1、第四章 計算機數控系統（CNC系統）第一節 概述一、CNC系統的組成CNC系統主要由硬件和軟件兩大部分組成。其核心是計算機數字控制裝置。它通過系統控制軟件配合系統硬件，合理地組織、管理數控系統的輸入、數據處理、插補和輸出信息，控制執行部件，使數控機床按照操作者的要求進行自動加工。CNC系統采用了計算機作為控制部件，通常由常駐在其內部的數控系統軟件實現部分或全部數控功能，從而對機床運動進行實時控制。只要改變計算機數控系統的控制軟件就能實現一種全新的控制方式。CNC系統有很多種類型，有車床、銑床、加工中心等的CNC系統。但是，各種數控機床的CNC系統一般包括以下幾個部分：中央處理單元CPU、存儲器

2、（ROM/RAM）、輸入輸出設備（I/O）、操作面板、顯示器和鍵盤、紙帶穿孔機、可編程控制器等。圖4-1所示為CNC系統的一般結構框圖。圖4-1 CNC系統的結構框圖在圖4-1中所示的整個計算機數控系統的結構框圖，數控系統主要是指圖中的CNC控制器。CNC控制器由計算機硬件、系統軟件和相應的I/O接口構成的專用計算機與可編程控制器PLC組成。前者處理機床的軌跡運動的數字控制，后者處理開關量的邏輯控制。三、CNC系統的功能和一般工作過程（一）CNC系統的功能 CNC系統由于現在普遍采用了微處理器，通過軟件可以實現很多功能。數控系統有多種系列，性能各異。數控系統的功能通常包括基本功能和選擇功能。基

3、本功能是數控系統必備的功能，選擇功能是供用戶根據機床特點和用途進行選擇的功能。CNC系統的功能主要反映在準備功能G指令代碼和輔助功能M指令代碼上。根據數控機床的類型、用途、檔次的不同，CNC系統的功能有很大差別，下面介紹其主要功能。1. 控制功能 ：CNC系統能控制的軸數和能同時控制（聯動）的軸數是其主要性能之一。控制軸有移動軸和回轉軸，有基本軸和附加軸。通過軸的聯動可以完成輪廓軌跡的加工。一般數控車床只需二軸控制，二軸聯動；一般數控銑床需要三軸控制、三軸聯動或軸聯動；一般加工中心為多軸控制，三軸聯動。控制軸數越多，特別是同時控制的軸數越多，要求CNC系統的功能就越強，同時CNC系統也就越復雜

4、，編制程序也越困難。2. 準備功能 準備功能也稱G指令代碼，它用來指定機床運動方式的功能，包括基本移動、平面選擇、坐標設定、刀具補償、固定循環等指令。對于點位式的加工機床，如鉆床、沖床等，需要點位移動控制系統。對于輪廓控制的加工機床，如車床、銑床、加工中心等，需要控制系統有兩個或兩個以上的進給坐標具有聯動功能。3. 插補功能 CNC系統是通過軟件插補來實現刀具運動軌跡控制的。由于輪廓控制的實時性很強，軟件插補的計算速度難以滿足數控機床對進給速度和分辨率的要求，同時由于CNC不斷擴展其他方面的功能也要求減少插補計算所占用的CPU時間。因此 ，CNC的插補功能實際上被分為粗插補和精插補，插補軟件每

5、次插補一個小線段的數據為粗插補，伺服系統根據粗插補的結果，將小線段分成單個脈沖的輸出稱為精插補。有的數控機床采用硬件進行精插補。4. 進給功能 根據加工工藝要求，CNC系統的進給功能用F指令代碼直接指定數控機床加工的進給速度。（1）切削進給速度 以每分鐘進給的毫米數指定刀具的進給速度，如100mm/min。對于回轉軸，表示每分鐘進給的角度。（2）同步進給速度 以主軸每轉進給的毫米數規定的進給速度，如0.02mm/r。只有主軸上裝有位置編碼器的數控機床才能指定同步進給速度，用于切削螺紋的編程。（3）進給倍率 操作面板上設置了進給倍率開關，倍率可以從0200%之間變化，每檔間隔10%。使用倍率開關

6、不用修改程序就可以改變進給速度，并可以在試切零件時隨時改變進給速度或在發生意外時隨時停止進給。5. 主軸功能 主軸功能就是指定主軸轉速的功能。（1）轉速的編碼方式 一般用S指令代碼指定。一般用地址符S后加兩位數字或四位數字表示，單位分別為r/min和mm/min。（2）指定恒定線速度 該功能可以保證車床和磨床加工工件端面質量和不同直徑的外圓的加工具有相同的切削速度。（3）主軸定向準停 該功能使主軸在徑向的某一位置準確停止，有自動換刀功能的機床必須選取有這一功能的CNC裝置。6. 輔助功能 輔助功能用來指定主軸的啟、停和轉向；切削液的開和關；刀庫的啟和停等，一般是開關量的控制，它用M指令代碼表示

7、。各種型號的數控裝置具有的輔助功能差別很大，而且有許多是自定義的。7. 刀具功能 刀具功能用來選擇所需的刀具，刀具功能字以地址符T為首，后面跟二位或四位數字，代表刀具的編號。8. 補償功能 補償功能是通過輸入到CNC系統存儲器的補償量，根據編程軌跡重新計算刀具的運動軌跡和坐標尺寸，從而加工出符合要求的工件。補償功能主要有以下種類：（1）刀具的尺寸補償 如刀具長度補償、刀具半徑補償和刀尖圓弧補償。這些功能可以補償刀具磨損以及換刀時對準正確位置，簡化編程。 （2）絲杠的螺距誤差補償和反向間隙補償或者熱變形補償 通過事先檢測出絲杠螺距誤差和反向間隙，并輸入到CNC系統中，在實際加工中進行補償，從而提

