CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)

1、CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)        CNC裝置的軟件是一個(gè)典型又復(fù)雜的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，它的許多控制任務(wù)，如零件程序的輸入與譯碼、刀具半徑補(bǔ)償、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制以及精度補(bǔ)償都是由軟件實(shí)現(xiàn)的。從邏輯上講，這些任務(wù)可看成一個(gè)個(gè)功能模塊，模塊之間存在著偶合關(guān)系；從時(shí)間上講，各功能模塊之間存在一個(gè)時(shí)序配合問題。在設(shè)計(jì)CNC裝置的軟件時(shí)，如何組織和協(xié)調(diào)這些這些功能模塊，使之滿足一定的時(shí)序和邏輯關(guān)系，就是CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)要考慮的問題。一、CNC裝置軟件和硬件的功能界面CNC裝置是由軟件和硬件組成的，硬件為軟件的運(yùn)行提供支持環(huán)境。在

2、信息處理方面，軟件與硬件在邏輯上是等價(jià)的，即硬件能完成的功能從理論上講也可以由軟件來完成。但，硬件和軟件在實(shí)現(xiàn)這些功能時(shí)各有不同的特點(diǎn)：硬件處理速度快，但靈活性差，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制的功能困難。軟件設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度相對(duì)較慢。如何確定合理確定軟硬件的功能分擔(dān)是CNC裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要任務(wù)。這就是所謂軟件和硬件的功能界面劃分的概念。劃分準(zhǔn)則是系統(tǒng)的性價(jià)比。圖1  CNC軟件系統(tǒng)功能框圖圖1是CNC裝置功能界面的幾種劃分方法。這幾種功能界面是CNC裝置不同時(shí)期不同產(chǎn)品的劃分。其中后面兩種是現(xiàn)在的CNC系統(tǒng)常用的方案。反映出軟件所承擔(dān)的任務(wù)越來越多，硬件承擔(dān)的任務(wù)越來越少。一是因?yàn)橛?jì)

3、算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理能力不斷增強(qiáng)，軟件的運(yùn)行效率大大提高，這為用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能提供了技術(shù)支持。二是數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)控功能的要求越來越高，若用軟件來實(shí)現(xiàn)這些功能，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且柔性差，甚至不可能實(shí)現(xiàn)。而用軟件實(shí)現(xiàn)則具有較大的靈活性，且能方便實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的處理和運(yùn)算。因而，用相對(duì)較少且標(biāo)準(zhǔn)化程度較高的硬件，配以功能豐富的軟件模塊CNC系統(tǒng)是當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。二、CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程CNC系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)之一是如何將零件加工程序表達(dá)的加工信息，變換成各進(jìn)給軸的位移指令、主軸轉(zhuǎn)速指令和輔助動(dòng)作指令。其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程如圖2所示。圖2  共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)硬件

4、結(jié)構(gòu)（一）      譯碼（解釋）譯碼程序的主要功能是將文本格式（ASCII碼）表達(dá)的零件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成后續(xù)程序所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式）。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來描述一個(gè)程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。包括：X、Y、Z、等坐標(biāo)值；進(jìn)給速度；主軸轉(zhuǎn)速；G代碼；M代碼；刀具號(hào)；子程序處理和循環(huán)調(diào)用處理等數(shù)據(jù)或標(biāo)志的存放順序和格式。一個(gè)譯碼緩沖區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的例子如下：Struct PROG_BUFFER       Char buf_state;  /指定緩沖區(qū)的狀態(tài)，0表示緩沖區(qū)為空

5、；1表示緩沖區(qū)準(zhǔn)備好。        int block_num;  /以BCD碼的形式存放本段的程序段號(hào)。      double COOD20;  /以二進(jìn)制的形式存放X、Y、Z、I、J、K、R、A、B等尺寸指令的                      

6、;     數(shù)值，單位為um。              int F,S;  /以二進(jìn)制的形式存放進(jìn)給速度F（mm/min）和主軸轉(zhuǎn)速S（r/min）。             char G0;  /以標(biāo)志形式存放G指令。例如：    &#

