控功能。 优点：优点：投资少、结构简单、易于实现。 缺点：缺点：数控功能受
14、CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。主从结构： 有多个CPU，但只有一个CPU（主CPU）对系统资源（存储器、总线）有控制和使用权，而其他带有CPU的功能模块（通常称为智能部件）无权控制和使用系统资源，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数据。（处于从属地位）2多微处理器结构 CNC装置中有两个或两个以上的CPU对系统资源有控制和使用权。 硬件被划分为各种功能模块，有多个模块使用CPU并对系统资源有控制和使用权。有CPU的模块称为主模块；没有CPU的模块称为从模块。 互连通信方式： （1）各模块采用紧偶合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器解决争
15、用总线问题，通过公用存储器来交换信息； （2）各模块采用松偶合，每个主模块都有自己独立的运行环境（系统总线、存储器、操作系统等），采用通信方式交换信息。4.2.24.2.2 单微处理器结构的单微处理器结构的CNCCNC装置装置 单微处理器结构的CNC装置以微处理器（CPU）为核心，CPU 通过总线与内存以及各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成各种数控任务。 1微处理器和总线 微处理器主要完成信息处理，包括控制和运算两方面微处理器主要完成信息处理，包括控制和运算两方面的任务。的任务。 总线是总线是 CPU CPU 与各部件（存储器、接口等）之间信息的公与各部件（存储器、接口等）
16、之间信息的公共传输线，包括控制总线、地址总线和数据总线。共传输线，包括控制总线、地址总线和数据总线。2. 内部存储器 内部存储器包括只读存储器（ROM）和读写存储器（RAM）两种。 ROM（ EPROM）：放在系统程序，由生产厂家固化，断电时程序不会丢失。 RAM：存放运算的中间结果、需显示的数据资料、运行中的状态信息等，它可以随时读出和写入，但断电后信息将丢失。 有后备电池的 SRAM（静态 RAM）、 EEPROM：存放加工的零件程序、机床参数、刀具参数，上述信息能被随时读出，还可以根据操作的需要写入或修改，断电后，信息仍保留。3. 位置控制器 （1 1）数控机床的位置控制）数控机床的位置
17、控制 1）进给运动轴的位置控制。 对单个轴的运动和位置精度有严格的要求，还要求多个轴协调运动、精确配合。 2）主轴的位置控制。 主轴位置准停，以便换刀、让刀。 3）刀库位置控制。 以便准确选择所需刀具。 主轴位置控制、刀库位置控制比进给轴位置控制精度要求底，控制简单简单，因此又称为简易位置控制。 进给坐标轴的位置控制可采用专用位置控制芯片，也可采用通用芯片构成位置控制模板。（2 2）位置控制芯片）位置控制芯片 MB8739 是 FANUC 公司设计的专用位置控制芯片，其结构如图所示。 来自于电动机轴上的光电脉冲编码器的位置系列脉冲信号，经接收器反馈到 MB8739，然后将其分为两路： 一路作为
18、位置量的反馈，与来自于CPU 输出的位置指令比较，其误差信号经位置增益、脉宽调制、D/A转换，产生速度指令，作为伺服驱动单元的控制指令。构成位置环。 另一路经频率/电压（F/V）变换，作为速度量的反馈信号，与速度指令信号比较，其差值送往速度控制单元，控制伺服电机运动，构成速度环。 (3 (3）位置控制模板）位置控制模板 图示为采用位置控制模板的 CNC 系统结构框图。位置控制功能由软件和硬件两部分共同实现， 软件负责计算位置跟随误差和进给速度指令的数值。 硬件由位置控制输出组件和位置测量组件组成。 位置控制输出组件的作用是将微机数控系统输出的以数字形式表示的跟随误差经 D/A转换电路转换为速度