8、高數控機床的加工精度。9. 字符、圖形顯示功能 CNC控制器可以配置單色或彩色CRT或LCD，通過軟件和硬件接口實現字符和圖形的顯示。通常可以顯示程序、參數、各種補償量、坐標位置、故障信息、人機對話編程菜單、零件圖形及刀具實際移動軌跡的坐標等。10. 自診斷功能 為了防止故障的發生或在發生故障后可以迅速查明故障的類型和部位，以減少停機時間，CNC系統中設置了各種診斷程序。不同的CNC系統設置的診斷程序是不同的，診斷的水平也不同。診斷程序一般可以包含在系統程序中，在系統運行過程中進行檢查和診；也可以作為服務性程序，在系統運行前或故障停機后進行診斷，查找故障的部位。有的CNC可以進行遠程通信診斷。

9、11. 通信功能 為了適應柔性制造系統（FMS）和計算機集成制造系統（CIMS）的需求，CNC裝置通常具有RS232C通信接口，有的還備有DNC接口。也有的CNC還可以通過制造自動化協議（MAP）接入工廠的通信網絡。12. 人機交互圖形編程功能 為了進一步提高數控機床的編程效率，對于NC程序的編制，特別是較為復雜零件的NC程序都要通過計算機輔助編程，尤其是利用圖形進行自動編程，以提高編程效率。因此，對于現代CNC系統一般要求具有人機交互圖形編程功能。有這種功能的CNC系統可以根據零件圖直接編制程序，即編程人員只需送入圖樣上簡單表示的幾何尺寸就能自動地計算出全部交點、切點和圓心坐標，生成加工程序

10、。有的CNC系統可根據引導圖和顯示說明進行對話式編程，并具有自動工序選擇、刀具和切削條件的自動選擇等智能功能。有的CNC系統還備有用戶宏程序功能（如日本FANUC系統）。這些功能有助于那些未受過CNC編程專門訓練的機械工人能夠很快地進行程序編制工作。（二）CNC系統的一般工作過程1. 輸入 輸入CNC控制器的通常有零件加工程序、機床參數和刀具補償參數。機床參數一般在機床出廠時或在用戶安裝調試時已經設定好，所以輸入CNC系統的主要是零件加工程序和刀具補償數據。輸入方式有紙帶輸入、鍵盤輸入、磁盤輸入，上級計算機DNC通訊輸入等。CNC輸入工作方式有存儲方式和NC方式。存儲方式是將整個零件程序一次全

11、部輸入到CNC內部存儲器中，加工時再從存儲器中把一個一個程序調出。該方式應用較多。NC方式是CNC一邊輸入一邊加工的方式，即在前一程序段加工時，輸入后一個程序段的內容。2. 譯碼 譯碼是以零件程序的一個程序段為單位進行處理，把其中零件的輪廓信息（起點、終點、直線或圓弧等），F、S、T、M等信息按一定的語法規則解釋（編譯）成計算機能夠識別的數據形式，并以一定的數據格式存放在指定的內存專用區域。編譯過程中還要進行語法檢查，發現錯誤立即報警。3. 刀具補償 刀具補償包括刀具半徑補償和刀具長度補償。為了方便編程人員編制零件加工程序，編程時零件程序是以零件輪廓軌跡來編程的，與刀具尺寸無關。程序輸入和刀具

12、參數輸入分別進行。刀具補償的作用是把零件輪廓軌跡按系統存儲的刀具尺寸數據自動轉換成刀具中心（刀位點）相對于工件的移動軌跡。刀具補償包括B機能和C機能刀具補償功能。在較高檔次的CNC中一般應用C機能刀具補償，C機能刀具補償能夠進行程序段之間的自動轉接和過切削判斷等功能。4. 進給速度處理 數控加工程序給定的刀具相對于工件的移動速度是在各個坐標合成運動方向上的速度，即F代碼的指令值。速度處理首先要進行的工作是將各坐標合成運動方向上的速度分解成各進給運動坐標方向的分速度，為插補時計算各進給坐標的行程量做準備；另外對于機床允許的最低和最高速度限制也在這里處理。有的數控機床的CNC軟件的自動加速和減速也

13、放在這里。5. 插補 零件加工程序程序段中的指令行程信息是有限的。如對于加工直線的程序段僅給定起、終點坐標；對于加工圓弧的程序段除了給定其起、終點坐標外，還給定其圓心坐標或圓弧半徑。要進行軌跡加工，CNC必須從一條已知起點和終點的曲線上自動進行“數據點密化”的工作，這就是插補。插補在每個規定的周期（插補周期）內進行一次，即在每個周期內，按指令進給速度計算出一個微小的直線數據段，通常經過若干個插補周期后，插補完一個程序段的加工，也就完成了從程序段起點到終點的“數據密化”工作。6. 位置控制 位置控制裝置位于伺服系統的位置環上，如圖4-2所示。它的主要工作是在每個采樣周期內，將插補計算出的理論位置

