4 CNC装置的硬软件结构1.ppt

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1、CNC本章内容本章内容第四章第四章 计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNCCNC装置的硬件结构装置的硬件结构CNCCNC装置的软件结构装置的软件结构可编程控制器（可编程控制器（PLCPLC）典型的典型的CNCCNC系统简介系统简介CNC4.1 4.1 概述概述一、一、CNC系统系统功能：功能：CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，以多执系统是一种位置（轨迹）控制系统，以多执行部件行部件(各运动轴各运动轴)的位移量为控制对象并使其协调的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。的计算机控制系统。二、二、CN

2、C系统系统组成：组成：程序、输入装置、输出装置、程序、输入装置、输出装置、CNC装置、装置、PLC、主轴驱动装置、进给伺服驱动装置。主轴驱动装置、进给伺服驱动装置。从外部特征来看，从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。CNC面板控制单元主轴电机进给伺服电机电子手轮I/O模块机床控制面板CNC键盘驱动系统4.1 4.1 概述概述CNC1、组成：、组成：中央处理单元（中央处理单元（CPU）和总线、存储器（）和总线、存储器（ROM、RAM）、输入）、输入/输出（输出（I/O）接口及相应的外设

3、、）接口及相应的外设、PLC、主轴控制单元、速度进给控制单元。主轴控制单元、速度进给控制单元。ABDBCB4.1 4.1 概述概述CNC2、中央处理单元（、中央处理单元（CPU）和总线（）和总线（BUS）1)中央处理单元中央处理单元CPU计算机系统的核心，由运算器、控制器和内存寄存器计算机系统的核心，由运算器、控制器和内存寄存器组成，用于逻辑运算和算术运算及系统的综合控制等。组成，用于逻辑运算和算术运算及系统的综合控制等。2)总线（总线（BUS）总线是微机各部件间进行通信的通道，微机各部件间总线是微机各部件间进行通信的通道，微机各部件间的数据传输只有通过总线才能实现。分为三种信号线的数据传输只

4、有通过总线才能实现。分为三种信号线1.地址总线：地址总线：传送地址信息的通道。传送地址信息的通道。2.数据总线：数据总线：传送数据信息的通道，数据线的数传送数据信息的通道，数据线的数量决定了数据传送、运算和处理的规模。量决定了数据传送、运算和处理的规模。3.控制总线：控制总线：地址总线和数据总线分别是外部设地址总线和数据总线分别是外部设备和备和CPU之间传送地址信息和数据信息的通道。控制之间传送地址信息和数据信息的通道。控制总线是完成各种控制功能的通道。总线是完成各种控制功能的通道。4.1 4.1 概述概述CNC3、存储器、存储器（memory）1)功用功用：存储系统软件、参数和零件加工程序，

5、并将运算的中存储系统软件、参数和零件加工程序，并将运算的中间结果和处理后的结果存储起来。间结果和处理后的结果存储起来。2)种类种类：半导体存储器半导体存储器3)分类分类：随机存取存储器：随机存取存储器RAM 只读存储器只读存储器ROM 串行存储器串行存储器 双极型双极型 MOSMOS型型 固定固定ROMROM（掩膜（掩膜ROMROM）一次性可一次性可编编程程ROMROM（PROMPROM）光可擦除可编程光可擦除可编程ROMROM（EPROMEPROM）电可擦除可编程电可擦除可编程ROMROM（E2PROME2PROM）存储系统软件存放工作参数、加工程序4.1 4.1 概述概述CNC4、输入、输

6、入/输出（输出（I/O）接口电路及相应的外部设备）接口电路及相应的外部设备1)I/O接口接口接口电路是接口电路是CPU与外部设备之间的连接电路与外部设备之间的连接电路。CNC装装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将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。分输入接口、输出装置中的数据送给输出设备。分输入接口、输出接口、双向接口。接口、双向接口。2)I/O接口功能接口功能o把外设送往把外设送往CNC的信息转换成的信息转换成CPU能接受的格式；能接受的格式；o把数控系统送往外设的信息转换成外设能接受的格式把数控系统送往外设的信息转换成外设能接受的格式o在在

