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cnc系统的硬件结构系统的硬件结构2二、二、CNCCNC系统的硬件结构系统的硬件结构CNCCNC的软件功能要有相应的硬件水准来支持。的软件功能要有相应的硬件水准来支持。已有的或常规的已有的或常规的CNCCNC必须趋向开放式的必须趋向开放式的CNCCNC。1 1、常规、常规CNCCNC的硬件结构的硬件结构（1 1）常规）常规CNCCNC发展的主要形式，大体上有三种：发展的主要形式，大体上有三种：一种是总线式模块化结构一种是总线式模块化结构CNCCNC，元器件采用了，元器件采用了3232位的位的RISCRISC（精简指令集）芯片、数学协处理器（精简指令集）芯片、数学协处理器及闪烁存储器等；及闪烁存储器等；用于多轴控制高档数控机床。用于多轴控制高档数控机床。3第二种是以单板或专用芯片第二种是以单板或专用芯片及模板组成结构紧凑的及模板组成结构紧凑的CNCCNC。大量用于中档和经济型数控大量用于中档和经济型数控机床。机床。第三种是基于通用计算机（第三种是基于通用计算机（PCPC或或IPCIPC）基础上开发的）基础上开发的CNCCNC。其优点是可以充分利用通用计算机丰富的软件资源，其优点是可以充分利用通用计算机丰富的软件资源，而且可以随着计算机硬件的升级而升级。而且可以随着计算机硬件的升级而升级。前两种类型相对第三种可称为专用结构的计算机，前两种类型相对第三种可称为专用结构的计算机，其特点是硬件印制板是制造厂专门设计制造的，不其特点是硬件印制板是制造厂专门设计制造的，不具有通用性。具有通用性。第三种的硬件通常无需专门设计，只要装入不同的第三种的硬件通常无需专门设计，只要装入不同的控制软件，便可构成不同类型的控制软件，便可构成不同类型的CNCCNC，通用性大，易，通用性大，易于维修。于维修。4（2 2）单微处理器结构：）单微处理器结构：是是CNCCNC发展初期采用的结构，由发展初期采用的结构，由于只有一个微处理器能控制系于只有一个微处理器能控制系统总线，占有总线资源，统总线，占有总线资源，CNCCNC的的各个任务都以集中控制、分时各个任务都以集中控制、分时处理的方式完成。处理的方式完成。如图为单微处理器结构如图为单微处理器结构CNCCNC框图，其中微处理器框图，其中微处理器CPUCPU是是CNCCNC的核心，主要由运算器和控制器组成，完成对的核心，主要由运算器和控制器组成，完成对数据的算术和逻辑运算以及系统操作的控制。数据的算术和逻辑运算以及系统操作的控制。56（3 3）多微处理器结构）多微处理器结构CNCCNC的多微处理器结构是指在系统的多微处理器结构是指在系统中有两个或两个以上的微处理器能中有两个或两个以上的微处理器能控制系统总线、或主存储器进行工控制系统总线、或主存储器进行工作的系统结构。作的系统结构。具体有紧耦合和松耦合两种结构型式。具体有紧耦合和松耦合两种结构型式。所谓紧耦合，是指两个或两个以上的微处理器构成所谓紧耦合，是指两个或两个以上的微处理器构成的处理部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，的处理部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，共享资源。共享资源。所谓送耦合，是指两个或两个以上的微处理器构成所谓送耦合，是指两个或两个以上的微处理器构成的功能模块之间采用松耦合，有多重操作系统有效的功能模块之间采用松耦合，有多重操作系统有效地实现并行处理。地实现并行处理。71 1）多微处理器）多微处理器CNCCNC的典型结构的典型结构共享总线结构，如图。共享总线结构，如图。8共享存储器结构，如图。共享存储器结构，如图。92 2）多微处理器的）多微处理器的CNCCNC的基本功能模块的基本功能模块主要有以下六种基本功能模块：主要有以下六种基本功能模块：CNCCNC管理模块。包括初始化、中断管理、总线裁决、管理模块。包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统硬件与软件诊断等。系统出错识别和处理、系统硬件与软件诊断等。CNCCNC插补模块。完成插补前的预处理，然后进行插插补模块。完成插补前的预处理，然后进行插补计算，给定各坐标轴的位置值。补计算，给定各坐标轴的位置值。位置控制模块。位置控制模块。PLC(PMC)PLC(PMC)模块。零件程序中的开关量（模块。零件程序中的开关量（S S、M M、T T）和机床面板来的信号在这个模块中进行逻辑处理。和机床面板来的信号在这个模块中进行逻辑处理。命令与数据输入输出和显示模块。命令与数据输入输出和显示模块。存储器模块。这是程序和数据的主存储器，或是存储器模块。这是程序和数据的主存储器，或是功能模块间数据传送用的共享存储器。功能模块间数据传送用的共享存储器。