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1、第二章 数控系统组成原理主要内容主要内容u 计算机数控系统计算机数控系统u 插补原理及方法插补原理及方法u 位置检测装置位置检测装置u 进给伺服功能进给伺服功能u 辅助控制系统与辅助控制系统与PLCu 数控机床主轴驱动与控制数控机床主轴驱动与控制u 加工程序输入及预处理加工程序输入及预处理1 1、计算机数控系统计算机数控系统n n数控机床的组成数控机床的组成图图2.1 数控机床的组成数控机床的组成 程序载体程序载体 及输入及输入输出装置输出装置 编编好好的的数数控控程程序序，存存放放在在便便于于输输人人到到数数控控装装置置的的一一种种存存储储载载体体上上，它它可可以以是是穿穿孔孔纸纸带带、磁磁
2、卡卡、磁磁盘盘等等，采采用用哪哪一一种种存存储储载载体体，取决于数控装置的设计类型。取决于数控装置的设计类型。输输入入装装置置将将数数控控加加工工程程序序等等各各种种信信息息输输入入到到数数控控装装置置，输输出出装装置置用用于于观观察察输输入入内内容容和和数数控控系系统统的的工工作作状状态态。常常见见的的输输入入输输出出装装置置有有键键盘盘、软软驱驱、RS232接接口口、USB接接口口、显显示示器器、发发光光指指示器、操作控制面板等。示器、操作控制面板等。数控装置数控装置 数数控控装装置置是是数数控控机机床床的的核核心心，它它包包括括CPU、存存储储器器、各各种种/接口、通用输入输出（接口、通
3、用输入输出（/）接口以及相应的软件。）接口以及相应的软件。数数控控装装置置接接受受输输入入装装置置送送来来的的程程序序，进进行行编编译译、运运算算和和逻逻辑辑处处理理后后，输输出出各各种种信信号号控控制制机机床床的的各各个个部部分分进进行行相相应应的的动动作作。这这些些控控制制信信号号包包括括：各各坐坐标标轴轴的的进进给给量量、进进给给方方向向和和速速度度的的指指令令，经经伺伺服服驱驱动动系系统统驱驱动动各各执执行行部部件件运运动动；主主运运动动部部件件的的变变速速、换换向向和和启启停停信信号号；选选择择和和交交换换刀刀具具的的刀刀具具指指令令信信号号；控控制制冷冷却却、润润滑滑的的启启停停、
4、工工件件和和机机床床部部件件松松开开、夹夹紧紧、分分度度工工作作台台转转位位等等辅辅助助指指令信号等。令信号等。可编程程序控制器（可编程程序控制器（PLC）主主要要作作用用是是接接收收数数控控装装置置输输出出的的主主运运动动变变速速、刀刀具具选选择择交交换换、辅辅助助装装置置动动作作等等指指令令信信号号，经经必必要要的的编编译译、逻逻辑辑判判断断、功功率率放放大大后后直直接接驱驱动动相相应应的的电电器器、液液压压、气气动动和和机机械械部部件件，以以完完成成指指令令所所规规定定的的动动作作，此此外外还还有有行行程程开开关关和和监监控控检检测测等等开关信号也要经过开关信号也要经过PLC送到数控装置
5、进行处理。送到数控装置进行处理。将将PLC装装在在数数控控装装置置以以外外，称称为为独独立立式式PLC；将将PLC与与数控装置合为一体，称为内装型数控装置合为一体，称为内装型PLC。伺服系统及位置检测装置伺服系统及位置检测装置 伺伺服服驱驱动动系系统统由由伺伺服服驱驱动动电电路路和和伺伺服服驱驱动动装装置置（电电机机）组组成成，与与机机床床上上的的传传动动和和执执行行部部件件组组成成进进给给系系统统。每每个个作作进进给给运运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。在在半半闭闭环环和和闭闭环环伺伺服服驱驱动动系系统统中中，还还得得使使用用位位置置检检测测装装置
6、置，间间接接或或直直接接测测量量执执行行部部件件的的实实际际进进给给位位移移，与与指指令令位位移移进进行行比比较，纠正所产生的误差。较，纠正所产生的误差。机床的机械部件机床的机械部件 包包括括：主主运运动动部部件件，进进给给运运动动执执行行部部件件如如工工作作台台、拖拖板板及及其其传传动动部部件件和和床床身身立立柱柱等等支支承承部部件件，此此外外，还还有有冷冷却却、润润滑、排屑、转位和夹紧等辅助装置。滑、排屑、转位和夹紧等辅助装置。对对于于加加工工中中心心类类的的数数控控机机床床，还还有有存存放放刀刀具具的的刀刀库库、交交换刀具的机械手等部件。换刀具的机械手等部件。与与普普通通机机床床相相比比
