1、 第三章第三章 本章教学要点第三章第三章 CNC装置 CNCCNC装置的发展趋势装置的发展趋势 由于大规模集成电路制造技术的高度发展，PCPC硬件结构做得更小，CPUCPU的运行速度越来越高，存储容量很大。PCPC机大批量生产，成本大大降低，可靠性不断提高。PCPC机的开放性等使PCPC机的软件极为丰富。三维图形显示工艺数据已经在PCPC机上建立。因此，PCPC机已成为开发CNCCNC系统的重要资源与途径。交流伺服系统恒功率范围已做到1:4，速度范围可达到1:10001:1000，基本与直流伺服相当。交流伺服体积小，价格低，可靠性高，应用越来越广泛。高功能的数控系统向综合自动化方向发展，为适应
2、FMSFMS、CIMSCIMS、无人工厂的要求，发展与机器人、自动化小车、自动诊断跟踪监视系统等的相互联合，发展控制与管理集成系统，已成为国际上数控系统的方向。方便使用改善人机接口，简化编程、操作面板使用符号键，尽量采用对话方式等，以方便用户使用，柔性化和系统化。目前数控系统均采用模块结构，第三章第三章 CNCCNC装置装置其功能覆盖面大，从三轴两联动的机床到多达2424轴以上的柔性加工单元。提高加工精度，高分辨率旋转编码器必不可少。为在超精密加工领域能实现0.O01um0.O01um的精度，必须开发超高分辨率的编码器，O.0001umO.0001um最小设定单位的CNC装置。为在加工中即使负
3、荷变动伺服系统的特性也保持不变，还需采用自动控制和鲁棒控制。在伺服系统的控制中，用高速微处理器，采用基于现代控制论前馈控制、二自由度控制、学习控制等，实现机械智能化功能，机械自身可补偿温度、机械负荷等引起的机械变形。建立基于AI专家系统的故障监测诊断数据库，把CNC装置通过Internet与中央计算机相连接，使其具有远程诊断功能。3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点3.1.1 CNC3.1.1 CNC装置的组成装置的组成 数控装置是数控系统的核心，其主要功能是正确的识别和解释数控加工程序，对解释结果进行各种数据计算和逻辑判断处理，完成各种输入、输出任务。其形式可
4、以有数字逻辑电路构成的专用硬件数控装置或计算机数控装置；另一类是离散的开关量，送往机床电气逻辑控制装置，控制机床各组成部分实现各种数控功能。计算机数控系统是在硬件数控（NCNC）装置的基础上发展起来的，它用一台计算机完成数控装置所有的功能。从组成部分的性质上分，CNCCNC装置由硬件和软件组成，如图图3-13-1所示。图图3-1 CNC3-1 CNC装置的组成框图装置的组成框图3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点1.CNC1.CNC系统硬件的基本组成系统硬件的基本组成 图图3-23-2所示为典型CNCCNC系统的硬件基本组成，它包括CNCCNC装置和和驱动控制两
5、部分。其中CNCCNC装置既具有一般微型计算机的基本结构，又具有数控机床完成特有功能所需的功能模块和接口单元。从图中可以看出，CNCCNC装置主要有计算机主板、系统总线、存储器、PLCPLC、模块、位置控制板、键盘/显示器接口及其它接口电路组成，是构成CNCCNC系统的基础。图图3-2 CNC3-2 CNC装置的硬件组成装置的硬件组成3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点2.CNC2.CNC装置软件的基本组成装置软件的基本组成 CNCCNC装置的软件是为了充分发挥硬件功能而运行的各种支撑软件，通常由系统软件、控制软件和管理软件等组成。从本质特征来看，CNCCNC装
6、置的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，CNCCNC装置的系统软件由管理软件和控制软件两部分组成，如图图3-33-3所示。管理软件主要用于为某个系统建立一个软件环境，协调各软件模块之间关系，并处理一些实时性不太强的事件，包括I/OI/O处理程序、显示程序和诊断程序等。控制软件主要用于完成系统中一些实时性要求较高的关键控制功能，包括译码程序、刀具补偿计算程序、速度控制程序、插补运算程序、位置控制程序和主轴控制程序等。图图3-3 CNC3-3 CNC装置软件的组成装置软件的组成3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点3.1.2 CNC3.1.2
7、 CNC装置的主要功能装置的主要功能 CNCCNC控制器的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统必备的功能，选择功能是供用户按数控机床特点和用途可进行选择的功能。CNCCNC通常有如下主要功能。轴控制功能是指CNCCNC可同时控制的轴数。数控机床运动的轴有移动轴和回转轴，有基本轴和附加轴。一般数控车床只有2 2根同时控制轴。数控铣床、数控镗床和加工中心需要3 3根或3 3根以上的同时控制轴。控制轴数越多，尤其是同时控制轴数越多，CNCCNC控制器就越复杂，多轴联动的零件程序编制也越困难。1.1.准备功能准备功能 准备功能也称G G功能，它是用来指令机床运动方式的功能，包括基本移动、
