计算机数控装置

1、第第三三章章计计算算机机数数控控装装置置下午5时52分2005年4月20日星期三数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术计算机数控装置下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术第三章 计算机数控装置本章主要内容：下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术了解下面内容：下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 从自动控制的角度来看，cnc系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。 从外部特征来看，cnc系统是由硬件（

2、通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术计 算 机 基 本 系 统计 算 机 基 本 系 统设备层设备层设备支持层设备支持层接 口人机控制运动控制pmc其他i/o其他设备计算机系统显示设备输入/出设备机 床机器人测量机 .下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术操作系统管理软件控制软件零件程序管理显示处理人机交互交互位置控制输入输出管理插补运算故障诊断处理速度处理机床输入输出编译处理主轴控制刀具半径补偿.图 3-2 cnc 软件系统功能框图

3、下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术图图3-3 cnc系统平台系统平台硬件硬件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序 接接口口被控设备被控设备 机机 床床 机器人机器人 测量机测量机 .下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术l数控系统加工零件的过程：下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术b. cnc装置对输入程序的加工和处理过程下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术下午5时52分数控技术

4、数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术b.b.数控功能丰富数控功能丰富下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术c.c. 可靠性高可靠性高下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术d.d. 使用维护方便使用维护方便下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术e.e. 易于实现机电一体化易于实现机电一体化下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术lcnc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和选择功能下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术l控制功能控制

5、功能下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术l准备功能（准备功能（g g功能）功能）下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术l插补功能和固定循环功能插补功能和固定循环功能下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术l进给功能进给功能下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术l主轴功能下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 辅助功能（辅助功能（m m功能）功能）p用于机床辅助操作的功能下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术l刀具管理功能刀具管理功能下午5时52分数控技

6、术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术l补偿功能补偿功能下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术l人机对话功能人机对话功能下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术l自诊断功能自诊断功能lcnc自动实现故障预报和故障定位的功能下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术l通讯功能通讯功能lcnc与外界进行信息和数据交换的功能下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术l主要内容下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 cnc装置从它的硬件组成结构来看，若按其中含有cpu的多少来分，可分为下面

7、几类:下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术: 整个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nc功能。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术: cnc装置中有两个或两个以上的cpu，即系统中的某些功能模块自身也带有cpu，根据部件间的相互关系又可将其分为：下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术cnc装置是按模块化设计的方法构造的：将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能的单元模块,并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，即可组成一

8、个完整的控制系统的方法。其中单元母板一般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术优点：n实现cnc系统模块化设计的条件是总线(bus)标准化。n采用模块化结构时，cnc系统设计工作则可归结为功能模块的合理选用。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术i/o设备计算机主板显 示 卡功能模板m功能模板1电 子 盘多功能卡位置控制板n位置控制板1plc模块主轴控制模板机床i/o控制面板速度控制单元1速度控制单元n功能驱动1功能驱动m系 统 总 线（bus）标准pc计算机cnc装置cnc系统 下午5时52分数

9、控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术1. 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术：对输入到cnc装置中的种种数据、信息(零件加工程序，各种i/o信息等)进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 系统总线(母板)：由一组传送数字信息的物理导线组成，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道：数据总线地址总线：控制总线：q 工业用pc机的总线母板是独立的无源四层板（走线面、元件面、电源层和地线层），它的可靠性高于两层板。其规格有6槽、8槽

10、、12槽、14槽等。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 在cnc装置中，crt显示是一个非常重要的功能，它给用户提供了一个直观的操作环境，可使用户能快速地熟悉适应其操作过程。q 显示卡是一个通用性很强的模块。它不仅随时可以在市场上买到，而且它还有非常丰富的支持软件，因此无需用户自己开发。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 输入输入/ /出模块出模块( (多功能卡多功能卡) )下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 以上三部分，再配上键盘、电源、机箱，

11、实际上是一部通用的微型计算机系统，它是cnc装置的核心，从某种意义上讲， cnc装置的档次和性能是由它决定的。因此，cnc装置中计算机系统的合理选用是至关重要的。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 电子盘电子盘( (存储模块存储模块) )下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 计算机领域所用存储器件有三类：下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 电子存储器件一般用作内存储器，其价格高于前两类。若按其读写性能来看，它又可分为三类下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 在cnc装置中，常采用电

