数控技术第3章3.3节

1、 华中科技大学机械科学与工程学院华中科技大学机械科学与工程学院1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2总述总述CNCCNC装置的工作过程是指在硬件的支持下，执行软件的全过装置的工作过程是指在硬件的支持下，执行软件的全过程。软件设计灵活，适应性强，但处理速度慢；硬件处理程。软件设计灵活，适应性强，但处理速度慢；硬件处理速度快，成本高。因此，在速度快，成本高。因此，在CNCCNC装置中，数控功能的实现装置中，数控

2、功能的实现方法大致有三种：方法大致有三种：1 1、由软件完成输入、插补前的准备；硬件完成插补和位置、由软件完成输入、插补前的准备；硬件完成插补和位置控制；控制；2 2、由软件完成输入、插补前的准备、插补，硬件完成位置、由软件完成输入、插补前的准备、插补，硬件完成位置的控制；的控制；3 3、由软件完成输入、插补前的准备、插补及位置控制的全、由软件完成输入、插补前的准备、插补及位置控制的全部工作。部工作。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数控系统工作流程及软硬件界面：数控系统工作流程及软硬件界面：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

3、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44.3 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管理软件管理软件和和CNC控制软件控制软件两部分组成。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

4、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52. 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63.3.3 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：系统在同一时间间

5、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7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）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

6、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8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9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10 资源分时

7、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11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

8、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12流水处理技术示意图流水处理

9、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1231232tt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13 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，或者说以空间复杂以空

10、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14 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系统的软件结

11、构系统的软件结构15q 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连续性，这类

12、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16q 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。较低），再由

13、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17q 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18q 抢占式优先调度机制功能抢

14、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19q 抢占式优先调度机制功能抢占式优先调度机制功能优先抢占调度机制是由硬件和软件共同实现的，优先抢占调度机制是由硬件

15、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，软件硬件主要提供支持中断功能的芯片和电路，软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务优先级方式主要完成对硬件芯片的初始化、任务优先级方式定义、任务切换处理等。定义、任务切换处理等。3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构20q 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213.3 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

16、，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目前有以下几种软件结构模式：目前有以下几种软件结构模式：q CNCCNC装置软件结构模式装置软件结构模式223.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构 前后台型结构模式前后台型结构模式该模式将CNC装置的软件划分为前台程序和后台程序两

17、部分。前台程序：完成插补运算、位置控制、故障处理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：背景程序，主要完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入输出、译码、刀补处理、速度预处理等实时性弱的任务，是一个循环运行的程序。后台程序在运行过程中，不断地被前台实时中断程序打断。23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制插补运算插补运算后台程序后台程序译译 码码刀补处理刀补处理速度预处理速度预处理输入输入/输出输出显示显示中断执行中断执行循环执行循环执行3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构 前后台型结构模式前后台型结构模式243.3

18、 CNC系统的软件结构系统的软件结构 前后台型结构模式的任务调度机制前后台型结构模式的任务调度机制优先抢占调度和顺序调度相结合前台程序-优先抢占调度前台、后台内部各子程序-顺序调度前台、后台程序之间及内部各子任务之间的信息交换-缓冲区在前台和后台内部无优先级，也无抢占机制，因而实时性差。例如：当系统出现故障时，最坏的情况是可能要延迟整整一个循环周期才能做出反应。253.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构 中断型结构模式中断型结构模式该模式指除了初始化程序之外的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。任务调度采用优先抢占调度各级中断服务程序之间的信息交换-缓冲区26中断型结构模式中断型结构模式3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构中断型软件系统结构图中断型软件系统结构图初始化初