7、CNC与外设间起缓冲作用（平衡信号电平和传输速与外设间起缓冲作用（平衡信号电平和传输速率）率）4.1 4.1 概述概述CNC3、I/O接口接口o人机界面接口人机界面接口o通信网络接口通信网络接口o进给轴的位置控制接口进给轴的位置控制接口o主轴控制接口主轴控制接口oMST控制接口控制接口键盘键盘MDIMDI显示器显示器CRTCRT操作面板操作面板手摇脉冲发生器手摇脉冲发生器4.1 4.1 概述概述CNC例：例：MDI接口框图接口框图译码驱动器移位寄存器控制选通检查报警选择器门电路移位寄存器RAMRC电路C1C2键盘定时控制门电路沿检测RC电路门电路RC电路门电路DINSRI-N4.1 4.1 概

8、述概述CNC4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构CNC系统的硬件结构，系统的硬件结构，按其中含有按其中含有CPU的多少可分为：的多少可分为：单微处理机结构和多微处理机结构；单微处理机结构和多微处理机结构；按电路板的结构特点可分为：按电路板的结构特点可分为：大板结构和模块化结构。大板结构和模块化结构。CNC一、单微处理机结构和多微处理机结构一、单微处理机结构和多微处理机结构1、单微处理机结构、单微处理机结构o整个整个CNC装置只有一个装置只有一个CPU，它集中控制和管理，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整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种NC功

9、能。功能。o主从结构，系统中只有一个主从结构，系统中只有一个CPU(称为主称为主CPU)对系对系统的资源有控制和使用权，其它带统的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发发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以从属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。地位的，故称之为主从结构。4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构CNC2、多微处理机结构、多微处理机结构在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机，在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机，CPU

10、之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器过总线仲裁器(由硬件和软件组成由硬件和软件组成)来解决总线争来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。用问题，通过公共存储器来进行信息交换。特点：特点：能实现真正意义上的并行处理，处理速度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。快，可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，通过系容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作统重组仍可断继续工作结构形式结构形式：共享总线结构型、共享存储器结构型。：共享总线结构型、共享存储器结构型。4.2 CNC4.2

11、 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构CNC共享存储器结构共享存储器结构显示CPU键盘中央CPU插补CPU串口和收发器CTRC并 行 接 口反馈脉冲处理EPROMEPROMRAM/EPROM512 RAMRAM 512 字符发生器CRT模拟量输出机床接口反馈信号收发器X Y Z C W4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构CNC结构特征：结构特征：o面向公共存储器来设计的，即采用多端口来实面向公共存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯，现各主模块之间的互连和通讯，o采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲

12、突的矛盾。多端口存储器冲突的矛盾。由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口（双端口RAM）。）。4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构CNCFANUC 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F

13、ANUC 15系统硬件结构系统硬件结构4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构CNC 结构特征：结构特征：o功功能能模模块块分分为为带带有有CPU或或DMA的的主主模模块块和和从模块从模块(RAM/ROM，I/O模块模块)，o以系统总线为中心，所有的主、从模块都以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上，插在严格定义的标准系统总线上，o采采用用总总线线仲仲裁裁机机构构(电电路路)来来裁裁定定多多个个模模块块同同时请求使用系统总线的竞争问题。时请求使用系统总线的竞争问题。4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构CNC二、大板式结构与功能模块式

14、结构二、大板式结构与功能模块式结构1 1、大板式结构、大板式结构CNCCNC装置由主电路板、图形控制板、装置由主电路板、图形控制板、PLCPLC板、位置控制板、位置控制板、电源单元组成。其它功能板为插在主电路大印刷板、电源单元组成。其它功能板为插在主电路大印刷板插槽内。板插槽内。4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构CNC2 2、功能模块式结构、功能模块式结构将将CPUCPU、存储器、输入输出控制、位置检测、显示、存储器、输入输出控制、位置检测、显示部件等分别做成插件板（硬件模块），相应的软件部件等分别做成插件板（硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模

