第四章 计算机数控装置的软、硬件结构.ppt.ppt

数控系统的组成数控系统是数控机床的重要部分，它是由数控程序、输入输出设备、CNC装置、可编程控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给驱动装置（包括监测装置）等组成，有时也称作计算机数控装置（CNC装置）。,第一节 概 述,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,数控系统的核心是数控装置。随着计算机技术的发展，数控装置性能越来越高，价格越来越低。从外部特征来看，CNC装置是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的，软件在硬件的支持下运行，离开软件，硬件便无法工作，二者缺一不可。,.CNC装置的组成,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,CNC装置硬件的层次结构CNC装置的硬件具有一般计算机的基本结构，还有数控机床所特有的功能模块与接口单元。,图4-1 CNC系统硬件的层次结构,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,2、CNC装置软件的功能结构 从本质特征来看，CNC装置软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，从功能特征来看，该数控装置的软件系统由管理软件和控制软件两部分组成。它是CNC系统活的灵魂。其结构框图如图4-2所示。为了提高机床的进给速度控制，一些实时控制可以由硬件来完成，如硬件插补器。这样CPU作些插补前的准备工作，而位置控制由硬件电路完成。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,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,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,.,.,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,3、CNC装置硬件软件的作用和相互关系硬件是基础，软件是灵魂CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。CNC装置的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台，如图4-3所示。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,1、具有灵活性和通用性CNC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的结构，使系统功能的修改、扩充变得较为灵活。CNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。,二.CNC装置的优点,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,2、数控功能丰富插补功能：二次曲线、样条曲线、空间曲面插补补偿功能：运动精度补偿、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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,3、可靠性高CNC装置采用集成度高的电子元件、芯片、可靠性得以保证。许多功能由软件实现，使硬件的数量减少。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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,4、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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,5、易于实现机电一体化数控系统控制柜的体积小（采用计算机，硬件数量减少；电子元件的集成度越来越高，硬件不断减小），使其与机床在物理上结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,CNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。数控装置的功能包括基本功能和选择功能。不管用于什么场合的CNC装置，基本功能使必备的数控功能；选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。基本功能数控系统基本配置的功能，即必备功能；选择功能用户可根据实际要求选择的功能。,CNC装置的功能,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,1、控制功能 CNC能控制和能联动控制的进给轴数，它是数控装置的重要性能指标。CNC的控制轴分有：移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）；基本轴和附加轴（U、V、W）。数控车床一般只需X、Z两轴联动控制。数控铣床、钻床以及加工中心等需要三轴控制以及三轴以上联动控制。联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,2、准备功能（G功能）指令机床动作方式的功能。它包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、镜像、固定循环加工、公英制转换、子程序等指令。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,3、插补功能和固定循环功能插补功能是数控装置实现零件轮廓(平面或空间)加工轨迹运算的功能。实现插补功能的方法有逐点比较法、数字积分法、直接函数法和双DDA法等固定循环功能是数控装置实现典型加工循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,4、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。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。只有主轴装有位置编码器的机床才能指令同步进给速度进给倍率（进给修调率）人工实时修调预先给定的进给速度。使用倍率开关不用修改零件加工程序就改变进给速度。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,5、主轴功能 数控系统的主轴的控制功能。主轴转速主轴转速的控制功能，单位为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。该功能主要 用于车削和磨削加工中，使工件端面质量提高。主轴修调率人工实时修调预先设定的主轴转速。主轴准停该功能使主轴在径向的某一位置准确停止。加工中心必须有主轴准停功能，主轴准停后实施卸刀和装刀动作。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,6、辅助功能（M功能）用于指令机床辅助操作的功能。主要用于指定主轴的正转、反转、停止、冷却泵的打开和关闭、换刀等动作。