《數(shù)控技術(shù)與編程》第3章-CNC裝置課件

1、第三章 CNC裝置3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)3.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)3.3 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)3.4 思考與練習(xí)第三章 CNC裝置3.1 CNC裝置的組成及第三章 本章教學(xué)要點(diǎn)第三章 本章教學(xué)要點(diǎn)第三章 CNC裝置 CNC裝置的發(fā)展趨勢(shì) 由于大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的高度發(fā)展，PC硬件結(jié)構(gòu)做得更小，CPU的運(yùn)行速度越來越高，存儲(chǔ)容量很大。PC機(jī)大批量生產(chǎn)，成本大大降低，可靠性不斷提高。PC機(jī)的開放性等使PC機(jī)的軟件極為豐富。 三維圖形顯示工藝數(shù)據(jù)已經(jīng)在PC機(jī)上建立。因此，PC機(jī)已成為開發(fā)CNC系統(tǒng)的重要資源與途徑。交流伺服系統(tǒng)恒功率范圍已做到1:4，速度范圍可達(dá)到1:1000，基本

2、與直流伺服相當(dāng)。交流伺服體積小，價(jià)格低，可靠性高，應(yīng)用越來越廣泛。高功能的數(shù)控系統(tǒng)向綜合自動(dòng)化方向發(fā)展，為適應(yīng)FMS、CIMS、無人工廠的要求，發(fā)展與機(jī)器人、自動(dòng)化小車、自動(dòng)診斷跟蹤監(jiān)視系統(tǒng)等的相互聯(lián)合，發(fā)展控制與管理集成系統(tǒng)，已成為國(guó)際上數(shù)控系統(tǒng)的方向。方便使用改善人機(jī)接口，簡(jiǎn)化編程、操作面板使用符號(hào)鍵，盡量采用對(duì)話方式等，以方便用戶使用，柔性化和系統(tǒng)化。目前數(shù)控系統(tǒng)均采用模塊結(jié)構(gòu)，第三章 CNC裝置 CNC裝置的發(fā)展趨勢(shì) 第三章 CNC裝置其功能覆蓋面大，從三軸兩聯(lián)動(dòng)的機(jī)床到多達(dá)24軸以上的柔性加工單元。提高加工精度，高分辨率旋轉(zhuǎn)編碼器必不可少。為在超精密加工領(lǐng)域能實(shí)現(xiàn)0.O01um的精度

3、，必須開發(fā)超高分辨率的編碼器，O.0001um最小設(shè)定單位的CNC裝置。為在加工中即使負(fù)荷變動(dòng)伺服系統(tǒng)的特性也保持不變，還需采用自動(dòng)控制和魯棒控制。在伺服系統(tǒng)的控制中，用高速微處理器，采用基于現(xiàn)代控制論前饋控制、二自由度控制、學(xué)習(xí)控制等，實(shí)現(xiàn)機(jī)械智能化功能，機(jī)械自身可補(bǔ)償溫度、機(jī)械負(fù)荷等引起的機(jī)械變形。建立基于AI專家系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)診斷數(shù)據(jù)庫(kù)，把CNC裝置通過Internet與中央計(jì)算機(jī)相連接，使其具有遠(yuǎn)程診斷功能。第三章 CNC裝置其功能覆蓋面大，從三軸兩聯(lián)動(dòng)的機(jī)3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)3.1.1 CNC裝置的組成 數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，其主要功能是正確的識(shí)別和解釋數(shù)控加工程序

4、，對(duì)解釋結(jié)果進(jìn)行各種數(shù)據(jù)計(jì)算和邏輯判斷處理，完成各種輸入、輸出任務(wù)。其形式可以有數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的專用硬件數(shù)控裝置或計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置；另一類是離散的開關(guān)量，送往機(jī)床電氣邏輯控制裝置，控制機(jī)床各組成部分實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功能。 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是在硬件數(shù)控（NC）裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它用一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成數(shù)控裝置所有的功能。從組成部分的性質(zhì)上分，CNC裝置由硬件和軟件組成，如圖3-1所示。圖3-1 CNC裝置的組成框圖3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)3.1.1 CNC裝3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)1. CNC系統(tǒng)硬件的基本組成 圖3-2所示為典型CNC系統(tǒng)的硬件基本組成，它包括CNC裝置和和驅(qū)動(dòng)控

5、制兩部分。其中CNC裝置既具有一般微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，又具有數(shù)控機(jī)床完成特有功能所需的功能模塊和接口單元。從圖中可以看出，CNC裝置主要有計(jì)算機(jī)主板、系統(tǒng)總線、存儲(chǔ)器、PLC、模塊、位置控制板、鍵盤/顯示器接口及其它接口電路組成，是構(gòu)成CNC系統(tǒng)的基礎(chǔ)。圖3-2 CNC裝置的硬件組成3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)1. CNC系統(tǒng)硬件3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)2. CNC裝置軟件的基本組成 CNC裝置的軟件是為了充分發(fā)揮硬件功能而運(yùn)行的各種支撐軟件，通常由系統(tǒng)軟件、控制軟件和管理軟件等組成。從本質(zhì)特征來看，CNC裝置的系統(tǒng)軟件是具有實(shí)時(shí)性和多任務(wù)性的專用操作系統(tǒng)；從功能特征來看，C

