數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)

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1、第2章 數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng),本章主要內(nèi)容 2.1 典型數(shù)控系統(tǒng)介紹 2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理 2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 2.5 數(shù)據(jù)處理 2.6 數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)原理 2.7 逐點(diǎn)比較法,本章知識(shí)點(diǎn),1典型數(shù)控系統(tǒng)：FANUC、SIEMENS和HNC- 21的簡(jiǎn)介 2數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理 3數(shù)控系統(tǒng)軟件的特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)模式 4零件程序的輸入、譯碼、刀具補(bǔ)償和處理用緩沖 區(qū)等數(shù)據(jù)處理 5. 可編程控制器（PLC）的相關(guān)知識(shí) 6數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)原理與插補(bǔ)方法。 7常用插補(bǔ)法方法：逐點(diǎn)比較法的介紹,下一頁(yè),2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,2.1.1 FANUC數(shù)控系

2、統(tǒng)介紹 日本FANUC公司生產(chǎn)的CNC產(chǎn)品主要有FS0、FS3、FS6、FS10/11/12、FS15、FS16、FS18、FS21/210等系列。目前，我國(guó)用戶(hù)使用的系列主要有FS0、FS15、FS16、FS18、FS21/210等。 1FS0系列 1985年FANUC公司推出了FS0系列面板裝配式數(shù)控系統(tǒng)，它的主要特點(diǎn)是體積小、價(jià)格低，適用于機(jī)電一體化的數(shù)控機(jī)床。FS0系列數(shù)控一般由主電路板、PLC板、附加I/O板、圖形控制板和電源組成。,下一頁(yè),返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,FS0系列數(shù)控系統(tǒng)有多種規(guī)格。常用的數(shù)控系統(tǒng)型號(hào)有：FS0-MA/MB/MEA/MC/MF用于加工中心、數(shù)控銑床和

3、鏜床； FS0-TA/TB/TEA/TC/TF用于數(shù)控車(chē)床； FS0-TTA/TTB/ TTC用于一個(gè)主軸雙刀架或兩個(gè)主軸雙刀架的四軸數(shù)控車(chē)床； FS0-GA/GB用于數(shù)控磨床； FS0-用于回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)。 其中，T型用于單刀架單主軸的數(shù)控車(chē)床；TT型用于單主軸雙刀架或雙主軸雙刀架的數(shù)控車(chē)床；M型用于數(shù)控銑床或加工中心；G型用于數(shù)控磨床；F型是對(duì)話(huà)型數(shù)控系統(tǒng)。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,2FS6系列 1979年推出的FS6系列數(shù)控系統(tǒng)，是具備一般功能和部分高級(jí)功能的中級(jí)型CNC系統(tǒng)。其中，6M適用于數(shù)控銑、鏜床和加工中心；6T適用于數(shù)控車(chē)床。 3FS10/11/12系列 1

4、984年推出的FS10/11/12系列數(shù)控系統(tǒng)為多微處理器控制系統(tǒng)。FS10/11/12系列數(shù)控系統(tǒng)適用于大、中型數(shù)控機(jī)床，具有很多規(guī)格，可用于各種機(jī)床，規(guī)格型號(hào)有M型、T型、TT型和F型。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,4FS15系列 1987年FANUC公司推出新的FS15系列多微處理器控制數(shù)控系統(tǒng)，稱(chēng)之為AI-CNC系統(tǒng)（人工智能數(shù)控系統(tǒng)）。它適用于大型機(jī)床、復(fù)合機(jī)床的多軸控制和多系統(tǒng)控制。 5FS16系列 FS16系列是功能上位于FS15系列和FS0系列之間的最數(shù)控系統(tǒng)，在作為控制用的32位復(fù)合指令集計(jì)算機(jī)CISC（Complex Instruction Set Com

5、puter）上又增加了32位精減指令集計(jì)算機(jī)RISC（Reduced Instruction Set Computer）。FS16系列采用高速32位FANUC BUS和TFT彩色液晶薄型顯示器等新技術(shù)。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,6FS18系列 FS18系列是緊接著FS16系列推出的32位數(shù)控系統(tǒng)，在功能上也是位于FS15系列和FS0系列之間，但低于FS16系列。 7FS21/210系列 FS21/210系列是FANUC公司最新推出的系統(tǒng)，該系統(tǒng)常用的數(shù)控系統(tǒng)型號(hào)有FANUC 21i-MA/MB、FANUC 21i-TA/TB等。本系列的數(shù)控系統(tǒng)適用于中、小型數(shù)控機(jī)床。,上

6、一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,2.1.2 SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)介紹 SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)是由德國(guó)SIEMENS公司生產(chǎn)，產(chǎn)品主要有SINUMERIK 3、SINUMERIK 8、SINUMERIK 810、SINUMERIK 820、SINUMERIK 850、SINUMERIK 880、SINUMERIK 840、SINUMERIK 802等系列。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,1SINUMERIK 3系列 SINUMERIK 3系列數(shù)控系統(tǒng)適用于各種機(jī)床控制，有M型、T型、TT型、G型和N型等。此外，3T系統(tǒng)借助于轉(zhuǎn)換功能，可使一般的數(shù)控車(chē)床變成一個(gè)柔性車(chē)

7、削中心。 SINUMERIK 3系列數(shù)控系統(tǒng)主要由中央處理單元、存儲(chǔ)器模塊、操作面板接口、外部連接接口、PLC中央處理單元、PLC存儲(chǔ)模塊、編程器接口、邏輯模塊及各種輸入/輸出模塊等組成。,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,2SINUMERIK 8系列 SIEMENS公司于20世紀(jì)80年代初期推出，適用于各種數(shù)控機(jī)床。 SINUMERIK 8系列數(shù)控系統(tǒng)主要由主控制模塊、電源模塊、存儲(chǔ)模板、各種位置控制模板、測(cè)量接口模板、操作面板、電源模板和譯碼電路模板、PLC與CNC接口模板、PLC和CNC信號(hào)傳遞模板及系統(tǒng)軟件模板等組成。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,3SINUMERIK 810/

8、820系列 SIEMENS公司于20世紀(jì)80年代中期推出，該系列產(chǎn)品分為M、T、G型等。其中M型用于數(shù)控鏜床、銑床和加工中心；T型用于數(shù)控車(chē)床；G型用于數(shù)控磨床。此系統(tǒng)一般用于中、小型數(shù)控機(jī)床。 SINUMERIK 810/820系列數(shù)控系統(tǒng)由CPU模塊、位置控制模塊、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器模塊、文字圖形處理模塊、接口模塊、I/O模塊、CRT顯示器及操作面板組成。 如P50圖2-2所示為SINUMERIK 810數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,4SINUMERIK 850/880系列 20世紀(jì)80年代后期，SIEMENS公司推出了SINUMERIK 850/880系列數(shù)控系統(tǒng)。該系列產(chǎn)品適用于

9、高度自動(dòng)化水平的機(jī)床及柔性制造系統(tǒng)，有850M、850T、880M和880T等規(guī)格。SINUMERIK 850/880最多可控制30個(gè)主、輔坐標(biāo)軸和6個(gè)主軸，可實(shí)現(xiàn)16個(gè)工位聯(lián)動(dòng)控制。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,5SINUMERIK 802系列 20世紀(jì)90年代后期，SIEMENS公司推出了SINUMERIK 802系列數(shù)控系統(tǒng)。 其中802S和802C是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，可帶3個(gè)進(jìn)給軸。802S采用帶有脈沖及方向信號(hào)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)接口，可配接STEPDRIVEC/C+步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和五相混合式步進(jìn)電機(jī)或FMSTEPDRIVE步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和1FL3系列三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如P51 圖2-3

