計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置

?數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，數(shù)控裝置有兩種類型:

?一是完全由硬件邏輯電路構(gòu)成的專用硬件數(shù)控裝置

即NC裝置；

?二是由計(jì)算機(jī)硬件和軟件組成的計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置即

CNC裝置。

?NC裝置是數(shù)控技術(shù)發(fā)展早期普遍采用的數(shù)控裝置，

由于NC裝置本身的缺點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)

展，現(xiàn)在NC裝置已基本被CNC裝置取代。

?計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件共同完成數(shù)控任務(wù)，其

基本組成如圖所示?，F(xiàn)代數(shù)控裝置不僅能通過讀取信

息載體方式，還可以通過其它方式獲得數(shù)控加工程序。

?如通過鍵盤方式輸人和編輯數(shù)控加工程序；通過

通信方式輸人其它計(jì)算機(jī)程序編輯器、自動(dòng)編程

器、CAD/CAM系統(tǒng)或上位機(jī)所提供的數(shù)控加工

程序。

?高檔數(shù)控裝置本身已包含一套自動(dòng)編程系統(tǒng)或

CAD/CAM系統(tǒng)，只需采用鍵盤輸人相應(yīng)的信息,

數(shù)控裝置本身就能生成數(shù)控加工程序。

?微機(jī)數(shù)控裝置在軟件作用下，可以實(shí)現(xiàn)各種硬件數(shù)

控裝置所不能完成的功能，如圖形顯示。系統(tǒng)診斷、

各種復(fù)雜的軌跡控制算法和補(bǔ)償算法的實(shí)現(xiàn)、智能

控制的實(shí)現(xiàn)、通信及網(wǎng)絡(luò)功能等。

?現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用可編程控制器（PLC）取代了傳統(tǒng)

的機(jī)床電器邏輯控制裝置。實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的各種繼

電器控制邏輯。

?PLC可位于數(shù)控裝置之外，稱獨(dú)立型PLC；也可以與

數(shù)控裝置合為一體，稱作內(nèi)裝型PLC。

2.2CNC裝置的工作原理『

2.2.1計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置的工作原理\

?CNC裝置在其硬件環(huán)境支持下，按照系統(tǒng)監(jiān)控軟件的控

制邏輯，雙輸入、譯碼、刀具補(bǔ)償、速度規(guī)劃、插補(bǔ)運(yùn)

算、位置控制、I/O口處理、顯示和診燃等方面進(jìn)行控

制。CNC裝置的主要工作包括以下內(nèi)容。

（1）輸人

?輸人CNC裝置的有零件程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償量等數(shù)據(jù)。

輸人的形式有光電閱讀機(jī)輸人、鍵盤輸人、磁盤輸人、

連接上級(jí)計(jì)算機(jī)的DNC接口輸人、網(wǎng)絡(luò)輸人。

?從CNC裝置工作方式看，有存儲(chǔ)工作方

式輸入和MbI（ManualDirectInput,

手工直接輸入）工作方式。

?CNC裝置在輸入過程中通常還要完成無

效碼刪除、代碼校驗(yàn)和代碼轉(zhuǎn)換等工作。

（2）譯碼

?不論系統(tǒng)工件在MD工方式還是存儲(chǔ)器方式，都是將

零件程序以一個(gè)程序段為單位進(jìn)行處理，把其中的

各種零件窕廓庫自（如起點(diǎn)、終點(diǎn)、直線或圓弧

等）、加工速度信息（F代碼）和其它輔助信息

（M、S、T代碼等）按照一定的語法規(guī)則解釋成

計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式

存放在指定的內(nèi)存專用單元。

?在譯碼過程中，還要完成對(duì)程序段的語法檢查，若

發(fā)現(xiàn)語法錯(cuò)誤便立即報(bào)警。

(3)刀具補(bǔ)償

?刀具補(bǔ)償包括刀具長度補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償。通常

CNC裝置的零件程序以零件輪廓軌跡編程，刀具補(bǔ)

償作用是把零件輪廓軌跡轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡。

?目前在比較好的CNC裝置中，刀具補(bǔ)償?shù)墓ぜ€包

括程序段之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)接和過切削判別，這就是所

謂的C刀具補(bǔ)償。

(4)進(jìn)給速度處理

?編程所給的刀具移動(dòng)速度，是在各坐標(biāo)的合成方

向上的速度。

■速度處理首先要做的工作是根據(jù)合成速度來計(jì)算

各運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的分速度。

■在有些CNC裝置中，對(duì)于機(jī)床允許的最低速度和

最高速度的限制、軟件的自動(dòng)加減速等也在這里

處理。

(5)插補(bǔ)

?插補(bǔ)的任務(wù)是在一條給定起點(diǎn)和終點(diǎn)的曲線上進(jìn)行

“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”。

?插補(bǔ)程序在每個(gè)插補(bǔ)周期運(yùn)行一次，在每個(gè)插補(bǔ)周

期內(nèi)，根據(jù)指令進(jìn)給速度計(jì)算出一個(gè)微小的直線數(shù)

據(jù)段。

?通常，經(jīng)過若干次插補(bǔ)周期后，插補(bǔ)加工完一個(gè)程

序段軌跡，即完成從程序段起點(diǎn)到終點(diǎn)的“數(shù)據(jù)點(diǎn)

密化”工作。

(6)位置控制

?位置控制處在伺服回路的位置環(huán)上，這部分工作既可

以由軟件實(shí)現(xiàn)，也可以由硬件完成。它的主要任務(wù)是

在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將理論位置與實(shí)際反饋位置相比

較，用其差值去控制伺服電機(jī)。

?在位置控制中通常還要完成位置回路的增益調(diào)整、各

坐標(biāo)方向的螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償，以提高機(jī)

床的定位精度。

?(7)工/O處理'

?1/0處理主要處理CNC裝置面板開關(guān)信號(hào)，機(jī)床電A

信號(hào)的輸人、輸出和控制(如換刀、換檔、冷卻等)。

?(8)顯示

?CNC裝置的顯示主要為操作者提供方便，通常用于零

件程序的顯示、參數(shù)顯示、刀具位置顯示、機(jī)床狀態(tài)

