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第4章计算机数控装置第1页，此课件共151页哦第一节第一节 概述概述一、一、CNC系统的组成系统的组成 数控机床在数控机床在数控系统数控系统的控制下，自动地的控制下，自动地按给定的程序进行零件的加工。按给定的程序进行零件的加工。第2页，此课件共151页哦数控系统由：数控系统由：程序、输入输出设备程序、输入输出设备计算机数字控制装置计算机数字控制装置可编程控制器可编程控制器主轴驱动装置主轴驱动装置进给驱动装置等组成进给驱动装置等组成第3页，此课件共151页哦CNC系统组成框图系统组成框图程序程序输输 入入设设 备备CNC装装置置PLC主轴控主轴控制单元制单元主轴电机主轴电机机机 床床位置检测器位置检测器进给电机进给电机速度控制单元速度控制单元I/O信号信号CNC系统的核心系统的核心第4页，此课件共151页哦二、二、CNC装置的组成装置的组成 从外部特征来看，从外部特征来看，CNC系统是由系统是由硬件硬件（通用硬件和专用硬件）和（通用硬件和专用硬件）和软软件件（专用）两大部分组成的。（专用）两大部分组成的。第5页，此课件共151页哦1、CNC系统硬件的层次结构系统硬件的层次结构n由计算机基本系统、设备支持层、由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成设备层三部分组成计计 算算 机机 基基 本本 系系 统统设备层设备层设备支持层设备支持层接接 口口人机控制人机控制运动控制运动控制PMC其他其他I/O其他设备其他设备计算机系统计算机系统显示设备显示设备输入输入/出设备出设备机机 床床机器人机器人测量机测量机 .第6页，此课件共151页哦计算机基本系统：计算机基本系统：CPU通信接口通信接口主轴控制主轴控制输入输入/输出接口输出接口RAMEPROM或或E2PROM纸带阅读机接口纸带阅读机接口位置控制位置控制CRT或液晶显示接口或液晶显示接口PLC接口接口MDI接口接口第7页，此课件共151页哦2、CNC装置的软件框图装置的软件框图CNC装置系统软件装置系统软件管理软件管理软件零件零件程序程序的输的输入输入输出程出程序序显显示示故故障障诊诊断断译译码码刀刀具具补补偿偿计计算算插插补补计计算算速速度度控控制制位位置置控控制制控制软件控制软件第8页，此课件共151页哦3、CNC硬件软件的作用和相互关系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，有条不紊地控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。进行加工。第9页，此课件共151页哦CNC系统的系统平台系统的系统平台硬件硬件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序 接接口口被控设备被控设备 机机 床床 机器人机器人 测量机测量机 .第10页，此课件共151页哦该平台有以下两方面的含义：该平台有以下两方面的含义：n提供提供CNC系统基本配置的必系统基本配置的必备功能；备功能；n在平台上可以根据用户的要在平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发。求进行功能设计和开发。第11页，此课件共151页哦三、三、CNC装置的功能装置的功能 CNC装置的功能是指满足用装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和户操作和机床控制要求的方法和手段。手段。第12页，此课件共151页哦CNC装置的功能通常包括：装置的功能通常包括：n基本功能基本功能数控系统基本配置数控系统基本配置的功能，即必备功能；的功能，即必备功能；n选择功能选择功能用户可根据实际要用户可根据实际要求选择的功能求选择的功能第13页，此课件共151页哦CNC装置的主要功能有：装置的主要功能有：1、控制功能、控制功能 指装置能够控制的以及指装置能够控制的以及能够同时控制联动的轴数能够同时控制联动的轴数。第14页，此课件共151页哦 控制轴有移动轴和回转轴、控制轴有移动轴和回转轴、基本轴和附加轴。联动轴数越多基本轴和附加轴。联动轴数越多，CNC装置的功能越强，加工装置的功能越强，加工的零件越复杂。的零件越复杂。第15页，此课件共151页哦2、准备功能（）、准备功能（）用来指令机床动作方式的功能。用来指令机床动作方式的功能。第16页，此课件共151页哦 3、插补功能、插补功能 主要用于对零件轮廓加主要用于对零件轮廓加工的控制；一般有直线插补工的控制；一般有直线插补和圆弧插补和圆弧插补,还可以有还可以有2次曲线次曲线和样条曲线的插补等和样条曲线的插补等.