第二章 数控系统组成原理.pdf

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1、1 百度文库帮手网 w w w.365x u e y u a n.c o m 免费帮下载 文库积分资料1 本文由w x w 102738贡献 p p t 文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。第二章 数控系统组成原理 主要内容 计算机数控系统 插补原理及方法 位置检测装置 进给伺服功能 辅助控制系统与PLC 辅助控制系统与 数控机床主轴驱动与控制 加工程序输入及预处理 1、计算机数控系统 数控机床的组成 图2.1 数控机床的组成 及输入输出装置 程序载体 及输入 输出装置 编好的数控程序，编好的数控程序，存放在便于输人到数控装置的一种存储载 体上，它可以

2、是穿孔纸带、磁卡、磁盘等，采用哪一种存储载体，体上，它可以是穿孔纸带、磁卡、磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。取决于数控装置的设计类型。输入装置将数控加工程序等各种信息输入到数控装置，输入装置将数控加工程序等各种信息输入到数控装置，输 出装置用于观察输入内容和数控系统的工作状态。常见的输入 出装置用于观察输入内容和数控系统的工作状态。常见的输入 输出装置有键盘、软驱、接口、接口、输出装置有键盘、软驱、RS232接口、USB接口、显示器、发 接口 接口 显示器、光指示器、操作控制面板等。光指示器、操作控制面板等。数控装置 数控装置是数控机床的核心，它包括CPU、存储器、各 数

3、控装置是数控机床的核心，它包括、存储器、种/接口、通用输入输出（/）接口以及相应的软件。接口、通用输入输出（接口以及相应的软件。数控装置接受输入装置送来的程序，进行编译、数控装置接受输入装置送来的程序，进行编译、运算和逻辑 处理后，输出各种信号控制机床的各个部分进行相应的动作。处理后，输出各种信号控制机床的各个部分进行相应的动作。这 些控制信号包括：各坐标轴的进给量、进给方向和速度的指令，些控制信号包括：各坐标轴的进给量、进给方向和速度的指令，经伺服驱动系统驱动各执行部件运动；主运动部件的变速、经伺服驱动系统驱动各执行部件运动；主运动部件的变速、换向 和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号；

4、控制冷却、和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号；控制冷却、润滑 的启停、工件和机床部件松开、夹紧、的启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度工作台转位等辅助指 令信号等。令信号等。可编程程序控制器（可编程程序控制器（PLC）主要作用是接收数控装置输出的主运动变速、主要作用是接收数控装置输出的主运动变速、刀具选择 交换、辅助装置动作等指令信号，经必要的编译、逻辑判断、交换、辅助装置动作等指令信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，以完成指令所规定的动作，以完成指令所规定的动作，此外还有行程p a g e

5、 1开关和监控检测等 开关信号也要经过PLC送到数控装置进行处理 送到数控装置进行处理。开关信号也要经过PLC送到数控装置进行处理。装在数控装置以外，将PLC装在数控装置以外，称为独立式 装在数控装置以外 称为独立式PLC；将PLC与；与 数控装置合为一体，称为内装型PLC。数控装置合为一体，称为内装型。伺服系统及位置检测装置 伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置（电机）伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置（电机）组成，与机床上的传动和执行部件组成进给系统。组成，与机床上的传动和执行部件组成进给系统。每个作进 给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。给运动的执行部件，都配有一套伺服驱

6、动系统。在半闭环和闭环伺服驱动系统中，还得使用位置检测装置，在半闭环和闭环伺服驱动系统中，还得使用位置检测装置，间接或直接测量执行部件的实际进给位移，间接或直接测量执行部件的实际进给位移，与指令位移进行 比较，纠正所产生的误差。比较，纠正所产生的误差。机床的机械部件 包括：主运动部件，进给运动执行部件如工作台、拖板 包括：主运动部件，进给运动执行部件如工作台、及其传动部件和床身立柱等支承部件，此外，还有冷却、及其传动部件和床身立柱等支承部件，此外，还有冷却、润 滑、排屑、转位和夹紧等辅助装置。排屑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交 对于加工中心类的数控机床