顯示、報(bào)警顯示等。

?有些CNC裝置中還有刀具加工軌跡的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)圖形

顯示O

(9)診斷

?現(xiàn)代CNC裝置都具有聯(lián)機(jī)和脫機(jī)診斷的能力。

?聯(lián)機(jī)診斷是指CNC裝置中的自診斷程序，隨時(shí)檢查不

正確的事件。

?脫機(jī)診斷是指CNC裝置配備有各種脫機(jī)診斷程序，以

檢查存儲(chǔ)器、外圍設(shè)備(CRT、閱讀機(jī)、穿孔機(jī))、

工/O接口等。

2、2、2CNC裝置的主要功能和特.與

?CNC裝置采用微處理器以后，實(shí)際上就是一臺(tái)專用微

型計(jì)算機(jī)，通過軟件可以實(shí)現(xiàn)很多功能。

?數(shù)控裝置有多種系列，性能各異，選用時(shí)要仔細(xì)考慮

其功能。數(shù)控裝置的功能通常包括基本功能和選擇功

?基本功能是數(shù)控系統(tǒng)必備的功能，選擇功能是供用戶

根據(jù)機(jī)床的特點(diǎn)和用途進(jìn)行選擇的功能。

?CNC裝置的功能主要反映在準(zhǔn)備功能G指令代碼和輔

助功能M指令代碼上。

?根據(jù)數(shù)控機(jī)床的類型、用途、檔次的高低，CNC裝置

的功能有很大的差別。

（1）數(shù)控裝置的主要功能於

?1）控制軸數(shù)和聯(lián)動(dòng)軸數(shù)V

?CNC裝置能控制的軸數(shù)以及能同時(shí)控制（即聯(lián)動(dòng)）軸、

數(shù)是主要性能之一。

?控制軸包括移動(dòng)軸和回轉(zhuǎn)軸，基本軸和附加軸，聯(lián)動(dòng)

軸可以完成輪廓軌跡加工。普通數(shù)控車床只需2軸控制

2軸聯(lián)動(dòng)；一般銃床需要3軸控制，2軸半坐標(biāo)控制和3

軸聯(lián)動(dòng)；一般加工中心為3軸聯(lián)動(dòng)、多軸控制。

?控制軸數(shù)越多，特別是同時(shí)控制軸數(shù)越多，CNC裝置

的功能越強(qiáng)；同時(shí)，CNC裝置就越復(fù)雜，編制程序也

越困難。

?2）準(zhǔn)備功能\

?準(zhǔn)備功能也稱G功能，工SO標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定準(zhǔn)備功能有

G00至G99共100種，數(shù)控系統(tǒng)可從中選用，目前許

多數(shù)控系統(tǒng)已用到超過G99以外的代碼。

?準(zhǔn)備功能用來指定機(jī)床動(dòng)作方式，包括基本移動(dòng)、程

序暫停、平面選擇、坐標(biāo)設(shè)定、刀具補(bǔ)償、基準(zhǔn)點(diǎn)返

回、固定循環(huán)、公英制轉(zhuǎn)換等。

?它用字母G與數(shù)字組合來表示人代碼有模態(tài)（該種代

碼直到出現(xiàn)同一組的其它G代碼時(shí)，一直有效，即續(xù)

效）和非模態(tài)（僅在指令的程序段內(nèi)有效）兩種模式。

?3）插補(bǔ)功能

?CNC裝置通過軟件插補(bǔ)，特別是數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)是當(dāng)前

的主要方法。

?插補(bǔ)計(jì)算實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，有采用高速微處理器的一級(jí)插

補(bǔ)，以及粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)分開的二級(jí)插補(bǔ)。

?一般數(shù)控裝置都有直線和圓弧插補(bǔ)，高檔數(shù)控裝置還

具有拋物線插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)、極坐標(biāo)插補(bǔ)、正弦插

補(bǔ)、樣條插補(bǔ)等功能。

?4）主軸速度功能

?①主軸轉(zhuǎn)速的編程方式。一般用s和數(shù)字表示，單

位為r/min,如5350。

?②恒定線速度。該功能對(duì)保證車床或磨床加工工件

端面及錐面質(zhì)量很有意義。

?③主軸定向準(zhǔn)停。該功能使主軸在徑向的某一位置

準(zhǔn)確停止，有自動(dòng)換刀功能的機(jī)床必須選取有這一

功能的CNC裝置。

?5）進(jìn)給功能不

,進(jìn)給功能用F代碼直接指定各軸的進(jìn)給速度。

?①切削進(jìn)給速度。一般進(jìn)給量為Imm/min—24mmQ

/mino在選用系統(tǒng)時(shí)，該指標(biāo)應(yīng)和坐標(biāo)軸移動(dòng)的分辨J

率結(jié)合起來考慮，如24mm/min的速度是在分辨率（

為1pm時(shí)達(dá)到的。\

-②同步進(jìn)給速度。進(jìn)給軸每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，單位為mm/r。V

只有主軸上裝有位置編碼器（一般為脈沖編碼器）的）

機(jī)床才能指定同步進(jìn)給速度。r

?③快速進(jìn)給速度。一般為進(jìn)給速度的最高

速度，它通過參數(shù)設(shè)定，用Goo指令執(zhí)行

快速。

?④進(jìn)給倍率。操作面板上設(shè)置了進(jìn)給倍率

開關(guān)，倍率可在0%—200%之間變化，每

檔間隔10%。使用倍率開關(guān)不用修改程序

就可以改變進(jìn)給速度。

?6）補(bǔ)償功能

?①刀具長度、刀具半徑補(bǔ)償和刀尖圓弧補(bǔ)償?？?/p>

以補(bǔ)償?shù)毒吣p以及換刀時(shí)刀位點(diǎn)的變化。

?②工藝量的補(bǔ)償。包括坐標(biāo)軸的反向間隙補(bǔ)償；

進(jìn)給傳動(dòng)件的傳動(dòng)誤差補(bǔ)償，如絲杠螺距補(bǔ)償送

給齒條齒距誤差補(bǔ)償；機(jī)架的溫度變形補(bǔ)償?shù)取?/p>

?7）固定循環(huán)加工功能

?用數(shù)控機(jī)床加工零件，一些典型的加工工序，如鉆

孔、攻螺紋、鋁孔、深孔鉆削、切螺紋等，所需完

成的動(dòng)作循環(huán)十分典型，將這些典型動(dòng)作預(yù)先編好

程序并存儲(chǔ)在內(nèi)存中，用G代碼進(jìn)行指定，即為固

定循環(huán)指令。

?使用固定循環(huán)指令可以簡化編程。固定循環(huán)加工指

令有鉆孔、摸孔、攻螺紋循環(huán)、復(fù)合加工循環(huán)等。

此外，子程序、宏程序也可簡化編程，并擴(kuò)大編程

、功能。

?8）輔助功能（M代碼）V

?輔助功能是數(shù)控加工中不可缺少的輔助操作，一般從'

MOO—M99共100種。各種型號(hào)的數(shù)控裝置具有輔助

功能的多少差別很大，而且有許多是自定義的。常用

的輔助功能有程序停、主軸上/反轉(zhuǎn)、冷卻液接通和

斷開、換刀等。

?9）字符圖形顯示功能

?CNC裝置可配置不同尺寸的單色或彩色CRT顯示器，

通過軟件和接口實(shí)現(xiàn)字符、圖形顯示?？梢燥@示程序、

機(jī)床參數(shù)、各種補(bǔ)償量、坐標(biāo)位置、故障信息、人機(jī)