102 2、开放式、开放式CNCCNC的硬件结构的硬件结构目前，对数控系统的柔性和通用性的要求主要体目前，对数控系统的柔性和通用性的要求主要体现在：现在：根据不同的加工需求迅速、高效、经济地构筑面根据不同的加工需求迅速、高效、经济地构筑面向客户的控制系统；向客户的控制系统；减少数控机床生产厂对控制系统供应商的高依赖性；减少数控机床生产厂对控制系统供应商的高依赖性；大幅度降低维护和培训成本；大幅度降低维护和培训成本；改变目前数控系统的封闭型设计，以适应未来车间改变目前数控系统的封闭型设计，以适应未来车间面向任务恶化订单的生产组织模式，使底层生产控面向任务恶化订单的生产组织模式，使底层生产控制系统的集成更为简便和有效。制系统的集成更为简便和有效。为此，必须重新审视原有控制系统的设计模式，建为此，必须重新审视原有控制系统的设计模式，建立新的开放型的系统设计框架，使数控系统向模块立新的开放型的系统设计框架，使数控系统向模块化、平台化、工具化和标准化发展。化、平台化、工具化和标准化发展。11国外，数控系统开放性在技术上体现为平台技术和国外，数控系统开放性在技术上体现为平台技术和面向应用功能单元的系统参考结构。面向应用功能单元的系统参考结构。美国美国19811981年开始的年开始的NDD(Next Generational NDD(Next Generational Controller)Controller)计划，最终形成了一份开放式系统体系计划，最终形成了一份开放式系统体系结构规范结构规范SOSASSOSAS。19941994年又开始了年又开始了OMAC(Open Modular Architecture OMAC(Open Modular Architecture Systems)Systems)项目的研究。项目的研究。欧共体于欧共体于19921992年在年在ESPRITESPRIT框架内，开始了框架内，开始了OSACA OSACA (Open System Architecture for Controls Within (Open System Architecture for Controls Within Automation Systems)Automation Systems)项目的研究，项目的研究，19941994年完成了定年完成了定义，义，19961996年完成了原型系统的开发。年完成了原型系统的开发。19901990年日本的年日本的IMSIMS中，对中，对CNCCNC要求标准化和智能化。要求标准化和智能化。12（1 1）开放式）开放式CNCCNC的定义的定义参照参照IEEEIEEE对开放式系统的规定：一个真正意义上对开放式系统的规定：一个真正意义上的开放式数控系统必须具备不同应用程序能协调的开放式数控系统必须具备不同应用程序能协调地运行于系统平台上的能力，地运行于系统平台上的能力，提供面向功能的动态重构工具，同时提供统一标准提供面向功能的动态重构工具，同时提供统一标准化的应用程序用户界面，具有以下特征：化的应用程序用户界面，具有以下特征：1 1）可互操作性（）可互操作性（InteroperabilityInteroperability）：）：指不同的应用程序模块通过标准化的应用程序接口指不同的应用程序模块通过标准化的应用程序接口运行于系统平台之上，运行于系统平台之上，不同模块之间保持平等的相互操作能力，协调工作。不同模块之间保持平等的相互操作能力，协调工作。这一特征要求提供标准化的接口、通讯和交互模型。这一特征要求提供标准化的接口、通讯和交互模型。132 2）可移植性（）可移植性（PortabilityPortability）：）：指不同的应用程序模块可运行于不同供应商提供的指不同的应用程序模块可运行于不同供应商提供的系统平台之上。系统平台之上。这一特征解决这一特征解决CNCCNC软件的公用问题；软件的公用问题；要求设计的软件与设备无关性，即通过统一的应用要求设计的软件与设备无关性，即通过统一的应用程序接口，完成对设备的控制。程序接口，完成对设备的控制。3 3）可缩放性（）可缩放性（ScalabilityScalability）：指增加和减少系统）：指增加和减少系统功能仅表现为特定模块单元的装载和卸载。功能仅表现为特定模块单元的装载和卸载。4 4）可相互替代性）可相互替代性(Interchangeability)(Interchangeability)：指不同性：指不同性能与可靠性和不同功能能力的功能模块可相互替代。能与可靠性和不同功能能力的功能模块可相互替代。14一个开放式一个开放式CNCCNC的开放性体现在：的开放性体现在：提供标准化环境的基础平台，提供标准化环境的基础平台，允许不同开发商所提供不同功能的软、硬件模块允许不同开发商所提供不同功能的软、硬件模块介入，以构成满足不同需求的介入，以构成满足不同需求的CNCCNC。开放式数控系统是从全新的角度分析和实现数控的开放式数控系统是从全新的角度分析和实现数控的功能，功能，强调系统对控制需求的可重构性和透明性，强调系统对控制需求的可重构性和透明性，以及系统功能面向多供应商。以及系统功能面向多供应商。15（2 2）基于）基于PC(PC(或或IPC)IPC)开放式开放式CNCCNC的硬件配置形式的硬件配置形式1 1）基于）基于PCPC的有限开放的有限开放CNCCNC大多通过改造原有大多通过改造原有CNCCNC系统的接口，使系统的接口，使CNCCNC系统能与系统能与PCPC互连，由互连，由PCPC承担承担CNCCNC人机界面功能。