第17页，此课件共151页哦 4、固定循环加工功能、固定循环加工功能 是数控系统实现典型加工循环是数控系统实现典型加工循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能削和切螺纹等）的功能-可以简化可以简化编程编程.第18页，此课件共151页哦5、进给功能、进给功能（1）切削进给速度）切削进给速度 控制刀具相对工件的运动速度，单位为控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min。（2）同步进给速度）同步进给速度 实现切削速度和进给速度的同步，单位为实现切削速度和进给速度的同步，单位为 mm/r。（3）快速进给速度）快速进给速度:G00-可以通过面板来改变可以通过面板来改变.（4）进给倍率）进给倍率-可以通过面板来改变可以通过面板来改变 人工实时修调预先给定的进给速度人工实时修调预先给定的进给速度第19页，此课件共151页哦6、主轴功能、主轴功能（1）指定主轴转速）指定主轴转速 主轴转速的控制功能，单位为主轴转速的控制功能，单位为r/min。S*;（2）设置恒定线速度）设置恒定线速度 刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。为了提高加工工件的表面质量为了提高加工工件的表面质量.（3）主轴准停）主轴准停 主轴周向定位于特定位置控制的功能。主轴周向定位于特定位置控制的功能。-换刀换刀第20页，此课件共151页哦7、辅助功能、辅助功能(M)主要用于指定主轴的正、反转、主要用于指定主轴的正、反转、停止、冷却液的打开或关闭，换刀等停止、冷却液的打开或关闭，换刀等动作。动作。第21页，此课件共151页哦8、刀具功能、刀具功能 T 用来选择刀具并且指定有效刀具用来选择刀具并且指定有效刀具的几何参数的地址。的几何参数的地址。第22页，此课件共151页哦9、补偿功能、补偿功能n刀具长度及半径补偿；刀具长度及半径补偿；n丝杆的螺距误差和反向间隙误差丝杆的螺距误差和反向间隙误差的补偿；的补偿；n可以在加工前输入到机床的存储可以在加工前输入到机床的存储单元里单元里,第23页，此课件共151页哦10、字符图形显示功能、字符图形显示功能 用于显示程序、零件图形、人机用于显示程序、零件图形、人机对话编程菜单和故障信息等。对话编程菜单和故障信息等。第24页，此课件共151页哦11、通信功能、通信功能CNC与外界进行信息和数据交换的功能与外界进行信息和数据交换的功能RS232C接口，可传送零件加工程序，接口，可传送零件加工程序，网卡：适应网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集等制造系统集成的要求。成的要求。第25页，此课件共151页哦12、自诊断功能、自诊断功能 CNC自动实现故障预报和自动实现故障预报和故障定位的功能。故障定位的功能。q开机自诊断；开机自诊断；q在线自诊断；在线自诊断；q离线自诊断；离线自诊断；q远程通讯诊断。远程通讯诊断。第26页，此课件共151页哦13、人机对话编程功能、人机对话编程功能菜单结构操作界面；菜单结构操作界面；零件加工程序的编辑环境；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、系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。查询或修改画面等。第27页，此课件共151页哦第二节第二节 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构 按其中含有按其中含有CPU的多少来分的多少来分:单微处理器结构单微处理器结构多微处理器结构多微处理器结构第28页，此课件共151页哦单微处理器：单微处理器：整个整个CNC装置只有一个装置只有一个CPU，它集中控，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种方式来实现各种NC功能。功能。第29页，此课件共151页哦 系统中只有一个系统中只有一个CPU(称为主称为主CPU)对系统的对系统的资源有控制和使用权其它带资源有控制和使用权其它带CPU的功能部件，的功能部件，只能接受主只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主的控制命令或数据，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。处于以从属地位的，故称之为主从结构。第30页，此课件共151页哦多微处理器结构：多微处理器结构：CNC装置中有两个或两个以装置中有两个或两个以上的上的CPU，即系统中的某些功能，即系统中的某些功能模块自身也带有模块自身也带有CPU。