CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)(共6頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)從邏輯上講，這些任務可看成一個個功能模塊，模塊之間存在著偶合關(guān)系；從時間上講，各功能模塊之間存在一個時序配合問題。在設(shè)計CNC裝置的軟件時，如何組織和協(xié)調(diào)這些這些功能模塊，使之滿足一定的時序和邏輯關(guān)系，就是CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)要考慮的問題。 一、CNC裝置軟件和硬件的功能界面CNC裝置是由軟件和硬件組成的，硬件為軟件的運行提供支持環(huán)境。在信息處理方面，軟件與硬件在邏輯上是等價的，即硬件能完成的功能從理論上講也可以由軟件來完成。但，硬件和軟件在實現(xiàn)這些功能時各有不同的特點：硬件處理速度快，但靈活性差，實現(xiàn)復雜控制的功能困難。軟件設(shè)計靈活，適應性強，但處

2、理速度相對較慢。如何確定合理確定軟硬件的功能分擔是CNC裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要任務。這就是所謂軟件和硬件的功能界面劃分的概念。劃分準則是系統(tǒng)的性價比。 圖1 CNC軟件系統(tǒng)功能框圖圖1是CNC裝置功能界面的幾種劃分方法。這幾種功能界面是CNC裝置不同時期不同產(chǎn)品的劃分。其中后面兩種是現(xiàn)在的CNC系統(tǒng)常用的方案。反映出軟件所承擔的任務越來越多，硬件承擔的任務越來越少。一是因為計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機運算處理能力不斷增強，軟件的運行效率大大提高，這為用軟件實現(xiàn)數(shù)控功能提供了技術(shù)支持。二是數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，對數(shù)控功能的要求越來越高，若用軟件來實現(xiàn)這些功能，不僅結(jié)構(gòu)復雜，而且柔性差，甚至不可能實現(xiàn)。而用軟件

3、實現(xiàn)則具有較大的靈活性，且能方便實現(xiàn)較復雜的處理和運算。因而，用相對較少且標準化程度較高的硬件，配以功能豐富的軟件模塊CNC系統(tǒng)是當今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢。二、CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 CNC系統(tǒng)軟件的主要任務之一是如何將零件加工程序表達的加工信息，變換成各進給軸的位移指令、主軸轉(zhuǎn)速指令和輔助動作指令。其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程如圖2所示。 圖2 共享存儲器結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)（一） 譯碼（解釋）譯碼程序的主要功能是將文本格式（ASCII碼）表達的零件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成后續(xù)程序所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式）。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來描述一個程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。包括：X、Y、Z、等坐標值；進給速度；主軸轉(zhuǎn)

4、速；G代碼；M代碼；刀具號；子程序處理和循環(huán)調(diào)用處理等數(shù)據(jù)或標志的存放順序和格式。一個譯碼緩沖區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的例子如下：Struct PROG_BUFFER Char buf_state; /指定緩沖區(qū)的狀態(tài)，0表示緩沖區(qū)為空；1表示緩沖區(qū)準備好。 int block_num; /以BCD碼的形式存放本段的程序段號。 double COOD20; /以二進制的形式存放X、Y、Z、I、J、K、R、A、B等尺寸指令的 數(shù)值，單位為um。 int F,S; /以二進制的形式存放進給速度F（mm/min）和主軸轉(zhuǎn)速S（r/min）。 char G0; /以標志形式存放G指令。例如： D7D6D5D4D3D

5、2D1D0 G00 0：無該指令；1：有該指令。 G01G02G03G33； G90/G91 0：G90; 1: G91 char G1; /根據(jù)G指令的個數(shù)設(shè)置字符變量的個數(shù)。 char M0; /以標志的形式存放M指令。存放形式同G代碼。 char M1; /根據(jù)M指令的個數(shù)設(shè)置字符變量的個數(shù)。 char T; /以BCD碼的形式存放本段換刀的刀具號。 Char D; /以BCD碼的形式存放刀具補償?shù)牡毒甙霃街?。在程序中一般有由若干個由這種結(jié)構(gòu)組成的程序緩沖區(qū)組，當前程序段譯碼后的數(shù)據(jù)信息存入緩沖區(qū)組中空閑的一個。后續(xù)程序從該緩沖區(qū)中獲取數(shù)據(jù)信息進行工作。下面以一個程序段為例來簡要說明譯碼