7、，数数控控机机床床传传动动结结构构要要求求更更为为简简单单，在在精精度度、刚刚度度、抗抗震震性性等等方方面面要要求求更更高高，传传动动装装置置的的间间隙隙要要求求尽尽可可能能小小，滑滑动动面面的的摩摩擦擦因因数数要要小小，并并要要有有恰恰当当的的阻阻尼尼，以以满足高定位精度和良好控制性能的要求。满足高定位精度和良好控制性能的要求。n n计算机数控系统硬件典型结构计算机数控系统硬件典型结构 大板式结构和功能模块式结构大板式结构和功能模块式结构 按印刷电路板的插接方式进行划分按印刷电路板的插接方式进行划分 单机结构和多机结构单机结构和多机结构 按按CPU的个数划分的个数划分 封闭式结构和软件开放式
8、结构封闭式结构和软件开放式结构 按开放性划分按开放性划分 大板式结构和功能模块式结构大板式结构和功能模块式结构 大大板板式式结结构构的的特特点点是是,一一个个系系统统一一般般都都有有一一块块大大板板，称称为为主主板板。主主板板上上装装有有CPU、内内存存、基基本本轴轴的的位位置置控控制制电电路路等等。其其他他相相关关的的子子板板（完完成成一一定定功功能能的的电电路路板板），如如ROM板板、零零件件程程序序存存储储器器板板和和PLC板板都都直直接接插插在在主主板板上上面面，组组成成CNC系统的核心部分。系统的核心部分。大大板板式式结结构构紧紧凑凑，体体积积小小，可可靠靠性性高高，价价格格低低，有
9、有很很高高的的性性价价比比，也也便便于于机机床床的的一一体体化化设设计计，但但它它的的硬硬件件功功能能不易变动，不利于组织生产。不易变动，不利于组织生产。图图2.2 大板式结构示意图大板式结构示意图 功功能能模模块块式式结结构构是是将将CPU、存存储储器器、输输入入输输出出控控制制分分别别做做成成插插件件板板（称称为为硬硬件件模模块块），相相应应的的软软件件也也是是模模块块结结构构，固固化化在在硬硬件件模模块块中中。硬硬软软件件模模块块形形成成一一个个特特定定的的功功能能单单元元，称称为为功功能模块。功能模块间有明确定义的接口，可以进行信息交换。能模块。功能模块间有明确定义的接口，可以进行信息
10、交换。用用户户只只要要按按需需要要选选用用各各种种单单元元母母板板及及所所需需功功能能模模板板，再再将将各各功功能能模模板板插插入入控控制制单单元元母母板板的的槽槽内内，就就搭搭成成了了自自己己需需要要的的系系统统。常常见见的的功功能能模模块块有有控控制制板板、位位置置控控制制板板、板、图形板、通信板及主存储器模板等种。板、图形板、通信板及主存储器模板等种。这这种种结结构构使使设设计计简简单单，试试制制周周期期短短，调调整整维维护护方方便便，效效率率高。高。单机系统和多机系统单机系统和多机系统 单单机机系系统统指指整整个个CNC系系统统只只有有一一个个CPU，它它采采用用集集中中控控制制和和分
11、分时时处处理理的的方方式式来来实实现现各各种种数数控控功功能能。其其优优点点：投投资资小小，结结构构简简单单，易易于于实实现现。但但系系统统功功能能受受到到CPU字字长长、数数据据宽宽度度、寻寻址址能能力力和和运运算算速速度度等等因因素素的的限限制制。现现在在这这种种结结构构已已被被多多机机系系统统的主从结构所取代。的主从结构所取代。多多机机系系统统是是指指整整个个CNC系系统统中中有有两两个个或或两两个个以以上上的的CPU，也也就就是是系系统统中中的的某某些些功功能能模模块块自自身身也也带带有有CPU，根根据据这这些些CPU间间的的相相互互关关系系的的不不同同又又可可将将其其分分为为：主主从
12、从结结构构系系统统，多多主主结结构构系统和分布式结构系统。系统和分布式结构系统。1）主从结构）主从结构 主主从从结结构构指指系系统统中中只只有有一一个个CPU(通通常常称称为为主主CPU)对对系系统统的的资资源源(系系统统存存储储器器，系系统统总总线线)有有控控制制和和使使用用权权，而而其其他他带带有有CPU的的功功能能部部件件，则则无无权权控控制制和和使使用用系系统统资资源源，它它只只能能接接受受主主CPU的的控控制制命命令令或或数数据据，或或向向主主CPU发发出出请请求求信信息息以以获获得得所所需需的的数数据据。也也即即一一个个CPU处处于于主主导导地地位位，其其他他CPU处处于于从从属地
13、位的结构，称之为主从结构。属地位的结构，称之为主从结构。从从硬硬件件的的体体系系结结构构来来看看，单单机机系系统统与与主主从从结结构构极极其其相相似似，因因为为主主从从结结构构的的从从CPU模模块块与与单单机机结结构构中中相相应应模模块块在在功功能能上上是是等等价价的的，只只是是从从模模块块的的能能力力更更强强而而已已，因因此此通通常常将将单单机机系系统统与主从结构系统归为一类。与主从结构系统归为一类。图图2.3 单机或主从结构系统单机或主从结构系统2）多主结构系统）多主结构系统 系系统统中中有有两两个个或或两两个个以以上上的的带带CPU的的功功能能部部件件，它它们们对对系系统统资资源源都都有