對(duì)話編程菜單、零件圖形、動(dòng)態(tài)刀具模擬軌跡等。

-10）程序編制功能

?①手工編程。用鍵盤接零件圖紙，遵循系統(tǒng)的指令

規(guī)則人工編寫零件程序，通過面板輸人程序，只適

用于簡單零件。

?②背景（后臺(tái)）編程。后臺(tái)編程也叫在線編程，程

序編制方法同上，但可在機(jī)床加工過程中進(jìn)行，因

此不占機(jī)時(shí)。這種CNC裝置中有內(nèi)部專用于編程

的CPU。

?③自動(dòng)編程。CNC裝置內(nèi)有自動(dòng)編程語言系統(tǒng)，由

專門的CPU來管理編程。如FANUC的符號(hào)自動(dòng)編

程語言系統(tǒng)FAPT,Olivetti的GTL語言用于A—B

公司的8600CNC裝置。

?目前較為流行的自動(dòng)編程為交互式自動(dòng)編程。

?11）輸人、輸出和通信功能

?一般的CNC裝置可以接多種輸人、輸出外設(shè)，實(shí)現(xiàn)

程序和參數(shù)的輸人、輸出和存儲(chǔ)。CNC裝置與外部

設(shè)備通信采用RS—232c接口連接。

?由于DNC和FMS等技術(shù)的發(fā)展，CNC裝置必須能夠

和主機(jī)（加工單元計(jì)算機(jī)或加工系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)）

通信，以便能和物料運(yùn)輸系統(tǒng)或工業(yè)機(jī)器人等控制

系統(tǒng)通信。

?12）自診斷功能入

-CNC裝置中設(shè)置了各種診斷程序，可以防止故障的發(fā)

生或擴(kuò)大。在故障出現(xiàn)后可迅速查明故障類型及部位,

減少故障停機(jī)時(shí)間。

?不同的CNC裝置設(shè)置的診斷程序不同，可以包含在系

統(tǒng)程序中，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中進(jìn)行檢查和診斷。

?也可作為服務(wù)性程序，在系統(tǒng)運(yùn)行前或故障停機(jī)后進(jìn)

行診斷，查找故障部位。

?有的CNC裝置可以進(jìn)行遠(yuǎn)程通信診斷。

?總之，CNC數(shù)控裝置的功能多種多樣，而且隨著

技術(shù)的發(fā)展，功能越來越豐富。

?其中的控制功能、插補(bǔ)功能、準(zhǔn)備功能、主軸功能、

進(jìn)給功能、刀具功能、輔助功能、字符顯示功能、

自診斷功能等屬于基本功能。

-而補(bǔ)償功能、固定循環(huán)功能、圖形顯示功能、通信

功能、網(wǎng)絡(luò)功能和人機(jī)對(duì)話編程功能則屬于選擇功

(2)CNC數(shù)控裝置的特點(diǎn)

?1)具有靈活性

?CNC裝置以固定接線的硬件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)特定的邏

輯電路功能，一旦制成就難以改變。而CNC裝置

只要改變相應(yīng)控制軟件，就可改變和擴(kuò)展其功能,

滿足用戶的不同需要。

?2）具有通用性

?CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)有多種形式，模塊化硬件結(jié)構(gòu)使系

統(tǒng)易于擴(kuò)展，模塊化軟件能滿足各類數(shù)控機(jī)床（如車

床、銃床、加工中心等）的不同控制要求，標(biāo)準(zhǔn)化的

用戶接口，統(tǒng)一的用戶界面，既方便系統(tǒng)維護(hù)，又方

便用戶培訓(xùn)。

?3）豐富的數(shù)控功能

?利用計(jì)算機(jī)的高速數(shù)據(jù)處理能力，使CNC裝置能方

便地實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的數(shù)控功能，如二次曲線插補(bǔ)功

能，曲面的直接插補(bǔ)功能，各類固定循環(huán)、函數(shù)和

子程序調(diào)用，坐標(biāo)系偏移和旋轉(zhuǎn)，動(dòng)態(tài)圖形顯示，

刀具半徑和長度補(bǔ)償功能等。

?4）系統(tǒng)的可靠性高

?零件NC程序在加工前輸入CNC裝置，經(jīng)系統(tǒng)檢查后

調(diào)用執(zhí)行，避免了零件程序錯(cuò)誤。許多功能由軟件實(shí)

現(xiàn)，使硬件的元器件數(shù)目大為減少，整個(gè)系統(tǒng)的可靠

性得到改善，特別是采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路,

硬件高度集成、體積小，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性。

?5）使用維修方便

?CNC裝置有診斷程序，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能顯

示出故障信息，使操作和維修人員能了解故障部位，

減少了維修停機(jī)時(shí)間。

?CNC裝置有零件程序編輯功能，程序編制很方便。有

的CNC裝置還有對(duì)話編程和藍(lán)圖編程功能，使程序編

制簡便。

?零件程序編好后，可顯示程序，甚至通過空運(yùn)行，將

刀具軌跡顯示出來，檢驗(yàn)程序的正確性。

?6）基于PC平臺(tái)的CNC的特點(diǎn)

?以往數(shù)控系統(tǒng)的很多新性能是從通用計(jì)算機(jī)移植而來,

一般有5年的滯后期。

?基于PC平工臺(tái)的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)大大縮短了滯后期，像

觸摸屏幕輸人、聲控輸人、聯(lián)網(wǎng)通信、超大容量量存

儲(chǔ)等Q新性能，只要用戶需要，基于PC平臺(tái)的機(jī)床數(shù)

控系統(tǒng)都能提供。

5.5CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)5

?CNC裝置是在硬件支持下，通過系統(tǒng)軟件控制進(jìn)行

工作的，其控制功能在相當(dāng)程度上取決于硬件結(jié)構(gòu)。

?隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)控機(jī)床提出了復(fù)雜

功能、高進(jìn)給速度和高加工精度的要求，更高層次

的自動(dòng)化FMS和C工MS系統(tǒng)也對(duì)數(shù)控機(jī)床提出了新

的控制要求，因此多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)得到迅速發(fā)展。

?數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，按CNC裝置中各電路板的

插接方式可分為大柜式結(jié)構(gòu)和功能模塊式結(jié)構(gòu)；

?按微處理器的個(gè)數(shù)可分為單微處理器和多微處理

器結(jié)構(gòu)；按硬件的制造方式可分為專用型結(jié)構(gòu)和

通用計(jì)算機(jī)式結(jié)構(gòu)；

?按CNC裝置的開放程度可分為封閉式結(jié)構(gòu)PC嵌人

NC式結(jié)構(gòu)、NC嵌人PC式結(jié)構(gòu)和軟件型開放式結(jié)