6、過程： N06 G90 G01 X200 Y300 F200 ; 譯碼程序以程序段為單位進行解釋，解釋中，從零件程序存儲區(qū)中逐一讀出指令：讀出：N06 解釋：將06 轉(zhuǎn)換為BCD碼BCD存入譯碼緩沖區(qū)中的 “block_num” G90 將譯碼緩沖區(qū)中的“G0”的“D6”位置“0” G01 將譯碼緩沖區(qū)中的“G0”的“D1”位置“1” X200 將200轉(zhuǎn)換為二進制碼B存入譯碼緩沖區(qū)中的“COOR1” Y300 將300轉(zhuǎn)換為二進制碼B存入譯碼緩沖區(qū)中的“COOR2” F200 將200轉(zhuǎn)換為二進制碼B存入譯碼緩沖區(qū)中的“F” ； 程序段讀完，譯碼結(jié)束。進入下一程序段的解釋工作，直至整個緩沖區(qū)

7、組被填滿，然后，譯碼程序進入休眠狀態(tài)。當緩沖區(qū)組中有若干個緩沖區(qū)置空，系統(tǒng)將再次激活譯碼程序，按此方式重復進行，直到整個加工程序解釋完畢（讀到M02或M30）為止。（二） 刀補處理（計算刀具中心軌跡）將零件輪廓變換為刀具中心軌跡，并進行相應的坐標變換，主要工作是：（1）根據(jù)絕對坐標（G90）或相對坐標（G91）計算零件輪廓的終點坐標值；（2）根據(jù)刀具半徑、刀具半徑補償?shù)姆较颍℅41/G42）和零件輪廓的終點坐標值，計算刀具中心軌跡的終點坐標值。（3）根據(jù)本段和前段的關(guān)系，進行段間連續(xù)處理。經(jīng)刀補處理程序轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存放在刀補緩沖區(qū)中，以供后續(xù)程序之用。刀補緩沖區(qū)與譯碼緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)相似。（三） 速

8、度預處理主要功能是根據(jù)加工程序給定的進給速度，計算在每個插補周期內(nèi)的合成移動量。供插補程序使用。主要完成一下幾步計算：（1）計算本段總位移量直線：計算合成位移量L圓?。河嬎憧偨俏灰屏抗┎逖a程序判斷減速起點或終點判斷之用。（2）計算每個插補周期內(nèi)的合成進給量 L=Ft/60 （m）式中，F(xiàn)進給速度值（mm/min）； t數(shù)控系統(tǒng)的插補周期（ms）。經(jīng)速度處理程序轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存放在插補緩沖區(qū)中，以供插補程序之用。（四） 插補計算以系統(tǒng)規(guī)定的插補周期t定時運行，主要功能是：（1）根據(jù)操作面板上“進給修調(diào)”開關(guān)的設(shè)定值。計算本次插補周期的實際合成位移量： L1=L*修調(diào)值（2）將L1按插補的線形和本插補

9、點所在的位置分解到各個進給軸，作為各進給軸的位置控制指令（xi，yi）。經(jīng)插補計算后的數(shù)據(jù)存放在運行緩沖區(qū)中，以供位置控制程序之用。（五） 位置控制 位置控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程如圖3所示。主要進行各進給軸跟隨誤差（x3，y3）的計算，并進行調(diào)節(jié)處理，輸出速度控制指令（vx，vy）。 圖3 CNC裝置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程示意圖 位置控制完成一下幾步計算：（1）計算新的位置指令坐標值： x1新=x1舊+x1 y1新=y1舊+y1（2）計算新的位置實際坐標值： x2新=x2舊+x2 y2新=y2舊+y2（3）計算跟隨誤差： x3=x1新-x2新 y3=y1新-y2新（4）計算速度指令值： vx=f（x3）；vy=

10、f（y3）這里，f（.）是位置調(diào)節(jié)環(huán)的控制算法。三、CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點 （一） 多任務性與并行處理技術(shù) 任務可并行執(zhí)行的程序在一個數(shù)據(jù)集合上的運行過程。CNC的功能可定義CNC的任務。1 CNC裝置的多任務性CNC的任務：管理任務：程序管理、顯示、診斷、人機交互、 控制任務：譯碼、刀具補償、速度預處理、插補運算、位置控制、上述任務不是順序執(zhí)行的，而需要多個任務并行處理，如：（1）當機床正在加工時（執(zhí)行控制任務），CRT要實時顯示加工狀態(tài)（管理任務）。控制與管理并行。（2）當加工程序送入系統(tǒng)（輸入）時，CRT實時顯示輸入內(nèi)容（顯示）。管理任務之間的并行。（3）為了保證加工的連續(xù)性，譯碼、刀

