大学精品课件：第四章 计算机数控（CNC）系统.ppt

1、作者：聂晓根 福州大学机械工程及自动化学院福州大学机械工程及自动化学院 Numerical Control TechnologyNumerical Control Technology E_MAIL: nxg E_MAIL: nxg 第四章第四章 计算机数控系统计算机数控系统 本本 章章 内内 容容 第一节 概述 第二节 CNC的轨迹控制原理 第三节 刀具位置补偿和半径补偿 第四节 进给速度和加减速控制 第五节 CNC的输入输出与通信功能 小结 第一节 概 述 一、CNC系统的构成与功能 二、CNC的硬件结构（常规与开放式） 三、CNC的软件结构（常规与开放式） 一、CNC系统的功能与构成 1

2、、数字控制的（根本）任务 运动轨迹行程量控制 开关量控制 G代码 M代码 数控系统用G 代码和M代码 指令与其根本 任务相对应 此外用S、T、F等代码指令控制主轴转速、 刀具号、进给速度等。 数控机床的任务： 通过数字控制的方法制造各种规定几何形状的零件。 数字控制的任务与被加工对象的形状和机床功能有 关。 柔性化：柔性化：要求CNC具有网络通信和直接控制（DNC）功能，以 便上级计算机能进行统一管理和控制，实现总体优化； 其它功能： 开放性：开放性：CNC自身应具有结构上的开放性和功能上的可重构 性。以满足市场个性化和适应性的需求， 加工 对象 回转零件： 非回转零件： 相应地数控机床有：

3、车床、铣床、镗铣床、钻床、磨床及加工中心等。 数字控制的任务与被加工对象和机床功能有关： 如孔、轴、锥面、曲面和螺纹等 如孔系、平面轮廓、立体轮廓等 2、CNC系统的组成 CNC系统的组成：由数控计算机、程序输入/输 出装置、机床控制装置组成。即包括程序、输入/输 出设备、CNC控制器、可编程控制器、主轴驱动单 元和进给驱动单元等。 程序输入/输出装置 数控计算机 机床控制装置 速度控 制单元 3、CNC控制器一般的工作过程 CNC的工作是在计算机硬件的支持下，执行 软件控制功能的全过程。包括： 输入译码 刀具补偿 进给速度 处理 插补 位置控制 I/O处理 显示 诊断等9个方面。 CNC的工

4、作内容和过程概括表示 指一边输入一边加工，在前一程序 加工时，输入后一个程序段内容。 存储方式 NC方式 整个程序存入存储器中，加 工时将一个个程序段调出； CNC输入工作方式： 输入内容： 输入型式： （1）输入 零件程序、机床参数和补偿数据。 有光电阅读机、键盘、磁盘和联机等输入。 （2）译码 译码处理：以程序段为单位，把零件的轮廓 （起点、终点、直线或圆弧）、进给速度（F）和 其他辅助信息（M、S、T）按照一定的语法规则解 释成计算机能够识别的数据形式并保存，同时还要 完成程序段的语法检查，发现错误进行报警提示。 （3）刀具补偿 刀具长度 刀具半径的补偿 C刀具补偿功能 包括 是指较高档

5、的CNC中，程 序段之间的自动转接和过 切削判别 刀具补偿的作用：把零件轮廓轨迹按给定的刀 具尺寸自动转换（换算）成刀具中心轨迹。为此， 可实现编制的零件程序与刀具无关，也可实现粗、 半精和精加工使用相同程序段而不需修改。 （4）进给速度处理 F_指令给出的是合成速度，故应对速度进行处理： 按合成速度来计算各坐标方向的分速度，为插补计算做 准备。 处理机床的最低和最高速度的限制以及软件的自动加减 速处理。 插补：按一定的方法确定加工轨迹的过程。即在曲线的起 点和终点之间自动进行“数据点密化”。 （5）插补 插补是在规定的周期（称插补周期）内执行一次，按指令 进给速度计算出一个微小的直线数据段。

6、通常经过若干个插补 周期后，插补完一个程序段加工。常有直线、圆弧及螺旋线等 插补，高档数控还有抛物线、椭圆、样条曲线等。 （6）位置控制 开环（步进式）位置控制： CNC装置 I/O 光电隔离 环形分配器 功率放大 电动机 闭环位置控制： 闭环位置控制置于伺服回路的位置环上，它在每个采样周 期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其 差值去控制进给电动机。在位置控制中，通常还要完成位置回 路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿， 以提高机床的定位精度。 （7）I/O处理 I/O处理是指CNC与机床之间电气信号的输入、 输出处理和控制（如换刀、主轴速度换挡、冷却、 限位