10、所示為SINUMERIK 802S數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；802C則包含有傳統(tǒng)的-10V10V接口，可配接SIMODRIVE611驅(qū)動(dòng)裝置。802S/C除了3個(gè)進(jìn)給軸外，都有一個(gè)-10V+10V接口，用于連接主軸驅(qū)動(dòng)。 SINUMERIK 802S/C包含操作面板、機(jī)床控制面板、CNC單元及PLC模塊，可安裝在通用的安裝導(dǎo)軌上。 SINUMERIK 802D是數(shù)字式的數(shù)控系統(tǒng)，可控制最多4個(gè)數(shù)字進(jìn)給軸和一個(gè)主軸。如P52圖2-4所示。數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)PROFIBUS總線(xiàn)與I/O模塊和數(shù)字驅(qū)動(dòng)模塊相連接，主軸通過(guò)模擬接口控制。SINUMERIK 802S/802C/802D采用SIMATIC S7-200PL

11、C指令集對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部PLC進(jìn)行編程。,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,2.1.3 HNC-21數(shù)控系統(tǒng)介紹 國(guó)產(chǎn)華中“世紀(jì)星”數(shù)控系統(tǒng)采用基于工業(yè)計(jì)算機(jī)作為硬件平臺(tái)的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新技術(shù)路線(xiàn)，充分利用PC軟、硬件的豐富資源，通過(guò)軟件技術(shù)的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)數(shù)控技術(shù)的突破。如圖2-5所示為華中“世紀(jì)星”系列產(chǎn)品。 1“世紀(jì)星”系統(tǒng)配置主要特點(diǎn)如下： （1）基于工業(yè)PC的數(shù)控系統(tǒng)，先進(jìn)的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)?？膳c數(shù)控車(chē)、數(shù)控銑、加工中心、車(chē)銑復(fù)合等機(jī)床配套。 （2）“世紀(jì)星”系統(tǒng)有普及型（HNC-21）和功能型（HNC-22）兩個(gè)系列，可配6個(gè)進(jìn)給軸，最大聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為6軸。進(jìn)給軸控制接口類(lèi)型有脈沖、模擬、串口等多種類(lèi)型

12、，可連接多種伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。既可用作半閉環(huán)、閉環(huán)控制，也可用作開(kāi)環(huán)控制。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,（3）系統(tǒng)配置7.7英寸彩色液晶顯示器（分辨率640480象素），也可配10.4英寸TFT彩色液晶顯示器（分辨率640480象素），畫(huà)面美觀(guān)、清晰、直觀(guān)。 （4）可選配電子盤(pán)、硬盤(pán)、軟驅(qū)、網(wǎng)絡(luò)等存儲(chǔ)器，極大地方便用戶(hù)的程序輸入。用戶(hù)程序可斷電儲(chǔ)存容量達(dá)16MB。程序存儲(chǔ)個(gè)數(shù)無(wú)限制,直至存儲(chǔ)器寫(xiě)滿(mǎn)。 （5）標(biāo)準(zhǔn)配置40路輸入和32路輸出，不需擴(kuò)展即可滿(mǎn)足大部分?jǐn)?shù)控車(chē)、銑和加工中心的控制要求，并可根據(jù)需要擴(kuò)展到128路輸入和128路輸出。 （6）面板包含標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控車(chē)、銑床操作按

13、鈕和狀態(tài)指示燈，使用戶(hù)操作直觀(guān)明了。顯示屏亮度具有手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,（7）DNC接口通訊功能，DNC最大速度115.2KB/S；可選配局域網(wǎng)（以太網(wǎng)）連接功能，可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，以太網(wǎng)速度可達(dá)10100MB/S。 2“世紀(jì)星”系統(tǒng)功能主要特點(diǎn)如下： （1）編程語(yǔ)言采用國(guó)際通用的G代碼編程，具有直線(xiàn)、圓弧、螺旋線(xiàn)插補(bǔ)功能，支持程序的旋轉(zhuǎn)、縮放、鏡像、刀具補(bǔ)償、宏程序、子程序調(diào)用、多種坐標(biāo)系設(shè)定等功能。支持MasterCAM、UG、ProE和CAXA等CAD/CAM系統(tǒng)生成的數(shù)控加工程序。 （2）支持公制/英制輸入，絕對(duì)值/增量值編程，每分鐘/每

14、轉(zhuǎn)進(jìn)給和直徑/半徑編程等功能。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,3.1 數(shù)控系統(tǒng)基本原理,（3）提供多種固定循環(huán)和復(fù)合循環(huán)，數(shù)控車(chē)床內(nèi)（外）徑粗車(chē)復(fù)合循環(huán)支持凹槽加工功能。固定循環(huán)和復(fù)合循環(huán)的使用可以用一個(gè)程序段來(lái)完成一個(gè)加工循環(huán)，使編程大大簡(jiǎn)化。 （4）數(shù)控車(chē)床支持倒角（直角、圓角）、螺紋切削，螺紋切削具有多頭螺紋加工功能，并可加工變螺距螺紋。數(shù)控銑床既支持柔性攻絲也支持剛性攻絲，剛性攻絲的使用提高了加工效率, 保證螺紋精度。 （5）支持恒線(xiàn)速度切削功能，根據(jù)刀尖的位置自動(dòng)變化主軸速度，使切削線(xiàn)速度保持恒定，以滿(mǎn)足工件加工的工藝要求，大大提高精加工面粗糙度，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,

15、3.1 數(shù)控系統(tǒng)基本原理,（6）具有小線(xiàn)段連續(xù)高速加工功能（G64）和準(zhǔn)確定位功能（G61），加減速控制采用S曲線(xiàn)加減速。G64支持程序超前預(yù)處理，超前預(yù)讀程序，將小線(xiàn)段按連續(xù)軌跡高速進(jìn)給，根據(jù)拐角大小，自適應(yīng)控制進(jìn)給速度，保證拐點(diǎn)處的誤差小于跟蹤誤差的允差設(shè)定，特別適合加工CAD/CAM生成的復(fù)雜模具加工程序。 （7）8重子程序調(diào)用，宏程序支持邏輯運(yùn)算符（AND、OR、NOT）、函數(shù)（SIN、COS、TAN、ATAN、ATAN2,、ABS、INT、SQRT、EXP）、條件判別語(yǔ)句（IF、ELSE、ENDIF）和循環(huán)語(yǔ)句（WHILE、ENDW），可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)算，功能強(qiáng)大。用戶(hù)使用變量進(jìn)行算術(shù)

16、、邏輯和函數(shù)的混合運(yùn)算，可編制各種復(fù)雜的零件加工程序，減少甚至免除繁瑣計(jì)算，大大精簡(jiǎn)程序量。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,3.1 數(shù)控系統(tǒng)基本原理,（8）支持單、雙向螺距補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償，螺距補(bǔ)償數(shù)據(jù)最多可達(dá)256點(diǎn)。具有跟蹤誤差允差設(shè)定與報(bào)警功能，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)床實(shí)際坐標(biāo)，對(duì)機(jī)床的非正常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警。 （9）具有斷點(diǎn)保存與恢復(fù)功能，大零件程序加工可分時(shí)段加工，系統(tǒng)記憶上次中斷加工時(shí)的狀態(tài)，為用戶(hù)提供極大的方便。 （10）三維圖形實(shí)時(shí)顯示刀具軌跡和零件形狀，界面實(shí)時(shí)加工參數(shù)顯示，包括坐標(biāo)位置（機(jī)床、工件、相對(duì)）、跟蹤誤差、剩余進(jìn)給、M、S、T和進(jìn)給速度、倍率等，顯示內(nèi)容豐富。 （11）空運(yùn)