8、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环、公英制转换等指令。用G G和它后面的两位数字表示。2.2.插补功能插补功能 CNCCNC是通过软件插补来实现刀具运动的轨迹。实际应用中，CNCCNC的插补功能分为粗插补和精插补。软件每次插补一个小线段数据称为粗插补，伺服接口根据粗插补的结果，将小线段分成单个脉冲输出，称为精插补。3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点3.3.进给功能进给功能 根据机械加工工艺要求，CNCCNC的进给功能用F直接指令数控机床各轴的进给速度。切削进给速度：用每分钟进给的毫米数指定刀具的进给速度。对于回转轴，如F12F12，表示每分钟进给速度为12
9、mm12mm。同步进给速度：用主轴每转进给的毫米数规定的进给速度，如0.01mm/r0.01mm/r。只有主轴上装有位置编码器的数控机床才能指定同步进给速度，目的是便于切削螺纹编程。快速进给速度：通过参数设定，用G00G00指令快速进给，并可通过操作面板上的快速倍率开关进行调整。进给倍率：通过设置在操作面板上的进给倍率开关来给定。倍率通常可在0%0%200%200%变化，每档间隔10%10%。利用倍率开关可不用修改程序中的值，就可改变机床的进给速度，对每分钟进给量和每转进给量都有效，但需注意在切削螺纹时倍率开关应不起作用。3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点4.
10、4.主轴功能主轴功能 主轴功能是指定主轴转速的功能，它用S S代码和其后面的数值表示，其单位是r/minr/min。在机床操作面上装有主轴倍率开关，可以不用修改程序而改变主轴转速。5.5.辅助功能辅助功能 辅助功能用来指令主轴的启、停和转向，切削液的开和关，刀库的启、停。用M M代码的2 2位数表示。6.6.刀具功能和第二辅助功能刀具功能和第二辅助功能 刀具功能用来选择所需刀具，用T T的2 2位数或4 4位数表示。第二辅助功能用来指定工作台的分度，用B B代码表示。7.7.补偿功能补偿功能 补偿功能有两种，一种是指刀具尺寸补偿和程序段自动转接，以简化编程；另一种是指丝杠的螺距误差、反向间隙或
11、热变形补偿等，这是提高机床加工精度的补偿。这两种补偿都是通过将其补偿量输入CNCCNC的存储器，且按此补偿量重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工符合要求的零件。3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点8.8.字符、图形显示功能字符、图形显示功能 CNCCNC控制器可配置单色或彩色CRTCRT（也可配置液晶显示器LCDLCD），通过软件和接口实现字符和图形显示。通常可显示程序、参数、各种补偿量、位置坐标、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形及表示实际切削过程的动态刀具轨迹等。9.9.自诊断功能自诊断功能 为了防止故障的发生和在故障出现后可迅速查明故障的类型及部位
12、，以减少故障停机时间，CNCCNC中设置了各种诊断程序。不同的CNCCNC设置的诊断程序是不同的，且诊断的水平也不同。但是，他们的诊断程序一般都可以包含在系统程序中，在系统运行过程中进行检查和诊断。也可作为服务性程序，在系统运行前或故障停机后进行诊断，查找故障的部位。有的CNCCNC还可以进行远程通信诊断。10.10.通信功能通信功能 为了适应柔性制造系统和计算机集成制造等需求，CNCCNC控制器通常都具有RS-RS-232C232C通信接口。有的还备有DNCDNC接口，它设有缓冲存储器，可以按照数控格式输入，也可以按照二进制格式输入，进行高速传输。有的CNCCNC还可与MAPMAP（制造自动
13、化协议）相连，接入工厂的通信网络。3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点11.11.人机交互图形编程功能人机交互图形编程功能 为了进一步提高数控机床的开动率，对于数控程序的编制，特别是较为复杂零件的程序都要提高计算机辅助编程，尤其是利用图形进行自动编程，以提高编程效率。现代CNCCNC控制器具有人机交互图形编程功能。这种功能表现为有的CNCCNC可以根据蓝图直接编制程序，有的CNCCNC可根据引导图和显示说明进行对话式编程，并对数控车床具有自动工序选择，对数控铣或加工中心具有使用刀具、切削条件的自动选择等智能功能。CNCCNC的轴控制功能、准备功能、插补功能、进给