14、有控控制制或或使使用用权权。功功能能部部件件之之间间采采用用紧紧耦耦合合，有有集集中中的的操操作作系系统统，通通过过总总线线仲仲裁裁器器(软软件件和和硬硬件件)来来解解决决争争用用总总线线问问题题，通通过公共存储器来交换系统信息。过公共存储器来交换系统信息。特点：特点：能能实实现现真真正正意意义义上上的的并并行行处处理理，处处理理速速度度快快，可可以以实实现现较较复复杂的系统功能。杂的系统功能。容容错错能能力力强强，在在某某模模块块出出了了故故障障后后，通通过过系系统统重重组组仍仍可可继继续续工作。工作。多主结构系统的形式有：共享总线结构型和共享存储器结构型。多主结构系统的形式有：共享总线结构
15、型和共享存储器结构型。共共享享总总线线结结构构型型以以系系统统总总线线为为中中心心，所所有有的的主主、从从模模块块都都插插在在严严格格定定义义的的标标准准系系统统总总线线上上，由由于于在在系系统统中中多多个个CPU都都有有权权使使用用系系统统总总线线，而而在在任任一一时时刻刻只只能能允允许许一一个个CPU占占用用总总线线，因因此此，必必须须要要有有一一个个总总线线仲仲裁裁机机构构来来裁裁定定多多个个CPU同同时时请请求求使使用用系系统统总总线线的的竞竞争争问问题题，这这是多主是多主CPU系统的一个重要特征。系统的一个重要特征。优点：优点：结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高等。结构简
16、单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高等。缺缺点点：总总线线是是系系统统的的“瓶瓶颈颈”，一一旦旦系系统统总总线线出出现现故故障障，将将使使整整个系统受到影响；由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。个系统受到影响；由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。图图2.4 FANUC l5 系统系统 系统总线为高速系统总线为高速32位总线位总线(FANUCBUS)，主，主CPU为为Motorola的的68020(32位位)，在，在PLC、轴控制、图形控制、通信及自动编程等功能模块中也都有各自、轴控制、图形控制、通信及自动编程等功能模块中也都有各自的的CPU。共共享享存存储储器器结结构构型型是是面面
17、向向公公共共存存储储器器来来设设计计的的，即即采采用用多多端端口口来来实实现现各各主主模模块块之之间间的的互互连连和和通通信信，同同共共享享总总线线结结构构一一样样，该该系系统统在在同同一一时时刻刻也也只只能能允允许许有有一一CPU对对多多端端口口存存储储器器进进行行访访问问(读读写写)，所所以以也也必必须须有有一一套套多多端端口口控控制制逻逻辑辑来来解解决决访访问问冲冲突突这这一一矛矛盾盾 由由于于多多端端口口存存储储器器设设计计较较复复杂杂，而而且且对对两两个个以以上上的的CPU，会会因因争争用用存存储储器器可可能能造造成成存存储储器器传传输输信信息息的的阻阻塞塞，所所以以这这种种结结构构
18、一一般采用双端口存储器般采用双端口存储器(双端口双端口RAM)。图图2.5 GE的的MTClCNC系统系统 中央中央CPU：数控程序的编辑、译码、刀具和机床参数的输入；：数控程序的编辑、译码、刀具和机床参数的输入；显显示示CPU：把把中中央央CPU的的指指令令和和显显示示数数据据送送到到视视频频电电路路进进行行显显示示，定定时时扫描键盘和倍率开关状态并送中央扫描键盘和倍率开关状态并送中央CPU进行处理；进行处理；插插补补CPU：完完成成插插补补运运算算、位位置置控控制制、IO控控制制和和RS232通通信信等等任任务务，还向中央还向中央CPU提供机床操作面板开关状态及所需显示的位置信息等。提供机
19、床操作面板开关状态及所需显示的位置信息等。三个三个CPU之间各有之间各有512个字节的公共存储器用于交换信息。个字节的公共存储器用于交换信息。3）分布结构系统）分布结构系统 系系统统有有两两个个或或两两个个以以上上的的带带有有CPU的的功功能能模模块块，每每个个功功能能模模块块有有自自己己独独立立的的运运行行环环境境(系系统统总总线线、存存储储器器、操操作作系系统统等等)，功功能能模模块块间间采采用用松松耦耦合合，即即在在空空间间上上可可以以较较为为分分散散，各各模模块块间间采用通信方式交换信息。采用通信方式交换信息。早早期期的的计计算算机机数数控控系系统统都都是是单单机机系系统统，到到了了2