15、块形也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形成一个功能模块。将各功能模块插入控制单元母板成一个功能模块。将各功能模块插入控制单元母板构成构成CNCCNC装置。装置。4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构CNC4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件一、一、CNCCNC系统软件的组成与功能系统软件的组成与功能1 1、组成、组成CNCCNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，该操作系统由作系统，该操作系统由CNCCNC管理软件和管理软件和CNCCNC控制软控制软件两部分组成。件两部分组成。操作系统操作系统管理软件管理软件控制软件

16、控制软件零零件件程程序序管管理理显显示示处处理理输输入入输输出出管管理理机机床床输输入入输输出出位位置置控控制制故故障障诊诊断断处处理理插插补补运运算算主主轴轴控控制制编编译译处处理理刀刀具具补补偿偿.CNC4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件一、一、CNCCNC系统软件的组成与功能系统软件的组成与功能1 1、组成、组成CNCCNC系统软件和硬件的分工是不固定的。系统软件和硬件的分工是不固定的。输 入预处理位置检测插补运算位置控制速度控制伺服电机程序硬件硬件硬件硬件硬件软件软件软件软件 软件和硬件的功能界面 CNC2 2、CNCCNC系统的软件功能系统的软件功能输入程序输入程序任务：把加工

17、程序、控制参数和补偿数据输入到任务：把加工程序、控制参数和补偿数据输入到CNCCNC装置中。装置中。译码程序译码程序将程序段中的工件轮廓信息、加工进给速度等工将程序段中的工件轮廓信息、加工进给速度等工艺信息和辅助信息翻译成计算机识别的数据形式，艺信息和辅助信息翻译成计算机识别的数据形式，并按一定格式存放在指定的内存专用区域。翻译并按一定格式存放在指定的内存专用区域。翻译过程中对程序段进行语法检查，发现错误立即报过程中对程序段进行语法检查，发现错误立即报警。警。数据处理程序数据处理程序任务：刀具半径补偿程序、速度计算程序、辅助任务：刀具半径补偿程序、速度计算程序、辅助功能的处理功能的处理4.3

18、CNCCNC系统的软件系统的软件CNC数据处理程序数据处理程序刀具刀具半径补偿半径补偿刀补处理的主要工作：刀补处理的主要工作：o根据根据G90/G91G90/G91计算零件轮计算零件轮廓的终点坐标值。廓的终点坐标值。o根据根据R R和和G41/42G41/42，计算本，计算本段刀具中心轨迹的终点坐段刀具中心轨迹的终点坐标值。标值。o根据本段与前段连接关根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。系，进行段间连接处理。B（XB，YB）XRA（XA，YA）G41G42Y4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC刀具半径补偿方法刀具半径补偿方法 ：oB B刀补：刀补：对加工轮廓的连接都是对加工轮廓

19、的连接都是以园弧进行的。但无法以园弧进行的。但无法满足实际应用中的许多满足实际应用中的许多要求，现在用得较少。要求，现在用得较少。oC C刀补刀补采用直线作为轮廓之间采用直线作为轮廓之间的过渡，因此，它的尖的过渡，因此，它的尖角性好，并且它可自动角性好，并且它可自动预报预报(在内轮廓加工时在内轮廓加工时)过切，以避免产生过切过切，以避免产生过切ABC”CBAG41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C数据处理程序数据处理程序刀具半径补偿刀具半径补偿4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC数据处理程序数据处理程序速度计算速度计算任务：任务：加工程序给定的进给速度，在各坐标的合成方加工程序给定

20、的进给速度，在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。成速度来计算各运动坐标的分速度。4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC插补计算程序插补计算程序任务：任务：在所需的路径或轮廓线上的起点和终点之间，在所需的路径或轮廓线上的起点和终点之间，根据某一数学函数如直线、圆弧、高阶函数，来根据某一数学函数如直线、圆弧、高阶函数，来确定其多个中间点位置坐标的运算过程。确定其多个中间点位置坐标的运算过程。插补程序以系统规定的插补周期插补程序以系统规定的插补周期t t定时运行，定时运行，在每个插补周期运行一次，

