【導讀】構(gòu)上給用戶二次開發(fā)留有更多的余地,從而可以快速的響應(yīng)新的加工需求。NC嵌入PC型的開放式數(shù)控系統(tǒng),并對其軟硬件進行了研究。件平臺的控制系統(tǒng)，PC以其良好的開放性成為數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。設(shè)計出了數(shù)控系統(tǒng)的總控制框圖，并使用VB做出了數(shù)控系統(tǒng)的控制界面。導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致。含我為獲得及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。明并表示了謝意。以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法。律后果由本人承擔。涉密論文按學校規(guī)定處理。論文正文字數(shù)不少于萬字。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫

　　

【正文】 (d) 各任務(wù)占用 CPU 時間示意圖 圖 28 CNC 裝置的多任務(wù)并行處理 譯碼 刀具補償 速度處理 顯示 診斷 I/O 處理 插補準備 輸入 初始化 插 補 位控 背景 程序 蘭州交通大學畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 15 所謂并行處理是指計算機在同一時刻或 同一時間間隔內(nèi)完成兩 種或兩種以上性 質(zhì) 相同或不同的工作。并行處理最顯著的優(yōu)點是提高了運算速度。 對單 CPU 裝置，采用分時來實現(xiàn)多任務(wù)的并行處理，其方法是：在一定的時間片內(nèi)，根據(jù)系統(tǒng)各任務(wù)的實時性要求程度，規(guī)定它們占用 CPU 的時間，使它們按規(guī)定順序和規(guī)則分時共享系統(tǒng)的資源。因此，在采用資源分時共享并行處理技術(shù)的 CNC 裝置中，首先要解決各任務(wù)占用CPU 時間（資源）的分配原則。該原則解決如下兩個問題：一是各任務(wù)何時占用 CPU，即任務(wù)的優(yōu)先級分配問題；二是各任務(wù)占用 CPU 的時間長度，即時間片的分配問題。一般地，在單 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，圖 28（ c） 所示為 CNC 裝置多任務(wù)分時共享 CPU 時間分配圖。為了簡單起見，假定某 CNC 裝置軟件功能僅分為三個任務(wù)：插補運算、位置控制和背景程序。這三個任務(wù)的優(yōu)先級從上到下逐步下降，即插補運算的最高，位置控制的的其次，背景程序（主要包括實時性要求相對不高的一些子任務(wù)）的最低。系統(tǒng)規(guī)定：插補運算任務(wù)每 4ms 執(zhí)行一次，位置控制每 8ms 執(zhí)行一次，兩個任務(wù)都由定時中斷激活，當插補運算和位置控制都不執(zhí)行時便執(zhí)行背景程序。系統(tǒng)的運行順序是：在完成初始化后，自動進 入背景程序，在背景程序偶那個采用循環(huán)調(diào)度的方式，輪流反復地執(zhí)行各個子任務(wù)，優(yōu)先級高的任務(wù)（如插補運算或位置控制任務(wù)）可以隨時中斷背景程序的運行，插補運算也可以中斷位置控制的運算。各個任務(wù)在運行中占用 CPU 時間如圖 28（ d） 所示。在圖中，粗實線表示任務(wù)對 CPU 的中斷請求，兩粗實線之間的長度表示該任務(wù)的執(zhí)行時間，藍色部分表示各個任務(wù)占用 CPU 的時間長度。由圖可以看出： (1)在任何一個時刻只有一個任務(wù)占用 CPU。 (2)從一個時間片 （如 8ms 或 16ms） 來看， CPU 并行地執(zhí)行了三個任務(wù)。 因此，資源分時共享的 并行處理只具有宏觀上的意義，即從微觀上來看，各個任務(wù)還是順序執(zhí)行的。圖 28（ c） 、（ d） 清楚地說明了資源分時共享的意義和內(nèi)涵。 [7] 2. 實時中斷處理 CNC 系統(tǒng)控制軟件的另一個重要特征是實時中斷處理。 CNC 系統(tǒng)的多任務(wù)性和實時性決定了系統(tǒng)中斷成為整個系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。 CNC 系統(tǒng)的中斷管理主要靠硬件完成，而系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)軟件的結(jié)果。