構(gòu)。

2.3.1單微處理器與

多微處理器結(jié)構(gòu)

■(1)單微處理器結(jié)構(gòu)

?所謂單微處理器結(jié)構(gòu)，是指在CNC裝置中只有一

個(gè)微處理器(CPU)O

?單微處理器結(jié)構(gòu)的工作方式是集中控制，分時(shí)處理

數(shù)控系統(tǒng)的各項(xiàng)任務(wù)。如存儲(chǔ)、插補(bǔ)運(yùn)算、輸人輸

出控制、CRT顯示等。

?某些CNC裝置中雖然用了兩個(gè)以上的CPU,但能夠

控制系統(tǒng)總線的只是其中的一個(gè)CPU,它獨(dú)占總線

資源，通過總線與存儲(chǔ)器、輸人輸出控制等各種接

口相連；

?其它的CPU則作為專用的智能部件，它們不能控制

總線，也不能訪問存儲(chǔ)器。

?這是一種主從結(jié)構(gòu)，故被歸屬于單微處理器結(jié)構(gòu)中。

■單微處理器結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示，其結(jié)構(gòu)簡單，容易

實(shí)現(xiàn)。

?單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置可劃分為計(jì)算機(jī)部分、

位置控制部分、數(shù)據(jù)輸人/輸出接口及外圍設(shè)備。

?微處理器CPU是CNC裝置的核心，CPU執(zhí)行系統(tǒng)

程序，首先讀取工件加工程序，對(duì)加工程序段進(jìn)

行譯碼和數(shù)據(jù)處理，然后根據(jù)處理后得到的指令,

進(jìn)行對(duì)該加工程序段的實(shí)時(shí)插補(bǔ)和機(jī)床位置伺服

控制；

?CPU還將輔助動(dòng)作指令通過可編程控制器（PLC）

送到機(jī)床，同時(shí)接收由PLC返回的機(jī)床各部分信

息并予以處理，以決定下一步的操作。

?位置控制部分包括位置控制單元和速度控制單元。

位置控制單元接收經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算得到的每一個(gè)坐標(biāo)軸

在單位時(shí)間間隔內(nèi)的位移量，控制伺服電動(dòng)機(jī)工作,

并根據(jù)接收到的實(shí)際位置反饋信號(hào)，修正位置指令,

實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確控制。

?同時(shí)產(chǎn)生速度指令送往速度控制單元，速度控制單

元將速度指令與速度反饋信號(hào)相比較，修正速度指

令，用其差值去控制伺服電動(dòng)機(jī)以恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

?數(shù)據(jù)輸人/輸出接口與外圍設(shè)備是CNC裝置與操作

者之間交換信息的橋梁。例如，通過M工）工方式或

串行通信，可將工件加工程序送人CNC裝置；通過

CRT顯示器，可以顯示工件的加工程序和其它信息。

?在單微處理器結(jié)構(gòu)中，由于僅由一個(gè)微處理器進(jìn)行

集中控制，故其功能將受CPU字長、數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)、

尋址能力和運(yùn)算速度等因素的限制。

?如果插補(bǔ)等功能由軟件來實(shí)現(xiàn)，則數(shù)控功能的實(shí)現(xiàn)

與處理速度就成為突出的矛盾。

?解決矛盾的措施可以有：增加浮點(diǎn)協(xié)處理器、采用

帶有CPU的PLC和CRT等智能部件。

(2)單微處理器CNC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

?①CNC裝置內(nèi)只有一個(gè)微處理器，對(duì)存儲(chǔ)、插補(bǔ)運(yùn)

算、輸人輸出控制、CRT顯示等功能實(shí)現(xiàn)集中控制分

時(shí)處理。

■②微處理器通過總線與存儲(chǔ)器、輸入輸出控制等接口

電路相連，構(gòu)成CNC裝置。

?③結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)容易。

2.3.2多微處理器CNC結(jié)構(gòu)

?多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置中有兩個(gè)或兩個(gè)以上

的微處理器，各微處理器之間采用緊耦合，資源

共享，有集中的操作系統(tǒng)，甚至有兩個(gè)或兩個(gè)以

上的微處理器構(gòu)成的功能模塊，模塊之間采用松

耦合，多重操作系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)并行處理。

圖為多微處理器CNC的組成框圖。下面介紹其中幾

個(gè)主要模塊。

CRT/MDI

*

噪作面板圖形通訊模塊向動(dòng)編程模塊

儲(chǔ)存貯器模填

顯示模塊CPLCPUCPU

CNC插補(bǔ)模塊PLC功能模塊位置控制模塊主軸控制模塊

CPUCPUCPU

4

伺服放大器主軸放大器

工/0單元

及電機(jī)及電機(jī)

(1)多微處理器CNC的基本功能模塊

?多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置，一般由基本功能模塊

組成，通過增加功能模塊，可實(shí)現(xiàn)某些特殊功能。

?I)CNC管理模塊

?該模塊管理和組織整個(gè)CNC系統(tǒng)各功能模塊協(xié)調(diào)工

作，如系統(tǒng)的初始化、中斷管理、總線裁決、系統(tǒng)

錯(cuò)誤識(shí)別和處理、系統(tǒng)軟硬件診斷等。

?該模塊還完成數(shù)控代碼編譯、坐標(biāo)計(jì)算和轉(zhuǎn)換、刀

具半徑補(bǔ)償、速度規(guī)劃和處理等插補(bǔ)前的預(yù)處理。

2）CNC插補(bǔ)模塊型

?該模塊根據(jù)前面的編譯指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，按期

定的插補(bǔ)類型通過插補(bǔ)計(jì)算為各個(gè)坐標(biāo)提供位置給定油Q

3）位置控制模塊，

?插補(bǔ)后的坐標(biāo)作為位置控制模塊的給定值，而實(shí)際位置J

通過相應(yīng)的傳感器反饋給該模塊，經(jīng)過一定的控制算法，r

實(shí)現(xiàn)無超調(diào)、無滯后、高性能的位置閉環(huán)。\

4）PLC模塊（

,零件程序中的開關(guān)功能和由機(jī)床傳來的信號(hào)在這個(gè)模塊）

中作邏輯處理，實(shí)現(xiàn)各功能和操作方式之間的連鎖，機(jī)/

床電氣設(shè)備的啟停、刀具交換、轉(zhuǎn)臺(tái)分度、工件數(shù)量和\

時(shí)間的計(jì)數(shù)等。,

5）操作面板監(jiān)控和顯示模塊

?零件程序、參數(shù)、各種操作命令和數(shù)據(jù)的輸人

（如軟盤、硬盤、鍵盤、各種開關(guān)量和模擬量

的輸人、上級(jí)計(jì)算機(jī)輸人等）、輸出（如通過

軟盤、硬盤、各種開關(guān)量和模擬量的輸出、打

印機(jī)輸出）。顯示（如通過LED、CHT、LCD

等）所需要的各種接口電路。

6）存儲(chǔ)器模塊

?該模塊作為程序和數(shù)據(jù)的主存儲(chǔ)器，或功能模

塊間數(shù)據(jù)傳送用的共享存儲(chǔ)器。

（2）多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置典型結(jié)構(gòu)

