數(shù)控技術(shù)第3章3.3節(jié)

數(shù)控技術(shù)

華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院第3章計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置3.1概述3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)3.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)3.4典型數(shù)控功能原理及實(shí)現(xiàn)3.5國(guó)內(nèi)外典型CNC系統(tǒng)簡(jiǎn)介14.3CNC系統(tǒng)的軟件數(shù)控系統(tǒng)功能界面的幾種劃分：輸入預(yù)處理位置檢測(cè)插補(bǔ)運(yùn)算位置控制速度控制伺服電機(jī)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(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)24.3CNC系統(tǒng)的軟件加工程序譯碼譯碼緩沖區(qū)刀補(bǔ)處理刀補(bǔ)緩沖區(qū)速度預(yù)處理插補(bǔ)緩沖區(qū)插補(bǔ)處理運(yùn)行緩沖區(qū)伺服驅(qū)動(dòng)位控處理位置反饋PLC控制3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)34.3CNC系統(tǒng)的軟件3.3.1CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能1.組成

CNC系統(tǒng)軟件是具有實(shí)時(shí)性和多任務(wù)性的專用操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)由CNC管理軟件和CNC控制軟件兩部分組成。操作系統(tǒng)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(jī)床輸入輸出位置控制故障診斷處理插補(bǔ)運(yùn)算主軸控制編譯處理刀具補(bǔ)償......3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)42.功能位置控制插補(bǔ)運(yùn)算狀態(tài)顯示PLC故障診斷……3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)51.譯碼(Decode)將用文本格式（通常用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（本例是指刀補(bǔ)處理程序）所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式）。3.3.2

CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)6數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示例：StructPROG_BUFFER{charbuf_state；

//緩沖區(qū)狀態(tài)，0空；1準(zhǔn)備好。intblock_num；

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

//F（mm/min）S（r/min）。charG0；

//以標(biāo)志形式存放G指令。charG1；charM0；

//以標(biāo)志形式存放M指令。charM1；charT；

//存放本段換刀的刀具號(hào)。charD；

//存放刀具補(bǔ)償?shù)牡毒甙霃街?。}；3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)7以標(biāo)志形式存放G指令示例3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)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(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)9刀補(bǔ)處理的主要工作：根據(jù)G90/G91計(jì)算零件輪廓的終點(diǎn)坐標(biāo)值。根據(jù)R和G41/42，計(jì)算本段刀具中心軌跡的終點(diǎn)（P’e/P〃e）坐標(biāo)值。根據(jù)本段與前段連接關(guān)系，進(jìn)行段間連接處理。2.刀補(bǔ)處理(計(jì)算刀具中心軌跡)Pe（200，300）XRP0（72，48）Pe”Pe’G41G42Y3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)10速度處理程序主要完成以下幾步計(jì)算：計(jì)算本段總位移量：直線：合成位移量L；園弧：總角位移量α。計(jì)算每個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的合成進(jìn)給量：

ΔL=F*Δt/60（μm）

Lα

3.

速度預(yù)處理

3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)114.插補(bǔ)計(jì)算主要功能：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：△L1=△L*修調(diào)值將△L1按插補(bǔ)的線形（直線，園弧等）和本插補(bǔ)點(diǎn)所在的位置分解到各個(gè)進(jìn)給軸，作為各軸的位置控制指令（△X1、△Y1）。3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)125.位置控制處理f（）+++-++插補(bǔ)輸出△X1△Y1指令位置X1新Y1新跟隨誤差△X3△Y3實(shí)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(zhuǎn)換流程3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)13位置控制完成以下幾步計(jì)算：(以兩軸聯(lián)動(dòng)為例)計(jì)算新的位置指令坐標(biāo)值：X1新=X1舊+△X1；Y1新=Y1舊

+△Y1；計(jì)算新的位置實(shí)際坐標(biāo)值：X2新=X2舊+△X2；Y2新=Y2舊

+△Y2計(jì)算跟隨誤差(指令位置值—實(shí)際位置值)：△X3=X1新-X2新；△Y3=Y1新-Y2新；計(jì)算速度指令值：VX=f（△X3）；VY=f（△Y3）f(.)是位置環(huán)的調(diào)節(jié)控制算法，具體的算法視具體系統(tǒng)而定。這一步在有些系統(tǒng)中是采用硬件來實(shí)現(xiàn)的。3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)143.3.3CNC裝置軟件的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)1.

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)1）多任務(wù)性與并行處理技術(shù)多任務(wù)性：顯示、譯碼、刀補(bǔ)、速度處理、插補(bǔ)處理、位置控制、…并行處理：系統(tǒng)在同一時(shí)間間隔或同一時(shí)刻內(nèi)完成兩個(gè)或兩個(gè)以上任務(wù)處理。并行處理的實(shí)現(xiàn)方式：

☆資源分時(shí)共享（單CPU）☆資源重疊流水處理（多CPU）3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)15…譯碼刀補(bǔ)I/O顯示初始化位置控制插補(bǔ)運(yùn)算背景程序4ms8ms16ms中斷級(jí)別高中斷級(jí)別低資源（CPU）分時(shí)共享圖3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)16☆資源分時(shí)共享（單CPU）在規(guī)定的時(shí)間長(zhǎng)度（時(shí)間片）內(nèi)，根據(jù)各任務(wù)實(shí)時(shí)性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時(shí)間，使它們分時(shí)共享系統(tǒng)的資源。資源分時(shí)共享技術(shù)的特征在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)占用CPU；在一個(gè)時(shí)間片（如4ms或8ms）內(nèi)，CPU并行地執(zhí)行了兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)。3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)17各任務(wù)占用CPU時(shí)間示意圖3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)18資源分時(shí)共享技術(shù)的特征在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)占用CPU；在一個(gè)時(shí)間片（如8ms或16ms）內(nèi)，CPU并行地執(zhí)行了兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)。資源分時(shí)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(gè)任務(wù)還是逐一執(zhí)行的。3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)19流水處理技術(shù)示意圖時(shí)間t+△tt空間111333222輸出輸出輸出CPU1CPU2CPU3并行處理1231232tt空間時(shí)間順序處理輸出輸出CPU13.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)20☆資源重疊流水處理（多CPU）