7、160;                           G00 0：無該指令；1：有該指令。                    &

8、#160;               G01G02G03G33；                                 

9、;   G90/G91 0：G90; 1: G91                               char G1;  /根據(jù)G指令的個(gè)數(shù)設(shè)置字符變量的個(gè)數(shù)。        &#

10、160;                char M0;  /以標(biāo)志的形式存放M指令。存放形式同G代碼。                            

11、   char M1;  /根據(jù)M指令的個(gè)數(shù)設(shè)置字符變量的個(gè)數(shù)。                                char T;  /以BCD碼的形式存放本段換刀的刀具號(hào)。     &#

12、160;                      Char D;  /以BCD碼的形式存放刀具補(bǔ)償?shù)牡毒甙霃街?。在程序中一般有由若干個(gè)由這種結(jié)構(gòu)組成的程序緩沖區(qū)組，當(dāng)前程序段譯碼后的數(shù)據(jù)信息存入緩沖區(qū)組中空閑的一個(gè)。后續(xù)程序從該緩沖區(qū)中獲取數(shù)據(jù)信息進(jìn)行工作。下面以一個(gè)程序段為例來簡(jiǎn)要說明譯碼過程：     N06 G90 G01 X20

13、0 Y300 F200 ;     譯碼程序以程序段為單位進(jìn)行解釋，解釋中，從零件程序存儲(chǔ)區(qū)中逐一讀出指令：讀出：N06     解釋：將06 轉(zhuǎn)換為BCD碼00000110BCD存入譯碼緩沖區(qū)中的 “block_num”      G90      將譯碼緩沖區(qū)中的“G0”的“D6”位置“0”      G01    

14、;  將譯碼緩沖區(qū)中的“G0”的“D1”位置“1”     X200      將200轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼11001000B存入譯碼緩沖區(qū)中的“COOR1”     Y300      將300轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼100101100B存入譯碼緩沖區(qū)中的“COOR2”     F200      將200轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼110010

15、00B存入譯碼緩沖區(qū)中的“F”      ；       程序段讀完，譯碼結(jié)束。進(jìn)入下一程序段的解釋工作，直至整個(gè)緩沖區(qū)組被填滿，然后，譯碼程序進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)緩沖區(qū)組中有若干個(gè)緩沖區(qū)置空，系統(tǒng)將再次激活譯碼程序，按此方式重復(fù)進(jìn)行，直到整個(gè)加工程序解釋完畢（讀到M02或M30）為止。（二）      刀補(bǔ)處理（計(jì)算刀具中心軌跡）將零件輪廓變換為刀具中心軌跡，并進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)變換，主要工作是：（1）根據(jù)絕對(duì)坐標(biāo)（G90）或相對(duì)坐標(biāo)（G91

16、）計(jì)算零件輪廓的終點(diǎn)坐標(biāo)值；（2）根據(jù)刀具半徑、刀具半徑補(bǔ)償?shù)姆较颍℅41/G42）和零件輪廓的終點(diǎn)坐標(biāo)值，計(jì)算刀具中心軌跡的終點(diǎn)坐標(biāo)值。（3）根據(jù)本段和前段的關(guān)系，進(jìn)行段間連續(xù)處理。經(jīng)刀補(bǔ)處理程序轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存放在刀補(bǔ)緩沖區(qū)中，以供后續(xù)程序之用。刀補(bǔ)緩沖區(qū)與譯碼緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)相似。（三）      速度預(yù)處理主要功能是根據(jù)加工程序給定的進(jìn)給速度，計(jì)算在每個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的合成移動(dòng)量。供插補(bǔ)程序使用。主要完成一下幾步計(jì)算：（1）計(jì)算本段總位移量直線：計(jì)算合成位移量L圓?。河?jì)算總角位移量供插補(bǔ)程序判斷減速起點(diǎn)或終點(diǎn)判斷之用。（2）計(jì)算每個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的合成

