计算机数控系统8课件

*1第四章计算机数控系统(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。*2第一节

概述*3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*5

CNC系统的硬件一般性结构结构：由计算机基本系统、设备支持层、设备层组成。计算机基本系统设备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...图3-1CNC的一般性硬件结构.CNC装置的组成*6

CNC系统软件的功能性结构本质特征:CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，功能特征: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。.CNC装置的组成*7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*9.CNC装置的组成OURSLOGANIS:SOFTWAREISCNC软件就是数控*10

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*11平台有以下两方面的含义：平台提供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*13

2.数控功能丰富插补功能：二次曲线、样条、空间曲面等插补补偿功能：运动精度、随机误差补偿、非线性误差补偿等人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级人机对话窗口编程功能：G代码、篮图编程、部分自动编程功能。二.CNC装置的优点*14

3.可靠性高采用集成度高的电子元件、芯片、采用VLSI本身就是可靠性的保证。许多功能由软件实现，硬件的数量减少。丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现)，从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低。二.CNC装置的优点*154.使用维护方便操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便可进行正确操作。编程方便：具有多种编程的功能、程序自动校验和模拟仿真功能。维护维修方便：部分日常维护工作自动进行(润滑，关键部件的定期检查等)，数控机床的自诊断功能，可迅速实现故障准确定位。二.CNC装置的优点*17功能：满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。基本功能——数控系统基本配置的功能，即必备的功能；选择功能——用户可根据实际使用要求选择的功能。三.CNC装置的功能*18

1。控制功能

——

CNC能控制和能联动控制的进给轴数。CNC的进给轴分类：移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）；

基本轴和附加轴（U、V、W）。联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。三.CNC装置的功能*192.准备功能（G功能）

——

指令机床动作方式的功能。已在第二章介绍。三.CNC装置的功能*214.进给功能——进给速度的控制功能。进给速度——控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min（inch/min）。同步进给速度——实现切削速度和进给速度的同步，单位为mm/r（inch/min）

。进给倍率（进给修调率-Override）——人工实时修调预先给定的进给速度。三.CNC装置的功能*225.

主轴功能——主轴切削速度、周向位置控制功能。主轴转速——主轴转速的控制功能，单位：r/min。恒线速度控制——刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。单位：（m/min）三.CNC装置的功能*23主轴定向控制——主轴周向定位于特定位置控制的功能。C轴控制——主轴周向任意位置控制的功能。主轴修调率——人工实时修调预先设定的主轴转速。三.CNC装置的功能*25

7.

刀具管理功能——实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功能。刀具几何尺寸管理：管理刀具半径和长度，供刀具补偿功能使用；刀具寿命管理：管理时间寿命，当刀具寿命到期时，CNC系统将提示更换刀具；刀具类型管理：用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。三.CNC装置的功能*26

8.

补偿功能刀具半径和长度补偿功能：实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心轨迹的功能。传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。非线性误差补偿功能：对诸如热变形、静态弹性变形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等，采用AI、专家系统等新技术进行建模，利用模型实时在线补偿。三.CNC装置的功能*2911.通讯功能——

CNC与外界进行信息和数据交换的功能RS232C接口，可传送零件加工程序，DNC接口，可实现直接数控，MAP(ManufacturingAutomationProtocol)制造自动化协议)模块，网卡适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。三.CNC装置的功能*30三.CNC装置的功能12、人机交互图形编程功能为了进一步提高数控机床的编程效率，对于NC程序的编制，特别是较为复杂零件的NC程序都要通过计算机辅助编程，尤其是利用图形进行自动编程，以提高编程效率。同时提出了面向车间的编程，以解决编制复杂零件程序问题。因此，对于现代CNC装置提出了具有人机交互图形编程功能的要求。有这种功能的CNC可以根据零件图直接编制程序，即编程人员只需送入图样上简单表示的几何尺寸就能自动地计算出全部交点、切点和圆心坐标，生成加工程序。有的CNC可根据引导图和显示说明进行对话式编程，并具有自动工序选择、刀具和切削条件的自动选择等智能功能。有的CNC系统还备有用户宏程序（如FANUC）。