第31页，此课件共151页哦n经济型数控装置经济型数控装置一般采用单微处理器机构一般采用单微处理器机构n高级型高级型CNC装置装置常采用多微处理器结构常采用多微处理器结构第32页，此课件共151页哦一、单微处理器结构的一、单微处理器结构的CNC装置装置I/O设备设备计算机主板计算机主板显显 示示 卡卡功能模板功能模板m功能模板功能模板1电电 子子 盘盘多功能卡多功能卡位置控制板位置控制板n位置控制板位置控制板1PLC模块模块主轴控制模板主轴控制模板机床机床I/O控制面板控制面板速度控制单元速度控制单元1速度控制单元速度控制单元n功能驱动功能驱动1功能驱动功能驱动m系系 统统 总总 线（线（BUS）标准标准PC计算机计算机CNC装置装置CNC系统系统第33页，此课件共151页哦CNCCNC装置是按模块化设计的方法构造的装置是按模块化设计的方法构造的模块化设计方法：模块化设计方法：将控制系统按功能划分成若干种具有独将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能的单元模块立功能的单元模块,并配上相应的驱动软件。系并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块，并统设计时按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，即可组成一个完整的将其插入控制单元母板上，即可组成一个完整的控制系统的方法。其中单元母板一般为总线结构控制系统的方法。其中单元母板一般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。第34页，此课件共151页哦n实现实现CNC系统模块化设计的条件系统模块化设计的条件是是总线总线(BUS)标准化。标准化。n采用模块化结构时，采用模块化结构时，CNC系统设系统设计工作则可归结为计工作则可归结为功能模块的合功能模块的合理选用。理选用。第35页，此课件共151页哦1 1、计算机主板和系统总线、计算机主板和系统总线(母板母板)计算机主板是计算机主板是CNC装置的核心。装置的核心。包括：包括：nCPU及其外围芯片；及其外围芯片；n内存单元、内存单元、cache及其外围芯片；及其外围芯片；n通讯接口通讯接口(串口，并口，键盘接口串口，并口，键盘接口)。n软、硬驱动器接口软、硬驱动器接口第36页，此课件共151页哦计算机主板的主要作用计算机主板的主要作用：对输入到对输入到CNC装置中的种种数据、信息装置中的种种数据、信息(零件加工程序，各种零件加工程序，各种I/O信息等信息等)进行相应的算进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。得以执行。第37页，此课件共151页哦系统总线系统总线(母板母板)：由一组传送数字信息的物理导线组成，由一组传送数字信息的物理导线组成，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道。通道。)()()(CBDBAB控控制制总总线线数数据据总总线线地地址址总总线线第38页，此课件共151页哦 工业用工业用PC机的总线母板是独立的无机的总线母板是独立的无源四层板（走线面、元件面、电源层和源四层板（走线面、元件面、电源层和地线层），它的可靠性高于两层板。其地线层），它的可靠性高于两层板。其规格有规格有6槽、槽、8槽、槽、12槽、槽、14槽等。槽等。第39页，此课件共151页哦2 2、显示模块、显示模块(显示卡显示卡)显示卡的主要作用是接收来自显示卡的主要作用是接收来自CPU的控制的控制命令和显示用的数据，经与命令和显示用的数据，经与CRT的扫描信号调的扫描信号调制后，产生制后，产生CRT显示器所需要的视频信号，在显示器所需要的视频信号，在CRT上产生所需要的画面。上产生所需要的画面。第40页，此课件共151页哦 在在CNC装置中，装置中，CRT显示是一个非常显示是一个非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介，它重要的功能，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。户能快速地熟悉适应其操作过程。第41页，此课件共151页哦 显示卡是一个通用性很强的模块。它不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。丰富的支持软件，因此无需用户自己开发。