6、NC裝置的系統(tǒng)軟件由管理軟件和控制軟件兩部分組成，如圖3-3所示。管理軟件主要用于為某個(gè)系統(tǒng)建立一個(gè)軟件環(huán)境，協(xié)調(diào)各軟件模塊之間關(guān)系，并處理一些實(shí)時(shí)性不太強(qiáng)的事件，包括I/O處理程序、顯示程序和診斷程序等?？刂栖浖饕糜谕瓿上到y(tǒng)中一些實(shí)時(shí)性要求較高的關(guān)鍵控制功能，包括譯碼程序、刀具補(bǔ)償計(jì)算程序、速度控制程序、插補(bǔ)運(yùn)算程序、位置控制程序和主軸控制程序等。圖3-3 CNC裝置軟件的組成3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)2. CNC裝置軟件3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)3.1.2 CNC裝置的主要功能 CNC控制器的功能通常包括基本功能和選擇功能?；竟δ苁菙?shù)控系統(tǒng)必備的功能，選擇功能是供用戶

7、按數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)和用途可進(jìn)行選擇的功能。CNC通常有如下主要功能。 軸控制功能是指CNC可同時(shí)控制的軸數(shù)。數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)的軸有移動(dòng)軸和回轉(zhuǎn)軸，有基本軸和附加軸。一般數(shù)控車床只有2根同時(shí)控制軸。數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床和加工中心需要3根或3根以上的同時(shí)控制軸?？刂戚S數(shù)越多，尤其是同時(shí)控制軸數(shù)越多，CNC控制器就越復(fù)雜，多軸聯(lián)動(dòng)的零件程序編制也越困難。1. 準(zhǔn)備功能 準(zhǔn)備功能也稱G功能，它是用來指令機(jī)床運(yùn)動(dòng)方式的功能，包括基本移動(dòng)、平面選擇、坐標(biāo)設(shè)定、刀具補(bǔ)償、固定循環(huán)、公英制轉(zhuǎn)換等指令。用G和它后面的兩位數(shù)字表示。2. 插補(bǔ)功能 CNC是通過軟件插補(bǔ)來實(shí)現(xiàn)刀具運(yùn)動(dòng)的軌跡。實(shí)際應(yīng)用中，CNC的插補(bǔ)功能分為粗

8、插補(bǔ)和精插補(bǔ)。軟件每次插補(bǔ)一個(gè)小線段數(shù)據(jù)稱為粗插補(bǔ)，伺服接口根據(jù)粗插補(bǔ)的結(jié)果，將小線段分成單個(gè)脈沖輸出，稱為精插補(bǔ)。3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)3.1.2 CNC裝3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)3. 進(jìn)給功能 根據(jù)機(jī)械加工工藝要求，CNC的進(jìn)給功能用F直接指令數(shù)控機(jī)床各軸的進(jìn)給速度。 切削進(jìn)給速度：用每分鐘進(jìn)給的毫米數(shù)指定刀具的進(jìn)給速度。對(duì)于回轉(zhuǎn)軸，如F12，表示每分鐘進(jìn)給速度為12mm。 同步進(jìn)給速度：用主軸每轉(zhuǎn)進(jìn)給的毫米數(shù)規(guī)定的進(jìn)給速度，如0.01mm/r。只有主軸上裝有位置編碼器的數(shù)控機(jī)床才能指定同步進(jìn)給速度，目的是便于切削螺紋編程。 快速進(jìn)給速度：通過參數(shù)設(shè)定，用G00指令快

9、速進(jìn)給，并可通過操作面板上的快速倍率開關(guān)進(jìn)行調(diào)整。 進(jìn)給倍率：通過設(shè)置在操作面板上的進(jìn)給倍率開關(guān)來給定。倍率通?？稍?%200%變化，每檔間隔10%。利用倍率開關(guān)可不用修改程序中的值，就可改變機(jī)床的進(jìn)給速度，對(duì)每分鐘進(jìn)給量和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量都有效，但需注意在切削螺紋時(shí)倍率開關(guān)應(yīng)不起作用。3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)3. 進(jìn)給功能3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)4. 主軸功能 主軸功能是指定主軸轉(zhuǎn)速的功能，它用S代碼和其后面的數(shù)值表示，其單位是r/min 。在機(jī)床操作面上裝有主軸倍率開關(guān)，可以不用修改程序而改變主軸轉(zhuǎn)速。5. 輔助功能 輔助功能用來指令主軸的啟、停和轉(zhuǎn)向，切削液的開和關(guān)，刀庫(kù)的