11、具補償、速度處理、插補運算、位置控制必須同時不間斷的執(zhí)行。控制任務之間的并行。2 基于并行處理的多任務調(diào)度技術(shù) 并行處理是指軟件系統(tǒng)在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)完成兩個或兩個以上任務處理的方法。采用并行處理技術(shù)的目的是為了提高CNC裝置資源的利用率和系統(tǒng)處理速度。并行處理的實現(xiàn)方式與CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，常采用以下方法： （1）資源分時共享：對單CPU裝置。采用“分時”來實現(xiàn)多任務的并行處理。其方法是：在一定的時間長度（常稱時間片）內(nèi)，根據(jù)各任務的實時性要求程度，規(guī)定它們CPU的時間，是它們按規(guī)定的順序和規(guī)則分時共享系統(tǒng)的資源。 解決各任務CPU（資源）時間的分配原則。主要有兩個問題：其一

12、，各任務何時占用CPU，即任務的優(yōu)先級分配問題。其二，各任務占用CPU的時間長度，即時間片的分配問題。圖4 各任務占用CPU時間示意圖單CPU的CNC裝置中，通常采用循環(huán)調(diào)度和優(yōu)先搶占調(diào)度相結(jié)合的方法來解決上述問題的。圖4是一個典型的多任務分時共享CPU的時間分配圖。循環(huán)調(diào)度：若干個任務（顯示、譯碼、刀補、I/O、）在一個時間片內(nèi)順序輪流執(zhí)行；優(yōu)先搶占調(diào)度：將任務按實時性要求的程度，分為不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級別高的任務優(yōu)先執(zhí)行（優(yōu)先），優(yōu)先級別高的任務可隨時中斷優(yōu)先級別底的任務的運行（搶占）。假定某CNC裝置軟件將其功能僅分為三個任務：位置控制、插補運算和背景程序（包含若干任務循環(huán)調(diào)度運行）。位

13、置控制優(yōu)先級別最高，規(guī)定4ms執(zhí)行一次，由定時中斷激活；插補運算次之，規(guī)定8ms執(zhí)行一次，由定時中斷激活；插補背景程序最低，當位置控制和插補運算都不執(zhí)行時執(zhí)行。運行過程是：在初始化后，自動進入背景程序，輪流反復執(zhí)行各子任務。當位置控制和插補運算需要執(zhí)行時，隨時中斷循環(huán)調(diào)度中運行的程序（背景程序），位置控制可隨時中斷插補運算。各任務運行占用CPU時間如圖4所示?？梢钥闯觯涸谌魏螘r刻只有一個任務占用CPU；從一個時間片（8或16ms）來看，CPU并行執(zhí)行了三個任務。即資源分時共享的并行處理是宏觀意義上的，微觀上還是各個任務順序執(zhí)行的。（3）并發(fā)處理和流水處理：在多CPU結(jié)構(gòu)的CNC裝置中，根據(jù)各任

14、務間的關(guān)聯(lián)程度，可采用兩種策略實現(xiàn)多任務并行處理。其一，如果任務之間的關(guān)聯(lián)程度不高。則將各任務分別安排一個CPU，使其同時執(zhí)行，這就是所謂的“并發(fā)處理”；其二，如果各任務之間的關(guān)聯(lián)程度較高，即一個任務的輸出是另一任務的輸入，則采用流水處理的方法。它是利用重復的資源，將一個大任務分成若干個彼此關(guān)聯(lián)的子任務（如將插補準備分為：譯碼、刀補處理、速度預處理三個子任務），然后按一定順序安排每個資源執(zhí)行一個任務。如：CPU1執(zhí)行譯碼、CPU2執(zhí)行刀補處理、CPU3執(zhí)行速度預處理，t1：CPU1執(zhí)行第一個程序段的譯碼；t2：CPU2執(zhí)行第一個程序段的刀補處理，同時CPU1執(zhí)行第二個程序段的譯碼；t3：CPU