17、行和圖形化程序校驗(yàn)功能，方便加工代碼的編制和檢驗(yàn)。具有后臺(tái)編程功能。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,（12）具有進(jìn)給修調(diào)、快速修調(diào)和主軸轉(zhuǎn)速修調(diào)三種控制功能，修調(diào)范圍達(dá)到10150。 （13）系統(tǒng)采用漢字用戶(hù)界面，提供完善的在線(xiàn)幫助功能（程序代碼和幫助圖例），操作簡(jiǎn)便，易于掌握和使用。 （14）支持自動(dòng)換刀、刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償和刀尖半徑補(bǔ)償。數(shù)控車(chē)床系統(tǒng)支持多種對(duì)刀方式（相對(duì)刀偏和絕對(duì)刀偏），刀補(bǔ)具有圓弧半徑補(bǔ)償，滿(mǎn)足高精度加工的要求。 （15）支持指定程序行加工、任意程序行加工和程序跳段功能，加工代碼的控制更加方便、靈活。 （16）提供二次開(kāi)發(fā)接口，可按用戶(hù)要求定制控制系統(tǒng)的功能，

18、適合專(zhuān)用機(jī)床控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,其它數(shù)控系統(tǒng)介紹 除了以上的三種系統(tǒng)，還有： 日本的Mitsubishi（三菱）控制系統(tǒng) 美國(guó)的ALLEN-BRADLEY（A-B）系統(tǒng) 西班牙的FAGOR（發(fā)格）系統(tǒng) 美國(guó)的CINCINNATI（辛辛那提）系統(tǒng) 日本的OKUMA（大隈）系統(tǒng) 法國(guó)的Num（紐目）系統(tǒng) 德國(guó)的Heidenhain（海德漢）系統(tǒng) 德國(guó)的DECKEK控制系統(tǒng) 意大利的FIDIA系統(tǒng) 德國(guó)的HELLER系統(tǒng)和美國(guó)的馬豪數(shù)控系統(tǒng)等。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,2.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的組成 數(shù)控系統(tǒng)是由各種邏輯元件、

19、記憶元件組成的邏輯電路，是固定接線(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)，由元件實(shí)現(xiàn)全部數(shù)控功能。從外部看，數(shù)控系統(tǒng)是由硬件（通用硬件和專(zhuān)用硬件）和軟件（專(zhuān)用）兩大部分組成，如圖2-6所示。 數(shù)控系統(tǒng)的控制精度主要取決于硬件，而控制功能主要取決于軟件。 數(shù)控系統(tǒng)的邏輯控制、幾何數(shù)據(jù)處理以及零件程序的執(zhí)行均由CPU統(tǒng)一控制，即數(shù)控系統(tǒng)為軟件控制系統(tǒng)。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的組成如圖2-7所示。主要由操作面板、輸入/輸出裝置、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置、伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置、可編程邏輯控制器PLC等組成。,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,1操作面板 操作面板是操作人員與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行信

20、息交流的工具，它由按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列（功能與計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)類(lèi)似）和顯示器組成。數(shù)控系統(tǒng)一般采用集成式操作面板，分為三大區(qū)域：顯示區(qū)，NC鍵盤(pán)區(qū)和機(jī)床控制面板區(qū)。如圖2-8所示。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,2輸入/輸出裝置 輸入裝置的作用是將程序載體上的數(shù)控代碼變成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，傳送并存入數(shù)控裝置內(nèi)。 輸出裝置的作用是顯示加工過(guò)程中必要的信息，如坐標(biāo)值、報(bào)警信號(hào)等。 數(shù)控機(jī)床加工的過(guò)程是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)和操作人員進(jìn)行信息交流的過(guò)程，輸入、輸出裝置就是這種人機(jī)交互設(shè)備，典型的有鍵盤(pán)和顯示器。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)還可以用通訊的方式進(jìn)行信息的交換，這是實(shí)現(xiàn)CAD/CAM集成、F

21、MS和CIMS的基本技術(shù)。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,通常采用的通訊方式有： （1）串行通訊（RS232等串行通訊接口）。 （2）自動(dòng)控制專(zhuān)用接口和規(guī)范（DNC和MAP等）。 （3）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（INTERNET和LAN等）。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,3計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（CNC裝置） 數(shù)控裝置是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的核心，它包括微處理器CPU、存儲(chǔ)器、局部總線(xiàn)、外圍邏輯電路及與數(shù)控系統(tǒng)其它組成部分聯(lián)系的接口及相應(yīng)控制軟件。如P54圖2-9所示。 數(shù)控裝置輸出的信號(hào)有各坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度，進(jìn)給方向和位移指令，還有主軸的變速，換向和啟停信號(hào)，選擇和交

22、換刀具的指令，控制冷卻液，潤(rùn)滑油啟停，工件和機(jī)床部件松開(kāi)、夾緊，分度工作臺(tái)轉(zhuǎn)位輔助指令信號(hào)等。如圖2-10所示為典型數(shù)控系統(tǒng)面板，分別為FANUC 0i、華中世紀(jì)星HNC-21T及西門(mén)子802S數(shù)控裝置。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,4伺服單元 伺服單元分為主軸伺服和進(jìn)給伺服，分別用來(lái)控制主軸電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給電動(dòng)機(jī)。伺服單元接收來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令，這些指令經(jīng)變換和放大后通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)變成執(zhí)行部件進(jìn)給的速度、方向、位移。因此伺服單元是數(shù)控裝置與機(jī)床本體的聯(lián)系環(huán)節(jié)，它把來(lái)自數(shù)控裝置的微弱指令信號(hào)放大成控制驅(qū)動(dòng)裝置的大功率信號(hào)。 伺服單元就其系統(tǒng)而言又有開(kāi)環(huán)系統(tǒng)、半閉環(huán)系

23、統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之分，其工作原理亦有差別。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,5驅(qū)動(dòng)裝置 驅(qū)動(dòng)裝置將伺服單元的輸出變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)，它與伺服單元一起是數(shù)控裝置和機(jī)床傳動(dòng)部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，它們有的帶動(dòng)工作臺(tái)，有的帶動(dòng)刀具，通過(guò)幾個(gè)軸的綜合聯(lián)動(dòng)，使刀具相對(duì)于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，加工出形狀、尺寸與精度符合要求的零件。 與伺服單元相對(duì)應(yīng)，驅(qū)動(dòng)裝置有步進(jìn)電機(jī)，直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)等。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,6可編程控制器（PLC） 可編程控制器（PLC）是一種專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)

24、部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程。 當(dāng)PLC用于控制機(jī)床順序動(dòng)作時(shí)，稱(chēng)為PMC(Programmable Machine Controller)模塊，它在數(shù)控裝置中接收來(lái)自操作面板，機(jī)床上的各行程開(kāi)關(guān)，傳感器、按鈕、強(qiáng)電柜里的繼電器以及主軸控制，刀庫(kù)控制的有關(guān)信號(hào)，經(jīng)處理后輸出去控制相應(yīng)器件的運(yùn)行。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn) 1、靈活性 這是數(shù)控系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)，只要改變相應(yīng)的控制程序就可以補(bǔ)充和開(kāi)發(fā)新的功能，并不必制造新的硬件