第42页，此课件共151页哦 3、输入、输入/出模块出模块(多功能卡多功能卡)它是它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即接口板，即CNC装置通过该接口可以从输入设备获装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将取数据，也可以将CNC装置中的数据送给输出设备装置中的数据送给输出设备。第43页，此课件共151页哦 该模块也是标准的该模块也是标准的PC机模块，机模块，一般不需要用户自己开发。如果计一般不需要用户自己开发。如果计算机主板选用的是算机主板选用的是 ALL-IN-ONE 主主板，则此板可省略。板，则此板可省略。第44页，此课件共151页哦1）I/O信号的分类及接口电路的任务信号的分类及接口电路的任务 行行器器件件。：用用于于直直接接控控制制功功率率执执交交流流信信号号的的设设备备。其其它它接接收收、发发送送模模拟拟量量和和主主轴轴的的伺伺服服控控制制或或：主主要要用用于于进进给给坐坐标标轴轴模模拟拟量量数数字字量量OIOIOI/第45页，此课件共151页哦2）接口电路的主要任务）接口电路的主要任务 进行电平转换和功率放大；进行电平转换和功率放大；防止噪音引起误动作。防止噪音引起误动作。-抗干扰抗干扰 光电耦合器或继电器将光电耦合器或继电器将CNC与机床信号在电与机床信号在电器上加以隔离。器上加以隔离。数 字 量 与 其 它 量 之 间 的 转 换 数 字 量 与 其 它 量 之 间 的 转 换-A/D,D/A第46页，此课件共151页哦 以上三部分，再配上键盘、电以上三部分，再配上键盘、电源、机箱，实际上是一部通用的微源、机箱，实际上是一部通用的微型计算机系统，它是型计算机系统，它是CNC装置的装置的核心，从某种意义上讲，核心，从某种意义上讲，CNC装装置的档次和性能是由它决定的。因置的档次和性能是由它决定的。因此，此，CNC装置中计算机系统的合装置中计算机系统的合理选用是至关重要的。理选用是至关重要的。第47页，此课件共151页哦4 4、存储模块、存储模块在在CNC装置中它用来存放下列数据和参数：装置中它用来存放下列数据和参数：系统软件、系统固有数据；系统软件、系统固有数据；系统的配置参数系统的配置参数(系统所能控制的进给轴数，系统所能控制的进给轴数，轴的定义，系统增益等轴的定义，系统增益等)用户的零件加工程序用户的零件加工程序第48页，此课件共151页哦计算机领域所用存储器件有三类：计算机领域所用存储器件有三类：n磁存储器件，如：软磁存储器件，如：软/硬磁盘（读硬磁盘（读/写）。写）。n光存储器件，如：光盘（只读）。光存储器件，如：光盘（只读）。n电子（半导体）存储器件，如电子（半导体）存储器件，如 RAM、ROM、FLASH等。等。前两类一般用作外存储器，其特点是容量大，价格低前两类一般用作外存储器，其特点是容量大，价格低第49页，此课件共151页哦 在在CNC装置中，常采用电子存储器装置中，常采用电子存储器件作为外存储器，主要是考虑到件作为外存储器，主要是考虑到CNC装装置的工作环境有可能受到电磁干扰，置的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可靠性低，而电子存储器磁性器件的可靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。些。第50页，此课件共151页哦电子存储器件按其读写性能来分：电子存储器件按其读写性能来分：n只读存储元件只读存储元件（ROM、PROM、EPROM）n易失性随机读写存储元件易失性随机读写存储元件（RAM）。）。n非易失性读写存储元件非易失性读写存储元件。这类器件有。这类器件有E2PROM；FLASH；带后备电池的；带后备电池的RAM。第51页，此课件共151页哦5 5、PLC(Programmable Logic Controller)PLC(Programmable Logic Controller)模块模块nPLC模块：模块：CNC装置实现顺序控制的模块装置实现顺序控制的模块。nPLC模块的作用：模块的作用：接收来自操作面板、接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电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关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。行。第52页，此课件共151页哦CNC装置与被控设备交换的信息有三类：装置与被控设备交换的信息有三类：n开关信号开关信号n模拟信号模拟信号n脉冲信号脉冲信号第53页，此课件共151页哦 上述信号由于其类型、电平、功上述信号由于其类型、电平、功率以及抗干扰的原因，一般不能直接率以及抗干扰的原因，一般不能直接与与CNC装置相联，需要一个接口对这装置相联，需要一个接口对这些信号进行变换处理。