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,7、刀具管理功能实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功能使用；刀具寿命是指时间寿命，当刀具寿命到期时，CNC系统将提示用户更换刀具；CNC装置都具有刀具号（T）管理功能，用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,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，利用模型实施在线补偿。CNC装置采用补偿功能可以把这些补偿量输入到其内部储存器，在控制机床进给时按一定的计算方法将这些补偿量补上。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,9、人机对话功能在CNC装置中这类功能有：菜单结构操作界面；零件加工程序的编辑环境；系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,10、自诊断功能CNC自动实现故障预报和故障定位的功能。CNC装置中安装了各种诊断程序，这些程序可以嵌入其它功能程序中，在CNC装置运行过程中进行检查和诊断。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,11、通讯功能 CNC与外界进行信息和数据交换的功能通讯功能主要完成上级计算机与CNC装置之间的数据和命令传送。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,第二节 CNC装置的硬件结构,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，可分为单微处理机和多微处理机结构两大类。经济型数控装置一般采用单微处理结构，高级型CNC装置采用多微处理结构。多微处理结构可以使数控机床向高速度、高精度和高智能化方向发展。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,一、分类：（一）、单微处理机结构的数控装置1、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。该CPU既要对键盘输入和CRT显示处理，又要进行译码、刀补计算以及插补等实时处理，这样进给速度显然受到影响。2、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，也归类于单微处理机结构,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,（二）、多微处理机结构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：1、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（关联与依赖），有集中的操作系统，通过仲裁器来解决总线争用问题，通过公共存储器进行交换信息。2、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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,单微处理机数控装置的结构图,二.单机或主从结构模块的功能介绍,单微处理机结构的数控装置有微处理器、存储器、总线、I/O接口、MDI接口、CRT或液晶显示接口、PLC 接口、主轴控制、纸带阅读机接口、通讯接口等组成,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,1、微处理器和系统总线(母板)微处理器由控制器和运算器组成，是微处理机的核心，他完成控制和运算两方面的内容。在CNC装置中，控制器的控制任务为：从程序存储器中依次取出的指令，经解释，向CNC装置各部分按顺序发出执行操作的控制信号，使指令得以执行。而且又接受执行部件发回来的反馈信号，控制器根据程序中的指令信息以及这些反馈信息，决定下一步命令操作。运算器的任务主要是：零件加工程序的译码、刀补计算、插补计算、位置控制计算及其它数据的计算和逻辑运算。系统总线是将微处理器、存储器和输入/输出接口等相对独立的装置或功能部件联系起来，并传送信息的公共通道。由数据总线、地址总线：控制总线组成。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,2、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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,3、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，一般不需要用户开发。（1）I/O（输入/输出）接口同其它工业上的输入/输出接口一样CNC装置与机床间的接口也有国际标准，称为“机床/数控接口”标准。数控装置与机床以及机床电器设备之间的接口分为三种类型,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,二.单机或主从结构模块的功能介绍,第一类：与驱动控制器和测量装置之间的连接电路第二类：电源及保护电路第三类：开/关信号和代码连接电路第一类接口传送的信息是CNC装置与伺服单元、伺服电机、位置监测和速度检测之间的控制信息，它们属于数字控制、伺服控制和检测控制。第二类电源及保护电路由数控机床强电线路中的电源控制电路构成。强电线路由电源变压器、继电器、接触器、保护开关、熔断器等连接而成，为驱动主轴电机、辅助电机、电磁铁、电磁阀、离合器等功率执行元件供电。强电线路不能与低压下工作的控制电路或弱电路直接连接，只能通过中间继电器、热保护器、控制开关等转换。第三类开/关信号和代码连接电路是CNC装置与机床参考点、限位、面板开关等以及一些辅助功能输出控制连接的信号。当数控机床没有用PLC时，这些信号在CNC装置与机床之间直接传送，当有PLC时，除一些高速信号外，均通过PLC输入/输出,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,CNC装置与被控设备交换的信号有三类：开关信号、模拟信号、脉冲信号。这些信号由于其类型、电平、功率以及抗干扰的原因，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。接口电路主要包括以下几个方面任务（1）电平转换：一般CNC装置的信号是TTL电平，而控制机床和来自机床的电信号电平通常不是TTL电平，因此要进行电平转换，在重负载情况下，还要进行功率放大。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,（2）A/D、D/A转换：CNC装置的微处理器只能处理数字量而对于模拟量控制的地方，则需数/模（D/A)转换器，同理，将模拟量输入到CNC装置需要模/数（A/D)转换器。（3）防止噪声引起误动作阻断外部的干扰信号进入计算机，用光电耦合器或继电器将CNC装置和机床之间的信号在电器上加以隔离。以提高CNC装置运行的可靠性。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,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：（1）系统软件、系统固有数据；（2）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)；（3）用户的零件加工程序。