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1、第三节第三节 CNCCNC系统软件结构系统软件结构 CNC系统软件是一个典型而又复杂的实时系统。本节将从系统内数据流的角度来分析CNC装置的数据转换过程，介绍系统软硬件界面的关系，并从多任务性和实时性的角度来分析CNC系统软件的结构特点。主要内容主要内容 CNC系统软件的主要任务之一就是如何将由零件加工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制加工设备的轨迹运动和逻辑动作，加工出符合要求的零件。一、一、CNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程数控加工及信息处理过程数控加工及信息处理过程零件程序零件程序控制面板控制面板零件缓冲器零件缓冲器(BS)译码译码(D
2、S)数据处理数据处理(CS)传送传送AS工作寄存器工作寄存器(AR)插补插补伺服控制伺服控制机床机床坐标坐标轴轴命令信号命令信号反馈信号反馈信号调度调度机床逻辑控制机床逻辑控制显示显示控控制制信信号号回回答答信信号号机床机床强电强电部分部分执行电器执行电器限位开关限位开关加加工工程程序序译译 码码译码缓冲区译码缓冲区刀刀补补处处理理刀补缓冲区刀补缓冲区速速度度预预处处理理插补缓冲区插补缓冲区插插补补处处理理运行缓冲区运行缓冲区伺伺服服驱驱动动位位控控处处理理位置反馈位置反馈PLC控制控制 CNC装置的数据转换流程图装置的数据转换流程图q在在系系统统软软件件中中各各程程序序间间的的数数据据交交换
3、换方方式式一一般般都都是是通通过过缓缓冲冲区区进进行行的的。当当前前程程序序段段被被解解释释完完后后便便将将该该段段的的数数据据信信息息送送入入缓缓冲冲区区组组中中空空闲闲的的一一个个。后后续续程程序序（如如刀刀补补程程序序）从从该该缓缓冲冲区区组组中中获获取取程程序序信信息息进进行行工作。工作。译码译码(解释解释)将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成后续程序（本例是指刀补处理程序）所要求的数据结构（格式）。译码译码 Struct PROG_BUFFERStruct PROG_BUFFER char buf_state；/缓冲区状态，0 空；1 准备好。i
4、nt block_num；/以BCD码的形式存放本程序段号。double COOR20；/存放尺寸指令的数值（m）。int F,S；/F（mm/min）S（r/min）。char G0；/以标志形式存放G指令。char G1；char M0；/以标志形式存放M指令。char M1；char T；/存放本段换刀的刀具号。char D；/存放刀具补偿的刀具半径值。；数据结构示例数据结构示例：以标志形式存放以标志形式存放G指令示例指令示例 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0G000:无该指令无该指令;1:有该指令有该指令G011G02G03G90/G91 0:G90;1:G91G0600
5、：G40；11：G4001：G41；10；G420:无该指令无该指令;1:有该指令有该指令0:无该指令无该指令;1:有该指令有该指令0:无该指令无该指令;1:有该指令有该指令0:无该指令无该指令;1:有该指令有该指令N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200 N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200；Struct PROG_BUFFERStruct PROG_BUFFER char buf_state；0 0：(开始开始)；1 1（；）（；）int block_num；0606（N06N06）double COOR20；COOR1=2000
6、00COOR1=200000；（；（X200X200）COOR2=300000COOR2=300000；（；（Y300Y300）int F,S；F=200F=200；（；（F200F200）char G0；D5=0D5=0；（；（G90G90）D6,D7=0,1D6,D7=0,1（G41G41）D1=1D1=1；（；（G01G01）char D；D=11D=11（D11D11）；刀补处理刀补处理(计算刀具中心轨迹计算刀具中心轨迹)P Pe e(200,300)(200,300)P P0 0(72,148)(72,148)X XY YG41G41G42G42P Pe eP P”e eR R 刀补
7、处理的主要工作：l根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。l根据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点（Pe/Pe）坐标值。l根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。主要功能是根据加工程序给定的进给速度，计算在每个插补周期内的合成移动量，供插补程序使用。3.速度预处理速度预处理 速度处理程序主要完成以下几步计算：q计算本段总位移量：直线直线：合成位移量L L；圆弧圆弧：总角位移量。该数供插补程序判断减速起点和终点之用。q计算每个插补周期内的合成进给量：L=Ft/60 （m）式中：式中：F-F-进给速度值（进给速度值（mm/minmm/min）；）；t-t-数控系统的插补周期（数控系
