【正文】 ， 整個系統(tǒng)只有一個 CPU， 它采用集中控制 、 分時處理方式進行控制 ， 其結(jié)構(gòu)框圖如圖 57所示 。 (2) CPU通過地址 、 數(shù)據(jù)和控制 (AB、 DB、 CB)三大總線與各個控制單元相連 ， 完成信息交換 。 第 5 圖 57 單微處理器結(jié)構(gòu)框圖 機床 開關(guān)控 制I / O 接口C P U存儲 器數(shù)據(jù) 輸入輸出 設(shè)備接口光電 閱讀 機紙帶 穿孔 機M D I / C R T接口CRT系統(tǒng) 操作 面板位置 控制速度 控制單 元SM伺服電動 機速度 反饋位置 反饋總線((ABDBCB第 5 2. 多微處理器結(jié)構(gòu) 多微處理器結(jié)構(gòu)的 CNC是將數(shù)控機床的總?cè)蝿?wù)劃分為各個子任務(wù) ， 每一子任務(wù)均由一個獨立的微處理器來控制 。 1) 多微處理器結(jié)構(gòu)與單微處理器結(jié)構(gòu)相比 ， 主要有以下優(yōu)點： （ 1） 性能價格比高。 第 5 2) 多微處理器 CNC裝置主要由 CNC管理模塊 、 CNC插補模塊 、 位置控制模塊 、 PLC模塊 、 存儲器模塊 、 數(shù)據(jù) I/O及顯示模塊等部分組成 。 （ 1） 共享總線結(jié)構(gòu) 。 在系統(tǒng)中 ， 某一時刻只能有一個主模塊占據(jù)總線 ， 從而會造成各主模塊發(fā)生總線競爭 ， 通常利用仲裁電路來解決這一問題 。 第 5 圖 58 多微處理器共享總線結(jié)構(gòu)框圖 主軸控制 模塊C N C插補 模塊( C P U )C N C管理 模塊( C P U )主存 儲器模塊對話 式自 動編程 模塊( C P U )操作 面板顯示 模塊系統(tǒng) 總線PC功能 模塊( C P U )位置控制 模塊( C P U )第 5 （ 2） 共享存儲器結(jié)構(gòu) 。 圖 510是一個雙端口存儲器結(jié)構(gòu) ， 它配有兩套數(shù)據(jù) 、 地址與控制線 ，可供兩個端口訪問 ， 訪問優(yōu)先權(quán)預(yù)先安排好 。 第 5 圖 59 多微處理器共享存儲器結(jié)構(gòu)框圖 插補( C P U 3 )軸控 制( C P U 4 )共享 存儲 器CRT( C P U 2 )I / O( C P U 1)從機 床來 的控制 信號輸出 至機 床的控 制信 號第 5 圖 510 雙端口存儲器結(jié)構(gòu)框圖 地址 和數(shù) 據(jù)多路 轉(zhuǎn)換 器R A M仲裁 控制邏輯端 口端 口中斷 控制第 5 標準型數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 1. 1) CNC CNC系統(tǒng)作為一個獨立控制單元 ， 它的系統(tǒng)軟件必須完成管理和控制兩大任務(wù) ， 系統(tǒng)的管理軟件主要包括輸入 、 I／ O處理 、 通信 、 顯示和診斷等程序 ， 這類程序的實時性要求不高 ， 通常作為后臺程序 。 圖 511為 CNC系統(tǒng)的軟件功能分解圖 ， 它反映了數(shù)控系統(tǒng)軟件的多任務(wù)性 。例如 ， 為了使操作人員能及時地了解 CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài) ， 管理軟件中的顯示模塊必須與控制軟件同時運行；當插補加工運行時 ， 軟件中的零件程序輸入模塊必須與控制軟件同時運行 。這均說明了 CNC系統(tǒng)的多任務(wù)在執(zhí)行過程中有著并行處理的關(guān)系 。 資源共享是根據(jù) “ 分時共享 ” 的原則 ， 使多個用戶按時間順序使用同一套設(shè)備 。 在 CNC系統(tǒng)中 ， 各任務(wù)使用 CPU是用循環(huán)輪流和中斷優(yōu)先相結(jié)合的方法來解決的 ， 圖 5－ 12所示為某 CNC系統(tǒng)各任務(wù)共享 CPU的時間分配圖 。 對實時要求較高的任務(wù) ， 則根據(jù)實時性的要求進行優(yōu)先級排隊 ， 分別放到不同的中斷優(yōu)先級上進行服務(wù) 。 每個任務(wù)允許占有 CPU的時間要受到一定的限制 ， 一般對于某些占有 CPU時間較多的任務(wù) ， 如插補準備 ， 可以在程序的某些地方設(shè)置斷點 ， 當程序運行到斷點處 ， 自動讓出 CPU供其他任務(wù)占用 ， 等到下一運行時間里再自動跳到斷點處繼續(xù)執(zhí)行 。 資源重疊是根據(jù)流水線處理技術(shù) ， 使多個處理過程在時間上相互錯開 ， 輪流使用同一套設(shè)備的幾個部分 。 