19、单元所需的指令电压信号。4. 输入/输出（I/O）接口（1）输入输出接口的标准化 1975年由国际电工委员会（IEC）第 44 技术委员会制定并批准了国际标准“机床/数控接口”标准。接口分为四种类第一类为与驱动有关的连接电路第二类CNC与测量装置和传感器的连接电路，第三类为电源及保护电路。第四类为开/关信号和代码信号连接电路。(2）输入、输出信号的分类及接口电路的任务 输入信号：输入信号：机床 CNC装置 输出信号：输出信号：CNC装置 机床 输入、输出信号的主要类型有： 数字信号：数字信号：开/关，脉冲，代码 模拟信号：模拟信号：伺服控制、传感器等 交流信号：交流信号：直接控制功率执行器件。
20、 接口电路的主要任务是： （1）进行电平转换和功率放大。 （2）电气隔离。 光耦合器、脉冲变压器或继电器 （3）D/A 或 A/D 转换(3）数字I/O接口 1）输入接口输入接口 输入接口是接收机床操作面板的各种开关、按钮信号及机床的各种限位开关的开关量信号的接口。 触点（接点）输入电路： 有源： 无源：+24V电平转换和隔离，常采用光耦合器电平转换和隔离，常采用光耦合器 避免触点抖动 滤波滤波 整形整形 抖动抖动电压输入电路： 2 2）输出接口输出接口 输出接口是将机床各种工作状态通过操作面板用指示灯显示，把控制机床动作的信号送到强电线路。 通常有： 继电器输出电路： 无触点输出电路： 输出
21、电路将开关量信号送到强电线路时，通常要经隔离抗干扰及驱动电路才能与强电元件（如接触器、继电器、电磁阀、晶闸管等）连接。输出电路中需要注意对驱动电路和负载器件的保护。接触器接触器220V继电器触点继电器触点M380V接触器触点接触器触点限流电阻限流电阻 (4）数字输入、输出信号的传送 数字输入、输出信号在 CNC装置 和机床之间传送通过接口锁存器进行。 CPUALEALE来自机床的来自机床的输入信号：输入信号：开关的开、开关的开、关状态关状态发给机床的发给机床的输出信号：输出信号：继电器的通、继电器的通、断状态断状态二进制数二进制数二进制数的一位对应一路输入二进制数的一位对应一路输入/输出信号，
22、输出信号，“0”表示开、通状态，表示开、通状态，“1”表示关、断状表示关、断状态态 DB4.2.34.2.3 多微处理器结构的多微处理器结构的CNCCNC装置装置 多微处理器结构的数控装置中，有两个以上的由CPU 构成功能模块，并有权控制和使用系统资源。各CPU 构成的处理部件能独立运行，因此，能有效地实现并行处理，运算速度快，可以实现复杂的系统功能，适应多轴控制、高精度、高速度和高效率的控制要求。 现代 CNC装置大都采用多微处理器结构。1功能模块（1 1）CNC CNC 管理模块。管理模块。 （4 4）位置控制模块。）位置控制模块。 （2 2）CNC CNC 插补模块。插补模块。 （5 5
23、）人机接口模块。）人机接口模块。 （3 3）PLC PLC 模块。模块。 （6 6）存储器模块。）存储器模块。 主模块：主模块：带有带有CPUCPU或或DMADMA器件的模块器件的模块 从模块：从模块：不带不带CPUCPU或或DMADMA器件的模块器件的模块 2. 多微处理结构 CNC 装置的典型结构 多微处理结构的CNC 装置一般采用总线互连方式，有共享总线和共享存储器两类结构。（1 1）共享总线结构）共享总线结构 共享总线结构是通过系统总线把各个模块有机地连接在一起，组成一个完整的系统。 FANUC15FANUC15型型 CNCCNC装置的结构装置的结构 FANUC BUS（32位）位）6
24、8020（32位）位）总线仲裁总线仲裁 共享总线结构的各个主模块都有权控制使用系统总线共享总线结构的各个主模块都有权控制使用系统总线,但某一时刻只能由一个主模块占有总线。因此当多个主模但某一时刻只能由一个主模块占有总线。因此当多个主模块同时请求使用总线时，需要进行总线仲裁：块同时请求使用总线时，需要进行总线仲裁： 按各主模块其担负任务的重要程度预先安排好优先顺按各主模块其担负任务的重要程度预先安排好优先顺序。就是当发生总线竞争时，由总线仲裁器判别各主模块序。就是当发生总线竞争时，由总线仲裁器判别各主模块优先权的高低，将总线切换给优先权较高的主模块使用。优先权的高低，将总线切换给优先权较高的主模