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,存储器有两大类：只读存储器（ROM)和随机存储器（RAM)。常用的只读存储器有：紫外线可擦除的只读存储器（EPROM)，和电擦除只读存储器（E2PROM)。只读存储器存放系统程序，由数控装置生产厂家写入或由生产厂家提供系统程序软件和操作工具。随机存储器RAM用于存放中间运行结果，显示数据以及运算中的状态、标志信息等。属于加工程序存储器,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,5、PLC模块PLC模块：CNC装置实现顺序控制的模块。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。6、MDI接口（手动数据输入）MDI是通过数控面板上的键盘操作。数控装置的微处理器扫描到按下键的信号时，就将数据送到移位寄存器，移位寄存器的输出经报警检查，若按键有效，按键数据在控制选通信号的作用下，经选择器、移位寄存器、数据总线送入RAM存储起来，若按键无效，则数据不送入RAM.,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,7、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。每一进给轴对应一套位置控制器。位置控制器在CNC装置的指令下控制电器带动工作台按要求的速度移动规定的距离。轴控制是数控机床上要求最高的控制，不仅对单个轴的运动和位置精度的控制有严格要求，而且在多轴联动时，还要求各移动轴有很好的配合。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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,8、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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,三、多微处理机结构的CNC装置,在多微处理机结构的CNC装置中，有两个或两个以上的CPU，多重操作系统有效地实行并行处理.1、多微处理机结构的CNC装置基本功能模块（1）CNC管理模块 实现管理和组织整个CNC系统工作过程所需要的功能。如系统初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理。（2）CNC插补模块 该模块完成译码、刀具补偿计算、坐标位移量的计算和进给速度处理等插补前的预处理。然后再进行插补计算，为各坐标轴提供位置给定量。（3）位置控制模块 插补后的坐标位置给定值与位置监测器测得的位置实际值进行比较，进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和飘移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，去驱动进给电机。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,（4）PLC模块 零件加工中的某些辅助功能和从机床来的信号在PLC模块中作逻辑处理，实现各功能与操作方式之间的连接，机床电器设备的启停、刀具交换、转台分度、工件数量和运转时间的计数等。（5）操作与控制数据输入输出和显示模块。零件加工程序、参数和数据、各种操作命令的输入输出、显示所要求的各种电路。（6）存储器模块。该模块指存放程序和数据的主存储器，或功能模块间数据传送的共享存储器。2、多微处理机结构的CNC装置的优点 与单微处理机结构CNC装置相比，多微处理机结构CNC装置有以下优点：,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,（1）运算速度快，性能价格比高。多微处理机结构中每一微处理机完成某一特定功能，相互独立，并且并行工作，所以运算速度快。它适应多轴控制，高进给速度、高精度、高效率的数控要求，由于系统共享资源，故性能价格比高。（2）适应性强、扩展容易。多微处理机结构CNC装置大都采用模块化结构。可将微处理机、存储器、输入输出控制分别作成插件板，或将其组成独立的硬件模块，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中，这样可以积木式组成CNC装置，具有良好的适应性和扩展性，维修也方便。（3）可靠性高。由于多微处理机功能模块独立完成某一任务，所以某一功能模块出故障，其它模块照常工作，不至于整个系统瘫痪，只要换上正常模块就解决问题，提高系统可靠性。（4）硬件易于组织规模生产 一般硬件是通用的，易于配置，只要开发新的软件就可以构成不同的CNC装置，便于组织规模生产，保证质量，形成批量。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,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，CNC装置的软件是为完成CNC数控机床的各项功能而专门设计和编制的，是一种专用软件，其结构取决于软件的分工，也取决于软件本身的结构特点。软件功能是CNC装置的功能体现。一些厂商生产的CNC装置，硬件设计好后基本不变，而软件功能不断升级，以满足制造业发展的要求。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,1、软件与硬件实现各种功能的特点和关系关系：从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。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。2、软、硬件实现功能的分配软件硬件功能界面划分3、功能界面划分的准则：系统的性能价格比,一、CNC装置软件和硬件的功能界面,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,4、数控系统功能界面的几种划分：,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,四种功能界面的划分，代表了不同时期的数控装置产品。数控装置发展的趋势是软件承担的任务越来越多。这主要是由于计算机的运算处理能力不断增强，使软件运行的速度大大提高的结果。这种趋势并不是一成不变的，随着电子技术的发展，硬件的成本也在不断降低，如果硬件的制造可以做到象软件一样灵活，能够根据特殊需求，专门制做的时候，硬件所担负的功能还会逐步增加。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,.多任务性与并行处理技术,CNC的功能可定义为CNC的任务：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、等 CNC系统的任务要求并行处理：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，如：插补的同时在屏幕上显示坐标位置，为了保证加工过程的连续性，即刀具在各程序段不停刀、译码、刀具补偿和速度控制模块必须与插补模块同时进行，而插补又必须与位置控制同时进行，而不能逐一处理。,二.CNC装置的软件系统特点,数控装置的任务,数控装置的多任务性,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,任务的并行处理关系,输入,显示,诊断,I/O,控制,译码,刀补,速度处理,插补,位置控制,双箭头表示两个模块之间有并行处理关系,任务的并行处理关系,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,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。