其中斷類型有外部中 斷、內(nèi)部定時中斷、硬件故障中斷以及程序性中斷。外部定時中斷有 外部監(jiān)控中斷和鍵盤操作面板輸入中斷。內(nèi)部定時中斷主要有插補周期 定時中斷和位置 采樣中斷。硬件故障中斷時指各種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷，如存儲器出錯、定時器出錯、插補運算超時等。程序性中斷時程序中出現(xiàn)的各種異常情況的報警中斷，如各種溢出、清零等。 蘭州交通大學畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 16 CNC 系統(tǒng)典型的軟件結(jié)構(gòu)模式 所謂 軟件結(jié)構(gòu)模式是指系統(tǒng)軟件的組織管理方法，即系統(tǒng)任務(wù)的劃分方式、任務(wù)調(diào)度機制、 任務(wù)間的信息交流機制以及系統(tǒng)集成方法等。軟件結(jié)構(gòu)模式主要解決的問題是如何組織和協(xié)調(diào)各個任務(wù)的執(zhí)行，使之滿足一定的時序配合要求和邏輯關(guān)系，以滿足CNC 裝置的各種要求。目前 CNC 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)模式主要有以下 2 種：前后臺型軟件結(jié)構(gòu)和多重中斷型軟件結(jié)構(gòu)。 前后臺型軟件結(jié)構(gòu)適合于采用集中控制的單處理器 CNC 系統(tǒng)，在這種軟件結(jié)構(gòu)中，CNC 系統(tǒng) 軟件由前臺程序和后臺程序組成。前臺程序為實時中斷程序，承擔了幾乎全部的實時功能，這些功能都與機床動作直接相關(guān)，如位置控制、插補、輔助功能處理、監(jiān)控、面板掃描及輸出等。后臺程序主要用來完成準備工作和管理工作，包括輸入、譯碼、插補準備及管理等，通常稱為背景程序。背景程序是一個循環(huán)運行程序，在其運行過程中實時中斷程序不斷插入，前后臺程序相互配合完成加工任務(wù)。程序啟動后，運行完成初始化程序即進入背景程序環(huán) ，同時開放定時中斷，每隔一固定時間間隔 （ 如） 發(fā)生一次中斷，執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序。就這樣，中斷程序和背景程序有條不紊地協(xié)同工作。 多重中斷型軟件結(jié)構(gòu)沒有前后臺之分，除了初始化出現(xiàn)外，根據(jù)各控制模塊實時的要求不同，把控制出現(xiàn)安排成不同級別的中斷服務(wù)出現(xiàn)，整個軟件是一個大的多重中斷系統(tǒng)，系統(tǒng)的管理功能主要通過各級中斷服務(wù)出現(xiàn)之間的通信來完成。 NC 嵌入 PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 基于運動控制器開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要是由實時控制軟件和系統(tǒng)管理軟件來構(gòu)成。實時控制軟件的設(shè)計 充分考慮了軟件的開放性，系統(tǒng)管理軟件主要由用戶自己開發(fā)，來實現(xiàn)所以的非實時控制部分的功能。系統(tǒng)管理軟件最基本的應(yīng)該是實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、故障診斷、參數(shù)輸入及加工程序編輯、系統(tǒng)進程管理和雙 CPU 通信等功能，在這些基本功能的基礎(chǔ)上可以再增加網(wǎng)絡(luò)控制、動態(tài)仿真等高級功能。此設(shè)計中，系統(tǒng)軟件采用多重中斷軟件結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)軟件除初始化程序，控制程序分為 8 級中斷程序，各中斷功能如下表所示： 蘭州交通大學畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 17 表 21 中斷功能一覽表 在這種軟件結(jié)構(gòu)中，整個軟件是一個大的中斷系統(tǒng)，其特點是除 初始化程序之外，所有任務(wù)模塊均被安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，整個控制功能通過各級中斷服務(wù)程序 之間的通信來完成。表 21 為系統(tǒng)各級中斷的優(yōu)先級別及主要功能。該控制程序分為 8 級中斷，其中第 7 級中斷級別最高，第 0 級中斷級別最低，位置控制被安排在級別較高的中斷程序中，其原因是刀具運動的實時性要求最高， CNC 裝置必須提供及時的服務(wù)。 