數控技術第3章3.3節

數控技術

華中科技大學機械科學與工程學院第3章計算機數控裝置3.1概述3.2CNC裝置的硬件結構3.3CNC裝置的軟件結構3.4典型數控功能原理及實現3.5國內外典型CNC系統簡介14.3CNC系統的軟件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

ⅠⅡⅢⅣ3.3CNC系統的軟件結構24.3CNC系統的軟件加工程序譯碼譯碼緩沖區刀補處理刀補緩沖區速度預處理插補緩沖區插補處理運行緩沖區伺服驅動位控處理位置反饋PLC控制3.3CNC系統的軟件結構34.3CNC系統的軟件3.3.1CNC系統軟件的組成與功能1.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，該操作系統由CNC管理軟件和CNC控制軟件兩部分組成。操作系統管理軟件控制軟件零件程序管理顯示處理輸入輸出管理機床輸入輸出位置控制故障診斷處理插補運算主軸控制編譯處理刀具補償......3.3CNC系統的軟件結構42.功能位置控制插補運算狀態顯示PLC故障診斷……3.3CNC系統的軟件結構51.譯碼(Decode)將用文本格式（通常用ASCII碼）表達的零件加工程序，以程序段為單位轉換成后續程序（本例是指刀補處理程序）所要求的數據結構（格式）。3.3.2

CNC裝置的數據轉換流程3.3CNC系統的軟件結構6數據結構示例：StructPROG_BUFFER{charbuf_state；

//緩沖區狀態，0空；1準備好。intblock_num；

//以BCD碼的形式存放本程序段號。doubleCOOR[20]；//存放尺寸指令的數值（μm）。intF,S；

//F（mm/min）S（r/min）。charG0；

//以標志形式存放G指令。charG1；charM0；

//以標志形式存放M指令。charM1；charT；

//存放本段換刀的刀具號。charD；

//存放刀具補償的刀具半徑值。}；3.3CNC系統的軟件結構7以標志形式存放G指令示例3.3CNC系統的軟件結構8

N06G90G41D11G01X200Y300F200；

123456789------------------------------------------------------------StructPROG_BUFFER{

charbuf_state；0：(開始)；1（；）⑨

intblock_num；06（N06）①

doubleCOOR[20]；COOR[1]=200000；（X200）⑥

COOR[2]=300000；（Y300）⑦intF,S；F=200；（F200）⑧charG0；D5=0；（G90）②

D6,D7=0,1（G41）③

D1=1；（G01）⑤

……charD；D=11（D11）④3.3CNC系統的軟件結構9刀補處理的主要工作：根據G90/G91計算零件輪廓的終點坐標值。根據R和G41/42，計算本段刀具中心軌跡的終點（P’e/P〃e）坐標值。根據本段與前段連接關系，進行段間連接處理。2.刀補處理(計算刀具中心軌跡)Pe（200，300）XRP0（72，48）Pe”Pe’G41G42Y3.3CNC系統的軟件結構10速度處理程序主要完成以下幾步計算：計算本段總位移量：直線：合成位移量L；園弧：總角位移量α。計算每個插補周期內的合成進給量：

ΔL=F*Δt/60（μm）

Lα

3.

速度預處理

3.3CNC系統的軟件結構114.插補計算主要功能：根據操作面板上“進給修調”開關的設定值，計算本次插補周期的實際合成位移量：△L1=△L*修調值將△L1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令（△X1、△Y1）。3.3CNC系統的軟件結構125.位置控制處理f（）+++-++插補輸出△X1△Y1指令位置X1新Y1新跟隨誤差△X3△Y3實際位置X2新Y2新反饋位置增量△X2、△Y2X1舊Y1舊X2舊Y2舊速度指令VX、VY位置控制轉換流程3.3CNC系統的軟件結構13位置控制完成以下幾步計算：(以兩軸聯動為例)計算新的位置指令坐標值：X1新=X1舊+△X1；Y1新=Y1舊

+△Y1；計算新的位置實際坐標值：X2新=X2舊+△X2；Y2新=Y2舊

+△Y2計算跟隨誤差(指令位置值—實際位置值)：△X3=X1新-X2新；△Y3=Y1新-Y2新；計算速度指令值：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。這一步在有些系統中是采用硬件來實現的。3.3CNC系統的軟件結構143.3.3CNC裝置軟件的特點和結構1.