些信号进行变换处理。第54页，此课件共151页哦PMC模块实现方式有以几种：模块实现方式有以几种：n简单简单I/O接口板接口板系系 统统 总总 线线数数 字字 接接 口口光电隔离器件光电隔离器件A/DD/A转换转换调理电路调理电路功率放大功率放大传传 感感 元元 件件功功 率率 放放 大大光电隔离器件光电隔离器件计计 数数 器器计数脉冲计数脉冲滤波、倍频滤波、倍频整形整形开关量转换开关量转换脉冲量转换脉冲量转换模拟量转换模拟量转换第55页，此课件共151页哦PLC（Programmable Logic Controller）控制：它是目）控制：它是目前前CNC系统用得最广泛的方式。系统用得最广泛的方式。电电 源源 模模 块块通信功能通信功能人人 机机 接接 口口编程调试和试验功能编程调试和试验功能至传感器和执行器的接口功能至传感器和执行器的接口功能应用程序的执行应用程序的执行操作系统功能操作系统功能应用程序存储应用程序存储数数 据据 存存 储储信号处理功能信号处理功能操作者操作者应用程序应用程序设计人员设计人员机器机器/过程过程PLCPLC系统的基本结构系统的基本结构外部供电外部供电外部设备外部设备第56页，此课件共151页哦CNC机床用的机床用的PLC一般分为两类：一般分为两类：内装型内装型（Built-in Type）PLC（或集成式、内含式）（或集成式、内含式）。独立型独立型（Stand-alone Type）PLC（或通用型）（或通用型）第57页，此课件共151页哦 6、位置控制模块位置控制模块 位置控制模块是进给伺服系统的重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，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装置与伺服驱动系统连接的接口模块。模块。第58页，此课件共151页哦常用的位置控制模块有：常用的位置控制模块有：n开环位置控制模块：开环位置控制模块：CNC装置装置与步进电机驱动电源的接口；与步进电机驱动电源的接口；n闭环（含半闭环）位置控制模闭环（含半闭环）位置控制模块：块：CNC装置与直流、交流伺装置与直流、交流伺服驱动装置的接口。服驱动装置的接口。第59页，此课件共151页哦7、功能接口模块功能接口模块n实现用户特定功能要求的接口板，实现用户特定功能要求的接口板，n实例：实例：n仿形控制器接口；仿形控制器接口；n激光加工焦点自动跟踪器接口；激光加工焦点自动跟踪器接口；n刀具监控系统中的信号采集器接口板。刀具监控系统中的信号采集器接口板。第60页，此课件共151页哦8、单微处理器结构特点、单微处理器结构特点:（1）集中控制分时处理；）集中控制分时处理；（2）CPU通过总线与存储器、通过总线与存储器、I/O相连，相连，构成构成CNC装置；装置；（3）结构简单，容易实现。）结构简单，容易实现。第61页，此课件共151页哦二、二、多微处理器结构的多微处理器结构的CNC装置装置 多主多主CPU结构中，有两个或两个以上结构中，有两个或两个以上的的CPU部件，部件之间采用紧耦合，部件，部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器有集中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成由硬件和软件组成)来解决总线争用问来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换题，通过公共存储器来进行信息交换。第62页，此课件共151页哦特点：特点：q能实现真正意义上的并行处理，处理能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能速度快，可以实现较复杂的系统功能。q容错能力强，在某模块出了故障后，通容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作过系统重组仍可断继续工作第63页，此课件共151页哦1、多处理机、多处理机CNC装置的基本功能模块装置的基本功能模块CNC管理模块管理模块 CNC插补模块插补模块位置控制模块位置控制模块 PLC模块模块 操作与控制数据输入操作与控制数据输入/输出和显示模块输出和显示模块存储器模块存储器模块 第64页，此课件共151页哦（1）CNC管理模块管理模块 系统初始化、中断管理、总线裁决系统初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软、硬、系统出错识别和处理、系统软、硬件诊断等。件诊断等。