10、啟、停。用M代碼的2位數(shù)表示。6. 刀具功能和第二輔助功能 刀具功能用來選擇所需刀具，用T的2位數(shù)或4位數(shù)表示。第二輔助功能用來指定工作臺(tái)的分度，用B代碼表示。7. 補(bǔ)償功能 補(bǔ)償功能有兩種，一種是指刀具尺寸補(bǔ)償和程序段自動(dòng)轉(zhuǎn)接，以簡(jiǎn)化編程；另一種是指絲杠的螺距誤差、反向間隙或熱變形補(bǔ)償?shù)龋@是提高機(jī)床加工精度的補(bǔ)償。這兩種補(bǔ)償都是通過將其補(bǔ)償量輸入CNC的存儲(chǔ)器，且按此補(bǔ)償量重新計(jì)算刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡和坐標(biāo)尺寸，從而加工符合要求的零件。3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)4. 主軸功能3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)8. 字符、圖形顯示功能 CNC控制器可配置單色或彩色CRT（也可配置液晶顯示器

11、LCD），通過軟件和接口實(shí)現(xiàn)字符和圖形顯示。通常可顯示程序、參數(shù)、各種補(bǔ)償量、位置坐標(biāo)、故障信息、人機(jī)對(duì)話編程菜單、零件圖形及表示實(shí)際切削過程的動(dòng)態(tài)刀具軌跡等。9. 自診斷功能 為了防止故障的發(fā)生和在故障出現(xiàn)后可迅速查明故障的類型及部位，以減少故障停機(jī)時(shí)間，CNC中設(shè)置了各種診斷程序。不同的CNC設(shè)置的診斷程序是不同的，且診斷的水平也不同。但是，他們的診斷程序一般都可以包含在系統(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，查找故障的部位。有的CNC還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程通信診斷。10. 通信功能 為了適應(yīng)柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造等需求，CNC控制器

12、通常都具有RS-232C通信接口。有的還備有DNC接口，它設(shè)有緩沖存儲(chǔ)器，可以按照數(shù)控格式輸入，也可以按照二進(jìn)制格式輸入，進(jìn)行高速傳輸。有的CNC還可與MAP（制造自動(dòng)化協(xié)議）相連，接入工廠的通信網(wǎng)絡(luò)。3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)8. 字符、圖形顯示3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)11. 人機(jī)交互圖形編程功能 為了進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的開動(dòng)率，對(duì)于數(shù)控程序的編制，特別是較為復(fù)雜零件的程序都要提高計(jì)算機(jī)輔助編程，尤其是利用圖形進(jìn)行自動(dòng)編程，以提高編程效率。 現(xiàn)代CNC控制器具有人機(jī)交互圖形編程功能。這種功能表現(xiàn)為有的CNC可以根據(jù)藍(lán)圖直接編制程序，有的CNC可根據(jù)引導(dǎo)圖和顯示說明進(jìn)行對(duì)話式

13、編程，并對(duì)數(shù)控車床具有自動(dòng)工序選擇，對(duì)數(shù)控銑或加工中心具有使用刀具、切削條件的自動(dòng)選擇等智能功能。 CNC的軸控制功能、準(zhǔn)備功能、插補(bǔ)功能、進(jìn)給功能、刀具及其補(bǔ)償功能、主軸功能、輔助功能、字符顯示功能、自診斷功能等都是數(shù)控必備的基本功能；而某些補(bǔ)償功能、固定循環(huán)功能、圖形顯示功能、通信功能，以及人機(jī)交互圖形編程功能等則是選擇功能。這些功能的有機(jī)組合，可以滿足不同用戶的要求。3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)11. 人機(jī)交互圖形3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)3.1.3 CNC裝置的特點(diǎn)CNC裝置具有以下特點(diǎn)：（1）具有較強(qiáng)的靈活性和通用性。 由于CNC裝置大多采用的是通用性較強(qiáng)的硬件，因此，

14、若要改變、擴(kuò)充其功能，均可通過對(duì)軟件的修改和擴(kuò)充來實(shí)現(xiàn)。另一方面，CNC裝置的硬件和軟件大多是采用模塊化的結(jié)構(gòu)，因此系統(tǒng)的擴(kuò)充、擴(kuò)展較方便和靈活。（2）具有豐富多樣的數(shù)控功能。 由于CNC裝置中的計(jì)算機(jī)具有較強(qiáng)的計(jì)算能力，因此，使其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)控功能成為可能。如可以帶有二次曲線插補(bǔ)、樣條插補(bǔ)、空間曲面直接插補(bǔ)等插補(bǔ)功能；可以有運(yùn)動(dòng)精度補(bǔ)償、隨機(jī)補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償?shù)妊a(bǔ)償功能；可以有加工過程的動(dòng)、靜跟蹤顯示，高級(jí)人機(jī)對(duì)話窗口顯示等功能；還可以有藍(lán)圖編程等功能。3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)3.1.3 CNC裝3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)（3）可靠性高。第一，CNC裝置采用集成度高的電子元件