25、。數(shù)控系統(tǒng)能夠隨著工廠(chǎng)的發(fā)展而發(fā)展，也能適應(yīng)將來(lái)改變工藝的要求。在數(shù)控設(shè)備安裝之后，新的技術(shù)還可以補(bǔ)充到系統(tǒng)中去，這就延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用期限。因此，CNC系統(tǒng)具有很大的“柔性”靈活性。,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn) 2、通用性 在 CNC 系統(tǒng)中，硬件系統(tǒng)采用模塊結(jié)構(gòu)，依靠軟件變化來(lái)滿(mǎn)足被控設(shè)備的各種不同要求。采用標(biāo)準(zhǔn)化接口電路，給機(jī)床制造廠(chǎng)和數(shù)控用戶(hù)帶來(lái)了許多方便。于是，用一種 CNC 系統(tǒng)就可能滿(mǎn)足大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床 (包括車(chē)床、銑床、加工中心、鉆鏜床等) 的要求，還能滿(mǎn)足某些別的設(shè)備應(yīng)用。當(dāng)用戶(hù)要求某些特殊功能時(shí)，僅僅是改變某些軟件而已。由于在工廠(chǎng)中使用同一類(lèi)型

26、的控制系統(tǒng)，培訓(xùn)和學(xué)習(xí)也十分方便。,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn) 3、可靠性 在CNC系統(tǒng)中，由于許多功能都由軟件實(shí)現(xiàn)，硬件系統(tǒng)所需元器件數(shù)目大為減少，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性大大改善，特別是隨著大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的采用，系統(tǒng)可靠性更為提高。 據(jù)美國(guó)第13屆 NCS 年會(huì)統(tǒng)計(jì)的世界上數(shù)控系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間是：硬線(xiàn)NC系統(tǒng)為136h ，小型計(jì)算機(jī)CNC系統(tǒng)為984h ，而微處理機(jī) CNC 系統(tǒng)據(jù)日本發(fā)那科公司宣稱(chēng)已達(dá)23000h 。,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn) 4、易于實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的功能 CNC 系統(tǒng)可以利用計(jì)算機(jī)的高度計(jì)算

27、能力，實(shí)現(xiàn)一些高級(jí)的復(fù)雜的數(shù)控功能。刀具偏移、英公制轉(zhuǎn)換、固定循環(huán)等都能用適當(dāng)?shù)能浖绦蛴枰詫?shí)現(xiàn)；復(fù)雜的插補(bǔ)功能，例如拋物線(xiàn)插補(bǔ)、螺旋線(xiàn)插補(bǔ)等也能用軟件方法來(lái)解決；刀具補(bǔ)償也可在加工過(guò)程中進(jìn)行計(jì)算；大量的輔助功能都可以被編程；子程序概念的引入，大大簡(jiǎn)化了程序編制。,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn) 5、使用維修方便 CNC 系統(tǒng)的一個(gè)吸引人的特點(diǎn)是有一套診斷程序，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能顯示出故障信息，使操作和維修人員能了解故障部位，減少了維修的停機(jī)時(shí)間。 另外，還可以備有數(shù)控軟件檢查程序，防止輸入非法數(shù)控程序或語(yǔ)句，這將給編程帶來(lái)許多方便。 有的CNC系統(tǒng)還有對(duì)話(huà)

28、編程、藍(lán)圖編程，使程序編制簡(jiǎn)便，不需很高水平的專(zhuān)業(yè)編程人員。,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,2.2.3 數(shù)控系統(tǒng)的基本原理 CNC系統(tǒng)的生產(chǎn)廠(chǎng)家編制好CNC控制軟件（也稱(chēng)為系統(tǒng)程序）后，都要把它固化在ROM（EPROM）（Erasable Programmable ROM，可擦除可編程ROM）中，系統(tǒng)接上電源后即自動(dòng)由CPU按照此固化的程序運(yùn)行。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,數(shù)控系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制零件程序的執(zhí)行，其他任務(wù)可以說(shuō)是為了更好地完成這一任務(wù)而進(jìn)行的輔助和配合。 一個(gè)零件程序的執(zhí)行首先要輸入數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)譯碼、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)和位置控制，由伺服系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)

29、控系統(tǒng)輸出的指令驅(qū)動(dòng)機(jī)床完成加工。 如圖2-11所示為數(shù)控系統(tǒng)的工作過(guò)程。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),2.3.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件類(lèi)型 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，按其中含有CPU的多少可劃分為單機(jī)系統(tǒng)和多機(jī)系統(tǒng)。 1.單機(jī)系統(tǒng) 是指整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)只有一個(gè)CPU，它集中控制和管理整個(gè)系統(tǒng)資源，通過(guò)分時(shí)處理的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功能。 其特點(diǎn)是投資小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但系統(tǒng)功能受CPU字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度等的限制，現(xiàn)已被多機(jī)系統(tǒng)的主從結(jié)構(gòu)所替代。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),2.多機(jī)系統(tǒng) 是指整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU，即系統(tǒng)中的某些

30、功能模塊自身也帶有CPU。根據(jù)部件間的相互關(guān)系又可將其分為： （1）主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：系統(tǒng)中只有一個(gè)CPU( 稱(chēng)為主CPU) 對(duì)系統(tǒng)的資源有控制和使用權(quán)，其它帶CPU 的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或數(shù)據(jù)，或向主CPU 發(fā)出請(qǐng)求信息以獲得所需的數(shù)據(jù)。只有一個(gè)CPU處于主導(dǎo)地位，其它CPU處于從屬地位，故稱(chēng)之為主從結(jié)構(gòu)。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),（2）多主結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上帶CPU的功能模塊部件對(duì)系統(tǒng)資源有控制或使用權(quán)。模塊之間采用緊耦合（即均掛在系統(tǒng)總線(xiàn)上，集中在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)）有集中的操作系統(tǒng)，通過(guò)仲裁器（軟件和硬件）來(lái)解決總線(xiàn)爭(zhēng)用問(wèn)題，通過(guò)公共存儲(chǔ)器

31、進(jìn)行交換信息。 （3）分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：系統(tǒng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上帶CPU的功能模塊，各模塊有自己獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境（系統(tǒng)總線(xiàn)、存儲(chǔ)器、操作系統(tǒng)等），模塊間采用松耦合，即在空間上可以較為分散，且采用通訊方式交換信息。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),2.3.2 單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的硬件介紹 單機(jī)系統(tǒng)按組成數(shù)控裝置的電路板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為大板式結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)。 大板式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：CNC裝置內(nèi)一般都有一塊大板，稱(chēng)為主板。主板上裝有主CPU和各軸的位置控制電路等，其他相關(guān)子板，如ROM板、RAM板和PLC板都插在主板上面。大板式結(jié)構(gòu)的CNC裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高、價(jià)格低、有很高的性

32、能價(jià)格比。A-B公司的8601就是大板式結(jié)構(gòu)的CNC。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),模塊化結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：將CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出控制、位置檢測(cè)、顯示部件等分別做成插件板，相應(yīng)的軟件也是模塊結(jié)構(gòu)，固化在硬件模塊中。硬件模塊形成一個(gè)特定的功能單元，成為功能模塊。功能模塊間有明確定義的接口，接口是固定的，成為工廠(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，彼此間可進(jìn)行信息交換。模塊化結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用有FANUC公司的15系統(tǒng)、A-B公司的8600 CNC、FAGOR的8050 CNC等。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),如圖2-12所示是單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。 數(shù)控裝置是按模塊化設(shè)計(jì)的方法構(gòu)造