7、等）。 （8）显示 零件程序、参数 刀具位置 机床状态 报警信息 加工轨迹的静态和动态图形显示等 显示 功能 （9）诊断 是指CNC中的自诊断程序融合在各部 分，随时检查不正常的事件。 是在CNC不工作情况下的诊断，这种 诊断通过配备的各种脱机诊断程序对存 储器、外围设备（CRT、阅读机、穿孔 机等）接口和I/O接口等进行检查。 联机诊断： 脱机诊断 ： 远程诊断： 是在联机或脱机情况下，通过网络与远程 通信实现远距离诊断、故障定位和修复。 4、CNC控制器的功能控制器的功能 CNC控制 器的功能 基本功能 选择功能 轴控制功能 准备功能 插补功能 进给功能 主轴功能 刀具及其补偿功能 辅助功

8、能 字符显示功能 自诊断功能等 固定循环功能 图形显示功能 通信功能 人机交互图形编程功能 （1）轴控制功能 亦称G功能，用来指令机床运动方式的功能。如： 指CNC可控制的和同时控制的轴数。 同时控制轴数越多，CNC控制器就越复杂，多轴联 动的零件程序编制也越困难。 （2）准备功能 基本运动 平面选择 准备设定 刀具补偿 固定循环 米英制转换等 （3）插补功能 通过软件插补来实现刀具运动的轨迹。 CNC的插补功能实际上被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。 插补运算的方法： 逐点比较法 数字积分法（DD

9、A） 直接函数运算法等。 自由曲线插补 直线插补 圆弧插补 通常精插补由数控系统完成 （4）进给功能 F_指令直接指定各轴进给速度，mm/min, mm/r； 速度可通过操作面板上的倍率开关进行调整，调整 范围通常是：0%200% 。 进给 速度 切削进给速度（mm/min） 同步进给速度（mm/r），切削螺纹之用。 快速进给速度，用G00指定，倍率开关调速。 注：注：实际进给速度由F_和倍率开关综合而得。 G94、 G95 与F_指令无关 （5）主轴功能 是指指定主轴转速的功能， 用S_指令， r/min。 主轴转速还与主轴转速倍率开关有关。 多为4位 （6）辅助功能 用来指令主轴的启、停和

10、转向；切削液的开和关； 刀库的启、停等。用 M_指令。为2位数。 刀具功能：Txxxx 指令，选择刀具与刀补； 第二辅助功能： Bxxx 代码，指定工作台的分度。 （7）刀具功能和第二辅助功能 （8）补偿功能 （9）字符、图形显示功能 显示：程序、参数、各种补偿量、坐标位置、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。 补偿的目的：简化编程、提高精度。 补偿 功能 尺寸补偿：刀具长度和半径自动补偿； 程序段转接：C功能补偿； 精度补偿：丝杆螺距误差和反向间隙或热 变形等补偿，以提高加工精度。 （11）通信功能 为适应FMS和CIMS等需求，CNC控制器具 有RS

11、232C通信接口或DNC接口，有的CNC还可 与MAP（制造自动化协议）相连，接入工厂的通 信网络，以进行数据高速传输 。 （10）自诊断功能 诊断程序一般包含在系统程序中，在系统运行 过程中或停机时进行检查和诊断，以查找故障的 原因和部位。有的可以进行远程通信诊断。 （12）人机交互图形编程功能 通过输入图形即可实现自动编程。 二、CNC的硬件结构（常规与开放式） 1、常规CNC的硬件结构 （1） 常规CNC发展 的主要形式 总线式模块化结构的CNC 以单板或专用芯片及模板组成结构紧凑的CNC 基于通用计算机（PC或IPC）基础上开发的CNC 采用32位RISC（精简指令集）芯 片、数学协处

12、理器及闪烁存储器 等。用于多轴高档的数控机床。 用于中档、经济 型数控机床。 可以充分利用通用计算机丰富 的软件资源，可以随着通用计 算机硬件的升级而升级。 前两种类型相对第三种而言可称为专用结构的计算机，其 特点是硬件印制板是制造厂专门设计和制造的，因此不具 有通用性。而第三种的硬件通常无需专门设计，只要装入 不同的控制软件，便可构成不同类型的CNC。其硬件有较 大的通用性，硬件的故障易于维修。 （2）单微处理器结构 只有一个微处理器能控制系统总线，CNC的各任务以集 中控制、分时处理方式完成任务。 CPU是CNC的核心，由运算器和控制器组成，完成对数 据的算术和逻辑运算以及系统操作的控制。

