cnc系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1、1 2二、二、cnccnc系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)cnccnc的軟件功能要有相應(yīng)的硬件水準(zhǔn)來支持。的軟件功能要有相應(yīng)的硬件水準(zhǔn)來支持。已有的或常規(guī)的已有的或常規(guī)的cnccnc必須趨向開放式的必須趨向開放式的cnccnc。1 1、常規(guī)、常規(guī)cnccnc的硬件結(jié)構(gòu)的硬件結(jié)構(gòu)（1 1）常規(guī)）常規(guī)cnccnc發(fā)展的主要形式，大體上有三種：發(fā)展的主要形式，大體上有三種：一種是總線式模塊化結(jié)構(gòu)一種是總線式模塊化結(jié)構(gòu)cnccnc，元器件采用了，元器件采用了3232位的位的riscrisc（精簡指令集）芯片、數(shù)學(xué)協(xié)處理器（精簡指令集）芯片、數(shù)學(xué)協(xié)處理器及閃爍存儲器等；及閃爍存儲器等；用于多軸控制高檔數(shù)控機(jī)

2、床。用于多軸控制高檔數(shù)控機(jī)床。3第二種是以單板或?qū)Ｓ眯酒诙N是以單板或?qū)Ｓ眯酒澳０褰M成結(jié)構(gòu)緊湊的及模板組成結(jié)構(gòu)緊湊的cnccnc。大量用于中檔和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控大量用于中檔和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。機(jī)床。第三種是基于通用計(jì)算機(jī)（第三種是基于通用計(jì)算機(jī)（pcpc或或ipcipc）基礎(chǔ)上開發(fā)的）基礎(chǔ)上開發(fā)的cnccnc。其優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用通用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，其優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用通用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，而且可以隨著計(jì)算機(jī)硬件的升級而升級。而且可以隨著計(jì)算機(jī)硬件的升級而升級。前兩種類型相對第三種可稱為專用結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，前兩種類型相對第三種可稱為專用結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，其特點(diǎn)是硬件印制板是制造廠專門設(shè)計(jì)制造的

3、，不其特點(diǎn)是硬件印制板是制造廠專門設(shè)計(jì)制造的，不具有通用性。具有通用性。第三種的硬件通常無需專門設(shè)計(jì)，只要裝入不同的第三種的硬件通常無需專門設(shè)計(jì)，只要裝入不同的控制軟件，便可構(gòu)成不同類型的控制軟件，便可構(gòu)成不同類型的cnccnc，通用性大，易，通用性大，易于維修。于維修。4（2 2）單微處理器結(jié)構(gòu)：）單微處理器結(jié)構(gòu)：是是cnccnc發(fā)展初期采用的結(jié)構(gòu)，由發(fā)展初期采用的結(jié)構(gòu)，由于只有一個(gè)微處理器能控制系于只有一個(gè)微處理器能控制系統(tǒng)總線，占有總線資源，統(tǒng)總線，占有總線資源，cnccnc的的各個(gè)任務(wù)都以集中控制、分時(shí)各個(gè)任務(wù)都以集中控制、分時(shí)處理的方式完成。處理的方式完成。如圖為單微處理器結(jié)構(gòu)如圖為

4、單微處理器結(jié)構(gòu)cnccnc框圖，其中微處理器框圖，其中微處理器cpucpu是是cnccnc的核心，主要由運(yùn)算器和控制器組成，完成對的核心，主要由運(yùn)算器和控制器組成，完成對數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算以及系統(tǒng)操作的控制。數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算以及系統(tǒng)操作的控制。56（3 3）多微處理器結(jié)構(gòu)）多微處理器結(jié)構(gòu)cnccnc的多微處理器結(jié)構(gòu)是指在系統(tǒng)的多微處理器結(jié)構(gòu)是指在系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的微處理器能中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的微處理器能控制系統(tǒng)總線、或主存儲器進(jìn)行工控制系統(tǒng)總線、或主存儲器進(jìn)行工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。具體有緊耦合和松耦合兩種結(jié)構(gòu)型式。具體有緊耦合和松耦合兩種結(jié)構(gòu)型式。所謂緊耦合，是指兩個(gè)或兩個(gè)

5、以上的微處理器構(gòu)成所謂緊耦合，是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的微處理器構(gòu)成的處理部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，的處理部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，共享資源。共享資源。所謂送耦合，是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的微處理器構(gòu)成所謂送耦合，是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的微處理器構(gòu)成的功能模塊之間采用松耦合，有多重操作系統(tǒng)有效的功能模塊之間采用松耦合，有多重操作系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)并行處理。地實(shí)現(xiàn)并行處理。71 1）多微處理器）多微處理器cnccnc的典型結(jié)構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)共享總線結(jié)構(gòu)，如圖。共享總線結(jié)構(gòu)，如圖。8共享存儲器結(jié)構(gòu)，如圖。共享存儲器結(jié)構(gòu)，如圖。92 2）多微處理器的）多微處理器的cnccnc的基本功能模塊的基本功能