33、的。這類(lèi)數(shù)控系統(tǒng)的硬件由具有若干功能不同的模塊組成，這些模塊既是系統(tǒng)的組成部分，又有相對(duì)的獨(dú)立性，即具有模塊化結(jié)構(gòu)。模塊化結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)以及維修都有極大好處。實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的方法稱(chēng)為模塊化設(shè)計(jì)方法。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),模塊化設(shè)計(jì)方法：將控制系統(tǒng)按功能劃分成若干種具有獨(dú)立功能的單元模塊，并配上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)按功能的要求選擇不同的功能模塊，并將其插入控制單元母板上，即可組成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)的方法。其中單元母板一般為總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的無(wú)源母板，它提供模塊間互聯(lián)的信號(hào)通路。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)的條件是總線(xiàn)(BUS) 標(biāo)準(zhǔn)化。采用模塊化結(jié)構(gòu)時(shí)，

34、CNC系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作則可歸結(jié)為功能模塊的合理選用。 下面從功能方面討論一下圖2-12所示數(shù)控系統(tǒng)中各硬件模塊的作用。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),1. 計(jì)算機(jī)主板和系統(tǒng)總線(xiàn)(母板) 計(jì)算機(jī)主板。 P60如圖2-13，計(jì)算機(jī)主板是CNC裝置的核心。數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在功能上完全與普通標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)一樣，各硬件模塊也與PC機(jī)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)兼容，只是在結(jié)構(gòu)上稍有不同：主板與系統(tǒng)總線(xiàn)（母板）是分離的，即系統(tǒng)總線(xiàn)是一單獨(dú)的無(wú)源母板。主板做成插卡形式，集成度更高，即All-In-One主板。 計(jì)算機(jī)主板的主要作用： 對(duì)輸入到CNC裝置中的各種數(shù)據(jù)、信息( 零件加工程序，各種I/O信息等) 進(jìn)行相應(yīng)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。

35、并根據(jù)其處理結(jié)果，向各功能模塊發(fā)出控制命令，傳送數(shù)據(jù)，使用戶(hù)的指令得以執(zhí)行。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),系統(tǒng)總線(xiàn)(母板) ： 是由一組傳送數(shù)字信息的物理導(dǎo)線(xiàn)組成，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)或信息交換的通道。從功能上來(lái)說(shuō)可分三組： 數(shù)據(jù)總線(xiàn)：是各模塊之間數(shù)據(jù)交換的通道，線(xiàn)的根數(shù)與數(shù)據(jù)寬度相等，是雙向總線(xiàn)； 地址總線(xiàn)：是傳送數(shù)據(jù)存放地址的總線(xiàn)，與數(shù)據(jù)總線(xiàn)結(jié)合，可以確定數(shù)據(jù)總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)的來(lái)源地或目的地，是單向總線(xiàn)； 控制總線(xiàn)： 是一組傳送管理和控制信號(hào)的總線(xiàn)，是單向總線(xiàn)。 一般工業(yè)用PC機(jī)的總線(xiàn)母板是獨(dú)立的無(wú)源四層板（走線(xiàn)面、元件面、電源層和地線(xiàn)層），它的可靠性高于兩層板。其規(guī)格有6槽、8槽、12

36、槽、14槽等。 P61圖2-14為無(wú)源母板的外觀(guān)。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),2. 顯示模塊(顯示卡) 顯示卡是一個(gè)通用性很強(qiáng)的模塊。它不僅隨時(shí)可以在市場(chǎng)上買(mǎi)到，而且它還有非常豐富的支持軟件，因此無(wú)需用戶(hù)自己開(kāi)發(fā)。市場(chǎng)有VGA卡等 在數(shù)控系統(tǒng)中，CRT顯示是一個(gè)非常重要的功能，它是人機(jī)交流的重要媒介，它給用戶(hù)提供了一個(gè)直觀(guān)的操作環(huán)境，可使用戶(hù)能快速地熟悉適應(yīng)其操作過(guò)程。 顯示卡的主要作用： 接收來(lái)自CPU的控制命令和顯示用的數(shù)據(jù)，經(jīng)與CRT的掃描信號(hào)調(diào)制后，產(chǎn)生CRT顯示器所需要的視頻信號(hào)，在CRT上產(chǎn)生所需要的畫(huà)面。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),3. 輸入/輸出模塊 ( 多功能卡) 它是數(shù)

37、控系統(tǒng)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的接口板，即數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)該接口可以從輸入設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，也可以將數(shù)控裝置中的數(shù)據(jù)送給輸出設(shè)備。 該模塊也是標(biāo)準(zhǔn)的PC機(jī)模塊，一般不需要用戶(hù)自己開(kāi)發(fā)。如果計(jì)算機(jī)主板選用的是標(biāo)準(zhǔn)主板，則此板可省略。 輸入設(shè)備有：軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器； 輸出設(shè)備有：打印機(jī)； 輸入/輸出設(shè)備有：磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、磁帶機(jī)。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),若將以上三部分（計(jì)算機(jī)主板和系統(tǒng)總線(xiàn)、顯示模塊、輸入/輸出模塊），再配上鍵盤(pán)、電源、機(jī)箱，實(shí)際上是一部通用的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它是數(shù)控裝置的核心，從某種意義上講，數(shù)控裝置的檔次和性能是由它決定的。因此，數(shù)控裝置中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的合理選用是至關(guān)重要的。,2.3 數(shù)控系

38、統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),4. 電子盤(pán)(存儲(chǔ)模塊) 電子盤(pán)存儲(chǔ)內(nèi)容。電子盤(pán)是數(shù)控裝置特有的存儲(chǔ)模塊。在數(shù)控裝置中它用來(lái)存放下列數(shù)據(jù)和參數(shù)：系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)固有數(shù)據(jù)；系統(tǒng)的配置參數(shù)(系統(tǒng)所能控制的進(jìn)給軸數(shù)，軸的定義，系統(tǒng)增益等) ；用戶(hù)的零件加工程序。 存儲(chǔ)器的種類(lèi)。目前，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域所用存儲(chǔ)器件有三類(lèi)： 磁存儲(chǔ)器件，如：軟/硬磁盤(pán)（讀/寫(xiě)）； 光存儲(chǔ)器件，如：光盤(pán)（只讀）； 電子（半導(dǎo)體）存儲(chǔ)器件，如 RAM 、ROM 、FLASH 等。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),前兩類(lèi)一般用作外存儲(chǔ)器，其特點(diǎn)是容量大，價(jià)格低。 電子存儲(chǔ)器件一般用作內(nèi)存儲(chǔ)器，其價(jià)格高于前兩類(lèi)。若按其讀寫(xiě)性能來(lái)看，它又可分為三類(lèi)： 只讀存儲(chǔ)