25、块使用。 总线仲裁方式：总线仲裁方式： 串行方式：串行方式：优先权的排列是按链接位置确定。优先权的排列是按链接位置确定。 并行方式并行方式: : 优先权由专用逻揖电路优先权由专用逻揖电路优先权编码器确定。优先权编码器确定。 共享总线结构的各模块之间的通信，主要依靠存储器来实现。公共存储器直接接插在系统总线上供主模块访问。使用公共存储的通信双方通过占用系统总线访问公共存储器，从而实现任意两个主模块之间的交换信息。 优点：系统配置灵活，结构简单，容易实现，造价低。系统配置灵活，结构简单，容易实现，造价低。 缺点：总线竞争减低传输效率，总线故障会影响全局。总线竞争减低传输效率，总线故障会影响全局。2
26、 2）共享存储器结构）共享存储器结构 共享存储器结构采用多端口存储器来实现各微处理器共享存储器结构采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互联和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控之间的互联和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。制线，以供端口访问。 由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。 一般采用双端口存储器。一般采用双端口存储器。 缺点：设计复杂，端口多时，会因争用存储器而造成缺点：设计复杂，端口多时，会因争用存储器而造成信息传送的阻塞降低系统效率。信息传送的阻塞降低系统效率。 图示为图示为 GE 公司的公司的 MT
27、C1 CNC装置的结构框图，属共享存储器装置的结构框图，属共享存储器的多微处理器结构。各功能模块之间通过公用存储器连接耦合在一起。的多微处理器结构。各功能模块之间通过公用存储器连接耦合在一起。公用存储器公用存储器公用存储器公用存储器主处理器：主处理器：编编辑、译码、刀辑、译码、刀具和机床参数具和机床参数的输入。控制的输入。控制 CPU2 和和 CPU3并与之并与之交换信息交换信息 显示处理器：显示处理器：产生显产生显示信息并送视频显示示信息并送视频显示电路。扫描键盘和倍电路。扫描键盘和倍率开关，并将结果送率开关，并将结果送 CPU1 处理。处理。 插补处理器插补处理器 ：插补运算、插补运算、位
28、置控制、位置控制、机床输入机床输入输出控制及输出控制及 RS-232C 通通信控制。信控制。 CPU1通过中断实现对 CPU2和 CPU3的控制。 CPU1通过公用存储器与 CPU2和 CPU3进行通信。先由 CPU1 向 CPU2 或 CPU3 发送请求保持信号，占用的公用存储器，CPU1与公用存储器进行信息交换。信息交换结束，CPU1撤消请求保持信号，CPU2或 CPU3即恢复对公用存储器的控制权。 4.34.3 CNCCNC装置的软件结构装置的软件结构 CNC装置软件的结构取决于软件的分工和软件的工作装置软件的结构取决于软件的分工和软件的工作特点。特点。4.3.1 4.3.1 CNCCN
29、C装置软硬件的分工装置软硬件的分工 三种典型的分工：三种典型的分工： 硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难；软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。软硬件如何分工取决于性价比。4.3.2 CNC4.3.2 CNC装置软件工作特点装置软件工作特点 CNC装置的软件其工作过程中具有多任务并行性和实装置的软件其工作过程中具有多任务并行性和实时性两个特点。时性两个特点。 1多任务并行性 在同一时刻或同一时间间隔内在同一时刻或同一时间间隔内, , 同时执行两个或两个同时执行两个或两个以上任务。以上任务。输入输入译码译码刀补刀补速度速度处理处理控制控制位控位控 I/O诊断诊断插补插补显示