第65页，此课件共151页哦（2）CNC插补模块插补模块 译码、刀具半径补偿、坐标位译码、刀具半径补偿、坐标位移量计算和进给速度处理等预处理移量计算和进给速度处理等预处理，插补运算。，插补运算。第66页，此课件共151页哦（3）位置控制模块）位置控制模块 自动加减速，回基准点，伺服自动加减速，回基准点，伺服系统滞后量的监视和漂移补偿等。系统滞后量的监视和漂移补偿等。第67页，此课件共151页哦（4）PLC模块模块（5）MDI/CRT、I/O模块模块；（6）存储器模块。）存储器模块。第68页，此课件共151页哦2、多微处理器结构、多微处理器结构CNC装置的典型结构装置的典型结构v共享总线型共享总线型v共享存储器型共享存储器型第69页，此课件共151页哦（1）总线共享型结构）总线共享型结构多微处理器共享总线结构框图多微处理器共享总线结构框图 第70页，此课件共151页哦FANUC 15系统硬件结构系统硬件结构FANUC BUS操作面板图形显示模块(CPU)通讯模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储器模块插补模块(CPU)PLC模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控制模块CRT/MDII/O单元伺服驱动单元主轴单元第71页，此课件共151页哦结构特征：结构特征：功能模块分为带有功能模块分为带有CPU或或DMA的主模块和的主模块和从模块从模块(RAM/ROM，I/O模块模块)以系统总线为中心，所有的主、从模块都插以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上在严格定义的标准系统总线上采用总线仲裁机构采用总线仲裁机构(电路电路)来裁定多个模块来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题同时请求使用系统总线的竞争问题第72页，此课件共151页哦 支持多微处理器系统的总线结构都支持多微处理器系统的总线结构都设计有设计有总线仲裁总线仲裁机构，常用的方式有：机构，常用的方式有：式式、并并行行总总线线仲仲裁裁连连接接方方式式、串串行行总总线线仲仲裁裁连连接接方方21第73页，此课件共151页哦串行总线仲裁连接方法串行总线仲裁连接方法第74页，此课件共151页哦 串行总线仲裁方式中，优先权的排列是按连接位置串行总线仲裁方式中，优先权的排列是按连接位置决定的。决定的。某个主模块只有在前面优先权更高的主模块不占用某个主模块只有在前面优先权更高的主模块不占用总线时，才可使用总线。同时通知它后面优先权较低的总线时，才可使用总线。同时通知它后面优先权较低的主模块不得使用总线。主模块不得使用总线。第75页，此课件共151页哦并行总线仲裁框图并行总线仲裁框图第76页，此课件共151页哦 并行总线仲裁方式中，通常采用优先权编码方案。并行总线仲裁方式中，通常采用优先权编码方案。这这种结构的模块之间的通信，主要依靠存储器来实现。种结构的模块之间的通信，主要依靠存储器来实现。大部分系统采用公共存储器方式大部分系统采用公共存储器方式。第77页，此课件共151页哦共享总线结构的优点共享总线结构的优点 结构简单、系统组配灵结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高活、成本相对较低、可靠性高第78页，此课件共151页哦共享总线结构的缺点共享总线结构的缺点n总线是系统的总线是系统的“瓶颈瓶颈”，一旦系统总，一旦系统总线出现故障，将使整个系统受到影响线出现故障，将使整个系统受到影响；n由于使用总线要经仲裁，使信息传输由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低率降低第79页，此课件共151页哦第三节第三节 CNC装置的软件结构装置的软件结构 CNC装置的软件是为了完成装置的软件是为了完成CNC数数控机床的各项功能而专门设计和编制的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，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工作特点的分工，也取决于软件本身的工作特点。第80页，此课件共151页哦一、软件与硬件在实现各种功能的特点和关系一、软件与硬件在实现各种功能的特点和关系关系：关系：从理论上讲从理论上讲，硬件能完成的功能也，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。看，软件与硬件在逻辑上是等价的。