8、统的插补周期（msms）L3.速度预处理速度预处理 主要功能：q计算插补周期的实际合成位移量：L1=L*修调值q分解L1（X1、Y1）将将L L1 1按按插插补补的的线线形形（直直线线，圆圆弧弧等等）和和本本插插补补点点所所在在的的位位置置分分解解到到各各个个进进给给轴轴，作作为为各各轴轴的的位位置置控制指令（控制指令（X X1 1、Y Y1 1）。）。经插补计算后的数据存放在运行缓冲区中，以供位置控制程序之用。插补模块以系统规定的插补周期t定时运行。4.插补计算插补计算5.位置控制处理位置控制处理f（）（）插补输出插补输出X X1 1Y Y1 1指令位置指令位置X X1 1新新Y Y1 1新
9、新跟随误差跟随误差X X3 3Y Y3 3X X2 2新新Y Y2 2新新实际位置实际位置反馈位置增量反馈位置增量X X2 2、Y Y2 2X X1 1旧旧Y Y1 1旧旧X X2 2旧旧Y Y2 2旧旧速度指令速度指令VX、VY位置控制转换流程位置控制转换流程+-+位置控制完成以下几步计算：q计算新的位置指令坐标值：X1新=X1旧+X1；Y1新=Y1旧+Y1；q计算新的位置实际坐标值：X2新=X2旧+X2；Y2新=Y2旧+Y2q计算跟随误差(指令位置值 实际位置值)：X3=X1新-X2新；Y3=Y1新-Y2新；q计算速度指令值：VX=f（X3）；VY=f（Y3）5.位置控制处理位置控制处理
10、f()是位置环的调节控制算法，具体的算法视具体系统而定。这一步在有些系统中是采用硬件来实现的。VX、VY送给伺服驱动单元，控制电机运行，实现CNC装置的轨迹控制。二、CNC装置软件和硬件的功能界面装置软件和硬件的功能界面q合理确定CNC装置软件硬件的功能分担就是所谓的软件和硬件的功能界面划分的概念。q在信息处理方面，软件与硬件在逻辑上是等价的，即硬件能完成的功能从理论上讲也可以用软件来完成。q硬件和软件在实现各种功能时的特点：n硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。n软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。功能界面划分的准则：功能界面划分的准则：系统的性能价格比系统的性能价格
11、比数控系统功能界面的几种划分：数控系统功能界面的几种划分：输 入预处理位置检测插补运算位置控制速度控制伺服电机程序硬件硬件硬件硬件硬件软件软件软件软件 软件和硬件的功能界面 CNC系统是典型的实时控制系统。CNC装置的系统软件则可看成是一个专用实时操作系统。由于其应用领域是工业控制领域（多任务性、实时性），因此，分析和了解这些要求是至关重要的，因为它既是系统设计和将来软件测试的重要依据，也是确定系统功能和性能指标的过程。同时，这些要求也应是CNC系统软件的特点。三、CNC装置的软件系统特点1.多任务性与并行处理技术多任务性与并行处理技术n（1）CNC控制要求的多任务性任务定义：可并发执行的程序
12、在一个数据集合上的运行过程可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。CNC的功能则可定义为CNC的任务：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、CNC系统的任务要求并行处理：为了保证控制的连续性和各任务执行的为了保证控制的连续性和各任务执行的时序配合时序配合要求，要求，CNCCNC系统的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理系统的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。（2）基于并行处理的多任务调度技术）基于并行处理的多任务调度技术n并行处理定义：n系系统统在在同同一一时时间间间间隔隔或或同同一一时时刻刻内内完完成成两两个个或或两两个个以上任
13、务处理的方法。以上任务处理的方法。n采用并行处理技术的目的：n合理使用和调配CNC系统的资源n提高CNC系统的处理速度。（3）并行处理的实现方式：）并行处理的实现方式：n资源分时共享n并发处理（例如：流水处理）这些实现方式与CNC系统的硬件结构密切相关。q （4）资源分时共享（对单一资源的系统）资源分时共享（对单一资源的系统）在单CPU结构的CNC系统中，可采用“资源分时共享”并行处理技术。资源分时共享在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。“资源分时共享”的技术关键：其一：各任务的优先级分配问题。其二：各任务占用CPU的时间长
14、度，即时间片的分配问题。资源（资源（CPU）分时共享图）分时共享图 译码译码刀补刀补I/O显示显示初始化初始化位置控制位置控制插补运算插补运算背景程序背景程序4ms8ms16ms中断级别高中断级别高中断级别低中断级别低各任务占用各任务占用CPU 时间示意图时间示意图0ms 4ms 8ms 12ms 16ms位置控制插补运算背景程序资源分时共享技术的特征资源分时共享技术的特征:q在任何一个时刻只有一个任务占用CPU；q在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。q（5）并发处
15、理和流水处理（对多资源的系统）并发处理和流水处理（对多资源的系统）在多CPU结构的CNC系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种并行处理技术：n若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上同时执行 并发处理并发处理；n若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取流水处理流水处理的方法来实现并行处理。流水处理技术的涵义流水处理技术的涵义: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(任务的分法与资源重复的多少有关)，这些小任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样