15、及大規(guī)模甚至超大規(guī)模集成電路芯片，這本身就提高了CNC裝置的可靠性；第二，許多功能由軟件實(shí)現(xiàn)，使硬件的數(shù)量得以減少；第三，其豐富的故障診斷及保護(hù)功能（大多由軟件實(shí)現(xiàn)），可使系統(tǒng)的故障發(fā)生頻率大幅度降低，使發(fā)生故障后的修復(fù)時(shí)間大大減少。（4）使用維護(hù)方便。第一，操作使用方便，現(xiàn)在大多數(shù)數(shù)控機(jī)床的操作采用了菜單結(jié)構(gòu)，用戶根據(jù)菜單的提示便可進(jìn)行正確操作；第二，編程方便，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床大多具有多種編程的功能，并且都具有程序自動(dòng)校驗(yàn)和模擬仿真功能；第三，維護(hù)維修方便，數(shù)控機(jī)床的許多日常維護(hù)工作都由數(shù)控裝置承擔(dān)（如潤(rùn)滑、關(guān)鍵部件的定期檢查等），并且數(shù)控機(jī)床具有自診斷功能，可迅速使故障定位，方便維修。3.1

16、CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)（3）可靠性高。3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)（5）易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。 由于采用計(jì)算機(jī)，硬件數(shù)量相應(yīng)減少，加之電子元件的集成度越來越高，使硬件的體積不斷減小，控制柜的尺寸也相應(yīng)減少，因此，數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常緊湊，使將其與機(jī)床結(jié)合在一起成為可能，從而可減少占地面積，方便操作。3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)（5）易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)3.1.4 CNC裝置的軟硬件分工 數(shù)控裝置是由軟件和硬件組成，硬件為軟件的運(yùn)行提供支持環(huán)境。從信息處理的角度看，軟件和硬件在邏輯上是等價(jià)的，即硬件能完成的任務(wù)，理論上說也可以由軟件來完成。因此，在數(shù)控裝置

17、的設(shè)計(jì)階段就要考慮哪些功能由軟件來實(shí)現(xiàn)，哪些功能由硬件來實(shí)現(xiàn)，或怎樣確定軟件和硬件在數(shù)控裝置中所承擔(dān)的任務(wù)，就是軟硬件功能界面問題。 一般來說，硬件處理速度快，但價(jià)格高、靈活性差，軟件適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度慢。正確地劃定軟硬件界面，可以獲得較高的性能價(jià)格比。圖3-4是幾種典型的軟硬件界面的劃分。圖3-4 幾種典型的軟硬件界面的劃分3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)3.1.4 CNC裝3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)3.1.5 CNC裝置的多任務(wù)并行處理1. 多任務(wù)與并行處理技術(shù) （1）數(shù)控裝置的多任務(wù)性：“任務(wù)”就是指可并行執(zhí)行的程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上的運(yùn)行過程。數(shù)控系統(tǒng)中的每項(xiàng)功能都可定義為一

18、個(gè)任務(wù)，這些任務(wù)可以分為兩大類：管理任務(wù)和控制任務(wù)。管理任務(wù)包括人機(jī)界面管理、零件程序的輸入輸出、顯示、診斷等。這類任務(wù)的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性要求不高：控制任務(wù)包括譯碼、刀補(bǔ)、速度控制、插補(bǔ)運(yùn)算和位置控制等，這類任務(wù)有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。數(shù)控裝置的任務(wù)及分類框圖見圖3-5。 圖3-5 數(shù)控裝置的任務(wù)及分類框圖3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)3.1.5 CNC裝3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)（2）多任務(wù)并行處理的實(shí)現(xiàn)：并行處理指計(jì)算機(jī)在同一段時(shí)間內(nèi)完成兩件或兩件以上性質(zhì)相同或不同的任務(wù)時(shí)的處理方法。采用并行處理技術(shù)可以提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源利用率和處理速度。并行處理可以用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)，如多CPU系統(tǒng)就是

19、用硬件實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并行處理的方法。下面介紹兩種在數(shù)控軟件中實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并行處理的方法。資源分時(shí)共享 在單CPU的數(shù)控裝置中，一般采用分時(shí)共享的辦法來解決多任務(wù)的同時(shí)運(yùn)行。分時(shí)共享的基本思想是將CPU的運(yùn)行時(shí)間分成若干時(shí)間片，用于處理不同的任務(wù)。在宏觀上看就好像這些任務(wù)在同時(shí)執(zhí)行一樣。在使用分時(shí)共享并行處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，首先要解決各任務(wù)占用CPU時(shí)間的分配原則。太長(zhǎng)時(shí)間片會(huì)使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性受損，時(shí)間片過小則任務(wù)切換太頻繁，增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。 3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)（2）多任務(wù)并行處理3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)圖3-6 分時(shí)共享多任務(wù)處理方案圖3-7 各任務(wù)占用CPU時(shí)間示意圖 在數(shù)控

