1、一、CNC系統的定義與結構計算機數控系統（簡稱CNC系統）是在硬件數控的基礎上發展起來的，它用一臺計算機代替先前的數控裝置所完成的功能。所以，它是一種包含有計算機在內的數字控制系統，根據計算機存儲的控制程序執行部分或全部數控功能。依照EIA所屬的數控標準化委員會的定義，CNC是用一個存儲程序的計算機，按照存儲在計算機內的讀寫存儲器中的控制程序去執行數控裝置的一部分或全部功能，在計算機之外的唯一裝置是接口。目前在計算機數控系統中所用的計算機已不再是小型計算機，而是微型計算機，用微機控制的系統稱為MNC系統，亦統稱為CNC系統。由于這二者的控制原理基本相同，因此本章將一并討論這兩種控制系統。由上述

2、定義可知，CNC系統與傳統NC系統的區別在于：CNC系統附加一個計算機作為控制器的一部分，其組成框圖如圖3-1所示。圖中的計算機接收各種輸入信息(如鍵盤、面板等輸入的指令信息)，執行各種控制功能(如插補計算、運行管理等等)。而硬件電路完成其他一些控制操作。圖3-1 計算機數控系統方框圖圖3-2給出了較詳細的微處理機數控系統（MNC）方框圖。從圖中可以看出 ，它主要由中央處理單元(CPU)，存儲器、外部設備以及輸入/輸出接口電路等部分所組成。圖3-2 微處理機數控系統方框圖圖3-3為某CNC銑床系統中外部設備通過其相應接口與計算機連接的示意圖。圖3-3 某CNC銑床系統中外部設備與計算機的連接二

3、、CNC系統軟件這里指的是為實現CNC系統各項功能所編制的專用軟件，即存放于計算機內存中的系統程序。它一般由輸入數據處理程序、插補運算程序、速度控制程序、管理程序和診斷程序等組成。現分述如下：1、輸入數據處理程序輸入數據處理程序接收輸入的零件加工程序，將其用標準代碼表示的加工指令和數據進行翻譯、整理，按所規定的格式存放。有些系統還要進一步進行刀具半徑偏移的計算，或為插補運算和速度控制等進行一些預處理。總之，輸入數據處理程序一般包括下述三項內容：(1) 輸入。輸入到CNC裝置的有零件加工程序、控制參數和補償數據。其輸入方式有光電閱讀機紙帶輸入、鍵盤輸入、磁盤輸入、磁帶輸入、開關量輸入和連接上一級

4、計算機的DNC接口輸入。從CNC裝置的工作方式看，分為存儲工作方式輸入和NC工作方式輸入。所謂存儲工作方式，是將加工的零件程序一次且全部輸入到CNC裝置的內存中，加工時再從存儲器逐個程序段調出。所謂NC工作方式是指CNC系統邊輸入邊加工，即在前一個程序段正在加工時，輸入后一個程序段內容。對于系統程序，有的固化在PROM中，有的亦是用閱讀機輸入。無論是用閱讀機輸入零件加工程序還是系統程序，均有一個閱讀機中斷處理程序及輸入管理程序。前者的作用是將字符從閱讀機讀入計算機內的緩沖器，一次中斷只讀一個字符，中斷信號由中導孔產生。輸入管理程序負責緩沖器的管理、讀入字符的存放及閱讀機的啟停(另有硬件啟停開關

5、)等。(2) 譯碼。在輸入的零件加工程序中含有零件的輪廓信息(線型、起終點坐標)、要求的加工速度以及其他的輔助信息(換刀、冷卻液開停等)，這些信息在計算機作插補運算與控制操作之前必須翻譯成計算機內部能識別的語言，譯碼程序就承擔著此項任務。在譯碼過程中，還要完成對程序段的語法檢查，若發現語法錯誤便立即報警。(3) 數據處理。數據處理程序一般包括刀具半徑補償、速度計算以及輔助功能的處理等。刀具半徑補償是把零件輪廓軌跡轉化成刀具中心軌跡。速度計算是解決該加工數據段以什么樣的速度運動的問題。需說明的是，最佳切削速度的確定是一個工藝問題，CNC系統僅僅是保證編程速度的可靠實現。另外，諸如換刀、主軸啟停、