20、0世世纪纪80年年代代中中期期，市市场场上上已已有有多多机机系系统统的的产产品品了了，其其中中绝绝大大部部分分是是主主从从结结构构的的系系统统。目目前前多多主主结结构构和和分分布布结结构构的的系系统统由由于于结结构构较较复复杂杂，操操作作系系统统的的设设计计较较困困难难，加加之之主主从从结结构构系系统统能能满满足足数数控控加加工工的的大多数要求，故这两种结构的大多数要求，故这两种结构的CNC系统较少。系统较少。封闭式结构和软件开放式结构封闭式结构和软件开放式结构 封闭式结构是早期普遍采用的结构形式，目前在市场上还封闭式结构是早期普遍采用的结构形式，目前在市场上还占有很大份额。占有很大份额。如：
21、如：FANUCO，SIEMENS810，MITSUBISHIM50系列。系列。软件开放式结构包括三种类型：软件开放式结构包括三种类型：PC嵌入嵌入NC式式 如：如：FANUC18i16i系列，系列，SIEMENS840D系列等系列等 NC 嵌入嵌入PC式式 如：如：PMAC-NC系统，系统，MAZATROL640CNC系统等系统等 全软件开放式全软件开放式 如：美国如：美国MDSI公司的公司的open CNC等等n n计算机数控系统软件计算机数控系统软件 计计算算机机数数控控系系统统为为典典型型的的实实时时多多任任务务系系统统，体体系系层层次次如如图图2.6所示。所示。数控系统软件特点数控系统
22、软件特点 数控系统软件典型结构数控系统软件典型结构图图2.6 数控系统软件体系示意图数控系统软件体系示意图 数控系统软件特点数控系统软件特点1）多任务性与并行处理）多任务性与并行处理 数数控控系系统统任任务务通通常常分分为为两两类类：管管理理任任务务和和控控制制任任务务。管管理理任任务务指指系系统统资资源源管管理理和和系系统统各各子子任任务务的的调调度度，负负责责系系统统的的程程序序管管理理、显显示示、诊诊断断等等；控控制制任任务务主主要要完完成成译译码码、刀刀具具补补偿偿、速速度度预预处处理理、插补运算、位置控制等任务。插补运算、位置控制等任务。工工作作中中这这些些任任务务不不是是顺顺序序执
23、执行行的的，而而往往往往需需要要多多任任务务并并行行处处理理。如如：当当机机床床正正在在加加工工时时(执执行行控控制制任任务务)，CRT要要实实时时显显示示加加工工状状态态(管管理理任任务务)；在在管管理理任任务务中中也也是是如如此此，当当用用户户将将程程序序送送人人系系统统时时，CRT便便实实时时显显示示输输入入的的内内容容；在在控控制制任任务务中中，为为了了保保证证加加工工的的连连续续性性，刀刀具具补补偿偿、速速度度处处理理、插插补补运运算算以以及及位位置置控控制制必必须同时不间断执行。须同时不间断执行。并并行行处处理理是是指指软软件件系系统统在在同同一一时时刻刻或或同同一一时时间间间间隔
24、隔内内完完成成两两个个或或两两个个以以上上任任务务处处理理的的方方法法。并并行行处处理理的的实实现现方方式式与与数数控控系系统统的硬件结构相关，通常有以下方法：的硬件结构相关，通常有以下方法：资源分时共享资源分时共享：对对单单机机系系统统，采采用用“分分时时”来来实实现现多多任任务务的的并并行行处处理理。其其方方法法是是：在在一一定定的的时时间间长长度度内内，根根据据系系统统各各任任务务的的实实时时性性要要求求程程度度，规规定定它它们们占占用用CPU的的时时间间，使使它它们们按按规规定定顺顺序序和和规规则则分分时时共共享享系系统的资源。统的资源。关关键键在在于于任任务务的的优优先先级级分分配配
25、问问题题和和各各任任务务占占用用CPU的的时时间间长长度问题。度问题。图图2.7 资源分时共享并行处理图资源分时共享并行处理图 并发处理和流水处理：并发处理和流水处理：在在多多CPU结结构构的的数数控控系系统统中中，根根据据各各任任务务之之间间的的关关联联程程度度，可可采采用以下两种策略来提高系统处理速度。用以下两种策略来提高系统处理速度。其其一一，如如果果任任务务之之间间的的关关联联程程度度不不高高，则则可可将将这这些些任任务务分分别别安安排排一个一个CPU，让其同时执行，即所谓的，让其同时执行，即所谓的“并发处理并发处理”；其其二二，如如果果各各任任务务之之间间的的关关联联程程度度较较高高