14、與實際反饋位置進行比較，用其差值控制進給電動機。位置控制可由軟件完成，也可由硬件完成。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等，以提高機床的定位精度。圖4-2 位置控制的原理7. I/O處理 CNC的I/O處理是CNC與機床之間的信息傳遞和變換的通道。其作用一方面是將機床運動過程中的有關參數輸入到CNC中；另一方面是將CNC的輸出命令（如換刀、主軸變速換檔、加冷卻液等）變為執行機構的控制信號，實現對機床的控制。8. 顯示 CNC系統的顯示主要是為操作者提供方便，顯示裝置有CRT顯示器或LCD數碼顯示器，一般位于機床的控制面板上。通常有零件程序的顯示

15、、參數的顯示、刀具位置顯示、機床狀態顯示、報警信息顯示等。有的CNC裝置中還有刀具加工軌跡的靜態和動態模擬加工圖形顯示。上述的CNC的工作流程如圖4-3所示。圖4-3 CNC的工作流程第二節 CNC系統的硬件結構 一、CNC系統的硬件構成特點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

16、件，而把功能模塊組成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。由此可見，大板式結

17、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CPU、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CPU、存儲器、輸入輸出控制組成獨立微型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，有良好的適應性和擴展性，試制周期短，調整維護方便

18、，效率高。 從CNC系統使用的CPU及結構來分，CNC系統的硬件結構一般分為單CPU和多CPU結構兩大類。初期的CNC系統和現在的一些經濟型CNC系統采用單CPU結構，而多CPU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CPU結構CNC系統單CPU結構CNC系統的基本結構包括：CPU、總線、I/O接口、存儲器、串行接口和CRT/MDI接口等，還包括數控系統控制單元部件和接口電路，如位置控制單元、PLC接口、主軸控制單元、速度控制單元、穿孔機和紙帶閱讀機接口以及其他接口等。圖

19、4-4所示的為一種單CPU結構的CNC系統框圖。圖4-4 單CPU結構CNC框圖CPU主要完成控制和運算兩方面的任務。控制功能包括：內部控制，對零件加工程序的輸入、輸出控制，對機床加工現場狀態信息的記憶控制等。運算任務是完成一系列的數據處理工作：譯碼、刀補計算、運動軌跡計算、插補運算和位置控制的給定值與反饋值的比較運算等。在經濟型CNC系統中，常采用8位微處理器芯片或8位、16位的單片機芯片。中高檔的CNC通常采用16位、32位甚至64位的微處理器芯片。在單CPU的CNC系統中通常采用總線結構。總線是微處理器賴以工作的物理導線，按其功能可以分為三組總線，即數據總線（DB）、地址總線（AD）、控

20、制總線（CB）。CNC裝置中的存儲器包括只讀存儲器（ROM）和隨機存儲器（RAM）兩種。系統程序存放在只讀存儲器EPROM中，由生產廠家固化。即使斷電，程序也不會丟失。系統程序只能由CPU讀出，不能寫入。運算的中間結果，需要顯示的數據，運行中的狀態、標志信息等存放在隨機存儲器RAM中。它可以隨時讀出和寫入，斷電后，信息就消失。加工的零件程序、機床參數、刀具參數等存放在有后備電池的CMOS RAM中，或者存放在磁泡存儲器中，這些信息在這種存儲器中能隨機讀出，還可以根據操作需要寫入或修改，斷電后，信息仍然保留。CNC裝置中的位置控制單元主要對機床進給運動的坐標軸位置進行控制。位置控制的硬件一般采用

21、大規模專用集成電路位置控制芯片或控制模板實現。CNC接受指令信息的輸入有多種形式，如光電式紙帶閱讀機、磁帶機、磁盤、計算機通信接口等形式，以及利用數控面板上的鍵盤操作的手動數據輸入（MDI）和機床操作面板上手動按鈕、開關量信息的輸入。所有這些輸入都要有相應的接口來實現。而CNC的輸出也有多種，如程序的穿孔機、電傳機輸出、字符與圖形顯示的陰極射線管CRT輸出、位置伺服控制和機床強電控制指令的輸出等，同樣要有相應的接口來執行。單CPU結構CNC系統的特點是：CNC的所有功能都是通過一個CPU進行集中控制、分時處理來實現的；該CPU通過總線與存儲器、I/O控制元件等各種接口電路相連，構成CNC的硬件

22、；結構簡單，易于實現；由于只有一個CPU的控制，功能受字長、數據寬度、尋址能力和運算速度等因素的限制。三、多CPU結構CNC系統多CPU結構CNC系統是指在CNC系統中有兩個或兩個以上的CPU能控制系統總線或主存儲器進行工作的系統結構。該結構有緊耦合和松耦合兩種形式。緊耦合是指兩個或兩個以上的CPU構成的處理部件之間采用緊耦合（相關性強），有集中的操作系統，共享資源。松耦合是指兩個或兩個以上的CPU構成的功能模塊之間采用松耦合（相關性弱或具有相對的獨立性），有多重操作系統實現并行處理。現代的CNC系統大多采用多CPU結構。在這種結構中，每個CPU完成系統中規定的一部分功能，獨立執行程序，它比單

23、CPU結構提高了計算機的處理速度。多CPU結構的CNC系統采用模塊化設計，將軟件和硬件模塊形成一定的功能模塊。模塊間有明確的符合工業標準的接口，彼此間可以進行信息交換。這樣可以形成模塊化結構，縮短了設計制造周期，并且具有良好的適應性和擴展性，結構緊湊。多CPU的CNC系統由于每個CPU分管各自的任務，形成若干個模塊，如果某個模塊出了故障，其他模塊仍然照常工作。并且插件模塊更換方便，可以使故障對系統的影響減少到最小程度，提高了可靠性。性能價格比高，適合于多軸控制、高進給速度、高精度的數控機床。1 多CPU CNC系統的典型結構（1）共享總線結構 在這種結構的CNC系統中，只有主模塊有權控制系統總