流水處理技術(shù)是利用重復(fù)的資源（CPU），將一個(gè)大的任務(wù)分成若干個(gè)子任務(wù)，這些小任務(wù)是彼此關(guān)系的，然后按一定的順序安排每個(gè)資源執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，就象在一條生產(chǎn)線上分不同工序加工零件的流水作業(yè)一樣。資源重疊流水處理的特征流水處理在任何時(shí)刻（流水處理除開始和結(jié)束外）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3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)21

并發(fā)處理和流水處理的特征在任何時(shí)刻（流水處理除開始和結(jié)束外）均有兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)在并發(fā)執(zhí)行。并發(fā)處理和流水處理的關(guān)鍵是時(shí)間重疊，是以資源重復(fù)的代價(jià)換得時(shí)間上的重疊，或者說以空間復(fù)雜性的代價(jià)換得時(shí)間上的快速性。3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)22

實(shí)時(shí)性和優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制

實(shí)時(shí)性任務(wù)的定義和分類實(shí)時(shí)性定義:任務(wù)的執(zhí)行有嚴(yán)格時(shí)間要求（任務(wù)必須規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成或響應(yīng)），否則將導(dǎo)致執(zhí)行結(jié)果錯(cuò)誤或系統(tǒng)故障的特性。實(shí)時(shí)性任務(wù)分類:

強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)實(shí)時(shí)突發(fā)性任務(wù)；實(shí)時(shí)周期性任務(wù)弱實(shí)時(shí)性任務(wù)3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)23

強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)實(shí)時(shí)突發(fā)性任務(wù)：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。主要包括故障中斷(急停，機(jī)械限位、硬件故障等)、機(jī)床PLC中斷、硬件（按鍵）操作中斷等。實(shí)時(shí)周期性任務(wù)：任務(wù)是精確地按一定時(shí)間間隔發(fā)生的。主要包括插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制等任務(wù)。為保證加工精度和加工過程的連續(xù)性，這類任務(wù)處理的實(shí)時(shí)性是關(guān)鍵。在任務(wù)的執(zhí)行過程中，除系統(tǒng)故障外，不允許被其它任何任務(wù)中斷。3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)24

弱實(shí)時(shí)性任務(wù)這類任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較弱，只需要保證在某一段時(shí)間內(nèi)得以運(yùn)行即可。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，它們或被安排在背景程序中，或根據(jù)重要性將其設(shè)置成不同的優(yōu)先級(jí)（級(jí)別較低），再由系統(tǒng)調(diào)度程序?qū)λ鼈冞M(jìn)行合理的調(diào)度。這類任務(wù)主要包括：CRT顯示、零件程序的編輯、加工狀態(tài)的動(dòng)態(tài)顯示、加工軌跡的靜態(tài)模擬仿真及動(dòng)態(tài)顯示等。3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)25搶占式優(yōu)先調(diào)度機(jī)制

多任務(wù)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度方法：循環(huán)調(diào)度法簡(jiǎn)單循環(huán)調(diào)度法時(shí)間片輪換調(diào)度法優(yōu)先調(diào)度法搶占式優(yōu)先調(diào)度法非搶占式優(yōu)先調(diào)度法3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)26搶占式優(yōu)先調(diào)度機(jī)制功能搶占方式：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)高任務(wù)的請(qǐng)求優(yōu)先調(diào)度：在CPU空閑時(shí)，當(dāng)同時(shí)有多個(gè)任務(wù)請(qǐng)求執(zhí)行時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)將優(yōu)先得到滿足。3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)27

CNC系統(tǒng)中采用的任務(wù)調(diào)度機(jī)制搶占式優(yōu)先調(diào)度；時(shí)間片輪換調(diào)度；非搶占式優(yōu)先調(diào)度。3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)模式：指系統(tǒng)軟件的組織管理方式，即系統(tǒng)任務(wù)的劃分方式、任務(wù)調(diào)度機(jī)制、任務(wù)間的信息交換機(jī)制以及系統(tǒng)集成方法等。結(jié)構(gòu)模式的功能：組織和協(xié)調(diào)各個(gè)任務(wù)的執(zhí)行，使之滿足一定的時(shí)序配合要求和邏輯關(guān)系，以滿足CNC系統(tǒng)的各種控制要求28前后臺(tái)程序運(yùn)行關(guān)系圖前臺(tái)程序故障處理位置控制插補(bǔ)運(yùn)算……后臺(tái)程序譯碼刀補(bǔ)處理速度預(yù)處理輸入/輸出顯示中斷執(zhí)行循環(huán)執(zhí)行3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式29中斷型結(jié)構(gòu)模式3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)中斷型軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖初始化中斷管理系統(tǒng)（硬件+軟件）0級(jí)中斷服務(wù)程序

級(jí)中斷服務(wù)程序

級(jí)中斷服務(wù)程序級(jí)中斷服務(wù)程序………………1n230

基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式