1、0第3章 計算機數控裝置3.1 概述概述3.2 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構3.3 CNC裝置的軟件結構裝置的軟件結構3.4 典型數控功能原理及實現典型數控功能原理及實現3.5 國內外典型國內外典型CNC系統簡介系統簡介14.3 CNCCNC系統的軟件系統的軟件數控系統功能界面的幾種劃分：數控系統功能界面的幾種劃分：輸 入預處理位置檢測插補運算位置控制速度控制伺服電機程序硬件硬件硬件硬件硬件軟件軟件軟件軟件 軟件和硬件的功能界面軟件和硬件的功能界面 3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構24.3 CNCCNC系統的軟件系統的軟件加工程序加工程序譯譯 碼碼譯碼緩沖區譯碼緩沖區刀補處理刀

2、補處理刀補緩沖區刀補緩沖區速度預處理速度預處理插補緩沖區插補緩沖區插補處理插補處理運行緩沖區運行緩沖區伺服驅動伺服驅動位控處理位控處理位置反饋位置反饋PLCPLC控制控制3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構34.3 CNCCNC系統的軟件系統的軟件3.3.1 CNC系統軟件的組成與功能系統軟件的組成與功能 1. 組成組成 CNC系統軟件是具有實時性和多任務性的專用操作系統，系統軟件是具有實時性和多任務性的專用操作系統，該操作系統由該操作系統由CNC管理軟件和管理軟件和CNC控制軟件兩部分組成。控制軟件兩部分組成。操作系統操作系統管理軟件管理軟件控制軟件控制軟件零零件件程程序序管管理理顯顯

3、示示處處理理輸輸入入輸輸出出管管理理機機床床輸輸入入輸輸出出位位置置控控制制故故障障診診斷斷處處理理插插補補運運算算主主軸軸控控制制編編譯譯處處理理刀刀具具補補償償.3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構42. 功能功能u位置控制位置控制u插補運算插補運算u狀態顯示狀態顯示uPLCu故障診斷故障診斷u 3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構51.譯碼譯碼(Decode) 將用文本格式（通常用將用文本格式（通常用ASCII碼）表達的零件加碼）表達的零件加工程序，以程序段為單位轉換成后續程序（本例工程序，以程序段為單位轉換成后續程序（本例是指刀補處理程序）所要求的數據結構（格式）。是指刀補

4、處理程序）所要求的數據結構（格式）。3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構6 數據結構示例：數據結構示例： Struct PROG_BUFFER char buf_state； /緩沖區狀態，緩沖區狀態，0 空；空；1 準備好。準備好。 int block_num； /以以BCD碼的形式存放本程序段號。碼的形式存放本程序段號。 double COOR20；/存放尺寸指令的數值（存放尺寸指令的數值（m）。）。 int F,S； /F（mm/min）S（r/min）。）。 char G0； /以標志形式存放以標志形式存放G指令。指令。 char G1； char M0； /以標志形式存放以標志

5、形式存放M指令。指令。 char M1； char T； /存放本段換刀的刀具號。存放本段換刀的刀具號。 char D； /存放刀具補償的刀具半徑值。存放刀具補償的刀具半徑值。 ；3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構7以標志形式存放G指令示例3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構8 N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200 ； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - Struct PROG_BUFFER char buf_state； 0：(開始)；1（；） int block_num； 06（N06） double COOR20； COOR1=20000

6、0；（X200） COOR2=300000；（Y300） int F,S； F=200；（F200） char G0； D5=0；（G90） D6,D7=0,1（G41） D1=1；（G01） char D； D=11（D11）3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構9 刀補處理的主要工作：刀補處理的主要工作：根據根據G90/G91計算零件輪廓的計算零件輪廓的終點坐標值。終點坐標值。根據根據R和和G41/42，計算本段刀計算本段刀具中心軌跡的終點（具中心軌跡的終點（Pe/Pe）坐標值。坐標值。根據本段與前段連接關系，根據本段與前段連接關系，進行段間連接處理。進行段間連接處理。2. 刀補處理刀

7、補處理(計算刀具中心軌跡計算刀具中心軌跡)Pe（200，300）XRP0（72，48）Pe”PeG41G42Y3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構10 速度處理程序主要完成以下幾步計算：速度處理程序主要完成以下幾步計算：q 計算本段總位移量：計算本段總位移量： 直線：合成位移量直線：合成位移量L； 園弧：總角位移量園弧：總角位移量。q 計算每個插補周期內的合成進給量：計算每個插補周期內的合成進給量： L= F*t/60 （m） L 3. 速度預處理速度預處理 3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構114. 插補計算插補計算 主要功能：主要功能：q根據操作面板上根據操作面板上“進給修調

8、進給修調”開關的設定值，計算本開關的設定值，計算本次插補周期的實際合成位移量：次插補周期的實際合成位移量： L1=L*修調值修調值q將將L1按插補的線形（直線，園弧等）和本插補點所按插補的線形（直線，園弧等）和本插補點所在的位置分解到各個進給軸，作為各軸的位置控制指在的位置分解到各個進給軸，作為各軸的位置控制指令（令（X1、Y1）。）。3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構125. 位置控制處理位置控制處理f（）（）+-+插補輸出插補輸出X1Y1指令位置指令位置X1新新Y1新新跟隨誤差跟隨誤差X3Y3實際位置實際位置X2新新Y2新新反饋位置增量反饋位置增量X2、Y2X1舊舊Y1舊舊X2舊舊