14、功能、刀具及其补偿功能、主轴功能、辅助功能、字符显示功能、自诊断功能等都是数控必备的基本功能；而某些补偿功能、固定循环功能、图形显示功能、通信功能，以及人机交互图形编程功能等则是选择功能。这些功能的有机组合，可以满足不同用户的要求。3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点3.1.3 CNC3.1.3 CNC装置的特点装置的特点CNCCNC装置具有以下特点：（1）具有较强的灵活性和通用性。由于CNCCNC装置大多采用的是通用性较强的硬件，因此，若要改变、扩充其功能，均可通过对软件的修改和扩充来实现。另一方面，CNCCNC装置的硬件和软件大多是采用模块化的结构，因此系统
15、的扩充、扩展较方便和灵活。（2）具有丰富多样的数控功能。由于CNCCNC装置中的计算机具有较强的计算能力，因此，使其实现复杂的数控功能成为可能。如可以带有二次曲线插补、样条插补、空间曲面直接插补等插补功能；可以有运动精度补偿、随机补偿、非线性补偿等补偿功能；可以有加工过程的动、静跟踪显示，高级人机对话窗口显示等功能；还可以有蓝图编程等功能。3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点（3）可靠性高。第一，CNCCNC装置采用集成度高的电子元件及大规模甚至超大规模集成电路芯片，这本身就提高了CNCCNC装置的可靠性；第二，许多功能由软件实现，使硬件的数量得以减少；第三，其
16、丰富的故障诊断及保护功能（大多由软件实现），可使系统的故障发生频率大幅度降低，使发生故障后的修复时间大大减少。（4）使用维护方便。第一，操作使用方便，现在大多数数控机床的操作采用了菜单结构，用户根据菜单的提示便可进行正确操作；第二，编程方便，现代数控机床大多具有多种编程的功能，并且都具有程序自动校验和模拟仿真功能；第三，维护维修方便，数控机床的许多日常维护工作都由数控装置承担（如润滑、关键部件的定期检查等），并且数控机床具有自诊断功能，可迅速使故障定位，方便维修。3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点（5）易于实现机电一体化。由于采用计算机，硬件数量相应减少，加之
17、电子元件的集成度越来越高，使硬件的体积不断减小，控制柜的尺寸也相应减少，因此，数控系统的结构非常紧凑，使将其与机床结合在一起成为可能，从而可减少占地面积，方便操作。3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点3.1.4 CNC3.1.4 CNC装置的软硬件分工装置的软硬件分工 数控装置是由软件和硬件组成，硬件为软件的运行提供支持环境。从信息处理的角度看，软件和硬件在逻辑上是等价的，即硬件能完成的任务，理论上说也可以由软件来完成。因此，在数控装置的设计阶段就要考虑哪些功能由软件来实现，哪些功能由硬件来实现，或怎样确定软件和硬件在数控装置中所承担的任务，就是软硬件功能界面问
18、题。一般来说，硬件处理速度快，但价格高、灵活性差，软件适应性强，但处理速度慢。正确地划定软硬件界面，可以获得较高的性能价格比。图图3-43-4是几种典型的软硬件界面的划分。图图3-4 几种典型的软硬件界面的划分几种典型的软硬件界面的划分3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点3.1.5 CNC3.1.5 CNC装置的多任务并行处理装置的多任务并行处理1.1.多任务与并行处理技术多任务与并行处理技术 （1）数控装置的多任务性：“任务”就是指可并行执行的程序在一个数据集合上的运行过程。数控系统中的每项功能都可定义为一个任务，这些任务可以分为两大类：管理任务和控制任务。管
19、理任务包括人机界面管理、零件程序的输入输出、显示、诊断等。这类任务的特点是实时性要求不高：控制任务包括译码、刀补、速度控制、插补运算和位置控制等，这类任务有很强的实时性。数控装置的任务及分类框图见图图3-53-5。图图3-5 3-5 数控装置的任务及分类框图数控装置的任务及分类框图3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点（2）多任务并行处理的实现：并行处理指计算机在同一段时间内完成两件或两件以上性质相同或不同的任务时的处理方法。采用并行处理技术可以提高计算机系统的资源利用率和处理速度。并行处理可以用硬件或软件实现，如多CPUCPU系统就是用硬件实现多任务并行处理的方
20、法。下面介绍两种在数控软件中实现多任务并行处理的方法。资源分时共享资源分时共享 在单CPUCPU的数控装置中，一般采用分时共享的办法来解决多任务的同时运行。分时共享的基本思想是将CPUCPU的运行时间分成若干时间片，用于处理不同的任务。在宏观上看就好像这些任务在同时执行一样。在使用分时共享并行处理的计算机系统中，首先要解决各任务占用CPUCPU时间的分配原则。太长时间片会使系统的实时性受损，时间片过小则任务切换太频繁，增加系统负担。3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点图图3-6 3-6 分时共享多任务处理方案分时共享多任务处理方案图图3-7 各任务占用各任务占用