12、子存储器件作为外存储器，主要是考虑到cnc装置的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。q 因电子器件组成的存储单元是按磁盘的管理方式进行的，故称其为。q 电子盘的规格有：1.44mb、2.88mb、6mb、12mb等。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q ：下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q pmc模块实现方式有以几种：系 统 总 线数 字 接 口光电隔离

13、器件a/dd/a转换调理电路功率放大传 感 元 件功 率 放 大光电隔离器件计 数 器计数脉冲滤波、倍频整形pmc模块硬件逻辑框图开关量转换脉冲量转换模拟量转换下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术plc（programmable logic controller）控制：它是目前cnc系统用得最广泛的方式。电 源 模 块通信功能人 机 接 口编程调试和试验功能至传感器和执行器的接口功能应用程序的执行操作系统功能应用程序存储数 据 存 储信号处理功能操作者应用程序设计人员机器/过程plc系统的基本结构外部供电外部设备下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数

14、控技术qcnc机床用的plc一般分为两类：下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 华中型数控系统是我国为数不多具有自主版权的高性能数控系统之一。它以通用的工业pc机（ipc）为基础，采用开放式的体系结构，从而使华中型数控系统的可靠性和质量得到了保证。它适合多坐标(2-5)数控镗铣床和加工中心，在增加相应的软件模块后，也可适应于其它类型的数控机床(数控磨床、车床、齿轮加工机床等)以及特种加工机床（激光加工机、线切割机等）。下午5时52分数控技术数

15、控技术数控技术数控技术数控技术数控技术all-in-one cpu卡显 示 卡位置控制板n位置控制板1电 子 盘速度控制单元1速度控制单元n无 源 母 板（系 统 总 线 bus)标准pc计算机cnc装置光隔i/o板机床开关量i/o按钮站、状态灯nc键盘cnc系统多功能板主轴控制模板主轴编码器手摇脉冲发生器定制功能接口网络卡com2串口华中型数控系统硬件结构图下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术all-in-one cpu卡显 示 卡电 子 盘数字交流伺服单元1数字交流伺服单元4无 源 母 板（系 统 总 线 bus)标准pc计算机cnc装置光隔i/o板机床开关量i/

16、o按钮站、状态灯nc键盘cnc系统多功能板主轴控制模快主轴编码器手摇脉冲发生器定制功能接口网络卡com2串口华中型数控系统硬件结构图四串口通信板下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术打印机接口计算机主板显 示 卡多功能板步进电机单元1步进电机单元8系 统 总 线 （bus)标准pc计算机机床开关量i/o操作面板主轴编码器手摇脉冲发生器控制面板定制功能接口网络卡多功能nc接口板光隔i/o接口软/硬盘驱动器控制柜华中型教学数控系统硬件结构图下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 多主cpu结构中，有两个或两个以上的cpu部件，部件之间采用紧耦合，有集

17、中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术fanuc bus操作面板图形显示模块(cpu)通讯模块(cpu)自动编程模块(cpu)主存储器模块插补模块(cpu)plc模块(cpu)位置控制模块(cpu)主轴控制模块crt/mdii/o单元伺服驱动单元主轴单元fanuc 15系统硬件结构下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术结构简单、

18、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术显示cpu键盘中央cpu插补cpu串口和收发器ctrc并 行 接 口反馈脉冲和处理epromepromram/eprom512 ramram 512 字符发生器crt模拟量输出机床接口反馈信号收发器xyzcw共享存储器结构cnc系统硬件结构下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这

19、种结构一般采用双端口存储器（双端口所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口ramram）。）。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 cnc系统软件是一个典型而又复杂的实时系统。本节将首先介绍系统软硬件界面的关系，然后从系统内数据流的角度来分析cnc装置的数据转换过程，并从多任务性和实时性的角度来分析cnc系统软件的结构特点，最后介绍一个典型cnc装置系统软件的结构。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术1. 软件与硬件在实现各种功能的特点和关系下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术3. 软件、硬件实现功能的分配就是软件硬