6、冷卻液開停等輔助功能也在此程序中處理。一般來說，對輸入數據處理的程序的實時性要求不高。輸入數據處理進行得充分一些，可減輕加工過程中實時性較強的插補運算及速度控制程序的負擔。2、插補運算及位置控制程序插補運算程序完成NC系統中插補器的功能，即實現坐標軸脈沖分配的功能。脈沖分配包括點位、直線以及曲線三個方面，由于現代微機具有完善的指令系統和相應的算術子程序，給插補計算提供了許多方便。可以采用一些更方便的數學方法提高輪廓控制的精度，而不必顧忌會增加硬件線路。插補計算是實時性很強的程序，要盡可能減少該程序中的指令條數，即縮短進行一次插補運算的時間。因為這個時間直接決定了插補進給的最高速度。在有些系統中

7、還采用粗插補與精插補相結合的方法，軟件只作粗插補，即每次插補一個小線段；硬件再將小線段分成單個脈沖輸出，完成精插補。這樣既可提高進給速度，又能使計算機空出更多的時間進行必要的數據處理。插補運算的結果輸出，經過位置控制部分(這部分工作既可由軟件完成，也可由硬件完成)，去帶動伺服系統運動，控制刀具按預定的軌跡加工。位置控制的主要任務是在每個采樣周期內，將插補計算出的理論位置與實際反饋位置相比較，用其差值去控制進給電機。在位置控制中，通常還要完成位置回路的增益調整、各坐標方向的螺距誤差補償和反向間隙補償，以提高機床的定位精度。3、速度控制程序編程所給的刀具移動速度，是在各坐標的合成方向上的速度。速度

8、處理首先要做的工作是根據合成速度來計算各運動坐標方向的分速度。前已述及，速度指令以兩種方式給出，一種是以每分鐘進給量(或代碼)給出；另一種是以主軸每轉毫米數給出。銑床和加工中心以前一種為多數，而車床則以后一種為多數，或者二者都有之。速度控制程序的目的就是控制脈沖分配的速度，即根據給定的速度代碼(或其他相應的速度指令)，控制插補運算的頻率，以保證按預定速度進給。當速度明顯突變時，要進行自動加減速控制，避免速度突變造成伺服系統的失調。速度控制可以用兩種方法實現：一種是用軟件方法，如程序計數法實現；另一種用定時計數電路由外部時鐘計數運用中斷方法來實現。此外，用軟件對速度控制數據進行預處理，并與硬件的

9、速度積分器相結合，可以實現高性能的恒定合成速度控制，并大大提高插補進給的速度。4、系統管理程序為數據輸入、處理及切削加工過程服務的各個程序均由系統管理程序進行調度，因此，它是實現CNC系統協調工作的主體軟件。管理程序還要對面板命令、時鐘信號、故障信號等引起的中斷進行處理。水平較高的管理程序可使多道程序并行工作，如在插補運算與速度控制的空閑時刻進行數據的輸入處理，即調用各功能子程序，完成下一數據段的讀入、譯碼和數據處理工作，且保證在本數據段加工過程中將下一數據段準備完畢。一旦本數據段加工完畢就立即開始下一數據段的插補加工。有的管理程序還安排進行自動編程工作，或對系統進行必要的預防性診斷。5、診斷

10、程序診斷程序可以在運行中及時發現系統的故障，并指示出故障的類型。也可以在運行前或發生故障后，檢查各種部件(接口、開關、伺服系統)的功能是否正常，并指出發生故障的部位。還可以在維修中查找有關部件的工作狀態，判別其是否正常，對于不正常的部件給予顯示，便于維修人員能及時處理。三、計算機數控系統的特點與NC系統相比，CNC系統主要的優點有：靈活性    這是CNC系統的突出優點。對于傳統的NC系統，一旦提供了某些控制功能，就不能被改變，除非改變相應的硬件。而對于CNC系統，只要改變相應的控制程序就可以補充和開發新的功能，并不必制造新的硬件。CNC系統能夠隨著工廠的發展而發

11、展，也能適應將來改變工藝的要求。在CNC設備安裝之后，新的技術還可以補充到系統中去，這就延長了系統的使用期限。因此，CNC系統具有很大的“柔性”靈活性。1、 通用性    在 CNC 系統中，硬件系統采用模塊結構，依靠軟件變化來滿足被控設備的各種不同要求。采用標準化接口電路，給機床制造廠和數控用戶帶來了許多方便。于是，用一種 CNC 系統就可能滿足大部分數控機床 (包括車床、銑床、加工中心、鉆鏜床等) 的要求，還能滿足某些別的設備應用。當用戶要求某些特殊功能時，僅僅是改變某些軟件而已。由于在工廠中使用同一類型的控制系統，培訓和學習也十分方便。2、 可靠性 

