第二章-计算机数控装置.doc

第二章 计算机数控装置第一节 概述一、CNC的基本构成计算机数控（Computerized numerical control,简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置（CNC装置）、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成，如图2-1所示。图2-1 CNC系统的组成图CNC系统的核心是CNC装置。由于使用了计算机，系统具有了软件功能，又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与上位机连接及进行远程通信的功能。二、CNC装置的组成及其工作过程CNC装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下工作，二者缺一不可。CNC装置的硬件除具有一般计算机所具有的微处理器（CPU）、存储器（ROM，RAM）、输入输出（I/O）接口外，还具有数控要求的专用接口和部件，即位置控制器、纸带阅读机接口、手动数据输入（MDI）接口和显示（CRT）接口。CNC装置硬件的组成如图2-2所示。图2-2 CNC装置硬件的组成框图图2-3 CNC装置软件的组成CNC装置的软件是为了实现CNC系统各功能而编制的专用软件，称为系统软件。在系统软件的控制下，CNC装置对输入的加工程序自动进行处理，并发出相应的控制指令。系统软件由管理软件和控制软件两部分组成，如图2-3所示。CNC装置的工作是在硬件的支持下，执行软件的全过程。软件和硬件各有不同的特点，软件设计灵活，适应性强，但处理速度慢；硬件处理速度快，成本却高。因此，在CNC装置中，数控功能的实现方法大致有分为三种情况：第一种情况是由软件完成输入、插补前的准备，硬件完成插补和位置控制；第二种情况是由软件完成输入、插补前的准备、插补，硬件完成位置的控制；第三种情况是由软件完成输入、插补前的准备、插补及位置控制的全部工作。CNC装置的工作流程及软硬件界面关系如图2-4所示。图2-4 CNC装置的工作流程及软硬件界面三、CNC装置的特点及可执行的功能（一） CNC装置的特点1灵活通用硬件系统采用模块化结构，易于扩展，通过变换软件还可以满足被控设备的各种不同要求。接口电路的标准化大大方便了生产厂家和用户。用同一种CNC系统就可以满足多种数控设备的要求。2控制功能的多样化CNC装置利用计算机强大的运算能力，可实现许多复杂的控制功能。如在线自动编程、加工过程的图形模拟、故障诊断、机器人控制以及网络化控制等。3使用可靠、维修方便 由于目前普遍采用大容量存储器存储零件程序，无需读带机直接参加工作，大大减少了故障率。另外，因为许多功能由软件实现，硬件所需元器件大为减少，从而提高了系统的性能和可靠性。 CNC 装置的诊断程序可以提示故障部位，减少了维修的停机时间。其编辑功能对编制程序十分方便，零件程序编好后可以显示程序，甚至可通过空运行显示刀具轨迹，检验程序的正确性。4 易于实现机电一体化由于CNC系统具有很强的通讯功能,便于与DNC、FMS和CIMS系统进行通讯联络。同时大规模集成电路的采用，使硬件元器件数目大为减少，CNC装置结构紧凑，与机床结合在一起。（二） CNC装置可执行的功能CNC装置的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是必备的数控功能；选择功能是可供用户根据机床特点和工作用途进行选择的功能。CNC装置的功能及其说明见表2-1。表2-1 CNC装置的功能及其说明功 能功 能 说 明基本功能控制功能主要反映CNC装置能够控制以及能够同时控制的轴数（即联动轴数）。控制的轴数越多，特别是联动轴数越多，CNC装置就越复杂。准备功能是指机床动作方式的功能。主要有移动、坐标设定、坐标平面选择、刀具补偿、固定循环等指令。