30、显示2实时性 实时性是指某任务的执行有严格的时间要求，必须在实时性是指某任务的执行有严格的时间要求，必须在规定的时刻开始执行和在规定的时间段内完成，否则将导规定的时刻开始执行和在规定的时间段内完成，否则将导致执行结果错误和系统故障。致执行结果错误和系统故障。 1 1）强实时性任务：）强实时性任务： （1 1）实时突发性任务：特点是任务的发生具有随机性和突发性。实时突发性任务：特点是任务的发生具有随机性和突发性。是一种异步中断事件，必须在事件发生时，即时地执行该任务。是一种异步中断事件，必须在事件发生时，即时地执行该任务。 主要有故障中断（急停、机械限位、硬件故障）、机床主要有故障中断（急停、机
31、械限位、硬件故障）、机床PLCPLC中断等。中断等。 （2 2）实时周期性任务：特点是任务的发生具有精确的、短时间周实时周期性任务：特点是任务的发生具有精确的、短时间周期的周期性。是一种周期事件，必须准确地按一定的时间周期执行和期的周期性。是一种周期事件，必须准确地按一定的时间周期执行和完成。完成。 主要有插补运算、位置处理等。主要有插补运算、位置处理等。 2 2）弱实时性任务：）弱实时性任务： 这类任务的实时性相对较弱，只需要在规定的一段时间内得以运这类任务的实时性相对较弱，只需要在规定的一段时间内得以运行即可。行即可。 有：显示、程序管理、插补预处理（包括：译码、刀具补偿、速度有：显示、程
32、序管理、插补预处理（包括：译码、刀具补偿、速度预处理等）等。预处理等）等。4.3.3 4.3.3 常用的软件设计方法常用的软件设计方法 为了满足多任务并行性和实时性的工作要求，根据硬为了满足多任务并行性和实时性的工作要求，根据硬件结构的特点，采用了件结构的特点，采用了资源分时共享并行处理资源分时共享并行处理和和资源重复资源重复并行处理和时间重叠流水处理并行处理和时间重叠流水处理设计技术，实现多任务并行设计技术，实现多任务并行处理和实时处理。处理和实时处理。 1资源分时共享并行处理 资源分时共享：就是在一定的时间间隔（常称时间片）内，根据各任务的实时性要求程度，规定它们使用CPU的时间，使它们按
33、规定的顺序和规则分时共享系统的资源。 关键：关键：要解决各任务使用CPU（资源）的时间如何分配的问题，即：各任务何时占用CPU和各任务占用CPU多长时间长度。 通常采用循环调度和优先抢占调度相结合的方法来解决上述问题的。 对于单微处理器结构，只能采用对于单微处理器结构，只能采用“资源分时共享资源分时共享”的方法来实的方法来实现多任务的并行处理。现多任务的并行处理。 1 1）循环调度）循环调度 循环调度就是使若干个任务在一个时间片内按一定循环调度就是使若干个任务在一个时间片内按一定顺序执行一次并且一个个时间片不断地循环执行。顺序执行一次并且一个个时间片不断地循环执行。 宏观上看，在一个时间片内，
34、宏观上看，在一个时间片内，CPU对显示、译码、对显示、译码、刀具补偿、速度处理、刀具补偿、速度处理、I/O处理等任务进行了并行处理。处理等任务进行了并行处理。 显 示译 码刀 补速度处理I/O处理完成？时间片t1时间片t2时间片ti占用CPU时间 tYN 2 2）优先抢占调度）优先抢占调度 优先抢占调度是使系统能根据外界的实时信息以足优先抢占调度是使系统能根据外界的实时信息以足够快的速度进行任务调度的调度技术。采用该技术是为够快的速度进行任务调度的调度技术。采用该技术是为了满足了满足CNC装置实时性任务的工作要求，同时实现多任装置实时性任务的工作要求，同时实现多任务并行处理。务并行处理。 它是