12、;   在CNC系統中，加工程序常常是一次送入計算機存儲器內，避免了在加工過程中由于紙帶輸入機的故障而產生的停機現象 (普通數控裝置的故障有一半以上發生在逐段光電輸入時) 。同時，由于許多功能都由軟件實現，硬件系統所需元器件數目大為減少，整個系統的可靠性大大改善，特別是隨著大規模集成電路和超大規模集成電路的采用，系統可靠性更為提高。據美國第13屆 NCS 年會統計的世界上數控系統平均無故障時間是：硬線NC系統為136h ，小型計算機CNC系統為984h ，而微處理機 CNC 系統據日本發那科公司宣稱已達23000h 。 3、 易于實現許多復雜的功能  &

13、#160; CNC 系統可以利用計算機的高度計算能力，實現一些高級的復雜的數控功能。刀具偏移、英公制轉換、固定循環等都能用適當的軟件程序予以實現；復雜的插補功能，例如拋物線插補、螺旋線插補等也能用軟件方法來解決；刀具補償也可在加工過程中進行計算；大量的輔助功能都可以被編程；子程序概念的引入，大大簡化了程序編制。4、 使用維修方便CNC 系統的一個吸引人的特點是有一套診斷程序，當數控系統出現故障時，能顯示出故障信息，使操作和維修人員能了解故障部位，減少了維修的停機時間。另外，還可以備有數控軟件檢查程序，防止輸入非法數控程序或語句，這將給編程帶來許多方便。有的CNC系統還有對話編程、藍圖編程，使程

14、序編制簡便，不需很高水平的專業編程人員。零件程序編好后，可顯示程序，甚至通過空運行，將刀具軌跡顯示出來，檢驗程序是否正確。計算機數控系統硬件結構    一、CNC系統的硬件構成隨著大規模集成電路技術和表面安裝技術的發展，CNC系統硬件模塊及安裝方式不斷改進。從CNC系統的總體安裝結構看，有整體式結構和分體式結構兩種。所謂整體式結構是把 CRT 和 MDI 面板、操作面板以及功能模塊板組成的電路板等安裝在同一機箱內。這種方式的優點是結構緊湊，便于安裝，但有時可能造成某些信號連線過長。分體式結構通常把 CRT 和 MDI 面板、操作面板等做成一個部件，而把功能模塊組成

15、的電路板安裝在一個機箱內，兩者之間用導線或光纖連接。許多 CNC 機床把操作面板也單獨作為一個部件，這是由于所控制機床的要求不同，操作面板相應地要改變，做成分體式的有利于更換和安裝。 CNC 操作面板在機床上的安裝形式有吊掛式、床頭式、控制柜式、控制臺式等多種。 從組成CNC系統的電路板的結構特點來看，有兩種常見的結構，即大板式結構和模塊化結構。大板式結構的特點是，一個系統一般都有一塊大板，稱為主板。主板上裝有主 CPU 和各軸的位置控制電路等。其他相關的子板 ( 完成一定功能的電路板 ) ，如 ROM 板、零件程序存儲器板和 PLC 板都直接插在主板上面，組成 CNC 系統的核心部分。由此可

16、見，大板式結構緊湊，體積小，可靠性高，價格低，有很高的性能 / 價格比，也便于機床的一體化設計。大板結構雖有上述優點，但它的硬件功能不易變動，不利于組織生產。 另外一種柔性比較高的結構就是總線模塊化的開放系統結構，其特點是將微處理機、存儲器、輸入輸出控制分別做成插件板 ( 稱為硬件模塊 ) ，甚至將微處理機、存儲器、輸入輸出控制組成獨立微計算機級的硬件模塊，相應的軟件也是模塊結構，固化在硬件模塊中。硬軟件模塊形成一個特定的功能單元，稱為功能模塊。功能模塊間有明確定義的接口，接口是固定的，成為工廠標準或工業標準，彼此可以進行信息交換。于是可以積木式組成 CNC 系統，使設計簡單，有良好的適應性和

17、擴展性，試制周期短，調整維護方便，效率高。 從 CNC 系統使用的微機及結構來分， CNC 系統的硬件結構一般分為單微處理機和多微處理機結構兩大類。初期的 CNC 系統和現有一些經濟型 CNC 系統采用單微處理機結構。而多微處理機結構可以滿足數控機床高進給速度、高加工精度和許多復雜功能的要求，也適應于并入 FMS 和 CIMS 運行的需要，從而得到了迅速的發展，它反映了當今數控系統的新水平。 二、單微處理機結構在單微處理機結構中，只有一個微處理機，實行集中控制，并分時處理數控的各個任務。其結構特點如下：（1） CNC裝置內僅有一個微處理機，由它對存儲、插補運算、輸入輸出控制、CRT顯示等功能集