20、件功能界面划分。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术5.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 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 cnc装置系统软件的主要任务：如何将由零件加工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制加工设备的轨迹运动和逻辑动作，加工出符合要求的零件。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术加工程序译 码译码缓冲区刀补处理刀补缓冲区速度预处理插补缓冲区插补处理运

21、行缓冲区伺服驱动位控处理位置反馈plc控制 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 数据结构示例：数据结构示例： struct prog_bufferstruct prog_buffer char buf_state； /缓冲区状态，0 空；1 准备好。 int block_num； /以bcd码的形式存放本程序段号。 double coor20；/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g指令。 char g1； char m

22、0； /以标志形式存放m指令。 char m1； char t； /存放本段换刀的刀具号。 char d； /存放刀具补偿的刀具半径值。 ；下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0g00 0：无该指令；1：有该指令g01 0：无该指令；1：有该指令g02 0：无该指令；1：有该指令g03 0：无该指令；1：有该指令g90/g91 0：g90；1：g91g06 0：无该指令；1：有该指令00：g40；11：g4001：g41；10；g42 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术在系统软件中各程序间的数据交

23、换方式一般都是通过缓冲区进行的。该缓冲区由若干个数据结构组成，当前程序段被解释完后便将该段的数据信息送入缓冲区组中空闲的一个。后续程序（如刀补程序）从该缓冲区组中获取程序信息进行工作。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 - char buf_state； 0 0：( (开始开始) )；1 1（；）（；） int block_num； 0606（n06n06） double coor20； coor1=200000coor1=200000；（；（x200x200） coor2=300000 coor2=300000；（；（y300y300） int f,s； f=20

24、0f=200；（；（f200f200） char g0； d5=0d5=0；（；（g90g90） d6,d7=0,1d6,d7=0,1（g41g41） d1=1d1=1；（；（g01g01） char d； d=11d=11（d11d11） ；下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 刀补处理的主要工作：pe（200，300）xrp0（72，48）pe”peg41g42y下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 主要功能是根据加工程序给定的进给速度，计算在每个插补周期内的合成移动量，供插补程序使用。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技

25、术数控技术 速度处理程序主要完成以下几步计算：l下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 f（）+-+插补输出x1y1指令位置x1新y1新跟随误差x3y3实际位置x2新y2新反馈位置增量x2、y2x1旧y1旧x2旧y2旧速度指令vx、vy位置控制转换流程下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 位置控制完成以下几步计算：q计算新的位置指令坐标值： x1新= x1旧+x1；y1新= y1旧 +y1；q计算新的位置实际坐标值： x2新= x2旧+x2；y2新= y2旧 +y2q计算跟随误差(

26、指令位置值 实际位置值)： x3= x1新- x2新； y3= y1新- y2新； q计算速度指令值： vx=f（x3）； vy=f（y3）下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 f( )是位置环的调节控制算法，具体的算法视具体系统而定。这一步在有些系统中是采用硬件来实现的。vx、vy送给伺服驱动单元，控制电机运行，实现cnc装置的轨迹控制下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术cnc系统是典型的实时控制系统。cnc装置的系统软件则可看成是一个专用实时操作系统。由于其应用领域是工业控制领域（多任务性、实时性），因此，分析和了解这些要求是至关重要的，

27、因为它既是系统设计和将来软件测试的重要依据，也是确定系统功能和性能指标的过程。同时，这些要求也应是cnc系统软件的特点。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术1. 多任务性与并行处理技术q cnc控制要求的多任务性 任务定义： 可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。 cnc的功能则可定义为cnc的任务： 显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、 cnc系统的任务要求并行处理：为了保证控制的连续性和各任务执行的为了保证控制的连续性和各任务执行的时序配合时序配合要求，要

28、求，cnccnc系统的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。系统的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 基于并行处理的多任务调度技术 并行处理定义：系统在系统在同一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两个以上任务内完成两个或两个以上任务处理的方法。处理的方法。 采用并行处理技术的目的： 合理使用和调配合理使用和调配cnccnc系统的资源系统的资源 提高提高cnccnc系统的处理速度。系统的处理速度。 并行处理的实现方式： 资源分时共享资源分时共享 并发处理（例如：流水处理）并发处理（例如：流水处理） 这些实现方式