35、基于实时中断技术的任务调度机制：它是基于实时中断技术的任务调度机制： 各任务按实时性要求的程度被分为不同的中断优先各任务按实时性要求的程度被分为不同的中断优先级。多个任务同时请求执行时，级别高的级。多个任务同时请求执行时，级别高的优先优先执行；一执行；一个任务在执行时，优先级别高的任务可以中断正在执行个任务在执行时，优先级别高的任务可以中断正在执行的任务，的任务，抢占抢占CPU执行级别高的任务。执行级别高的任务。 优先抢占调度优先抢占调度是由硬件和软件共同实现的。硬件由是由硬件和软件共同实现的。硬件由提供中断功能的芯片和电路组成，主要产生中断请求信提供中断功能的芯片和电路组成，主要产生中断请求
36、信号。软件主要完成硬件芯片的初始化、任务优先级定义、号。软件主要完成硬件芯片的初始化、任务优先级定义、任务切换处理（断点的保护与恢复）等。任务切换处理（断点的保护与恢复）等。 可以看出，优先抢占调度： 保证了实时周期性任务的准确地按一定的时间周期执行。 从一个时间片（8或16ms）来看，CPU并行执行了三个任务。 资源分时共享的并行处理是宏观意义上的，微观上还是各个任务顺序执行的。位置控制插补运算显示译码背 景 程序初始化刀补I/O背静程序中断级别高中断级别低位置控制占用CPU时间插补运算占用CPU时间循环程序占用CPU时间运行时间0ms4ms8ms12ms16ms20ms24ms28ms32
37、ms位置控制的中断请求位置控制和插补运算同时中断请求 2. 2.资源重复并行处理资源重复并行处理 多微处理器结构多微处理器结构CNC，根据各任务间是否需要满足，根据各任务间是否需要满足严格的时序逻辑关系，分别采用并发处理和流水处理实严格的时序逻辑关系，分别采用并发处理和流水处理实现多任务并行处理。现多任务并行处理。1）并发处理）并发处理 当各任务之间的时序逻辑关系要求不高时，多个任当各任务之间的时序逻辑关系要求不高时，多个任务分别安排务分别安排1个个CPU,使其（不分先后顺序）同时执行。使其（不分先后顺序）同时执行。2）流水处理）流水处理 当各任务之间的时序逻辑关系要求严格时，当各任务之间的时
38、序逻辑关系要求严格时，即一个即一个任务的输出是另一任务的输入时，需要采用流水处理的任务的输出是另一任务的输入时，需要采用流水处理的方法。方法。 流水处理 例如，自动加工时，对一个程序段的轨迹控制包含必例如，自动加工时，对一个程序段的轨迹控制包含必如下各任务且有时序逻辑关系要求：如下各任务且有时序逻辑关系要求： 译码译码 插补准备插补准备 插补插补 位置控制位置控制数据转换时间：数据转换时间： 若顺序地处理每个程序段，则时空关系为：t1tt2t3t4+= 1 2 4 3 2 1 3 4 N1 N2 输出输出 输出输出 t 两程序段输出之间两程序段输出之间存在时间间隔存在时间间隔 存在的时间间隔反
39、映在电机存在的时间间隔反映在电机上就是时转时停，反映在刀具上上就是时转时停，反映在刀具上就是时走时停。这在工艺上是不就是时走时停。这在工艺上是不允许的。允许的。 流水处理： 1个程序段（零件）的处理，有4个任务（工序），用4个子程序（机床）分别执行。4个子程序组成流水线，按流水作业的方式顺序处理每个程序段。 流水处理的时空关系：子程序子程序1子程序子程序2子程序子程序3子程序子程序1程序段程序段1译码译码插补准备插补准备插补插补位置控制位置控制程序段程序段1程序段程序段1程序段程序段1程序段程序段2程序段程序段2程序段程序段3程序段程序段2程序段程序段3程序段程序段4程序段程序段1程序段程序段
40、2程序段程序段3程序段程序段4程序段程序段5程序段程序段2程序段程序段4程序段程序段5程序段程序段6程序段程序段3 1 2 4 3 N1 输出输出 1 2 3 4 输出输出 1 2 4 3 输出输出 1 2 3 4 输出输出 N5 N4 N3 N2 1 2 3 4 输出输出 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t8 t7 流水处理的关键流水处理的关键: :时间重叠时间重叠,即即在同一时间间隔内在同一时间间隔内,并行执行多个并行执行多个子程序子程序,处理多个程序段的多个任处理多个程序段的多个任务。从而将顺序处理的任务转换务。从而将顺序处理的任务转换为并行处理。为并行处理。 从此时间开始，每个程序