G代码的使用有模态（续效）和非模态（一次性）两种。插补功能是指CNC装置可实现的插补加工线型的能力，如直线插补、圆弧插补和其它二次曲线与多坐标插补能力。进给功能是指切削进给、同步进给、快速进给、进给倍率等。它反映刀具进给速度，一般用F代码直接指定各轴的进给速度。刀具功能用来选择刀具，用T和它后面的2位或4位数字表示。主轴功能是指定主轴转速的功能，用S代码表示。主轴的转向用指令M03（正转）、M04（反转）指定。机床面板上设有主轴倍率开关，可以不修改程序就可改变主轴转速。辅助功能也称M功能，用来规定主轴的起停和转向、切削液的接通和断开、刀库的起停、刀具的更换、工件的夹紧或松开。字符显示功 能CNC装置可通过软件和接口在CRT显示器上实现字符显示，如显示程序、参数、坐标位置和故障信息等。自诊断功 能CNC装置有各种诊断程序，可以防止故障的发生和扩大。选择功能补偿功能CNC装置可以对加工过程中由于刀具磨损、更换刀具、机械传动的丝杠螺距误差和反向间隙所引起的加工误差给予补偿。固定循环功 能是指CNC装置为常见的加工工艺所编制的、可以多次循环加工的功能。该固定程序使用前，要由用户选择合适的切削用量和重复次数等参数，然后按固定循环约定的功能进行加工。用户若需编制适于自己的固定循环，可借助用户宏程序功能。固定显示功 能CNC装置一般可配置14英寸彩色CRT显示器，能显示人机对话编程菜单、零件图形、动态刀具轨迹等。通信功能CNC装置通常备有RS-232C接口，有的还备有DNC接口，设有缓冲存储器，可以按数控格式输入，也可以按二进制格式输入，进行高速传输。有的CNC装置还能与制造自动协议MAP相连，进入工厂通信网络，以适应FMS、CIMS的要求。人机对话编程功能不但有助于编制复杂零件的程序，而且可以方便编程。第二节 CNC装置的硬件结构 一、单微处理机与多微处理机结构CNC装置的硬件结构一般分为单微处理机和多微处理机两大类。早期的CNC和现在一些经济型CNC系统都采用单微处理机结构；随着数控系统功能的增加，机床切削速度的提高，为适应机床向高精度、高速度、智能化的发展，以及适应更高层次自动化（FMS和CIMS）的要求，多微处理机结构得到了迅速发展。（一）单微处理机结构这种结构只有一个微处理机，采用集中控制、分时方法处理数控的各个任务。有的CNC装置虽然有二个以上的微处理机，但其中只有一个微处理机能够控制系统总线，占有总线资源，而其它微处理机则为专用的智能部件，不能访问主存储器，它们组成主从结构，这类结构也属于单微处理机结构。单微处理机结构的框图如图2-5所示。从图中可看到，它主要由中央处理单元（CPU）、存储器、总线、外设、输入接口电路、输出接口电路等部分组成，这一点与普通计算机系统基本相同；不同的是，输出各坐标轴的数据信息，在位置控制环节中经过转换、放大后，需去推动机床工作台或刀架（负载）的运动；更为重要的是由计算机输出位置信息后，运动部件应尽可能不滞后地到达指令要求的位置。CPU稳压电源 +24V、+5V、+15VROM控制程序 主印刷线路板 读带接口电路 纸带读带装置 数 位置显示接口电路位置显示单元地手摇脉冲发生器接口电路 据 址 手摇脉冲发生器速度控制单元 位置控制电路DC伺服马达 总 总变换器磁泡存储器控制电路磁泡存储器I/O接口控制电路输入装置线 线MDI/CRT装置 打印机接口电路连接装置2 三相交流电源输入打印机连接装置1附加轴控制模拟主轴控制附加轴和模拟主轴控制接口电路图2-5 单微处理机CNC系统框图（二）多微处理机结构多微处理机结构是由两个或两个以上的微处理机来构成处理部件。各处理部件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接，每个微处理机共享系统公用存储器或I/O接口，每个微处理机分担系统的一部分工作，从而将在单微处理机的CNC装置中顺序完成的工作转为多微处理机的并行、同时完成的工作，因而大大提高了整个系统的处理速度。