数控技术课件2

第四章计算机数控装置(CNC)内容提要本章将详细讨论CNC装置的软件硬件结构；CNC装置基本功能的原理及实现方法。*1现代数控技术在第一章我们就知道了数控装置是机床数控系统的核心，并对其在系统中的主要作用也有了一个概括性的了解，由于它在整个系统中的重要性，故在本章我们将对其进行较详细的讨论。第一节概述*2现代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（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。.CNC装置的组成第一节概述*3现代数控技术

CNC系统硬件的层次结构由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。图3-1CNC系统硬件的层次结构.CNC装置的组成第一节概述*4现代数控技术

CNC系统软件的功能结构从本质特征来看，CNC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，该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统活的灵魂。其结构框图如图3-2所示。.CNC装置的组成第一节概述*5现代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.......CNC装置的组成第一节概述*6现代数控技术.CNC硬件软件的作用和相互关系硬件是基础，软件是灵魂CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台，如图3-3所示。.CNC装置的组成第一节概述*7现代数控技术

图3-3CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序

接口被控设备

机床机器人测量机

.......CNC装置的组成第一节概述*8现代数控技术该平台有以下两方面的含义：提供CNC系统基本配置的必备功能；在平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发。.CNC装置的组成第一节概述*9现代数控技术

具有灵活性和通用性CNC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的结构，使系统功能的修改、扩充变得较为灵活。CNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。二.CNC装置的优点第一节概述*10现代数控技术数控功功能丰丰富插补功功能：：二次曲曲线、、样条条、空空间曲曲面插插补补偿功功能：：运动精精度补补偿、、随机机误差差补偿偿、非非线性性误差差补偿偿等人机对对话功功能：：加工的的动、、静态态跟踪踪显示示，高高级人人机对对话窗窗口编程功功能：：G代码、、篮图图编程程、部部分自自动编编程功功能。。二.CNC装置的的优点点第一节节概述述*11现代数数控技技术可靠性性高CNC装置采采用集集成度度高的的电子子元件件、芯芯片、、采用用VLSI本身就就是可可靠性性的保保证。。许多功功能由由软件件实现现，使使硬件件的数数量减减少。。丰富的的故障障诊断断及保保护功功能(大多多由软软件实实现)，从从而可可使系系统的的故障障发生生的频频率和和发生生故障障后的的修复复时间间降低低。二.CNC装置的的优点点第一节节概述述*12现代数数控技技术使用维维护方方便操作使使用方方便：：用户只只需根根据菜菜单的的提示示，便便可进进行正正确操操作。。编程方便便：具有多种种编程的的功能、、程序自自动校验验和模拟拟仿真功功能。维护维修修方便：：部分日常常维护工工作自动动进行(润滑，，关键部部件的定定期检查查等)，，数控机机床的自自诊断功功能，可可迅速实实现故障障准确定定位。二.CNC装置的优优点第一节概述*13现代数控控技术易于实现现机电一一体化数控系统统控制柜柜的体积积小（采采用计算算机，硬硬件数量量减少；；电子元元件的集集成度越越来越高高，硬件件的不断断减小）），使其其与机床床在物理理上结合合在一起起成为可可能，减减少占地地面积，，方便操操作。二.CNC装置的优优点第一节概述*14现代数控控技术CNC装置的功功能是指指满足用用户操作作和机床床控制要要求的方方法和手手段。数数控装置置的功能能包括基基本功能能和选择择功能。。基本功能能——数控控系统基基本配置置的功能能，即必必备功能能；选择功能能——用户户可根据据实际要要求选择择的功能能。CNC装置的功功能第一节概述*15现代数控控技术控制功能能——CNC能控制和能联动控制制的进给轴轴数。CNC的进给轴轴分类：：移动轴（（X、Y、、Z）和回转轴轴（A、B、、C）；；基本轴和和附加轴轴（U、V、、W）。。联动控制制轴数越越多，CNC系统就越越复杂，，编程也越困困难。CNC装置的功功能第一节概述*16现代数控控技术准备功能能（G功能）———指令令机机床床动动作作方方式式的的功功能能。CNC装置置的的功功能能第一一节节概述述*17现代代数数控控技技术术插补补功功能能和和固固定定循循环环功功能能———插补补功功能能是数数控控系系统统实实现现零零件件轮轮廓廓(平平面或或空空间间)加加工工轨轨迹迹运运算算的的功功能能。。