7、，还有存放刀具的刀库、换刀具的机械手等部件。换刀具的机械手等部件。与普通机床相比，数控机床传动结构要求更为简单，在 与普通机床相比，数控机床传动结构要求更为简单，精度、刚度、抗震性等方面要求更高，精度、刚度、抗震性等方面要求更高，传动装置的间隙要求 尽可能小，滑动面的摩擦因数要小，并要有恰当的阻尼，尽可能小，滑动面的摩擦因数要小，并要有恰当的阻尼，以 满足高定位精度和良好控制性能的要求。满足高定位精度和良好控制性能的要求。计算机数控系统硬件典型结构 大板式结构和功能模块式结构 按印刷电路板的插接方式进行划分 单机结构和多机结构 按CPU的个数划分 的个数划分 封闭式结构和软件开放式结构 按开放

8、性划分 大板式结构和功能模块式结构 一个系统一般都有一块大板，大板式结构的特点是,一个系统一般都有一块大板，称 为主板。内存、为主板。主板上装有CPU、内存、基本轴的位置控制电路 其他相关的子板（完成一定功能的电路板）等。其他相关的子板（完成一定功能的电路板），如ROM 板都直接插在主板上面，板、零件程序存储器板和PLC板都直接插在主板上面，组 系统的核心部分。成CNC系统的核心部分。大板式结构紧凑，体积小，可靠性高，价格低，大板式结构紧凑，体积小，可靠性高，价格低，有很 高的性价比，也便于机床的一体化设计，高的性价比，也便于机床的一体化设计，但它的硬件功能 不易变动，不利于组织生产。不易变动

9、，不利于组织生产。图2.2 大板式结构示意图 功能模块式结构是将CPU、存储器、输入输出控制分别做、存储器、功能模块式结构是将 成插件板（称为硬件模块）相应的软件也是模块结构，成插件板（称为硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化 在硬件模块中。硬软件模块形成一个特定的功能单元，在硬件模块中。硬软件模块形成一个特定的功能单元，称为功 能模块。功能模块间有明确定义的接口，可以进行信息交换。能模块。功能模块间有明确定义的接口，可以进行信息交换。用户只要按需要选用各种单元母板及所需功能模板，用户只要按需要选用各种单元母板及所需功能模板，再将 各功能模板插入控制单元母板的槽内，就搭成了自己需要的 各功

10、能模板插入控制单元母板的槽内，就搭成了自己需要的 系统 常见的功能模块有控制板、位置控制板、p a g e 2 系统。控制板 系统。常见的功能模块有 控制板、位置控制板、板 图形板、通信板及主存储器模板等 板、图形板、通信板及主存储器模板等种。这种结构使设计简单，试制周期短，调整维护方便，这种结构使设计简单，试制周期短，调整维护方便，效率 高。单机系统和多机系统 单机系统指整个CNC系统只有一个 系统只有一个CPU，它采用集中控制 单机系统指整个 系统只有一个，和分时处理的方式来实现各种数控功能。其优点：投资小，和分时处理的方式来实现各种数控功能。其优点：投资小，结 构简单，易于实现。但系统功

11、能受到CPU字长、数据宽度、寻 字长、构简单，易于实现。但系统功能受到 字长 数据宽度、址能力和运算速度等因素的限制。址能力和运算速度等因素的限制。现在这种结构已被多机系统 的主从结构所取代。的主从结构所取代。多机系统是指整个CNC系统中有两个或两个以上的 系统中有两个或两个以上的CPU，多机系统是指整个 系统中有两个或两个以上的，也就是系统中的某些功能模块自身也带有CPU，根据这些 也就是系统中的某些功能模块自身也带有，根据这些CPU 间的相互关系的不同又可将其分为：主从结构系统，间的相互关系的不同又可将其分为：主从结构系统，多主结构 系统和分布式结构系统。系统和分布式结构系统。1）主从结构

12、）主从结构指系统中只有一个CPU(通常称为主 主从结构指系统中只有一个 通常称为主CPU)对系统 对系统 通常称为主 的资源(系统存储器，系统总线)有控制和使用权，而其他带有 的资源 系统存储器，系统总线 有控制和使用权，系统存储器 有控制和使用权 CPU的功能部件，则无权控制和使用系统资源，它只能接受 的功能部件，则无权控制和使用系统资源，的功能部件 主 CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得 的控制命令或数据，或向主 发出请求信息以获得 的控制命令或数据 所需的数据。也即一个CPU处于主导地位，其他CPU处于从 所需的数据。也即一个 处于主导地位，其他 处于从 处于主导地位