1多微处理机CNC装置的结构分类（1）共享存储器结构。多微处理机结构的框图如图2-6所示，其中包括4个微处理机，分别承担I/O、插补、伺服功能、零件程序编辑和CRT显示功能，适于2坐标轴的车床，3、4、5坐标轴的加工中心。该系统主要有4个子系统和1个公共数据存储器，每个子系统按照各自存储器所存储的程序执行相应的控制功能（如插补、轴控制、I/O等）。这种分布式处理机系统的子系统之间不能直接进行通信，都要同公共数据存储器通信。在公共数据存储器板上有优先级编码器，规定伺服功能微机级别最高，其次是插补微机、再次是I/O微机等。当2个以上的微机同时请求时，优先编码器决定先接受的请求，对该请求发出承认信号；相应的微机接到信号后，便把数据存到公共数据存储器的规定地址中，其它子系统则从该地址读取数据。图2-6 多微处理机共享存储器的结构（2）共享总线结构。以系统总线为中心的多微处理机结构，称多微处理机共享总线结构。CNC装置中的各功能模块分为带有CPU的主模块和不带CPU的各种（RAM/ROM，I/O）从模块两大类。所有主、从模块都插在配有总线插座的机柜内，共享标准系统总线。系统总线的作用是把各个模块有效地连接在一起，按要求交换数据和控制信息，构成一个完整的系统，实现各种预定的功能。只有主模块有权控制使用总线。由于某一时刻只能由1个主模块占有主线，因此必须有仲裁电路来裁决多个主模块同时请求使用系统总线的竞争。仲裁的目的是判别出各模块优先权的高低，而每个主模块的优先级别已按其担负任务的重要性被预先安排好。支持多微机系统的总线都有总线仲裁机构，通常有两种裁决的方式，即串行方式和并行方式。图2-7 多微处理机共享总线结构框图共享总线结构模块之间的通信主要依靠存储器来实现，大部分系统采用公共存储器方式。公共存储器直接插在系统总线上，有总线使用权的主模块都能访问，可供任意两个模块交换信息。多微处理机共享总线结构框图如图2-7所示。2多微处理机的结构特点（1）性能价格比高。多微机结构中的每个微机完成系统中指定的一部分功能，独立执行程序。它比单微机提高了计算的处理速度，适于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的控制要求。由于系统采用共享资源，而单个微处理机的价格又比较便宜，使CNC装置的性能价格比大为提高。（2）采用模块化结构，具有良好的适应性和扩展性。多微机的CNC装置大都采用模块化结构，可将微处理机、存储器、I/O控制组成独立微机级的硬件模块，相应的软件也采用模块结构，固化在硬件模块中。硬软件模块形成特定的功能单元，称为功能模块。功能模块间有明确定义的接口，接口是固定的，符合工厂标准或工业标准，彼此可以进行信息交换。这样可以积木式地组成CNC装置，使CNC装置设计简单、适应性和扩展性好、调整维修方便、结构紧凑、效率高。（3）硬件易于组织规模生产。由于硬件是通用的，容易配置，只要开发新的软件就可构成不同的CNC装置，因此多微处理机结构便于组织规模生产，且保证质量。（4）有很高的可靠性。多微处理机CNC装置的每个微机分管各自的任务，形成若干模块。如果某个模块出了故障，其它模块仍能照常工作；而单微处理机的CNC装置，一旦出故障就造成整个系统瘫痪。另外，多微处理机的CNC装置可进行资源共享，省去了一些重复机构，不但降低了成本，也提高了系统的可靠性。二、硬件各组成部分的功能和原理CNC装置的硬件组成部分主要有:CPU及总线、存储器、输入/输出设备接口（I/O接口）、位置控制器、显示设备接口、数控机床用可编程控制器PLC接口和通讯及网络接口等。（一）CPU及总线1 CPUCPU是CNC装置的核心，具有执行计算和控制功能的能力。CPU主要由控制单元、算术逻辑单元和一些暂存寄存器组成。