———固定定循循环环功功能能是数数控控系系统统实实现现典典型型加加工工循环环（（如如：：钻钻孔孔、、攻攻丝丝、、镗镗孔孔、、深深孔孔钻钻削和和切切螺螺纹纹等等））的的功功能能CNC装置置的的功功能能第一一节节概述述*18现代代数数控控技技术术进给功能——进给给速度的控控制功能。。进给速度——控制制刀具相对对工件的运运动速度，，单位为mm/min。同步进给速速度——实现现切削速度度和进给速速度的同步步，单位为为mm/r。。进给倍率（（进给修调调率）——人工实实时修调预预先给定的的进给速度度。CNC装置的功能能第一节概述*19现代数控技技术主轴功能——数控控系统的主主轴的控制制功能。主轴转速——主轴转转速的控制制功能，单单位为r/min。恒线速度控控制——刀具切切削点的切切削速度为为恒速的控控制功能。。CNC装置的功能能第一节概述*20现代数控技技术主轴定向控控制——主轴周周向定位于于特定位置置控制的功功能。C轴控制——主轴周周向任意位位置控制的的功能。主轴修调率率——人工实实时修调预预先设定的的主轴转速速。CNC装置的功能能第一节概述*21现代数控技技术辅助功能（（M功能）——用于于指令机床床辅助操作作的功能。。CNC装置的功能能*22现代数控技技术刀具管理功功能——实现对对刀具几何何尺寸和寿寿命的管理理功能。刀具几何尺尺寸（半径径和长度）），供刀具具补偿功能能使用；刀具寿命是是指时间寿寿命，当刀刀具寿命到到期时，CNC系统将提示示用户更换换刀具；CNC系统都具有有刀具号（（T）管理功能，，用于标识识刀库中的的刀具和自自动选择加加工刀具。。CNC装置置的的功功能能*23现代代数数控控技技术术补偿偿功功能能刀具具半半径径和和长长度度补补偿偿功功能能：：实现现按按零零件件轮轮廓廓编编制制的的程程序序控控制制刀刀具具中中心心轨轨迹迹的的功功能能。。传动动链链误误差差：：包括括螺螺距距误误差差补补偿偿和和反反向向间间隙隙误误差差补补偿偿功功能能。。非线性性误差差补偿偿功能能：对诸如如热变变形、、静态态弹性性变形形、空空间误误差以以及由由刀具具磨损损所引引起的的加工工误差差等，，采用用AI、、专家系系统等等新技技术进进行建建模，，利用用模型型实施施在线线补偿偿。CNC装置的的功能能*24现代数数控技技术人机对对话功功能在CNC装置中中这类类功能能有：：菜单结结构操操作界界面；；零件加加工程程序的的编辑辑环境境；系统和和机床床参数数、状状态、、故障障信息息的显显示、、查询询或修修改画画面等等。CNC装置的的功能能第一节节概述述*25现代数数控技技术自诊断断功能能——CNC自动实实现故故障预预报和和故障障定位位的功功能。。开机自自诊断断；在线自自诊断断*；离线自自诊断断；远程通通讯诊诊断*。CNC装置的的功能能*26现代数数控技技术通讯功功能——CNC与外界界进行行信息息和数数据交交换的的功能能RS232C接口，，可传传送零零件加加工程程序，，DNC接口，，可实实现直直接数数控，，MAP(制造自自动化化协议议)模模块，，网卡：：适应应FMS、CIMS、、IMS等制造造系统统集成成的要要求。。CNC装置的功能*27现代数控技术术第二节CNC装置的硬件体体系结构一、概述CNC装置从它的硬硬件组成结构构来看，若按按其中含有CPU的多少来分，，可分为下面面几类:*28现代数控技术术单机系统:整个CNC装置只有一个个CPU，它集中控制和和管理整个系系统资源，通通过分时处理理的方式来实实现各种NC功能。主从结构，系统中只有有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源源有控制和使使用权其它带带CPU的功能部件，，只能接受主主CPU的控制命令或或数据，或向向主CPU发出请求信息息以获得所需需的数据。即即它是处于以以从属地位的的，故称之为为主从结构。。一、概述硬件体系结构构*29现代数控技术术多机系统:CNC装置中有两个个或两个以上上的CPU，即系统中的某某些功能模块块自身也带有有CPU，根据部件间的的相互关系又又可将其分为为：多主结构：系统中有两两个或两个以以上带CPU的模块部件对对系统资源有有控制或使用用权。模块之之间采用紧耦耦合，有集中中的操作系统统，通过仲裁裁器来解决总总线争用问题题，通过共公公存储器进行行交换信息。。分布式结构：系统有两个个或两个以上上带CPU的功能模块，，各模块有自自己独立的运运行环境，模模块间采用松松耦合，且采采用通讯方式式交换信息。一、概述*30现代数控技术术CNC装置是按模块块化设计的方方法构造的模块化设计方方法：将控制系统统按功能划分分成若干种具具有独立功能能的单元模块块,并配上相相应的驱动软软件。系统设设计时按功能能的要求选择择不同的功能能模块，并将将其插入控制制单元母板上上，即可组成成一个完整的的控制系统的的方法。其中中单元母板一一般为总线结结构的无源母母板，它提供供模块间互联联的信号通路路。二.单机或主从结结构模块的功功能介绍*31现代数控技术术实现CNC系统模块化设设计的条件是是总线(BUS)标准化。采用模块化结结构时，CNC系统统设设计计工工作作则则可可归归结结为为功功能能模模块块的的合合理理选选用用。。二.