29、与cnc系统的硬件结构密切相关。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 资源分时共享（对单一资源的系统）在单cpu结构的cnc系统中，可采用“资源分时共享”并行处理技术。资源分时共享在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用cpu的时间，使它们分时共享系统的资源。“资源分时共享”的技术关键： 其一：各任务的优先级分配问题。 其二：各任务占用cpu的时间长度，即 时间片的分配问题。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术译码刀补i/o显示初始化位置控制插补运算背景程序4ms8ms16ms中断级别高中断级别低资源（cpu）分时

30、共享图 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术0ms 4ms 8ms 12ms 16ms位置控制插补运算背景程序各任务占用时间示意图 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 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cpu； 在一个时间片（如8ms或16ms）内，cpu并行地执行了两个或两个以上的任务。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 并发处理和流水处理（对多资源的系统） 在多cpu结构的cnc系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种并行处理技术：下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数

31、控技术数控技术 流水处理技术的涵义 流水处理技术是利用重复的资源（cpu），将一个大的任务分成若干个子任务(任务的分法与资源重复的多少有关)，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，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术流水处理技术示意图 时间t+tt空间111333222输出输出输出cpu1cpu2cpu3并行处理1231232tt空间时间顺序处理输出输出cpu1下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 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

32、个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时间重叠，是以资源重复的代价换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 实时性和优先抢占调度机制q 实时性任务的定义和分类下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 强实时性任务下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 弱实时性任务显示显示等。等。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 抢占式优先调度机制 多任务系统的任务调度方法：下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数

33、控技术q 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，若另一优先级正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，更高的任务请求执行，cpucpu将立即终止正将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高任务的在执行的任务，转而响应优先级高任务的请求请求优先调度：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。行时，优先级高的任务将优先得到满足。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 抢占式优先调度机制的实现方式 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（

34、8259或功能相同的芯片），定时器计数器（8253、8254等）等。 软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务优先级的定义、任务切换（断点的保护于恢复、中断向量的保存与恢复等）等。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q cnc系统中采用的任务调度机制抢占式优先调度；时间片轮换调度；非抢占式优先调度。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 ：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、任务间的信息交换机制以及系统集成方法等。：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cnc系统的各种控制要求。下午5时52

35、分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术1. 前后台型结构模式 该模式将cnc系统软件划分成两部分： 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术前后台程序运行关系图 前台程序故障处理位置控制插补运算后台程序译 码刀补处理速度预处理输入/输出显示中断执行循环执行 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 前后台型结构模式的特点 任务调度机制: 。前台程序的调度是优先抢占式的；前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度。 信息交换前台和后台程序之间以及内部各子任务之间的。在前台和后台程序内无优先级等级、 也无抢占机制。 该结构仅适用于控制功能较

36、简单的系统。早期的cnc系统大都采用这种结构。 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术2.中断型结构模式 这种结构是将除了初始化程序之外，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（由硬件和软件组成）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。 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术中断型软件系统结构图 初始化中断管理系统（硬件 + 软件）0级中断服务程序 级中断服务程序 级中断服务程序级中断服务程序1n2 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q中断型结构模式的

37、特点任务调度机制：。信息交换：。由于中断级别较多（最多可达8级），强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术3. 基于实时操作系统的结构模式 实时操作系统（real time operating system rtos）是操作系统的一个重要分支，它除了具有通用操作系统的功能外， 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术基于实时操作系统软件结构图 rtos模块（任务）1模块（任务）2模块（任务） 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 基于实时操作系统的结构模式的优点 弱化功能模

38、块间的耦合关系 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 系统的开放性和可维护性好 从本质上讲，前述结构模式采用的是单一流程加中断控制的机制，一旦开发完毕，系统将是的完全封闭（对系统的开发者也是如此），若想对系统进行功能扩充和修改将是困难的。 在本模式中，系统功能的扩充或修改，只须将编写好的任务模块（模块程序加上任务控制块（tcb），挂到实时操作系统上（按要求进行编译）即可。因而，采用该模式开发的cnc系统具有良好的开放性和可维护性。 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 减少系统开发的工作量 在cnc系统软件开发中，系统内核（任务管理、调度、通