13、 （2）单微处理器结构 CPU 总线 存储器 I/O接口 CPU主要由运算器和控制器组成，完成对数据 的算术和逻辑运算以及系统操作的控制。有8位、 16位、32位和64位微处理器芯片。 常见的微处理器芯片：intel公司的8080、8086、 80186、80286、80386。Zilog公司的Z80、 Z800、Z8000等。 总线：数据总线（DB）、地址总线（AB） 和控 制总线（CB）。 DB传输数据，线的根数和传送的数据宽度相等， 总是并行地一次传送有n位宽度的一个字，采用 双向线； AB传输地址信号，与DB结合使用，以确定DB上 传输数据的来源或目的地，采用单向线； CB是传输管理总

14、线的某些控制信号，如数据传 输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用 单向线。 存储器：存放系统程序、中间数据、机床参 数、零件程序。 存储器类型： EPROM：只读存储器，存放 系统程序，可用紫外线擦除后重写，有2716、 2732、2764、27128、27256、27010等。 RAM：随机存储器，存放中间数据，可随机 读写，断电后信息就消失。 CMOS RAM：带有后备电池，存放加工程序， 可随机读写、断电后，信息仍保留。 输入：光电式纸带阅读机、磁带机、磁盘， 计算机通信接口，机床操作面板上手动按钮 等。 输出：程序的穿孔机、电传机输出、字符与 图形显示器。 单微处理器特点： 结构

15、简单，易于实现； 功能实现与处理速度为突出矛盾。解决方 法：增加协处理器，由硬件分担精插补功能， 或采用多处理器结构。 （3）多微处理器结构 CNC的多微处理器结构：有两个或两个以上的微处理 器能控制系统总线和主存储器。分紧耦合和松耦合两 种结构。 指两个或两个以上的微处理器构成的处 理部件之间采用紧耦合（相关性强）， 有集中的操作系统，共享资源。 指两个或两个以上的微处理器构成的功 能模块之间采用松耦合（具有相对独立 性或相关性弱），有多重操作系统有效 地实现并行处理。 紧耦合： 松耦合： 现代CNC大多采用多微处理器结构：每个微处理器 完成一部分功能，比单微处理器结构提高了计算处理 速度。

16、多微处理器CNC采用模块化设计，可以积木 式构成CNC，缩短了设计、制造周期，并具有良好 的适应性和扩展性以及结构紧凑。 多微处理器结构的性能价格比比单微处理器结构高， 更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的 数控要求。 1）多微处理器CNC的典型结构 共享总线结构 共享存储器结构 共享总线结构： 以系统总线为中心，系统总线把各个模块有 效地连接在一起，按照要求交换各种数据和控制 信息，实现各种预定的功能。 常用的总线有： STD bus（支持8位和16位字长） Multi bus（型支持16位字长，型支持32位字长） S-100 bus（支持16位字长） VERSA bus（支持32

17、位字长） VME bus（支持32位字长） 共享总线型只有主模块有权控制系统总线，一次 只能有一个主模块占有总线，若使用总线，必须由仲 裁电路来判别各模块的优先级，优先级顺序按各主模 块所承担任务的重要程度预先安排好。 系统总线仲裁电路通常有： 串行：按主模块的链接位置来决定它们的优先权； 并行：采用优先权编码器和译码器等组成的专门逻 辑电路来控制主模块对总线的使用权。 共享总线结构 如图4-5所示，结构简单、系统配置灵活，容易实现，无 源总线造价低。不足之处是各主模块使用总线时会引起“竞 争”而占用仲裁时间，降低信息传输效率，总线一旦出现故 障会影响全局，故提高总线的可靠性十分重要。 共享存

18、储器结构 采用多端口存储器来实现多微 处理器之间的互连和通信，每个端 口都配有一套数据、地址、控制线， 以供端口访问。由多端口控制逻辑 电路解决访问冲突。 图示为具有四个微处理器的共 享存储器结构。当功能复杂而要求 微处理器数量增多时，会争用共享 而造成信息传输的阻塞，降低系统 效率，故其扩展功能较为困难。 2）多微处理器 CNC的基本功能模块 CNC管理模块： CNC插补模块： 位置控制模块： PLC（PMC）模块： 命令与数据输入输出和显示模块： 存储器模块： CNC管理模块：管理CNC 系统有条不紊地工作， 包括初始化、中断管理、 总线裁决、系统出错识 别和处理、系统软硬件 诊断。 CN