20、裝置中，各任務(wù)占用CPU的時(shí)間可以采用循環(huán)輪流和中斷優(yōu)先相結(jié)合的方法解決，圖3-6是一個(gè)典型的數(shù)控裝置各任務(wù)分時(shí)共享CPU時(shí)間的示意圖。系統(tǒng)完成初始化后自動(dòng)進(jìn)入由各任務(wù)構(gòu)成的時(shí)間分配環(huán)，在分配環(huán)中輪流執(zhí)行各任務(wù)；而對(duì)于一些實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的任務(wù)則安排在環(huán)外，分別放在不同的優(yōu)先級(jí)上，可隨時(shí)中斷環(huán)內(nèi)各任務(wù)的執(zhí)行。處于環(huán)內(nèi)的各任務(wù)統(tǒng)稱為背景程序，位控、插補(bǔ)和背景程序的CPU時(shí)間占用情況見圖3-7。3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)圖3-6 分時(shí)共享多3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)時(shí)間重疊流水處理。在數(shù)控系統(tǒng)處于自動(dòng)加工方式時(shí)，其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程由零件程序輸入、插補(bǔ)準(zhǔn)備（包括刀具補(bǔ)償和速度控制）、插補(bǔ)、位置

21、控制4個(gè)子過程組成。每個(gè)子過程可以作為一個(gè)任務(wù)，其處理時(shí)間分別為 、 、 和 ，每個(gè)程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間是 。如果以順序方式處理每個(gè)程序段，即當(dāng)前程序段處理完后又處理下一個(gè)程序段，這種順序處理的時(shí)空關(guān)系如圖3-8a所示。從圖中可以看出，每?jī)蓚€(gè)程序段的輸出時(shí)間間隔為 。這種時(shí)間間隔反映在機(jī)床的加工過程中就是刀具的進(jìn)給時(shí)斷時(shí)續(xù)，這段時(shí)間越長(zhǎng)，數(shù)控裝置的性能越差。應(yīng)當(dāng)盡量減少這段時(shí)間。時(shí)間重疊流水處理技術(shù)可以有效地減少這段時(shí)間。上面這個(gè)例子采用時(shí)間重疊流水處理后的時(shí)空關(guān)系如圖3-8b所示。時(shí)間重疊流水處理的關(guān)鍵是時(shí)間重疊，即在一段時(shí)間內(nèi)不只處理一個(gè)過程，而是同時(shí)處理4個(gè)過程，經(jīng)過時(shí)間重疊流水處理后，

22、從 時(shí)刻起，每個(gè)程序段的輸出之間的間隔減小到原來的1/4，從而保證了機(jī)床運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性。 3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)時(shí)間重疊流水處理。3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)在單CPU的數(shù)控系統(tǒng)中，時(shí)間重疊只有宏觀上的意義，即在一段時(shí)間內(nèi)，CPU處理多個(gè)子過程，但從微觀上看，各自過程還是分時(shí)占用CPU時(shí)間的。a）順序處理 b）并行處理圖3-8 時(shí)空關(guān)系圖3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)在單CPU的數(shù)控系統(tǒng)3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)2. 實(shí)時(shí)性和優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制 實(shí)時(shí)性任務(wù)是指任務(wù)的執(zhí)行有嚴(yán)格的時(shí)間要求，即必須在系統(tǒng)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成指定的任務(wù)，否則將導(dǎo)致執(zhí)行結(jié)果錯(cuò)誤或系統(tǒng)故障。（1）實(shí)

23、時(shí)性任務(wù)的分類 我們說數(shù)控裝置是一個(gè)專用的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)中各任務(wù)或多或少都有實(shí)時(shí)性要求，否則加工過程就會(huì)中斷。從各任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求的程度看，可以將其分為實(shí)時(shí)性突發(fā)任務(wù)、實(shí)時(shí)性周期性任務(wù)和弱實(shí)時(shí)性任務(wù)3類： 實(shí)時(shí)性突發(fā)任務(wù)的特點(diǎn)是任務(wù)的發(fā)生具有隨機(jī)性和突發(fā)性，是一種異步中斷事件，實(shí)時(shí)性要求最強(qiáng)，主要包括故障中斷（急停、機(jī)械限位，硬件故障等）。3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)2. 實(shí)時(shí)性和優(yōu)先搶3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn) 實(shí)施周期性任務(wù)是精確地按一定時(shí)間間隔發(fā)生的任務(wù)，主要包括加工過程中的插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制等任務(wù)，為保證加工過程連續(xù)性，這類任務(wù)處理的實(shí)時(shí)性是關(guān)鍵，在任務(wù)執(zhí)