39、信机制）的设计开发的往往是很复杂的，而且工作量也相当大。当以现有的实时操作系统为内核时，即可大大减少系统的开发工作量和开发周期。 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 基于实时操作系统开发cnc系统的方法在商品化的实时操作系统下开发cnc系统，国外有些著名cnc系统厂家采用了这种方式。将通用pc机操作系统（dos、windows）扩充扩展成实时操作系统，然后在此基础上开发cnc系统软件。目前国内有些cnc系统的生产厂家就是采用的这种方法。该法的优点在于dos windows是得到普遍应用的操作系统，扩充扩展相对较容易，有利于形成具有我国自主版权的数控软件，这是一种适

40、合我国国情的好方法。 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 华中i型数控系统软件的实时操作环境是在上扩充扩展而成的。以该环境为内核，实现了一个开放式的数控系统软件平台，它能提供方便的二次开发环境，使之能灵活地组配不同类型的数控系统和扩充系统的功能。因而，这种结构具有良好的开放性和可维护性。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 编辑程序参数设置解释程序plc管理mdi故障显示过程控制软件ncbiosrtmms-dos位置控制i/o控制plc控制低层软件过程层软件nabase下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 华中型数

41、控系统的系统软件由两部分组成：下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术图中虚线以下的部分：编辑程序参数设置解释程序plc管理mdi故障显示过程控制软件ncbiosrtmms-dos位置控制i/o控制plc控制低层软件过程层软件nabase下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术虚线以上部分。编辑程序参数设置解释程序plc管理mdi故障显示过程控制软件ncbiosrtmms-dos位置控制i/o控制plc控制低层软件过程层软件nabase下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术2. q 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技

42、术数控技术数控技术调度核心结构及其多任务调度图 刀 补运 算译 码解 释动 态显 示人 机界 面plc功 能数 据采 集插 补运 算位 置控 制时钟中断服务程序任 务调度程序调度核心下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术调度核心程序框图保护现场保护协处理器数据各定时任务计时转向调度程序中断服务程序框图设置堆栈是否挂起过?调度程序框图取就绪队列读任务状态恢复断点进入任务取队列中下一任务ny下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术任务的划分及优先级的确定 华中i型将任务划分为8个，优先级从高到低排列为：下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控

43、技术数控技术q设备驱动程序满足不同的控制对象（加工中心、铣床、车床、磨床等）不同硬件配置对不同驱动程序的要求。实现系统的通用性。在配置系统时，将所有的硬件模块的驱动程序都在ncbios的（类似于dos的config.sys文件）中说明。系统在运行时，ncbios根据ncbios.cfg的预先的设置，调入对应模块的驱动程序，建立相应的接口通道。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q位置控制 位置控制是ncbios的一个固定程序，其主要功能是接受插补运算程序送来的位置控制指令，经进行螺距误差补偿、传动间隙补偿、极限位置判别等处理后，输出速度指令值给位置控制模块。下午5时5

44、2分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 插补器 华中i型为数控系统多通道（最多可达4通道）数控系统，每个通道有一个插补器，相应就创建一个插补任务。该任务主要完成以下工作：直线、圆弧、螺纹、攻丝以及微小直线段（供自由曲线和自由曲面加工用）等的插补运算。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 plc调度的主要任务是：故障报警处理、mst处理、急停和复位处理、虚拟轴驱动处理、刀具寿命管理、操作面板开关处理、指示灯及突发事件处理等。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 数据

45、通讯区 上层软件通过数据区观察系统的状态，包括坐标轴状态（轴位置、跟随误差、运动速度）、输入/输出状态、plc内部状态等。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术l主要内容下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 稳定性指标下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 插补精度指标插补精度：插补轮廓与给定轮廓的符合程度，它可用插补误差来评价。插补误差分类：下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术采用逼近误差和计算误差较小的插补算法；采用优化的小数