39、元件（ROM、PROM、EPROM、E2PROM）。特點(diǎn)是只能讀出存放的數(shù)據(jù)，不能隨時(shí)修改數(shù)據(jù)。用于固化調(diào)試通過(guò)了的系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)固有的參數(shù)。 易失性隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)元件（RAM）。特點(diǎn)是可以隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，一旦掉電存儲(chǔ)信息將會(huì)丟失。有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)之分，動(dòng)態(tài)：價(jià)格低、速度慢，主要用作計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存；靜態(tài)：價(jià)格高，速度快，用作計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的緩存器Cache。 非易失性讀寫(xiě)存儲(chǔ)元件。特點(diǎn)是可以隨時(shí)對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作，即使掉電，信息不會(huì)丟失。主要用作存放系統(tǒng)的配置參數(shù)，零件加工程序。 這類(lèi)器件有：E2PROM ；FLASH ；帶后備電池的RAM 。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),在數(shù)控系統(tǒng)中，常采用電

40、子存儲(chǔ)器件作為外存儲(chǔ)器，主要是考慮到數(shù)控系統(tǒng)的工作環(huán)境有可能受到電磁干擾，磁性器件的可靠性低，而電子存儲(chǔ)器件的抗電磁干擾能力相對(duì)來(lái)講要強(qiáng)一些。 因Flash組成的存儲(chǔ)單元是按磁盤(pán)的管理方式進(jìn)行的，故稱(chēng)其為電子盤(pán)。常用USB接入，外存儲(chǔ)器又稱(chēng)為U盤(pán)。電子盤(pán)的規(guī)格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB，128MB，256MB等。目前U盤(pán)容量可達(dá)幾個(gè)GB。P63 圖2-18所示為電子盤(pán)的邏輯框圖。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),5. 設(shè)備輔助控制接口模塊PLC(Programmable Logic Controller)模塊 數(shù)控系統(tǒng)的控制有兩類(lèi)：一類(lèi)是對(duì)各坐標(biāo)軸的速度和位置的“軌跡控制”；

41、一類(lèi)是對(duì)設(shè)備動(dòng)作的“順序控制”。 數(shù)控機(jī)床的“順序控制”是指數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中，以數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部和機(jī)床各行程開(kāi)關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等開(kāi)關(guān)量信號(hào)狀態(tài)為條件，并按預(yù)先規(guī)定的邏輯順序?qū)χT如主軸的啟停、換向，刀具的加緊、松開(kāi)，液壓、冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)的運(yùn)行等進(jìn)行控制。 PLC模塊：數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)順序控制的模塊。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),從P63圖2-19可以看出PLC 模塊的作用： 接收來(lái)自操作面板、機(jī)床上的各行程開(kāi)關(guān)、傳感器、按鈕、強(qiáng)電柜里的繼電器以及主軸控制、刀庫(kù)控制的有關(guān)信號(hào)，經(jīng)處理后輸出去控制相應(yīng)器件的運(yùn)行。 數(shù)控系統(tǒng)與被控設(shè)備交換的信息有三類(lèi)： 開(kāi)關(guān)量信號(hào)、模擬量信號(hào)、脈沖量信號(hào)。 上述信號(hào)由于

42、其類(lèi)型、電平、功率以及抗干擾的原因，一般不能直接與數(shù)控系統(tǒng)相連，需要一個(gè)接口（設(shè)備輔助控制接口）對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行變換處理。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),信號(hào)變換處理的目的是： 進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，以滿(mǎn)足數(shù)控系統(tǒng)的輸入輸出要求。 阻斷外部的干擾信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)，在電氣上將數(shù)控系統(tǒng)與外部信號(hào)進(jìn)行隔離，以提高數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。 因此，設(shè)備輔助控制接口模塊必須能完成兩個(gè)任務(wù)： 電平轉(zhuǎn)換和功率放大； 電氣隔離；,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),目前，設(shè)備輔助控制接口的實(shí)現(xiàn)方式有： 簡(jiǎn)單I /O接口板。如P63圖2-19所示。在改接口電路中，光電隔離器件起電氣隔離和電平轉(zhuǎn)換作用；調(diào)理電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整形濾波等處理

43、。 PLC控制。這是目前數(shù)控系統(tǒng)采用最為廣泛的一種方式。它的基本結(jié)構(gòu)如P64圖2-20所示。數(shù)控機(jī)床用的PLC 一般分為兩類(lèi)： 內(nèi)裝型（Built-in Type ）PLC（或集成式、內(nèi)含式） 獨(dú)立型（Stand-alone Type ）PLC（或通用型）,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),6. 位置控制模塊 位置控制模塊是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)軌跡控制時(shí)，CNC 裝置與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接的接口模塊。如P65圖2-23所示。 常用的位置控制模塊有： 開(kāi)環(huán)位置控制模塊：CNC 裝置與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的接口； 閉環(huán)（含半閉環(huán)）位置控制模塊：CNC 裝置與直流、交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置的接口。,2.3

44、數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),7. 功能接口模塊 該模塊實(shí)現(xiàn)用戶(hù)特定功能要求的接口板，要求用戶(hù)向生產(chǎn)廠(chǎng)家定制，無(wú)需自己開(kāi)發(fā)。如： 仿形控制器接口；激光加工焦點(diǎn)自動(dòng)跟蹤器接口；刀具監(jiān)控系統(tǒng)中的信號(hào)采集器接口板。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),2.3.3 多主結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的硬件簡(jiǎn)介 多主CPU 結(jié)構(gòu)中，有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU 部件，部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過(guò)總線(xiàn) 仲裁器( 由硬件和軟件組成) 來(lái)解決總線(xiàn)爭(zhēng)用問(wèn)題，通過(guò)公共存儲(chǔ)器來(lái)進(jìn)行信息交換。 多主結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)： 能實(shí)現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng)功能。 容錯(cuò)能力強(qiáng)，在某模塊出了故障后，通過(guò)系統(tǒng)重組仍可斷繼續(xù)工作。,2

45、.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),多主結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式： 共享總線(xiàn)結(jié)構(gòu)型 共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)型。 1.共享總線(xiàn)結(jié)構(gòu)型 以系統(tǒng)總線(xiàn)為中心，把數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)各功能模塊分為帶有CPU 的主模塊和從模塊 (RAM/ROM ，I/O 模塊 ) ，所有的主、從模塊都插在嚴(yán)格定義的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線(xiàn)上。采用總線(xiàn)仲裁機(jī)構(gòu) ( 電路) 來(lái)裁定多個(gè)模塊同時(shí)請(qǐng)求使用系統(tǒng)總線(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。 如圖2-26所示。 共享總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)組配靈活、成本相對(duì)較低、可靠性高； 共享總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)： 總線(xiàn)是系統(tǒng)的“ 瓶頸” ，一旦系統(tǒng)總線(xiàn)出現(xiàn)故障，將使整個(gè)系統(tǒng)受到影響；由于使用總線(xiàn)要經(jīng)仲裁，使信息傳輸率降低。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),2

46、.共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)型 面向共公存儲(chǔ)器來(lái)設(shè)計(jì)的，即采用多端口來(lái)實(shí)現(xiàn)各主模塊之間的互連和通訊，采用多端口控制邏輯來(lái)解決多個(gè)模塊同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)多端口存儲(chǔ)器沖突的矛盾。 由于多端口存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)較復(fù)雜，而且對(duì)兩個(gè)以上的主模塊，會(huì)因爭(zhēng)用存儲(chǔ)器可能造成存儲(chǔ)器傳輸信息的阻塞，所以這種結(jié)構(gòu)一般采用雙端口存儲(chǔ)器（雙端口RAM）。 如圖2-27所示。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2.4.1 數(shù)控系統(tǒng)軟硬件的功能界面 數(shù)控系統(tǒng)軟件是一個(gè)典型而又復(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、刀具半徑的補(bǔ)償、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制以及精度補(bǔ)償?shù)榷际怯绍浖?shí)現(xiàn)的。 從邏輯上講，這些任務(wù)可以看作一個(gè)個(gè)功能模塊，其間存在著耦合關(guān)