41、段的输出之间没从此时间开始，每个程序段的输出之间没有时间间隔，保证刀具运动的连续性。有时间间隔，保证刀具运动的连续性。 若采用多个若采用多个CPU分别执行分别执行不同的子程序，则能大大缩短不同的子程序，则能大大缩短流水处理的时间间隔，提高数流水处理的时间间隔，提高数控装置的控制速度。控装置的控制速度。4.3.4 CNCCNC装置软件结构模式装置软件结构模式 结构模式：结构模式：软件的组织管理方式，即任务的划分方式、软件的组织管理方式，即任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交换机制、系统集成方法。任务调度机制、任务间的信息交换机制、系统集成方法。 需解决的问题：需解决的问题：如何协调各任务
42、的执行，使满足一定如何协调各任务的执行，使满足一定的时序配合要求和逻辑关系、并行和实时处理要求。的时序配合要求和逻辑关系、并行和实时处理要求。1 1前后台型结构模式前后台型结构模式 任务划分方式：任务划分方式： 前台程序：前台程序：强实时性任务，包括：插补运算、位置控制、故障诊强实时性任务，包括：插补运算、位置控制、故障诊断等任务；断等任务； 后台程序：后台程序：弱实时性任务，包括：显示，加工程序的编辑和管理、弱实时性任务，包括：显示，加工程序的编辑和管理、系统的输入和输出、插补预处理等。系统的输入和输出、插补预处理等。 任务调度机制：任务调度机制： 前台程序为中断服务程序，采用优先抢占调度机
43、制。前台程序为中断服务程序，采用优先抢占调度机制。 后台程序为循环运行程序，采用顺序调度机制。后台程序为循环运行程序，采用顺序调度机制。 信息交换：信息交换：通过缓冲区实现。通过缓冲区实现。A-B 7360型型CNC装置软件结构框图装置软件结构框图2 2中断型结构模式中断型结构模式 任务划分方式：任务划分方式： 除初始化程序外，所有任务按实时性强弱，分别划分除初始化程序外，所有任务按实时性强弱，分别划分到不同优先级别的中断服务程序中。到不同优先级别的中断服务程序中。 任务调度机制：任务调度机制： 采用优先抢占调度机制，由中断管理系统对各级中断采用优先抢占调度机制，由中断管理系统对各级中断服务程
44、序进行管理。服务程序进行管理。 信息交换：信息交换：通过缓冲区实现。通过缓冲区实现。v整个软件是一个大的中断管理系统。整个软件是一个大的中断管理系统。 中断型结构模式软件实例中断型结构模式软件实例 FANUC-7型CNC装置任务模块及中断优先级别划分任务模块及中断优先级别划分 软件结构框图软件结构框图 主要中断的功能主要中断的功能 (1)初始化初始化 (2)第第1级中断级中断(3)第第2级中断级中断 (4)第第3级中断级中断 2级入口级入口工作方式选择工作方式选择自动自动 MDI 步进增量步进增量手动连续手动连续 编辑编辑 出口出口 (5)第第5级中断级中断 (6)第第6级中断级中断4.44.
45、4 CNCCNC装置的数据预处理装置的数据预处理 信息转换流程 加工程序加工程序译译码码刀刀补补处处理理插插补补处处理理位位置置控控制制伺服驱动伺服驱动PLC控制控制位置反馈位置反馈数据数据(插补插补)预处理预处理:将零件加工程序转换为插补所将零件加工程序转换为插补所需要的信息。需要的信息。 N06G90G006C8H12H0C8H01H00HXB0YB0XBAYBAXB1YB1LLXLYcoscosLL1L1X1Y14.4.1 4.4.1 零件程序的输入零件程序的输入 将记录在控制介质上的零件加工程序输入数控装置，将外码（ISO、EIA码）转换为内码，送入程序存储器存储或直接送去译码。 1.