如果每個子過程的處理時間分別為 Δt Δt Δt Δt4， 那么一個零件程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間 T將是： T=Δ t1+Δ t2+Δ t3+Δ t4 第 5 假設(shè)以順序方式處理每個零件程序段 ， 即第一個零件程序段處理完以后再處理第二個程序段 ， 依此類推 ， 這種順序處理時的時間空間關(guān)系如圖 513(a)所示 。 同樣在第二個程序段與第三個程序段的輸出之間也會有時間間隔 ， 依此類推 。 不管這種時間間隔多么小 ， 這種狀態(tài)在加工工藝上都是不允許的 。 第 5 圖 513 資源重疊流水處理 (a) 順序處理； (b) 流水處理 1 2 3 41 2 3 4 輸出輸出時間? t1? t2? t3? t4? t5? t6? t7? t81 2 3 41 2 3 4時間? t1? t2? t3? t4? t5? t6? t7? t81 2 3 4( a ) ( b )第 5 2. 1) CNC （ 1） 外部中斷 : 主要有紙帶閱讀機中斷 、 外部監(jiān)控中斷(急停 ， 測量儀到位等 )和鍵盤操作 、 面板輸入中斷 。 （ 2） 內(nèi)部定時中斷 : 主要有插補周期定時中斷和位置采樣定時中斷 ， 在有些系統(tǒng)中 ， 這兩種定時中斷合二為一 ， 但在處理時 ， 總是先處理位置控制 ， 然后處理插補運算 。 （ 4） 程序性中斷 : 是程序中出現(xiàn)的各種異常情況報警中斷， 如計算溢出、 除零等。 在此種軟件結(jié)構(gòu)中 ， 整個控制軟件分為前臺程序和后臺程序 。 在背景程序的運行過程中 ， 前臺實時中斷程序不斷插入 ， 與背景程序相配合 ， 共同完成零件的加工任務(wù) 。 第 5 圖 514 前、 后臺軟件結(jié)構(gòu) 背景 程序?qū)崟r 中斷程序初始 化第 5 （ 2） 中斷型軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式 。 整個軟件就是一個大的中斷系統(tǒng) 。 表 51所示為某 CNC系統(tǒng)各級中斷的主要功能 。 除了第 4級為硬件中斷完成報警功能之外 ， 其余均為軟件中斷 。 主要完成： a. 清除 RAM工作區(qū)； b. 設(shè)置有關(guān)參數(shù)和偏移數(shù)據(jù)； c. 初始化有關(guān)電路芯片 。 當沒有其他中斷時 ， 1級程序始終循環(huán)運行 。 第 5 ③ 2級中斷服務(wù)程序 : 主要工作是對系統(tǒng)所處的各種工作方式進行處理 。 第 5 ④ 3級中斷服務(wù)程序 : 主要完成： a. I／ O映像處理 ， 用于 PLC開關(guān)量信號的控制 。 c. M、 S、 T處理 , 將輔助功能 ， 如主軸正 、 反轉(zhuǎn) (M0 M04)， 切削液的開 、 關(guān) (M0 M09)， 主軸轉(zhuǎn)速 (S指令 )以及換刀 (M06及 T指令 )等控制信號輸出 ， 以控制機床的動作 。 第 5 ⑥ 5級中斷服務(wù)程序 : 主要完成： a. 插補運算； b. 坐標位置修正； c. 間隙補償； d. 加減速控制 。 通過這種定時 ， 可以實現(xiàn) 2級和 3級的 16 ms定時中斷 ， 并使其相隔 8 ms。 第 5 ⑧ 7級中斷服務(wù)程序 : 當紙帶通過光電閱讀機輸入時 ， 光電閱讀機每讀到紙帶上一排孔的信息 ， 立即向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個中斷請求信號 ， 要求處理所讀到的一個字符 。 當位置控制用軟件來處理時 ， 則位置控制程序應(yīng)安排在插補程序同一級或更高級的中斷服務(wù)程序中 。 處理器之間的協(xié)調(diào)仍可用中斷的方式 ， 只是有的中斷源變?yōu)橛善渌幚砥魃暾埖耐獠恐袛?。 如在鍵盤輸入時 ， 每按一個按鍵 ， 硬件就向主機CPU發(fā)出一次中斷申請 ， 若 CPU響應(yīng)中斷 ， 則就調(diào)用一次鍵盤服務(wù)程序 ， 完成相應(yīng)鍵盤命令的處理 ， 鍵盤中斷服務(wù)程序的流程圖如圖 515所示 。 零件程序的存儲和讀取過程如圖 516所示 。 譯碼的結(jié)果存放在指定的存儲區(qū)內(nèi) ， 通常稱為譯碼結(jié)果寄存器 。 第 5 圖 517 譯碼程序流程圖 入口從零 件程 序存儲 區(qū)取 一個字 節(jié)數(shù)字 ？Y第一 個地址 ？