13、 属地位的结构，称之为主从结构。属地位的结构，称之为主从结构。从硬件的体系结构来看，单机系统与主从结构极其相似，从硬件的体系结构来看，单机系统与主从结构极其相似，因为主从结构的从CPU模块与单机结构中相应模块在功能上 因为主从结构的从 模块与单机结构中相应模块在功能上 是等价的，只是从模块的能力更强而已，是等价的，只是从模块的能力更强而已，因此通常将单机系 统与主从结构系统归为一类。统与主从结构系统归为一类。图2.3 单机或主从结构系统 2）多主结构系统）系统中有两个或两个以上的带CPU的功能部件，它们对系 的功能部件，系统中有两个或两个以上的带 的功能部件 统资源都有控制或使用权。功能部件之

14、间采用紧耦合，有集中的 统资源都有控制或使用权。功能部件之间采用紧耦合，操作系统，通过总线仲裁器(软件和硬件 来解决争用总线问题，软件和硬件)来解决争用总线问题 操作系统，通过总线仲裁器 软件和硬件 来解决争用总线问题，通过公共存储器来交换系统信息。通过公共存储器来交换系统信息。特点：特点：能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，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。复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可继 续工作。续工作。多主结构系统的形式有：共享总线结构型和共享存储器结构型。多主结构系统的形式有：共享总

15、线结构型和共享存储器结构型。共享总线结构型以系统总线为中心，所有的主、共享总线结构型以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严 格定义的标准系统总线上，由于在系统中多个CPU都有权使用系统总 格定义的标准系统总线上，由于在系统中多个 都有权使用系统总 而在任一时刻只能允许一个CPU占用总线，因此，必须要有一个 占用总线，线，而在任一时刻只能允许一个 占用总线 因此，总线仲裁机构来裁定多个CPU同时请求使用系统总线的竞争问题，这 同时请求使用系统总线的竞争问题，总线仲裁机构来裁定多个 同时请求使用系统总线的竞争问题p a g e 3 是多主CPU系统的一个重要特征。系统的一个重要特征。是多主 系

16、统的一个重要特征 优点：结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高等。优点：结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高等。缺点：总线是系统的“瓶颈”一旦系统总线出现故障，缺点：总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将使整 个系统受到影响；由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。个系统受到影响；由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。图2.4 FANUC l 5 系统 系统总线为高速32位总线 系统总线为高速 位总线(FANUCBUS)，主CPU为Mo t o r ol a 的68020(32 位总线，为 的 位)，在PLC、轴控制、图形控制、通信及自动编程等功能模块中也都有各自，

17、、轴控制、图形控制、的CPU。共享存储器结构型是面向公共存储器来设计的，共享存储器结构型是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信，同共享总线结构一样，口来实现各主模块之间的互连和通信，同共享总线结构一样，该 系统在同一时刻也只能允许有一CPU对多端口存储器进行访问 读 对多端口存储器进行访问(读 系统在同一时刻也只能允许有一 对多端口存储器进行访问 写)，所以也必须有一套多端口控制逻辑来解决访问冲突这一矛，盾 由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的 由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的CPU，会，因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，因争用存储器

18、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(双端口 双端口RAM)。般采用双端口存储器 双端口。图2.5 GE的MTCl CNC系统 的 系统 中央CPU：数控程序的编辑、译码、刀具和机床参数的输入；：数控程序的编辑、译码、刀具和机床参数的输入；中央 显示CPU：把中央：把中央CPU的指令和显示数据送到视频电路进行显示，定时 的指令和显示数据送到视频电路进行显示，显示 的指令和显示数据送到视频电路进行显示 扫描键盘和倍率开关状态并送中央CPU进行处理；进行处理；扫描键盘和倍率开关状态并送中央 进行处理 插补CPU：完成插补运算、位置控制、IO控制和：完成插补运算、位置控制

19、、控制和 控制和RS232通信等任务，通信等任务，插补 通信等任务 还向中央CPU提供机床操作面板开关状态及所需显示的位置信息等。提供机床操作面板开关状态及所需显示的位置信息等。还向中央 提供机床操作面板开关状态及所需显示的位置信息等 三个CPU之间各有 之间各有512个字节的公共存储器用于交换信息。个字节的公共存储器用于交换信息。三个 之间各有 个字节的公共存储器用于交换信息 3）分布结构系统）系统有两个或两个以上的带有CPU的功能模块，每个功能 系统有两个或两个以上的带有 的功能模块，的功能模块 模块有自己独立的运行环境(系统总线、存储器、操作系统等)，模块有自己独立的运行环境 系统总线、