21、在每个插补周期内，在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常，经过若干次插补周期后通常，经过若干次插补周期后 ，插补加工完一，插补加工完一个程序段轨迹。个程序段轨迹。经经插插补补计计算算后后的的数数据据存存放放在在运运行行缓缓冲冲区区中中，以供位置控制程序之用。以供位置控制程序之用。4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC伺服（位置）控制软件伺服（位置）控制软件任务任务 在每个插补周期内，在每个插补周期内，各个坐标轴的伺服系统将各个坐标轴的伺服系统将插补结果作为各个坐标轴位置调节器的指令值，机插补

22、结果作为各个坐标轴位置调节器的指令值，机床上位置检测元件测得的位移作为实际位置值。位床上位置检测元件测得的位移作为实际位置值。位置调节器将置调节器将理论位置与实际反馈位置理论位置与实际反馈位置进行比较，经进行比较，经过调节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各过调节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系统驱动机床坐标轴运动。通过各个坐标轴轴伺服系统驱动机床坐标轴运动。通过各个坐标轴运动的合成，产生数控加工程序所要求的工件轮廓运动的合成，产生数控加工程序所要求的工件轮廓尺寸。尺寸。4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC输出程序输出程序任务：任务：o进行伺服控制进行伺服控制o反向间

23、隙补偿反向间隙补偿o进行丝杠螺距误差补偿进行丝杠螺距误差补偿oM M、S S、T T辅助功能输出辅助功能输出管理程序管理程序诊断程序诊断程序4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC二、二、CNCCNC系统软件的特点和结构系统软件的特点和结构1 1、CNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点多任务性与并行处理技术多任务性与并行处理技术o多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插补处多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、理、位置控制、o并行处理：系统在并行处理：系统在同一时间间隔同一时间间隔或或同一时刻同一时刻内完成内完成两个或两个以上任务处理。两个或两个以上任务处理

24、。o并行处理的实现方式：并行处理的实现方式：资源分时共享（单资源分时共享（单CPUCPU）：如图）：如图4-214-21 资源重叠流水处理（多资源重叠流水处理（多CPUCPU）:如图如图4-214-214.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC资源分时共享（单资源分时共享（单CPUCPU）在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用性的要求，规定它们占用CPUCPU的时间，使它们分时共的时间，使它们分时共享系统的资源。享系统的资源。o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

25、有一个任务占用CPUCPU；在一个时间片（如在一个时间片（如8ms8ms或或16ms16ms）内，）内，CPUCPU并行地执并行地执行了两个或两个以上的任务。行了两个或两个以上的任务。4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC资源重叠流水处理（多资源重叠流水处理（多CPUCPU）流水处理技术是利用重复的资源（流水处理技术是利用重复的资源（CPUCPU），将一个大的），将一个大的任务分成若干个子任务，这些小任务是彼此关系的，然后任务分成若干个子任务，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

26、加工零件的流水作业一样。产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。o资源重叠流水处理的特征资源重叠流水处理的特征 流水处理在任何时刻（流水处理除开始和结束外）流水处理在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以上的任务在并发执行。均有两个或两个以上的任务在并发执行。流水处理的关键是流水处理的关键是时间重叠时间重叠4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC1.多任务性与并行处理技术（1）CNC控制要求的多任务性任务定义：可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。CNC的功能则可定义为CNC的任务：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制

27、显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、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为了保证控制的连续性和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理，而不能逐一处理系统的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNCq（2）基于并行处理的多任务调度技术并行处理定义：n系系统统在在同同一一时时间间间间隔隔或或同同一一时时刻刻内内完完成成两两个或两个以上任务处理的方法。个或两个以上任务处理的方法。采用并行处理技术的目的：n合理使用和调配CNC系统的资源n提高CNC系统的处理速度。4.3 CNCCN

28、C系统的软件系统的软件CNCq（3）并行处理的实现方式：资源分时共享并发处理（例如：流水处理）这些实现方式与CNC系统的硬件结构密切相关。4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNCq （4）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，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。其二：各任务占用CPU的时间长度，即 时间片的分配问题。4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC资源（CPU）分时共享图 译码