NYN把數(shù) 字碼 寄存器中 數(shù)據(jù) 送入上一 個地 址的緩沖 寄存 器中結(jié)束 符 ?N出口Y存入 數(shù)字碼寄 存器第 5 譯碼可在正式加工前一次性將整個程序翻譯完 ， 并在譯碼過程中對程序進行語法檢查 ， 若有語法錯誤則報警 ， 這種方式可稱之為編譯；另一種處理方式是在加工過程中進行譯碼 ， 即數(shù)控系統(tǒng)進行加工控制時 ， 利用空閑時間來對后面的程序段進行譯碼 ， 這種方式可稱之為解釋 。 用編譯方法可以節(jié)省時間 ， 使加工控制時數(shù)控系統(tǒng)不致太忙 ， 并可在編譯的同時進行語法檢查 ， 但需要占用的內(nèi)存較大 。 第 5 3) （ 1） 進給速度控制 。 開環(huán)系統(tǒng)的速度計算是根據(jù)程序的 F值來確定步進電動機進給脈沖頻率的 。合成的進給速度為 22YX FFF ?? 在閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)中 ， 由于采用數(shù)據(jù)采樣插補法進行插補計算 ， 因此進給速度是根據(jù)編程的 F值 ， 計算出每個采樣周期的輪廓步長來獲得的 。 為了保證機床在啟動或停止時不產(chǎn)生沖擊 、 失步 、 超程或振蕩 ， 必須對送到伺服驅(qū)動裝置的進給脈沖頻率或電壓進行加減速控制 。 在 CNC系統(tǒng)中 ， 加減速控制多數(shù)采用軟件來實現(xiàn) 。 第 5 圖 518 前加減速和后加減速控制 前加減速指令 速度 F 插補器后加 減速? X 精插補坐標 位置 X , Y后加 減速? YX ??Y ??第 5 前加減速控制僅對程編指令速度 F進行控制 ， 其優(yōu)點是不會影響實際插補輸出的位置精度 ， 缺點是需要預(yù)測減速點 ， 而預(yù)測減速點的計算量較大 。 加減速實現(xiàn)的方式有線性加減速 (勻加減速 )、 指數(shù)加減速和 sin曲線 (S)加減速 ， 圖 5－ 19為三種加減速的特性曲線 。 第 5 圖 519 (a) 線性加減速 。 (c) S曲線加減速 Otf( a )Otf( b )Otf(c )第 5 （ 3） 反向間隙及絲杠螺距補償 。 在點位 、 直線控制系統(tǒng)中 ， 位置精度中的定位精度影響工件的尺寸精度； 在輪廓控制系統(tǒng)中 ， 定位精度影響工件輪廓的加工精度 ， 產(chǎn)生輪廓失真 。 第 5 反向間隙又稱失動量 ， 是由進給機械傳動鏈中的導軌副間隙 、 絲杠螺母副間隙及齒輪副齒隙 、 絲杠及傳動軸的扭轉(zhuǎn) 、 壓縮變形 ,以及其他構(gòu)件的彈性變形等因素綜合引起的 。 反向間隙補償是在電動機改變轉(zhuǎn)向時 ， 讓電動機多轉(zhuǎn)動一個角度 ， 消除間隙后才正式計算坐標運動的值 ， 即空走不計入坐標運動 。 第 5 絲杠螺距累積誤差是在絲杠制造和裝配過程中產(chǎn)生的 ， 呈周期性的變化規(guī)律 。 位置誤差補償是通過對機床全行程的離線測量 ， 得到定位誤差曲線 ， 在誤差達到一個脈沖當量的位置處設(shè)定正或負的補償值 。 位置誤差補償數(shù)據(jù)作為機床參數(shù)存入數(shù)控系統(tǒng)中 。 第 5 圖 520 (a) 補償前； (b) 補償后 01050 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 50 0 位置 / m m誤差 / ?m－ 10－ 20－ 30－ 40( a )10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 50 0 位置 / m m( b )誤差 / ?m01. 0－ 1. 0－ 2. 0－ 3. 0第 5 4) 插補運算是 CNC系統(tǒng)中最重要的計算工作之一 。 第 5 5) 輸出控制主要完成伺服控制及 M、 S、 T等輔助功能 。 S功能的信息用于主軸轉(zhuǎn)速控制 ， 數(shù)控系統(tǒng)將譯碼后的 S信息傳送給主軸控制系統(tǒng) ， 由主軸控制系統(tǒng)對主軸進行控制 。 數(shù)控系統(tǒng)只需將譯碼后的 M、 T信息適時地傳送給可編程控制器 ， 就可完成諸如主軸 、 冷卻和潤滑 、 刀庫選刀及機械手換刀 、工作臺交換等控制 。 如前后臺程序的合理安排與協(xié)調(diào)工作 ， 中斷服務(wù)程序之間的相互通信 ， 控制面板與操作面板上各種信息的監(jiān)控等 。 在設(shè)計診斷程序時 ， 診斷程序可以包括在系統(tǒng)運行過程中進行檢查與診斷 ， 也可以作為服務(wù)程序在系統(tǒng)運行前或故障發(fā)生停機后進行診斷 。 串行通信接口需要有一定的控制邏輯 ， 發(fā)送