*31四、CNC系统的一般工作过程*32第二节

CNC装置的硬件体系结构*33第二节CNC装置的硬件体系结构一、概述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:单机系统: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。多机系统---〉*34多机系统: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：主从结构，系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权其它带CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。第二节CNC装置的硬件体系结构*35多主结构：系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统资源有控制或使用权。模块之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过仲裁器来解决总线争用问题，通过公共（共享）存储器进行交换信息。分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间采用松耦合，且采用通讯方式交换信息。第二节CNC装置的硬件体系结构*36二。单机或主从结构模块的功能介绍CNC装置是按模块化设计的方法构造的。模块化设计方法：将控制系统按功能划分成若干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。第二节CNC装置的硬件体系结构*37实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。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。第二节CNC装置的硬件体系结构*38I/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CNC系统硬件框图1

第二节CNC装置的硬件体系结构*391。计算机主板和系统总线(母板)

计算机主板是CNC装置的核心。功能结构：CPU及其外围芯片；内存单元、cache及其外围芯片；通讯接口(串口，并口，键盘接口)。软、硬驱动器接口第二节CNC装置的硬件体系结构*40计算机主板的主要作用：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。

第二节CNC装置的硬件体系结构*41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：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、12槽、14槽等。第二节CNC装置的硬件体系结构*422.显示模块(显示卡)显示卡的主要作用：接收来自CPU的控制命令和显示用的数据，经与CRT的扫描信号调制后，产生CRT显示器所需要的视频信号，在CRT上产生所需要的画面。第二节CNC装置的硬件体系结构*43在CNC装置中，CRT显示是一个非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介，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。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。第二节CNC装置的硬件体系结构*443.输入/出模块(多功能卡)它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即CNC装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的数据送给输出设备。该模块也是标准的PC机模块，一般不需要用户自己开发。如果计算机主板选用的是ALL-IN-ONE主板，则此板可省略。第二节CNC装置的硬件体系结构*45以上三部分，再配上键盘、电源、机箱，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。第二节CNC装置的硬件体系结构*46

4.电子盘(存储模块)电子盘是CNC装置特有的存储模块。在CNC装置中它用来存放下列数据和参数：系统软件、系统固有数据；系统的配置参数(系统所能控制的进给轴数，轴的定义，系统增益等)；用户的零件加工程序。

第二节CNC装置的硬件体系结构*47计算机领域所用存储器件有三类：磁存储器件，如：软/硬磁盘（读/写）。光存储器件，如：光盘（只读）。电子（半导体）存储器件，如RAM、ROM、FLASH等。前两类一般用作外存储器，其特点是容量大，价格低。第二节CNC装置的硬件体系结构*48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，它又可分为三类只读存储元件（ROM、PROM、EPROM）易失性随机读写存储元件（RAM）。非易失性读写存储元件。这类器件有：

E2PROM；FLASH；FERAM；带后备电池的RAM。第二节CNC装置的硬件体系结构*49在CNC装置中，常采用电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。因电子器件组成的存储单元是按磁盘的管理方式进行的，故称其为电子盘:DOC(Diskonchip),DOM(DiskonModule-IDE),CF(CompactFlash),USB盘等电子盘的规格有：8MB、16MB、32MB、64MB,128MB等。微型硬盘－－1英寸，容量2.4G,4.8G第二节CNC装置的硬件体系结构*505.PMC(ProgrammableMachineController)模块PLC模块：CNC装置实现（开关量I/O)顺序控制的模块。PLC模块的作用：接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。第二节CNC装置的硬件体系结构*51CNC装置与被控设备交换的信息有三类：开关信号；模拟信号；脉冲信号。上述信号一般不能直接与CNC装置相联，需要一个接口对这些信号进行变换处理。第二节CNC装置的硬件体系结构*52