18、中控制分時處理。（2） 微處理機通過總線與存儲器、輸入輸出控制等各種接口相連，構成CNC裝置。（3） 結構簡單，容易實現。（4） 正是由于只有一個微處理機集中控制，其功能將受微處理機字長、數據寬度、尋址能力和運算速度等因素的限制。（5） 圖3-2給出的是即是單微處理機的結構框圖。三、多微處理機結構多微處理機結構的CNC是把機床數字控制這個總任務劃分為子任務(也稱為子功能模塊)。在硬件方面，以多個微處理機配以相應的接口形成多個子系統，把劃分的子任務分配給不同的子系統承擔，由各子系統之間的協調動作完成數控。在多微處理機的結構中，有兩個或兩個以上的微處理機構成的子系統，子系統之間采用緊耦合，有集中的

19、操作系統，共享資源；或者有兩個或兩個以上的微處理機構成的功能模塊，功能模塊之間采用松耦合，有多重操作系統有效地實現并行處理。應注意的是，有的CNC裝置雖然有兩個以上的微處理機，但其中只有一個微處理機能夠控制系統總線，占有總線資源， 而其他微處理機成為專用的智能部件，不能控制系統總線，不能訪問主存儲器。它們組成主從結構，故應歸于單微處理機的結構中。1、 多微處理機結構的特點性能價格比高。此種結構中的每一個微處理機各完成系統中指定的一部分功能，獨立執行程序。它比單微處理機結構提高了計算處理速度，適應了多軸控制、高精度、高進給速度、高效率的數控要求。由于系統的資源共享，而單個微處理機的價格又比較便宜

20、，使CNC系統的性能價格比大為提高。    (2) 采用模塊化結構具有良好的適應性和擴展性。前已述及，在這種結構中可以將微處理機、存儲器、輸入輸出控制分別做成插件板 ( 即硬件模塊 ) ，其相應的軟件也是模塊結構，這種模塊化的結構使設計簡單，試制周期短，結構緊湊，具有良好的適應性和擴展性。 可靠性高。多微處理機的CNC裝置由于每個微處理機分管各自的任務，形成若干模塊，即使某個模塊出了故障，其他模塊仍照常工作，不像單微處理機那樣，一旦出故障，整個系統將癱瘓。由于更換插件模塊較為方便，可使故障對系統的影響減到最小程度。另外，由于資源共享，省去了一些重復機構，這不但使造

21、價降低，也提高了可靠性。（1）   硬件易于組織規模生產。 由于一般的硬件都是通用的，容易配置，只要開發新的軟件就可構成不同的 CNC 系統，便于組織規模生產，形成批量，且保證質量。2、 多微處理機CNC裝置的典型結構在多微處理機組成的CNC裝置中，可以根據具體情況合理劃分其功能模塊，一般來說，基本由CNC管理模塊、CNC插補模塊、位置控制模塊、PC模塊、操作和控制數據輸入輸出和顯示模塊、存儲器模塊這6種功能模塊組成，若需要擴充功能，再增加相應的模塊。這些模塊之間互連與通信是在機柜內耦合，典型的有共享總線和共享存儲器兩類結構。（1）共享總線結構。以系統總線為中心的多微處理機CNC裝置

22、，把組成CNC器件的各種RAM/ROM或I/O從模塊兩大類。所有主、從模塊都插在配有總線插座的機柜內，共享嚴格設計定義的標準系統總線。系統總線的作用是把各個模塊有效地連接在一起，按照要求交換各種數據和控制信息，構成一個完整的系統，實現各種預定的功能。在系統中只有主模塊有權控制使用系統總線。由于某一時刻只能由一個主模塊占有總線，必須要有仲裁電路來裁決多個主模塊同時請求使用系統總線的競爭，每個主模塊按其擔負任務的重要程度已預先安排好優先級別的順序。總線仲裁的目的，也就是在它們爭用總線時，判別出各模塊優先權的高低。這種結構模塊之間的通信，主要依靠存儲器來實現。大部分系統采取公共存儲器方式。公共存儲器