29、译码刀补刀补I/O显示显示初始化初始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4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC0 ms 4ms 8ms 12ms 16ms位置控制插补运算背景程序各任务占用各任务占用CPU CPU 时间示意图时间示意图4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC资源分时共享技术的特征:q在任何一个时刻只有一个任务占用CPU；q在一个时间片（如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。4.3

30、 CNCCNC系统的软件系统的软件CNCq（5）并发处理和流水处理（对多资源的系统）在多CPU结构的CNC系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种并行处理技术：若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上同时执行 并发处理并发处理；若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取流水处理流水处理的方法来实现并行处理。4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC流水处理技术的涵义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

31、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。4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC流水处理技术示意图流水处理技术示意图 1231232tt空空间间时间时间顺序处理顺序处理输输出出输输出出CPU1时间时间t+t tt空空间间111333222输输出出输输出出输输出出CPU1CPU2CPU3并行处理并行处理4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC并发处理和流水处理的特征q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并发执行。q并发处理和流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。4.3

32、CNCCNC系统的软件系统的软件CNC多重实时中断处理多重实时中断处理 实时性和优先抢占调度机制中断中断：中止现行程序去执行另一个程序，待另一个程：中止现行程序去执行另一个程序，待另一个程序处理完毕后，再返回继续执行原程序。序处理完毕后，再返回继续执行原程序。多重中断多重中断：将中断按级别优先权排队，高级中断源能：将中断按级别优先权排队，高级中断源能中断低级的中断处理，等高级中断处理完毕后，再返中断低级的中断处理，等高级中断处理完毕后，再返回接着处理低级中断尚未完成的工作。回接着处理低级中断尚未完成的工作。实时实时：任务的执行有严格时间要求（任务必须在规定：任务的执行有严格时间要求（任务必须在

33、规定时间内完成或响应）时间内完成或响应）实时周期性任务实时周期性任务：任务是精确地按一定时间间隔发生：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。许被其它任何任务中断。4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC（1）实时性任务的定义和分类q实时性定义实时性定义:任任务务的的执执行行有有严严格格时时间间要要求求（

34、任任务务必必须须规规定定时时间间内内完完成成或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障的特性。或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障的特性。q实时性任务分类实时性任务分类:强实时性任务强实时性任务 实时突发性任务；实时周期性任务实时突发性任务；实时周期性任务 弱实时性任务弱实时性任务4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC（2）强实时性任务q实时突发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。q实时周期性任务实时周期性任务：任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括插补

35、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。4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC（3）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。4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNCl （4）抢占式优先调度机制 多任务系统的任务调

36、度方法：q循环调度法简单循环调度法时间片轮换调度法q优先调度法抢占式优先调度法非抢占式优先调度法4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC（5）抢占式优先调度机制功能q抢占方式抢占方式：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q优先调度：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。4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC（6）CNC系统中采用的任务调度机制q抢占式优先调度；q时间片轮换调度；q非抢占式优先调度。4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC2 2、CNC

37、CNC装置的软件结构的分类装置的软件结构的分类前后台型结构前后台型结构此结构将此结构将CNCCNC系统软件划分成两部分：系统软件划分成两部分：o前台程序前台程序:主要完成插补运算、位置控制、故障诊主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性强的任务，它是一个实时中断服务程序。断等实时性强的任务，它是一个实时中断服务程序。o后台程序后台程序(背景程序背景程序):):完成显示、零件加工程序的完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入编辑管理、系统的输入/输出、插补预处理（译码、输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理刀补处理、速度预处理)等弱实时性的任务，它是一等弱实时性的任务，它是一个循环

38、运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被个循环运行的程序，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。加工任务。该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早期的该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早期的CNCCNC系统大都采用这种结构。系统大都采用这种结构。4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件前后台程序运行关系图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/

39、输出输出显示显示中断执行中断执行循环执行循环执行CNC中断型结构中断型结构此结构除了初始化程序之外，整个系统软件的各此结构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）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。整个软件就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。是一个大的中断管理系统。4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC、中断优先级安排、中断优先级安排开机初始化中断1级CRT显示ROM校验2级工作方式选择数据预处理