单机机或或主主从从结结构构模模块块的的功功能能介介绍绍*32现代代数数控控技技术术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系统二.单机机或或主主从从结结构构模模块块的的功功能能介介绍绍*33现代代数数控控技技术术计算算机机主主板板和和系系统统总总线线(母母板板)计算算机机主主板板是是CNC装置置的的核核心心。。功能能结结构构：：CPU及其其外外围围芯芯片片；；内存存单单元元、、cache及其其外外围围芯芯片片；；通讯讯接接口口(串串口口，，并并口口，，键键盘盘接接口口)。。软、、硬硬驱驱动动器器接接口口二.单机机或或主主从从结结构构模模块块的的功功能能介介绍绍*34现代代数数控控技技术术计算算机机主主板板的的主主要要作作用用：对对输输入入到到CNC装置置中中的的种种种种数数据据、、信信息息(零零件件加加工工程程序序，，各各种种I/O信息等)进行行相应的算术术和逻辑运算算。并根据其其处理结果，，向各功能模模块发出控制制命令，传送送数据，使用用户的指令得得以执行。二.单机或主从结结构模块的功功能介绍*35现代数控技术术系统总线(母母板)：由一一组传送数字字信息的物理理导线组成，，它是计算机机系统内部进进行数据或信信息交换的通通道：数据总线地址总线：控制总线：工业用PC机的总线母板板是独立的无无源四层板（（走线面、元元件面、电源源层和地线层层），它的可可靠性高于两两层板。其规规格有6槽、、8槽、12槽、14槽槽等。二.单机或主从结结构模块的功功能介绍*36现代数控技术术显示模块(显显示卡)显示卡的主要要作用：接收来自CPU的控制命令和和显示用的数数据，经与CRT的扫描信号调调制后，产生生CRT显示器所需要要的视频信号号，在CRT上产生所需要要的画面。二.单机或主从结结构模块的功功能介绍*37现代数控技术术在CNC装置中，CRT显示是一个非非常重要的功功能，它是人机交流流的重要媒介介，它给用户提提供了一个直直观的操作环环境，可使用用户能快速地地熟悉适应其其操作过程。。显示卡是一个个通用性很强强的模块。它它不仅随时可可以在市场上上买到，而且且它还有非常常丰富的支持持软件，因此此无需用户自自己开发。二.单机或主从结结构模块的功功能介绍*38现代数控技术术输入/出模块块(多功能卡卡)它是CNC装置与外界进进行数据和信信息交换的接接口板，即CNC装置通过该接接口可以从输输入设备获取取数据，也可可以将CNC装置中的数据据送给输出设设备。该模块也是标标准的PC机模块，一般般不需要用户户自己开发。。如果计算机机主板选用的的是ALL-IN-ONE主板，则此板板可省略。二.单机或主从结结构模块的功功能介绍硬件体系结构构*39现代数控控技术以上三部部分，再再配上键键盘、电电源、机机箱，实实际上是是一部通通用的微微型计算算机系统统，它是是CNC装置的核核心，从从某种意意义上讲讲，CNC装置的档档次和性性能是由由它决定定的。因因此，CNC装置中计计算机系系统的合合理选用用是至关关重要的的。二.单机或主主从结构构模块的的功能介介绍*40现代数控控技术电子盘(存储模模块)电子盘是是CNC装置特有有的存储储模块。。在CNC装置中它它用来存存放下列列数据和和参数：：系统软件件、系统统固有数数据；系统的配配置参数数(系统统所能控控制的进进给轴数数，轴的的定义，，系统增增益等)；用户的零零件加工工程序。。二.单机或主主从结构构模块的的功能介介绍*41现代数控控技术计算机领领域所用用存储器器件有三三类：磁存储器器件，如如：软/硬磁盘盘（读/写）。。光存储器器件，如如：光盘盘（只读读）。电子（半半导体））存储器器件，如如RAM、、ROM、FLASH等。前两类一一般用作作外存储储器，其其特点是是容量大大，价格格低。二.单机或主主从结构构模块的的功能介介绍*42现代数控控技术电子存储储器件一一般用作作内存储储器，其其价格高高于前两两类。若若按其读读写性能能来看，，它又可可分为三三类只读存储储元件（（ROM、、PROM、EPROM）易失性随随机读写写存储元元件（RAM））。非易失性性读写存存储元件件。这类类器件有有：E2PROM；FLASH；带后备电电池的RAM。。二.单机或主从从结构模块块的功能介介绍*43现代数控技技术在CNC装置中，常常采用电子子存储器件件作为外存存储器，主主要是考虑虑到CNC装置的工作作环境有可可能受到电电磁干扰，，磁性器件件的可靠性性低，而电电子存储器器件的抗电电磁干扰能能力相对来来讲要强一一些。因电子器件组组成的存储单单元是按磁盘盘的管理方式式进行的，故故称其为电子盘。电子盘的规格格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB等。二.单机或主从结结构模块的功功能介绍*44现代数控技术术PLC(ProgrammableLogicController)模块PLC模块：CNC装置实现顺序序控制的模块块。PLC模块的作用：接收来自操操作面板、机机床上的各行行程开关、传传感器、按钮钮、强电柜里里的继电器以以及主轴控制制、刀库控制制的有关信号号，经处理后后输出去控制制相应器件的的运行。CNC装置与被控设设备交换的信信息有三类：：开关信号、模模拟信号、脉脉冲信号。二.单机或主从结结构模块的功功能介绍*45现代数控技术术上述信号由于于其类型、电电平、功率以以及抗干扰的的原因，一般般不能直接与与CNC装置相联，需需要一个接口口对这些信号号进行变换处处理。