46、圆整法，如：逢奇（偶）四舍五入法、小数累进法等。一般要求上述三误差的综合效应小于系统的最小运动指令或脉冲当量。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 合成速度的均匀性指标合成速度的均匀性：插补运算输出的各轴进给率，经运动合成的实际速度（）与给定的进给速度（）的符合程度。速度不均匀性系数：合成速度均匀性系数应满足： max 1 % %100*fffr下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 插补算法要尽可能简单，要便于编程 因为插补运算是实时性很强的运算，若算法太复杂，计算机的每次插补运算的时间必然加长，从而限制进给速度指标和精度指标的提高。下午

47、5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术。因而进给速度指标难以提高，当脉冲当量为10m时，采用该插补算法所能获得最高进给速度是3-4 m/min。，通常仅用加法和移位运算方法就可完成插补。因此它比较容易用硬件来实现，而且，用硬件实现这类运算的速度很快的。但是也有用软件来完成这类算法的。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术这类插补算法有：逐点比较法；最小偏差法；数字积分法；目标点跟踪法；单步追综法等它们主要用早期的采用步进电机驱动的数控系统。由于此算法的速度指标和精度指标都难以满足现在零件加

48、工的要求，现在的数控系统已很少采用这类算法了。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术达 10m/min以上）。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数字增量插补的实现算法较脉冲增量插补复杂，它对计算机的运算速度有一定的要求，不过现在的计算机均能满足要求。 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 逐点比较法是这类算法最典型的代表，它是一种最早的插补算法，该法的原理是：cnc系统在控制过程中，能逐点地计算和判别运动轨迹与给定轨迹的偏差，并根据偏差控制进给轴向给定轮廓靠扰，缩小偏差，使加工轮廓逼近给定轮廓。下午5时52分数控技术

49、数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术逐点比较法工作过程图 偏差判别终点判别进给输出偏差计算终点到退出下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 (xe，ye)(xm，ym)y直线直线x 直线: fm = xe *ym - ye * xm 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术圆弧: fm = xm2 +ym2 - r2fm0 在圆外， -y向输出一步fm0 在圆上， +x向输出一步fm0 在圆内， +x向输出一步rxy(xm，ym) 圆圆 弧弧 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术1. q 插补周期与精度、速度的关系 y

50、xl222ltfl82222tftf下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 插补周期与插补运算时间 的关系下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 插补周期与位置控制周期的关系下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 在设计直线插补程序时，通常将插补计算坐标系的原点选在被插补直线的起点，如图所示，设有一直线ope， o(0,0)为起点，pe (xe,ye)为终点，要求以速度f(mm/min)，沿ope 进给。 pe (xe,ye)lpi+1 (xi+1,yi+1) pi (xi,yi)yixixyo下午5时52分数控技术数

51、控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 设插补周期为(ms)，则在内的合成进给量为： mfl15/2 1yyytgxyxxxlxi1ii1i1iii1iicosmtfl60/2coseeeeeyxxxytgpe (xe,ye)lpi+1 (xi+1,yi+1) pi (xi,yi)yixixyo下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 上述算法是先计算后计算，同样还可以先计算后计算，即： 2xxxtgyxyyylyi1ii1i1iii1iicos2coseeeeeyxyyxtgpe (xe,ye)lpi+1 (xi+1,yi+1) pi (xi,yi)yixixyo下午5

52、时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 可以证明，从插补精度的角度考虑，插补公式的选用原则为： 这个结论的实质就是在插补计算时总是先计算大的坐标增量，后计算小的坐标增量。 2yx1yxeeee选用公式时选用公式时下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 为程序设计的方便，引入引导坐标的概念，即将进给增量值较大的坐标定义为引导坐标g，进给增量值较小的定义为非引导坐标n。这样便可将八组插补公式归结为一组：2e2eeeei1ii1i1iii1iingngntgnnntggnggglgcoscos式中：下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技

53、术 采用时间分割插补法进行园弧插补的基本方法是用内接弦线逼近圆弧。设计圆弧插补程序时，通常将插补计算坐标系的原点选在被插补圆弧的圆心上，如图所示，以第一象限顺圆（g02）插补为例来讨论圆弧插补原理。 pe(xe,ye)p0(x0,y0)yxrlag02pi i(xi i,yi i)pi+1i+1(xi+1i+1,yi+1i+1)odb下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 图中pi(xi，yi)为圆上某一插补点a ，pi+1(xi+1，yi+1) 为圆上下一插补点c，直线段ac（=l）为本次的合成进给量，d为ac的中点，辅助线dym垂直于y轴，为本次插补的逼近误差。有图