24、線，且在某一時刻只能有一個主模塊占有總線，如有多個主模塊同時請求使用總線會產生競爭總線問題。共享總線結構的各模塊之間的通信，主要依靠存儲器實現，采用公共存儲器的方式。公共存儲器直接插在系統總線上，有總線使用權的主模塊都能訪問，可供任意兩個主模塊交換信息。其結構如圖4-5所示：圖4-5 共享總線的多CPU結構的CNC結構框圖（2）共享存儲器結構 在該結構中，采用多端口存貯器來實現各CPU之間的互連和通信，每個端口都配有一套數據、地址、控制線，以供端口訪問。由多端控制邏輯電路解決訪問沖突。如圖4-6所示。當CNC系統功能復雜要求CPU數量增多時，會因爭用共享存儲器而造成信息傳輸的阻塞，降低系統的效

25、率，其擴展功能較為困難。共享存儲器I/O（CPU1）CRT（CPU2）插補（CPU3）軸控制（CPU4）圖4-6 共享存儲器的多CPU結構框圖2 多CPU CNC系統基本功能模塊：（1）管理模塊 該模塊是管理和組織整個CNC系統工作的模塊，主要功能包括：初始化、中斷管理、總線裁決、系統出錯識別和處理、系統硬件與軟件診斷等功能。（2）插補模塊 該模塊是在完成插補前，進行零件程序的譯碼、刀具補償、坐標位移量計算、進給速度處理等預處理，然后進行插補計算，并給定各坐標軸的位置值。（3）位置控制模塊 對坐標位置給定值與由位置檢測裝置測到的實際位置值進行比較并獲得差值、進行自動加減速、回基準點、對伺服系統

26、滯后量的監視和漂移補償，最后得到速度控制的模擬電壓（或速度的數字量），去驅動進給電動機。（4）PLC模塊 零件程序的開關量（S、M、T）和機床面板來的信號在這個模塊中進行邏輯處理，實現機床電氣設備的啟停，刀具交換，轉臺分度，工件數量和運轉時間的計數等。（5）命令與數據輸入輸出模塊 指零件程序、參數和數據、各種操作指令的輸入輸出，以及顯示所需要的各種接口電路。（6）存儲器模塊 是程序和數據的主存儲器，或是功能模塊數據傳送用的共享存儲器。第三節 CNC系統的軟件結構CNC系統的軟件是為完成CNC系統的各項功能而專門設計和編制的，是數控加工系統的一種專用軟件，又稱為系統軟件（系統程序）。CNC 系統

27、軟件的管理作用類似于計算機的操作系統的功能。不同的CNC裝置，其功能和控制方案也不同，因而各系統軟件在結構上和規模上差別較大，各廠家的軟件互不兼容。現代數控機床的功能大都采用軟件來實現，所以，系統軟件的設計及功能是CNC系統的關鍵。數控系統是按照事先編制好的控制程序來實現各種控制的，而控制程序是根據用戶對數控系統所提出的各種要求進行設計的。在設計系統軟件之前必須細致地分析被控制對象的特點和對控制功能的要求，決定采用哪一種計算方法。在確定好控制方式、計算方法和控制順序后，將其處理順序用框圖描述出來，使系統設計者對所設計的系統有一個明確而又清晰的輪廓。一、CNC裝置軟硬件的界面在CNC系統中，軟件

28、和硬件在邏輯上是等價的，即由硬件完成的工作原則上也可以由軟件來完成。但是它們各有特點：硬件處理速度快，造價相對較高，適應性差；軟件設計靈活、適應性強，但是處理速度慢。因此，CNC系統中軟、硬件的分配比例是由性能價格比決定的。這也在很大程度上涉及到軟、硬件的發展水平。一般說來，軟件結構首先要受到硬件的限制，軟件結構也有獨立性。對于相同的硬件結構，可以配備不同的軟件結構。實際上，現代CNC系統中軟、硬件界面并不是固定不變的，而是隨著軟、硬件的水平和成本，以及CNC系統所具有的性能不同而發生變化。圖4-7 給出了不同時期和不同產品中的三種典型的CNC系統軟、硬件界面。圖4-7 CNC中三種典型的軟硬

29、件界面二、CNC系統控制軟件的結構特點1CNC系統的多任務性CNC系統作為一個獨立的過程數字控制器應用于工業自動化生產中，其多任務性表現在它的管理軟件必須完成管理和控制兩大任務。其中系統管理包括輸入，I/O處理，通訊、顯示、診斷以及加工程序的編制管理等程序。系統的控制部分包括：譯碼、刀具補償、速度處理、插補和位置控制等軟件。如圖4-8 所示。圖4-8 CNC任務分解同時，CNC系統的這些任務必須協調工作。也就是在許多情況下，管理和控制的某些工作必須同時進行。例如，為了便于操作人員能及時掌握CNC的工作狀態，管理軟件中的顯示模塊必須與控制模塊同時運行；當CNC處于NC工作方式時，管理軟件中的零件