?多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置多為模塊化結(jié)構(gòu)，通

常采用共享總線和共享存儲(chǔ)器兩種典型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

模塊間的互聯(lián)與通信。

I）共享總線結(jié)構(gòu)

?以系統(tǒng)總線為中心的多微處理器CNC裝置，把組

成CNC裝置的各個(gè)功能部件劃分為帶有CPU或

a

DMA器件的主模塊和不帶CPU或DMA器件的從模

塊（如各種RAM、ROM模塊、工/O模塊）兩大

?所有主、從模塊都插在配有總線插座的機(jī)柜內(nèi)，共

享標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線。

?系統(tǒng)總線的作用是把各個(gè)模塊有效地連接在一起。

按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議交換各種數(shù)據(jù)和控制信息，構(gòu)成完整

的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的功能。

?在系統(tǒng)中只有主模塊有權(quán)控制和使用系統(tǒng)總線，同

一時(shí)刻只能由一個(gè)主模塊占有總線，通過仲裁電路

裁決各主模塊同時(shí)請(qǐng)求系統(tǒng)總線的競爭，按承擔(dān)任

務(wù)的重要程度預(yù)先安排好各主模塊的優(yōu)先級(jí)別或高

低順序。

?總線仲裁的目的就是在各主模塊爭用總線時(shí)，判別出

各模塊優(yōu)先級(jí)的高低。

?支持多微處理器系統(tǒng)的總線都設(shè)計(jì)有總線仲裁機(jī)構(gòu)，

通常有串行方式和并行方式兩種））裁決方式。

?在串行總線裁決方式中，優(yōu)先權(quán)的排列是按鏈接位置

決定的。

?某個(gè)主模塊只有在前面優(yōu)先權(quán)更高的主模塊不占用

總線時(shí)，才可使用總線，同時(shí)通知其后優(yōu)先權(quán)較低

的主模塊不得使用總線，圖2.4為串行總線仲裁連線

方式。

。在并行總線裁決方式中，要配置專用邏輯電路來解決主

模塊的判優(yōu)問題，通常采用優(yōu)先權(quán)編碼方案，圖2.5為

并行總線仲裁連線方式。

?各結(jié)構(gòu)模塊之間的通信主要依靠存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn),

大部分系統(tǒng)采用公共存儲(chǔ)器方式。

?公共存儲(chǔ)器直接插在系統(tǒng)總線上，供任意兩個(gè)

主模塊交換信息，有總線使用權(quán)的主模塊都能

訪問，使用公共存儲(chǔ)器的通信雙方都要占用系

統(tǒng)總線。

?支持這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總線有：

?STDBUS（支持8位和16位字長）；

?MultiBUS（工型可支持16作字長，工工型可支持32位

字長）；

?S-100BUS（可支持16位字長），VERSABUS（可/

支持32字長）以及VMEBUS（可支持32位字長）等。\

?制造廠為這類總線提供各種型號(hào)規(guī)格的OEM（OriginalJ

EquipmentManufacture）產(chǎn)品，包括主模塊和從模塊，\

由用戶選用。J

?:?①分布式總線結(jié)構(gòu)如圖2.6所示，各微處理器之間均通

過一條外部的通信鏈路連接在一起，它們相互之間的聯(lián)

系及對(duì)共享資源的使用都要通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

（串行總線、局部網(wǎng)絡(luò)）

?②主從式總線結(jié)構(gòu)如圖2.7所示,有一個(gè)微處理

器稱為主微處理器，其它則稱為從微處理器，各

微處理器也都是完整獨(dú)立的系統(tǒng)。

?只有主微處理器能控制總線，并訪問總線上的資

源，上微處理器通過該總線對(duì)從微處理器進(jìn)行控

制、監(jiān)視，并協(xié)調(diào)多個(gè)微處理器系統(tǒng)的操作；

?從微處理器只能被動(dòng)地執(zhí)行主微處理器發(fā)來的命令,

或完成一些特定的功能不可能與主微處理器一起進(jìn)

行系統(tǒng)的決策和規(guī)劃等工作，一般不能訪問系統(tǒng)總

線上的資源。

-主、從微處理器的通信可以通過廠。接口進(jìn)行應(yīng)答,

也可以采用雙端RAM技術(shù)進(jìn)行，即通信的雙方都通

過自己的總線讀/寫同一個(gè)存儲(chǔ)器。

*圖2.7主從式總線多微處理結(jié)構(gòu)

■③總線式多主CPU結(jié)構(gòu)如圖2.8所示,有一

條并行主總線連接著多個(gè)微處理器系統(tǒng)，

每個(gè)CPU可以直接訪問所有系統(tǒng)資源，包括

并行總線、總線上的系統(tǒng)存儲(chǔ)器及工/。接

口；

?同時(shí)還允許自由而獨(dú)立地使用所有資源，

諸如局部存儲(chǔ)器、局部工/。接口等。

?圖2.8總線式多主微處理器結(jié)構(gòu)

?各微處理器從邏輯上分不出生從關(guān)系，為解決多

個(gè)主CPU爭用并行總線的問題，在這樣的系統(tǒng)中

有一個(gè)總線仲裁器，為各CPU分配了總線優(yōu)先級(jí)