第81页，此课件共151页哦特点特点：n硬件处理速度快，但灵活性差，实现硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难；复杂控制的功能困难；n软件设计灵活，适应性强，但处理速软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。度相对较慢。第82页，此课件共151页哦软件、硬件实现功能的分配：软件、硬件实现功能的分配：第83页，此课件共151页哦功能界面划分的准则功能界面划分的准则系统的性能价格比系统的性能价格比第84页，此课件共151页哦二、二、CNC装置的软件结构特点装置的软件结构特点最突出特点：最突出特点：多任务并行处理多任务并行处理多重实时中断多重实时中断 第85页，此课件共151页哦1、多任务并行处理、多任务并行处理（1）CNC装置的多任务性装置的多任务性任务定义：任务定义：可并发执行的程序在一个数据集可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。合上的运行过程。第86页，此课件共151页哦CNC的功能则可定义为的功能则可定义为CNC的任务：的任务：位位置置控控制制插插补补运运算算速速度度处处理理刀刀具具补补偿偿译译码码控控制制软软件件诊诊断断显显示示零零件件程程序序的的输输入入输输出出管管理理软软件件系系统统软软件件 CNC 第87页，此课件共151页哦CNC系统的任务要求并行处理：系统的任务要求并行处理：为了保证控制的连续性和为了保证控制的连续性和各任务执行的各任务执行的时序配合时序配合要求，要求，CNCCNC系统的任务必须采用并行处系统的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。理，而不能逐一处理。第88页，此课件共151页哦（2）并行处理）并行处理 并行处理是计算机在并行处理是计算机在同一时刻同一时刻或或同一同一时间间隔时间间隔内完成两种或两种以上性质相内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作，运用并行处理技术可同或不同的工作，运用并行处理技术可提高运算速度。提高运算速度。第89页，此课件共151页哦采用并行处理技术的目的采用并行处理技术的目的：合理使用和调配合理使用和调配CNCCNC系统的资源系统的资源 提高提高CNCCNC系统的处理速度。系统的处理速度。第90页，此课件共151页哦并行处理的方法有：并行处理的方法有：资源共享资源共享资源重复资源重复时间重叠时间重叠第91页，此课件共151页哦 资源共享资源共享是根据是根据“分时共享分时共享”的原的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备；设备；时间重叠时间重叠使根据流水线处理技术，使根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个部分；使用同一套设备的几个部分；资源重复资源重复是通过增加资源（如多是通过增加资源（如多CPU）提高运算速度。）提高运算速度。第92页，此课件共151页哦 CNC装置的装置的硬件设计硬件设计普遍采用普遍采用资源重复资源重复的并行处理方法；的并行处理方法；CNC装置的装置的软件设计软件设计常采用常采用资资源分时共享源分时共享和和资源重叠资源重叠的流水的流水线处理技术线处理技术第93页，此课件共151页哦1）资源分时共享并行处理）资源分时共享并行处理在在单单CPU装置装置中，主要采用中，主要采用CPU分时共享的分时共享的原则来解决多任务的同时运行原则来解决多任务的同时运行。资源分时共享资源分时共享在规定的时间长度（时在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用定它们占用CPU的时间，使它们分时共享的时间，使它们分时共享系统的资源。系统的资源。第94页，此课件共151页哦“资源分时共享资源分时共享”的技术关键：的技术关键：其一：各任务的优先级分配问题其一：各任务的优先级分配问题其二：各任务占用其二：各任务占用CPU的时间长度，的时间长度，即即时间片的分配问题时间片的分配问题第95页，此课件共151页哦资源（资源（CPUCPU）分时共享图）分时共享图译码译码刀补刀补I/O显示显示初始初始化化位置控制位置控制插补运算插补运算背景程序背景程序4ms8ms16ms中断级别高中断级别高中断级别低中断级别低第96页，此课件共151页哦各任务占用CPUCPU 时间示意图0ms 4ms 8ms 12ms 16ms位置控制插补运算背景程序第97页，此课件共151页哦资源分时共享技术的特征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在任何一个时刻只有一个任务占用CPU；在一个时间片（如在一个时间片（如8ms或或16ms）内，）内，CPU并行地执行了两个或两个以上的任并行地执行了两个或两个以上的任务。