二.单机或主从结结构模块的功功能介绍*46现代数控技术术PLC模块变换处理理其目的：满足CNC系统的输入输输出要求。信信号转换主要要包括以下几几个方面：电平转换；A/D、D/A转换；数字量与脉冲冲量相互转换换；功率匹配；阻断外部的干干扰信号进入入计算机，在在电气上将CNC装置与外部信信号进行隔离离，以提高CNC装置运行的可可靠性。二.单机或主从结结构模块的功功能介绍*47现代数控技术术PMC模块实现方式式有以几种：：简单I/O接口板：系统总线数字接口光电隔离器件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*48现代数控技术术PLC（（ProgrammableLogicController））控制制：：它它是是目目前前CNC系统统用用得得最最广广泛泛的的方方式式。。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*49现代代数数控控技技术术CNC机床床用用的的PLC一般般分分为为两两类类：：内装装型型（Built-inType））PLC（（或集集成成式式、、内内含含式式））。。独立立型型（Stand-aloneType））PLC（（或通通用用型型））二.单机机或或主主从从结结构构模模块块的的功功能能介介绍绍*50现代代数数控控技技术术位置置控控制制模模块块位置置控控制制模模块块是是进进给给伺伺服服系系统统的的重重要要组组成成部部分分，，是是实实现现轨轨迹迹控控制制时时，，CNC装置置与与伺伺服服驱驱动动系系统统连连接接的的接接口口模模块块。。常用用的的位位置置控控制制模模块块有有：：开环环位位置置控控制制模模块块：：CNC装置与步进进电机驱动动电源的接接口；闭环（含半半闭环）位位置控制模模块：CNC装置与直流流、交流伺伺服驱动装装置的接口口。二.单机或主从从结构模块块的功能介介绍*51现代数控技技术功能接口模模块实现用户特特定功能要要求的接口口板，实例：仿形控制器器接口；激光加工焦焦点自动跟跟踪器接口口；刀具监控系系统中的信信号采集器器接口板。。二.单机或主从从结构模块块的功能介介绍*52现代数控技技术华中Ⅰ型数数控系统是是我国为数数不多具有有自主版权权的高性能能数控系统统之一。它它以通用的的工业PC机（IPC）为基础，采采用开放式式的体系结结构，从而而使华中ⅠⅠ型数控系系统的可靠靠性和质量量得到了保保证。它适适合多坐标标(2-5)数控镗镗铣床和加加工中心，，在增加相相应的软件件模块后，，也可适应应于其它类类型的数控控机床(数数控磨床、、车床、齿齿轮加工机机床等)以以及特种加加工机床（（激光加工工机、线切切割机等））。三.华中Ⅰ型数数控系统(硬件)简简介*53现代数控技技术采用模拟式式交流/直直流伺服单单元ALL-IN-ONECPU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Ⅰ型数控系统硬件结构图三.华中Ⅰ型数数控系统(硬件)简简介*54现代数控技技术采用数字式式交流伺服服单元ALL-IN-ONECPU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/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Ⅰ型数控系统硬件结构图四串口通信板三.华中Ⅰ型数数控系统(硬件)简简介*55现代数控技技术教学型(经经济型)数数控系统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Ⅰ型教学数控系统硬件结构图三.华中Ⅰ型数数控系统(硬件)简简介*56现代数控技技术多主CPU结构中，有有两个或两两个以上的的CPU部件，部件件之间采用用紧耦合，，有集中的的操作系统统，通过总总线仲裁器器(由硬件件和软件组组成)来解解决总线争争用问题，，通过公共共存储器来来进行信息息交换。四.多主结构的的CNC系统硬件简简介*57现代数控技术术多主结构的特特点：能实现真正意意义上的并行行处理，处理理速度快，可可以实现较复复杂的系统功功能。容错能力强，，在某模块出出了故障后，，通过系统重重组仍可断继继续工作多主结构的结结构形式：共享总线结构构型共享存储器结结构型。四.多主结构的CNC系统硬件简介介*58现代数控技术术共享总线结构构：FANUCBUS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FANUC15系统硬件结构四.多主结构的CNC系统硬件简介介第二节CNC装置的硬件体体系结构*59现代数控技术术结构特征：功能模块分为为带有CPU或DMA的主模块和从从模块(RAM/ROM，I/O模块)，以系统总线为为中心，所有有的主、从模模块都插在严严格定义的标标准系统总线线上，采用总线仲裁裁机构(电路路)来裁定多多个模块同时时请求使用系系统总线的竞竞争问题。四.多主结构的CNC系统硬件简介介第二节CNC装置的硬件体体系结构*60现代数控技术术共享总线结构构的优点结构简单、系系统组配灵活活、成本相对对较低、可靠靠性高共享总线结构构的缺点总线是系统的的“瓶颈”，，一旦系统总总线出现故障障，将使整个个系统受到影影响；由于使用总线线要经仲裁，，使信息传输输率降低。四.多主结构的CNC系统硬件简介介第二节CNC装置的硬件体体系结构*61现代数控技术术共享存储器结结构显示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/EPROM512RAMRAM512

