CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

1、第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 13.2CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 3.2.1 CNC3.2.1 CNC系統(tǒng)軟件概述系統(tǒng)軟件概述CNC系統(tǒng)是一個典型而又復(fù)雜的實時控制系統(tǒng)， 能對信息作出快速處理和響應(yīng)。一個實時控制系統(tǒng)包括受控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分。受控系統(tǒng)由硬件設(shè)備組成，如電機及其驅(qū)動； 控制系統(tǒng)（在此為CNC裝置）由軟件及其支持硬件組成， 共同完成數(shù)控的基本功能。 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 2CNC裝置的許多控制任務(wù)，如零件程序的輸入與譯碼、刀具半徑的補償、插補運算、位置控制以及精度補償?shù)?。從邏輯上講，這些任務(wù)可看成是一個個的功能模塊， 模塊之間存在耦合關(guān)系；從時間上來講，各功能模塊之間存在一個

2、時序配合。在許多情況下，某些功能模塊必須同時運行， 同時運行的模塊是由具體的加工控制要求所決定。例如，在加工零件的同時，要求CNC裝置能顯示其工作狀態(tài)，如零件程序的執(zhí)行過程、參數(shù)變化和刀具運動軌跡等，以方便操作者。 這時，在控制軟件運行時管理軟件中的顯示模塊也必須同時運行；在控制軟件運行過程中，其本身的一些功能也必須同時運行。為使刀具運行連續(xù)進行， 在各程序段之間無停頓， 則要求譯碼、刀具補償和速度處理必須與插補同時進行。CNC裝置各功能模塊之間的并行處理關(guān)系如圖3-12所示，具有并行處理的兩模塊之間用雙向箭頭表示。 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 3圖 3-12 并行處理關(guān)系 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 4

3、3.2.2 CNC3.2.2 CNC系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)特點系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)特點1 1 CNCCNC裝置軟件、裝置軟件、 硬件的界面硬件的界面CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)取決于軟件和硬件的分工，也取決于軟件本身的工作性質(zhì)。硬件為軟件運行提供了支持環(huán)境。軟件和硬件在邏輯上是等價的，由硬件能完成的工作原則上也可以由軟件完成。硬件處理速度快， 但造價高， 軟件設(shè)計靈活， 適應(yīng)性強，但處理速度慢。所以，在CNC裝置中，軟、硬件的分工是由性價比決定的。 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 5在現(xiàn)代CNC裝置中，軟件和硬件的界面關(guān)系是固定的。 早期的NC裝置中，數(shù)控系統(tǒng)的全部功能都由硬件來實現(xiàn)，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機參與了數(shù)控系

4、統(tǒng)的工作，構(gòu)成了計算機數(shù)控（CNC）系統(tǒng)，數(shù)控工作便由軟件來完成。隨著產(chǎn)品、功能要求的不同，軟件和硬件界面是不一樣的，三種典型CNC裝置的軟、 硬件界面關(guān)系如圖3-13所示。 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 6圖 3-13 三種典型的軟、 硬件界面關(guān)系 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 72 2 系統(tǒng)軟件的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)類型系統(tǒng)軟件的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)類型CNC系統(tǒng)是一個專用的實時多任務(wù)系統(tǒng)，CNC裝置通常作為一個獨立的過程控制單元用于工業(yè)自動化生產(chǎn)中。 因此，它的系統(tǒng)軟件包括管理和控制兩大部分，如圖3-14所示。管理部分包括輸入、IO處理、通信、顯示、診斷以及加工程序的編制管理等程序； 控制部分包括譯碼、刀具補償、速度處理、

5、 插補和位置控制等軟件。數(shù)控的基本功能由這些功能子程序?qū)崿F(xiàn)。 這是任何一個計算機數(shù)控系統(tǒng)所必須具備的，功能增加， 自程序就增加。 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 8圖 3-14 CNC裝置軟件任務(wù)分解 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 9不同的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中對這些子程序的安排方式不同， 管理方式亦不同。在單微處理器數(shù)控系統(tǒng)中，常采用前后臺型的軟件結(jié)構(gòu)和中斷型的軟件結(jié)構(gòu)。在多微處理器數(shù)控系統(tǒng)中將微處理器作為一個功能單元利用上面的思想構(gòu)成相應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)類型，各個CPU分別承擔(dān)一定的任務(wù)，它們之間的通信依靠共享總線和共享存儲器進行協(xié)調(diào)。在子系統(tǒng)較多時，也可采用相互通信的方法。無論何種類型的結(jié)構(gòu)，CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)都具有

6、多任務(wù)并行處理和多重實時中斷的特點。 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 103 3 多任務(wù)并行處理多任務(wù)并行處理1） CNC裝置的多任務(wù)性數(shù)控加工時，CNC裝置要完成許多任務(wù)，圖3-14反映了它的多任務(wù)性。在多數(shù)情況下，管理和控制的某些工作必須同時進行。例如，為使操作人員能及時來了解CNC裝置的工作狀態(tài)，顯示模塊必須與控制軟件同時運行；當在插補加工運行時，管理軟件中的零件程序輸入模塊必須與控制軟件同時運行。而當控制軟件運行時，其本身的一些處理模塊也必須同時運行，例如，為了保證加工過程的連續(xù)性，即刀具在各程序之間不停刀，譯碼、刀具補償和速度處理模塊必須與插補模塊同時運行，而插補程序又必須與位置控制程序同時進