6、模塊主要有以下六種基本功能模塊：主要有以下六種基本功能模塊：cnccnc管理模塊。包括初始化、中斷管理、總線裁決、管理模塊。包括初始化、中斷管理、總線裁決、系統(tǒng)出錯(cuò)識別和處理、系統(tǒng)硬件與軟件診斷等。系統(tǒng)出錯(cuò)識別和處理、系統(tǒng)硬件與軟件診斷等。cnccnc插補(bǔ)模塊。完成插補(bǔ)前的預(yù)處理，然后進(jìn)行插插補(bǔ)模塊。完成插補(bǔ)前的預(yù)處理，然后進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，給定各坐標(biāo)軸的位置值。補(bǔ)計(jì)算，給定各坐標(biāo)軸的位置值。位置控制模塊。位置控制模塊。plc(pmc)plc(pmc)模塊。零件程序中的開關(guān)量（模塊。零件程序中的開關(guān)量（s s、m m、t t）和機(jī)床面板來的信號在這個(gè)模塊中進(jìn)行邏輯處理。和機(jī)床面板來的信號在這個(gè)模塊

7、中進(jìn)行邏輯處理。命令與數(shù)據(jù)輸入輸出和顯示模塊。命令與數(shù)據(jù)輸入輸出和顯示模塊。存儲器模塊。這是程序和數(shù)據(jù)的主存儲器，或是存儲器模塊。這是程序和數(shù)據(jù)的主存儲器，或是功能模塊間數(shù)據(jù)傳送用的共享存儲器。功能模塊間數(shù)據(jù)傳送用的共享存儲器。102 2、開放式、開放式cnccnc的硬件結(jié)構(gòu)的硬件結(jié)構(gòu)目前，對數(shù)控系統(tǒng)的柔性和通用性的要求主要體目前，對數(shù)控系統(tǒng)的柔性和通用性的要求主要體現(xiàn)在：現(xiàn)在：根據(jù)不同的加工需求迅速、高效、經(jīng)濟(jì)地構(gòu)筑面根據(jù)不同的加工需求迅速、高效、經(jīng)濟(jì)地構(gòu)筑面向客戶的控制系統(tǒng)；向客戶的控制系統(tǒng)；減少數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠對控制系統(tǒng)供應(yīng)商的高依賴性；減少數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠對控制系統(tǒng)供應(yīng)商的高依賴性；大幅度

8、降低維護(hù)和培訓(xùn)成本；大幅度降低維護(hù)和培訓(xùn)成本；改變目前數(shù)控系統(tǒng)的封閉型設(shè)計(jì)，以適應(yīng)未來車間改變目前數(shù)控系統(tǒng)的封閉型設(shè)計(jì)，以適應(yīng)未來車間面向任務(wù)惡化訂單的生產(chǎn)組織模式，使底層生產(chǎn)控面向任務(wù)惡化訂單的生產(chǎn)組織模式，使底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集成更為簡便和有效。制系統(tǒng)的集成更為簡便和有效。為此，必須重新審視原有控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，建為此，必須重新審視原有控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，建立新的開放型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，使數(shù)控系統(tǒng)向模塊立新的開放型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，使數(shù)控系統(tǒng)向模塊化、平臺化、工具化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展?；?、平臺化、工具化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。11國外，數(shù)控系統(tǒng)開放性在技術(shù)上體現(xiàn)為平臺技術(shù)和國外，數(shù)控系統(tǒng)開放性在技術(shù)上體現(xiàn)為

9、平臺技術(shù)和面向應(yīng)用功能單元的系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)。面向應(yīng)用功能單元的系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)。美國美國19811981年開始的年開始的ndd(next generational ndd(next generational controller)controller)計(jì)劃，最終形成了一份開放式系統(tǒng)體系計(jì)劃，最終形成了一份開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)規(guī)范結(jié)構(gòu)規(guī)范sosassosas。19941994年又開始了年又開始了omac(open modular architecture omac(open modular architecture systems)systems)項(xiàng)目的研究。項(xiàng)目的研究。歐共體于歐共體于19921992

10、年在年在espritesprit框架內(nèi)，開始了框架內(nèi)，開始了osaca osaca (open system architecture for controls within (open system architecture for controls within automation systems)automation systems)項(xiàng)目的研究，項(xiàng)目的研究，19941994年完成了定年完成了定義，義，19961996年完成了原型系統(tǒng)的開發(fā)。年完成了原型系統(tǒng)的開發(fā)。19901990年日本的年日本的imsims中，對中，對cnccnc要求標(biāo)準(zhǔn)化和智能化。要求標(biāo)準(zhǔn)化和智能化。12（1 1）開