PMC模块变换处理其目的：满足CNC系统的输入输出要求。信号转换主要包括以下几个方面：电平转换；A/D、D/A转换；数字量与脉冲量相互转换；功率匹配；阻断外部的干扰信号进入计算机，在电气上将CNC装置与外部信号进行隔离，以提高CNC装置运行的可靠性。第二节CNC装置的硬件体系结构*53PMC模块实现方式有以下几种：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第二节CNC装置的硬件体系结构*54PLC（ProgrammableLogicController）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第二节CNC装置的硬件体系结构*55CNC机床用的PLC一般分为两类：内装型（Built-inType）PLC（或称集成式、内含式）。独立型（Stand-aloneType）PLC，或称为“通用型”PLC软件化PLC–IEC61131-3Isagraph第二节CNC装置的硬件体系结构*566.位置控制模块位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨迹控制时，CNC装置与伺服驱动系统连接的接口模块。第二节CNC装置的硬件体系结构*57

常用的位置控制模块有：开环位置控制模块：CNC装置与步进电机驱动电源的接口；闭环（含半闭环）位置控制模块：CNC装置与直流、交流伺服驱动装置的接口。第二节CNC装置的硬件体系结构*587.功能接口模块实现用户特定功能要求的接口板，实例：仿形控制器接口；激光加工焦点自动跟踪器接口；刀具监控系统中的信号采集器接口板。第二节CNC装置的硬件体系结构*59

三.华中Ⅰ型数控系统(硬件)简介华中Ⅰ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）和DOS操作系统为基础，采用开放式的体系结构，从而使华中Ⅰ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）。第二节CNC装置的硬件体系结构*60ALL-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………图7华中Ⅰ型数控系统硬件结构图采用模拟式交流/直流伺服单元第二节CNC装置的硬件体系结构*61ALL-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……图7华中Ⅰ型数控系统硬件结构图四串口通信板第二节CNC装置的硬件体系结构采用数字式交流伺服单元*62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/硬盘驱动器控制柜图8华中Ⅰ型教学数控系统硬件结构图教学型(经济型)数控系统第二节CNC装置的硬件体系结构*数字控制机床63设备层现场总线网络拓扑结构图*64四.多主结构的CNC系统硬件简介多主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。第二节CNC装置的硬件体系结构*65多主结构的特点：能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可继续工作多主结构的结构形式：共享总线结构型共享存储器结构型。第二节CNC装置的硬件体系结构*66共享总线结构：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图3-13FANUC15系统硬件结构第二节CNC装置的硬件体系结构*67结构特征：功能模块分为带有CPU或DMA（DirectMemoryAccess)的主模块和从模块(RAM/ROM，I/O模块);以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上;采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。第二节CNC装置的硬件体系结构*68共享总线结构的优点结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高。共享总线结构的缺点总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将使整个系统受到影响；由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。第二节CNC装置的硬件体系结构*69二.共享存储器(SharedMemory)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系统硬件结构第二节CNC装置的硬件体系结构*70结构特征：面向公共存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯，采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。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，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口RAM）。第二节CNC装置的硬件体系结构*71第三节

CNC系统软件结构*72

第三节CNC系统软件结构

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。*73一、CNC装置软件和硬件的功能界面合理确定CNC装置软件硬件的功能分担就是所谓的软件和硬件的功能界面划分的概念。在信息处理方面，软件与硬件在逻辑上是等价的，即硬件能完成的功能从理论上讲也可以用软件来完成。

第三节CNC系统软件结构*74硬件和软件在实现各种功能时的特点：硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。功能界面划分的准则：系统的性能价格比

第三节CNC系统软件结构*75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软件软件软件软件软件和硬件的功能界面

ⅠⅡⅢⅣ

第三节CNC系统软件结构*76二、

CNC装置的数据转换流程

CNC系统软件的主要任务之一就是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。

第三节CNC系统软件结构*77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装置数据转换流程示意图

第三节CNC系统软件结构*78

译码(解释)将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成后续程序（本例是指刀补处理程序）所要求的数据结构（格式）。