19、C插补模块： 预处理：零件程序的译码、刀具补偿、坐标位 移量计算、进给速度处理等； 插补计算：计算各坐标轴的位置。 位置控制模块：对坐 标位置的给定值与实际值 进行比较并获得差值、进 行自动加减速、回基准点、 对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。 PLC（PMC）模块： 控制开关量（S、M、T）， 实现机床的启、停，刀具 交换，转台分度，工件数 量和运转时间的计数。 命令与数据输入输出和 显示模块：指零件程序、参 数和数据，各种操作命令的 输入输出，以及显示所需要 的各种接口电路。 存储器模块： 程序和数据的主存 储器和模块间的共 享存储器。 2、

20、开放式CNC的系统 （1）开放式数控系统的产生 市场、生产组织结构的快速变化，对数控系统的柔性和通 用性提出了更高要求： 能根据不同的加工需求迅速、高效、经济地构建面向客户的 控制系统； 减少数控机床生产厂商对控制系统供应商的高度依赖性； 大幅度降低系统维护和培训费用； 变封闭型设计为开放型设计，使底层生产控制系统的集成更 简便、有效，以适应车间面向任务和订单的生产组织模式； 易于实现网络化、智能化数控系统等需求； 计算机技术的飞速发展。 （2）开放式CNC的定义 尚无统一的定义，IEEE认为一个真正意义上开放式数 控系统必须具备不同应用程序能协调地运行于系统平台上 的能力，提供面向功能的动态

21、重构工具，同时提供统一标 准化的应用程序用户界面。即应具有如下特征： 1）可互操作性（Interoperability） 2）可移植性（Portability） 3）可缩放性（Scalability） 4）可相互替代性（Interchangeability） 不同的应用程序模块 通过标准化的应用程序 接口运行于系统平台之 上，不同模块之间保持 平等的相互操作能力， 协调工作。 不同的应用程序模块 可运行于不同供应商提供 的不同的系统平台之上。 这一特征是解决CNC软件 的公用问题。 增加和减少系统功能仅表现为 特定模块单元的装载与卸载。 不同性能、可靠性和不同功能 能力的功能模块可以相互替代

22、对开放式CNC的深入认识 20世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动 数控技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利 用PC机丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新一代数 控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、 适应性、可扩展性，并可以较容易的实现智能化、网络化。 开放式数控系统的本质是数控系统的开发可以在统一的 （标准化环境的）运行平台上，面向机床厂家和最终用户， 允许不同开发商的不同功能的软、硬件模块介入，以构成满 足不同需求的CNC，并可将用户的特殊应用集成到控制系统 中，实现不同品种、不同档次的开放式数控系统。 应有特点： 在实现系统构成要素模块化的同

23、时，要通过这些要素之间 的标准化，能够将由不同买方提供的要素自由地结合起来，从 而能方便地构成完整的系统。 具体要求： 1)系统的构成要素应是模块化的，同时各模块之间的接口必须 是标准化的； 2)系统的软件、硬件构造应是“透明的”、“可移植的”； 3)系统应具有“连续升级”的能力； 4) “工艺策划”、“加工数据库”向用户开放。 2）开放式数控机床的机械结构也应是开放式的 应有特点： 1）采用功能模块部件组成的机床； 2)采用专业化生产方式，利用“信息技术”将社会制造资源的 合理调配逐步在机械制造业建立完善的虚拟化与网络化的先进 制造体系，使机械制造业资源高效地被利用，达到降低成本、 提高质量

24、、缩短制造周期的目的。 “开放式”开放式” 要求：要求： 1）控制系统具有开放式、模块化的体系结构 （3）开放式CNC的发展现状 近几年来世界发达国家纷纷采取措施，投入大量的人力、 财力组织优势力量进行新一代开放式体系结构和具有智能型 功能的数控技术开发与研究，主要有： 美国1981年开始NGC（Next Generational Controller）计划， 最终形成一份开放式系统体系结 构规范SOSAS（Specification of an open system architecture standard），开发了基于SOSAS 的CNC型谱系列；1994年又开始 了OMAC（Open

25、 modular architecture systems）项目的研究 美国的 欧共体的OSACA计划 日本的OSEC计划 NGC和 OMAC计划 欧共体于1992年在ESPRIT框架 内，开始了OSACA（Open system architecture for controls withinautomation system）项目 的研究； 1994年完成了开放式控制系统平 台和参考结构的定义； 1996年已完成了原型系统的开发； 1990年日本制定的IMS（Intelligent manufacturing system）系统研究 发展计划中，对CNC系统提出了标 准化和智能化的要求。