26、，即即一一个个任任务务的的输输出出是是另另一一个个任任务务的的输输入入，则则可可采采取取流流水水处处理理的的方方法法来来实实现现并并行行处处理理。流流水水处处理理技技术术是是利利用用重重复复的的资资源源(CPU)，将将一一个个大大的的任任务务分分成成若若干干个个子子任任务务，这这些些小小任任务务是是彼彼此此关关联联的的，然然后后按按一一定定的的顺顺序序安安排排每每个个资资源源执执行行一一个个任务，就像在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。任务，就像在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。图图2.8 流水处理示意图流水处理示意图 2）实时性和优先抢占调度机制）实时性和优先抢占调
27、度机制 实实时时性性是是指指某某任任务务的的执执行行有有严严格格的的时时间间要要求求，否否则则将将导导致致执执行结果错误和系统故障。行结果错误和系统故障。从从各各任任务务对对实实时时性性要要求求的的角角度度，基基本本上上可可分分为为强强实实时时性性任任务务和和弱弱实实时时性性任任务务，强强实实时时性性任任务务又又可可分分为为实实时时突突发发性性任任务务和和实实时时周期性任务。周期性任务。实实时时突突发发性性任任务务：特特点点是是任任务务的的发发生生具具有有随随机机性性和和突突发发性性，它它们们是是一一种种异异步步中中断断事事件件，往往往往有有很很强强的的实实时时性性要要求求。它它们们主主要要包
28、包括括故故障障中中断断(急急停停、机机械械限限位位、硬硬件件故故障障等等)、机机床床PLC中中断断等；等；实实时时周周期期性性任任务务：这这类类任任务务是是精精确确地地按按一一定定时时间间间间隔隔发发生生的的。主主要要包包括括加加工工过过程程中中的的插插补补运运算算、位位置置控控制制等等任任务务。为为保保证证加加工工精精度度和和加加工工过过程程的的连连续续性性，这这类类任任务务处处理理的的实实时时性性是是关关键键。在在任任务务的执行过程中，除系统故障外，不允许被其他任务中断。的执行过程中，除系统故障外，不允许被其他任务中断。弱弱实实时时性性任任务务：实实时时性性要要求求相相对对较较弱弱，只只需
29、需要要保保证证在在某某一一段段时时间间内内得得以以运运行行即即可可。这这类类任任务务主主要要包包括括：CRT显显示示、零零件件程程序序的的编编辑辑、加加工工状状态态的的动动态态显显示示、加加工工轨轨迹迹的的静静态态模模拟拟仿仿真真及及动动态态显显示示等。等。优优先先抢抢占占调调度度机机制制是是一一种种基基于于实实时时中中断断技技术术的的任任务务调调度度机机制制，能按任务的重要程度对其及时响应。能按任务的重要程度对其及时响应。两两个个功功能能：一一是是优优先先调调度度，在在CPU空空闲闲时时，当当同同时时有有多多个个任任务务请请求求执执行行时时，优优先先级级高高的的任任务务将将优优先先得得以以满
30、满足足；二二是是抢抢占占方方式式，在在CPU正正在在执执行行某某任任务务时时，若若另另一一优优先先级级更更高高的的任任务务请请求求执执行行，CPU将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高的任务的请求。将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高的任务的请求。优优先先抢抢占占调调度度机机制制是是由由硬硬件件和和软软件件共共同同实实现现的的，硬硬件件主主要要提提供供支支持持中中断断功功能能的的芯芯片片和和电电路路，如如中中断断管管理理芯芯片片(8259)，定定时时器器计计数数器器(8263、8254等等)等等。软软件件主主要要完完成成对对硬硬件件芯芯片片的的初初始始化化、任任务务优优先先级级定定义
31、义方方式式、任任务务切切换换处处理理(断断点点的的保保护护与与恢恢复复、中中断断向向量量的的保保存存与与恢恢复等复等)等。等。数控系统软件典型结构数控系统软件典型结构1）前后台型结构模式）前后台型结构模式 软软件件分分成成两两部部分分：前前台台程程序序和和后后台台程程序序。前前者者是是实实时时中中断断服服务务程程序序，完完成成插插补补运运算算、位位置置控控制制、故故障障诊诊断断等等实实时时性性很很强强的的任任务务。后后者者(也也称称背背景景程程序序)是是一一个个循循环环运运行行的的程程序序，完完成成显显示示、加加工工程程序序的的编编辑辑管管理理、插插补补预预处处理理(译译码码、刀刀补补处处理理