17、進(jìn)給量         L=Ft/60    （m）式中，F(xiàn)進(jìn)給速度值（mm/min）；      t數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期（ms）。經(jīng)速度處理程序轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存放在插補(bǔ)緩沖區(qū)中，以供插補(bǔ)程序之用。（四）      插補(bǔ)計(jì)算以系統(tǒng)規(guī)定的插補(bǔ)周期t定時(shí)運(yùn)行，主要功能是：（1）根據(jù)操作面板上“進(jìn)給修調(diào)”開關(guān)的設(shè)定值。計(jì)算本次插補(bǔ)周期的實(shí)際合成位移量：    

18、     L1=L*修調(diào)值（2）將L1按插補(bǔ)的線形和本插補(bǔ)點(diǎn)所在的位置分解到各個(gè)進(jìn)給軸，作為各進(jìn)給軸的位置控制指令（xi，yi）。經(jīng)插補(bǔ)計(jì)算后的數(shù)據(jù)存放在運(yùn)行緩沖區(qū)中，以供位置控制程序之用。（五）      位置控制    位置控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程如圖3所示。主要進(jìn)行各進(jìn)給軸跟隨誤差（x3，y3）的計(jì)算，并進(jìn)行調(diào)節(jié)處理，輸出速度控制指令（vx，vy）。圖3  CNC裝置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程示意圖    位置控制完成一下幾步計(jì)算：（1）計(jì)算新的位置指

19、令坐標(biāo)值：       x1新=x1舊+x1       y1新=y1舊+y1（2）計(jì)算新的位置實(shí)際坐標(biāo)值：       x2新=x2舊+x2           y2新=y2舊+y2（3）計(jì)算跟隨誤差：       x3=x1新-x2新  

20、;     y3=y1新-y2新（4）計(jì)算速度指令值：       vx=f（x3）；vy=f（y3）這里，f（.）是位置調(diào)節(jié)環(huán)的控制算法。三、CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)（一）      多任務(wù)性與并行處理技術(shù)    任務(wù)可并行執(zhí)行的程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上的運(yùn)行過程。CNC的功能可定義CNC的任務(wù)。1   CNC裝置的多任務(wù)性CNC的任務(wù)：管理任務(wù)：程序管理、顯示、診斷、人機(jī)交互、 

21、0;         控制任務(wù)：譯碼、刀具補(bǔ)償、速度預(yù)處理、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、上述任務(wù)不是順序執(zhí)行的，而需要多個(gè)任務(wù)并行處理，如：（1）當(dāng)機(jī)床正在加工時(shí)（執(zhí)行控制任務(wù)），CRT要實(shí)時(shí)顯示加工狀態(tài)（管理任務(wù)）。控制與管理并行。（2）當(dāng)加工程序送入系統(tǒng)（輸入）時(shí)，CRT實(shí)時(shí)顯示輸入內(nèi)容（顯示）。管理任務(wù)之間的并行。（3）為了保證加工的連續(xù)性，譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制必須同時(shí)不間斷的執(zhí)行?？刂迫蝿?wù)之間的并行。2   基于并行處理的多任務(wù)調(diào)度技術(shù) 并行處理是指軟件系統(tǒng)在同

22、一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩個(gè)或兩個(gè)以上任務(wù)處理的方法。采用并行處理技術(shù)的目的是為了提高CNC裝置資源的利用率和系統(tǒng)處理速度。并行處理的實(shí)現(xiàn)方式與CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，常采用以下方法：    （1）資源分時(shí)共享：對(duì)單CPU裝置。采用“分時(shí)”來實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并行處理。其方法是：在一定的時(shí)間長(zhǎng)度（常稱時(shí)間片）內(nèi)，根據(jù)各任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求程度，規(guī)定它們CPU的時(shí)間，是它們按規(guī)定的順序和規(guī)則分時(shí)共享系統(tǒng)的資源。 解決各任務(wù)CPU（資源）時(shí)間的分配原則。主要有兩個(gè)問題：其一，各任務(wù)何時(shí)占用CPU，即任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分配問題。其二，各任務(wù)占用CPU的時(shí)間長(zhǎng)度，即時(shí)間片