40、3级PLC控制MST处理4级数据存储器校验5级插补位置控制补偿6级定时与监控7级ASR键盘输入8级纸带阅读处理9级串行报警中断10级非屏蔽中断4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC中断源：中断源：o由时钟或其它外部设备产生的中断请求信号，即硬由时钟或其它外部设备产生的中断请求信号，即硬件中断。件中断。o由程序产生的中断信号，即软件中断。由程序产生的中断信号，即软件中断。优先级功能中断源优先级功能中断源1CRT显示ROM校验由初始化转入6监控急停信号，定时2、3、5级2ms硬件件定时2工作方式选择数据预处理16ms软件定时7ASR键盘输入及RA232C输入硬件随机3PLC控制MST处理1

41、6ms软件定时8纸带阅读处理中导孔输入4参数、变量、数据存储器控制硬件DMA9报警串行传送报警5插补位置控制补偿8ms软件定时10RAM校验、电源断开硬件非屏蔽中断4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC 多重中断结构数控系统软件的工作过程多重中断结构数控系统软件的工作过程 各级中断程序间的通信方式各级中断程序间的通信方式o设置软件中断设置软件中断o设置标志设置标志4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNCCNCCNC系统的工作过程系统的工作过程:1 1、CNCCNC系统的数据段历程系统的数据段历程零件程序缓冲器如G01、X、Y、F译码程序译码结果寄存器置标志位“1”数据处理结果缓冲

42、器算刀补值及各轴分速度插补工作寄存器X2，Y2，段值数据处理程序插补程序速度指令跟随误差伺服程序输出X3，Y3X1Y1反馈4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC2 2、CNCCNC系统自动工作时的总体流程系统自动工作时的总体流程入口入口输入纸带或纸带或MDIMDI将零件程序按将零件程序按ASCBCDASCBCD形式输入至存储区或形式输入至存储区或调出至缓冲区调出至缓冲区译码译码预计算预计算插补插补伺服位置控制伺服位置控制结束结束置标志位置标志位“1”1”，BCDBBCDB等等刀补，算刀心坐标刀补，算刀心坐标速度处理算段长，速度处理算段长，M M、S S、T T处理处理算段值算段值X X

43、，Y Y，Z Z算跟随误差，乘上放大系数即算跟随误差，乘上放大系数即为速度指令为速度指令4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件CNC一、定义：一、定义：可编程控制器（简称可编程控制器（简称PLCPLC）是以微处理器技术为基）是以微处理器技术为基础，综合了计算机、自动化和通信技术的一种新型工础，综合了计算机、自动化和通信技术的一种新型工业控制装置。业控制装置。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，采用可编程存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑采用可编程存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数操作等面向用户运算、顺序控制、

44、定时、计数和算数操作等面向用户的指令，的指令，并通过数字式或模拟式输入并通过数字式或模拟式输入/输出方式控制输出方式控制各种类型的机器或生产过程。各种类型的机器或生产过程。可编程控制器具有很强的逻辑运算能力，而且可编程控制器具有很强的逻辑运算能力，而且PLCPLC的输入的输入/输出接口适应了工业过程的需要，具有功输出接口适应了工业过程的需要，具有功率放大的功能，可直接带负载运行，这就是率放大的功能，可直接带负载运行，这就是PLCPLC在工在工业控制上优于普通微型计算机的地方。业控制上优于普通微型计算机的地方。4.4可编程控制器可编程控制器PLCPLCCNC二、二、CNCCNC系统中的系统中的P

45、LCPLC1 1、作用：、作用：完成各种辅助功能完成各种辅助功能o机床主轴的起停、正反转控制及主轴转速的控制、机床主轴的起停、正反转控制及主轴转速的控制、倍率的选择。倍率的选择。o机床冷却、润滑系统的接通和断开。机床冷却、润滑系统的接通和断开。o机床刀库的起停和刀具的选择、更换。机床刀库的起停和刀具的选择、更换。o机床卡盘的夹紧、松开。机床卡盘的夹紧、松开。o机床自动门的打开、闭合。机床自动门的打开、闭合。o机床尾座和套筒的起停、前进、后退控制。机床尾座和套筒的起停、前进、后退控制。o机床排屑等辅助装置的控制。机床排屑等辅助装置的控制。4.4可编程控制器可编程控制器PLCPLCCNC2 2、类

