【正文】 統(tǒng)中通常采用總線結(jié)構(gòu)。CNC裝置中的存儲器包括只讀存儲器（ROM）和隨機存儲器（RAM）兩種。即使斷電，程序也不會丟失。運算的中間結(jié)果，需要顯示的數(shù)據(jù)，運行中的狀態(tài)、標志信息等存放在隨機存儲器RAM中。加工的零件程序、機床參數(shù)、刀具參數(shù)等存放在有后備電池的CMOS RAM中，或者存放在磁泡存儲器中，這些信息在這種存儲器中能隨機讀出，還可以根據(jù)操作需要寫入或修改，斷電后，信息仍然保留。位置控制的硬件一般采用大規(guī)模專用集成電路位置控制芯片或控制模板實現(xiàn)。所有這些輸入都要有相應的接口來實現(xiàn)。單CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的特點是：CNC的所有功能都是通過一個CPU進行集中控制、分時處理來實現(xiàn)的；該CPU通過總線與存儲器、I/O控制元件等各種接口電路相連，構(gòu)成CNC的硬件；結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)；由于只有一個CPU的控制，功能受字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等因素的限制。該結(jié)構(gòu)有緊耦合和松耦合兩種形式。松耦合是指兩個或兩個以上的CPU構(gòu)成的功能模塊之間采用松耦合（相關(guān)性弱或具有相對的獨立性），有多重操作系統(tǒng)實現(xiàn)并行處理。在這種結(jié)構(gòu)中，每個CPU完成系統(tǒng)中規(guī)定的一部分功能，獨立執(zhí)行程序，它比單CPU結(jié)構(gòu)提高了計算機的處理速度。模塊間有明確的符合工業(yè)標準的接口，彼此間可以進行信息交換。多CPU的CNC系統(tǒng)由于每個CPU分管各自的任務，形成若干個模塊，如果某個模塊出了故障，其他模塊仍然照常工作。性能價格比高，適合于多軸控制、高進給速度、高精度的數(shù)控機床。共享總線結(jié)構(gòu)的各模塊之間的通信，主要依靠存儲器實現(xiàn)，采用公共存儲器的方式。其結(jié)構(gòu)如圖45所示：圖45 共享總線的多CPU結(jié)構(gòu)的CNC結(jié)構(gòu)框圖（2）共享存儲器結(jié)構(gòu) 在該結(jié)構(gòu)中，采用多端口存貯器來實現(xiàn)各CPU之間的互連和通信，每個端口都配有一套數(shù)據(jù)、地址、控制線，以供端口訪問。如圖46所示。共享存儲器I/O（CPU1）CRT（CPU2）插補（CPU3）軸控制（CPU4）圖46 共享存儲器的多CPU結(jié)構(gòu)框圖2． 多CPU CNC系統(tǒng)基本功能模塊：（1）管理模塊 該模塊是管理和組織整個CNC系統(tǒng)工作的模塊，主要功能包括：初始化、中斷管理、總線裁決、系統(tǒng)出錯識別和處理、系統(tǒng)硬件與軟件診斷等功能。（3）位置控制模塊 對坐標位置給定值與由位置檢測裝置測到的實際位置值進行比較并獲得差值、進行自動加減速、回基準點、對伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和漂移補償，最后得到速度控制的模擬電壓（或速度的數(shù)字量），去驅(qū)動進給電動機。（5）命令與數(shù)據(jù)輸入輸出模塊 指零件程序、參數(shù)和數(shù)據(jù)、各種操作指令的輸入輸出，以及顯示所需要的各種接口電路。第三節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的軟件是為完成CNC系統(tǒng)的各項功能而專門設(shè)計和編制的，是數(shù)控加工系統(tǒng)的一種專用軟件，又稱為系統(tǒng)軟件（系統(tǒng)程序）。不同的CNC裝置，其功能和控制方案也不同，因而各系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上和規(guī)模上差別較大，各廠家的軟件互不兼容。數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編制好的控制程序來實現(xiàn)各種控制的，而控制程序是根據(jù)用戶對數(shù)控系統(tǒng)所提出的各種要求進行設(shè)計的。在確定好控制方式、計算方法和控制順序后，將其處理順序用框圖描述出來，使系統(tǒng)設(shè)計者對所設(shè)計的系統(tǒng)有一個明確而又清晰的輪廓。