CPU在CNC装置中工作时，其控制单元从存储器中依次取出加工程序指令，对指令译码后向CNC装置的各个部分按顺序发出执行操作的控制信号；同时接受执行部件发出的反馈信号，与程序中的指令信号比较后，决定下一步应执行的操作。在运算过程中，算术逻辑单元不断从存储器提取数据，并将运算结果送回存储器保存。通过对运算结果的分析判断，设置状态存储器相应状态。CPU与存储器、输入/输出接口等通过总线有机的组合在一起构成CNC装置。CNC装置中常用的CPU为8位、16位、32位和64位。CPU满足软件执行的实时性要求，主要体现在CPU的字长、运算速度、寻址能力、中断服务等方面。2 总线（BUS）总线是传送数据或交换信息的公共通道。在CPU内部一般采用三总线结构，即地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）。CPU板与其它模板如存储器板、I/O接口板等之间的连接采用标准总线，标准总线按用途分为内部总线和外部总线。数控系统中常用的内部标准总线有S-100、MULTI BUS、STD及VME等；外部总线有串行（如EIARS-232C）和并行（如IEEE-488）总线两种。（二）存储器（MEMORY）1 概述存储器用于存储系统软件（管理软件和控制软件）和零件加工程序等，将运算的中间结果和处理后的结果（数据）存取起来。数控系统所用的存储器为半导体存储器。基本存储电路是构成存储器的基础和核心，用来存储1位2进制信息“0”或“1”。基本存储电路分为静态和动态两类，即分为六管静态存储电路及四管、三管和单管动态存储电路等。2 半导体存储电路的分类和特点半导体存储电路的分类如图2-8所示。 图2-8 半导体存储电路的分类（1）随机存储器（读写存储器RAM）。用来存储零件加工程序，或作为工作单元存放各种输出数据、输入数据、中间计算结果，与外存交换信息以及作堆栈用等。其存储单元的内容既可读出又可写入或改写。各种读写存储器的特点见表2-2。表2-2 各种读写存储器的特点类 别特 点双极型RAM是以晶体管的触发器作为基本存取电路，其存储速度高，但管子较多，其集成度比MOS型低，功耗大、成本高。MOSRAM静态RAM是由六管MOS-FET触发器作为基本存储电路，其集成度高于双极型RAM，但低于动态RAM。它不需刷新，可省去刷新电路，功耗比双极型低，但比动态RAM高，要用电池作为后备电源。动态RAM是由单管线路组成，靠电容存取电荷，功耗比静态更低，价格也便宜，但需要2ms刷新一次的再生刷新电路。NVRAMNVRAM（non-volatile random access memory）称为非易失性随机存储器，由RAM、E2PROM和控制机构组成，在正常通电工作时与通常的RAM一样，但在断电时能将RAM的内容自动保存到E2PROM中，在通电时再由E2PROM恢复RAM的内容。（2）只读存储器ROM。专门存放系统软件（控制程序、管理程序、表格和常数）的存储器，使用时其存储单元的内容不可改变，即不可写入而只能读出，也不会因断电而丢失内容。各种只读存储器的特点见表2-3。表2-3 各种只读存储器的特点类 别特 点掩模ROM掩模ROM线路简单，制造容易，工作可靠。可编程序ROM（PROM）一旦被编程其内容就不能改写，只能用其余未使用过的区域进行更改和修补。可擦除ROMEPROMEPROM（erasable PROM）不可用电擦除，价格较低。E2PROME2PROM(electrically EPROM) 可用电擦除，其使用比EPROM方便，但价格要贵一些。KEPROMKEPROM(keyed access PROM)带有密码保护功能，是一种难以破译的只读存储器。（三）输入/输出（I/O）接口电路及相应的外部设备1 I/O接口I/O接口是指外设与CPU的联接电路。微机与外设要有输入输出数据通道，以便交换信息。一般外设与存储器间不能直接通信，需靠CPU对I/O接口的读或写操作，完成外设与CPU间输入或输出信息的操作。