11、放式）開放式cnccnc的定義的定義參照參照ieeeieee對開放式系統(tǒng)的規(guī)定：一個(gè)真正意義上對開放式系統(tǒng)的規(guī)定：一個(gè)真正意義上的開放式數(shù)控系統(tǒng)必須具備不同應(yīng)用程序能協(xié)調(diào)的開放式數(shù)控系統(tǒng)必須具備不同應(yīng)用程序能協(xié)調(diào)地運(yùn)行于系統(tǒng)平臺上的能力，地運(yùn)行于系統(tǒng)平臺上的能力，提供面向功能的動態(tài)重構(gòu)工具，同時(shí)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)提供面向功能的動態(tài)重構(gòu)工具，同時(shí)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序用戶界面，具有以下特征：化的應(yīng)用程序用戶界面，具有以下特征：1 1）可互操作性（）可互操作性（interoperabilityinteroperability）：）：指不同的應(yīng)用程序模塊通過標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序接口指不同的應(yīng)用程序模塊通過標(biāo)

12、準(zhǔn)化的應(yīng)用程序接口運(yùn)行于系統(tǒng)平臺之上，運(yùn)行于系統(tǒng)平臺之上，不同模塊之間保持平等的相互操作能力，協(xié)調(diào)工作。不同模塊之間保持平等的相互操作能力，協(xié)調(diào)工作。這一特征要求提供標(biāo)準(zhǔn)化的接口、通訊和交互模型。這一特征要求提供標(biāo)準(zhǔn)化的接口、通訊和交互模型。132 2）可移植性（）可移植性（portabilityportability）：）：指不同的應(yīng)用程序模塊可運(yùn)行于不同供應(yīng)商提供的指不同的應(yīng)用程序模塊可運(yùn)行于不同供應(yīng)商提供的系統(tǒng)平臺之上。系統(tǒng)平臺之上。這一特征解決這一特征解決cnccnc軟件的公用問題；軟件的公用問題；要求設(shè)計(jì)的軟件與設(shè)備無關(guān)性，即通過統(tǒng)一的應(yīng)用要求設(shè)計(jì)的軟件與設(shè)備無關(guān)性，即通過統(tǒng)一的應(yīng)用

13、程序接口，完成對設(shè)備的控制。程序接口，完成對設(shè)備的控制。3 3）可縮放性（）可縮放性（scalabilityscalability）：指增加和減少系統(tǒng)）：指增加和減少系統(tǒng)功能僅表現(xiàn)為特定模塊單元的裝載和卸載。功能僅表現(xiàn)為特定模塊單元的裝載和卸載。4 4）可相互替代性）可相互替代性(interchangeability)(interchangeability)：指不同性：指不同性能與可靠性和不同功能能力的功能模塊可相互替代。能與可靠性和不同功能能力的功能模塊可相互替代。14一個(gè)開放式一個(gè)開放式cnccnc的開放性體現(xiàn)在：的開放性體現(xiàn)在：提供標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境的基礎(chǔ)平臺，提供標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境的基礎(chǔ)平臺，允許不同

14、開發(fā)商所提供不同功能的軟、硬件模塊允許不同開發(fā)商所提供不同功能的軟、硬件模塊介入，以構(gòu)成滿足不同需求的介入，以構(gòu)成滿足不同需求的cnccnc。開放式數(shù)控系統(tǒng)是從全新的角度分析和實(shí)現(xiàn)數(shù)控的開放式數(shù)控系統(tǒng)是從全新的角度分析和實(shí)現(xiàn)數(shù)控的功能，功能，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)對控制需求的可重構(gòu)性和透明性，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)對控制需求的可重構(gòu)性和透明性，以及系統(tǒng)功能面向多供應(yīng)商。以及系統(tǒng)功能面向多供應(yīng)商。15（2 2）基于）基于pc(pc(或或ipc)ipc)開放式開放式cnccnc的硬件配置形式的硬件配置形式1 1）基于）基于pcpc的有限開放的有限開放cnccnc大多通過改造原有大多通過改造原有cnccnc系統(tǒng)的接口，使系統(tǒng)的

15、接口，使cnccnc系統(tǒng)能與系統(tǒng)能與pcpc互連，由互連，由pcpc承擔(dān)承擔(dān)cnccnc人機(jī)界面功能。具體有人機(jī)界面功能。具體有 pc pc連接型連接型cnccnc如圖如圖, ,是將現(xiàn)有是將現(xiàn)有cnccnc與與pcpc用串行線直用串行線直接相連而構(gòu)成。接相連而構(gòu)成。16 pc pc內(nèi)藏型內(nèi)藏型cnccnc，如圖。，如圖。是指在是指在cnccnc內(nèi)部加裝內(nèi)部加裝pcpc，pcpc與與cnccnc之間用專用總線之間用專用總線連接。連接。172 2）基于）基于pcpc的可開放的可開放cnccnc是在通用是在通用pcpc機(jī)的擴(kuò)展槽中加入專用機(jī)的擴(kuò)展槽中加入專用cnccnc卡而成，也卡而成，也稱稱cnc