16、。流水处理技术示意图流水处理技术示意图 1231232tt空空间间时间时间顺序处理顺序处理输输出出输输出出CPU1时间时间t+t tt空空间间111333222输输出出输输出出输输出出CPU1CPU2CPU3并行处理并行处理并发处理和流水处理的特征并发处理和流水处理的特征q在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以上的任务在并发执行。q并发处理和流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。四.CNC系统软件结构模式系统软件结构模式 结结构构模模式式：指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息
17、交换机制以及系统集成方法等。结结构构模模式式的的功功能能：组织和协调各个任务的执行，使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足CNC系统的各种控制要求。1.前后台型结构模式前后台型结构模式 该模式将该模式将CNCCNC系统软件划分成两部分：系统软件划分成两部分：前台程序前台程序:主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。后台程序后台程序(背景程序背景程序):):完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入/出、插补预处理等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，在运行过程中，不断地被前台程序定时打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。前后台程序运行关
18、系图前后台程序运行关系图前台程序前台程序故障处理故障处理位置控制位置控制插补运算插补运算后台程序后台程序译译 码码刀补处理刀补处理速度预处理速度预处理输入输入/输出输出显示显示中断执行中断执行循环执行循环执行前后台型结构模式的特点前后台型结构模式的特点n任任务务调调度度机机制制:优优先先抢抢占占调调度度和和循循环环调调度度。前台程序的调度是优先抢占式的；前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度。n信信息息交交换换:缓缓冲冲区区。前台和后台程序之间以及内部各子任务之间的。n实实时时性性差差。在前台和后台程序内无优先级等级、也无抢占机制。该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早期的CNC系统大都采
19、用这种结构。2.中断型结构模式中断型结构模式 这种结构是将除了初始化程序之外，整个系统软件的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（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。中断型软件系统结构图中断型软件系统结构图初始化中断管理系统（硬件+软件）0级中断服务程序 级中断服务程序 级中断服务程序级中断服务程序1n2中断型结构模式的特点中断型结构模式的特点n任务调度机制：抢占式优先调度任务调度机制：抢占式优先调度。n信息交换：缓冲区信息交换：缓冲区。n实实时时性性好好。由于中断级别较多（最多可达8级），强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。n模模块块间
20、间的的关关系系复复杂杂，耦耦合合度度大大，不不利利于于对对系系统统的的维维护护和和扩充扩充。二十世纪8090年代初的CNC系统大多采用这种结构。五、五、PLC(Programmable Logic Controller)PLC(Programmable Logic Controller)模块模块nPLC模块：模块：CNC装置实现顺序控制的模块。装置实现顺序控制的模块。nPLC模块的作用：模块的作用：接收来自操作面板、机床接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，继电器以及主轴控制、刀库控制的有关
21、信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。经处理后输出去控制相应器件的运行。PLC实现的功能nM、S、T功能n机床外部开关量信号控制功能n输出信号控制功能n伺服控制功能n报警处理功能n其他介质输入装置互联控制CNC机床用的机床用的PLC一般分为两类：一般分为两类：内装型内装型（Built-in Type）PLC（或集成式、内（或集成式、内含式）。含式）。独立型独立型（Stand-alone Type）PLC（或通用型）（或通用型）内容小结内容小结1、数控装置软件和硬件的功能界面 2、数控装置的数据转换流程 3、数控装置的软件系统特点 4、数控系统软件结构模式 习题与思考题习题与思考题1、名词解释：译码、速度预处理、并行处理、流水处理2、简述前后台型结构模型的含义及其特点。3、简述中断型结构模型的含义及其特点。4、简述基于实时操作系统结构模型的含义及其特点。