23、直接插在系統總線上，有總線使用權的住模塊都能訪問。使用公共存儲器的通信方式雙方都要占用系統總線，可供任意兩個主模塊交換信息。圖3-4是多微處理機共享總線結構。這種結構中的多微處理機共享總線時會引起“競爭”，使信息傳輸率降低，總線一旦出現故障，會影響全局。但因其結構簡單，系統配置靈活，無源總線造價低等優點而常被采用。圖3-4 多微處理器共享總線結構框圖（2）共享存儲器結構。這種多微處理機結構，采用多端口存儲器來實現各微處理機之間的互聯和通信。由多端口控制邏輯電路來解決訪問沖突。由于同一時刻只能有一個微處理機對多端口存儲器讀或寫，所以功能復雜而要求微處理機數量增多時，會因爭用共享而造成信息傳輸的阻

24、塞，降低系統效率，因此擴展功能很困難。圖3-5是一個雙端口存儲器結構框圖，它配有兩套數據、地址和控制線，可供兩個端口訪問，訪問優先權預先安排好。兩個端口同時訪問時，由內部硬件裁由內部硬件裁決其中一個端口優先訪問。圖3-6是多微處理機共享存儲器結構框圖。 圖3-5 雙端口存儲器結構框圖 圖3-6 多微處理機共享存儲器結構框圖二、CNC系統的控制軟件結構特點CNC系統是一個專用的實時多任務計算機系統，在它的控制軟件中融合了當今計算機軟件技術中的許多先進技術，其中最突出的是多任務并行處理和多重實時中斷。下面分別加以介紹。1、多任務并行處理(1) CNC系統的多任務性。CNC系統通常作為一個獨立的過程

25、控制單元用于工業自動化生產中，因此它的系統軟件必須完成管理和控制兩大任務。系統的管理部分包括輸入、I/O處理、顯示和診斷。系統的控制部分包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補和位置控制。在許多情況下，管理和控制的某些工作必須同時進行。例如，當CNC系統工作在加工控制狀態時，為了使操作人員能及時地了解CNC系統的工作狀態，管理軟件中的顯示模塊必須與控制軟件同時運行。當CNC系統工作在NC加工方式時，管理軟件中的零件程序輸入模塊必須與控制軟件同時運行。而當控制軟件運行時，其本身的一些處理模塊也必須同時運行。例如，為了保證加工過程的連續性，即刀具在各程序段之間不停刀，譯碼、刀具補償和速度處理模塊必須與插

26、補模塊同時運行，而插補又必須與位置控制同時進行。下面給出CNC系統的任務分解圖(圖3-10(a)和任務并行處理關系圖(圖3-10(b)。在圖3-10(b)中,雙向箭頭表示兩個模塊之間有并行處理關系。 (2) 并行處理的概念。并行處理是指計算機在同一時刻或同一時間間隔內完成兩種或兩種以上性質相同或不相同的工作。并行處理最顯著的優點是提高了運算速度。拿n位串行運算和n位并行運算來比較，在元件處理速度相同的情況下，后者運算速度幾乎提高為前者的n倍。這是一種資源重復的并行處理方法，它是根據“以數量取勝”的原則大幅度提高運算速度的。但是并行處理還不止于設備的簡單重復，它還有更多的含義。如時間重疊和資源共

27、享。所謂時間重疊是根據流水線處理技術，使多個處理過程在時間上相互錯開，輪流使用同一套設備的幾個部分。而資源共享則是根據“分時共享”的原則，使多個用戶按時間順序使用同一套設備。目前在CNC系統的硬件設計中，已廣泛使用資源重復的并行處理方法，如采用多CPU的系統體系結構來提高系統的速度。而在CNC系統的軟件設計中則主要采用資源分時共享和資源重疊的流水線處理技術。(3) 資源分時共享。在單CPU的CNC系統中，主要采用CPU分時共享的原則來解決多任務的同時運行。一般來講，在使用分時共享并行處理的計算機系統中，首先要解決的問題是各任務占用CPU時間的分配原則，這里面有兩方面的含義：其一是各任務何時占用

28、CPU；其二是允許各任務占用CPU的時間長短。在CNC系統中，對各任務使用CPU是用循環輪流和中斷優先相結合的方法來解決。圖3-10(c)是一個典型CNC系統各任務分時共享CPU的時間分配圖。系統在完成初始化以后自動進入時間分配環中，在環中依次輪流處理各任務。而對于系統中一些實時性很強的任務則按優先級排隊，分別放在不同中斷優先級上，環外的任務可以隨時中斷環內各任務的執行。每個任務允許占有CPU的時間受到一定限制，通常是這樣處理的，對于某些占有CPU時間比較多的任務，如插補準備，可以在其中的某些地方設置斷點，當程序運行到斷點處時，自動讓出CPU，待到下一個運行時間里自動跳到斷點處繼續執行。(4)