26、开放式的数控技术在我国的发展： 开放式的数控技术为我国数控技术实现跳跃 式的发展提供了难得的机遇，我国对开放式的数 控技术的研究十分重视，如中科院沈阳计算所正 在考虑和制定“新一代机床控制机开放式CNC系 统PA-8000的全套技术，对其产品进行应用开发； （4）开放式CNC的硬件结构 基于PC的有限开放CNC: 通过改造原有CNC系统接口， 使CNC与PC互连，由PC机承担CNC人机界面功能，这一形 式综合了PC和原来CNC系统的特点，构成了一种有限开放 的CNC系统。 开放式CNC系统广泛采用基于PC（或IPC）的硬件配置形式： PC连接型CNC PC内藏型CNC 1）基于PC的有限开放C

27、NC 2）基于PC的可开放性CNC 3）“全软件”开放性CNC PC连接型CNC 特点：易于实现，已有CNC几乎可以不加改动就可应用。 如 (图4-7)。 结构: 由现有CNC与PC用串行线直接相连而构成。 PC机主要完成人机交 互功能，它可由用户提供， 内存大小及软、硬件可任 由用户配置，对CNC的 性能、可靠性和功能都无 影响。 如采用低速的串行线互连，系统的响应速度受到影响。 PC内藏型CNC 结构：在CNC内部加装PC，PC与CNC之间用专用总线连接。 特点：保持原有CNC的性能和可靠性，数据传送快，系统响应 快。 如图4-8是GE-FANUC的MMC-IV工作站型CNC系统。 PC

28、功能上： PC只做人机界面、大容量（程序、数据等）存储和通 讯等工作。 机床控制由CNC承担。 2）基于PC的可开放性CNC 结构形式：是在通用PC机的扩展槽中加入专用CNC卡而 组成，也称CNC内藏型。专用CNC卡完成包括加工轨迹生 成等几乎所有的CNC处理功能。 典型系统： PMAC-NC系统：由美国Delta Tau Data System Inc.生产。 按OMAC设计推出的开放体系结构产品PMAC （Programmable Multi-Axis Controller） 优点：能充分保证系统性能，软件的通用性强且编程 处理灵活。 PC-NC模式开放式数控系统的结构 扩展接口卡1 扩展

29、接口卡2 运动控制卡 控制软件 A B C PC操作系统 控制卡设备驱动 控制软件扩展 控制结口扩展 PC硬件接口规范 PC软件接口规范 数控机 床 基于PC+NC的可开放性CNC的构成 由PMAC构成的CNC系统结构 PC（或IPC）机； 可控制4轴的PMAC-Lite或4到8轴以上的PMAC-PC； 双端口RAM和I/O接口选件； 以及NC系统软件PMAC-NC for Windows。见图4-9。 PMAC构建的CNC系统中各组件的功能 PC机完成用户界面显示、人机交互、零件程序编辑、存储和 网络接口等功能。 PMAC控制卡由Motorola数字信号处理芯片DSP5601构成的 PMAC

30、，具有强大的高速处理能力，可以完成所有数控的实时 任务，如轮廓生成、插补、速度控制、伺服控制、马达相位计 算、刀具半径和齿隙补偿、输入输出控制、多轴同步控制等。 在PMAC控制卡中包含了内装式PLC。它在后台完成模拟/数 字输入信号的监测、设置输出值、发送消息、监测运动参数、 改变增益值、启动与停止操作系列的控制等。 PMAC提供了颇好的柔性，支持多种总线规范、CNC常用的 执行电机类型和反馈检测单元，以及多种控制命令格式等。 开放式开放式CNCCNC的研究开发正处在方兴未艾的发展的研究开发正处在方兴未艾的发展 阶段，型式层出不穷，同学们可通过参考最新文献阶段，型式层出不穷，同学们可通过参考最

31、新文献 获取新知识。获取新知识。 三、CNC的软件结构（常规与开放式） 1、CNC中软、硬件界面与数据转换 在CNC系统中，软、硬件在逻辑上是等价的。即有些任 务可由硬件或软件完成。但各有其特点： 硬件：处理速度快，造价相对较高，适应性差； 软件：设计灵活、适应性强，但处理速度慢。 软、硬件的分配比例在很大程度上决定CNC系统的性能 和价格； 软、硬件的比例随着计算机技术的提高而变化，图4-10给 出了不同时期和不同产品的三种典型CNC软、硬件界面。 CNC软件的程序设计方法 常规CNC：基于数据流图的程序结构化设计方法 开放式CNC：采用了面向对象方法 面向过程与操作的设计方法 面向实体与数