20、存储器、操作系统等，系统总线 功能模块间采用松耦合，即在空间上可以较为分散，功能模块间采用松耦合，即在空间上可以较为分散，各模块间 采用通信方式交换信息。采用通信方式交换信息。早期的计算机数控系统都是单机系统，到了20世纪 世纪80年代 早期的计算机数控系统都是单机系统，到了 世纪 年代 中期，市场上已有多机系统的产品了，中期，市场上已有多机系统的产品了，其中绝大部分是主从结 构的系统。目前多主结构和分布结构的系统由于结构较复杂，构的系统。目前多主结构和分布结构的系统由于结构较复杂，操作系统的设计较困难，操作系统的设计较困难，加之主从结构系统能满足数控加工的 大多数要求，故这两种结构的CNC系

21、统较少。系统较少。大多数要求，故这两种结构的 系统较少 封闭式结构和软件开放式结构 封闭式结构是早期普遍采用的结构形式，封闭式结构是早期普遍采用的结构形式，目前在市场上还 占有很大份额。占有很大份额。系列。如：FANUCO，SIEMENS810，MITSUBISHIM50系列。，系列 软件开放式结构包括三种类型：软件开放p a g e 4式结构包括三种类型：PC嵌入 式 嵌入NC式 嵌入 系列，如：FANUC18i 16i 系列，SIEMENS840D系列等 系列 系列等 NC 嵌入 式 嵌入PC式 系统，如：PMAC-NC系统，MAZATROL640CNC系统等 系统 系统等 全软件开放式

22、公司的o p e n CNC等 如：美国MDSI公司的 美国 公司的 等 计算机数控系统软件 计算机数控系统为典型的实时多任务系统，计算机数控系统为典型的实时多任务系统，体系层次如图 2.6所示。所示。所示 数控系统软件特点 数控系统软件典型结构 图2.6 数控系统软件体系示意图 数控系统软件特点 1）多任务性与并行处理）数控系统任务通常分为两类：管理任务和控制任务。数控系统任务通常分为两类：管理任务和控制任务。管理任 务指系统资源管理和系统各子任务的调度，负责系统的程序管理、务指系统资源管理和系统各子任务的调度，负责系统的程序管理、显示、诊断等；控制任务主要完成译码、刀具补偿、速度预处理、显

23、示、诊断等；控制任务主要完成译码、刀具补偿、速度预处理、插补运算、位置控制等任务。插补运算、位置控制等任务。工作中这些任务不是顺序执行的，工作中这些任务不是顺序执行的，而往往需要多任务并行处 当机床正在加工时(执行控制任务 执行控制任务)，理。如：当机床正在加工时 执行控制任务，CRT要实时显示加 要实时显示加 工状态(管理任务 管理任务)在管理任务中也是如此，工状态 管理任务；在管理任务中也是如此，当用户将程序送人 系统时，便实时显示输入的内容；系统时，CRT便实时显示输入的内容；在控制任务中，为了保 便实时显示输入的内容 在控制任务中，证加工的连续性，刀具补偿、速度处理、证加工的连续性，刀

24、具补偿、速度处理、插补运算以及位置控制 必须同时不间断执行。必须同时不间断执行。并行处理是指软件系统在同一时刻或同一时间间隔内完成 两个或两个以上任务处理的方法。两个或两个以上任务处理的方法。并行处理的实现方式与数控系 统的硬件结构相关，通常有以下方法：统的硬件结构相关，通常有以下方法：资源分时共享：资源分时共享 对单机系统，采用“分时”来实现多任务的并行处理。其方 对单机系统，采用“分时”来实现多任务的并行处理。法是：在一定的时间长度内，根据系统各任务的实时性要求程度，法是：在一定的时间长度内，根据系统各任务的实时性要求程度，规定它们占用CPU的时间，使它们按规定顺序和规则分时共享 规定它们

25、占用 的时间，的时间 系统的资源。系统的资源。关键在于任务的优先级分配问题和各任务占用CPU的时间 关键在于任务的优先级分配问题和各任务占用 的时间 长度问题。长度问题。图2.7 资源分时共享并行处理图 并发处理和流水处理：并发处理和流水处理：在多CPU结构的数控系统中，根据各任务之间的关联程度，可采 结构的数控系统中，根据各任务之间的关联程度，在多 结构的数控系统中 用以下两种策略来提高系统处理速度。用以下两种策略来提高系统处理速度。其一，如果任务之间的关联程度不高，其一，如果任务之间的关联程度不高，则可将这些任务分别安排 一个CPU，让其同时执行，即所谓的“并发处理”；一个，让其同时执行，