16、cnc內(nèi)藏型。內(nèi)藏型。專用專用cnccnc卡包括加工軌跡生成等幾乎所有的卡包括加工軌跡生成等幾乎所有的cnccnc處理處理功能。功能。18三、三、cnccnc的軟件結(jié)構(gòu)的軟件結(jié)構(gòu)1 1、cnccnc中軟、硬件界面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中軟、硬件界面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在在cnccnc系統(tǒng)中，軟件和硬件在邏輯上是等價(jià)的，即系統(tǒng)中，軟件和硬件在邏輯上是等價(jià)的，即由硬件完成的工作原則上也可由軟件完成。由硬件完成的工作原則上也可由軟件完成。如圖為不同時(shí)期和產(chǎn)品中的典型如圖為不同時(shí)期和產(chǎn)品中的典型cnccnc軟、硬件界面。軟、硬件界面。19在在cnccnc中，直線、圓弧和其他曲線控制功能的數(shù)中，直線、圓弧和其他曲線控制功能的

17、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程是類同的。據(jù)轉(zhuǎn)換過程是類同的。如圖為直線控制功能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程。如圖為直線控制功能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程。202 2、cnccnc系統(tǒng)的多任務(wù)并行處理與實(shí)時(shí)中斷處理系統(tǒng)的多任務(wù)并行處理與實(shí)時(shí)中斷處理cnccnc的多任務(wù)表現(xiàn)在他的軟件必須完成管理和控制兩的多任務(wù)表現(xiàn)在他的軟件必須完成管理和控制兩大任務(wù)。大任務(wù)。系統(tǒng)管理包括：輸入、系統(tǒng)管理包括：輸入、i/oi/o處理、顯示、診斷。處理、顯示、診斷。系統(tǒng)控制包括：譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)、系統(tǒng)控制包括：譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)、位置控制。如圖。位置控制。如圖。21cnccnc的各項(xiàng)任務(wù)必須協(xié)調(diào)工作，在許多情況下，管的各項(xiàng)任務(wù)必須協(xié)調(diào)

18、工作，在許多情況下，管理和控制的某些工作必須同時(shí)進(jìn)行。如圖。理和控制的某些工作必須同時(shí)進(jìn)行。如圖。22所謂并行處理，是指計(jì)算機(jī)在同一時(shí)刻或同一時(shí)所謂并行處理，是指計(jì)算機(jī)在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上相同或不同的工作。間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上相同或不同的工作。并行處理方法有資源重復(fù)、時(shí)間重疊和資源分時(shí)并行處理方法有資源重復(fù)、時(shí)間重疊和資源分時(shí)共享等處理方法。共享等處理方法。cnccnc系統(tǒng)的中斷管理主要靠硬件完成，中斷類型有：系統(tǒng)的中斷管理主要靠硬件完成，中斷類型有：外部中斷。外部中斷。內(nèi)部定時(shí)中斷。內(nèi)部定時(shí)中斷。硬件故障中斷。硬件故障中斷。程序性中斷。程序性中斷。233 3、常

19、規(guī)、常規(guī)cnccnc的軟件結(jié)構(gòu)的軟件結(jié)構(gòu)cnccnc的軟件結(jié)構(gòu)決定于系統(tǒng)采用的中斷結(jié)構(gòu)。的軟件結(jié)構(gòu)決定于系統(tǒng)采用的中斷結(jié)構(gòu)。常規(guī)的常規(guī)的cnccnc中，已有的結(jié)構(gòu)模式有中斷型結(jié)構(gòu)和前中，已有的結(jié)構(gòu)模式有中斷型結(jié)構(gòu)和前后臺型結(jié)構(gòu)。后臺型結(jié)構(gòu)。（1 1）中斷型結(jié)構(gòu)模式）中斷型結(jié)構(gòu)模式此類型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是除了初始化程序之外，整個(gè)系此類型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是除了初始化程序之外，整個(gè)系統(tǒng)軟件的各種任務(wù)模塊分別安排在不同級別的中斷統(tǒng)軟件的各種任務(wù)模塊分別安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，整個(gè)軟件就是一個(gè)大的多重中斷系統(tǒng)。服務(wù)程序中，整個(gè)軟件就是一個(gè)大的多重中斷系統(tǒng)。其管理功能主要通過各級中斷程序之間的相互通信其管理功能主