24、行過程中，除系統(tǒng)故障外，不允許被其他任務(wù)中斷； 弱實(shí)時(shí)性任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較弱，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以被安排在背景程序中，或放在較低的優(yōu)先級(jí)上，這類任務(wù)包括CRT顯示、零件程序的編輯、加工狀態(tài)的動(dòng)態(tài)顯示、加工軌跡的靜態(tài)模擬仿真及動(dòng)態(tài)顯示等。3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn) 實(shí)施周期性任務(wù)是3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)（2）優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制 為了滿足數(shù)控裝置處理實(shí)時(shí)性任務(wù)的要求，系統(tǒng)調(diào)度機(jī)制必須具有根據(jù)外界實(shí)時(shí)信息以足夠快的速度進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的能力。優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制就是滿足上述要求的調(diào)度技術(shù)，它是一種基于實(shí)時(shí)中斷技術(shù)的任務(wù)調(diào)度機(jī)制，是數(shù)控系統(tǒng)中解決多任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)度問題的方案之一。 優(yōu)先搶占調(diào)度

25、機(jī)制的功能有兩個(gè)：一是優(yōu)先調(diào)度，在CPU空閑時(shí)，當(dāng)同時(shí)有多個(gè)任務(wù)請(qǐng)求執(zhí)行時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)將首先得到滿足。例如，若位置控制、插補(bǔ)運(yùn)算兩個(gè)任務(wù)同時(shí)請(qǐng)求執(zhí)行時(shí)，位置控制的要求將首先得到滿足；3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)（2）優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)另一個(gè)是搶占方式，在CPU正在執(zhí)行某任務(wù)時(shí)，若另一優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)請(qǐng)求執(zhí)行，CPU將停止正在執(zhí)行的任務(wù)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)。例如，當(dāng)CPU正在執(zhí)行插補(bǔ)程序時(shí)，若位置控制任務(wù)請(qǐng)求執(zhí)行，CPU首先將正在執(zhí)行的任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)起來，然后轉(zhuǎn)入位置控制任務(wù)執(zhí)行，執(zhí)行完畢后再恢復(fù)到中斷前的斷點(diǎn)處，繼續(xù)執(zhí)行插補(bǔ)任務(wù)。 優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制是

26、由硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)的，硬件主要提供支持中斷功能的芯片和電路，如中斷管理芯片（例如8259或類似芯片），定時(shí)計(jì)數(shù)器芯片（例如8263、8254）等?，F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都能提供此功能。軟件主要完成對(duì)硬件芯片的初始化、任務(wù)優(yōu)先級(jí)定義、任務(wù)切換處理等。3.1 CNC裝置的組成及功能特點(diǎn)另一個(gè)是搶占方式，在 從CNC裝置的總體安裝結(jié)構(gòu)看，CNC裝置的硬件有整體式和分體式兩種。整體式結(jié)構(gòu)是指把顯示器和手工數(shù)據(jù)輸入面板、操作面板及由功能模板組成的電路板等安裝在同一機(jī)箱內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、便于安裝，但有時(shí)可能造成某些信號(hào)連線過長(zhǎng)。分體式結(jié)構(gòu)通常是指把顯示器和手工數(shù)據(jù)輸入面板、操作面板等做成一個(gè)部件，而把由功

27、能模塊組成的電路板安裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，兩者用導(dǎo)線或光纖連接。許多CNC裝置把操作面板也單獨(dú)作為一個(gè)部件，這是由于所控制機(jī)床的要求不同，要相應(yīng)地改變操作面板，做成分體式結(jié)構(gòu)有利于更換和安裝。操作面板在機(jī)床上的安裝形式有吊掛式、床頭式、控制柜式、控制臺(tái)式等多種。 3.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu) 從CNC裝置的總體安裝結(jié)構(gòu)看，CNC裝置的硬件有整體式圖3-9 單微處理器結(jié)構(gòu)圖 在單微處理器結(jié)構(gòu)中，只有一個(gè)微處理器，通過集中控制、分時(shí)處理數(shù)控裝置的各個(gè)任務(wù)。其他功能部，如存儲(chǔ)器、各種接口、位置控制器等都需要通過總線與微處理器相連。圖3-9是單微處理器結(jié)構(gòu)圖，其優(yōu)點(diǎn)是投資少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是功能受

28、CPU字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度的限制。3.2.1 單微處理器結(jié)構(gòu) 3.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖3-9 單微處理器結(jié)構(gòu)圖 在單微處理器結(jié)構(gòu)中，只有一個(gè)3.2.2 多微處理器結(jié)構(gòu)1. 多微處理器結(jié)構(gòu)功能模塊 在一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的微處理器，每個(gè)微處理器通過數(shù)據(jù)總線或通信方式進(jìn)行連接，共享系統(tǒng)的公用存儲(chǔ)器與I/O接口，每個(gè)微處理器分擔(dān)系統(tǒng)的一部分工作，這就是多微處理器系統(tǒng)。如圖3-10所示。目前使用的多微處理器系統(tǒng)有三種不同的結(jié)構(gòu)，即主從式結(jié)構(gòu)、總線式多主CPU結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)。多微處理器結(jié)構(gòu)一般包括如下幾種功能模塊。（1）CNC管理模塊 管理和組織整個(gè)CNC系統(tǒng)的工作，包括