9、Y2舊舊速度指令速度指令VX、VY位置控制轉換流程位置控制轉換流程3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構13 位置控制完成以下幾步計算：位置控制完成以下幾步計算：(以兩軸聯動為例以兩軸聯動為例)q 計算新的位置指令坐標值：計算新的位置指令坐標值： X1新新= X1舊舊+X1；Y1新新= Y1舊舊 +Y1；q 計算新的位置實際坐標值：計算新的位置實際坐標值： X2新新= X2舊舊+X2；Y2新新= Y2舊舊 +Y2q 計算跟隨誤差計算跟隨誤差(指令位置值指令位置值 實際位置值實際位置值)： X3= X1新新- X2新新； Y3= Y1新新- Y2新新； q 計算速度指令值：計算速度指令值：

10、VX=f（X3）；）； VY=f（Y3） f(.)是位置環的調節控制算法，具體的算法視具體系統而定。這是位置環的調節控制算法，具體的算法視具體系統而定。這一步在有些系統中是采用硬件來實現的。一步在有些系統中是采用硬件來實現的。3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構143.3.3 CNC裝置軟件的特點和結構裝置軟件的特點和結構1.1. CNCCNC裝置的軟件系統特點裝置的軟件系統特點 1 1）多任務性與并行處理技術）多任務性與并行處理技術o多任務性：顯示、譯碼、刀補、速度處理、插補處理、位多任務性：顯示、譯碼、刀補、速度處理、插補處理、位置控制、置控制、o并行處理：系統在并行處理：系統在同一

11、時間間隔同一時間間隔或或同一時刻同一時刻內完成兩個或內完成兩個或兩個以上任務處理。兩個以上任務處理。o并行處理的實現方式：并行處理的實現方式： 資源分時共享（單資源分時共享（單CPUCPU） 資源重疊流水處理（多資源重疊流水處理（多CPUCPU）3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構15譯碼譯碼刀補刀補I/O顯示顯示初始化初始化位置控制位置控制插補運算插補運算背景程序背景程序4ms8ms16ms中斷級別高中斷級別高中斷級別低中斷級別低資源（資源（CPU）分時共享圖分時共享圖3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構16資源分時共享（單資源分時共享（單CPUCPU） 在規定的時間長度（時間片

12、）內，根據各任務實時性的要在規定的時間長度（時間片）內，根據各任務實時性的要求，規定它們占用求，規定它們占用CPUCPU的時間，使它們分時共享系統的資源。的時間，使它們分時共享系統的資源。o資源分時共享技術的特征資源分時共享技術的特征 在任何一個時刻只有一個任務占用在任何一個時刻只有一個任務占用CPUCPU； 在一個時間片（如在一個時間片（如4ms4ms或或8ms8ms）內，內，CPUCPU并行地執行了兩個并行地執行了兩個或兩個以上的任務。或兩個以上的任務。3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構17各任務占用各任務占用CPU 時間示意圖時間示意圖3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構1

13、8 資源分時共享技術的特征 在任何一個時刻只有一個任務占用在任何一個時刻只有一個任務占用CPU； 在一個時間片（如在一個時間片（如8ms或或16ms）內，內，CPU并行地并行地執行了兩個或兩個以上的任務。執行了兩個或兩個以上的任務。 資源分時共享的并行處理只具有宏觀上的意義，即資源分時共享的并行處理只具有宏觀上的意義，即從微觀上來看，各個任務還是逐一執行的。從微觀上來看，各個任務還是逐一執行的。3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構19流水處理技術示意圖流水處理技術示意圖時間時間t+tt空間空間111333222輸輸出出輸輸出出輸輸出出CPU1CPU2CPU3并行處理并行處理1231232

14、tt空間空間時間時間順序處理順序處理輸輸出出輸輸出出CPU13.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構20資源重疊流水處理（多資源重疊流水處理（多CPUCPU） 流水處理技術是利用重復的資源（流水處理技術是利用重復的資源（CPUCPU），），將一個大的將一個大的任務分成若干個子任務，這些小任務是彼此關系的，然后任務分成若干個子任務，這些小任務是彼此關系的，然后按一定的順序安排每個資源執行一個任務，就象在一條生按一定的順序安排每個資源執行一個任務，就象在一條生產線上分不同工序加工零件的流水作業一樣。產線上分不同工序加工零件的流水作業一樣。u 資源重疊流水處理的特征資源重疊流水處理的特征 流水處理