但是它們各有特點：硬件處理速度快，造價相對較高，適應性差；軟件設(shè)計靈活、適應性強，但是處理速度慢。這也在很大程度上涉及到軟、硬件的發(fā)展水平。對于相同的硬件結(jié)構(gòu)，可以配備不同的軟件結(jié)構(gòu)。圖47 給出了不同時期和不同產(chǎn)品中的三種典型的CNC系統(tǒng)軟、硬件界面。其中系統(tǒng)管理包括輸入，I/O處理，通訊、顯示、診斷以及加工程序的編制管理等程序。如圖48 所示。也就是在許多情況下，管理和控制的某些工作必須同時進行。而控制軟件運行時，其中一些處理模塊也必須同時進行。圖49 CNC的任務并行處理關(guān)系需求事實上，CNC系統(tǒng)是一個專用的實時多任務計算機系統(tǒng)，其軟件必然會融合現(xiàn)代計算機軟件技術(shù)中的許多先進技術(shù)，其中最突出的是多任務并行處理和多重實時中斷技術(shù)。并行處理的優(yōu)點是提高了運行速度。資源重復是用多套相同或不同的設(shè)備同時完成多種相同或不同的任務。資源共享是根據(jù)“分時共享”的原則，使多個用戶按照時間順序使用同一套設(shè)備。目前CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)中，廣泛使用“資源重復”的并行處理技術(shù)。而在CNC裝置的軟件中，主要采用“資源分時共享”和“資源重疊的流水處理”方法。各個任務何時占用CPU及各個任務占用CPU時間的長短，是首先要解決的兩個時間分配的問題。圖410 所示為一個典型的CNC裝置各任務分時共享CPU的時間分配。而對于系統(tǒng)中一些實時性很強的任務則按優(yōu)先級排隊，分別處于不同的中斷優(yōu)先級上作為環(huán)外任務，環(huán)外任務可以隨時中斷環(huán)內(nèi)各任務的執(zhí)行每個任務允許占有CPU的時間受到一定的限制，對于某些占有CPU時間較多的任務，如插補準備（包括譯碼、刀具半徑補償何速度處理等），可以在其中的某些地方設(shè)置斷點，當程序運行到斷點處時，自動讓出CPU，等到下一個運行時間內(nèi)自動跳到斷點處繼續(xù)運行。如果每個子過程的處理時間分別為ΔtΔtΔtΔt4，那么一個零件程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間將是t=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4。圖411 a）表示了這種順序處理時的時間空間關(guān)系。這種時間間隔反映在電動機上就是電動機的時停時轉(zhuǎn)，反映在刀具上就是刀具的時走時停，這種情況在加工工藝上是不允許的。采用流水處理后的時間空間關(guān)系如圖411 b）所示。從圖中可以看出，經(jīng)過流水處理以后，從時間Δt4開始，每個程序段的輸出之間不再有間隔，從而保證了刀具移動的連續(xù)性。這樣在處理時間間隔較短的子過程時，當處理完后就進入等待狀態(tài)。即在一段時間內(nèi)，CPU處理多個子過程，但從微觀上看，每個子過程是分時占用CPU時間。CNC系統(tǒng)程序以零件加工為對象，每個程序段中有許多子程序，它們按照預定的順序反復執(zhí)行，各個步驟間關(guān)系十分密切，有許多子程序的實時性很強，這就決定了中斷成為整個系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。CNC的中斷類型如下：（1）外部中斷 主要有紙帶光電閱讀機中斷、外部監(jiān)控中斷（如：緊急停、量儀到位等）和鍵盤操作面板輸入中斷。在有些系統(tǒng)中，甚至用查詢的方式來處理它。在有些系統(tǒng)中將兩種定時中斷合二為一。（3）硬件故障中斷 它是各種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷。（4）程序性中斷 它是程序中出現(xiàn)的異常情況的報警中斷。三、常規(guī)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)決定于系統(tǒng)采用的中斷結(jié)構(gòu)。1．中斷型結(jié)構(gòu)模式中斷型軟件結(jié)構(gòu)的特點是除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的各種功能模塊分別安排在不同級別的中斷服務程序中，整個軟件就是一個大的中斷系統(tǒng)。