32、)等等弱弱实实时时性性的的任任务务，其其在在运运行行过过程程中中，不不断断地地被被前前台台程程序序打打断断，前前后后台台相相互互配配合来完成零件的加工任务。合来完成零件的加工任务。这这种种结结构构在在前前台台和和后后台台程程序序内内无无优优先先级级等等级级，也也无无抢抢占占机机制制，实时性差。所以仅适用于控制功能较简单的系统。实时性差。所以仅适用于控制功能较简单的系统。图图2.9 前后台程序运行关系图前后台程序运行关系图2）中断型结构模式）中断型结构模式 除除了了初初始始化化程程序序，整整个个系系统统软软件件的的各各个个任任务务模模块块分分别别安安排排在在不不同同级级别别的的中中断断服服务务程
33、程序序中中，然然后后由由中中断断管管理理系系统统(由由硬硬件件和和软软件件组组成成)对对各各级级中中断断服服务务程程序序实实施施调调度度管管理理。整整个个软软件件就就是是一一个个大的中断管理系统。大的中断管理系统。由由于于系系统统的的中中断断级级别别较较多多(最最多多可可达达8级级)，可可将将强强实实时时性性任任务务安安排排在在优优先先级级较较高高的的中中断断服服务务程程序序中中，因因此此这这类类系系统统的的实实时时性性好好。但但模模块块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扩充充。20世纪世纪80年代至年代至90年代初的年代初的CNC系统大多采用的
34、是这种结构。系统大多采用的是这种结构。图图2.10 中断型软件结构示意图中断型软件结构示意图3）基于实时操作系统的结构模式）基于实时操作系统的结构模式 实实时时操操作作系系统统(RTOS)是是操操作作系系统统的的一一个个重重要要分分支支，它它除除了了具具有有通通用用操操作作系系统统的的功功能能外外，还还具具有有任任务务管管理理、多多种种实实时时任任务务调调度度机机制制(如如优优先先级级抢抢占占调调度度、时时间间片片轮轮转转调调度度等等)、任任务务间间的的通通信信机制机制(如邮箱、消息队列等如邮箱、消息队列等)等功能。等功能。优优点点在在于于：弱弱化化功功能能模模块块间间的的耦耦合合关关系系，系
35、系统统的的开开放放性性和和可可维护性好维护性好，减少系统开发的工作量。，减少系统开发的工作量。目目前前，采采用用该该模模式式开开发发的的方方法法有有两两种种：在在商商品品化化的的实实时时操操作作系系统统下下开开发发CNC装装置置软软件件，国国外外有有些些著著名名厂厂家家采采用用了了这这种种方方式式；将将通通用用PC机机操操作作系系统统(DOS、WINDOWS)扩扩充充扩扩展展成成实实时时操操作作系系统统，然然后后在在此此基基础础上上开开发发CNC装装置置软软件件。目目前前国国内内有有些些生产厂家就是采用的这种方法。生产厂家就是采用的这种方法。2 2、插补原理与方法、插补原理与方法n n 概述概
36、述概述概述n n 逐点比较法逐点比较法逐点比较法逐点比较法n n 数字积分法数字积分法数字积分法数字积分法n n 数据采样插补法数据采样插补法数据采样插补法数据采样插补法插补技术是数控系统的核心技术插补技术是数控系统的核心技术n 概述概述 插补是数据密集化的过程。数控系统根据输入的基本数据插补是数据密集化的过程。数控系统根据输入的基本数据插补是数据密集化的过程。数控系统根据输入的基本数据插补是数据密集化的过程。数控系统根据输入的基本数据（直线起点、终点坐标，圆弧圆心、起点、终点坐标、进给速（直线起点、终点坐标，圆弧圆心、起点、终点坐标、进给速（直线起点、终点坐标，圆弧圆心、起点、终点坐标、进给
37、速（直线起点、终点坐标，圆弧圆心、起点、终点坐标、进给速度等）运用一定的算法，自动的在有限坐标点之间形成一系列度等）运用一定的算法，自动的在有限坐标点之间形成一系列度等）运用一定的算法，自动的在有限坐标点之间形成一系列度等）运用一定的算法，自动的在有限坐标点之间形成一系列的坐标数据，从而自动的对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个的坐标数据，从而自动的对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个的坐标数据，从而自动的对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个的坐标数据，从而自动的对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个线段的轨迹分析。线段的轨迹分析。线段的轨迹分析。线段的轨迹分析。完成插补运算的装置或程序称为插补器，有：硬件插补