21、CPU时间示意图时间示意图 在数控装置中，各任务占用CPUCPU的时间可以采用循环轮流和中断优先相结合的方法解决，图图3-63-6是一个典型的数控装置各任务分时共享CPUCPU时间的示意图。系统完成初始化后自动进入由各任务构成的时间分配环，在分配环中轮流执行各任务；而对于一些实时性很强的任务则安排在环外，分别放在不同的优先级上，可随时中断环内各任务的执行。处于环内的各任务统称为背景程序，位控、插补和背景程序的CPUCPU时间占用情况见图图3-73-7。3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点时间重叠流水处理时间重叠流水处理。在数控系统处于自动加工方式时，其数据转换过
22、程由零件程序输入、插补准备（包括刀具补偿和速度控制）、插补、位置控制4 4个子过程组成。每个子过程可以作为一个任务，其处理时间分别为 、和 ，每个程序段的数据转换时间是 。如果以顺序方式处理每个程序段，即当前程序段处理完后又处理下一个程序段，这种顺序处理的时空关系如图图3-8a3-8a所示。从图中可以看出，每两个程序段的输出时间间隔为 。这种时间间隔反映在机床的加工过程中就是刀具的进给时断时续，这段时间越长，数控装置的性能越差。应当尽量减少这段时间。时间重叠流水处理技术可以有效地减少这段时间。上面这个例子采用时间重叠流水处理后的时空关系如图如图3-8b3-8b所示。时间重叠流水处理的关键是时间
23、重叠，即在一段时间内不只处理一个过程，而是同时处理4个过程，经过时间重叠流水处理后，从 时刻起，每个程序段的输出之间的间隔减小到原来的1/41/4，从而保证了机床运动的连续性。1t2t3t4tttttt1234tttt12344t3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点在单CPUCPU的数控系统中，时间重叠只有宏观上的意义，即在一段时间内，CPUCPU处理多个子过程，但从微观上看，各自过程还是分时占用CPUCPU时间的。a）顺序处理）顺序处理 b）并行处理）并行处理图图3-8 时空关系图时空关系图3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点2
24、.2.实时性和优先抢占调度机制实时性和优先抢占调度机制 实时性任务是指任务的执行有严格的时间要求，即必须在系统规定的时间内完成指定的任务，否则将导致执行结果错误或系统故障。（1）实时性任务的分类 我们说数控装置是一个专用的实时计算机系统，是因为数控系统中各任务或多或少都有实时性要求，否则加工过程就会中断。从各任务对实时性要求的程度看，可以将其分为实时性突发任务、实时性周期性任务和弱实时性任务3 3类：实时性突发任务的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，实时性要求最强，主要包括故障中断（急停、机械限位，硬件故障等）。3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及
25、功能特点 实施周期性任务是精确地按一定时间间隔发生的任务，主要包括加工过程中的插补运算、位置控制等任务，为保证加工过程连续性，这类任务处理的实时性是关键，在任务执行过程中，除系统故障外，不允许被其他任务中断；弱实时性任务的实时性要求相对较弱，在系统设计时，可以被安排在背景程序中，或放在较低的优先级上，这类任务包括CRTCRT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等。3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点（2）优先抢占调度机制 为了满足数控装置处理实时性任务的要求，系统调度机制必须具有根据外界实时信息以足够快的速度进行任务调度的能
26、力。优先抢占调度机制就是满足上述要求的调度技术，它是一种基于实时中断技术的任务调度机制，是数控系统中解决多任务实时调度问题的方案之一。优先抢占调度机制的功能有两个：一是优先调度，在CPUCPU空闲时，当同时有多个任务请求执行时，优先级高的任务将首先得到满足。例如，若位置控制、插补运算两个任务同时请求执行时，位置控制的要求将首先得到满足；3.1 CNC3.1 CNC装置的组成及功能特点装置的组成及功能特点另一个是抢占方式，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，CPUCPU将停止正在执行的任务，转去执行优先级更高的任务。例如，当CPUCPU正在执行插补程序时，若位置控制任