46、型：、类型：内装型、独立型内装型、独立型3 3、内装型、内装型 内装型内装型PLC PLC 内装型内装型PLCPLC从属于从属于CNCCNC装置，装置，PLCPLC与与NCNC间的信号传送在间的信号传送在CNCCNC装置内部实现。装置内部实现。CNC计计算算机机PLCI/O电电路路操作面板操作面板强电电路强电电路主轴单元主轴单元进给控制单元进给控制单元进给电动机进给电动机主轴电动机主轴电动机辅助动作辅助动作换刀动作换刀动作冷却排屑冷却排屑S、TMDI/CRT面板面板MCNC装装置置4.4可编程控制器可编程控制器PLCPLCCNC3 3、内装型、内装型PLCPLC特点：特点：1 1）实际上是）实

47、际上是CNCCNC装置带有装置带有PLCPLC功能；功能；2 2）一般单独制成一块附加板，插装到）一般单独制成一块附加板，插装到CNCCNC主板插座主板插座上，不单独配备上，不单独配备I/OI/O接口。接口。3 3）采用内装型）采用内装型PLCPLC结构，结构，CNCCNC系统可以具有某些高系统可以具有某些高级控制功能，如梯形图编辑和传送功能等。级控制功能，如梯形图编辑和传送功能等。4.4可编程控制器可编程控制器PLCPLCCNC4 4、独立型、独立型PLCPLC 独立型独立型PLCPLC独立于独立于CNCCNC装置，具有完备的硬件装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置

48、。和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置。CNC计计算算机机PLCI/O电电路路操作面板操作面板强电电路强电电路主轴速度主轴速度控制单元控制单元进给控制单元进给控制单元进给电动机进给电动机主轴电动机主轴电动机辅助动作辅助动作换刀动作换刀动作冷却排屑冷却排屑S、TMDI/CRT面板面板MI/O电电路路I/O电电路路PLC装置装置CNC装装置置4.4可编程控制器可编程控制器PLCPLCCNC4 4、独立型、独立型PLCPLC特点：特点：独立型独立型PLCPLC具有基本功能：具有基本功能：CPUCPU及其控制电路、系及其控制电路、系统程序存储器、用户程序存储器、输入输出接口电统程序存储器、用户程

49、序存储器、输入输出接口电路和编程器等外部设备通信的接口及电源等。路和编程器等外部设备通信的接口及电源等。独立型独立型PLCPLC一般采用搭积木式模块化结构或笼式插一般采用搭积木式模块化结构或笼式插板结构，各功能电路都做成独立的模块或印刷电路板结构，各功能电路都做成独立的模块或印刷电路板，具有安装方便、易于扩展功能和变更等优点。板，具有安装方便、易于扩展功能和变更等优点。独立型独立型PLCPLC的输入输出点数可以通过的输入输出点数可以通过I/OI/O模块或插模块或插板的增减灵活配置。板的增减灵活配置。4.4可编程控制器可编程控制器PLCPLCCNC三、三、M M、S S、T T功能的实现功能的实

50、现1 1、辅助、辅助M M功能功能 PLCPLC完成的完成的M M功能是很广泛的。根据不同的功能是很广泛的。根据不同的M M代码，代码，可控制主轴的正反转及停止，主轴齿轮箱的变速，可控制主轴的正反转及停止，主轴齿轮箱的变速，冷却液的开、关、卡盘的夹紧和松开，以及自动换冷却液的开、关、卡盘的夹紧和松开，以及自动换刀装置机械手取刀、归刀等运动。刀装置机械手取刀、归刀等运动。4.4可编程控制器可编程控制器PLCPLCCNC2 2、主轴、主轴S S功能功能 S S用来指定主轴转速。用来指定主轴转速。CNCCNC装置将装置将S S代码送入代码送入PLCPLC，经过电平转换，经过电平转换(独立型独立型PL