26、即所谓的“并发处理”其二，如果各任务之间的关联程度较高，其二，如果各任务之间的关联程度较高，即一个任务的输出是另 一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。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，理技术是利用重复的资源，将一个大的任务分成若干个子任务，这些小任务是彼此关联的，这些小任务是彼此关联的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个 任务，就像在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。任务，就像在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。图2.8p a g e 5 流水处理示意图 2

27、）实时性和优先抢占调度机制）实时性是指某任务的执行有严格的时间要求，实时性是指某任务的执行有严格的时间要求，否则将导致执 行结果错误和系统故障。行结果错误和系统故障。从各任务对实时性要求的角度，基本上可分为强实时性任务 从各任务对实时性要求的角度，和弱实时性任务，和弱实时性任务，强实时性任务又可分为实时突发性任务和实时 周期性任务。周期性任务。实时突发性任务：特点是任务的发生具有随机性和突发性，实时突发性任务：特点是任务的发生具有随机性和突发性，它 们是一种异步中断事件，往往有很强的实时性要求。们是一种异步中断事件，往往有很强的实时性要求。它们主要 包括故障中断(急停 机械限位、硬件故障等)、

28、机床PLC中断 急停、包括故障中断 急停、机械限位、硬件故障等、机床 中断 等；实时周期性任务：这类任务是精确地按一定时间间隔发生的。实时周期性任务：这类任务是精确地按一定时间间隔发生的。主 要包括加工过程中的插补运算、位置控制等任务。要包括加工过程中的插补运算、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。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，不允许被其他任务中断。的执行过程中，除系统故障外，不允许被其他任务中断。弱实时性任务：实时性要求相对较弱，弱实时性任务：实时性要求相对较弱，只需要保证在某一段时间 内得以

29、运行即可。这类任务主要包括：显示、内得以运行即可。这类任务主要包括：CRT显示、零件程序的编 显示 加工状态的动态显示、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。优先抢占调度机制是一种基于实时中断技术的任务调度机制，优先抢占调度机制是一种基于实时中断技术的任务调度机制，能按任务的重要程度对其及时响应。能按任务的重要程度对其及时响应。两个功能：一是优先调度，空闲时，两个功能：一是优先调度，在 CPU空闲时，当同时有多个任务 空闲时 请求执行时，优先级高的任务将优先得以满足；二是抢占方式，请求执行时，优先级高的任务将优先得以满足；二是抢占方式，在 CPU正在执行某任务时，若另一

30、优先级更高的任务请求执行，CPU 正在执行某任务时，正在执行某任务时 若另一优先级更高的任务请求执行，将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高的任务的请求。将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高的任务的请求。优先抢占调度机制是由硬件和软件共同实现的，优先抢占调度机制是由硬件和软件共同实现的，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(8259)，定时器计数器 支持中断功能的芯片和电路，如中断管理芯片，(8263、8254等)等。软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务优先、等 等 软件主要完成对硬件芯片的初始化、级定义方式、任务切换处理(断点的保护与恢复 断点的保护与恢复、级定义

31、方式、任务切换处理 断点的保护与恢复、中断向量的保存与 恢复等)等 恢复等 等。数控系统软件典型结构 1）前后台型结构模式）软件分成两部分：前台程序和后台程序。软件分成两部分：前台程序和后台程序。前者是实时中断 服务程序，完成插补运算、位置控制、服务程序，完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性很强的 任务。后者(也称背景程序 是一个循环运行的程序，完成显示、也称背景程序)是一个循环运行的程序 任务。后者 也称背景程序 是一个循环运行的程序，完成显示、加工程序的编辑管理、插补预处理(译码 刀补处理)等弱实时性 译码、加工程序的编辑管理、插补预处理 译码、刀补处理 等弱实时性 的任务，其在运行过

32、程中，不断地被前台程序打断，的任务，其在运行过程中，不断地被前台程序打断，前后台相互 配合来完成零件的加工任务。配合来完成零件的加工任务。这种结构在前台和后台程序内无优先级等级，也无抢占机制，这种结构在前台和后台程序内无优先级等级，也无抢占机制，实时性差。所以仅适用于控制功能较简单的系统。实时性差。所以仅适用于控制功能较简单的系统。图2.9 前后台程序运行关系图 2）中断型结构模式）除了初始化程序，除了初始化程序，整个系统软件的p a g e 6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 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