29、 資源重疊流水處理。當CNC系統處在NC工作方式時，其數據的轉換過程將由零件程序輸入、插補準備(包括譯碼、刀具補償和速度處理)、插補、位置控制4個子過程組成。如果每個子過程的處理時間分別為, ,那么一個零件程序段的數據轉換時間將是t=+如果以順序方式處理每個零件程序段，即第一個零件程序段處理完以后再處理第二個程序段，依此類推，這種順序處理時的時間空間關系如圖3-11(a)所示。從圖上可以看出，如果等到第一個程序段處理完之后才開始對第二個程序段進行處理，那么在兩個程序段的輸出之間將有一個時間長度為t的間隔。同樣在第二個程序段與第三個程序段的輸出之間也會有時間間隔，依此類推。這種時間間隔反映在電機

30、上就是電機的時轉時停，反映在刀具上就是刀具的時走時停。不管這種時間間隔多么小，這種時走時停在加工工藝上都是不允許的。消除這種間隔的方法是用流水處理技術。采用流水處理后的時間空間關系如圖3-11(b)所示。流水處理的關鍵是時間重疊，即在一段時間間隔內不是處理一個子過程，而是處理兩個或更多的子過程。從圖3-11(b)可以看出，經過流水處理后從時間開始，每個程序段的輸出之間不再有間隔，從而保證了電機轉動和刀具移動的連續性。從圖3-11（b）中可以看出，流水處理要求沒一個處理子程序的運算時間相等。而在CNC系統中每一個子程序所需的處理時間都是不相等的，解決的辦法是取最長的子程序處理時間為處理時間間隔。

31、這樣當處理時間較短的子程序時，處理完成之后就進入等待狀態。(a) 順序處理(b) 流水處理圖3-11 資源重疊流水處理在單CPU的CNC裝置中，流水處理的時間重疊只有宏觀的意義，即在一段時間內，CPU處理多個子程序，但從微觀上看，各子程序分時占用CPU時間。2、實時中斷處理CNC系統控制軟件的另一個重要特征是實時中斷處理。CNC系統的多任務性和實時性決定了系統中斷成為整個系統必不可少的重要組成部分。CNC系統的中斷管理主要靠硬件完成，而系統的中斷結構決定了系統軟件的結構。其中斷類型有外部中斷、內部定時中斷、硬件故障中斷以及程序性中斷等。(1) 外部中斷。主要有紙帶光電閱讀機讀孔中斷、外部監控中

32、斷(如緊急停、量儀到位等)和鍵盤操作面板輸入中斷。前兩種中斷的實時性要求很高，通常把這兩種中斷放在較高的優先級上，而鍵盤和操作面板輸入中斷則放在較低的中斷優先級上。在有些系統中，甚至用查詢的方式來處理它。(2) 內部定時中斷。主要有插補周期定時中斷和位置采樣定時中斷。在有些系統中，這兩種定時中斷合二為一。但在處理時，總是先處理位置控制，然后處理插補運算。(3) 硬件故障中斷。它是各種硬件故障檢測裝置發出的中斷，如存儲器出錯、定時器出錯、插補運算超時等。(4) 程序性中斷。它是程序中出現的各種異常情況的報警中斷，如各種溢出、清零等。三、CNC系統的控制軟件及其工作過程控制軟件是為完成特定CNC(

33、或MNC)系統各項功能所編制的專用軟件，又稱為系統軟件(或系統程序)。因為CNC(或MNC)系統的功能設置與控制方案各不相同，各種系統軟件在結構和規模上差別很大。系統程序的設計與各項功能的實現及其將來的擴展有最直接的關系，是整個CNC(或MNC)系統研制工作中關鍵性的和工作量最大的部分。前面曾提到，系統軟件一般由輸入、譯碼、數據處理(預計算)、插補運算、速度控制、輸出控制、管理程序及診斷程序等部分構成。下面分別加以介紹。1、輸入CNC系統中一般通過紙帶閱讀機、磁帶機、磁盤及鍵盤輸入零件程序，且其輸入大都采用中斷方式。在系統程序中有相應的中斷服務程序，如紙帶閱讀機中斷服務程序及鍵盤中斷服務程序等