CNC裝置的軟件系統特點1）多任務性與并行處理技術多任務性：顯示、譯碼、刀補、速度處理、插補處理、位置控制、…并行處理：系統在同一時間間隔或同一時刻內完成兩個或兩個以上任務處理。并行處理的實現方式：

☆資源分時共享（單CPU）☆資源重疊流水處理（多CPU）3.3CNC系統的軟件結構15…譯碼刀補I/O顯示初始化位置控制插補運算背景程序4ms8ms16ms中斷級別高中斷級別低資源（CPU）分時共享圖3.3CNC系統的軟件結構16☆資源分時共享（單CPU）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CPU的時間，使它們分時共享系統的資源。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CPU；在一個時間片（如4ms或8ms）內，CPU并行地執行了兩個或兩個以上的任務。3.3CNC系統的軟件結構17各任務占用CPU時間示意圖3.3CNC系統的軟件結構18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CPU；在一個時間片（如8ms或16ms）內，CPU并行地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，即從微觀上來看，各個任務還是逐一執行的。3.3CNC系統的軟件結構19流水處理技術示意圖時間t+△tt空間111333222輸出輸出輸出CPU1CPU2CPU3并行處理1231232tt空間時間順序處理輸出輸出CPU13.3CNC系統的軟件結構20☆資源重疊流水處理（多CPU）

流水處理技術是利用重復的資源（CPU），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。資源重疊流水處理的特征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。

流水處理的關鍵是時間重疊3.3CNC系統的軟件結構21

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時間重疊，是以資源重復的代價換得時間上的重疊，或者說以空間復雜性的代價換得時間上的快速性。3.3CNC系統的軟件結構22

實時性和優先搶占調度機制

實時性任務的定義和分類實時性定義: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:

強實時性任務實時突發性任務；實時周期性任務弱實時性任務3.3CNC系統的軟件結構23

強實時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。主要包括故障中斷(急停，機械限位、硬件故障等)、機床PLC中斷、硬件（按鍵）操作中斷等。實時周期性任務：任務是精確地按一定時間間隔發生的。主要包括插補運算、位置控制等任務。為保證加工精度和加工過程的連續性，這類任務處理的實時性是關鍵。在任務的執行過程中，除系統故障外，不允許被其它任何任務中斷。3.3CNC系統的軟件結構24

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：CRT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等。3.3CNC系統的軟件結構25搶占式優先調度機制

多任務系統的任務調度方法：循環調度法簡單循環調度法時間片輪換調度法優先調度法搶占式優先調度法非搶占式優先調度法3.3CNC系統的軟件結構26搶占式優先調度機制功能搶占方式：在CPU正在執行某任務時，若另一優先級更高的任務請求執行，CPU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優先調度：在CPU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。3.3CNC系統的軟件結構27

CNC系統中采用的任務調度機制搶占式優先調度；時間片輪換調度；非搶占式優先調度。3.3CNC系統的軟件結構結構模式：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、任務間的信息交換機制以及系統集成方法等。結構模式的功能：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CNC系統的各種控制要求28前后臺程序運行關系圖前臺程序故障處理位置控制插補運算……后臺程序譯碼刀補處理速度預處理輸入/輸出顯示中斷執行循環執行3.3CNC系統的軟件結構

前后臺型結構模式29中斷型結構模式3.3CNC系統的軟件結構中斷型軟件系統結構圖初始化中斷管理系統（硬件+軟件）0級中斷服務程序

級中斷服務程序

級中斷服務程序級中斷服務程序………………1n230

基于實時操作系統的結構模式