第三节CNC系统软件结构*79StructPROG_BUFFER{charbuf_state；//缓冲区状态，0空；1准备好。intblock_num；//以BCD码的形式存放本程序段号。doubleCOOR[20]；//存放尺寸指令的数值（μm）。intF,S；//F（mm/min）S（r/min）。charG0；//以标志形式存放G指令。charG1；charM0；//以标志形式存放M指令。charM1；charT；//存放本段换刀的刀具号。charD；//存放刀具补偿的刀具半径值。}；

第三节CNC系统软件结构*80以标志形式存放G指令示例D7D6D5D4D3D2D1D0G000：无该指令；1：有该指令G010：无该指令；1：有该指令G020：无该指令；1：有该指令G030：无该指令；1：有该指令G90/G910：G90；1：G91｝G060：无该指令；1：有该指令00：G40；11：G4001：G41；10；G42

第三节CNC系统软件结构*81在程序中一般都有由若干个这样结构组成的程序缓冲区组，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。

第三节CNC系统软件结构*82

N06G90G41D11G01X200Y300F200；123456789----------------------------------------StructPROG_BUFFER

{

charbuf_state；0：(开始)；1（；）⑨

intblock_num；06（N06）①

doubleCOOR[20]；COOR[1]=200000；（X200）⑥COOR[2]=300000；（Y300）⑦intF,S；F=200；（F200）⑧charG90；D5=0；（G90）②

D6,D7=0,1（G41）③

D1=1；（G01）⑤

……

charD；D=11（D11）④}；

第三节CNC系统软件结构*83刀补处理的主要工作：根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。根据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点（P’e/P〃e）坐标值。根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。.刀补处理(计算刀具中心轨迹)Pe(200,300)P0(72,148)XYG41G42P’eP”eR

第三节CNC系统软件结构*843.速度预处理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。

第三节CNC系统软件结构*85速度处理程序主要完成以下几步计算：计算本段总位移量：直线：合成位移量L；园弧：总角位移量α。该数供插补程序判断减速起点和终点之用。计算每个插补周期内的合成进给量：

ΔL=FΔt/60（μm）

式中：F--进给速度值（mm/min）；△t--数控系统的插补周期（ms）Lα

第三节CNC系统软件结构*864.插补计算主要功能：计算插补周期的实际合成位移量：

△L1=△L*修调值分解△L1

→（△X1、△Y1）

将△L1按插补的线形（直线，园弧等）和本插补点所在的位置分解到各个进给轴，作为各轴的位置控制指令（△X1、△Y1）。

经插补计算后的数据存放在运行缓冲区中，以供位置控制程序之用。插补模块以系统规定的插补周期△t定时运行。

第三节CNC系统软件结构*875.位置控制处理

第三节CNC系统软件结构f（）插补输出△X1△Y1指令位置X1新Y1新跟随误差△X3△Y3X2新Y2新实际位置反馈位置增量△X2、△Y2X1旧Y1旧X2旧Y2旧速度指令VX、VY图3-16位置控制转换流程++-+++*88位置控制完成以下几步计算：计算新的位置指令坐标值：X1新=X1旧+△X1；Y1新=Y1旧+△Y1；计算新的位置实际坐标值：X2新=X2旧+△X2；Y2新=Y2旧+△Y2计算跟随误差(指令位置值—实际位置值)：△X3=X1新-X2新；△Y3=Y1新-Y2新；计算速度指令值：VX=f（△X3）；VY=f（△Y3）

第三节CNC系统软件结构*89f()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。

第三节CNC系统软件结构*90.CNC装置的软件系统特点

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，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。

第三节CNC系统软件结构*91.多任务性与并行处理技术CNC控制要求的多任务性任务定义：可并发（同时发生-concurrent）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、…CNC系统的任务要求并行-parallel处理（可包括并发）：为了保证控制的连续性和各任务执行的时序配合要求，CNC系统的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。

第三节CNC系统软件结构*92

基于并行处理的多任务调度技术并行处理定义：系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个以上任务处理的方法。采用并行处理技术的目的：合理使用和调配CNC系统的资源提高CNC系统的处理速度。