27、务请求执行，CPUCPU首先将正在执行的任务现场保护起来，然后转入位置控制任务执行，执行完毕后再恢复到中断前的断点处，继续执行插补任务。优先抢占调度机制是由硬件和软件共同实现的，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（例如82598259或类似芯片），定时计数器芯片（例如82638263、82548254）等。现在的计算机系统都能提供此功能。软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务优先级定义、任务切换处理等。从CNCCNC装置的总体安装结构看，CNCCNC装置的硬件有整体式和分体式两种。整体式结构是指把显示器和手工数据输入面板、操作面板及由功能模板组成的电路板等安装在同一机箱内。其优
28、点是结构紧凑、便于安装，但有时可能造成某些信号连线过长。分体式结构通常是指把显示器和手工数据输入面板、操作面板等做成一个部件，而把由功能模块组成的电路板安装在一个机箱内，两者用导线或光纤连接。许多CNCCNC装置把操作面板也单独作为一个部件，这是由于所控制机床的要求不同，要相应地改变操作面板，做成分体式结构有利于更换和安装。操作面板在机床上的安装形式有吊挂式、床头式、控制柜式、控制台式等多种。3.2 CNC3.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构图图3-9 3-9 单微处理器结构图单微处理器结构图 在单微处理器结构中，只有一个微处理器，通过集中控制、分时处理数控装置的各个任务。其他功能部，如
29、存储器、各种接口、位置控制器等都需要通过总线与微处理器相连。图图3-93-9是单微处理器结构图，其优点是投资少、结构简单、易于实现；缺点是功能受CPUCPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度的限制。3.2.1 3.2.1 单微处理器结构单微处理器结构 3.2 CNC3.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构3.2.2 3.2.2 多微处理器结构多微处理器结构1.1.多微处理器结构功能模块多微处理器结构功能模块 在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，每个微处理器通过数据总线或通信方式进行连接，共享系统的公用存储器与I/OI/O接口，每个微处理器分担系统的一部分工作，这就是多微处理器系统。如
30、图图3-103-10所示。目前使用的多微处理器系统有三种不同的结构，即主从式结构、总线式多主CPU结构和分布式结构。多微处理器结构一般包括如下几种功能模块。（1）CNCCNC管理模块 管理和组织整个CNCCNC系统的工作，包括系统初始化、中断处理、总线冲突裁决、系统出错识别和处理、软硬件诊断等功能。3.2 CNC3.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构（2）CNC插补模块 完成零件加工程序的译码、刀具半径的补偿、坐标位移量的计算和进给速度处理等插补前的预处理，以及进行插补计算，确定各坐标轴的位置。（3）位置控制模块 插补后的坐标位置给定值与位置检测装置测得的位置实际值进行比较，进行自动加减速
31、、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，去驱动进给电机。（4）主存储器模块 主要用于存放程序和数据，也可以是各功能模块间进行数据传送的共享存储器。（5）操作面板监控和显示模块 包括零件的数控程序、参数、各种操作命令和数据的输入、输出、显示所需要的各种接口电路。3.2 CNC3.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构图图3-10 3-10 多微处理器共享总线结构框图多微处理器共享总线结构框图 3.2 CNC3.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构（6）PLC功能模块 零件程序中的开关功能和从机床来的信号在这个模块中作逻辑处理，实现各开关功能和机床操作方式之间的对
32、应关系，如机床主轴的启停、冷却液的开关、刀具交换、回转工作台的分度、工件数量和运转时间的计数等。3.2 CNC3.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构2.2.总线式多主总线式多主CPUCPU结构结构 总线式多主CPUCPU结构按其信息交换方式不同，可分为共享总线型和共享存储器型，通过共享总线或共享存储器，来实现各模块之间的互联和通信。其优点是能实现真正意义的并行处理，运算速度快，可实现较复杂的系统功能，容错能力强，在某模块出故障后，通过系统重组仍能继续工作。（1）共享总线结构 共享总线结构以系统总线为中心，把组成CNCCNC装置的各个功能部件划分为带有CPUCPU主模块和不带CPUCPU的从