30、程序輸入模塊必須與控制軟件同時運行。而控制軟件運行時，其中一些處理模塊也必須同時進行。如為了保證加工過程的連續性，即刀具在各程序段間不停刀，譯碼、刀補和速度處理模塊必須與插補模塊同時運行，而插補又要與位置控制必須同時進行等，這種任務并行處理關系如圖4-9 所示。圖4-9 CNC的任務并行處理關系需求事實上，CNC系統是一個專用的實時多任務計算機系統，其軟件必然會融合現代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技術。2 并行處理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。并行處理的優點是提高了運行速度。并行處理分為“資源

31、重復”法、 “時間重疊”法和“資源共享”法等并行處理方法。資源重復是用多套相同或不同的設備同時完成多種相同或不同的任務。如在CNC系統硬件設計中采用多CPU的系統體系結構來提高處理速度。資源共享是根據“分時共享”的原則，使多個用戶按照時間順序使用同一套設備。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。目前CNC裝置的硬件結構中，廣泛使用“資源重復”的并行處理技術。如采用多CPU的體系結構來提高系統的速度。而在CNC裝置的軟件中，主要采用“資源分時共享”和“資源重疊的流水處理”方法。（1）資源分時共享并行處理方法在單CPU的CNC裝置中，要采用CP

32、U分時共享的原則來解決多任務的同時運行。各個任務何時占用CPU及各個任務占用CPU時間的長短，是首先要解決的兩個時間分配的問題。在CNC裝置中，各任務占用CPU是用循環輪流和中斷優先相結合的辦法來解決。圖4-10 所示為一個典型的CNC裝置各任務分時共享CPU的時間分配。圖4-10 CPU分時共享的并行處理系統在完成初始化任務后自動進入時間分配循環中，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，分別處于不同的中斷優先級上作為環外任務，環外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的時間受到一定的限制，對于某些占有CPU時間較多的任務，如插補準備（包括譯

33、碼、刀具半徑補償何速度處理等），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，等到下一個運行時間內自動跳到斷點處繼續運行。（2）資源重疊流水并行處理方法當CNC裝置在自動加工工作方式時，其數據的轉換過程將由零件程序輸入、插補準備、插補、位置控制四個子過程組成。如果每個子過程的處理時間分別為t1、t2、t3、t4，那么一個零件程序段的數據轉換時間將是t=t1+t2+t3+t4。如果以順序方式處理每個零件的程序段，則第一個零件程序段處理完以后再處理第二個程序段，依次類推。圖4-11 a）表示了這種順序處理時的時間空間關系。從圖中可以看出，兩個程序段的輸出之間將有一個時間為t的

34、間隔。這種時間間隔反映在電動機上就是電動機的時停時轉，反映在刀具上就是刀具的時走時停，這種情況在加工工藝上是不允許的。消除這種間隔的方法是用時間重疊流水處理技術。采用流水處理后的時間空間關系如圖4-11 b）所示。 a) b)圖4-11 時間重疊流水處理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。從圖中可以看出，經過流水處理以后，從時間t4開始，每個程序段的輸出之間不再有間隔，從而保證了刀具移動的連續性。流水處理要求處理每個子過程的運算時間相等，然而CNC裝置中每個子過程所需的處理時間都是不同的，解決的方法是取最長的子過程處理時間為流水處理時間間

35、隔。這樣在處理時間間隔較短的子過程時，當處理完后就進入等待狀態。在單CPU的CNC裝置中，流水處理的時間重疊只有宏觀上的意義。即在一段時間內，CPU處理多個子過程，但從微觀上看，每個子過程是分時占用CPU時間。3 實時中斷處理CNC系統軟件結構的另一個特點時實時中斷處理。CNC系統程序以零件加工為對象，每個程序段中有許多子程序，它們按照預定的順序反復執行，各個步驟間關系十分密切，有許多子程序的實時性很強，這就決定了中斷成為整個系統不可缺少的重要組成部分。CNC系統的中斷管理主要由硬件完成，而系統的中斷結構決定了軟件結構。CNC的中斷類型如下：（1）外部中斷 主要有紙帶光電閱讀機中斷、外部監控中

36、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，將它們放在較高的優先級上，而鍵盤和操作面板的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。在有些系統中將兩種定時中斷合二為一。但是在處理時，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 它是程序中出現的異常情況的報警中斷。如：各種溢出，除零等。三、常規CNC系統的軟件結構CNC系統的軟件結構決定于系統采用的中斷結構。在常

37、規的CNC系統中，已有的結構模式有中斷型結構和前后臺型兩種結構模式。1中斷型結構模式中斷型軟件結構的特點是除了初始化程序之外，整個系統軟件的各種功能模塊分別安排在不同級別的中斷服務程序中，整個軟件就是一個大的中斷系統。其管理的功能主要通過各級中斷服務程序之間的相互通訊來解決。一般在中斷型結構模式的CNC軟件體系中，控制CRT顯示的模塊為低級中斷（0級中斷），只要系統中沒有其他中斷級別請求，總是執行0級中斷，即系統進行CRT顯示。其他程序模塊，如譯碼處理、刀具中心軌跡計算、鍵盤控制、I/O信號處理、插補運算、終點判別、伺服系統位置控制等處理，分別具有不同的中斷優先級別。開機后，系統程序首先進入初