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系统硬件结构四.多主结构的CNC系统硬件简介介*62现代数控技术术结构特征：面向共公存储储器来设计的的，即采用多多端口来实现现各主模块之之间的互连和和通讯，采用多端口控控制逻辑来解解决多个模块块同时访问多多端口存储器器冲突的矛盾盾。由于多端口存存储器设计较较复杂，而且且对两个以上上的主模块，，会因争用存存储器可能造造成存储器传传输信息的阻阻塞，所以这这种结构一般般采用双端口口存储器（双双端口RAM）。四.多主结构的CNC系统硬件简介介第二节CNC装置的硬件体体系结构*63现代数控控技术第三节CNC系统软件件结构CNC系统软件件是一个个典型而而又复杂杂的实时时系统。。本节将将首先介介绍系统统软硬件件界面的的关系，，然后从从系统内内数据流流的角度度来分析析CNC装置的数数据转换换过程，，并从多多任务性性和实时时性的角角度来分分析CNC系统软件件的结构构特点，，最后介介绍一个个典型CNC装置系统统软件的的结构。。第三章计计算机数数控装置置*64现代数控控技术软件与硬硬件在实实现各种种功能的的特点和和关系关系：从理论上上讲，硬硬件能完完成的功功能也可可以用软软件来完完成。从从实现功功能的角角度看，，软件与与硬件在在逻辑上上是等价价的。特点：硬件处理理速度快快，但灵灵活性差差，实现现复杂控控制的功功能困难难。软件设计计灵活，，适应性性强，但但处理速速度相对对较慢。。一、CNC装置软件件和硬件件的功能能界面第三节CNC系统软件件结构*65现代数控控技术软件、硬硬件实现现功能的的分配就就是———软件硬硬件功能能界面划划分。功能界面面划分的的准则：：系统的的性能价价格比一、CNC装置软件件和硬件件的功能能界面*66现代数控控技术数控系统统功能界界面的几几种划分分：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

ⅠⅡⅢⅣ一、CNC装置软件件和硬件件的功能能界面*67现代数控控技术CNC装置系统统软件的的主要任任务：如如何将由由零件加加工程序序表达的的加工信信息，变变换成各各进给轴轴的位移移指令、、主轴转转速指令令和辅助助动作指指令，控控制加工工设备的的轨迹运运动和逻逻辑动作作，加工工出符合合要求的的零件。。二、CNC装置的数数据转换换流程*68现代代数数控控技技术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行缓冲区伺服驱动位控处理位置反馈PLC控制CNC装置置数数据据转转换换流流程程示示意意图图二、、CNC装置置的的数数据据转转换换流流程程*69现代代数数控控技技术术译码码(解解释释)将用用文文本本格格式式（（通通常常用用ASCII码））表表达达的的零零件件加加工工程程序序，，以以程程序序段段为为单单位位转转换换成成后后续续程程序序（（本本例例是是指指刀刀补补处处理理程程序序））所所要要求求的的数数据据结结构构（（格格式式））。。二、CNC装置的的数据据转换换流程程*70现代数控控技术数据结构构示例：：StructPROG_BUFFER{charbuf_state；//缓冲区状状态，0空；；1准准备好。。intblock_num；//以BCD码的形式式存放本本程序段段号。doubleCOOR[20]；；//存放尺寸寸指令的的数值（（μm）。intF,S；//F（mm/min）S（r/min）。charG0；//以标志形形式存放放G指令。charG1；charM0；//以标志形形式存放放M指令。charM1；charT；；//存放本段段换刀的的刀具号号。charD；//存放刀具补补偿的刀具具半径值。。}；二、CNC装置的数据据转换流程程第三节CNC系统软件结结构*71现代数控技技术以标志形式式存放G指令示例二、CNC装置的数据据转换流程程第三节CNC系统软件结结构*72现代数控技技术在系统软件件中各程序序间的数据据交换方式式一般都是是通过缓冲冲区进行的的。该缓冲冲区由若干干个数据结结构组成，，当前程序序段被解释释完后便将将该段的数数据信息送送入缓冲区区组中空闲闲的一个。。后续程序序（如刀补补程序）从从该缓冲区区组中获取取程序信息息进行工作作。二、CNC装置的数据据转换流程程*73现代数控技技术N06G90G41D11G01X200Y300F200；----------------------------------------StructPROG_BUFFER{charbuf_state；0：(开始)；1（；）⑨intblock_num；06（N06）①doubleCOOR[20]；COOR[1]=200000；（X200））⑥COOR[2]=300000；（Y300））⑦intF,S；F=200；（F200）⑧charG0；D5=0；；（G90）②D6,D7=0,1（G41）③D1=1；；（G01）⑤……charD；D=11（（D11））④}；二、CNC装置的数据据转换流程程第三节CNC系统软件结结构*74现代数控技技术刀补处理的的主要工作作：根据G90/G91计算零件轮轮廓的终点点坐标值。。