务。第98页，此课件共151页哦 因此，资源分时共享的并因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务还是逐从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。一执行的。第99页，此课件共151页哦2、实时中断处理实时中断处理 CNC系统的中断管理主要由硬件系统的中断管理主要由硬件完成，而系统软件的结构则取决于系完成，而系统软件的结构则取决于系统的中断结构。统的中断结构。第100页，此课件共151页哦n硬件主要提供支持中断功能的芯片和电硬件主要提供支持中断功能的芯片和电路，如中断管理芯片（路，如中断管理芯片（8259或功能相同或功能相同的芯片），定时器计数器（的芯片），定时器计数器（8253、8254等）等。等）等。n软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务优先级的定义、任务切换（断点的保护于优先级的定义、任务切换（断点的保护于恢复、中断向量的保存与恢复等）等。恢复、中断向量的保存与恢复等）等。第101页，此课件共151页哦（1）CNC系统的中断类型系统的中断类型1）外部中断；外部中断；2）内部定时中断；）内部定时中断；3）硬件故障中断；）硬件故障中断；4）程序性中断。）程序性中断。第102页，此课件共151页哦（2）CNC系统中断结构模式系统中断结构模式n前后台型中断模式前后台型中断模式n中断型结构模式中断型结构模式第103页，此课件共151页哦1）中断型结构模式）中断型结构模式 这种结构是将除了初始化程序之外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，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）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。整对各级中断服务程序实施调度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。个软件就是一个大的中断管理系统。第104页，此课件共151页哦中断型结构中断优先级别划分中断型结构中断优先级别划分优先级优先级主要功能主要功能中断源中断源0初始化初始化开机后进入开机后进入1CRT显示、显示、ROM校验校验硬件、主程序硬件、主程序2工作方式选择、插补准备工作方式选择、插补准备16ms软件定时软件定时3PLC控制控制16ms软件定时软件定时4参数、变量、数据存储器控制参数、变量、数据存储器控制 硬件硬件5插补运算插补运算8ms软件定时软件定时6监控和急停信号监控和急停信号8ms软件定时软件定时7RS-232C输入中断输入中断硬件随机硬件随机8纸带阅读机纸带阅读机硬件随机硬件随机9报警报警串行传送报警串行传送报警10非屏蔽中断非屏蔽中断非屏蔽中断产生非屏蔽中断产生第105页，此课件共151页哦中断型结构模式的特点中断型结构模式的特点(了解了解)任务调度机制：任务调度机制：抢占式优先调度。抢占式优先调度。信息交换：信息交换：缓冲区。缓冲区。实时性好。实时性好。由于中断级别较多（最多可达由于中断级别较多（最多可达8级级），强实时性任务可安排在优先级较高的），强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。中断服务程序中。模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。的维护和扩充。第106页，此课件共151页哦2）前后台型结构模式）前后台型结构模式整个系统软件分为两大部分：整个系统软件分为两大部分：前台程序前台程序后台程序后台程序。第107页，此课件共151页哦前台程序前台程序：是一个是一个实时中断程序实时中断程序，完成几乎，完成几乎全部的实时功能，实现与机床动作直接相全部的实时功能，实现与机床动作直接相关的功能。如：插补、位控、机床相关逻关的功能。如：插补、位控、机床相关逻辑和监控等。辑和监控等。第108页，此课件共151页哦后台程序后台程序：是一个是一个循环执行程序循环执行程序。如：输。如：输入、译码、数据处理等插补前的准备工入、译码、数据处理等插补前的准备工作和管理程序。作和管理程序。第109页，此课件共151页哦前后台程序运行关系图前台程序前台程序故障处理故障处理位置控制位置控制插补运算插补运算后台程序后台程序译译 码码刀补处理刀补处理速度预处理速度预处理输入输入/输出输出显示显示中断执行中断执行循环执行循环执行第110页，此课件共15