32、据结构的设计方法 面向对象方法 常用方法 数据转换过程：CNC中，直线、圆弧和其它曲线控制功能的 数据转换过程相似： 如图4-11是直线控制功能的数据转换过程。每个框中的变量 表示进行一次数据变换后的结果。 通过译码，把G01直 线轨迹的终点坐标和 刀具的速度F等数据 识别出来，经过相应 的数据转换后得到编 程数据（xA1，yA1） 和FA1，并送入译码 缓冲区中； 通过刀具补偿计 算，获得程序直 线段的起点和终 点坐标，以及刀 具半径r在x,y坐 标方向上的投影 （XBA，YBA）； 速度处理，计算 出刀补后直线段 在x,y坐标方向 上的投影和直线 段长度，直线段 方向余弦，并根 据FA1计

33、算出进 给量； 插补处理，计算乘 倍率后的L，插 补点至程序起点之 距离L1及其在x,y坐 标方向上的投影 x3,y3，并由此计算 位置增量x2, y2； 在位置控制中， 计算本次指令位 置（x2,y2），实 际位置（x1,y1） 和位置控制的输 出值(x2, y2) 2、CNC系统的多任务并行处理与实时中断处理 系统管理：包括了输入、I/O处理、显示、诊断； 系统控制：包括了译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置 控制，见图4-12。 （1） CNC系统多任务表现 管理 控制 两方面 CNC中的这些 任务，在多数 情况下必须同 时进行，因此， 必须使它们协 调工作。 如图4-13：显示模块与控

34、制软件同 时运行，零件程序输入模块与控制软件 同时运行，译码、刀补和速度处理模块 与插补模块同时运行，而插补又与位置 控制同时进行等。 （2）CNC系统多任务协调工作的实现方法 多任务并行处理 多重实时中断 2.1并行处理：是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成 两种或两种以上相同或不同的工作。 并行处理的 实现方法 资源重复 时间重叠 资源分时 特点：并行处理可大幅度提高运算速度。 （a）资源重复 也称资源重叠流水处理，是根据流水处理技术，使多个 处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个 部分。如图4-14b从t4后，每个程序段的输出不再有间隔， 保证了刀具移动的连续性。 用多套

35、相同或不同的设备同时完成多种任务。如在CNC 硬件设计中采用多CPU的系统体系结构来提高处理速度。 （b）时间重叠 （c）资源分时共享 使多个用户按时间顺序使用同一套设备。如在单CPU的 CNC中，采用CPU分时共享来解决多任务的同时运行。 资源分时共享方法：循环轮流法和中断优先法相结合(图4-15)。 图中,环外任务是 一些实时性很强的任 务，是按优先级排队 把它们分别放在不同 中断优先级上，可随 时中断环内各任务的 执行。 目前在CNC的硬件设计中，常用资源重复法， 而在软件设计中常用时间重叠的流水线处理和资源 分时共享的并行处理。 2.2中断处理 中断是CPU对系统发生的某个事件作出的一

36、种反应（响应） 中断处理是CNC系统必不可少的重要组成部分。类型有： 外部中断： 内部定时中断： 硬件故障中断： 程序性中断： 主要有插补周期定时中断和位置采样定时中 断。有些系统把这两种定时中断合二为一。但在处理时，总是 先处理位置控制，然后处理插补运算。 主要有光电阅读机读孔中断 外部监控中断（如紧急停等） 键盘及操作面板输入中断。 实时性要求 很高，常置 于较高的优 先级上 常置于较低的中断优先级上。 它是各种硬件故障检测装置发出的中断。 如存储器、定时器出错，插补运算超时等。 程序中出现异常情况中断。如溢出、除零等。 与中断有关的概念： 中断源-引起中断的事件。 中断请求-中断源向CP

37、U提出服务的请求。 断点-发生中断时，被打断程序的暂停点。 中断的起因有许多，如：溢出、故障、奇偶错误、 时钟、访问指令（系统调用）等。 3、常规CNC的软件结构 表4-1是FANUE-BESK 7CM CNC系统的各级中断程序的 功能，软件结构是一个典型的中断型结构。其控制程序被分 为八级不同优先级的中断，其中，0级为最低级中断，7级为 最高级中断。 CNC的软件结构取决于系统采用的中断结构。有中断 型结构和前后台型结构。 （1）中断型结构模式 结构特点：除初始化程序外，各种任务模块分别安排在 不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的多重中 断系统 。 3.1中断类型 0）0级中断：通