另I」，每一時(shí)刻，只有總線優(yōu)先級(jí)較高的CPU可以

使用并行總線。

2）共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

?采用多端口存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)各CPU之間的互聯(lián)和通信,

每個(gè)端口都配有一套數(shù)據(jù)、地址、控制線，以供端

口訪問，由專門的多端口控制邏輯電路解決訪問的

沖突。

?但這種方式由于同一時(shí)刻只能有一個(gè)微處理器對(duì)多

端口存儲(chǔ)器讀/寫，所以功能復(fù)雜。

?當(dāng)要求微處理器數(shù)量增多時(shí)，會(huì)因爭用共享存儲(chǔ)器

而造成信息傳輸?shù)淖枞?，降低系統(tǒng)效率，因此擴(kuò)展

功能很困難。

,圖2,為采用多微處理器共享存儲(chǔ)器的CNC系統(tǒng)框

?圖2.10為一采用共享存儲(chǔ)器多CPU數(shù)控系統(tǒng),功

能模塊之間通過公用存儲(chǔ)器連接耦合在一起。

?共3個(gè)CPU,CPU1為中央處理器，其任務(wù)是進(jìn)行

程序的編制、譯碼、刀具和機(jī)床參數(shù)的輸人。

?此外，作為主處理器，它還控制CPU2和CPU3,

并與之交換信息。CPU2為CRT顯示處理機(jī)，它的

任務(wù)是根據(jù)CPUH的指令和顯示數(shù)據(jù)，在顯示緩沖

區(qū)中組成畫面數(shù)據(jù)，通過CRT控制器。

?字符發(fā)生器和移位寄存器，將顯示數(shù)據(jù)串行送到

電路進(jìn)行顯示。止匕外，它還定時(shí)掃描鍵盤和

點(diǎn)關(guān)狀態(tài)，并送CPU工進(jìn)行處理。

?CPU3為插補(bǔ)處理機(jī)，它完成的工作是插補(bǔ)運(yùn)算、VA

位置控制、機(jī)床輸人/輸出接口和串行口控制。

?CPU3根據(jù)CPU工的命令及預(yù)處理結(jié)果，進(jìn)行直線和Q

圓弧插補(bǔ)。

?它定時(shí)接收各軸的實(shí)際位置信號(hào)，并根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算(

結(jié)果，計(jì)算各軸的跟隨誤差，以得到速度指令值，\

經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換數(shù)控模擬電壓到各伺服單元。(

?CPU1對(duì)CPU2和CPU3的控制是通過中斷方式實(shí)現(xiàn)J

的。/

?圖2.10共享存儲(chǔ)器多CPU數(shù)控系統(tǒng)

xyzcw

i.i.3cnc結(jié)構(gòu)與典型

數(shù)控系統(tǒng)

?(1)大板式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)

?圖2.11為大板式結(jié)構(gòu)CNC組成的數(shù)控系統(tǒng)。

?圖中主電路板上有控制核心電路、位置控制電路、3

個(gè)軸的位置反饋量輸人接口和速度控制量輸出接口、

手搖脈沖發(fā)生器接口、工/O擴(kuò)展板接口和6個(gè)小印刷

電路板的插槽。

6MB的系統(tǒng)圖

忍度玲謔或性

卸草兒小爾元

|桃球|作臺(tái)

X輸

g值機(jī)ZU

11蝴fTIM干.1:*—④如藐-h

CNI方CNi5H

CASCAIK2ALGUCGM1M一忖珈軸把制

先卬版

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Z

,

A

X

CNCCLXCLA

MDC&CRT

?控制核心電路為微機(jī)基本系統(tǒng)，由CPU、存儲(chǔ)器、定

時(shí)和中斷控制電路組成。

?存儲(chǔ)器包括ROM和RAM,ROM(EPROM)用于固化

數(shù)控系統(tǒng)軟件，RAM用于存儲(chǔ)可變數(shù)據(jù)，數(shù)控加工程

序和系統(tǒng)參數(shù)等可變數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)域應(yīng)具有掉電保護(hù)

功能。

?6個(gè)插槽內(nèi)可分別插入用于保存加工程序的存儲(chǔ)器板、

附加軸控制板、CRT顯示控制和1/0接口、擴(kuò)展存儲(chǔ)

器板、可編過程控制及傳感器控制板等。

?(2)模塊式結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)

?在采用功能模塊式結(jié)構(gòu)的CNC裝置中，將整個(gè)

CNC裝置接功能劃分為模塊，硬件和軟件的設(shè)計(jì)

都采用模塊化設(shè)計(jì)方法。

?每一個(gè)功能模塊被做成尺寸相同的印刷電路板

(稱功能模板)，相應(yīng)功能模塊的控制軟件也模

塊化。

?這種形式的CNC系統(tǒng)系列產(chǎn)品，用戶只要按需要

選用各種控制單元母板及功能模板，將各功能模

板插人控制單元母板的槽內(nèi)，就可組成自己需要

的CNC系統(tǒng)。

?常見的功能模板有CNC控制板、位置控制板、

PLC板、圖形板和通信板等。

?例如，一種功能模塊式結(jié)構(gòu)的全功能型銃床數(shù)控系

統(tǒng)框圖如圖2.12所示,系統(tǒng)由CPU板、擴(kuò)展存儲(chǔ)器

板、顯示控制板、鍵盤和錄音機(jī)板、強(qiáng)電輸出板、

伺服接口板和三塊軸反饋板共11個(gè)模塊組。

?連接各模塊的總線可按需選用各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，

如工業(yè)PC總線、STD總線等。

圖2.12模塊化全功能銃床書控系統(tǒng)框圖

?(3)個(gè)人計(jì)算機(jī)式結(jié)構(gòu)

?這類CNC系統(tǒng)是以工業(yè)PC機(jī)作為CNC裝置的支撐

平臺(tái)，再由各數(shù)控機(jī)床制造廠根據(jù)數(shù)控的需要，

插入自己的控制卡和數(shù)控軟件構(gòu)成相應(yīng)CNC裝置。

?由于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)數(shù)量大，其生產(chǎn)成本

很低，繼而也就降低了CNC系統(tǒng)的成本。

?若工業(yè)PC機(jī)出故障，修理及更換均很容易。美國

AN工LAM公司和A工公司生產(chǎn)CNC裝置均屬這種類

型，圖2.13所示就是一種以工業(yè)PC機(jī)為技術(shù)平臺(tái)

一的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

?(4)NC嵌入PC式結(jié)構(gòu)

?NC嵌入PG結(jié)構(gòu)是由開放體系結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制卡1

構(gòu)成。

?這種運(yùn)動(dòng)控制卡通常選用高速DSP作為CPU,具有很

強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制和PLC控制能力。

?它本身就是一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)，可以單獨(dú)使用。

?開放的函數(shù)庫供用戶在Windows平臺(tái)下自行開發(fā)構(gòu)

造所需的控制系統(tǒng)，因而這種開放結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用I

于制造業(yè)自動(dòng)化控制各個(gè)領(lǐng)域。

圖2.13以工業(yè)PC機(jī)為平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)框圖

位

總置

控

線制

器

通信

5軸驅(qū)動(dòng)

(5)軟件型開放式結(jié)構(gòu)

?是一種最新開放體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，提供給用戶

最大的選擇靈活性，它的CNC軟件全部裝在計(jì)算機(jī)

中，而硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)和外部工/O

之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。

?用戶可以在WindowsNT平臺(tái)上，利用開放的CNC內(nèi)