46、1.输入过程的信息流输入过程的信息流 2 2代码转换代码转换 用代码转换表，将ISO（EIA）码转换为有规律的内码，便于译码。 读入一ISO码字符，与存储在存储器里的ISO代码表比较，与表的某项相同时，用存储的内码表的对应码替换，然后送入程序存储器存储。 程序段： N01 G91 G01 X100 Y-50 F150 M03 LF 转换后的结果： 3 3零件程序的存储零件程序的存储 程序存储器分为目录区和程序区， 目录区里按固定格式存储每个存入的零件程序的名称，程序首址，程序末址。 程序区存放零件程序的内容，一般按顺序存放。 零件输入存储时，首先在目录区存入零件程序的名称和确定的程序首址，然后
47、从程序首址开始，顺序存入逐一读入的零件程序的代码 （转换后的内码），输入 结束，在目录区存入零件 程序最后一个代码的存储 地址（程序末址）。4.4.2 4.4.2 译码译码 译码是把零件程序段描述的的各种信息按一定规律翻译成计算机系统能识别的数据形式，并按系统规定的格式存放在译码结果缓冲器中。还要完成对程序段的语法检查。 1.1.译码方法译码方法 解释法:一边解释，一边执行的译码方法。 以程序段为单位，逐一读出字符，与数控代码规定的字符逐一比较识别，对识别出的字符按规则进行处理和转换，转化结果送译码缓冲器。解释完一个程序段，其数据由后续程序接着处理，解释程序则继续解释下一程序段。 译码的工作主
48、要有： 代码识别 各功能的译码2.2.代码识别代码识别 从零件程序缓冲器中逐个输入字符代码，与数控代码规定的字符逐一比较，若相等，则说明输入的是该字符。若都不相等，则为非法字符。 代码识别原理框图：代码识别原理框图： 3 3各功能的译码各功能的译码 对识别出来的功能码，按规定的规则转换成所要求的数据格式，并存入译码缓冲器中规定的存储单元。 1)译码缓冲器的格式 规定：各功能码转换后的数据格式；存储顺序；存储单元的字节数及偏移地址。 由于G、M指令在一个程序段中只能出现一个，而不同组的可以有出现几个，所以要对G、M功能指令分组并指定对应组数的存储单元。 2）译码处理 对于对于N N、X X、Y
49、Y、Z Z、I I、J J、K K、F F、S S、T T功能码，功能码，根据代码识别设置的标志：根据代码识别设置的标志：v确定译码后数据存放的地址；（标志和地址一一对应）v将数字码转换为规定的数据格式； 数字内码已是非压缩BCD码，故： 对N、T进行非压缩BCD码压缩BCD码的转换； N0120: 00H01H02H00H(BCD) 01H02H(BCD) 对X、Y、Z、I、J、K、F、S进行非压缩BCD码二进制数转换。 Y150.00: 01H05H00H.00H00H(BCD) 00H00H96H(B) 对于对于G G、M M功能码，还需根据其数字符号进行判功能码，还需根据其数字符号进行
50、判断分组后，确定数据存放地址，并将数字符号转换断分组后，确定数据存放地址，并将数字符号转换为规定的为规定的特征字。 如：GA的特征字 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0G00：0无此指令，无此指令，1有此指令，有此指令，01HG01：0无此指令，无此指令，1有此指令，有此指令，02HG02：0无此指令，无此指令，1有此指令，有此指令，04HG03：0无此指令，1有此指令，08HG33：0无此指令，无此指令，1有此指令，有此指令，10H4 4译码过程译码过程N 018G91G01X206Y-10F50M05LF入口入口 清译码工作区清译码工作区 读取一个字符读取一个字符 代码识别代码