29、系統(tǒng)初始化、中斷處理、總線沖突裁決、系統(tǒng)出錯(cuò)識(shí)別和處理、軟硬件診斷等功能。 3.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)3.2.2 多微處理器結(jié)構(gòu) 3.2 CNC裝置（2）CNC插補(bǔ)模塊 完成零件加工程序的譯碼、刀具半徑的補(bǔ)償、坐標(biāo)位移量的計(jì)算和進(jìn)給速度處理等插補(bǔ)前的預(yù)處理，以及進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，確定各坐標(biāo)軸的位置。（3）位置控制模塊 插補(bǔ)后的坐標(biāo)位置給定值與位置檢測(cè)裝置測(cè)得的位置實(shí)際值進(jìn)行比較，進(jìn)行自動(dòng)加減速、回基準(zhǔn)點(diǎn)、伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和漂移補(bǔ)償，最后得到速度控制的模擬電壓，去驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)。（4）主存儲(chǔ)器模塊 主要用于存放程序和數(shù)據(jù)，也可以是各功能模塊間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的共享存儲(chǔ)器。（5）操作面板監(jiān)控和顯示模塊

30、 包括零件的數(shù)控程序、參數(shù)、各種操作命令和數(shù)據(jù)的輸入、輸出、顯示所需要的各種接口電路。 3.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（2）CNC插補(bǔ)模塊 3.2 CNC裝圖3-10 多微處理器共享總線結(jié)構(gòu)框圖 3.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖3-10 多微處理器共享總線結(jié)構(gòu)框圖 3.2 （6）PLC功能模塊 零件程序中的開關(guān)功能和從機(jī)床來的信號(hào)在這個(gè)模塊中作邏輯處理，實(shí)現(xiàn)各開關(guān)功能和機(jī)床操作方式之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如機(jī)床主軸的啟停、冷卻液的開關(guān)、刀具交換、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的分度、工件數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的計(jì)數(shù)等。 3.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（6）PLC功能模塊 3.2 CNC裝2. 總線式多主CPU結(jié)構(gòu) 總線式多主CPU結(jié)構(gòu)

31、按其信息交換方式不同，可分為共享總線型和共享存儲(chǔ)器型，通過共享總線或共享存儲(chǔ)器，來實(shí)現(xiàn)各模塊之間的互聯(lián)和通信。其優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)真正意義的并行處理，運(yùn)算速度快，可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng)功能，容錯(cuò)能力強(qiáng)，在某模塊出故障后，通過系統(tǒng)重組仍能繼續(xù)工作。（1）共享總線結(jié)構(gòu) 共享總線結(jié)構(gòu)以系統(tǒng)總線為中心，把組成CNC裝置的各個(gè)功能部件劃分為帶有CPU主模塊和不帶CPU的從模塊（如各種RAM、ROM模塊， 等）兩大類。所有主、從模塊都插在配有總線的插座的機(jī)柜內(nèi)，共享標(biāo)準(zhǔn)的系統(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，實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的功能，如圖3-10所示。共享總線結(jié)構(gòu)的典

32、型代表是FANUC15系統(tǒng)。 3.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)2. 總線式多主CPU結(jié)構(gòu) 3.2 CNC裝置 在共享總線結(jié)構(gòu)中，只有主模塊有權(quán)控制使用系統(tǒng)總線。但由于有多個(gè)主模塊，可能會(huì)同時(shí)請(qǐng)求使用總線，而某一時(shí)刻只能由一個(gè)主模塊占有總線。為了解決這一矛盾，系統(tǒng)設(shè)有總線仲裁電路。按照每個(gè)主模塊負(fù)擔(dān)的任務(wù)的重要程度，預(yù)先安排各自的優(yōu)先級(jí)別順序?？偩€仲裁電路在多個(gè)主模塊爭(zhēng)用總線而發(fā)生沖突時(shí)，能夠判別出發(fā)生沖突的各個(gè)主模塊的優(yōu)先級(jí)別的高低，最后決定由優(yōu)先級(jí)別高的主模塊優(yōu)先使用總線。 共享總線結(jié)構(gòu)中由于多個(gè)主模塊共享總線，易引起沖突，使數(shù)據(jù)傳輸效率降低；總線形成系統(tǒng)的“瓶頸”，一旦出現(xiàn)故障，會(huì)影響整個(gè)CN

33、C裝置的性能。但由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)配置靈活、實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。 3.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu) 3.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu) 3.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu) （2）共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)通常采用多端口存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)各微處理器之間的連接與信息交換，由多端口控制邏輯電路解決訪問沖突，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3-11所示。圖3-11 多微處理器共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖 3.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu) （2）共享存儲(chǔ) 3.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)面向公共存儲(chǔ)器來設(shè)計(jì)，每一端口都配有一套數(shù)據(jù)、地址、控制線，以供端口訪問。在共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)中，各個(gè)主模塊都有權(quán)控制使用系統(tǒng)存儲(chǔ)器。即便是多個(gè)主模塊同時(shí)請(qǐng)求