15、3執(zhí)行第一個程序段的速度預處理并輸出第一個程序段插補預處理后的數(shù)據(jù)，同時，CPU2執(zhí)行第二個程序段的刀補處理，CPU1執(zhí)行第三個程序段的譯碼，t4：CPU3執(zhí)行第二個程序段的速度預處理并輸出第二個程序段插補預處理后的數(shù)據(jù)，同時，CPU2執(zhí)行第三個程序段的刀補處理，CPU1執(zhí)行第四個程序段的譯碼；。這個處理過程與生產(chǎn)線上分不同工序加工零件的流水作業(yè)一樣。可以大大縮短兩個程序段之間輸出的間隔時間?？梢钥闯觯谌魏螘r刻均有兩個或兩個以上的任務在并發(fā)執(zhí)行。流水處理的關(guān)鍵是時間重疊，以資源重復為代價換取時間上的重疊，以空間復雜性換取時間上的快速性。(二)實時性和優(yōu)先搶占調(diào)度機制實時性：指某任務的執(zhí)行有嚴

16、格的時間要求，即必須在系統(tǒng)的規(guī)定時間內(nèi)完成，否則將導致執(zhí)行結(jié)果錯誤和系統(tǒng)故障。1 實時性任務的分類從各任務對實時性要求的角度看，基本上可分為：強實時性任務：（1）實時突發(fā)性任務：特點是任務的發(fā)生具有隨機性和突發(fā)性，是一種異步中斷事件，往往有很強的實時性要求。如：故障中斷（急停、機械限位、硬件故障）、機床PLC中斷。（2）實時周期性任務：任務是按一定的事件間隔發(fā)生的。如：插補運算、位置處理。為保證加工精度和加工過程的連續(xù)性，這類任務的實時性是關(guān)鍵。這類任務，除系統(tǒng)故障外，不允許被其他任務中斷。弱實時性任務：任務的實時性相對較弱，只需要在某一段時間內(nèi)得以運行即可。在系統(tǒng)設(shè)計時，安排在背景程序中或根

17、據(jù)重要性設(shè)置為級別較低的優(yōu)先級由調(diào)度程序進行合理的調(diào)度。如：顯示、加工程序編輯、插補預處理等。2 優(yōu)先搶占調(diào)度機制為了滿足CNC裝置實時任務的要求，系統(tǒng)的調(diào)度機制必須具有能根據(jù)外界的實時信息以足夠快的速度進行任務調(diào)度的能力。優(yōu)先搶占調(diào)度機制使是系統(tǒng)具有這一能力的調(diào)度技術(shù)。它是基于實時中斷技術(shù)的任務調(diào)度機制。中斷技術(shù)是計算機響應外部事件的一種處理技術(shù)，特點是能按任務的重要程度和輕重緩急對其進行響應，而CPU也不必為其開銷過多的時間。優(yōu)先搶占調(diào)度機制有兩個功能：優(yōu)先調(diào)度：在CPU空閑時，若同時有多個任務請求執(zhí)行，優(yōu)先級別高的任務將優(yōu)先執(zhí)行。搶占方式：在CPU正在執(zhí)行某任務時，若另一優(yōu)先級更高的任務

18、請求執(zhí)行，CPU將立即終止正在執(zhí)行的任務，轉(zhuǎn)而響應優(yōu)先級別更高的任務的請求。優(yōu)先搶占調(diào)度機制是由硬件和軟件共同實現(xiàn)的，硬件主要產(chǎn)生中斷請求信號，由提供中斷功能的芯片和電路組成（中斷管理芯片：8259；定時計數(shù)器：8263、8254）。軟件主要完成：硬件芯片的初始化、任務優(yōu)先級定義方式、任務切換處理（斷點的保護與恢復、中斷向量的保持與恢復）等。四、CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)模式 結(jié)構(gòu)模式：軟件的組織管理方式，即任務的劃分方式、任務調(diào)度機制、任務間的信息交換機制、系統(tǒng)集成方法。解決的問題是：如何協(xié)調(diào)各任務的執(zhí)行，使?jié)M足一定的時序配合要求和邏輯關(guān)系，以滿足CNC裝置的各種控制要求。結(jié)構(gòu)模式有：（一） 前后臺型結(jié)構(gòu)模式 任務劃分方式： 前臺程序：強實時性任務，包括：插補運算、位置控制、故障診斷等任務； 后臺程序：弱實時性任務，包括