第三节CNC系统软件结构*93并行处理的实现方式：资源分时共享并发处理（例如：流水处理）这些实现方式与CNC系统的硬件结构密切相关。

第三节CNC系统软件结构*94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。

第三节CNC系统软件结构*95…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）分时共享图

第三节CNC系统软件结构*96背景程序各任务占用CPU

时间示意图

第三节CNC系统软件结构0ms4ms8ms12ms16ms位置控制插补运算*97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。因此，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。

第三节CNC系统软件结构*98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：若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上同时执行——

并发处理；若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。

第三节CNC系统软件结构*99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。

第三节CNC系统软件结构*100流水处理技术示意图

1231232tt空间时间顺序处理输出输出CPU1时间t+△tt空间111333222输出输出输出CPU1CPU2CPU3并行处理

第三节CNC系统软件结构*101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。

第三节CNC系统软件结构*102

实时性和优先抢占调度机制实时性任务的定义和分类实时性定义: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:

强实时性任务(hardrealtime)实时突发性任务；实时周期性任务严格实时性任务(firmrealtime)弱实时性任务(softrealtime)

第三节CNC系统软件结构*103

强实时性任务**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。主要包括故障中断(急停，机械限位、硬件故障等)、机床PLC中断、硬件（按键）操作中断等。实时周期性任务：任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括插补运算、位置控制等任务。为保证加工精度和加工过程的连续性，这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。

第三节CNC系统软件结构*104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（级别较低），再由系统调度程序对它们进行合理的调度。这类任务主要包括：CRT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。

第三节CNC系统软件结构*105抢占式优先调度机制

多任务系统的任务调度方法：循环调度法简单循环调度法时间片轮换调度法优先调度法抢占式优先调度法非抢占式优先调度法

第三节CNC系统软件结构*106抢占式优先调度机制功能抢占（pre-emptive)方式：在CPU正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，CPU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优先(priority)调度：在CPU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。

第三节CNC系统软件结构*107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（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（断点的保护与恢复、中断向量的保存与恢复等）等。

第三节CNC系统软件结构*108CNC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。

第三节CNC系统软件结构*109.CNC系统软件结构模式结构模式：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。结构模式的功能：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。

第三节CNC系统软件结构*110.前后台型结构模式该模式将CNC系统软件划分成两部分：前台程序: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。后台程序(背景程序):

完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入/出、插补预处理等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，在运行过程中，不断地被前台程序定时打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。

第三节CNC系统软件结构*111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

第三节CNC系统软件结构*112前后台型结构模式的特点任务调度机制:优先抢占调度和循环调度。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:缓冲区。前台和后台程序之间以及内部各子任务之间的。实时性差。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简单的系统。早期的CNC系统大都采用这种结构。

第三节CNC系统软件结构*113.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。

第三节CNC系统软件结构*114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

第三节CNC系统软件结构*115中断型结构模式的特点任务调度机制：抢占式优先调度。信息交换：缓冲区。实时性好。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。模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。二十世纪80～90年代初的CNC系统大多采用这种结构。

第三节CNC系统软件结构*116.基于实时操作系统的结构模式

实时操作系统（RealTimeOperatingSystem

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，还具有任务管理、多种实时任务调度机制（如优先级抢占调度、时间片轮转调度等）、任务间的通信机制（如邮箱-mailbox、消息队列-massage、信号灯-signal、旗语－semaphore、先入先出－FIFO、共享存储器－Sharememory等）等功能。由此可知，CNC系统软件完全可以在实时操作系统的基础上进行开发。

第三节CNC系统软件结构*117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）……

第三节CNC系统软件结构*118基于实时操作系统的结构模式的优点弱化功能模块间的耦合关系

CNC各功能模块之间在逻辑上存在着耦合关系，在时间上存在着时序配合关系。为了协调和组织它们，前述结构模式中，需用许多全局变量标志和判断、分支结构，致使各模块间的关系复杂。在本模式中，设计者只须考虑模块自身功能的实现，然后按规则挂到实时操作系统上，而模块间的调用关系、信息交换方式等功能都由实时操作系统来实现。从而弱化了模块间的耦合关系。