33、模块（如各种RAMRAM、ROMROM模块，等）两大类。所有主、从模块都插在配有总线的插座的机柜内，共享标准的系统总线。系统总线的作用是把各个模块有效地连接在一起，按照标准协议交换各种数据和控制信息，实现各种预定的功能，如图图3-103-10所示。共享总线结构的典型代表是FANUC15FANUC15系统。3.2 CNC3.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构 在共享总线结构中，只有主模块有权控制使用系统总线。但由于有多个主模块，可能会同时请求使用总线，而某一时刻只能由一个主模块占有总线。为了解决这一矛盾，系统设有总线仲裁电路。按照每个主模块负担的任务的重要程度，预先安排各自的优先级别顺序。总
34、线仲裁电路在多个主模块争用总线而发生冲突时，能够判别出发生冲突的各个主模块的优先级别的高低，最后决定由优先级别高的主模块优先使用总线。共享总线结构中由于多个主模块共享总线，易引起冲突，使数据传输效率降低；总线形成系统的“瓶颈”，一旦出现故障，会影响整个CNCCNC装置的性能。但由于其结构简单、系统配置灵活、实现容易等优点而被广泛使用。3.2 CNC3.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构 3.2 CNC3.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构（2）共享存储器结构 共享存储器结构通常采用多端口存储器来实现各微处理器之间的连接与信息交换，由多端口控制逻辑电路解决访问冲突，其结构框图如图图3-1
35、13-11所示。图图3-11 多微处理器共享存储器结构框图多微处理器共享存储器结构框图 3.2 CNC3.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构 该结构面向公共存储器来设计，每一端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。在共享存储器结构中，各个主模块都有权控制使用系统存储器。即便是多个主模块同时请求使用存储器，只要存储器容量有空闲，一般不会发生冲突。在各模块请求使用存储器时，由多端口的控制逻辑电路来控制。共享存储器结构中多个主模块共享存储器时，引起冲突的可能性较小，数据传输效率较高，结构也不复杂，所以也被广泛采用。美国CE公司的MTC1-CNC采用的就是共享存储器结构，共有3个CPU：中
36、央CPU负责数控程序的编辑、译码、刀具和机床参数的输入；显示CPU把CPU的指令和显示数据送到视频电路显示，定时扫描键盘和倍率开关状态并送CPU进行处理；插补CPU完成插补运算、位置控制、控制和RS232C通信等任务。中央CPU与显示CPU和插补CPU之间各有512字节的公用存储器用于信息交换。所谓结构模式就是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以及系统集成方法。结构模式有前台后型结构模式、中断型结构模式和功能模块结构模式。3.3 CNC3.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构 该模式将CNCCNC系统软件划分为两部分。（1）前台程序：强实时性任务，实现与
37、机床动作直接相关的功能，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。（2）后台程序（背景程序）：弱实时性任务，完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入输出、插补预处理等弱实时性的任务，它是一个循环执行程序。前、后台程序运行关系如图图3-123-12所示。3.3.1 3.3.1 前后台型软件结构前后台型软件结构 3.3 CNC3.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构图图3-12 3-12 前、后台程序运行关系前、后台程序运行关系 3.3 CNC3.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构 在后台程序循环运行的过程中，前台的实时中断程序不断地定时插入，二者
38、密切配合，共同完成零件的加工任务。程序一经启动，经过一段初始化程序后便进入背景程序循环。同时开放定时中断，每隔一定时间间隔发生一次中断，执行完毕中断程序后返回背景程序，如此循环往复，共同完成数控的全部功能。软件任务的并行处理关系如图图3-133-13所示。3.3 CNC3.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构图图3-13 前后台型软件结构中的信息流动过程前后台型软件结构中的信息流动过程 3.3 CNC3.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构 背景程序的主要功能是进行插补前的准备和任务的管理调度。它一般由键盘服务、加工服务和手动操作服务三个主要的服务程序组成，有键盘、单段、自动和手动四种工作