根据R和G41/42，计算本段刀刀具中心轨轨迹的终点点（P’e/P〃e）坐标值。根据本本段与与前段段连接接关系系，进进行段段间连连接处处理。。.刀刀补处处理(计算算刀具具中心心轨迹迹)二、CNC装置的的数据据转换换流程程Pe（200，，300））XRP0（72，48））Pe”Pe’G41G42Y第三节节CNC系统软软件结结构*75现代数数控技技术速度预预处理理主要功功能是是根据据加工工程序序给定定的进进给速速度，，计算算在每每个插插补周周期内内的合合成移移动量量，供供插补补程序序使用用。二、CNC装置的的数据据转换换流程程第三节节CNC系统软软件结结构*76现代数数控技技术速度处处理程程序主主要完完成以以下几几步计计算：：计算本本段总总位移移量：：直线：合成成位移移量L；园弧：总角角位移移量α。该数供供插补补程序序判断断减速速起点点和终终点之之用。计算每每个插插补周周期内内的合合成进进给量量：ΔL=F*Δt/60（（μm）式中：：F--进给速速度值值（mm/min））；△t--数控系系统的的插补补周期期（ms））Lα二、CNC装置的的数据据转换换流程程第三节节CNC系统软软件结结构*77现代数控控技术插补计算算主要功能能：根据操作作面板上上“进给给修调””开关的的设定值值，计算算本次插插补周期期的实际际合成位位移量：：△L1=△L*修调值将△L1按插补的的线形（（直线，，园弧等等）和本本插补点点所在的的位置分分解到各各个进给给轴，作作为各轴轴的位置置控制指指令（△X1、△Y1）。经插补计计算后的的数据存存放在运运行缓冲冲区中，，以供位位置控制制程序之之用。本本程序以以系统规规定的插插补周期期△t定时运行行。二、CNC装置的数数据转换换流程第三节CNC系统软件件结构*78现代数控控技术位置控制制处理f（）+++-++插补输出△X1△Y1指令位置X1新Y1新跟随误差△X3△Y3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位置控制转换流程二、CNC装置的数数据转换换流程第三节CNC系统软件件结构*79现代数控控技术位置控制制完成以以下几步步计算：：计算新的的位置指指令坐标标值：X1新=X1旧+△X1；Y1新=Y1旧+△Y1；计算新的的位置实实际坐标标值：X2新=X2旧+△X2；Y2新=Y2旧+△Y2计算跟随随误差(指令位位置值——实际际位置值值)：△X3=X1新-X2新；△Y3=Y1新-Y2新；计算速度度指令值值：VX=f（（△X3）；；VY=f（（△Y3）二、、CNC装置置的的数数据据转转换换流流程程第三三节节CNC系统统软软件件结结构构*80现代代数数控控技技术术f()是位位置置环环的的调调节节控控制制算算法法，，具具体体的的算算法法视视具具体体系系统统而而定定。。这这一一步步在在有有些些系系统统中中是是采采用用硬硬件件来来实实现现的的。。VX、VY送给给伺伺服服驱驱动动单单元元，，控控制制电电机机运运行行，，实实现现CNC装置置的的轨轨迹迹控控制制二、、CNC装置置的的数数据据转转换换流流程程第三三节节CNC系统统软软件件结结构构*81现代代数数控控技技术术CNC系统统是是典典型型的的实实时时控控制制系系统统。。CNC装置置的的系系统统软软件件则则可可看看成成是是一一个个专专用用实实时时操操作作系系统统。。由由于于其其应应用用领领域域是是工工业业控控制制领领域域（（多多任任务务性性、、实实时时性性）），，因因此此，，分分析析和和了了解解这这些些要要求求是是至至关关重重要要的的，，因因为为它它既既是是系系统统设设计计和和将将来来软软件件测测试试的的重重要要依依据据，，也也是是确确定定系系统统功功能能和和性性能能指指标标的的过过程程。。同同时时，，这这些些要要求求也也应应是是CNC系统软件的特特点。.CNC装置的软件系系统特点第三节CNC系统软件结构构*82现代数控技术术.多任任务性与并行行处理技术CNC控制要求的多多任务性任务定义：可并发执行的的程序在一个个数据集合上上的运行过程程。CNC的功能则可定定义为CNC的任务：显示、译码、、刀补、速度度处理、插补补处理、位置置控制、…CNC系统的任务要要求并行处理理：为了保证控制制的连续性和和各任务执行行的时序配合要求，CNC系统的任务必必须采用并行行处理，而不不能逐一处理理。.CNC装置的软件系系统特点第三节CNC系统软件结构构*83现代数控技术术基于并行处理理的多任务调调度技术并行处理定义义：系统在同一时间间隔隔或同一时刻内完成两个或或两个以上任任务处理的方方法。采用并行处理理技术的目的的：合理使用和调调配CNC系统的资源提高CNC系统的处理速速度。并行处理的实实现方式：资源分时共享享并发处理（例例如：流水处处理）这些实现方式式与CNC系统的硬件结结构密切相关关。.CNC装置的软件系系统特点第三节CNC系统软件结构构*84现代数控技术术资源分时共享享（对单一资资源的系统））在单CPU结构的CNC系统中，可采采用“资源分分时共享”并并行处理技术术。