CRT 顯示的級別最低，在不發(fā)生其他中斷的情況下才進行顯示。 此 中斷 型 軟件 的通信方式有以下 3 種： (1) 設(shè)置軟件中斷。從表中可以看出，第 6 級中斷（位控）有硬時鐘產(chǎn)生，每 4ms 一次，第 6 級中斷請求兩次后，第 4 級中斷（插補）產(chǎn)生一次（由軟件控制）。第 6 級中斷請求四次，第 2 級中斷產(chǎn)生一次（由軟件控制），這樣，硬件中斷和軟件中斷相結(jié)合，將第 6 級中斷聯(lián)系起來。 (2) 中斷 服務(wù)程序自身的連接。如果某中斷服務(wù)程序本身還有不同的子任務(wù)，各子 任務(wù)之間的連接可用設(shè)置狀態(tài)字的方式解決。如在第 1 級中斷中包含 13 個子任務(wù)，就把該級中斷分成 13 個口，每個口對應(yīng)口狀態(tài)字的一位，每一位對應(yīng)處理一個子任務(wù)。因此 在執(zhí)行中斷服務(wù)程序各口的處理時，可以設(shè)置口狀態(tài)字的其他位的請求如圖 28 所示，在 8 號口的 處理程序中，可將 2 號口設(shè)置為 1，這樣 8 號口程序一旦執(zhí)行完，即轉(zhuǎn)級別 主要功能 中斷源 0 控制 CRT 顯示 硬 件 1 數(shù)控指令譯碼處理，刀具中心軌跡計算，顯示器控制 軟件， 16ms 定時 2 鍵盤監(jiān)控， I/O 信號處理 軟件， 16ms 定時 3 外部操作面板處理 硬件， 8ms 軟件定時 4 插補運算，終點判別及轉(zhuǎn)段處理 軟件， 8ms 定時 5 速度控制處理 硬件和軟件 (需要時 ) 6 伺服系統(tǒng)位置控制的處理 4ms 硬時鐘 7 通過測試板進行存儲器數(shù)據(jù)讀、寫，程序調(diào)試處理 硬 件 蘭州交通大學畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 18 入 2 號口的處理。即使在執(zhí)行 2 號口對應(yīng)的程序過程中，又產(chǎn)生了更高級的中斷請求，那么 CPU 將保存現(xiàn)場，記住斷點的位置，在執(zhí)行完更高級的中斷服務(wù)后，再回到第 1級中斷服務(wù)程序中，在原斷點處繼續(xù)執(zhí)行 2 號口對應(yīng)的程序。因此通過設(shè)置口狀態(tài)字的位，可以實現(xiàn)中斷服務(wù)程序內(nèi)部的連接，并不受其他更高級中斷服務(wù)程序的打擾。 如圖29 所示： N Y 圖 29 中斷服務(wù)程序自身的連接 (3) 設(shè)置標志。標志是中斷服務(wù)出現(xiàn)之間相互通信的有力工具。例如在 4 級中斷要完成插補功能， 每 8ms 中斷一次，該程序能否執(zhí)行要取決于第 1 級中斷服務(wù)程序（譯碼、刀補）是否完成。只有當譯碼和刀補執(zhí)行完畢，才能允許插補程序的運行。所以在第 1級程序執(zhí)行完畢后設(shè)置標志，也就是允許插補的標志，進入插補程序時，首先要檢查該標志，若該 標志未被設(shè)置， CNC 系統(tǒng)就跳過插補程序繼續(xù)往下執(zhí)行。 在此設(shè)計中，中斷軟件的通信方式采用中斷服務(wù)程序自身的連接 。 各級中斷的具體含義 (1) 初始化 電源接通后，首先進入此程序。初始化程序主要完成如下幾項工作： a) 對 RAM 中 為工作寄存器的單元設(shè)置初始狀態(tài)； b) 進行 ROM 奇偶校驗； c) 為數(shù)控加工正常進行依次查詢口狀態(tài)，若為“ 1”，轉(zhuǎn)入相應(yīng)處理 0 1 2 8 B C 所以口檢查完 消除 1級中斷請求 蘭州交通大學畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 19 而設(shè)置一些所需的初始狀態(tài)。 (2) 1 級中斷 1 級中斷主要為插補的正常進行做準備工作。 1 級中斷按工作內(nèi)容又細分為 13 個口 子，每一個口子對應(yīng)于口狀態(tài)字的一位，每一位 （ 每一個口子 ） 對應(yīng)處理一個 任務(wù)，即1 級中斷包括 13 個任務(wù)，在執(zhí)行 1 級中斷各口子的處理時，可以設(shè)置口狀態(tài)字的其他位的請求 。如在 8 號口的處理程序中，可將 3 號口置 1，這樣， 8 號口程序一但執(zhí)行完即轉(zhuǎn)入 3 號處理。 (3) 2 級中斷 第 2 級中斷的最主要功能是對機床控制臺的輸入信號 （ 控制臺送給 NC 裝置的控制 開關(guān)信號和按鈕信號 ） 及 NC 鍵盤進行監(jiān)控處理。 還有 M、 S、 T、 H 強電信號處理和輸出信號處理等。 (4) 4 級中斷 第 4 級中斷的主要功能是速度的處理。編程給定的刀具移動速度是在各坐標合成方向上的速度。速度處理首先要做的工作是根據(jù)合成速度計算各運動 坐標的分速度，同時按機床允許的最低速度、最高速度、最大加速度 和最佳升降速度規(guī)律進行控制處理。 (5) 5 級中斷 第 5 級中斷最重要的功能是完成插補計算。此設(shè)計中系統(tǒng)采用“時間分割法”插補，即將程序段的增量以 8ms 時間為單位，劃分為許多小段，每次插補進給一小段。 (6) 6 級中斷 本級中斷主要完成位置控制、 4ms 定時計時和存儲器奇偶校驗工作。位置控制是在 軟件和硬件配合下完成的。軟件部分的任務(wù)是在第 6 級中斷中，定時地從“實際位置計數(shù)器”中回收實際位置值，然后將位置指令值與實際位置值之間的差值換算成速度指令值，送 給硬件的“ 速度指令 寄存器 ” 去控制電機的運轉(zhuǎn)。 4ms 定時計時，具體辦法辦法是：對 4ms 進行計數(shù)，每隔 8ms 定時地產(chǎn)生一次第 3 級和第 4 級軟件中斷請求。每隔16ms 定時地產(chǎn)生一次第 1 級和第 2 級軟件中斷請求。以 4ms 為時間基準，對 4ms 進行累加計算，和數(shù)就是數(shù)控裝置使用的時間，這就是計時功能。 (7) 7 級中斷 本級中斷對測試版進行監(jiān)控。測試版操作主要有： ROM、 RAM 和中斷保護區(qū)內(nèi)容“讀出”操作，以及“地址加 1 讀出”操作； RAM 和中斷保護區(qū)內(nèi)容的“改寫”操作以及“地址加 1 改寫”操作；設(shè)斷點進行運行控制，執(zhí)行單指令 。 NC 嵌入 PC型數(shù)控 系統(tǒng)軟件的工作過程 蘭州交通大學畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 20 NC 嵌入 PC 型數(shù)控系統(tǒng)軟件是由輸入、譯碼、數(shù)據(jù)處理（預計算）、插補運算、速度控制、輸出控制、管理及診斷程序等部分組成。 (1) 輸入。零件加工程序一般是通過鍵盤、磁盤、 DNC 等方式輸入。在此軟件設(shè)計中，這些輸入方式大都采用中斷輸入方式，且每種輸入法均有一個相應(yīng)的中斷服務(wù)程序 。如采用鍵盤輸入時，每按一個鍵，硬件就向 CPU 發(fā)出一個中斷申請，若 CPU 響應(yīng)中斷，則調(diào)用一次鍵盤服務(wù)程序，完成相應(yīng)鍵盤命令的處理。 (2) 譯碼。將輸入的零件加工程序翻譯成本系統(tǒng)能識別 的語言。譯碼結(jié)構(gòu)通常存儲在譯碼結(jié)果緩沖器內(nèi)，譯碼過程就是把程序段中的各個數(shù)據(jù)，根據(jù)其前后的字符地址送到譯碼結(jié)果緩沖器相應(yīng)的存儲單元中。 譯碼可在正式加工前一次性將整個程序翻譯完，并在譯碼過程中進行語法檢測，若有語法錯誤則報警，這種方式成為編譯。另一種方式是數(shù)控系統(tǒng)在加工控制的同時，利用空閑時間對后面的程序段進行譯碼，這種方式稱為解釋。 (3) 數(shù)據(jù)預處理。通常包括刀具長度和半徑補償、反向間隙和絲杠螺距補償、過象 限及進給方向判斷、進給速度處理、加減速控制及機床輔助功能處理等。 (4) 插補運算。插補運算是 CNC 系統(tǒng)的重要工作之一。在實際的數(shù)控系統(tǒng)中，通常采用粗、精插補相結(jié)合的方法，即把插補功能分為軟件粗插補和硬件精插補兩部分。軟件粗插補把刀具軌跡分割成若干段，硬件精插補 在軟件插補所得數(shù)據(jù)段的起點和終點之間再進行數(shù)據(jù)點的密化，進一步減小刀具軌跡的誤差。 (5) 位置控制。數(shù)控系統(tǒng)在每個采樣周期，將插補計算得到的理論位置與實際反饋位置進行比較，用其差值作為伺服調(diào)節(jié)的輸入，通過一定的控制算法，同時考慮各坐標軸的螺距誤差補償和反向間隙補償，最后輸出控制信號驅(qū)動伺服電動機。 (6) 輔助功能處理。主要完成 M、 S、 T 功 能。 M、 T 功能主要涉及到開關(guān)量的控制，由 PLC 處理。數(shù)控系統(tǒng)將譯碼后的 M、 T 信息適時傳送給 PLC 就可完成諸如主軸啟停、潤滑與冷卻、工件夾緊與放松、換刀、工作臺交換等控制。 (7) 管理與診斷。主要包括 CPU 及外設(shè)的管理 ，如前后臺程序的安排與協(xié)調(diào)、中斷服務(wù)程序之間的通信、控制面板和操作面板上各種信息監(jiān)控。 數(shù)控系統(tǒng)總程序框圖 蘭州交通大學畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 21 Y N N Y