38、器，完成插补运算的装置或程序称为插补器，有：硬件插补器，软件插补器，软硬件结合插补器。软件插补器，软硬件结合插补器。脉冲增量插补脉冲增量插补（行程标量插补）（行程标量插补）每次插补结束仅向各运动坐标轴输出一个控制脉冲，各坐标仅每次插补结束仅向各运动坐标轴输出一个控制脉冲，各坐标仅产生一个脉冲当量或行程的增量。脉冲频率代表坐标运动的速度，产生一个脉冲当量或行程的增量。脉冲频率代表坐标运动的速度，而数量代表运动位移的大小。而数量代表运动位移的大小。脉冲增量插补的方法有：逐点比较法、数字积分法、脉冲乘法脉冲增量插补的方法有：逐点比较法、数字积分法、脉冲乘法器等。器等。数据采样插补数据采样插补（时间标
39、量插补）（时间标量插补）采用时间分割思想，根据编程的进给速度将轮廓曲线分割为每采用时间分割思想，根据编程的进给速度将轮廓曲线分割为每个插补周期的进给直线段（又称轮廓步长）进行数据密化，以此来个插补周期的进给直线段（又称轮廓步长）进行数据密化，以此来逼近轮廓曲线。然后再将轮廓步长分解为各个坐标轴的进给量（一逼近轮廓曲线。然后再将轮廓步长分解为各个坐标轴的进给量（一个插补周期的进给量），作为指令发给伺服驱动装置。该装置按伺个插补周期的进给量），作为指令发给伺服驱动装置。该装置按伺服检测采样周期采集实际位移，并反馈给插补器与指令比较，完成服检测采样周期采集实际位移，并反馈给插补器与指令比较，完成闭环
40、控制。闭环控制。数据采样插补方法有：直线函数法、扩展数据采样插补方法有：直线函数法、扩展DDA、二阶递归算法二阶递归算法等。等。n 逐点比较法逐点比较法 早早期期数数控控机机床床广广泛泛采采用用的的方方法法，适适用用于于开开环环系系统统，能能实实现现平面直线、圆弧、二次曲线插补。平面直线、圆弧、二次曲线插补。原原理理：每每走走一一步步都都将将加加工工点点的的瞬瞬时时坐坐标标与与规规定定的的图图形形轨轨迹迹相相比比较较，判判断断偏偏差差，然然后后决决定定下下一一步步的的走走向向。如如果果加加工工点点走走到到图图形形外外面面，那那么么下下一一步步就就要要向向图图形形里里面面走走；如如果果加加工工点
41、点在在图图形形里里面面，则则下下一一步步就就要要向向图图形形外外面面走走，以以缩缩小小偏偏差差。每每次次只只进进行行一一个个坐坐标轴的插补进给。标轴的插补进给。特点：运算直观，脉冲输出均匀，调节方便，精度高。特点：运算直观，脉冲输出均匀，调节方便，精度高。偏差判别插补开始坐标进给新偏差计算到终点？结束YN（1）偏偏差差判判别别 判判别别偏偏差差符符号号，确确定定加加工工点点是是在在规规定定图图形形的的外外面面还是里面。还是里面。（2）坐坐标标进进给给 根根据据偏偏差差情情况况，控控制制X坐坐标标或或Y坐坐标标进进给给一一步步，使使加加工工点点向向规规定定图图形形靠靠拢拢，缩缩小小偏差。偏差。（
42、3）新新偏偏差差计计算算 进进给给一一步步后后，计计算算加加工工点点与与规规定定图图形形的的新新偏偏差差，作为下一步偏差判别的依据。作为下一步偏差判别的依据。（4）终终点点判判别别 根根据据这这一一步步的的进进给给结结果果，判判定定（比比较较）终终点点是是否否到到达达。如如未未到到达达终终点点，继继续续插插补补工工作作循循环环，如如果果已已到到终终点点就就停停止止插补。插补。逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补（第一象限）（第一象限）P(xP(xi i,y,yj j)F0F0F0F0F0F0F0A(xA(xe e,y,ye e)y yo ox x3）新偏差计算新偏差计算+x x进给：进给：进给
43、：进给：+y y进给：进给：进给：进给：4）终点比较终点比较 用用用用Xe+YeXe+Ye作为计数器，每走一步对计数器进行减作为计数器，每走一步对计数器进行减作为计数器，每走一步对计数器进行减作为计数器，每走一步对计数器进行减1 1计算，直到计数器为零为止。计算，直到计数器为零为止。计算，直到计数器为零为止。计算，直到计数器为零为止。5 5 5 5）逐点比较法直线插补举例）逐点比较法直线插补举例）逐点比较法直线插补举例）逐点比较法直线插补举例 OA98754321610YX 对对于于第第一一象象限限直直线线OA，终终点点坐坐标标Xe=6,Ye=4，插插补补从从直直线线起起点点O开开始始，故故F
44、0=0。终终点点判判别别是是判判断断进进给给总总步步数数N=6+4=10，将将其其存存入入终终点点判判别别计计数数器器中中，每每进进给给一一步步减减1，若若N=0，则停止插补。则停止插补。步数步数判别判别坐标进给坐标进给偏差计算偏差计算终点判别终点判别0 0F F0 0=0=0=10=101 1F=0F=0+X XF F1 1=F=F0 0-y-ye e=0-4=-4=0-4=-4=10-1=9=10-1=92 2F0F0F0+X XF F3 3=F=F2 2-y-ye e=2-4=-2=2-4=-2=8-1=7=8-1=74 4F0F0F0+X XF F5 5=F=F4 4-y-ye e=4