第三节CNC系统软件结构*119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。

第三节CNC系统软件结构*120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。

第三节CNC系统软件结构*121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DOSWINDOWS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，这是一种适合我国国情的好方法。

第三节CNC系统软件结构*122.华中I型数控系统软件结构介绍华中I型数控系统软件的实时操作环境是在DOS操作系统上扩充扩展而成的。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。

第三节CNC系统软件结构*123华中I

型数控系统软件结构

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NCBASE

第三节CNC系统软件结构*124

软件结构概述华中Ⅰ型数控系统的系统软件由两部分组成：底层软件（软件平台）和上层软件(过程层软件)

第三节CNC系统软件结构*125底层软件（软件平台）图中虚线以下的部分:DOS、RTM和NCBIOS

RTM模块：为自主开发的实时多任务管理模块，负责CNC系统的任务管理调度。NCBIOS模块：为基本输入输出系统，管理CNC系统所有的外部控制对象，包括设备驱动程序（I/O）的管理、位置控制、PLC控制、插补计算以及内部监控等。NCBASE：RTM和NCBIOS的统称。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NCBASE

第三节CNC系统软件结构*126上层（过程控制层）软件：虚线以上部分。主要功能模块：编辑程序、参数设置、译码程序、PLC管理、MDI、

故障显示等与用户操作有关功能子模块。不同数控系统，其系统功能的区别和增减均在这一层实现。各功能模块都通过NCBIOS与底层进行信息交换，使上层模块与系统的硬件无关。这便是本系统具有开放性的关键所在。

第三节CNC系统软件结构……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*127.NCBASE的功能

实时多任务调度该功能由RTM模块实现，它是通过DOS的INT08中断(8253定时中断）功能构造的调度核心来实现对多任务调度的。

第三节CNC系统软件结构*128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

第三节CNC系统软件结构970ms481216位置控制插补运算后台程序实线表示从调度核心进入任务或任务在一个时间片内没有运行完返回调度核心,虚线表示任务在时间片内运行完返回调度核心.*129调度核心程序框图

第三节CNC系统软件结构*130CNC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：位置控制任务（4ms）；插补计算任务（8ms）；数据采集任务（12ms）；PLC任务（16ms）；刀补运算任务（条件（缓冲区）驱动）；译码解释任务（条件（缓冲区）驱动）；动态显示任务（96ms）；人机界面（菜单管理，一次性死循环任务）。

第三节CNC系统软件结构*131设备驱动程序功能：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。实现：在配置系统时，将所有的硬件模块的驱动程序都在NCBIOS的NCBIOS.CFG（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。

第三节CNC系统软件结构*132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。

第三节CNC系统软件结构*133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。*134PLC调度

PLC调度的主要任务是：故障报警处理、MST指令处理、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。

第三节CNC系统软件结构*135.NCBIOS提供给上层软件的接口

NC功能调用接口插补器接口：供插补预处理（译码、刀补、速度预处理）的数据给底层软件；故障信息交换接口；设备调用接口。

第三节CNC系统软件结构*136六、常规CNC的软件结构1、中断型结构结构模式举例：中断型软件结构的特点是除了初始化程序之外，整个系统软件的各种功能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中断系统。其管理的功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通讯来解决。

中断型结构根据系统任务的实时性安排中断的优先级。FANUC-BESK7CMCNC系统是一个典型的中断型软件结构

它的各级中断如下表：

第三节CNC系统软件结构*137

第三节CNC系统软件结构表4-1FANUC-BESK7CMCNC系统的各级中断功能中断级别主要功能中断源0控制CRT显示硬件1译码、刀具中心轨迹计算，显示器控制软件，16ms定时2键盘监控，I/O信号处理，穿孔机控制软件，16ms定时3操作面板和电传机处理硬件4插补运算、终点判别和转段处理软件，8ms定时5纸带阅读机读纸带处理硬件6伺服系统位置控制处理4ms实时钟7系统测试(测试，非使用态）硬件*138

