【正文】 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。 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 36 第二節(jié) CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu) ? 系統(tǒng)總線 (母板 )：由一組傳送數(shù)字信息的物理導(dǎo)線組成，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： – 數(shù)據(jù)總線 – 地址總線： – 控制總線： ? 工業(yè)用 PC機(jī)的總線母板是獨(dú)立的無源四層板（走線面、元件面、電源層和地線層），它的可靠性高于兩層板。 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 37 第二節(jié) CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu) 2. 顯示模塊 (顯示卡 ) ? 顯示卡的主要作用 ：接收來自 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)生所需要的畫面 。 ? 顯示卡是一個(gè)通用性很強(qiáng)的模塊。 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 39 第二節(jié) CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu) 3. 輸入 /出模塊 (多功能卡 ) ? 它是 CNC裝置與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的接口板 ， 即 CNC裝置通過該接口可以從輸入設(shè)備獲取數(shù)據(jù) ， 也可以將 CNC裝置中的數(shù)據(jù)送給輸出設(shè)備 。 如果計(jì)算機(jī)主板選用的是 ALLINONE 主板 ， 則此板可省略 。 因此 ， CNC裝置中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的合理選用是至關(guān)重要的 。 在 CNC裝置中它用來存放下列數(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 )； – 用戶的零件加工程序 。 – 光存儲(chǔ)器件，如：光盤（只讀）。 前兩類一般用作外存儲(chǔ)器，其特點(diǎn)是容量大，價(jià)格低。若按其讀寫性能來看，它又可分為三類 – 只讀存儲(chǔ)元件（ ROM、 PROM、 EPROM） – 易失性隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)元件（ RAM）。這類器件有： E2PROM； FLASH； 帶后備電池的 RAM。 ? 因電子器件組成的存儲(chǔ)單元是按磁盤的管理方式進(jìn)行的，故稱其為 電子盤 。 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 45 第二節(jié) CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu) 5. PLC(Programmable Logic Controller)模塊 ? PLC模塊 ： CNC裝置實(shí)現(xiàn)順序控制的模塊 。 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 46 第二節(jié) CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu) ? CNC裝置與被控設(shè)備交換的信息有三類： – 開關(guān)信號(hào)； – 模擬信號(hào)； – 脈沖信號(hào)。 ? 獨(dú)立型 （ Standalone Type） PLC ， 或稱為 “ 通用型 ” PLC 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 48 第二節(jié) CNC裝置的硬件體系結(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 。 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 50 第二節(jié) CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu) 7. 功能接口模塊 ? 實(shí)現(xiàn)用戶特定功能要求的接口板 ， ? 實(shí)例： – 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 。 本節(jié)將首先介紹系統(tǒng)軟硬件界面的關(guān)系 ，然后從系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)流的角度來分析 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程 ， 并從多任務(wù)性和實(shí)時(shí)性的角度來分析 CNC系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ， 最后介紹一個(gè)典型 CNC裝置系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu) 。 ? 在信息處理方面 ， 軟件與硬件在邏輯上是等價(jià)的 ，即硬件能完成的功能從理論上講也可以用軟件來完成 。 – 軟件設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度相對(duì)較慢。 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 57 CNC裝置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程示意圖 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 58 加工程序 譯 碼 譯碼緩沖區(qū) 刀補(bǔ)處理 刀補(bǔ)緩沖區(qū) 速度預(yù)處理 插補(bǔ)緩沖區(qū) 插補(bǔ)處理 運(yùn)行緩沖區(qū) 伺服驅(qū)動(dòng) 位控處理 位置反饋 PLC控制 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) ⒈ 譯碼 (解釋 ) 將用文本格式 （ 通常用 ASCII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 （ 本例是指刀補(bǔ)處理程序 ） 所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) （ 格式 ） 。 int block_num； //以 BCD碼的形式存放本程序段號(hào) 。 int F,S； //F（ mm/min） S（ r/min） 。 char G1； char M0； //以標(biāo)志形式存放 M指令 。 char D； //存放刀具補(bǔ)償?shù)牡毒甙霃街?。 后續(xù)程序（ 如刀補(bǔ)程序 ） 從該緩沖區(qū)組中獲取程序信息進(jìn)行工作 。 ? 根據(jù) R和 G41/42， 計(jì)算本段刀具中心軌跡的終點(diǎn)（ P’e/P〃 e） 坐標(biāo)值 。 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 64 Pe(200,300) P0 (72,148) X Y G41 G42 P’e P”e R eP? 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 3. 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 。 該數(shù)供插補(bǔ)程序判斷減速起點(diǎn)和終點(diǎn)之用。 經(jīng)插補(bǔ)計(jì)算后的數(shù)據(jù)存放在運(yùn)行緩沖區(qū)中 ， 以供位置控制程序之用 。 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 67 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 68 f（） 插補(bǔ)輸出 △ X1△ Y1 指令位置 X1新 Y1新 跟隨誤差 △ X3△ Y3 X2新 Y2新 實(shí)際位置 反饋位置增量 △ X △ Y2 X1舊 Y1舊 X2舊 Y2舊 速度指令 VX、 VY 圖 316 位置控制轉(zhuǎn)換流程 + + + + + 第三節(jié) CNC系統(tǒng)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 ； △ Y3= Y1新 Y2新 ； ? 計(jì)算速度指令值： VX=f（ △ X3） ； VY=f（ △ Y3） 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 69 第三節(jié) CNC系統(tǒng)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 。 VX、 VY送給伺服驅(qū)動(dòng)單元 ， 控制電機(jī)運(yùn)行 ，實(shí)現(xiàn) CNC裝置的軌跡控制 。 CNC裝置的系統(tǒng)軟件則可看成是一個(gè)專用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 。 同時(shí) ， 這些要求也應(yīng)是 CNC系統(tǒng)軟件的特點(diǎn) 。 ? CNC的功能則可定義為 CNC的任務(wù)： 顯示、譯碼、刀補(bǔ)、速度處理、插補(bǔ)處理、位置控制 、 … ? CNC系統(tǒng)的任務(wù)要求并行處理： 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 。 – 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 。 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 74 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) ? （ 4） 資源分時(shí)共享 （ 對(duì)單一資源的系統(tǒng) ） ? 在單 CPU結(jié)構(gòu)的 CNC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 ” 的技術(shù)關(guān)鍵： 其一：各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分配問題 。 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 75 資源（ CPU） 分時(shí)共享圖 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 76 … 譯碼 刀補(bǔ) I/O 顯示 初始化 位置控制 插補(bǔ)運(yùn)算 背景程序 4ms 8ms 16ms 中斷級(jí)別高 中斷級(jí)別低 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 各任務(wù)占用 CPU 時(shí)間示意圖 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 77 0ms 4ms 8ms 12ms 16ms 位置控制 插補(bǔ)運(yùn)算 背景程序 第三節(jié) CNC系統(tǒng)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 16ms） 內(nèi) ， CPU并行地執(zhí)行了兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù) 。 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 78 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) ?（ 5） 并發(fā)處理和流水處理 （ 對(duì)多資源的系統(tǒng) ） 在多 CPU結(jié)構(gòu)的 CNC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 的方法來實(shí)現(xiàn)并行處理 。 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 80 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 流水處理技術(shù)示意圖 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 81 1 2 3 1 2 3 2t t 空間 時(shí)間 順序處理 輸出 輸出 CPU1 時(shí)間 t+△ t t 空間 1 1 1 3 3 3 2 2 2 輸出 輸出 輸出 CPU1 CPU2 CPU3 并行處理 第三節(jié) CNC系統(tǒng)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 。 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 82 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) ⒉ 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 ? 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 。 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 。 主要包括 插補(bǔ)運(yùn)算 、 位置控制 等任務(wù) 。 在任務(wù)的執(zhí)行過程中 ， 除系統(tǒng)故障外 ， 不允許被其它任何任務(wù)中斷 。 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 。 下午 3時(shí) 19分 數(shù)控技術(shù) 85 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)