一般在中斷型結(jié)構(gòu)模式的CNC軟件體系中，控制CRT顯示的模塊為低級中斷（0級中斷），只要系統(tǒng)中沒有其他中斷級別請求，總是執(zhí)行0級中斷，即系統(tǒng)進行CRT顯示。開機后，系統(tǒng)程序首先進入初始化程序，進行初始化狀態(tài)的設(shè)置、ROM檢查等工作。此后系統(tǒng)就進入各種中斷的處理，整個系統(tǒng)的管理是通過每個中斷服務程序之間的通信方式來實現(xiàn)的。整個系統(tǒng)的各個功能模塊被分為八級不同優(yōu)先級的中斷服務程序，如表41所示。CRT顯示被安排的級別最低，即0級，其中斷請求是通過硬件接線始終保持存在。1級中斷相當于后臺程序的功能，進行插補前的準備工作。在進入1級中斷服務時，先依次查詢口狀態(tài)字的0~12位的狀態(tài)，再轉(zhuǎn)入相應的中斷服務（表42）?？跔顟B(tài)字的置位有兩種情況：一是由其他中斷根據(jù)需要置1級中斷請求的同時置相應的口狀態(tài)字；二是在執(zhí)行1級中斷的某個口子處理時，置口狀態(tài)字的另一位。圖412 1級中斷各口處理轉(zhuǎn)換框圖2級中斷服務程序的主要工作是對數(shù)控面板上的各種工作方式和I/O信號處理。4級中斷最主要的功能是完成插補運算。此方法經(jīng)過CNC插補計算輸出的是一個插補周期T（8ms）的F指令值，這是一個粗插補進給量，而精插補進給量則是由伺服系統(tǒng)的硬件與軟件來完成的。5級中斷服務程序主要對紙帶閱讀機讀入的孔信號進行處理。6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。中斷請求的發(fā)生，除了第6級中斷是由4ms時鐘發(fā)生之外，其余的中斷均靠別的中斷設(shè)置，即依靠各中斷程序之間的相互通訊來解決。插補的第4級中斷在插補完一個程序段后，要從緩沖器中取出一段并作刀具半徑補償，這時就置第1級中斷請求，并把4號口置1。（1）開機 開機后，系統(tǒng)程序首先進入初始化程序，進行初始化狀態(tài)的設(shè)置，ROM檢查工作。每4ms的間隔，進入6級中斷。（2）啟動紙帶閱讀機輸入紙帶 作好紙帶閱讀機的準備工作后，將操作方式置于“數(shù)據(jù)輸入”方式，按下面板上的主程序MP鍵。當紙帶上的同步孔信號讀入時產(chǎn)生5級中斷請求。（3）啟動機床加工1）當按下機床控制面板上的“啟動”按鈕后，在2級中斷中，判定“機床啟動”為有效信息，置1級中斷7號口狀態(tài)，表示啟動按鈕后要求將一個程序段從MP區(qū)讀入BS區(qū)中。3）在1級中斷依次處理完后返回3號口處理，把一數(shù)控程序段讀入BS區(qū)，同時置已有新加工程序段讀入BS區(qū)標志。5）程序再轉(zhuǎn)入1級中斷，在4號口處理中，把BS內(nèi)容讀入AS區(qū)中，并進行插補軌跡計算，計算后置相應的標志。同時由于BS內(nèi)容已讀入AS，因此置1級中斷的8號口，表示要求從MP區(qū)讀一段新程序段到BS區(qū)。7）程序進入6級中斷，把4級中斷送出的插補進給量分兩次進給。再3號口處理中把新程序段從MP區(qū)讀入BS區(qū)。整個加工過程就是由以上各級中斷進行若干次處理完成的。其中包括：（a）設(shè)置軟件中斷。這樣每發(fā)生兩次6級中斷，設(shè)置一次4級中斷請求，每發(fā)生四次6級中斷，設(shè)置一次2級中斷請求。（b）每個中斷服務程序自身的聯(lián)接是依靠每個中斷服務程序的“口狀態(tài)字”位。進行1級中斷的某口的處理時可以設(shè)置“口狀態(tài)字”的其他位的請求，以便處理完某口的操作時立即轉(zhuǎn)入到其他口的處理。標志是各個程序之間通信的有效手段。而譯碼、刀具半徑補償?shù)仍?級中斷中進行。2． 前后臺型結(jié)構(gòu)模式該結(jié)構(gòu)模式的CNC系統(tǒng)的軟件分為前臺程序和后臺程序。這些功能與機床的動作直接相關(guān)。后臺程序運行中，實時中斷程序不斷插入，與后臺程序相配合，共同完成零件加工任務。這種前后臺型的軟件結(jié)構(gòu)一般適合單處理器集中式控制，對CPU的性能要求較高。后臺程序初始化實時中斷程序圖413 前后臺軟件結(jié)構(gòu)美國AB7360 CNC軟件是一種典型的前后臺型軟件。該圖的右側(cè)是實時中斷程序處理的任務，、閱讀機中斷和鍵盤中斷。閱讀機中斷僅在輸入零件程序時啟動了閱讀機后才發(fā)生，鍵盤中斷也僅在鍵盤方式下發(fā)生。