38、过硬件接线始终 保持。没有其他中断请求时总是进 行CRT显示。 1）1级中断：为插补的正常进行 作准备工作。 1级中断按工作内容又细分为13个 口子，系统采用依次查询工作方式 来完成1级中断。即，先查询“口 状态字”的第一位，然后由低到高 依次查询“口状态字”的各位，并 转入各相应口子处理，最后对“0” 号口进行显示处理（如图4-16）。 1 级中断的功能 1级中断各口的主要功能与口状态关系如表4-2所示。 1 级中断口状态字的置位 有两种情况： 由其他中断根据需要置一级中断请求的同时置相应的口状 态字。 在执行一级中断的某个口子处理时，置口状态字的另一位。 如，4级中断在一程序段即将插补计算

39、完时，要求系统 把下一程序段从BS区取出并作相应的刀具中心轨迹计算，于 是将口状态字的第4位（bit 4）置1，且置一级中断请求。 当某一口的处理结束时，程序将口状态字中对应位 清除。 如，在执行8号口处理时（连续加工时，要求读一段程 序到BS区的预处理），将口状态字bit 3置1，于是在8号口处 理完后，就可转入3号口处理。 2）2级中断：主要工作是对数控面板上的各种工作 方式和I/O的处理。 3）3级中断：是对用户选用的外部操作面板和电传 机的处理。 4） 4级中断：最主要的功能是完成插补运算。 7CM系统中采用了“时间分割法”或称数据采 样法的插补，此方法经CNC插补计算输出的是一个 插

40、补周期T（规定为8ms）的F指令值，这是一个粗 插补进给量，而细插补进给量则是由伺服系统的硬 件与软件来完成的。一次插补处理分为速度计算、 插补计算、终点判别和进给量变换四个阶段。 4级中断需处理好两个衔接问题： 数控程序读入衔接 进给速度衔接 数控程序读入衔接：通常正在加工的程序段的内容保存在数 控程序工作寄存器（AS）中，当该程序段即将加工完毕时 （离完毕距离可设定），控制程序就设置一个允许下一程序 段读入“AS”区域的标志，于是在下一次4级中断就可以去请 求下一程序段读入AS，以保证程序段之间操作的连续性。 进给速度衔接：加工中，总是希望保持稳定速度，但由于开 始加工和结束加工存在加、减

41、速以及由于加工轨迹的复杂性 导致加工速度总是处于不断变化，为保证系统工作的稳定， 不出现冲击，需对进给速度进行衔接处理。 5）5级中断：对纸带阅读器读入的一排孔信号进行处理。包括 输入代码有效性判断、代码具体处理和结束处理三个阶段。 6）6级中断：主要完成位置控制，4ms定时计时和存储器奇 偶校验工作。一般由软件和硬件配合完成。图4-17是位置控 制软件的功能。采样周期4ms，每一个插补周期8ms的进给 指令值与反馈量要进行二次比较。 7）7级中断：是工程师的系统调试工作，而非机器的正式工作。 这种中断型软件结构的工作过程为从“开机纸带输入加工”。 7CM采取了各种通信方式来实现整个系统的管理

42、： 设置软件中断：如第1、2、4级中断由软件定时实现，第六级 中断由时钟定时发生，每4ms中断一次。 每个中断服务程序的连接是依靠“口状态字”位：如1级中断 被分成13个口子，每个口子对应口状态字的一位，每一位对应 处理一个任务。 设置标志：标志是各程序之间相互通信的有力工具。如4级中 断每8ms中断一次，完成插补预处理功能。而译码、刀具半径 补偿等在1级中断中进行。当完成了其任务后应即刻设置相应标 志，若未设置相应标志，CNC会跳过该中断程序而继续往下执 行。 （2）前后台型结构模式 前台程序为一个中断服务程序，它承担了全部实时的功能， 后台程序或称背景程序只是完成管理功能和非实时性任务 （

43、如插补准备）。后台程序是一个循环运行的程序，运行时， 前台实时中断程序不断插入，与后台程序相配合，共同完成 零件加工任务（图4-15）。 前后台型结构模式示例 的任务。背 景程序是一 个循环运行 的主程序， 而实时中断 程序按其优 先级随时插 入背景程序 中。 图4-18是美国A-B7360 CNC软件，是前后台型软件结构。 该图右面是实时中断程序处理的任务。左面是背景程序要处理 背景程序 前台程序 担任实时中断程 序处理的任务 阅读机中断优先级最高， 10.24ms时钟中断次之，键盘中 断优先级最低。 阅读机中断仅在输入零件程序 时启动了阅读机后才发生，键盘 中断也仅在键盘方式下发生，而 1