CPU向外设送出信息的接口称为输出接口，外设向CPU传递信息的接口称为输入接口，此外还有双向接口。微机中I/O接口包括硬件电路和软件两大部分。由于选用的I/O设备或接口芯片不同，I/O接口的操作方式也不同，因而其应用程度也不同。I/O接口硬件电路主要由地址译码、I/O读写译码和I/O接口芯片（如数据缓冲器和数据锁存器等）组成。在CNC 系统中I/O的扩展是为控制对象或外部设备提供输入/输出通道，实现机床的控制和管理功能，如开关量控制、逻辑状态监测、键盘、显示器接口等。I/O接口电路与其相连的外设硬件电路特性密切相关，如驱动功率、电平匹配、干扰抑制等。2 外部I/O设备及I/O接口（1）纸带阅读机及接口。CNC装置采用8单位纸带阅读机，根据光电转换原理，将纸带上记录的信息（有孔或无孔的状态）转换成相应的电信号，经过处理后送入CNC装置。光电转换原理如图2-9所示。图2-9 光电转换原理纸带垂直于画面的方向运动，纸带上方是光源，下方并排放有9个光敏元件，它们与9个孔（包括同步孔）一一对应。这样，当纸带运动通过光源时，有孔处光敏元件受光照，其反向电阻变小，即导通，输出低电平；无孔处光线被纸带遮挡，光敏元件反向电阻变大，即截止，输出高电平。由于纸带是快速通过光源的，所以光敏元件上便产生一系列脉冲信号，并用同步孔产生的同步信号作为选通信号，送入计算机。带卷带盘的纸带阅读机接口框图如图2-10所示。纸带阅读机接口电路由孔信号接受电路、纸带进给控制电路及走带和纸带盘控制电路等组成。 图2-10 纸带阅读机接口框图孔信号接受电路以发光二极管作为发光体，光敏三极管作为光信号接受器。纸带的8孔信号转换为电信号后，送入纸带数据寄存器寄存，纸带的同步孔信号经脉冲形成电路形成一个脉冲，送到中断请求触发器，向CPU发出中断请求，若CPU响应此中断，便从数据寄存器中接受存储器的8孔信号。纸带进给控制电路接受来自CPU的控制命令，驱动相应电磁铁，使纸带正向、反向或停止走动。走带和纸带盘控制电路接受来自CPU的控制命令，驱动正向或反向走带电动机。纸带盘的工作方式由一个三个位置控制开关转换，三个位置为释放、接通和断开。在释放位置放松纸带，以便装卸纸带；在接通位置接通纸带盘电动机；在断开位置不使用纸带盘。另外，还可用手动按钮控制纸带的正绕和反绕。(2)MDI接口。手动数据输入（MDI）是通过数控面板上的键盘（常为软触摸）进行操作的。当CPU扫描到按下键的信号时，就将数据送入移位寄存器，其输出经过报警检查。若不报警，数据经选择门、移位寄存器、数据总线送入RAM中；若报警，则数据不送入。MDI接口框图如图2-11所示。图2-11 MDI接口框图3CRT接口 CRT接口与CNC软件配合，在9英寸单色或14英寸彩色CRT上显示字符或图形。CRT显示器一般采用光栅扫描方式。以9英寸单色显示器为例，整个画面横向排列32个字符，纵向排列15行字符，总计可显示480个字符。每个字符的横向有10处点，纵向有16条线，实际为79点阵。CRT画面的字符位置如图2-12所示。图2-12 CRT画面的字符位置画面上，每个字符的位置按次序编为0479号地址，在显示控制电路中设置一只刷新存储器，其地址设计成与画面地址相符。这样，如果按光栅扫描的次序将刷新了的存储器内容送到字符发生器，并将它的ASC码变换为点阵的视频信号，再送到CRT显示器，就可显示出整幅的字符。图2-13 CRT显示器接口框图CRT显示器接口框图如图2-13所示。CRT显示控制电路由视频控制电路、刷新存储器（字符RAM或图形RAM）及其地址控制电路、字符发生器和CRT的水平垂直同步脉冲产生电路组成。CRT上可以显示程序、参数、各种补偿数据、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形（平面或立体）及刀具动态轨迹等。4数据输入/输出串行接口 CNC装置控制独立的单台机床时，通常需要与下列设备相接并进行数据的输入输出。