核，開發(fā)所需的各種功能，構(gòu)成各種類型的高性能

數(shù)控系統(tǒng)，與前幾種數(shù)控系統(tǒng)相比，軟件型開放式

數(shù)控系統(tǒng)具有最高的性能價(jià)格比，因而最有生命力。

?其典型產(chǎn)品有美國MDS工公司的OpenCNC,德國

PowerAutomation公司的PA8000NT等。

2.4裝置的軟件結(jié)構(gòu)與

?2.4.1CNC系統(tǒng)的軟硬件界面X

?CNC裝置由軟件和硬件組成，硬件為軟件的運(yùn)行提供了

支持環(huán)境。

?CNC軟件是為實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項(xiàng)功能而編制的專用軟件,

又稱系統(tǒng)軟件，分為管理軟件和控制軟件兩大部分，如

圖所示。

位

刀

輸I/0顯診譯插

置

處具

控

理補(bǔ)

制

償

入器示斷碼補(bǔ)

?在系統(tǒng)軟件的控制下，CNC裝置對(duì)輸人的加工程序

自動(dòng)進(jìn)行處理并發(fā)出相應(yīng)的控制指令，使機(jī)床加工

工件。

-軟件和硬件在邏輯上是等價(jià)的，所以在CNC裝置中,

由硬件完成的工作原則上也可以由軟件來完成，但

軟、硬件各有其不同的特點(diǎn)。

?特點(diǎn)：硬件處理速度較快，但價(jià)格貴，軟件設(shè)計(jì)靈

活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度較慢。

?在CNC系統(tǒng)中，軟、硬件的分配比例通常由其性能

價(jià)格比決定。

?隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以“硬連接”

構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)，逐漸過渡到以軟件為主要標(biāo)志

的“軟連接”數(shù)控時(shí)代。

?用軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)床的邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制，具有

較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。

?圖2.15說明了目前三種典型CNC裝置的軟、硬

件界面關(guān)系。

?圖2.15三種典型軟硬件界面

?從1到3,軟件的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大:

碌懺

2?4?2計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置

的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

?CNC裝置中其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程如圖2.16所示。其中包括:

指令編輯

速

刀

度

具

DNC指譯處插位

補(bǔ)

令碼理補(bǔ)控

償

串口通信

反饋

-(I)譯碼處理。主要是對(duì)零件程序進(jìn)行處理，按照一

定的語法規(guī)則解釋成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，并

以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存單元。

?在譯碼過程中，還要完成對(duì)程序段的語法檢查，發(fā)現(xiàn)

語法錯(cuò)誤立即報(bào)警。

,(2)刀具補(bǔ)償。根據(jù)刀具參數(shù)，確定刀具長度補(bǔ)償和

刀具半徑補(bǔ)償量，根據(jù)零件輪廓軌跡計(jì)算出刀具中心

軌跡，以保證零件加工的精度。

(3)進(jìn)給速度處理。根據(jù)合成速度計(jì)算各運(yùn)動(dòng)坐

標(biāo)的分速度，同時(shí)按機(jī)床允許的最低速度、最高

速度、最大加速度和最佳升降速規(guī)律，進(jìn)行速度

規(guī)劃。

(4)插補(bǔ)運(yùn)算。數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)精度直接影響工

件的加工精度，而插補(bǔ)速度決定了工件的表面粗

糙度和加工速度，所以插補(bǔ)是一項(xiàng)精度要求較高、

實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的運(yùn)算。

?(5)位置控制

?在伺服系統(tǒng)的每個(gè)采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計(jì)算出的理

論位置與實(shí)際反饋位置進(jìn)行比較，其差值作為伺服

調(diào)節(jié)的輸入，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)。

?同時(shí)還要完成位置回路的增益調(diào)整、各坐標(biāo)的螺距

誤差補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償，以提高機(jī)床的定位精度。

4?3CHC系統(tǒng)的軟件

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

?CNC系統(tǒng)是一個(gè)專用的實(shí)時(shí)多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在

它的控制軟件中，融匯了當(dāng)今計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)中的

許多先進(jìn)技術(shù)，其中多任務(wù)并行處理、前后臺(tái)型軟

件結(jié)構(gòu)和中斷軟件結(jié)構(gòu)三個(gè)特點(diǎn)又最為突出。

(1)CNC裝置的多任務(wù)并行處理

?CNC系統(tǒng)軟件一般包括管理軟件和控制軟件兩大部分。

?管理軟件包括輸人、工/。處理、顯示、診斷等；

?控制軟件包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)、位

置補(bǔ)償?shù)取?/p>

?在許多情況下，CNC的管理的控制工作必須同時(shí)進(jìn)行,

即所謂的并行處理。

?例如，加工控制時(shí)必須同步顯示系統(tǒng)的有關(guān)狀態(tài)，位

置控制與工/O控制同步處理，并始終伴隨著故障診斷

功能；控制本身的插補(bǔ)、位置控制、預(yù)處理之間的并

?圖2.7給出了并行任務(wù)處理圖，圖中雙向箭頭表

示兩個(gè)模塊之間有并行處理關(guān)系。

（2）前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)

?CNC軟件可以設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)形式，不同的軟件結(jié)K

對(duì)各任務(wù)的安排方式、管理方式也不同。

?常見的CNC軟件結(jié)構(gòu)形式有前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)和中斷型

軟件結(jié)構(gòu)。

?前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)適合于采用集中控制的單微處理器

CNC裝置。

?在這種軟件結(jié)構(gòu)中，前臺(tái)程序?yàn)閷?shí)時(shí)中斷程序，承擔(dān)了

幾乎全部實(shí)時(shí)功能，這些功能都與機(jī)床動(dòng)作直接相關(guān)，

如位置控制、插補(bǔ)、輔助功能處理、面板掃描及輸出等。

?后臺(tái)程序主要用來完成準(zhǔn)備工作和管理工作，包括輸世

譯碼、插補(bǔ)準(zhǔn)備及管理等，通常稱為背景程序。玲

?背景程序是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行程序，在其運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)中4

斷程序不斷插入（圖2.19）oJ

?前后臺(tái)程序相互配合完成加工任務(wù)。[

?如圖2.18所示,程序啟動(dòng)后，運(yùn)行完初始化程序即進(jìn)）

人背景程序環(huán)，同時(shí)開放定時(shí)中斷，每隔一固定時(shí)間間\

隔發(fā)生一次定時(shí)中斷，執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序。就這樣，J

中斷程序和背景程序有條不紊地協(xié)同工作。\

?圖2.18前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)