23、的分配問題。圖4  各任務(wù)占用CPU時(shí)間示意圖單CPU的CNC裝置中，通常采用循環(huán)調(diào)度和優(yōu)先搶占調(diào)度相結(jié)合的方法來解決上述問題的。圖4是一個(gè)典型的多任務(wù)分時(shí)共享CPU的時(shí)間分配圖。循環(huán)調(diào)度：若干個(gè)任務(wù)（顯示、譯碼、刀補(bǔ)、I/O、）在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)順序輪流執(zhí)行；優(yōu)先搶占調(diào)度：將任務(wù)按實(shí)時(shí)性要求的程度，分為不同的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)別高的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行（優(yōu)先），優(yōu)先級(jí)別高的任務(wù)可隨時(shí)中斷優(yōu)先級(jí)別底的任務(wù)的運(yùn)行（搶占）。假定某CNC裝置軟件將其功能僅分為三個(gè)任務(wù)：位置控制、插補(bǔ)運(yùn)算和背景程序（包含若干任務(wù)循環(huán)調(diào)度運(yùn)行）。位置控制優(yōu)先級(jí)別最高，規(guī)定4ms執(zhí)行一次，由定時(shí)中斷激活；插補(bǔ)運(yùn)算次之，規(guī)定8m

24、s執(zhí)行一次，由定時(shí)中斷激活；插補(bǔ)背景程序最低，當(dāng)位置控制和插補(bǔ)運(yùn)算都不執(zhí)行時(shí)執(zhí)行。運(yùn)行過程是：在初始化后，自動(dòng)進(jìn)入背景程序，輪流反復(fù)執(zhí)行各子任務(wù)。當(dāng)位置控制和插補(bǔ)運(yùn)算需要執(zhí)行時(shí)，隨時(shí)中斷循環(huán)調(diào)度中運(yùn)行的程序（背景程序），位置控制可隨時(shí)中斷插補(bǔ)運(yùn)算。各任務(wù)運(yùn)行占用CPU時(shí)間如圖4所示。可以看出：在任何時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)占用CPU；從一個(gè)時(shí)間片（8或16ms）來看，CPU并行執(zhí)行了三個(gè)任務(wù)。即資源分時(shí)共享的并行處理是宏觀意義上的，微觀上還是各個(gè)任務(wù)順序執(zhí)行的。（3）并發(fā)處理和流水處理：在多CPU結(jié)構(gòu)的CNC裝置中，根據(jù)各任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度，可采用兩種策略實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并行處理。其一，如果任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)程度

25、不高。則將各任務(wù)分別安排一個(gè)CPU，使其同時(shí)執(zhí)行，這就是所謂的“并發(fā)處理”；其二，如果各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)程度較高，即一個(gè)任務(wù)的輸出是另一任務(wù)的輸入，則采用流水處理的方法。它是利用重復(fù)的資源，將一個(gè)大任務(wù)分成若干個(gè)彼此關(guān)聯(lián)的子任務(wù)（如將插補(bǔ)準(zhǔn)備分為：譯碼、刀補(bǔ)處理、速度預(yù)處理三個(gè)子任務(wù)），然后按一定順序安排每個(gè)資源執(zhí)行一個(gè)任務(wù)。如：CPU1執(zhí)行譯碼、CPU2執(zhí)行刀補(bǔ)處理、CPU3執(zhí)行速度預(yù)處理，t1：CPU1執(zhí)行第一個(gè)程序段的譯碼；t2：CPU2執(zhí)行第一個(gè)程序段的刀補(bǔ)處理，同時(shí)CPU1執(zhí)行第二個(gè)程序段的譯碼；t3：CPU3執(zhí)行第一個(gè)程序段的速度預(yù)處理并輸出第一個(gè)程序段插補(bǔ)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，同時(shí)，CP