具体有人机界面功能。具体有 PC PC连接型连接型CNCCNC如图如图, ,是将现有是将现有CNCCNC与与PCPC用串行线直用串行线直接相连而构成。接相连而构成。16 PC PC内藏型内藏型CNCCNC，如图。，如图。是指在是指在CNCCNC内部加装内部加装PCPC，PCPC与与CNCCNC之间用专用总线之间用专用总线连接。连接。172 2）基于）基于PCPC的可开放的可开放CNCCNC是在通用是在通用PCPC机的扩展槽中加入专用机的扩展槽中加入专用CNCCNC卡而成，也卡而成，也称称CNCCNC内藏型。内藏型。专用专用CNCCNC卡包括加工轨迹生成等几乎所有的卡包括加工轨迹生成等几乎所有的CNCCNC处理处理功能。功能。18三、三、CNCCNC的软件结构的软件结构1 1、CNCCNC中软、硬件界面与数据转换中软、硬件界面与数据转换在在CNCCNC系统中，软件和硬件在逻辑上是等价的，即系统中，软件和硬件在逻辑上是等价的，即由硬件完成的工作原则上也可由软件完成。由硬件完成的工作原则上也可由软件完成。如图为不同时期和产品中的典型如图为不同时期和产品中的典型CNCCNC软、硬件界面。软、硬件界面。19在在CNCCNC中，直线、圆弧和其他曲线控制功能的数中，直线、圆弧和其他曲线控制功能的数据转换过程是类同的。据转换过程是类同的。如图为直线控制功能的数据转换过程。如图为直线控制功能的数据转换过程。202 2、CNCCNC系统的多任务并行处理与实时中断处理系统的多任务并行处理与实时中断处理CNCCNC的多任务表现在他的软件必须完成管理和控制两的多任务表现在他的软件必须完成管理和控制两大任务。大任务。系统管理包括：输入、系统管理包括：输入、I/OI/O处理、显示、诊断。处理、显示、诊断。系统控制包括：译码、刀具补偿、速度处理、插补、系统控制包括：译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制。如图。位置控制。如图。21CNCCNC的各项任务必须协调工作，在许多情况下，管的各项任务必须协调工作，在许多情况下，管理和控制的某些工作必须同时进行。如图。理和控制的某些工作必须同时进行。如图。22所谓并行处理，是指计算机在同一时刻或同一时所谓并行处理，是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上相同或不同的工作。间间隔内完成两种或两种以上相同或不同的工作。并行处理方法有资源重复、时间重叠和资源分时并行处理方法有资源重复、时间重叠和资源分时共享等处理方法。共享等处理方法。CNCCNC系统的中断管理主要靠硬件完成，中断类型有：系统的中断管理主要靠硬件完成，中断类型有：外部中断。外部中断。内部定时中断。内部定时中断。硬件故障中断。硬件故障中断。程序性中断。程序性中断。233 3、常规、常规CNCCNC的软件结构的软件结构CNCCNC的软件结构决定于系统采用的中断结构。的软件结构决定于系统采用的中断结构。常规的常规的CNCCNC中，已有的结构模式有中断型结构和前中，已有的结构模式有中断型结构和前后台型结构。后台型结构。（1 1）中断型结构模式）中断型结构模式此类型的结构特点是除了初始化程序之外，整个系此类型的结构特点是除了初始化程序之外，整个系统软件的各种任务模块分别安排在不同级别的中断统软件的各种任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的多重中断系统。服务程序中，整个软件就是一个大的多重中断系统。其管理功能主要通过各级中断程序之间的相互通信其管理功能主要通过各级中断程序之间的相互通信安排来实现。安排来实现。如如FANUE-BESK 7CM CNCFANUE-BESK 7CM CNC系统的软件结构就是一个典系统的软件结构就是一个典型的中断型结构。型的中断型结构。24（2 2）前后型结构模式）前后型结构模式这种软件的结构特点是前台程序为一个中断服务这种软件的结构特点是前台程序为一个中断服务程序，它几乎承担了全部实时的功能，程序，它几乎承担了全部实时的功能，而后台程序或背景程序只是完成管理功能和非实时而后台程序或背景程序只是完成管理功能和非实时性任务（如插补准备）。性任务（如插补准备）。后台程序是一个循环运行的程序，在其运行过程中，后台程序是一个循环运行的程序，在其运行过程中，前台实时中断程序不断插入，与后台程序相配合，前台实时中断程序不断插入，与后台程序相配合，共同完成零件加工任务。共同完成零件加工任务。如美国如美国A-B7360 CNCA-B7360 CNC软件即为此结构模式。软件即为此结构模式。254 4、开放式、开放式CNCCNC的软件结构的软件结构根据开放式控制系统的要求，除它的硬件要采用根据开放式控制系统的要求，除它的硬件要采用基于标准总线的公用的模块化设计外，基于标准总线的公用的模块化设计外，其软件应采用平台技术、统一的标准规范和面向功其软件应采用平台技术、统一的标准规范和面向功能元拓朴结构的应用软件，以保证系统具有开放的能元拓朴结构的应用软件，以保证系统具有开放的基本特征。基本特征。