并行处理的实现方式：资源分时共享（使多个用户按时间顺序使用同一套CPU设备）资源重复（通过增加CPU)和时间重叠处理(各任务在时间上相互错开轮流使用同一套设备这些实现方式与CNC系统的硬件结构密切相关。,.CNC装置的软件系统特点,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,（1）、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，即使多个用户按时间顺序使用同一套设备，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。（各任务何时占用CPU)其二：各任务占用CPU的时间长度，即时间片的分配问题。在CNC装置中，各任务占用CPU是用循环轮流和中段优先相结合的方法来解决。,.CNC装置的软件系统特点,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,位置控制,插补运算,背景程序,4ms,8ms,16ms,中断级别高,中断级别低,CNC装置各任务分时共享（CPU）时间分布图,系统在完成初始化以后自动进入时间分配中，在环中依次轮流处理各任务。对于系统中一些实时性很强的任务则按优先级排队，分别放在不同优先级上作环外任务，环外任务可以随时中断环内各任务的执行。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,（2）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（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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,各任务占用CPU 时间示意图,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,（2）、资源重复和时间重叠,时间重叠是根据流水处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一设备的几个部分。资源重复是通过增加资源（如多CPU）提高运算速度。CNC装置的硬件设计普遍采用资源重复的并行处理方法。而CNC装置的软件设计则常采用资源分时共享和资源重叠的流水线处理技术。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,流水处理技术示意图,时间,t+t,空间,1,2,3,1,2,3,输出,CPU1,CPU2,CPU3,流水处理,流水处理的关键是时间重叠，在一个时间间隔内不是处理一个子程序，而是处理两个或更多的子程序,t,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,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同时执行。流水处理的关键是时间重叠。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,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。实时中断类型：外部中断、内部定时中断、硬件故障中断、程序性中断实时性任务分类:强实时性任务实时突发性任务；实时周期性任务弱实时性任务,2、实时中断处理,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,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；优先调度法抢占方式：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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,四、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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,.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/输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理)等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,前后台程序运行关系图,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,.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，其管理的功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通信来解决。整个软件就是一个大的中断管理系统。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,中断型软件系统结构图,1,n,2,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,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。8090年代初的CNC系统大多采用这种结构。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,.基于实时操作系统的结构模式,实时操作系统（Real Time Operating System 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、消息队列、信号灯等）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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,基于实时操作系统软件结构图,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,基于实时操作系统的结构模式的优点,（1）弱化功能模块间的耦合关系在本模式中，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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,（2）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，系统将使得完全封闭（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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,（3）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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,一、零件程序的输入,1、零件程序的输入零件程序的输入对于早期的数控装置是用纸带阅读机键盘进行。现代的数控装置可通过通信方式或其它输入装置实现。