45、-4=0=4-4=0=6-1=5=6-1=56 6F=0F=0+X XF F6 6=F=F5 5-y-ye e=0-4=-4=0-4=-4=5-1=4=5-1=47 7F0F0F0+X XF F8 8=F=F7 7-y-ye e=2-4=-2=2-4=-2=3-1=2=3-1=29 9F0F0F0+X XF F1010=F=F9 9-y-ye e=4-4=0=4-4=0=1-1=0=1-1=0 逐点比较法圆弧插补（第逐点比较法圆弧插补（第 象限逆圆弧）象限逆圆弧）1）偏差判别）偏差判别y yo ox xA(xA(x0 0,y,y0 0)F0F0F0P(xP(xi i,y,yj j)圆弧上圆弧上
46、圆弧上圆弧上圆弧外圆弧外圆弧外圆弧外圆弧内圆弧内圆弧内圆弧内偏差判别函数偏差判别函数偏差判别函数偏差判别函数2）坐标进给）坐标进给圆弧上圆弧上圆弧上圆弧上圆弧外圆弧外圆弧外圆弧外圆弧内圆弧内圆弧内圆弧内-x x或或或或+y y方向方向方向方向-x x方向方向方向方向+y y方向方向方向方向y yo ox xF0F0F0P(xP(x0 0,y,y0 0)3）新偏差计算新偏差计算4）终点比较终点比较 用用(X0-Xe)+(Ye-Y0)作为计数器，每走一步对计数作为计数器，每走一步对计数器进行减器进行减1计算，直到计数器为零为止。计算，直到计数器为零为止。5 5 5 5）逐点比较法圆弧插补举例）逐点
47、比较法圆弧插补举例）逐点比较法圆弧插补举例）逐点比较法圆弧插补举例 对于第一象限圆弧对于第一象限圆弧AB，起点起点A（4，0），），终点终点B（0，4）ABYX44步数步数偏差判别偏差判别坐标进给坐标进给 偏差计算偏差计算坐标计算坐标计算终点判别终点判别起点起点F F0 0=0=0 x x0 0=4,y=4,y0 0=0=0=4+4=8=4+4=81 1F F0 0=0=0-x xF F1 1=F=F0 0-2x-2x0 0+1+1 =0-2*4+1=-7 =0-2*4+1=-7x x1 1=4-1=3=4-1=3y y1 1=0=0=8-1=7=8-1=72 2F F1 100+y yF F
48、2 2=F=F1 1+2y+2y1 1+1+1 =-7+2*0+1=-6 =-7+2*0+1=-6x x2 2=3=3y y2 2=y=y1 1+1=1+1=1=7-1=6=7-1=63 3F F2 200+y yF F3 3=F=F2 2+2y+2y2 2+1=-3+1=-3x x3 3=4,y=4,y3 3=2=2=5=54 4F F3 3000-x xF F5 5=F=F4 4-2x-2x4 4+1=-3+1=-3x x5 5=4,y=4,y5 5=0=0=3=36 6F F5 5000-x xF F7 7=F=F6 6-2x-2x6 6+1=1+1=1x x7 7=4,y=4,y7 7
49、=0=0=1=18 8F F7 700-x xF F8 8=F=F7 7-2x-2x7 7+1=0+1=0 x x8 8=4,y=4,y8 8=0=0=0=0 逐点比较法的象限处理逐点比较法的象限处理逐点比较法的象限处理逐点比较法的象限处理 顺圆顺圆逆圆逆圆四个象限的直线插补，会有四个象限的直线插补，会有四个象限的直线插补，会有四个象限的直线插补，会有4 4组计算公式，对于组计算公式，对于组计算公式，对于组计算公式，对于4 4个象限的逆个象限的逆个象限的逆个象限的逆时针圆弧插补和时针圆弧插补和时针圆弧插补和时针圆弧插补和4 4个象限的顺时针圆弧插补，会有个象限的顺时针圆弧插补，会有个象限的顺时
50、针圆弧插补，会有个象限的顺时针圆弧插补，会有8 8组计算公式组计算公式组计算公式组计算公式n n数字积分法插补数字积分法插补数字积分法插补数字积分法插补 数数数数字字字字积积积积分分分分法法法法又又又又称称称称数数数数字字字字微微微微分分分分分分分分析析析析器器器器（DigitalDigitalDifferentialDifferentialAnalyzer,Analyzer,简简简简称称称称DDA)DDA)。采采采采用用用用该该该该方方方方法法法法进进进进行行行行插插插插补补补补，具具具具有有有有运运运运算算算算速速速速度度度度快快快快，逻逻逻逻辑辑辑辑功功功功能能能能强强强强，脉脉脉脉冲冲