资源分时时共享———在规规定的时时间长度度（时间间片）内内，根据据各任务务实时性性的要求求，规定定它们占占用CPU的时间，，使它们们分时共共享系统统的资源源。“资源分分时共享享”的技技术关键键：其一：各各任务的的优先级级分配问问题。其二：各各任务占占用CPU的时间长长度，即时间片的的分配问问题。.CNC装置的软软件系统统特点第三节CNC系统软件件结构*85现代数控控技术…译码刀补I/O显示初始化位置控制制插补运算算背景程序序4ms8ms16ms中断级别别高中断级别别低资源（CPU））分时共享享图.CNC装置的软软件系统统特点第三节CNC系统软件件结构*86现代数控控技术各任务占占用CPU时间示意意图.CNC装置的软软件系统统特点第三节CNC系统软件件结构*87现代数控控技术资源分时时共享技技术的特特征在任何一一个时刻刻只有一一个任务务占用CPU；；在一个时时间片（（如8ms或16ms）内，CPU并行地执执行了两两个或两两个以上上的任务务。因此，资资源分时时共享的的并行处处理只具具有宏观观上的意意义，即即从微观观上来看看，各个个任务还还是逐一一执行的的。.CNC装置的软软件系统统特点第三三节节CNC系统统软软件件结结构构*88现代代数数控控技技术术并发发处处理理和和流流水水处处理理（（对对多多资资源源的的系系统统））在多多CPU结构构的的CNC系统统中中，，根根据据各各任任务务之之间间的的关关联联程程度度，，可可采采用用以以下下两两种种并并行行处处理理技技术术：：若任任务务间间的的关关联联程程度度不不高高，，则则可可让让其其分分别别在在不不同同的的CPU上同同时时执执行行————并发发处处理理；若任任务务间间的的关关联联程程度度较较高高，，即即一一个个任任务务的的输输出出是是另另一一个个任任务务的的输输入入，，则则可可采采取取流水水处处理理的方方法法来来实实现现并并行行处处理理。。.CNC装置置的的软软件件系系统统特特点点第三三节节CNC系统统软软件件结结构构*89现代代数数控控技技术术流水水处处理理技技术术的的涵涵义义流水处处理技技术是是利用用重复复的资资源（（CPU），，将一个个大的的任务务分成成若干干个子子任务务(任任务的的分法法与资资源重重复的的多少少有关关)，，这些些小任任务是是彼此此关系系的，，然后后按一一定的的顺序序安排排每个个资源源执行行一个个任务务，就就象在在一条条生产产线上上分不不同工工序加加工零零件的的流水水作业业一样样。.CNC装置的的软件件系统统特点点第三节节CNC系统软软件结结构*90现代数数控技技术流水处处理技技术示示意图图时间t+△tt空间111333222输出输出输出CPU1CPU2CPU3并行处处理1231232tt空间时间顺序处理输出输出CPU1.CNC装置的的软件件系统统特点点第三节节CNC系统软软件结结构*91现代数数控技技术并发处处理和和流水水处理理的特特征在任何何时刻刻（流流水处处理除除开始始和结结束外外）均均有两两个或或两个个以上上的任任务在在并发发执行行。并发处处理和和流水水处理理的关关键是是时间重重叠，是以以资源源重复复的代代价换换得时时间上上的重重叠，，或者者说以空间间复杂杂性的的代价价换得得时间间上的的快速速性。。.CNC装置的的软件件系统统特点点第三节节CNC系统软件结构构*92现代数控技术术实时性和优先先抢占调度机机制实时性任务的的定义和分类类实时性定义:任务的执行有有严格时间要要求（任务必必须规定时间间内完成或响响应），否则则将导致执行行结果错误或或系统故障的的特性。实时性任务分分类:强实时性任务务实时突发性任任务；实时周周期性任务弱实时性任务务.CNC装置的软件系系统特点第三节CNC系统软件结构构*93现代数控技术术强实时性任务务实时突发性任任务：任务的发生具具有随机性和和突发性，是是一种异步中中断事件。主主要包括故障中断(急停，机械械限位、硬件件故障等)、、机床PLC中断、硬件（按键））操作中断等。实时周期性任任务：任务是精确地地按一定时间间间隔发生的的。主要包括括插补运算、位置控制等任务。为保保证加工精度度和加工过程程的连续性，，这类任务处处理的实时性性是关键。在在任务的执行行过程中，除除系统故障外外，不允许被被其它任何任任务中断。.CNC装置的软件系系统特点第三节CNC系统软件结构构*94现代数控技术术弱实时性任务务这类任务的实实时性要求相相对较弱，只只需要保证在在某一段时间间内得以运行行即可。在系系统设计时，，它们或被安安排在背景程程序中，或根根据重要性将将其设置成不不同的优先级级（级别较低低），再由系系统调度程序序对它们进行行合理的调度度。这类任务主要要包括：CRT显示、零件程程序的编辑、、加工状态的的动态显示、、加工轨迹的的静态模拟仿仿真及动态显显示等。.CNC装置的软件系系统特点第三节CNC系统软件结构构*95现代数控技术术抢占式优先调调度机制多任务系统的的任务调度方方法：循环调度法简单循环调度度法时间片轮换调度法优先调度法抢占式优先调调度法非抢占式优先先调度法.CNC装置的软件系系统特点第三节CNC系统软件结构构*96现代数控技术术抢占式优优先调度度机制功功能抢占方式式：在CPU正在执行行某任务务时，若若另一优优先级更更高的任任务请求求执行，，CPU将立即终终止正在在执行的的任务，，转而响响应优先先级高任任务的请请求优先调度度：在CPU空闲时，，当同时时有多个个任务请请求执行行时，优优先级高高的任务务将优先先得到满满足。.CNC装置的软软件系统统特点第三节CNC系统软件件结构*97现代数控控技术抢占式优优先调度度机制的的实现方方式硬件主要要提供支支持中断断功能的的芯片和和电路，，如中断断管理芯芯片（8259或功能能相同的的芯片）），定时时器计数数器（8253、8254等等）等。。