26、U2執(zhí)行第二個(gè)程序段的刀補(bǔ)處理，CPU1執(zhí)行第三個(gè)程序段的譯碼，t4：CPU3執(zhí)行第二個(gè)程序段的速度預(yù)處理并輸出第二個(gè)程序段插補(bǔ)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，同時(shí)，CPU2執(zhí)行第三個(gè)程序段的刀補(bǔ)處理，CPU1執(zhí)行第四個(gè)程序段的譯碼；。這個(gè)處理過程與生產(chǎn)線上分不同工序加工零件的流水作業(yè)一樣?？梢源蟠罂s短兩個(gè)程序段之間輸出的間隔時(shí)間?？梢钥闯觯谌魏螘r(shí)刻均有兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)在并發(fā)執(zhí)行。流水處理的關(guān)鍵是時(shí)間重疊，以資源重復(fù)為代價(jià)換取時(shí)間上的重疊，以空間復(fù)雜性換取時(shí)間上的快速性。 (二)實(shí)時(shí)性和優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制實(shí)時(shí)性：指某任務(wù)的執(zhí)行有嚴(yán)格的時(shí)間要求，即必須在系統(tǒng)的規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，否則將導(dǎo)致執(zhí)行結(jié)果錯(cuò)誤和系統(tǒng)故障

27、。1 實(shí)時(shí)性任務(wù)的分類從各任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求的角度看，基本上可分為：強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)：（1）實(shí)時(shí)突發(fā)性任務(wù)：特點(diǎn)是任務(wù)的發(fā)生具有隨機(jī)性和突發(fā)性，是一種異步中斷事件，往往有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求。如：故障中斷（急停、機(jī)械限位、硬件故障）、機(jī)床PLC中斷。（2）實(shí)時(shí)周期性任務(wù)：任務(wù)是按一定的事件間隔發(fā)生的。如：插補(bǔ)運(yùn)算、位置處理。為保證加工精度和加工過程的連續(xù)性，這類任務(wù)的實(shí)時(shí)性是關(guān)鍵。這類任務(wù)，除系統(tǒng)故障外，不允許被其他任務(wù)中斷。弱實(shí)時(shí)性任務(wù)：任務(wù)的實(shí)時(shí)性相對(duì)較弱，只需要在某一段時(shí)間內(nèi)得以運(yùn)行即可。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，安排在背景程序中或根據(jù)重要性設(shè)置為級(jí)別較低的優(yōu)先級(jí)由調(diào)度程序進(jìn)行合理的調(diào)度。如：顯示、加工程序編

28、輯、插補(bǔ)預(yù)處理等。2 優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制為了滿足CNC裝置實(shí)時(shí)任務(wù)的要求，系統(tǒng)的調(diào)度機(jī)制必須具有能根據(jù)外界的實(shí)時(shí)信息以足夠快的速度進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的能力。優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制使是系統(tǒng)具有這一能力的調(diào)度技術(shù)。它是基于實(shí)時(shí)中斷技術(shù)的任務(wù)調(diào)度機(jī)制。中斷技術(shù)是計(jì)算機(jī)響應(yīng)外部事件的一種處理技術(shù)，特點(diǎn)是能按任務(wù)的重要程度和輕重緩急對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)，而CPU也不必為其開銷過多的時(shí)間。優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制有兩個(gè)功能：優(yōu)先調(diào)度：在CPU空閑時(shí)，若同時(shí)有多個(gè)任務(wù)請(qǐng)求執(zhí)行，優(yōu)先級(jí)別高的任務(wù)將優(yōu)先執(zhí)行。搶占方式：在CPU正在執(zhí)行某任務(wù)時(shí)，若另一優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)請(qǐng)求執(zhí)行，CPU將立即終止正在執(zhí)行的任務(wù)，轉(zhuǎn)而響應(yīng)優(yōu)先級(jí)別更高的任務(wù)的請(qǐng)求。優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制是由硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)的，硬件主要產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)，由提供中斷功能的芯片和電路組成（中斷管理芯片：8259；定時(shí)計(jì)數(shù)器：8263、8254）。軟件主要完成：硬件芯片的初始化、任務(wù)優(yōu)先級(jí)定義方式、任務(wù)切換處理（斷點(diǎn)的保護(hù)與恢復(fù)、中斷向量的保持與恢復(fù)）