54、的几何关系可得： modyabcyxrldcaxi ig02byipi i(xi i,yi i)pi+1i+1(xi i+1+1,yi+1i+1)ym mi ii ioi i下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 则有： r2yyry22iimiiiiiicoscosyxrldcaxi ig02byipi i(xi i,yi i)pi+1i+1(xi i+1+1,yi+1i+1)ym mi ii ioi i下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 由于yi ，未知，可进行下列近似替换：yi-1yi r ，rr -； 则有： cosi=（yi-yi-

55、1/2）/ ryxrldcaxi ig02byipi i(xi i,yi i)pi+1i+1(xi i+1+1,yi+1i+1)ym mi ii ioi i下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 i1ii2ii21iii1i1iiii2ii2i1iiiiyyyxxryxxx2yyrlxyxxry2yyrllx整理得：则cosyxrldcaxi ig02byipi i(xi i,yi i)pi+1i+1(xi i+1+1,yi+1i+1)ym mi ii ioi i下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 同直线插补一样,上述算法是先计算xi后计算y

56、i，同样还可以先计算yi后计算xi，即： 这两个公式的选用原则同直线一样。i1ii2ii21iii1i1iiixxxyyrxyyy2xxrly下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 考虑不同的象限和不同的插补方向（g02/g03），则该算法的圆弧插补计算公式将有16组。为了程序设计的方便，同样在引入引导坐标后，可将16组插补计算公式归结为2组：i1ii21i21iii1i1iii1iii21i21iii1i1iiinnngrnggg2nnrlgbnnngrnggg2nnrlga下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 顺圆插补（g02）和逆圆插补（

57、g03）在各象限采用公式的情况如图所示：ababababbabababag02g03下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 近似计算对插补的影响为：ii”il”llxy0下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q上面所推导的公式均是在第一象限，而且规定了进给方向，当这些条件不满足时，插补的公式将是不同的，请同学们在课后自己推导一下。q由于每个象限的公式不同，这里便存在一个过象限的问题(指园弧插补)，如何在过象限时即能顺利而均匀连续切换，算法又简单，是值得讨论的题目。q终点判别的问题，这里而涉及到两个问题在程序中间的程序段的终点判别要考虑与下面程序段

58、联接的问题在要求降速为零的程序段中，有一个减速起点的问题q升降速处理问题下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术l加减速控制的必要性下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术c. 几种升降速规律下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术d. 两种控制方案下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术f. 升降速的处理下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术小结下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术一 . abc”cbag41刀具g42刀具编程轨迹刀具中心轨迹c下午5时52

59、分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术qb刀补：有r2 法，比例法，该法对加工轮廓的连接都是以园弧进行的。如图示，其缺点是：在外轮廓尖角加工时，由于轮廓尖角处，始终处于切削状态，尖角的加工工艺性差。在内轮廓尖角加工时，由于c”点不易求得(受计算能力的限制)编程人员必须在零件轮廓中插入一个半径大于刀具半径的园弧，这样才能避免产生过切。 这种刀补方法，无法满足实际应用中的许多要求。因此现在用得较少，而用得较多的是c刀补。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q c刀补 它的主要特点是采用直线作为轮廓之

60、间的过渡，因此，它的尖角性好，并且它可自动预报(在内轮廓加工时) 过切，以避免产生过切。下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术1.刀具半径补偿的工作过程q 刀补建立q 刀补进行q 刀补撤销。起刀点刀补建立刀补进行刀补撤销编程轨迹刀具中心轨迹下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术q 转接形式下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术刀具中心轨迹编程轨迹非加工侧加工侧非加工侧编程轨迹刀具中心轨迹加工侧q 过渡方式 轨迹过渡时矢量夹角的定义： 指两编程轨迹在交点处非加工侧的夹角 下午5时52分数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术