33、各级中断服务程序实施调度管理 对各级中断服务程序实施调度管理。软件组成 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。个大的中断管理系统。由于系统的中断级别较多(最多可达 级)，可将强实时性任 由于系统的中断级别较多 最多可达8级，最多可达 务安排在优先级较高的中断服务程序中，务安排在优先级较高的中断服务程序中，因此这类系统的实时性 但模块的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。好。但模块的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。20世纪 年代至 年代初的 世纪80年代至 年代初的CNC系统大多采用的是这种结构。系统大多采用的是这种结构。世纪 年代至90年代

34、初的 系统大多采用的是这种结构 图2.10 中断型软件结构示意图 3）基于实时操作系统的结构模式）实时操作系统(RTOS)是操作系统的一个重要分支，它除了 是操作系统的一个重要分支，实时操作系统 是操作系统的一个重要分支 具有通用操作系统的功能外，还具有任务管理、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)、如优先级抢占调度、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 消息队列等)等功能 如邮箱、等功能。机制 如邮箱、消息队列等 等功能。优点在于：弱化功能模块间的耦合关系，优点在于：弱化功能模块间的耦合关系，

35、系统的开放性和 减少系统开发的工作量。可维护性好，减少系统开发的工作量。目前，采用该模式开发的方法有两种：目前，采用该模式开发的方法有两种：在商品化的实时 操作系统下开发CNC装置软件，国外有些著名厂家采用了这种 装置软件，操作系统下开发 装置软件 方式；将通用PC机操作系统 机操作系统(DOS、WINDOWS)扩充扩展成 方式；将通用 机操作系统、扩充扩展成 实时操作系统，然后在此基础上开发CNC装置软件。目前国内 装置软件。实时操作系统，然后在此基础上开发 装置软件 有些生产厂家就是采用的这种方法。有些生产厂家就是采用的这种方法。2、插补原理与方法 概述 逐点比较法 数字积分法 数据采样插

36、补法 插补技术是数控系统的核心技术 概述 插补是数据密集化的过程。数控系统根据输入的基本数据 插补是数据密集化的过程。直线起点、终点坐标，圆弧圆心、起点、终点坐标、（直线起点、终点坐标，圆弧圆心、起点、终点坐标、进给速 度等）运用一定的算法，度等）运用一定的算法，自动的在有限坐标点之间形成一系列 的坐标数据，从而自动的对各坐标轴进行脉冲分配，的坐标数据，从而自动的对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个 线段的轨迹分析。线段的轨迹分析。完成插补运算的装置或程序称为插补器，完成插补运算的装置或程序称为插补器，有：硬件插补器，硬件插补器，软件插补器，软硬件结合插补器。软件插补器，软硬件结合插补器。行程标量

37、插补）脉冲增量插补（行程标量插补）每次插补结束仅向各运动坐标轴输出一个控制脉冲，每次插补结束仅向各运动坐标轴输出一个控制脉冲，各坐标仅 产生一个脉冲当量或行程的增量。脉冲频率代表坐标运动的速度，产生一个脉冲当量或行程的增量。脉冲频率代表坐标运动的速度，而数量代表运动位移的大小。而数量代表运动位移的大小。脉冲增量插补的方法有：逐点比较法、数字积分法、脉冲增量插补的方法有：逐点比较法、数字积分法、脉冲乘法 器等。器等。数据采样插补（时间标量插补）时间标量插补）采用时间分割思想，采用时间分割思想，根据编程的进给速度将轮廓曲线分割为每 个插补周期的进给直线段（又称轮廓步长）进行数据密化，个插补周期的进

38、给直线段（又称轮廓步长）进行数据密化，以此来 逼近轮廓曲线。然后再将轮廓步长分解为各个坐标轴的进给量（逼近轮廓曲线。然后再将轮廓步长分解为各个坐标轴的进给量（一 个插补周期的进给量），作为指令发给伺服驱动装置。），作为指令发给伺服驱动装置 个插补周期的进给量），作为指p a g e 7令发给伺服驱动装置。该装置按伺 服检测采样周期采集实际位移，并反馈给插补器与指令比较，服检测采样周期采集实际位移，并反馈给插补器与指令比较，完成 闭环控制。闭环控制。数据采样插补方法有：直线函数法、扩展DDA、二阶递归算法 数据采样插补方法有：直线函数法、扩展、等。逐点比较法 早期数控机床广泛采用的方法，适用于开