38、始化程序，進行初始化狀態的設置、ROM檢查等工作。初始化后，系統轉入0級中斷CRT顯示處理。此后系統就進入各種中斷的處理，整個系統的管理是通過每個中斷服務程序之間的通信方式來實現的。表4-1 FANUC-BESK 7CM CNC系統的各級中斷功能中斷級別主要功能中斷源0控制CRT顯示硬件1譯碼、刀具中心軌跡計算，顯示器控制軟件，16ms定時2鍵盤監控，I/O信號處理，穿孔機控制軟件，16ms定時3操作面板和電傳機處理硬件4插補運算、終點判別和轉段處理軟件，8ms定時5紙帶閱讀機讀紙帶處理硬件6伺服系統位置控制處理4ms實時鐘7系統測試硬件例如FANUC-BESK 7CM CNC系統是一個典型的

39、中斷型軟件結構。整個系統的各個功能模塊被分為八級不同優先級的中斷服務程序，如表4-1所示。其中伺服系統位置控制被安排成很高的級別，因為機床的刀具運動實時性很強。CRT顯示被安排的級別最低，即0級，其中斷請求是通過硬件接線始終保持存在。只要0級以上的中斷服務程序均未發生的情況下，就進行CRT顯示。1級中斷相當于后臺程序的功能，進行插補前的準備工作。1級中斷有13種功能，對應著口狀態字中的13個位，每位對應于一個處理任務。在進入1級中斷服務時，先依次查詢口狀態字的012位的狀態，再轉入相應的中斷服務（表4-2）。其處理過程見圖4-12。口狀態字的置位有兩種情況：一是由其他中斷根據需要置1級中斷請求

40、的同時置相應的口狀態字；二是在執行1級中斷的某個口子處理時，置口狀態字的另一位。當某一口的處理結束后，程序將口狀態字的對應位清除。圖4-12 1級中斷各口處理轉換框圖2級中斷服務程序的主要工作是對數控面板上的各種工作方式和I/O信號處理。3級中斷則是對用戶選用的外部操作面板和電傳機的處理。4級中斷最主要的功能是完成插補運算。7CM系統中采用了“時間分割法”（數據采樣法）插補。此方法經過CNC插補計算輸出的是一個插補周期T（8ms）的F指令值，這是一個粗插補進給量，而精插補進給量則是由伺服系統的硬件與軟件來完成的。一次插補處理分為速度計算、插補計算、終點判別和進給量變換四個階段。5級中斷服務程序

41、主要對紙帶閱讀機讀入的孔信號進行處理。這種處理基本上可以分為輸入代碼的有效性判別、代碼處理和結束處理三個階段。6級中斷主要完成位置控制、4ms定時計時和存儲器奇偶校驗工作。7級中斷實際上是工程師的系統調試工作，非使用機床的正式工作。中斷請求的發生，除了第6級中斷是由4ms時鐘發生之外，其余的中斷均靠別的中斷設置，即依靠各中斷程序之間的相互通訊來解決。例如第6級中斷程序中每兩次設置一次第4級中斷請求（8ms）；每四次設置一次第1、2級中斷請求。插補的第4級中斷在插補完一個程序段后，要從緩沖器中取出一段并作刀具半徑補償，這時就置第1級中斷請求，并把4號口置1。表4-2 FANUC-BESK 7CM

42、 CNC系統1級中斷的13種功能口狀態字對應口的功能0顯示處理1公英制轉換2部分初始化3從存儲區（MP、PC或SP區）讀一段數控程序到BS區4輪廓軌跡轉換成刀具中心軌跡5“再啟動”處理6“再啟動”開關無效時，刀具回到斷點“啟動”處理7按“啟動”按鈕時，要讀一段程序到BS區的預處理8連續加工時，要讀一段程序到BS區的預處理9紙帶閱讀機反繞或存儲器指針返回首址的處理A啟動紙帶閱讀機使紙帶正常進給一步B置M、S、T指令標志及G96速度換算C置紙帶反繞標志下面介紹FANUC-BESK 7CM中斷型CNC系統的工作過程及其各中斷程序之間的相互關聯。（1）開機 開機后，系統程序首先進入初始化程序，進行初始

43、化狀態的設置，ROM檢查工作。初始化結束后，系統轉入0級中斷服務程序，進行CRT顯示處理。每4ms的間隔，進入6級中斷。由于1級、2級和4級中斷請求均按6級中斷的定時設置運行，從此以后系統就進入輪流對這幾種中斷的處理。（2）啟動紙帶閱讀機輸入紙帶 作好紙帶閱讀機的準備工作后，將操作方式置于“數據輸入”方式，按下面板上的主程序MP鍵。按下紙帶輸入鍵，控制程序在2級中斷“紙帶輸入鍵處理程序”中啟動一次紙帶閱讀機。當紙帶上的同步孔信號讀入時產生5級中斷請求。系統響應5級中斷處理，從輸入存儲器中讀入孔信號，并將其送入MP區，然后再啟動一次紙帶閱讀機，直到紙帶結束。（3）啟動機床加工1）當按下機床控制面

44、板上的“啟動”按鈕后，在2級中斷中，判定“機床啟動”為有效信息，置1級中斷7號口狀態，表示啟動按鈕后要求將一個程序段從MP區讀入BS區中。2）程序轉入1級中斷，在處理到7號口狀態時，置3號口狀態，表示允許進行“數控程序從MP區讀入BS區”的操作。3）在1級中斷依次處理完后返回3號口處理，把一數控程序段讀入BS區，同時置已有新加工程序段讀入BS區標志。4）程序進入4級中斷，根據“已有新加工程序段讀入BS區”的標志，置“允許將BS內容讀入AS”的標志，同時置1級中斷4號口狀態。5）程序再轉入1級中斷，在4號口處理中，把BS內容讀入AS區中，并進行插補軌跡計算，計算后置相應的標志。6）程序再進入4級