34、。當紙帶閱讀機讀入一個字符至接口中時，就向主機發出中斷，由中斷服務程序將該字符送入內存。同樣，每按一個鍵則表示向主機申請一次中斷，調出一次鍵盤服務程序，對相應的鍵盤命令進行處理。從閱讀機及鍵盤輸入的零件程序，一般是經過緩沖器以后，才進入零件程序存儲器的。零件程序存儲器的規模由系統設計員確定。一般有幾K字節，可以存放許多零件程序。例如7360系統的零件程序存儲器為5K，可存放20多個零件程序。鍵盤中斷服務程序負責將鍵盤上打入的字符存入MDI緩沖器，按一下鍵就是向主機申請一次中斷。其框圖如圖3-16所示。圖3-16 鍵盤中斷服務程序2、譯碼由前面的討論可知，經過輸入系統的工作，已將數據段送入零件程

35、序存儲器。下一步就是由譯碼程序將輸入的零件程序數據段翻譯成本系統能識別的語言。一個數據段從輸入到傳送至插補工作寄存器需經過以下幾個環節，如圖3-17所示。 圖3-17 一個數據段經歷之過程 從原理和本質上說，軟件譯碼與硬件譯碼相同。對于8單位的紙帶程序，一個字符占8位。在16位字長的緩沖器中，一個字可存放兩個字符。數據段長的則占的字數多。譯碼程序按次序將一個個字符和相應的數字進行比較，若相等了，則說明已輸入了該字符。它就好像在硬件譯碼線路中，一個代碼輸入時只打開相應的某一個與門一樣。所不同的是譯碼程序是串行工作的，即一個一個地比較，一直到相等時為止。而硬件譯碼線路則是并行工作的，因而速度較快。

36、以ISO碼為例，M為，即M為八進制的，S為，T為，F為，因此，在判定數據段中是否已編入M，S，T或F字時，就可以將輸入的字符和這些八進制數相比較，若相等了，則說明相應的字符已輸入，立即設立相應的標志。某一個字符輸入以后的處理過程包括：(1) 建立格式標志。如果是位格式，則每個字符所占的格式字的位數不同。(2) 根據輸入字符的不同，確定相應的存放數值的地址。例如，M碼的值存放在1000H，S碼的值存放在1002H，；有的系統則對于各專用地址碼(如N，X，Y，G，M，F等)在存放區域中都有一個位移量，該區域的首址加上地址碼所對應的位移量，就可得到該地址碼所存放的區域。（3）確定調用“數碼轉換程序”

37、的次數。一個代碼后總有數字相接，例如M02，S11，X1000000，。M碼的值最多為2位，是碼最多為2位（或3位），X碼的值最多為7位等。各個系統不盡相同。但對某一個具體系統而言，有一個規定值。如果某一個代碼，它的值得最多為2位，那么只需調用數碼轉換程序兩次。所謂數碼轉換，即把輸入的字符（如ASCII碼）轉換成二進制碼在內存中存放。將不同字符的處理器程序合并起來需要一張信息表。該表中沒一個字符均有相應的一欄。欄中內容包括地址偏移量、在格式標志字中的位數及調用數碼轉換程序的次數。經過一次的算術和邏輯運算即可以完成譯碼工作。在進行譯碼的同時，系統要對零件程序作語法檢查，如輸入的數字個數是否大于允

38、許值，不允許帶負號的地址碼是否帶了負號等。譯碼的結果存放在規定的存儲區內，存放譯碼結果的地方叫做譯碼結果存儲器。譯碼結果存儲器以規定的次序存放各代碼的值（二進制），且包括一個程序格式標志單元，在該格式標志單元中某一位為1，即表示指定的代碼（例如F、S、M）已經被編入。為了使用方便，有時對G碼、M碼的每一個值或幾個值單獨建立標志字。例如，對關于插補方式的G00，G01，G02，G03建立一個標志字，該標志字為0時代表已編入了G00，為1時代表婊入了G01。圖3-18 譯碼程序流程圖3、預計算為了減輕插補工作的負擔，提高系統的實時處理能力，常常在插補運算前先進行數據的預處理，例如，確定圓弧平面、刀

39、具半徑補償的計算等。當采用數字積分法時，可預先進行左移規格化的處理和積分次數的計算等，這樣，可把最直接、最方便形式的數據提供給插補運算。數據預處理即預計算，通常包括刀具長度補償、刀具半徑補償計算、象限及進給方向判斷、進給速度換算和機床輔助功能判斷等。在第二章中已對刀具半徑補償計算的方法作了介紹。下面僅敘述速度計算及控制。進給速度的控制方法與系統采用的插補算法有關，也因不同的伺服系統而有所不同。在開環系統中，常常采用基準脈沖插補法，其坐標軸的運動速度控制是通過控制插補運算的頻率，進而控制向步進電機輸出脈沖的頻率來實現的，速度計算的方法是根據編程F值來確定這個頻率值。通常有程序延時法和中斷法兩種。