7、行。 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 112） 并行處理并行處理是指計算機在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不同的工作。 并行處理的優(yōu)點能提高運行速度。在單CPU的CNC裝置中，主要采用CPU分時共享的原則來解決多任務(wù)的同時運行。各任務(wù)何時占用CPU及各任務(wù)占用CPU時間的長短，是首先要解決的兩個時間分配問題。 在CNC裝置中，各任務(wù)占用CPU使用循環(huán)輪流和中斷優(yōu)先相結(jié)合的辦法來解決。圖3-15是一個典型的CNC裝置各任務(wù)分享CPU的時間分配圖第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 12圖3-15 CNC裝置分時共享CPU的時間分配 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 13在完成初始化任務(wù)后，系統(tǒng)自動進入時間分配循

8、環(huán)中， 在循環(huán)中依次輪流處理各任務(wù)。而對系統(tǒng)中一些實時性很強的任務(wù)則按優(yōu)先級排隊，分別處于不同中斷優(yōu)先級上作為環(huán)外任務(wù)，環(huán)外任務(wù)可以隨時中斷環(huán)內(nèi)任務(wù)的執(zhí)行。每個任務(wù)允許占用CPU的時間受到一定的限制，對于某些占有CPU時間較多的任務(wù)，如插補準備（包括譯碼、刀具半徑補償和速度處理等）可以在其中的某些地方設(shè)置斷點，當程序運行到斷點處時，自動讓出CPU， 等到下一個運行時間里自動跳到斷點處繼續(xù)執(zhí)行。 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 144 4 實時中斷處理實時中斷處理CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的另一個特點是實時中斷處理。CNC系統(tǒng)程序以零件加工為對象，每個程序有許多子程序，它們按預(yù)定的順序反復(fù)執(zhí)行，各步驟間關(guān)系十分密

9、切， 有許多子程序?qū)崟r性很強，這就決定了中斷成為整個系統(tǒng)不可少的重要組成部分。CNC系統(tǒng)的中斷管理主要靠硬件完成， 而系統(tǒng)的終端結(jié)構(gòu)決定了軟件結(jié)構(gòu)。 1） CNC系統(tǒng)的中斷類型CNC系統(tǒng)有外部中斷、 內(nèi)部定時中斷、 硬件故障中斷和程序性中斷等幾種類型。 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 15(1) 外部中斷主要有光電閱讀機中斷、外部監(jiān)控中斷（如緊急停、量儀到位等）和鍵盤、操作面板輸入中斷。前兩種中斷的實時性要求很高，將它們放在較高的優(yōu)先級上。 (2) 內(nèi)部定時中斷主要有插補周期定時中斷和位置采樣定時中斷。在有些系統(tǒng)中這兩種定時中斷合二為一。但在處理時，總是先處理位置控制， 然后處理插補運算。 (3) 硬件

10、故障中斷是各種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷。 如存儲器出錯、定時器出錯、插補運算超時等。 (4) 程序性中斷是程序出現(xiàn)的異常情況的報警中斷。 如各種溢出、除零等。 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 162） CNC系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)模式在前后臺軟件結(jié)構(gòu)中，前臺程序是一個中斷服務(wù)程序，完成全部的實時功能。 后臺（背景）程序是一個循環(huán)運行程序， 管理軟件和插補準備在這里完成， 后臺程序運行中，實時中斷程序不斷插入，與后臺程序相配合， 共同完成零件加工任務(wù)。 在中斷型軟件結(jié)構(gòu)中，其軟件結(jié)構(gòu)的特點除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的各種任務(wù)模塊分別安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，整個軟件就是一個大的中斷系統(tǒng)。其管理的功能

11、主要通過各級中斷服務(wù)程序之間的相互通信來解決。 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 173.2.3 CNC系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)模式系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)模式 1 1 前后臺型結(jié)構(gòu)前后臺型結(jié)構(gòu)在前后臺型結(jié)構(gòu)的CNC裝置中，整個系統(tǒng)分為兩大部分， 即前臺程序和后臺程序。前臺程序是一個實時中斷服務(wù)程序， 幾乎承擔(dān)了全部的實時功能（如插補、位置控制、機床相關(guān)邏輯和監(jiān)控等），實現(xiàn)與機床動作直接相關(guān)的功能。后臺程序是一個循環(huán)執(zhí)行程序，一些實時性要求不高的功能，如輸入譯碼、數(shù)據(jù)處理等插補準備工作和管理程序等均由后臺程序承擔(dān)， 后臺程序又稱背景程序。 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 18在后臺程序循環(huán)運行的過程中，前臺的實時中斷程序不停地定時插入