47、系；從時(shí)間上講，各功能模塊之間存在一個(gè)時(shí)序和配合問(wèn)題。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),軟件結(jié)構(gòu)取決于CNC系統(tǒng)中的軟件和硬件的分工，也取決于軟件本身的工作性質(zhì)。在信息處理方面，軟件和硬件在邏輯上是等價(jià)的，有些由硬件能完成的工作原則上也能由軟件完成。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),但是，硬件和軟件在實(shí)現(xiàn)這些功能時(shí)各有不同的特點(diǎn)： 1.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。 2.軟件設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度相對(duì)較慢。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),所以，到底哪些功能由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，哪些功能由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，即如何合理確定CNC裝置軟件硬件的功能分擔(dān)是數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的

48、重要任務(wù)，這就是所謂的軟件和硬件的功能界面劃分的概念。 功能界面劃分的準(zhǔn)則：系統(tǒng)的性能價(jià)格比。 隨著功能要求的不同，不同產(chǎn)品的軟硬件界面是不一樣的，如圖2-28所示就是數(shù)控系統(tǒng)功能界面劃分的幾種方法。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2.4.2 數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 數(shù)控系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)之一就是： 如何將由零件加工程序表達(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，控制加工設(shè)備的軌跡運(yùn)動(dòng)和邏輯動(dòng)作，加工出符合要求的零件。 如圖2-29所示為數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),1. 譯碼 ( 解釋 ) 譯碼程序的主要功能是將用文本格式（通常用 ASCII

49、 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(lái)描述一個(gè)程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。它主要包括：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。 譯碼后的數(shù)據(jù)存放在譯碼緩沖區(qū)，以供后續(xù)程序使用。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2.刀具補(bǔ)償處理(計(jì)算刀具中心軌跡) 用戶(hù)零件加工程序通常是按零件輪廓編制的，而數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中控制的是刀具中心軌跡，因此在加工前必須將零件輪廓變換成刀具中心的軌跡。刀補(bǔ)處理就是完成這種轉(zhuǎn)換的程序。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),刀補(bǔ)處理主要進(jìn)行以下幾項(xiàng)工作：

50、 根據(jù)絕對(duì)坐標(biāo)/增量坐標(biāo)（G90/G91）計(jì)算零件輪廓的終點(diǎn)坐標(biāo)值。 根據(jù)刀具半徑R和刀具半徑補(bǔ)償?shù)姆较颍℅41/G42），計(jì)算刀具中心軌跡的終點(diǎn)坐標(biāo)值； 根據(jù)本段和前段連接關(guān)系，進(jìn)行段間連接處理。 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存放在刀補(bǔ)緩沖區(qū)，以供后續(xù)程序使用。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),3. 速度預(yù)處理（插補(bǔ)預(yù)處理） 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。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),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(xiàn)：合成位移量L； 圓?。嚎偨俏灰屏俊?該數(shù)據(jù)供插補(bǔ)程序判斷減速起點(diǎn)和終點(diǎn)之用。 計(jì)算每個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的

51、合成進(jìn)給量： L= Ft/60 （m） 式中：F--進(jìn)給速度值（mm/min）； t--數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期（ms） 經(jīng)速度預(yù)處理程序轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存放在插補(bǔ)緩沖區(qū)，以供插補(bǔ)程序使用。 以上兩步有時(shí)統(tǒng)稱(chēng)為插補(bǔ)預(yù)處理。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),4. 插補(bǔ)處理 插補(bǔ)的概念：根據(jù)給定的信息，在理想輪廓（或軌跡）上的已知兩點(diǎn)之間，確定一些中間點(diǎn)的方法。 插補(bǔ)程序的主要功能： 計(jì)算插補(bǔ)周期的實(shí)際合成位移量： L1=L*修調(diào)值 分解L1 （X1、Y1） 將L1按插補(bǔ)的線(xiàn)形（直線(xiàn)，圓弧等）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）。 經(jīng)插補(bǔ)計(jì)算后的數(shù)據(jù)存放

52、在運(yùn)行緩沖區(qū)中，以供位置控制程序之用。 插補(bǔ)模塊以系統(tǒng)規(guī)定的插補(bǔ)周期t定時(shí)運(yùn)行。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),5.位置控制處理 位置控制處理主要進(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，其輸出為位移速度控制指令（ VX ，VY）。 如圖2-30 所示為位置控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),位置控制完成以下幾步計(jì)算： 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；

53、 Y3= Y1新- Y2新； 計(jì)算速度指令值： VX=f（X3）； VY=f（Y3）,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),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(lái)實(shí)現(xiàn)的。VX、VY送給伺服驅(qū)動(dòng)單元，控制電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝置的軌跡控制。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2.4.3 數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的特點(diǎn) 1.多任務(wù)性與并行處理技術(shù) （1）數(shù)控系統(tǒng)的多任務(wù)性 “任務(wù)”定義： 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(guò)程。 數(shù)控系統(tǒng)的功能可定義為數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)，分兩大類(lèi)： 管理任務(wù)：系統(tǒng)資源管理、子任務(wù)調(diào)度、系統(tǒng)的程序管理、顯示、診斷等子任務(wù)； 控制任務(wù)：

54、數(shù)控系統(tǒng)的基本功能。如譯碼、刀補(bǔ)、速度預(yù)處理、插補(bǔ)處理、位置控制等。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)并非順序處理，而是要求多任務(wù)并行處理： 為了保證控制的連續(xù)性和各任務(wù)執(zhí)行的時(shí)序配合要求，CNC系統(tǒng)的任務(wù)必須采用并行處理，而不能逐一處理。,,圖2-31 多任務(wù)并行處理關(guān)系,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),比如：P73,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),（2）基于并行處理的多任務(wù)調(diào)度技術(shù) 并行處理定義： 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)處理的方法。 采用并行處理技術(shù)的目的： 合理使用和調(diào)配CNC系統(tǒng)的資源。 提高CNC系統(tǒng)的處理速度。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),并行處理的

55、實(shí)現(xiàn)方式： 資源分時(shí)共享 并發(fā)處理和流水處理 這些實(shí)現(xiàn)方式與CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),資源分時(shí)共享（對(duì)單機(jī)系統(tǒng)） 在單CPU結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)中，可采用“資源分時(shí)共享”并行處理技術(shù)。 資源分時(shí)共享在規(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”的技術(shù)關(guān)鍵（時(shí)間分配原則）： 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(wèn)題。 其二：各任務(wù)占用CPU的時(shí)間長(zhǎng)度，即 時(shí)間片的分配問(wèn)題。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),一般在單機(jī)系統(tǒng)中，采用循環(huán)調(diào)度和優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度相結(jié)合來(lái)解決時(shí)間分配問(wèn)題。,圖2

56、-32（a） CPU分時(shí)共享圖,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,背景程序,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,圖2-32（b） 各任務(wù)占用CPU 時(shí)間示意圖,,,,,,,,,,,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),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1