第三节CNC系统软件结构表4-2FANUC-BESK7CMCNC系统1级中断的13种功能口状态字对应口的功能0显示处理1公英制转换2部分初始化3从存储区（MP、PC或SP区）读一段数控程序到BS区4轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹5“再启动”处理6“再启动”开关无效时，刀具回到断点“启动”处理7按“启动”按钮时，要读一段程序到BS区的预处理8连续加工时，要读一段程序到BS区的预处理9纸带阅读机反绕或存储器指针返回首址的处理A启动纸带阅读机使纸带正常进给一步B置M、S、T指令标志及G96速度换算C置纸带反绕标志*139

第三节CNC系统软件结构图4-121级中断各口处理转换框图

*140

第三节CNC系统软件结构FANUC-BESK7CM中断型CNC系统的工作过程及其各中断程序之间的相互关联

（1）开机

开机后，系统程序首先进入初始化程序，进行初始化状态的设置，ROM检查工作。初始化结束后，系统转入0级中断服务程序，进行CRT显示处理。每4ms的间隔，进入6级中断。由于1级、2级和4级中断请求均按6级中断的定时设置运行，从此以后系统就进入轮流对这几种中断的处理。

（2）启动纸带阅读机输入纸带

作好纸带阅读机的准备工作后，将操作方式置于“数据输入”方式，按下面板上的主程序MP键。按下纸带输入键，控制程序在2级中断“纸带输入键处理程序”中启动一次纸带阅读机。当纸带上的同步孔信号读入时产生5级中断请求。系统响应5级中断处理，从输入存储器中读入孔信号，并将其送入MP区，然后再启动一次纸带阅读机，直到纸带结束。

*141

第三节CNC系统软件结构（3）启动机床加工1）当按下机床控制面板上的“启动”按钮后，在2级中断中，判定“机床启动”为有效信息，置1级中断7号口状态，表示启动按钮后要求将一个程序段从MP区读入BS区中。2）程序转入1级中断，在处理到7号口状态时，置3号口状态，表示允许进行“数控程序从MP区读入BS区”的操作。3）在1级中断依次处理完后返回3号口处理，把一数控程序段读入BS区，同时置已有新加工程序段读入BS区标志。4）程序进入4级中断，根据“已有新加工程序段读入BS区”的标志，置“允许将BS内容读入AS”的标志，同时置1级中断4号口状态。*142

第三节CNC系统软件结构5）程序再转入1级中断，在4号口处理中，把BS内容读入AS区中，并进行插补轨迹计算，计算后置相应的标志。6）程序再进入4级中断处理，进行其插补预处理，处理结束后置“允许插补开始”标志。同时由于BS内容已读入AS，因此置1级中断的8号口，表示要求从MP区读一段新程序段到BS区。此后转入速度计算→插补计算→进给量处理，完成第一次插补工作。7）程序进入6级中断，把4级中断送出的插补进给量分两次进给。8）再进入1级中断，8号口处理中允许再读入一段，置3号口。再3号口处理中把新程序段从MP区读入BS区。*143

第三节CNC系统软件结构9）反复进行4级、6级、1级等中断处理，机床在系统的插补计算中不断进给，显示器不断显示出新的加工位置值。整个加工过程就是由以上各级中断进行若干次处理完成的。由此可见，整个系统的管理采用了中断程序间的各种通信方式实现的。其中包括：（a）设置软件中断。第1、2、4级中断由软件定时实现，第6级中断由时钟定时发生，每4ms中断一次。这样每发生两次6级中断，设置一次4级中断请求，每发生四次6级中断，设置一次1、2级中断请求。将1、2、4、6级中断联系起来。（b）每个中断服务程序自身的联接是依靠每个中断服务程序的“口状态字”位。如1级中断分成13个口，每个口对应“口状态字”的一位，每一位对应处理一个任务。进行1级中断的某口的处理时可以设置“口状态字”的其他位的请求，以便处理完某口的操作时立即转入到其他口的处理。（c）设置标志。标志是个程序之间通信的有效手段。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立刻设置相应的标志，若未设置相应的标志，CNC会跳过该中断服务程序继续往下进行。

