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武汉理工大学第三节CNC装置软件结构CNC装置的软件是为完成数控机床的各项功能而专门设计和编制的一种专用软件。其结构取决于硬、软件的分工、也取决于软件本身的工作特点。软件功能是CNC装置的功能体现。一些厂商生产的CNC装置，硬件设计好后基本不变，而软件功能不断升级，以满足制造业发展的要求。武汉理工大学CNC装置的软件构成如图4-4所示，包括管理软件和控制软件两大部分。管理软件主要包括输入、I／O处理、通信、诊断和显示等功能。控制软件包括译码、刀具补偿、速度控制、插补和位置控制及开关量控制等功能。武汉理工大学软件和硬件在逻辑上等价，由硬件完成的工作同样可以由软件完成。在CNC系统中，软硬件的分配比例，随微电子、计算机技术的发展而不断变化。1952年到1970年，“硬联接”数控时代；70年代后，进入了“软联接”的数控时代；80年代后期：计算机数控（CNC）系统。CNC装置软件：设计灵活，适应性强，但处理速度较慢；硬件：处理速度快，但价格较贵。支持武汉理工大学一、CNC装置软硬件的分工程序输入数据处理插补位置控制速度控制伺服电机测量反馈几种典型的软硬件分工（界面的划分）ⅠⅡⅢⅣ软件硬件武汉理工大学CNC装置软硬件的分工图4-19示出了三种典型的CNC装置的软硬件分工。武汉理工大学CNC系统软件的工作过程1．输入CNC系统的输入内容包括零件数控加工程序、控制参数和补偿数据。一般通过键盘、RS232C接口等方式输入，这些输入方式采用中断方式来实现，且每一种输入法均有一个相对应的中断服务程序。其工作过程是先输入零件加工程序，然后将程序存放到缓冲器中，再经缓冲器将程序存储在零件程序存储器单元内。对于控制参数和补偿数据等可通过键盘输入存放在相应的数据寄存器内。武汉理工大学2．译码译码处理是以一个程序段为单位对零件数控加工程序进行处理。在译码过程中，首先对程序段的语法进行检查，若发现错误，立即报警。若没有错误，则把程序段中的零件轮廓信息（如起点、终点、直线或圆弧等）、加工速度信息（F代码）和其它辅助信息（M、S、T代码等）按照一定的语法规则解释成微处理器能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定存储器的内存单元。武汉理工大学3．数据处理数据处理通常包括刀具长度补偿、刀具半径补偿、反向间隙补偿、丝杠螺距补偿、过象限及进给方向判断、进给速度换算、加减速控制及机床辅助功能处理等。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹，一些较好的CNC装置中，还能实现C刀具补偿，即程序段之间的自动转接和过切判别等。进给速度处理是根据程序中所给的刀具移动速度计算各运动在坐标方向的分速度，对机床允许的最低速度和最高速度的限制也要处理。武汉理工大学4．插补插补是在一条给定了起点、终点和形状的曲线上进行“数据点的密化”。根据给定的进给速度和曲线形状，计算一个插补周期内各坐标轴进给的长度。数控系统的插补运算是一项精度要求较高、实时性很强的运算。插补精度直接影响工件的加工精度，而插补速度决定了工件的表面粗糙度和加工速度。通常插补分为粗插补和精插补，精插补的插补周期一般取伺服系统的采样周期，而粗插补的插补周期是精插补的插补周期的若干倍。一般的CNC装置中，能对直线、圆弧和螺旋线进行插补。一些较专用或高级的CNC装置还能完成椭圆、抛物线、正弦线的插补工作。武汉理工大学5．位置控制位置控制是在伺服系统的每个采样周期内，将精插补计算出的理论位置与实际反馈位置信息进行比较，其差值作为伺服调节的输入，经伺服驱动器控制伺服电机。在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。武汉理工大学6．诊断诊断程序包括在系统运行过程中进行的检查与诊断，和作为服务程序在系统运行前或故障发生停机后进行的诊断。