45、中斷處理，進行其插補預處理，處理結束后置“允許插補開始”標志。同時由于BS內容已讀入AS，因此置1級中斷的8號口，表示要求從MP區讀一段新程序段到BS區。此后轉入速度計算插補計算進給量處理，完成第一次插補工作。7）程序進入6級中斷，把4級中斷送出的插補進給量分兩次進給。8）再進入1級中斷，8號口處理中允許再讀入一段，置3號口。再3號口處理中把新程序段從MP區讀入BS區。9）反復進行4級、6級、1級等中斷處理，機床在系統的插補計算中不斷進給，顯示器不斷顯示出新的加工位置值。整個加工過程就是由以上各級中斷進行若干次處理完成的。由此可見，整個系統的管理采用了中斷程序間的各種通信方式實現的。其中包括：

46、（a）設置軟件中斷。第1、2、4級中斷由軟件定時實現，第6級中斷由時鐘定時發生，每4ms中斷一次。這樣每發生兩次6級中斷，設置一次4級中斷請求，每發生四次6級中斷，設置一次1、2級中斷請求。將1、2、4、6級中斷聯系起來。（b）每個中斷服務程序自身的聯接是依靠每個中斷服務程序的“口狀態字”位。如1級中斷分成13個口，每個口對應“口狀態字”的一位，每一位對應處理一個任務。進行1級中斷的某口的處理時可以設置“口狀態字”的其他位的請求，以便處理完某口的操作時立即轉入到其他口的處理。 （c）設置標志。標志是各個程序之間通信的有效手段。如4級中斷每8ms中斷一次，完成插補預處理功能。而譯碼、刀具半徑補償

47、等在1級中斷中進行。當完成了其任務后應立刻設置相應的標志，若未設置相應的標志，CNC會跳過該中斷服務程序繼續往下進行。2 前后臺型結構模式該結構模式的CNC系統的軟件分為前臺程序和后臺程序。前臺程序是指實時中斷服務程序，實現插補、伺服、機床監控等實時功能。這些功能與機床的動作直接相關。后臺程序是一個循環運行程序，完成管理功能和輸入、譯碼、數據處理等非實時性任務，也叫背景程序，管理軟件和插補準備在這里完成。后臺程序運行中，實時中斷程序不斷插入，與后臺程序相配合，共同完成零件加工任務。圖4-13所示為前后臺軟件結構中，實時中斷程序與后臺程序的關系圖。這種前后臺型的軟件結構一般適合單處理器集中式控制

48、，對CPU的性能要求較高。程序啟動后先進行初始化，再進入后臺程序環，同時開放實時中斷程序，每隔一定的時間中斷發生一次，執行一次中斷服務程序，此時后臺程序停止運行，實時中斷程序執行后，再返回后臺程序。后臺程序初始化實時中斷程序圖4-13 前后臺軟件結構美國A-B7360 CNC軟件是一種典型的前后臺型軟件。其結構框圖如圖4-14所示。該圖的右側是實時中斷程序處理的任務，主要的可屏蔽中斷有10.24ms實時時鐘中斷、閱讀機中斷和鍵盤中斷。其中閱讀機中斷優先級最高，10.24ms實時時鐘中斷優先級次之，鍵盤中斷優先級最低。閱讀機中斷僅在輸入零件程序時啟動了閱讀機后才發生，鍵盤中斷也僅在鍵盤方式下發生

49、，而10.24ms中斷總是定時發生的。左側則是背景程序處理的任務。背景程序是一個循環執行的主程序，而實時中斷程序按其優先級隨時插入背景程序中。當A-B7360 CNC控制系統接通電源或復位后，首先運行初始化程序，然后，設置系統有關的局部標志和全局性標志；設置機床參數；預清機床邏輯I/O信號在RAM中的映象區；設置中斷向量；并開放10.24ms實時時鐘中斷，最后進入緊停狀態。此時，機床的主軸和坐標軸伺服系統的強電時斷開的，程序處于對“緊停復位”的等待循環中。由于10.24ms時鐘中斷定時發生，控制面板上的開關狀態隨時被掃描，并設置了相應的標志，以供主程序使用。一旦操作者按了“緊停復位”按鈕，接通

50、機床強電時，程序下行，背景程序起動。首先進入MCU總清（即清除零件程序緩沖區、鍵盤MDI緩沖區、暫存區、插補參數區等），并使系統進入約定的初始控制狀態（如G01、G90等），接著根據面板上的方式進行選擇，進入相應的方式服務環中。各服務環的出口又循環到方式選擇例程，一旦10.24ms時鐘中斷程序掃描到面板上的方式開關狀態發生了變化，背景程序便轉到新的方式服務環中。無論背景程序處于何種方式服務中，10.24ms的時鐘中斷總是定時發生的。圖4-14 7360 CNC軟件總框圖在背景程序中，自動/單段是數控加工中的最主要的工作方式，在這種工作方式下的核心任務是進行一個程序段的數據預處理，即插補預處理。