44、0.24ms中断总是定时发生的。 10.24ms为7360CNC 采样插补周期 在背景程序中，自动/ 单段是数控加工最主 要的工作方式，在这 种工作方式下的核心 任务就是进行一个程 序段的数据预处理， 或称插补预处理。即 一个数据段经过输入 译码、数据处理后， 已进入就绪状态，等 待插补运行。 段执行程序的功能是 将数据处理结果中的 插补用信息传送到插 补缓冲器，并把系统 工作寄存器中的辅助 信息（S、M、T代码） 送到系统标志单元， 以供系统全局使用。 在完成了这两种传送之后，背景程序 设立一个数据段传送结束标志及一个 开放插补标志。 为保证系统具有开放的基本特征，开放式控制系统： 4、开放

45、式CNC的软件结构 硬件采用基于标准总线的公用模块； 软件采用平台技术、统一的标准规范（如标准的操作系统、 通信机制、语言接口等）和面向功能元（对象）拓扑 结构的应用软件。 （1）开放式CNC总体结构框图 图4-19是开放式CNC系统的结构，由两部分组成：统一的 系统平台和各功能结构单元对象（Architecture ObjectAO， 简称功能元对象）组成的应用软件模块。 （2）系统平台 系统平台包括系统硬件和系统软件。 硬件由机床的功能决定。 系统软件分三部分组成： 系统核心：操作系统、通信系统、实时配置系统 等； 可选的系统软件：数据库系统、图形系统等； 标准的应用程序界面（Applic

46、ation Program Interface API）：API是系统功能元对象进入系统 平台的唯一途径，使硬件与软件独立，提供各种 功能元对象在各种平台上的统一界面。 控制系统的基础构成 操作系统、通信系统和实时配置系统构成了控制系 统运行的基础。 1）操作系统：为用户提供一个透明的操作环境。 操作系统要求具有强实时性，常有：UNIX、OS/2、 Windows CE、VRTX、VXWorks、Solsris、Linux等。 实时控制也逐渐转向Windows操作系统，如Windows NT。Windows NT只是一种“软”实时操作系统，能作 出反应的时间在数微秒之内。目前，Microsof

47、t在 Window CE操作系统中加入了“硬”实时功能，以适应 工业控制系统的要求。这样，用户将更为灵活方便地享 受到开放式CNC的优越性。 2）通信系统 通信系统是系统平台与各功能模块进行信息交互的唯一 途径。表现在两个方面： 它既支持同一平台上各个AO之间的信息交互，又可通过 不同的传输机制支持不同系统平台上AO之间的信息交互。 开放式数控通信系统的有关协议： 系 统 内 部 的 通 信 应 参 照 ISO/OSI （ Open System Interconnection）的参考模型，遵循广泛认同的面向消息的 通信机制（Message-Oriented Communication）； 系

48、统与外部上级系统的通信应基于标准协议：如MAP、CNMA； 系统与下层系统的通信应适应标准的驱动接口和域总线。 3）配置系统 常规CNC的配置系统属于静态配置，它是通过设置 参数来完成的。针对不同功能的控制系统，有成千 以上的参数需要设置和调整，调整一台机床所耗工 作量是相当大的。且一旦参数调配完毕，修改和增 加系统功能是非常困难的。 开放式CNC的配置系统是一种动态实时配置系统， 既可以在系统运行之前配置好，又可在系统运行期 间对其进行重新配置而不必对系统进行重新编译和 连接。 总结：总结： 系统平台设计与开发的关键是面向对象软件技术、系统平台设计与开发的关键是面向对象软件技术、 软件重构技

49、术、通信技术以及各种接口规范的应软件重构技术、通信技术以及各种接口规范的应 用和建立。用和建立。 （3）系统参考结构（应用软件模块） 系统参考结构用来精确描述功能元对象和功能模块之间 的关系，精确定义各模块和各功能元对象的行为和属性，以 及模块和功能元对象与系统平台之间的界面，以保证不同供 应商提供的功能模块在不同平台之上的协调工作。 一种简化的层 次化参考结构 第二节 CNC的轨迹控制原理 一、轨迹控制算法的要求和类别 二、数字脉冲增量法插补 三、数据采样法（时间分割法） 本节内容 数控系统的插补任务： 就是按给定进给速度的F值，在零件轮廓段的起 点和终点之间计算出若干在允差范围内的中间点的坐 标值，即