?圖2.19是其簡化程序框圖

?①系統(tǒng)初始化后等待啟動(dòng)按鈕的按下。

?啟動(dòng)按鈕按下后，對(duì)第一個(gè)程序邏輯段譯碼，進(jìn)行預(yù)處

理，完成軌跡計(jì)算和速度計(jì)算，得到插補(bǔ)所需要的各種

參數(shù)，如刀心軌跡的起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)，刀具中心的位移

量，圓弧插補(bǔ)時(shí)圓心的各坐標(biāo)分量等，并將所得參數(shù)送

至插補(bǔ)緩沖存儲(chǔ)區(qū)保存。

?②若有輔助功能碼（M、S、T）,則將其送系統(tǒng)工作寄

存器保存。

?③接下來，將插補(bǔ)緩沖存儲(chǔ)區(qū)的內(nèi)容送至插補(bǔ)工作存儲(chǔ)

區(qū)，系統(tǒng)工作寄存器中的輔助功能碼送至系統(tǒng)標(biāo)志單元,

以供使用。

?④完成交換后設(shè)置標(biāo)志（數(shù)據(jù)交換結(jié)束標(biāo)志、開始插補(bǔ)標(biāo)

志）。

?標(biāo)志設(shè)置之前，盡管定時(shí)中斷照常發(fā)生，但并不執(zhí)行插補(bǔ)

及輔助信息處理等，僅執(zhí)行一些例行的掃描、監(jiān)控等功能。

⑤只有在標(biāo)志設(shè)置之后，實(shí)時(shí)中斷程序才能進(jìn)行插補(bǔ)、伺

服輸出、輔助功能處理。

?⑥同時(shí)開始對(duì)下一段程序進(jìn)行譯碼、預(yù)處理。

?系統(tǒng)必須保證在當(dāng)前程序插補(bǔ)過程中完成下段程序的譯碼

和預(yù)處理，否則將會(huì)出現(xiàn)加工中停刀現(xiàn)象。

,上述表明，背景程序通過設(shè)置標(biāo)志達(dá)到對(duì)實(shí)時(shí)中斷程序的

管理和控制。

?自設(shè)立兩個(gè)標(biāo)志到插補(bǔ)完成這段時(shí)間，CNC裝置工作最

為繁忙。

?⑥在這段時(shí)間里，中斷程序要進(jìn)行本程序段的插補(bǔ)及伺服

輸出，同時(shí)背景程序要完成下一程序段的譯碼和預(yù)處理。

亦即在一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)，實(shí)時(shí)中斷程序開銷一部分時(shí)間，

其余的時(shí)間留給背景程序。

?插補(bǔ)、伺服輸出與譯碼、預(yù)處理分時(shí)共享（占用）CPU,

以完成多任務(wù)并行處理。

?(3)中斷型軟件結(jié)構(gòu)

?中斷型軟件結(jié)構(gòu)沒有前后臺(tái)之分，除了初始化程序

外，根據(jù)各控制模塊實(shí)時(shí)的要求不同，把控制程序

安排成不同級(jí)別的中斷服務(wù)程序，整個(gè)軟件是一個(gè)

大的多重中斷系統(tǒng)，系統(tǒng)的管理功能主要通過各級(jí)

中斷服務(wù)程序之間的通信來實(shí)現(xiàn)。

?表2」為典型的中斷型軟件結(jié)構(gòu)，將控制程序分成

為8級(jí)中斷程序，其中7級(jí)中斷級(jí)別最高，0級(jí)中斷

級(jí)別最低。位置控制被安排在級(jí)別較高的中斷程序

中，其原因是刀具運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)性要求最高，CNC裝

置必須提供及時(shí)的服務(wù)。

?CRT顯示級(jí)別最低，在不發(fā)生其它中斷的情況下才

進(jìn)行顯示。

?1）中斷程序的通信方式

?為了進(jìn)行系統(tǒng)管理，系統(tǒng)中斷程序之間采取的通信方式有

以下幾種。

?①設(shè)置軟件中斷表21為數(shù)控系統(tǒng)中斷型軟件的結(jié)構(gòu)。第1、

2、4級(jí)設(shè)置成軟件中斷，第6級(jí)設(shè)置成硬件中斷，由時(shí)鐘

定時(shí)執(zhí)行，每4ms中斷一次。第6級(jí)中斷請(qǐng)求兩次后，第

4級(jí)中斷產(chǎn)生一次（第4級(jí)每8ms產(chǎn)生一次）。第6級(jí)中斷

四次，第回，2級(jí)設(shè)置中斷請(qǐng)求一次。這樣便將第I、2、4、

6級(jí)中斷聯(lián)系起來。

表2』數(shù)控系統(tǒng)中斷型軟件的結(jié)構(gòu)

中斷級(jí)別主要功能中斷源

0控制CRT顯示硬件

1譯碼、刀具中心軌跡計(jì)算、顯示軟件，16ms定時(shí)

處理

2鍵盤監(jiān)控、I/O信號(hào)處理、穿II機(jī)軟件，16ms定時(shí)

控制

3外部操作面板、電傳打字機(jī)處理硬件

4插補(bǔ)計(jì)算、終點(diǎn)判別及轉(zhuǎn)段處理軟件，8ms定時(shí)

5閱讀機(jī)中斷硬件

6位置控制4ms硬件時(shí)鐘

7測試硬件

?②中斷服務(wù)程序自身的鏈接系統(tǒng)的第1級(jí)中斷分成13

個(gè)口，每一個(gè)口對(duì)應(yīng)于口狀態(tài)字的一位，每一位對(duì)應(yīng)

處理一個(gè)任務(wù)，即第1級(jí)中斷包括13個(gè)子任務(wù)。在執(zhí)行

第1級(jí)中斷各口的處理時(shí)，可以設(shè)置口狀態(tài)字其它位的

請(qǐng)求，如圖2.20所示。如在8號(hào)口的處理程序中，可將

2號(hào)口置回，這樣8號(hào)口程序一旦執(zhí)行完，即刻轉(zhuǎn)入2號(hào)

口處理。

?圖2.20第一級(jí)中斷請(qǐng)求（）

清除1級(jí)中斷請(qǐng)求

?③設(shè)置標(biāo)志

?標(biāo)志是各程序之間相互通信的有力工具。例如，第4級(jí)中

斷主要完成插補(bǔ)功能，每8ms中斷一次。譯碼、刀具半

徑補(bǔ)償?shù)仍诘诙?jí)中斷中進(jìn)行。在第1級(jí)中斷服務(wù)程序中,

進(jìn)行完譯碼和刀具半徑補(bǔ)償后即刻設(shè)置標(biāo)志。是否開放插

補(bǔ)中斷程序取決于該標(biāo)志的設(shè)置。在未設(shè)置譯碼、刀具半

徑補(bǔ)償完成標(biāo)志時(shí)，CNC裝置跳過插補(bǔ)服務(wù)程序而繼續(xù)

往下執(zhí)行。

?2）