40、(1) 程序延時法。程序延時法又稱為程序計時法。這種方法先根據系統要求的進給頻率，計算出兩次插補運算之間的時間間隔，用CPU執行延時子程序的方法控制兩次插補之間的時間。改變延時子程序的循環次數，即可改變進給速度。(2) 中斷方法。中斷方法或稱為時鐘中斷法，是指每隔規定的時間向CPU發中斷請求，在中斷服務程序中進行一次插補運算并發出一個進給脈沖。因此，改變中斷請求信號的頻率，就等于改變了進給速度。中斷請求信號可通過F指令設定的脈沖信號產生，也可通過可編程計數器/定時器產生。如采用Z80CTC作定時器，由程序設置時間常數，每定時到，就向CPU發中斷請求信號，改變時間常數就可以改變中斷請求脈沖信號的

41、頻率。所以，進給速度計算與控制的關鍵就是如何給定CTC的時間常數。在半閉環和閉環系統中，則是采用時間分割的思想，根據編程的進給速度F值將輪廓曲線分割為采樣周期，即迭代周期的進給量輪廓步長的方法。速度計算的任務是：當直線插補時，計算出各坐標軸的采樣周期的步長；當插補圓弧時，為插補程序計算好步長分配系數(有時也稱之為角步距)。另外，在進給速度控制中，一般也都有一個升速、恒速(勻速)和降速的過程，以適應伺服系統的工作狀態，保證工作的穩定性。此內容將在第五章中詳細介紹。4、插補計算插補計算是CNC系統中最重要的計算工作之一。在傳統的NC裝置中，采用硬件電路(插補器)來實現各種軌跡的插補。為了在軟件系統

42、中計算所需的插補軌跡，這些數字電路必須由計算機的程序來模擬。利用軟件來模擬硬件電路的問題在于：三軸或三軸以上聯動的系統具有三個或三個以上的硬件電路(如每軸一個數字積分器)，計算機是用若干條指令來實現插補工作的。但是計算機執行每條指令都須要花費一定的時間，而當前有的小型或微型計算機的計算速度難以滿足NC機床對進給速度和分頻率的要求。因此，在實際的CNC系統中，常常采用粗、精插補相結合的方法，即把插補功能氛圍軟件插補和硬件插補兩部分，計算機控制軟件把刀具軌跡分為若干段，而硬件電路再在段的起點和終點之間進行數據的“密化”，使刀具軌跡在允許的誤差之內，即軟件實現初插補，硬件實現精插補。下面以三坐標直線

43、插補為例予以說明。5、輸出輸出程序的功能是：(1) 進行伺服控制。如上所述。(2) 當進給脈沖改變方向時，要進行反向間隙補償處理。若某一軸由正向變成負向運動，則在反向前輸出Q個正向脈沖；反之，若由負向變成正向運動，則在反向前輸出Q個負向脈沖(Q為反向間隙值，可由程序預置)。(3) 進行絲杠螺距補償。當系統具有絕對零點時，軟件可顯示刀具在任意位置上的絕對坐標值。若預先對機床各點精度進行測量，作出其誤差曲線，隨后將各點修正量制成表格存入數控系統的存儲器中。這樣，數控系統在運行過程中就可對各點坐標位置自動進行補償，從而提高了機床的精度。(4) M,S,T等輔助功能的輸出。在某些程序段中須要啟動機床主

44、軸、改變主軸速度、換刀等，因此要輸出M，S，T代碼，這些代碼大多數是開、關控制，由機床強電執行。但哪些輔助功能是在插補輸出之后才執行，哪些輔助功能必須在插補輸出前執行，需要在軟件設計前預先確認。6、管理與診斷軟件一般CNC(MNC)系統中的管理軟件只涉及兩項，即CPU管理和外部設備管理。由于數控機床的加工是以單個零件為對象的，一個零件程序可以分成若干程序段。每個程序段的執行又分成數據分析、運算、走刀控制、其他動作的控制等步驟。通常情況下，這些加工步驟之間多是順序關系，因此實際的過程就是這些預定步驟的反復執行。在實際系統中，通常多是采用一個主程序將整個加工過程串起來，主控程序對輸入的數據分析判斷后，轉入相應的子程序處理，處理完畢后再返回對數據的分析、判斷、運算。在主控程序空閑時(如延時)，可以安排CPU執行預防性診斷程序，或對尚未執行程序段的輸入數據進行預處理等。在CNC系