39、方式，如图3-14所示。各工作方式的功能见表3-1。表表3-1 工作方式的功能工作方式的功能 3.3 CNC3.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构图图3-14 3-14 背景程序结构背景程序结构图图3-14 背景程序结构背景程序结构 加工工作方式在背景程序中处于主导地位。在操作前的准备工作（如由键盘方式调出零件程序、由手动方式使刀架回到机床原点）完成后，一般便进入加工方式。在加工工作方式下，背景程序要完成程序段的读入、译码和数据处理（如刀具补偿）等插补前的准备工作，如此逐个程序段的进行处理，直到整个零件程序执行完毕为止。自动循环工作方式如图图3-153-15所示。在正常情况下，背景程序在1
40、 12 23 34 4中循环。实时中断服务程序是系统的核心。实时控制的任务包括位置伺服、面板扫描、PLCPLC控制、实时诊断和插补。在实时中断服务程序中，各种程序按优先级排队，按时间先后顺序执行。每次中断有严格的最大运行时间限制，如果前一次中断尚未完成，又发生了新的中断，说明发生服务重叠，系统进入“急停”状态。实时中断服务程序流程如图图3-163-16所示。前台后软件结构的特点：前台程序是一个中断服务程序，用以完成全部的实时功能；后台程序是一个循环运行程序，管理软件和插补准备在这里完成。后台程序运行时，实时中断程序不断插入，前后台程序相配合，共同完成零件的加工任务。前台后软件结构的缺点是程序模
41、块间依赖关系复杂，功能扩展困难，程序运行时资源不能合理协调。例如，当插补运算没有数据时，而后台程序正在运行图形显示，使插补处于等待状态，只有当图形显示处理完后，CPUCPU才有时间进行插补准备，向插补缓冲区写数据时会产生停滞。3.3 CNC3.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构图图3-15 自动循环工作方式自动循环工作方式 图图3-16 实时中断服务程序流程实时中断服务程序流程 3.3 CNC3.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构 3.3 CNC3.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构3.3.2 3.3.2 中断型软件结构中断型软件结构 所谓中断型结构模式，即除初始化程序外，所有任务
42、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，其管理功能主要是通过各级中断服务程序之间的相互通信来完成的。各中断服务程序的优先级别与其作用和执行时间密切相关。级别高的中断程序可以打断级别低的中断程序。优先级及其功能见表表3-23-2。中断服务程序的中断有两种来源：一种是由时钟或其他外部设备产生的中断请求信号，称为硬件中断（如第0 0，1 1，4 4，6 6，7 7，8 8，9 9，1010）；3.3 CNC3.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构 另一种是由程序产生的中断信号，称为软件中断，这是由2ms的实时时钟在软件中分频得出的（如第2 2，3 3，5 5级）。硬件中断请求又称作外
43、中断，要接受中断控制器（如Intel8259AIntel8259A）的统一管理，由中断控制器进行优先排队和嵌套处理；而软件中断是由软件中断指令产生的中断，每出现4 4次2ms2ms时钟中断时，产生第5 5级8ms8ms软件中断，每出现8 8次2ms2ms时钟中断时，分别产生第3 3级和第2 2级16ms16ms软件中断，各软件中断的优先顺序由程序决定。因为软件中断有既不使用中断控制器，也不能被屏蔽的特点，因此为了将软件中断的优先级嵌入硬件中断的优先级中，在软件中断服务程序的开始，要通过改变屏蔽优先级比其低的中断软件中断返回前，再恢复初始屏蔽状态。中断型软件结构的特点是整个系统软件，除初始化程序外，各任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，即整个软件就是一个庞大的中断系统，其管理功能主要是通过各级中断服务程序之间的相互通信来完成的。3.3 CNC3.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构表表3-2 中断功能一览表中断功能一览表 3.4 3.4 思考与练习思考与练习1.CNC系统由哪几部分组成?各部分有什么作用?2.CNC装置的功能有哪些?4.CNC装置的硬件结构是什么?5.前后台型软件包括哪两部分?每部分有何功能?6.CNC装置有哪些特点?