12、，二者密切配合，共同完成零件的加工任務(wù)。如圖3-15所示，程序一經(jīng)啟動，經(jīng)過一段初始化程序后便進入背景（后臺）程序循環(huán)。 同時開放定時中斷，每隔一定時間間隔發(fā)生一次中斷，執(zhí)行完畢后返回背景程序，如此循環(huán)往復(fù)， 共同完成數(shù)控的全部功能。 前后臺型軟件結(jié)構(gòu)中的信息流動過程如圖3-16所示。零件程序段進入系統(tǒng)后，經(jīng)過圖中的流動處理，輸出運動軌跡信息和輔助信息。 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 19圖 3-16 前后臺型軟件結(jié)構(gòu)中的信息流 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 201） 背景程序背景程序的主要功能是進行插補前的準備和任務(wù)的管理調(diào)度。它一般由三個主要服務(wù)組成，為鍵盤、單段、自動和手動四種工作方式服務(wù)，如圖3-17

13、所示。各服務(wù)方式的功能見表3-1。 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 21圖 3-17 背景程序結(jié)構(gòu) 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 22表表3-1 背景程序四種工作方式的功能背景程序四種工作方式的功能 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 23加工工作方式在背景程序中處于主導(dǎo)地位。在操作前的準備工作（如由鍵盤方式調(diào)零件程序、由手動方式使刀架回到機床原點）完成后，一般便進入加工方式。在加工工作方式下， 背景程序要完成程序段的讀入、譯碼和數(shù)據(jù)處理（如刀具補償）等插補前的準備工作，如此逐個程序段地進行處理，直到整個零件程序執(zhí)行完畢為止。 自動循環(huán)工作方式如圖 3-18 所示， 在正常情況下，背景程序在1234中循環(huán)。 第3章計算機數(shù)控

14、系統(tǒng) 24圖3-18 自動循環(huán)工作方式 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 25圖3-19 實時中斷服務(wù)程序流程 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 262） 實時中斷服務(wù)程序?qū)崟r中斷服務(wù)程序是系統(tǒng)的核心。實時控制的任務(wù)包括位置伺服、面板掃描、PLC控制、實時診斷和插補。在實時中斷服務(wù)程序中，各種程序優(yōu)先級排隊，按時間先后順序執(zhí)行。每次中斷有嚴格的最大運行時間限制， 實時中斷服務(wù)程序流程如圖3-19所示。 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 272 2 中斷型結(jié)構(gòu)中斷型結(jié)構(gòu)中斷型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)軟件除初始化程序之外，將CNC的各種功能模塊分別安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，然后由中斷管理系統(tǒng)（由軟件和硬件組成）對各級中斷服務(wù)程序?qū)嵤┱{(diào)度管理

15、。也就是說，所有功能子程序均安排成級別不同的中斷程序，整個軟件就是一個大的中斷系統(tǒng)，其管理功能通過各級中斷程序之間的相互通信來解決。 各中斷服務(wù)程序的優(yōu)先級別與其作用和執(zhí)行時間密切相關(guān)。 級別高的中斷程序可以打斷級別低的中斷程序。 優(yōu)先級及其功能見表3-2。 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 28表表3-2 中斷服務(wù)程序的優(yōu)先級及其功能中斷服務(wù)程序的優(yōu)先級及其功能 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 29中斷服務(wù)程序的中斷有兩種來源：外部設(shè)備產(chǎn)生的中斷請求信號， 稱為硬件中斷（如第0、1、4、6、7、8、9、10級）； 另一種是由程序產(chǎn)生的中斷信號，稱為軟件中斷，這是由2 ms 的實時時鐘在軟件中分頻得出的（如第2、3

16、、5級）。硬件中斷請求又稱為外中斷，要求受中斷控制器（如Intel8259A）的統(tǒng)一管理，由中斷控制器進行優(yōu)先排隊和鑲嵌處理；而軟件中斷是由中斷指令產(chǎn)生的中斷，每出現(xiàn)4次2 ms時鐘中斷時，產(chǎn)生第5級8 ms軟件中斷，每出現(xiàn)8次2 ms時鐘中斷時，分別產(chǎn)生第3級和第2級16 ms軟件中斷， 各軟件中斷的優(yōu)先順序由程序決定。因為軟件中斷有既不使用中斷控制器也不能被屏蔽的特點，因此為了將軟件中斷的優(yōu)先嵌入硬件中斷的優(yōu)先級中， 在軟件中斷服務(wù)程序的開始處，要通過改變屏蔽優(yōu)先級比其低的中斷， 軟件中斷返回前， 再恢復(fù)初始屏蔽狀態(tài)。 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 303 3功能模塊軟件結(jié)構(gòu)功能模塊軟件結(jié)構(gòu)當前，為實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中的實時性和并行性的任務(wù)，越來越多地采用多微處理器結(jié)構(gòu)，從而使數(shù)控裝置的功能進一步增強，結(jié)構(gòu)更加緊湊，更適合于多軸控制、高速進給速度、高精度和高效率的數(shù)控系統(tǒng)的要求。 多微處理器CNC裝置多采用模塊化結(jié)構(gòu)