34、使用存儲(chǔ)器，只要存儲(chǔ)器容量有空閑，一般不會(huì)發(fā)生沖突。在各模塊請(qǐng)求使用存儲(chǔ)器時(shí)，由多端口的控制邏輯電路來控制。 共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)中多個(gè)主模塊共享存儲(chǔ)器時(shí)，引起沖突的可能性較小，數(shù)據(jù)傳輸效率較高，結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，所以也被廣泛采用。美國(guó)CE公司的MTC1-CNC采用的就是共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，共有3個(gè)CPU：中央CPU負(fù)責(zé)數(shù)控程序的編輯、譯碼、刀具和機(jī)床參數(shù)的輸入；顯示CPU把CPU的指令和顯示數(shù)據(jù)送到視頻電路顯示，定時(shí)掃描鍵盤和倍率開關(guān)狀態(tài)并送CPU進(jìn)行處理；插補(bǔ)CPU完成插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、 控制和RS232C通信等任務(wù)。中央CPU與顯示CPU和插補(bǔ)CPU之間各有512字節(jié)的公用存儲(chǔ)器用于信息交換。 3.

35、2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)面向 所謂結(jié)構(gòu)模式就是軟件的組織管理方式，即任務(wù)的劃分方式、任務(wù)調(diào)度機(jī)制、任務(wù)間的信息交換機(jī)制以及系統(tǒng)集成方法。 結(jié)構(gòu)模式有前臺(tái)后型結(jié)構(gòu)模式、中斷型結(jié)構(gòu)模式和功能模塊結(jié)構(gòu)模式。 3.3 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu) 該模式將CNC系統(tǒng)軟件劃分為兩部分。（1）前臺(tái)程序：強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)，實(shí)現(xiàn)與機(jī)床動(dòng)作直接相關(guān)的功能，主要完成插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、故障診斷等實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的任務(wù)，它是一個(gè)實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序。（2）后臺(tái)程序（背景程序）：弱實(shí)時(shí)性任務(wù)，完成顯示、零件加工程序的編輯管理、系統(tǒng)的輸入輸出、插補(bǔ)預(yù)處理等弱實(shí)時(shí)性的任務(wù)，它是一個(gè)循環(huán)執(zhí)行程序。前、后臺(tái)程序運(yùn)行關(guān)系如圖3-12所示。3

36、.3.1 前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu) 所謂結(jié)構(gòu)模式就是軟件的組織管理方式，即任務(wù)的劃分方式、 3.3 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)圖3-12 前、后臺(tái)程序運(yùn)行關(guān)系 3.3 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)圖3-12 前、 3.3 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu) 在后臺(tái)程序循環(huán)運(yùn)行的過程中，前臺(tái)的實(shí)時(shí)中斷程序不斷地定時(shí)插入，二者密切配合，共同完成零件的加工任務(wù)。程序一經(jīng)啟動(dòng)，經(jīng)過一段初始化程序后便進(jìn)入背景程序循環(huán)。同時(shí)開放定時(shí)中斷，每隔一定時(shí)間間隔發(fā)生一次中斷，執(zhí)行完畢中斷程序后返回背景程序，如此循環(huán)往復(fù)，共同完成數(shù)控的全部功能。軟件任務(wù)的并行處理關(guān)系如圖3-13所示。 3.3 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu) 在后臺(tái)程序 3.3 CNC裝置的軟

37、件結(jié)構(gòu)圖3-13 前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)中的信息流動(dòng)過程 3.3 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)圖3-13 前后 3.3 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu) 背景程序的主要功能是進(jìn)行插補(bǔ)前的準(zhǔn)備和任務(wù)的管理調(diào)度。它一般由鍵盤服務(wù)、加工服務(wù)和手動(dòng)操作服務(wù)三個(gè)主要的服務(wù)程序組成，有鍵盤、單段、自動(dòng)和手動(dòng)四種工作方式，如圖3-14所示。各工作方式的功能見表3-1。表3-1 工作方式的功能 3.3 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu) 背景程序 3.3 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)圖3-14 背景程序結(jié)構(gòu)圖3-14 背景程序結(jié)構(gòu) 3.3 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)圖3-14 背景 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(zhǔn)備工作（如由鍵盤方式調(diào)出零件程序、由手動(dòng)方式使刀架回到機(jī)床原點(diǎn)）完成后，一般便進(jìn)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(bǔ)償）等插補(bǔ)前的準(zhǔn)備工作，如此逐個(gè)程序段的進(jìn)行處理，直到整個(gè)零件程序執(zhí)行完畢為止。自動(dòng)循環(huán)工作方式如圖3-15所示。在正常情況下，背景程序在1234中循環(huán)。實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序是系統(tǒng)的核心。實(shí)時(shí)控制的任務(wù)包括位置伺服、面板掃描、PLC控制、實(shí)時(shí)診斷和插補(bǔ)。在實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序中，各種程序按優(yōu)先級(jí)排隊(duì)，按時(shí)間先后順序執(zhí)行。每次中斷有嚴(yán)格的最大運(yùn)行時(shí)間限制，如果前一次中斷尚未完