诊断程序一方面可以防止故障的发生，另一方面在故障出现后，可以帮助用户迅速查明故障的类型和发生部位武汉理工大学二、CNC装置软件结构的特点CNC系统是一个专用的实时多任务计算机控制系统，它的控制软件也采用了计算机软件技术中的许多先进技术。其中多任务并行处理和多重实时中断两项技术的运用是CNC装置软件结构的特点。武汉理工大学CNC系统软件的结构特点：多任务并行处理；前后台型软件结构；实时中断处理；数控软件操作系统；武汉理工大学１.多任务并行处理（１）CNC装置的多任务性数控装置管理任务控制任务输入I/O处理显示诊断通讯速度处理刀具补偿译码插补位置控制武汉理工大学CNC装置的软件构成包括管理软件和控制软件两大部分。在多数情况下，CNC装置进行数控加工时，要完成多种任务。管理软件和控制软件的某些工作必须同时进行。例如，为使操作人员能及时了解CNC装置的工作状态，管理软件中的显示模块，必须与控制软件中其它模块同时运行。当在插补加工运行时，管理软件中的零件程序输入模块必须与控制软件中的相关模块同时运行。而当控制软件运行时，其本身的一些处理模块也必须同时运行。例如，为了保证加工过程的连续性，即刀具在各程序段之间不停刀，译码、刀具补偿和速度处理模块必须与插补模块同时运行，而插补程序又必须与位置控制程序同时进行。为此，数控加工的多任务常采用并行处理的方式来实现，即计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。武汉理工大学（2）并行处理并行处理是计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。并行处理方法有：资源共享、资源重复和时间重叠。CNC装置的硬件设计通常采用资源重复的并行处理方法。而CNC装置的软件设计则采用资源分时共享和资源重叠的流水线处理技术。武汉理工大学译码↓刀具补偿↓速度处理插补位置控制输入显示控制诊断I/O任务的并行处理武汉理工大学0ms4ms8ms12ms16ms位置控制插补运算背景程序各任务占用CPU时间示意图１）资源分时共享并行处理武汉理工大学２）资源重叠流水处理当CNC装置在自动加工工作方式时，其数据的转换过程将由零件程序输入，插补准备(包括译码、刀具补偿计算和速度处理等)、插补、位置控制四个子过程组成。如果各个子程序的处理时间分别为△t１、△t２、△t３、△t４，那么—个零件程序段的数据转换时间将是t＝△t１+△t２+△t３+△t４。空间输出12341234N2N1a）顺序处理武汉理工大学消除这种间隔的方法是使用流水处理技术。采用流水处理后的时间空间关系如右图所示。流水处理的关键是时间重叠，即在一段时间间隔内不是处理一个子程序，而是处理两个或更多的子程序。从右图可以看出，经过流水处理后从时间△t４开始，每个程序段的输出之间不再有间隔，从而保证了电机的转动和刀具移动的连续性。空间输出1234123412341234N4N3N2N1b）并行处理△t1△t2△t3△t4△t5△t6武汉理工大学３）并行处理中的信息交换和同步在CNC装置中信息交换主要通过各种缓冲存储区来实现。加工程序译码刀补预处理插补处理位置控制伺服驱动PLC控制位置反馈速度预处理译码缓冲区刀补缓冲区插补缓冲区运行缓冲区武汉理工大学前后台型软件结构适合于单微处理器CNC装置。在这种软件结构中，前台程序是一个实时中断服务程序，承担了几乎全部的实时功能，实现与机床动作直接相关的功能，如插补、位置控制、机床相关逻辑和监控等。后台程序是一个循环执行程序，承担一些实时性要求不高的功能，如输入、译码、数据处理等插补准备工作，管理程序一般也在后台运行。在后台程序循环运行的过程中，前台的实时中断程序不断地定时插入，二者密切配合，共同完成零件的加工任务。2.前后台软件结构武汉理工大学前台程序故障处理位置控制插补运算后台程序译码刀补处理速度预处理输入/输出显示中断执行循环执行武汉理工大学2.前后台软件结构完成与机床动作直接相关的实时功能，包括位置控制、插补、辅助功能、面板扫描及输出等。前后台型软件结构前台程序（实时中断程序）后台程序（背景程序）完成准备和管理工作，包括输入译码、插补准备及管理等。