15、在任何時刻（流水處理除開始和結束外）均有流水處理在任何時刻（流水處理除開始和結束外）均有兩個或兩個以上的任務在并發執行。兩個或兩個以上的任務在并發執行。 流水處理的關鍵是流水處理的關鍵是時間重疊時間重疊3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構21 并發處理和流水處理的特征并發處理和流水處理的特征在任何時刻（流水處理除開始和結束外）均有兩個在任何時刻（流水處理除開始和結束外）均有兩個或兩個以上的任務在并發執行。或兩個以上的任務在并發執行。并發處理和流水處理的關鍵是并發處理和流水處理的關鍵是時間重疊時間重疊，是以資源，是以資源重復的代價換得時間上的重疊，或者說重復的代價換得時間上的重疊，或者說以

16、空間復雜以空間復雜性的代價換得時間上的快速性。性的代價換得時間上的快速性。3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構22 實時性和優先搶占調度機制實時性和優先搶占調度機制q 實時性任務的定義和分類實時性任務的定義和分類實時性定義實時性定義: 任務的執行有嚴格時間要求（任務必須規定時間內完成任務的執行有嚴格時間要求（任務必須規定時間內完成或響應），否則將導致執行結果錯誤或系統故障的特性。或響應），否則將導致執行結果錯誤或系統故障的特性。實時性任務分類實時性任務分類: : 強實時性任務強實時性任務 實時突發性任務；實時周期性任務實時突發性任務；實時周期性任務 弱實時性任務弱實時性任務3.3 CNC

17、系統的軟件結構系統的軟件結構23q 強實時性任務強實時性任務 實時突發性任務：實時突發性任務：任務的發生具有隨機性和突發性，是一種異步中斷事件。主任務的發生具有隨機性和突發性，是一種異步中斷事件。主要包括要包括故障中斷故障中斷( (急停，機械限位、硬件故障等急停，機械限位、硬件故障等) )、機床機床PLCPLC中中斷斷、硬件（按鍵）操作中斷硬件（按鍵）操作中斷等。等。 實時周期性任務：實時周期性任務：任務是精確地按一定時間間隔發生的。主要包括任務是精確地按一定時間間隔發生的。主要包括插補運算插補運算、位置控制位置控制等任務。為保證加工精度和加工過程的連續性，這等任務。為保證加工精度和加工過程的

18、連續性，這類任務處理的實時性是關鍵。在任務的執行過程中，除系統類任務處理的實時性是關鍵。在任務的執行過程中，除系統故障外，不允許被其它任何任務中斷。故障外，不允許被其它任何任務中斷。3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構24q 弱實時性任務弱實時性任務 這類任務的實時性要求相對較弱，只需要保證在某一段這類任務的實時性要求相對較弱，只需要保證在某一段時間內得以運行即可。在系統設計時，它們或被安排在背時間內得以運行即可。在系統設計時，它們或被安排在背景程序中，或根據重要性將其設置成不同的優先級（級別景程序中，或根據重要性將其設置成不同的優先級（級別較低），再由系統調度程序對它們進行合理的調度。

19、較低），再由系統調度程序對它們進行合理的調度。 這類任務主要包括：這類任務主要包括：CRTCRT顯示、零件程序的編輯、加工顯示、零件程序的編輯、加工狀態的動態顯示、加工軌跡的靜態模擬仿真及動態顯示狀態的動態顯示、加工軌跡的靜態模擬仿真及動態顯示等。等。3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構25q 搶占式優先調度機制搶占式優先調度機制 多任務系統的任務調度方法：循環調度法循環調度法n簡單循環調度法簡單循環調度法n時間片輪換調度法時間片輪換調度法優先調度法優先調度法搶占式優先調度法搶占式優先調度法非搶占式優先調度法非搶占式優先調度法3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構26q 搶占式優先調

20、度機制功能搶占式優先調度機制功能搶占方式：搶占方式：在在CPUCPU正在執行某任務時，若另一優先級更高的任務請求正在執行某任務時，若另一優先級更高的任務請求執行，執行，CPUCPU將立即終止正在執行的任務，轉而響應優先級將立即終止正在執行的任務，轉而響應優先級高任務的請求高任務的請求優先調度：優先調度：在在CPUCPU空閑時，當同時有多個任務請求執行時，優先級高空閑時，當同時有多個任務請求執行時，優先級高的任務將優先得到滿足。的任務將優先得到滿足。3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構27q CNC系統中采用的任務調度機制系統中采用的任務調度機制搶占式優先調度；搶占式優先調度；時間片輪換調

21、度；時間片輪換調度；非搶占式優先調度。非搶占式優先調度。3.3 CNC系統的軟件結構系統的軟件結構結構模式結構模式：指系統軟件的組織管理方式，即系統任：指系統軟件的組織管理方式，即系統任務的劃分方式、任務調度機制、任務間的信息交換務的劃分方式、任務調度機制、任務間的信息交換機制以及系統集成方法等。機制以及系統集成方法等。結構模式的功能結構模式的功能：組織和協調各個任務的執行，使：組織和協調各個任務的執行，使之滿足一定的時序配合要求和邏輯關系，以滿足之滿足一定的時序配合要求和邏輯關系，以滿足CNCCNC系統的各種控制要求系統的各種控制要求28前后臺程序運行關系圖前后臺程序運行關系圖前臺程序前臺程序故障處理故障處理位置控制位置控