39、环系统，能实 早期数控机床广泛采用的方法，适用于开环系统，现平面直线、圆弧、二次曲线插补。现平面直线、圆弧、二次曲线插补。原理：每走一步都将加工点的瞬时坐标与规定的图形轨迹相 原理：比较，判断偏差，然后决定下一步的走向。如果加工点走到 比较，判断偏差，然后决定下一步的走向。图形外面，那么下一步就要向图形里面走；如果加工点在图 图形外面，那么下一步就要向图形里面走；形里面，则下一步就要向图形外面走，以缩小偏差。每次只 形里面，则下一步就要向图形外面走，以缩小偏差。进行一个坐标轴的插补进给。进行一个坐标轴的插补进给。特点：运算直观，脉冲输出均匀，调节方便，精度高。特点：运算直观，脉冲输出均匀，调节

40、方便，精度高。插补开始 偏差判别 坐标进给 新偏差计算 到终 点？Y 结束 N 判别偏差符号，（1）偏差判别 判别偏差符号，）确定加工点是在规定图形的外 面还是里面。面还是里面。根据偏差情况，（2）坐标进给 根据偏差情况，）控制X坐标或 坐标进给一步，坐标或Y坐标进给一步 控制 坐标或 坐标进给一步，使加工点向规定图形靠拢，使加工点向规定图形靠拢，缩 小偏差。小偏差。进给一步后，（3）新偏差计算 进给一步后，）计算加工点与规定图形的新偏 差，作为下一步偏差判别的依 据。（4）终点判别 根据这一步的进）给结果，判定（比较）给结果，判定（比较）终点是 否到达。如未到达终点，否到达。如未到达终点，继

41、续 插补工作循环，插补工作循环，如果已到终点 就停止插补。就停止插补。逐点比较法直线插补（第一象限）逐点比较法直线插补（第一象限）1）偏差判别）y A(x e,y e)F0 P(x i,y j)F y e x e y e x e y e x e x e y j?x i y e =0 x e y j?x i y e 0 x e y j?x i y e 0 在 线 方 i j?0 F0 i j F 0 i j +x 或+y 方向+x 方向+y 方向 3）新偏差计算）+x 进给：进给：F+1,j =x e y j?(x i +1)y e =x e y j?x i y e?y e =F,j?y e i

42、 i +y 进给：进给：F,j+1=x e (y j +1)?x i y e =x e y j?x i y e +x e =F,j +x e i ip a g e 8 4）终点比较）用Xe+Ye 作为计数器，每走一步对计数器进行减1 Xe+Ye 作为计数器 每走一步对计数器进行减1 作为计数器，计算，直到计数器为零为止。计算，直到计数器为零为止。5）逐点比较法直线插补举例 对于第一象限直线OA，终点坐标，终点坐标Xe=6,Ye=4，插补从直 对于第一象限直线，线 起 点 O 开 始，故 F0=0。终 点 判 别 是 判 断 进 给 总 步 数 N=6+4=10，将其存入终点判别计数器中，每进给

43、一步减，将其存入终点判别计数器中，每进给一步减1，若N=0，则停止插补。，则停止插补。Y 10 8 5 3 4 1 2 6 7 9 A X O 步数 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 判别 坐标进给 F0=0 偏差计算 终点判别=10=10=10=10-1=9 10=9=9-1=8=8=8-1=7=7=7-1=6=6=6-1=5=5=5-1=4=4=4-1=3=3=3-1=2=2=2-1=1=1=1-1=0 F=0 F0 F0 F=0 F0 F0 +X+Y+X+Y+X+X+Y+X+Y+X F1=F0-y e=0-4=-4 F2=F1+x e=-4+6=2 F3=F2-y e=2-4

44、=-2 F4=F3+x e=-2+6=4 F5=F4-y e=4-4=0 F6=F5-y e=0-4=-4 F7=F6+x e=-4+6=2 F8=F7-y e=2-4=-2 F9=F8+x e=-2+6=4 F10=F9-y e=4-4=0 逐点比较法圆弧插补（象限逆圆弧）逐点比较法圆弧插补（第 象限逆圆弧）1）偏差判别）y F0 P(x i,y j)o F x 0+y 0 j 2 2 圆弧内 x i 2+y 2 0 j 2 2(x i 2?x 0)+(y 2?y 0)0 在 弧 i j j?点 圆 外?0 F0 i j F 0 i j -x 或+y 方向-x 方向+y 方向 3）新偏差计算