51、即一個數據段經過輸入譯碼、數據處理后，就進入就緒狀態，等待插補運行。所以圖4-14中段執行程序的功能是將數據處理結果中的插補用信息傳送到插補緩沖器，并把系統工作寄存器中的輔助信息（S、M、T代碼）送到系統標志單元，以供系統全局使用。在完成了這兩種傳送之后，背景程序設立一個數據段傳送結束標志及一個開放插補標志。在這兩個標志建立之前，定時中斷程序盡管照常發生，但是不執行插補及輔助信息處理等工作，僅執行一些例行的掃描、監控等功能。這兩個標志的設置體現了背景程序對實時中斷程序的控制和管理。這兩個標志建立后，實時中斷程序即開始執行插補、伺服輸出、輔助功能處理，同時，背景程序開始輸入下一程序段，并進行新一

52、個數據段的預處理。在這里，系統設計者必須保證在任何情況下，在執行當前一個數據段的實時插補運行過程中必須將下一個數據段的預處理工作結束，以實現加工過程的連續性。這樣，在同一時間段內，中斷程序正在進行本段的插補和伺服輸出，而背景程序正在進行下一段的數據處理。即在一個中斷周期內，實時中斷開銷一部分時間，其余時間給背景程序。一般情況下，下一段的數據處理及其結果傳送比本段插補運行的時間短，因此，在數據段執行程序中有一個等待插補完成的循環，在等待過程中不斷進行CRT顯示。由于在自動/單段工作方式中，有段后停的要求，所以在軟件中設置循環停請求。若整個零件程序結束，一般情況下要停機。若僅僅本段插補加工結束而整

53、個零件程序未結束，則又開始新的循環。循環停處理程序是處理各種停止狀態的，例如在單段工作方式時，每執行完一個程序段時就設立循環停狀態，等待操作人員按循環啟動按鈕。如果系統一直處于正常的加工狀態，則跳過該處理程序。關于中斷程序，除了閱讀機和鍵盤中斷是在其特定的工作情況下發生外，主要是10.24ms的定時中斷。該時間是7360 CNC的實際位置采樣周期，也就是采用數據采樣插補方法（時間分割法）的插補周期。該實時時鐘中斷服務程序是系統的核心。CNC的實時控制任務包括位置伺服、面板掃描、機床邏輯（可編程應用邏輯PAL程序）、實時診斷和輪廓插補等都在其中實現。第四節 CNC系統的輸入輸出與通信功能 一、

54、CNC裝置的輸入輸出和通信要求CNC裝置作為控制獨立的單臺機床設備時，通常需要與下列設備相接并進行數據的輸 入、輸出并與其他裝置設備進行信息交換和傳遞，具體要求如下：（1）數據輸入輸出設備。如光電紙帶閱讀機（PTR），紙帶穿孔機（PP），零件的編程機和可編程控制器（PLC）的編程機等。（2）外部機床控制面板，包括鍵盤和終端顯示器。特別是大型數控機床，為了操作方便，往往在機床一側設置一個外部的機床控制面板。其結構可以是固定的，或者是懸掛式的。它往往遠離CNC裝置。早期CNC裝置采用專用的遠距離輸出輸入接口，近來采用標準的RS-232C20mA電流環接口。（3）通用的手搖脈沖發生器。（4）進給驅動

55、線路和主軸驅動線路。一般情況下，主軸驅動和進給驅動線路與CNC裝置裝在同一機柜或相鄰機柜內，通過內部連線相連，它們之間不設置通用輸出輸入接口。例如，西門子公司Sinumerik3或8系統設有V24（RS-232C）20mA接口供程序輸入輸出之用。Sinumerik810820設有兩個通用V2420mA接口，可用以連接數據輸出輸入設備。 而外部機床控制面板通過IO模塊相連。規定V24接口傳輸距離不大干50m，20mA電流環接口可達1000m。隨著工廠自動化（FA）和計算機集成制造系統（CIMS）的發展，CNC裝置作為FA或CIMS結構中的一個基礎層次，用作設備層或工作站層的控制器時，可以是分布式

56、數控系統（DNC或稱群控系統），柔性制造系統（FMS）的有機組成部分。一般通過工業局部網絡相連。CNC裝置除了要與數據輸出輸入設備等外部設備相連接外，還要與上級主計算機或DNC 計算機直接通信或通過工廠局部網絡相連，具有網絡通信功能。CNC裝置與上級計算機或單元控制器間交換的數據要比單機運行時多得多。例如，機床起停信號、操作指令、機床狀態信息、零件程序的傳送，其他CNC數據的傳送等。為此，傳送的速率也要高些，一般通過RS-232c20mA接口的傳送速率不超過9600bits。 美國A-B公司8600系統為滿足CIMS通信要求，配置如下三種接口：小型DNC接口；遠距離輸入輸出接口；數據高速通道（

57、Data Highway），相當于工業局部網絡的通信接口。FANUCl5系統也有類似接口功能。CNC裝置通過專用通信處理機，遠程緩沖存儲器， RS-422接口，采用通信協議Protocol A或B，傳送速率可達86.4Kbits，若采用HDLC協議，傳送速率可達920Kbits。為了滿足工廠自動化和CIMS的需要還可配置MAP3.0接口板，以便接人工業局部網絡。Sinumerik850880系統除配置有標準的RS-232C接口外，還設置有SINEC H1網絡接口和MAP（Manufacturing Automation Protocol 制造自動化協議）網絡接口（或稱SINEC H2接口）。通過網絡接口可將CNC 連至西門子的SINEC H1網絡和MAP工業局部網絡中。SINEC H1網絡類似Ether net（以太網），遵循CSMACD（載波偵聽多路存取沖突檢測）控制方式的IEEE802.3。西門子的SINECH2工業局部網絡（LAN）遵循MAP3.0 協議，以令牌通行（token Passing）方式的IE