背景程序是一個循環(huán)執(zhí)行的主程序，而實時中斷程序按其優(yōu)先級隨時插入背景程序中。此時，機床的主軸和坐標軸伺服系統(tǒng)的強電時斷開的，程序處于對“緊停復位”的等待循環(huán)中。一旦操作者按了“緊停復位”按鈕，接通機床強電時，程序下行，背景程序起動。各服務環(huán)的出口又循環(huán)到方式選擇例程，背景程序便轉(zhuǎn)到新的方式服務環(huán)中。圖414 7360 CNC軟件總框圖在背景程序中，自動/單段是數(shù)控加工中的最主要的工作方式，在這種工作方式下的核心任務是進行一個程序段的數(shù)據(jù)預處理，即插補預處理。所以圖414中段執(zhí)行程序的功能是將數(shù)據(jù)處理結(jié)果中的插補用信息傳送到插補緩沖器，并把系統(tǒng)工作寄存器中的輔助信息（S、M、T代碼）送到系統(tǒng)標志單元，以供系統(tǒng)全局使用。在這兩個標志建立之前，定時中斷程序盡管照常發(fā)生，但是不執(zhí)行插補及輔助信息處理等工作，僅執(zhí)行一些例行的掃描、監(jiān)控等功能。這兩個標志建立后，實時中斷程序即開始執(zhí)行插補、伺服輸出、輔助功能處理，同時，背景程序開始輸入下一程序段，并進行新一個數(shù)據(jù)段的預處理。這樣，在同一時間段內(nèi)，中斷程序正在進行本段的插補和伺服輸出，而背景程序正在進行下一段的數(shù)據(jù)處理。一般情況下，下一段的數(shù)據(jù)處理及其結(jié)果傳送比本段插補運行的時間短，因此，在數(shù)據(jù)段執(zhí)行程序中有一個等待插補完成的循環(huán)，在等待過程中不斷進行CRT顯示。若整個零件程序結(jié)束，一般情況下要停機。循環(huán)停處理程序是處理各種停止狀態(tài)的，例如在單段工作方式時，每執(zhí)行完一個程序段時就設(shè)立循環(huán)停狀態(tài)，等待操作人員按循環(huán)啟動按鈕。關(guān)于中斷程序，除了閱讀機和鍵盤中斷是在其特定的工作情況下發(fā)生外。該實時時鐘中斷服務程序是系統(tǒng)的核心。第四節(jié) CNC系統(tǒng)的輸入輸出與通信功能 一、 CNC裝置的輸入輸出和通信要求CNC裝置作為控制獨立的單臺機床設(shè)備時，通常需要與下列設(shè)備相接并進行數(shù)據(jù)的輸 入、輸出并與其他裝置設(shè)備進行信息交換和傳遞，具體要求如下：（1）數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)備。（2）外部機床控制面板，包括鍵盤和終端顯示器。其結(jié)構(gòu)可以是固定的，或者是懸掛式的。早期CNC裝置采用專用的遠距離輸出輸入接口，近來采用標準的RS232C／20mA電流環(huán)接口。（4）進給驅(qū)動線路和主軸驅(qū)動線路。例如，西門子公司Sinumerik3或8系統(tǒng)設(shè)有V24（RS232C）／20mA接口供程序輸入輸出之用。 而外部機床控制面板通過I／O模塊相連。隨著工廠自動化（FA）和計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的發(fā)展，CNC裝置作為FA或CIMS結(jié)構(gòu)中的一個基礎(chǔ)層次，用作設(shè)備層或工作站層的控制器時，可以是分布式數(shù)控系統(tǒng)（DNC或稱群控系統(tǒng)），柔性制造系統(tǒng)（FMS）的有機組成部分。CNC裝置除了要與數(shù)據(jù)輸出輸入設(shè)備等外部設(shè)備相連接外，還要與上級主計算機或DNC 計算機直接通信或通過工廠局部網(wǎng)絡相連，具有網(wǎng)絡通信功能。例如，機床起停信號、操作指令、機床狀態(tài)信息、零件程序的傳送，其他CNC數(shù)據(jù)的傳送等。 美國AB公司8600系統(tǒng)為滿足CIMS通信要求，配置如下三種接口：小型DNC接口；遠距離輸入輸出接口；數(shù)據(jù)高速通道（Data Highway），相當于工業(yè)局部網(wǎng)絡的通信接口。CNC裝置通過專用通信處理機，遠程緩沖存儲器， RS422接口，采用通信協(xié)議Protocol A或B，／s，若采用HDLC協(xié)議，傳送速率可達920Kbit／s。Sinumerik850／880系統(tǒng)除配置有標準的RS232C接口外，還設(shè)置有SINEC H1網(wǎng)絡接口和MAP（Manufacturing Automation Protocol 制造自動