57、6ms）內(nèi)，CPU并行地執(zhí)行了兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)。 因此，資源分時(shí)共享的并行處理只具有宏觀(guān)上的意義，即從微觀(guān)上來(lái)看，各個(gè)任務(wù)還是逐一執(zhí)行的,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),并發(fā)處理和流水處理（對(duì)多機(jī)系統(tǒng)） 在多CPU結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)中，根據(jù)各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)程度，可采用以下兩種并行處理技術(shù)： 若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度不高，則可讓其分別在不同的CPU上同時(shí)執(zhí)行 并發(fā)處理； 若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度較高，即一個(gè)任務(wù)的輸出是另一個(gè)任務(wù)的輸入，則可采取流水處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)并行處理。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),流水處理技術(shù)的涵義: 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)(任務(wù)的分法與資源

58、重復(fù)的多少有關(guān))，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(xiàn)上分不同工序加工零件的流水作業(yè)一樣。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),流水處理技術(shù)示意圖,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),由圖可以看出： 采用流水處理方式可以大大縮短了輸出的時(shí)間間隔； 在任何一個(gè)時(shí)刻（起點(diǎn)、終點(diǎn)除外），均有兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)在并發(fā)處理；,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),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(kāi)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(shuō)以空間復(fù)雜性的代價(jià)換得時(shí)間上的快速性。,2

59、.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2.實(shí)時(shí)性和優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制 1）實(shí)時(shí)性任務(wù)的定義和分類(lèi) 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)分兩類(lèi): 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),2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù) 實(shí)時(shí)突發(fā)性任務(wù)： 特點(diǎn)：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，有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求。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)： 特點(diǎn)：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

60、保證加工精度和加工過(guò)程的連續(xù)性，這類(lèi)任務(wù)處理的實(shí)時(shí)性是關(guān)鍵。在任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程中，除系統(tǒng)故障外，不允許被其它任何任務(wù)中斷。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),弱實(shí)時(shí)性任務(wù) 特點(diǎn)：這類(lèi)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(lèi)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。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),優(yōu)先搶占調(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

61、法 搶占式優(yōu)先調(diào)度法 非搶占式優(yōu)先調(diào)度法,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),優(yōu)先搶占機(jī)制是一種基于實(shí)時(shí)中斷技術(shù)的任務(wù)調(diào)度機(jī)制。 是一種為了滿(mǎn)足數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)任務(wù)的要求的調(diào)度技術(shù)。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),優(yōu)先調(diào)度機(jī)制的兩個(gè)功能： 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(mǎn)足。 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。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),數(shù)控系統(tǒng)中采用的任務(wù)調(diào)度機(jī)制共有三種： 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。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2

62、.4.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)模式 結(jié)構(gòu)模式定義：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(mǎn)足一定的時(shí)序配合要求和邏輯關(guān)系，以滿(mǎn)足數(shù)控系統(tǒng)的各種控制要求。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),目前，數(shù)控系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)模式有： 前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式； 中斷型結(jié)構(gòu)模式； 基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),1.前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式 該模式將數(shù)控系統(tǒng)軟件劃分成兩部分： 前臺(tái)程序: 主要完成插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、故障診斷等實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的任務(wù)，它是一個(gè)實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序。 后臺(tái)程序(背景程序):

63、完成顯示、零件加工程序的編輯管理、系統(tǒng)的輸入/出、插補(bǔ)預(yù)處理等弱實(shí)時(shí)性的任務(wù)，它是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行的程序，在運(yùn)行過(guò)程中，不斷地被前臺(tái)程序定時(shí)打斷，前后臺(tái)相互配合來(lái)完成零件的加工任務(wù)。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),圖2-34 前后臺(tái)程序運(yùn)行關(guān)系圖,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式的特點(diǎn)： 任務(wù)調(diào)度機(jī)制: 優(yōu)先搶占調(diào)度和順序調(diào)度。前臺(tái)程序的調(diào)度是優(yōu)先搶占式的；前臺(tái)和后臺(tái)程序內(nèi)部各子任務(wù)采用的是順序調(diào)度。 前臺(tái)和后臺(tái)程序之間以及內(nèi)部各子任務(wù)之間的信息交換通過(guò)緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)。 實(shí)時(shí)性差。在前臺(tái)和后臺(tái)程序內(nèi)無(wú)優(yōu)先等級(jí)、 也無(wú)搶占機(jī)制。 該結(jié)構(gòu)僅適用于控制功能較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。早期的數(shù)控系統(tǒng)大都采用這種結(jié)

64、構(gòu)。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2.中斷型結(jié)構(gòu)模式 這種結(jié)構(gòu)是將除了初始化程序之外，整個(gè)系統(tǒng)軟件的各個(gè)任務(wù)模塊分別安排在不同級(jí)別的中斷服務(wù)程序中，然后由中斷管理系統(tǒng)（由硬件和軟件組成）對(duì)各級(jí)中斷服務(wù)程序?qū)嵤┱{(diào)度管理。 整個(gè)軟件就是一個(gè)大的中斷管理系統(tǒng)。模型如圖2-35所示。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),圖2-35 中斷型軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),中斷型結(jié)構(gòu)模式的特點(diǎn)： 任務(wù)調(diào)度機(jī)制：搶占式優(yōu)先調(diào)度。 信息交換：緩沖區(qū)。 實(shí)時(shí)性好。由于中斷級(jí)別較多（最多可達(dá)8級(jí)），強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)可安排在優(yōu)先級(jí)較高的中斷服務(wù)程序中。 模塊間的關(guān)系復(fù)雜，耦合度大，不利于對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充。 二十世

65、紀(jì)8090年代初的數(shù)控系統(tǒng)大多采用這種結(jié)構(gòu)。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),3.基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ RTOS， Real Time Operating System）是操作系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，它除了具有通用操作系統(tǒng)的功能外，還具有任務(wù)管理、多種實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度機(jī)制（如優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等）、任務(wù)間的通信機(jī)制（如郵箱、消息隊(duì)列、信號(hào)燈等）等功能。由此可知，CNC系統(tǒng)軟件完全可以在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),圖2-36 基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)點(diǎn)： 弱化功能模塊間的耦合關(guān)系

66、數(shù)控系統(tǒng)各功能模塊之間在邏輯上存在著耦合關(guān)系，在時(shí)間上存在著時(shí)序配合關(guān)系。為了協(xié)調(diào)和組織它們，前述結(jié)構(gòu)模式中，需用許多全局變量標(biāo)志和判斷、分支結(jié)構(gòu)，致使各模塊間的關(guān)系復(fù)雜。 在本模式中，設(shè)計(jì)者只須考慮模塊自身功能的實(shí)現(xiàn)，然后按規(guī)則掛到實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上，而模塊間的調(diào)用關(guān)系、信息交換方式等功能都由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而弱化了模塊間的耦合關(guān)系。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)點(diǎn)： 系統(tǒng)的開(kāi)放性和可維護(hù)性好 從本質(zhì)上講，前述結(jié)構(gòu)模式采用的是單一流程加中斷控制的機(jī)制，一旦開(kāi)發(fā)完畢，系統(tǒng)將是完全封閉（對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者也是如此），若想對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)充和修改將是困難的。 在本模式中，系統(tǒng)功能的擴(kuò)充或修改，只須將編寫(xiě)好的任務(wù)模塊（模塊程序加上任務(wù)控制塊（TCB）），掛到實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上（按要求進(jìn)行編譯）即可。因而，采用該模式開(kāi)發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)具有良好的開(kāi)放性和可維護(hù)性。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)點(diǎn)： 減少系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工作量 在數(shù)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)中，系統(tǒng)內(nèi)核（任務(wù)管理、調(diào)度、通信機(jī)制）的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的往往是很復(fù)雜的，而且工作量也相當(dāng)大。當(dāng)以現(xiàn)有的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)