45、）x i+1=x i?1 y j =y j 2 2 F+1,j =(x i?1)2?x 0+y 2?y 0=F?2x i +1 i j i j y j+1=y j +1p a g e 9 x i =x i 2 2 F,j+1=x i 2?x 0+(y j +1)2?y 0=F+2y j +1 i i j 4）终点比较）作为计数器，用(X0-Xe)+(Ye-Y0)作为计数器，每走一步对计数 作为计数器 器进行减1计算 直到计数器为零为止。计算，器进行减 计算，直到计数器为零为止。5）逐点比较法圆弧插补举例 对于第一象限圆弧AB，对于第一象限圆弧，起点A（，），终点B（，），终点 起点（4，0），

46、终点（0，4）Y 4 B A X 4 步数 起点 1 2 3 4 5 6 7 8 偏差判别 坐标进给 F 0=0 偏差计算 坐标计算 x 0=4,y 0=0 x 1=4-1=3 y 1=0 x 2=3 y 2=y 1+1=1 x 3=4,y 3=2 x 4=3,y 4=3 x 5=4,y 5=0 x 6=4,y 6=0 x 7=4,y 7=0 x 8=4,y 8=0 终点判别=4+4=8=4=8-1=7=8=7-1=6=7=5=5=4=4=3=3=2=2=1=1=0=0 F 0=0 F 1 0 F 2 0 F 3 0 F 5 0 F 7 0 -x +y +y +y -x +y -x -x F1

47、=F0-2x 0+1=0-2*4+1=-7 F2=F1+2y 1+1=-7+2*0+1=-6 F3=F2+2y 2+1=-3 F4=F3+2y 3+1=2 F5=F4-2x 4+1=-3 F6=F5+2y 5+1=4 F7=F6-2x 6+1=1 F8=F7-2x 7+1=0 逐点比较法的象限处理 四个象限的直线插补，会有4组计算公式，对于4个象限的逆 四个象限的直线插补，会有4组计算公式，对于4 时针圆弧插补和4个象限的顺时针圆弧插补，会有8 时针圆弧插补和4个象限的顺时针圆弧插补，会有8组计算公式 顺圆 逆圆 数字积分法插补 数字积分法又称数字微分分析器（数字积分法又称数字微分分析器（Di

48、 g i t a l Di f f e r e n t i a l An a l y z e r,简称DDA)。采用该方法进行插补，具有运算速度快，逻辑功能强，简称DDA)。采用该方法进行插补，具有运算速度快，逻辑功能强，脉冲分配均匀等特点，且只输入很少的数据，就能加工出直线、脉冲分配均匀等特点，且只输入很少的数据，就能加工出直线、圆弧 等较复杂的曲线轨迹，精度也能满足要求。因此，等较复杂的曲线轨迹，精度也能满足要求。因此，该方法在数控系统 中得到广泛的应用。中得到广泛的应用。数字积分的基本原理 如图：从时刻t=0到，函数Y=f(t)曲线所包围的面积可表示为：如图：从时刻t=0到t，函数Y=f

49、(t)曲线所包围的面积可表示为：0 S=t f(t)d t 若将0 若将0t的时间划分成时间 Y Y=f(t)间隔为?t 的有限区间，当?t 间隔为?t 的有限区间，当?t 足够小时，可得公式：S=0 t f(t)d t =Yi?t i=0 n-1 Yo 即积分运算可用一系列微小 矩形面积累加求和来近似。O?tp a g e 10 t T 若?t 取最小基本单位“1”，则上式可简化为：?t 取最小基本单位“n-1 S=Yi i=0 (累加求和公式或矩形公式）(累加求和公式或矩形公式）这种累加求和运算，即积分运算可用数字积分器来实现，被积函数寄存器?t 存放Y值 +?Y 累加器（余数寄存器）若求

50、曲线与坐标轴所包围的面积，求解过程如下：若求曲线与坐标轴所包围的面积，求解过程如下：被积函数寄存器用以存放Y 每当?t 出现一次，被积函数寄存器用以存放Y值，每当?t 出现一次，被积函数 寄存器中的Y值就与累加器中的数值相加一次，寄存器中的Y值就与累加器中的数值相加一次，并将累加结果存 于累加器中，如果累加器的容量为一个单位面积，于累加器中，如果累加器的容量为一个单位面积，则在累加过程 每超过一个单位面积，累加器就有溢出。中，每超过一个单位面积，累加器就有溢出。当累加次数达到累 加器的容量时，所产生的溢出总数就是要求的总面积，即积分值。加器的容量时，所产生的溢出总数就是要求的总面积，即积分值。