纸带阅读机中断服务程序执行一次只读入一个字符，而且要经过一系列的检查判别，认为合格后才能存入缓冲区。键盘中断服务程序执行一次读入一个按键的信息，即按下一个键就向CPU 申请一次中断。在键盘服务程序中将键盘上打入的字符送入MDI缓冲器，然后再送入零件程序存储器。(图4-33）2、数据存放形式在零件程序存储器中可以储存多个零件程序，零件程序一般是按顺序存放的，为了方便零件程序的调用，,第四节、CNC装置的数据预处理,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,在零件程序存储器中还开辟了目录区，在目录区中按固定格式存放着相应零件程序的有关信息，形成目录表，目录表的每一项对应一个零件程序。（图4-34）储存的零件程序通常已不用ISO代码或EIA代码表示，而是将它转换为某些数控内部代码。（如表4-2）例如：程序 N10 G91 G01 X100 Y-50 F150 M03 LF 转换成数控内部码如表4-3，为该零件程序段存储器中的信息。3、零件加工程序的编辑将零件加工程序输入后，常常需对该程序编辑，编辑工作主要有插入、删除、替换和修改等操作。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,二、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数控系统要求的数据格式（本例是指刀补处理程序所要求的数据结构（格式）。并按系统规定的格式放在译码结果缓冲器中为后续程序使用。译码有解释和编译两种方法。解释方法是将输入程序整改成某种形式，在执行时由计算机顺序取出进行分析、判断和处理，即一边解释一边执行。编辑方法是将输入程序作为源程序，对它进行编译，形成由机器指令组成的目的程序，然后计算机执行这个目的程序。译码工作主要有：代码识别和各项功能的译码,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,1、代码识别 在CNC系统中，代码识别由软件完成。译码程序从零件缓冲器中逐个输入字符代码，将其与相应数字作比较，若相等就说明输入了该字符。（图4-35）2、各功能码的译码 经代码识别设立了各功能代码的标志后，就可以分别对各功能码进行处理了。对于不同的CNC系统来说，编程格式有自己的规定，所以可以将译码结果缓冲器的设置与零件程序段格式相对应。（如表4-4）各个功能代码的处理方式是不尽相同的，表4-4，除G代码和M代码分组外，其与功能代码只有一项，其地址在内存中是指定的，因此，译码程序根据代码识别设置的各功能码的标志，确定其存放其相应数码的地址，以便送入数据。（图4-36）,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,CNC装置系统软件的主要任务：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。,三、CNC装置的数据转换流程,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,在系统软件中各程序间的数据交换方式一般都是通过缓冲区进行的。该缓冲区由若干个数据结构组成，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。,CNC装置的数据转换流程,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,CNC装置数据转换流程示意图,CNC装置的数据转换流程过程,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,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（Pe/Pe）坐标值。根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。,2.刀补处理(计算刀具中心轨迹),Pe（200，300）,X,R,P0（72，48）,Pe”,Pe,G41,G42,Y,1、译码,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,3、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。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,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。计算每个插补周期内的合成进给量：L=F*t/60（m）式中：F-进给速度值（mm/min）；t-数控系统的插补周期（ms）,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,4、插补计算 主要功能：根据操作面板上“进给修调”开关的设定值，计算本次插补周期的实际合成位移量：L1=L*修调值将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。本程序以系统规定的插补周期t定时运行。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,5、位置控制处理,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,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）,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,f()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,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,第五节、刀具补偿原理 一、为什么要进行刀具补偿(p102)如图3-34所示，在铣床上用半径为r的刀具加工外形轮廓为A的工件时，刀具中心沿着与轮廓A距离为r的轨迹B移动。我们要根据轮廓A的坐标参数和刀具半径r值计算出刀具中心轨迹B的坐标参数，然后再编制程序进行加工，因控制系统控制的是刀具中心的运动。在轮廓加工中，由于刀具总有一定的半径，如铣刀半径或线切割机的钼丝半径等。刀具中心（刀位点）的运动轨迹并不等于所加工零件的实际轨迹（直接按零件廓形编程所得轨迹），数控系统的刀具半径补偿就是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,r 刀具 A r B 图3-34 刀具半径补偿,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,例如：当实际刀具长度与编程长度不一致时，利用刀具长度补偿功能可以实现对刀具长度差额的补偿。加工中心：一个重要组成部分就是自动换刀装置，在一次加工中使用多把长度不同的刀具，需要有刀具长度补偿功能。轮廓铣削加工：为刀具中心沿所需轨迹运动，需要有刀具半径补偿功能。车削加工：可以使用多种刀具，数控系统具备了刀具长度和刀具半径补偿功能，使数控程序与刀具形状和刀具尺寸尽量无关，可大大简化编程。具有刀具补偿功能，在编制加工程序时，可以按零件实际轮廓编程，加工前测量实际的刀具半径、长度等，作为刀具补偿参数输入数控系统，可以加工出合乎尺寸要求的零件轮廓。,第四章 计算机数控装置的软、硬件结构,刀具补偿功能还可以满足加工工艺等其他一些要求，可以通过逐次改变刀具半径补偿值大小的办法，调整每次进给量，以达到利用同一程序实现粗、精加工循环。另外，因刀具磨损、重磨而