*144

第三节CNC系统软件结构（b）每个中断服务程序自身的联接是依靠每个中断服务程序的“口状态字”位。如1级中断分成13个口，每个口对应“口状态字”的一位，每一位对应处理一个任务。进行1级中断的某口的处理时可以设置“口状态字”的其他位的请求，以便处理完某口的操作时立即转入到其他口的处理。（c）设置标志。标志是个程序之间通信的有效手段。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立刻设置相应的标志，若未设置相应的标志，CNC会跳过该中断服务程序继续往下进行。*145

第三节CNC系统软件结构2、前后台型结构模式

该结构模式的CNC系统的软件分为前台程序和后台程序。前台程序是指实时中断服务程序，实现插补、伺服、机床监控等实时功能。这些功能与机床的动作直接相关。后台程序是一个循环运行程序，完成管理功能和输入、译码、数据处理等非实时性任务，也叫背景程序，管理软件和插补准备在这里完成。后台程序运行中，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。

后台程序初始化实时中断程序*146

第三节CNC系统软件结构美国A-B7360CNC软件是一种典型的前后台型软件

其结构框图如图4-14所示。该图的右侧是实时中断程序处理的任务，主要的可屏蔽中断有10.24ms实时时钟中断、阅读机中断和键盘中断。其中阅读机中断优先级最高，10.24ms实时时钟中断优先级次之，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10.24ms中断总是定时发生的。左侧则是背景程序处理的任务。背景程序是一个循环执行的主程序，而实时中断程序按其优先级随时插入背景程序中。

*147

第三节CNC系统软件结构*148

第四节CNC系统输入输出与通讯功能一、CNC系统的输入输出和通信要求

（1）数据输入输出设备。（2）外部机床控制面板（3）通用的手摇脉冲发生器。（4）进给驱动线路和主轴驱动线路。

此外还有DNC接口（RS232C,V24/20ma,MAP3.0),以太网（TCP/IP)等。现场总线：用于设备驱动层与NC之间的通讯SERCOS,MACROS,PROFIBUS/DP,FIREWIRE(IEEE1394a/b)*149

第四节CNC系统输入输出与通讯功能二、CNC系统常用外设及接口

输入设备常见的有自动输入的纸带阅读机、磁带机、磁盘驱动器、光盘驱动器，手动输入的有键盘、手动操作的各种控制开关等

输出设备常见的有通用显示器（如指示灯）、外部位置显示器（如CRT显示器、发光二极管（LED）显示器等）、纸带穿孔机、电传打字机、行式打印机等。

通讯接口：RS232C/20ma*150

第四节CNC系统输入输出与通讯功能一．键盘输入及接口：全编码键盘和非编码键盘全编码键盘：硬件扫描电路8279非编码键盘：软件扫描译码A0A1A2A3A4A5A6A7A15~A8+5VRX7

*151

第四节CNC系统输入输出与通讯功能二、异步串行接口－RS232C/20ma标准串行接口采用25芯双排针式插座（DB25）或9针(DB9)，应用于机床上：（1）与光电纸带阅读机（PTR）、纸带穿孔机（PP），打印和穿复校设备（TTY），（2）与磁泡盒或磁带相连接，将零件加工程序送入数控机床（3）与通用计算机相连，进行通信，实现编程控制一体化。（4）与上一级计算机相连接，实现CAD／CAM一体化。*152

第四节CNC系统输入输出与通讯功能RS232接口的通讯协议有异步通讯和同步通讯异步协议将8位的字符看作一个独立信息，字符在传送的数据流中出现的相对时间是任意的。然而每一字符中的各位却以预定的时钟频率传送，即字符内部是同步的，字符间是异步的。异步协议的特征是字符间的异步定时。异步传输有起始位（0）和停止