显示诊断I/O处理插补准备输入阅读中断定时中断键盘中断后台程序循环运行，前台中断程序不断插入武汉理工大学3.中断型软件结构中断型软件结构没有前后台之分，整个软件是一个大的中断系统。在执行完初始化程序之后，整个系统软件的各种任务模块分别安排在不同级别的中断程序中，系统通过响应不同的中断来执行相应的中断处理程序，完成数控加工的各种功能。其管理功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通讯来解决。中断优先级共分8级，0级最低，7级最高，除了第4级为硬件中断完成报警功能外，其余均为软件中断。武汉理工大学3.实时中断处理CNC装置软件结构的另一个特点是实时中断处理。CNC装置的多任务性和实时性决定了中断成为整个装置必不可少的组成部分。CNC装置的中断管理主要靠硬件完成，而其中中断结构决定了CNC装置软件的结构。(1)CNC装置中断类型1)外部中断２)内定时部中断３)硬件故障中断４)程序性中断（2）CNC装置中断结构模式1）中断型结构模式2）前后台型结构模式武汉理工大学中断级主要功能中断源0控制CRT显示硬件1译码、刀具中心轨迹计算软件，6ms2键盘监控、I/O信号处理、穿孔机控制软件，6ms3外部操作面板、电传打字机处理硬件4插补计算、终点判别及转段处理软件，8ms5阅读机中断硬件6位置控制4ms硬件时钟7测试硬件中断程序间的通讯方式包括：设置软件中断；中断服务程序自身的连接；设置标志。根据实时要求，把控制安排成不同级别的中断服务程序。管理功能，主要通过各级中断服务程序之间的通信实现。例如：中断型软件结构，0到7级中断级别递增。武汉理工大学三、典型CNC装置软件结构下面介绍一种单CPU的CNC装置软件结构。该系统采用8086CPU。1.软件总体结构本系统软件总体结构采用中断型结构，各中断优先级别的划分见表4-1。中断有两种来源：一种是由时钟或其它外设产生的中断请求信号，称为硬件中断；另一种是由程序产生的中断信号，称为软件信号。武汉理工大学2.各种中断的功能（1）初始化程序（0级中断）初始化程序是为整个系统正常工作做准备的。1）清除RAM工作区；2）为数控加工工作正常而进行的处理；3)对有关电路初始化设置4)初始程序执行完后,先开中断然后转入第一级中断武汉理工大学(2)第一级中断第一节中断是系统的主控制程序,主要完成CRT显示控制和ROM奇偶校验(3)第二级中断该级中断主要是为插补的正常进行做准备工作,工作方式有:1)自动方式2)手动数据输入方式(MDI)3)手动连续进给方式(JOG)4)步进增量方式(STEP)5)编辑方式(EDIT)武汉理工大学(７)第６级中断第６级中断的主要任务是为第２级和第三级中断进行１６ms中断定时.(8)第7级中断第7级中断从RS-232C接口读入数据存入缓冲存储区.(9)第8级中断第8级中断从纸带阅读机读取一个字符并在低级中断中对之进行处理.(10)第9级中断第9级中断是串联报警,如果此中断连续产生两次,便置PLC报警并停止工作.(11)第10级中断第10级中断是非屏蔽中断,其主要内容:1)RAM奇偶校验错时,显示奇偶错且动态停止;2)电源关断时,停止磁泡存储器工作;3)工程师面版中断时,为它服务.4)监控定时器中断时,显示监控报警并且动态停止.武汉理工大学一、FANUC公司的主要数控系统FANUC数控系统以其高质量、低成本、高性能、较全的功能，适用于各种机床和生产机械等特点，在市场的占有率远远超过其它的数控系统。（1）高可靠性的PowerMate0系列用于控制2轴的小型车床，取代步进电动机的伺服系统；可配画面清晰、操作方便、中文显示的CRT／MDI，也可配性能／价格比高的DPL／MDI。（2）普及型CNC0-D系列0-TD用于车床，0-MD用于铣床及小型加工中心，0-GCD用于圆柱磨床，0-GSD用于平面磨床，0-PD用于冲床。典型的CNC系统简介武汉理工大学（3）全功能型的0-C系列0-TC用于通用车床、自动车床，0-MC用于铣床、钻床、加工中心，0-GCC用于内、外圆磨床，0-