软件主要要完成对对硬件芯芯片的初初始化、、任务优优先级的的定义、、任务切切换（断断点的保保护于恢恢复、中中断向量量的保存存与恢复复等）等等。.CNC装置的软软件系统统特点第三节CNC系统软件件结构*98现代数控控技术CNC系统中采采用的任任务调度度机制抢占式优优先调度度；时间片轮轮换调度度；非抢占式式优先调调度。.CNC装置的软软件系统统特点第三节CNC系统软件件结构*99现代数控控技术.CNC系统软件件结构模模式结构模式式：指系统统软件的的组织管管理方式式，即系系统任务务的划分分方式、、任务调调度机制制、任务务间的信信息交换换机制以以及系统统集成方方法等。。结构模式式的功能能：组织和和协调各各个任务务的执行行，使之之满足一一定的时时序配合合要求和和逻辑关关系，以以满足CNC系统的各各种控制制要求。。第三节CNC系统软件件结构*100现代数控技技术.前后台台型结构模模式该模式将CNC系统软件划划分成两部部分：前台程序:主要完成插插补运算、、位置控制制、故障诊诊断等实时时性很强的的任务，它它是一个实实时中断服服务程序。。后台程序(背景程序序):完成显示、、零件加工工程序的编编辑管理、、系统的输输入/输出出、插补预预处理（译译码、刀补补处理、速速度预处理理)等弱实实时性的任任务，它是是一个循环环运行的程程序，其在在运行过程程中，不断断地定时被被前台中断断程序所打打断，前后后台相互配配合来完成成零件的加加工任务。.CNC系统软件结结构模式第三节CNC系统软件结结构*101现代数控技技术前后台程序序运行关系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.CNC系统软件结结构模式第三节CNC系统软件结结构*102现代数控技技术前后台型结结构模式的的特点任务调度机机制:优先抢占调调度和循环环调度。前台程序序的调度是是优先抢占占式的；前前台和后台台程序内部部各子任务务采用的是是顺序调度度。信息交换:缓冲区。。前台和后台台程序之间间以及内部部各子任务务之间的。。实时性差。。在前台和后后台程序内内无优先级级等级、也也无抢占占机制。该结结构构仅仅适适用用于于控控制制功功能能较较简简单单的的系系统统。。早早期期的的CNC系统统大大都都采采用用这这种种结结构构。。.CNC系统统软软件件结结构构模模式式第三三节节CNC系统统软软件件结结构构*103现代代数数控控技技术术.中中断断型型结结构构模模式式这种结构是是将除了初初始化程序序之外，整整个系统软软件的各个个任务模块块分别安排排在不同级级别的中断断服务程序序中，然后后由中断管管理系统（（由硬件和和软件组成成）对各级级中断服务务程序实施施调度管理理。整个软软件就是一一个大的中中断管理系系统。.CNC系统软件结结构模式第三节CNC系统软件结结构*104现代数控技技术中断型软件件系统结构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.CNC系统软件结结构模式第三节CNC系统软件结结构*105现代数控技技术中断型结构模式的的特点任务调度机机制：抢占式优先先调度。信息交换：：缓冲区。实时性好。由于中断断级别较多多（最多可可达8级）），强实时时性任务可可安排在优优先级较高高的中断服服务程序中中。模块间的关关系复杂，，耦合度大大，不利于于对系统的的维护和扩扩充。80～90年代初的的CNC系统大多采采用这种结结构。.CNC系统软件结结构模式第三节CNC系统软件结结构*106现代数控技技术.基于实时操操作系统的的结构模式式实时操作系系统（RealTimeOperatingSystemRTOS）是操作系统统的一个重重要分支，，它除了具具有通用操操作系统的的功能外，，还具有任务务管理、多多种实时任任务调度机机制（如优优先级抢占占调度、时时间片轮转转调度等））、任务间间的通信机机制（如邮邮箱、消息息队列、信信号灯等））等功能。由此可知，，CNC系统软件完完全可以在在实时操作作系统的基基础上进行行开发。.CNC系统软件结结构模式第三节CNC系统软件结结构*107现代数控技技术基于实时操操作系统软件结构图图RTOS模块（任务）1模块（任务）2模块（任务）…….CNC系统软件结结构模式第三节CNC系统软件结构构*108现代数控技术术基于实时操作作系统的结构构模式的优点点弱化功能模块块间的耦合关关系CNC各功能模块之之间在逻辑上上存在着耦合合关系，在时时间上存在着着时序配合关关系。为了协协调和组织它它们，前述结结构模式中，，需用许多全全局变量标志志和判断、分分支结构，致致使各模块间间的关系复杂杂。在本模式中，，设计者只须须考虑模块自自身功能的实实现，然后按按规则挂到实实时操作系统统上，而模块块间的调用关关系、信息交交换方式等功功能都由实时时操作系统来来实现。从而而弱化了模块块间的耦合关关系。.CNC系统软件结构构模式第三节CNC系统软件结构构*109现代数控技术术系统的开放性性和可维护性性好从本质上讲，，前述结构模模式采用的是是单一流