（1）数据输入输出设备。如光电纸带阅读机、打印和穿复校设备（TTY）、零件的编程机和可编程控制器的编程机等。（2）外部机床控制面板。尤其是大型机床，为了操作方便常在机床上设外部的机床控制面板，可分为固定式或悬挂式两种。（3）通用的手摇脉冲发生器。（4）进给驱动和主轴驱动线路。一般情况下它们与CNC装置装在同一机柜或相邻机柜内，与CNC装置通过内部连线相联，它们之间不设置通用输出输入接口。此外，CNC装置还要与上一级主计算机或DNC计算机直接通信，或通过工厂局部网络相连，从而具有网络通信功能。(四)、机床的I/O控制通道机床的I/O控制通道是指微机与机床之间的联接电路。计算机数控系统对机床的控制常由数控系统中的I/O控制器和I/O控制软件共同完成。1I/O控制器的特点（1）能够可靠地传送控制机床动作的相应控制信息，并能够输入控制机床所需的有关状态信息。信息形式有三种：数字量I/O，开关量I/O和模拟量I/O。（2）能够进行相应的信息转换，满足CNC系统的输入与输出要求。输入时应满足计算机的输入要求，将机床的有关状态信息转换为数字形式；输出时应满足机床各种执行元件的要求，将数字信息转换为有关状态信息。信息转换主要包括数字/模拟量转换（D/A）、模拟/数字量转换（A/D）、并行的数字量转换成脉冲量、电平转换、电量到非电量的转换、弱电到强电的转换以及功率的匹配等。（3）具有较强的阻断干扰信号进入计算机的能力，以提高系统的可靠性。2I/O控制器的组成I/O控制器一般由I/O接口、光电隔离和信息转换几个部分组成，如图2-14所示。微机通过I/O接口输出数字量或开关量控制信息，经过光电隔离电路，再经过功率放大，驱动相应的执行元件。图2-14 简易型计算机数控系统组成框图三、华中数控系统硬件结构简介华中数控系统是我国为数不多具有自主版权的高性能数控系统之一。它以通用的工业PC机（IPC）和DOS、WINDOWS操作系统为基础，采用开放式的体系结构，使华中数控系统的可靠性和质量得到了保证。它适合多坐标（25）数控镗铣床和加工中心，在增加相应的软件模块后，也能适应于其它类型的数控机床（如数控磨床、数控车床等）以及特种加工机床（如激光加工机、线切割机等）。华中数控装置的硬件基本结构如图2-15所示。系统的硬件由工业PC机（IPC）、主轴驱动单元和交流伺服单元等几个部分组成。各组成部分介绍如下。（1）图2-15中的虑线框为一台IPC的基本配置，其中ALL-IN-ONE CPU卡的配置是CPU 80386以上、内存2MB以上、cache 128kB以上、软硬驱接口、键盘接口、二串一并通信接口、DMA控制器、中断控制器和定时器；外存是包括软驱、硬驱和电子盘在内的存储器件。 图2-15 单机或主从结构的CNC装置硬件结构（2）系统总线是一块由四层印刷电路板制成的无源母板。（3）图2-15中的单点画线部分是数控系统的操作面板，其中数控键盘通过COM2口直接写标准键盘的缓冲区。（4）图2-15中的双点画线的模块表示是可根据用户特殊要求而定制的功能模块。（5）位置单元接口根据伺服单元的不同而有不同的具体实施方案；当伺服单元为数字交流伺服单元时，位置单元接口可采用标准RS232C串口；当伺服单元为模拟式交/直流伺服单元时，位置单元接口采用位置环板；当用步进电机为驱动元件时（教学数控机床），位置单元接口采用多功能数控接口板。（6）光隔I/O板主要处理控制面板上以及机床测量的开关量信号。（7）多功能板主要处理主轴单元的模拟或数字控制信号，并回收来自主轴编码器、手摇脉冲发生器的脉冲信号。第三节 CNC软件结构一、概述CNC系统是一个典型而又复杂的实时控制系统，即能对信息快速处理和响应。一个实时控制系统包括受控系统和控制系统两大部分。受控系统由硬件设备组成，如电机及其驱动；控制系统（在此为CNC装置）由软件及其支持硬件组成，共同完成数控的基本功能。CNC装置的许多控制任务，如零件程序的输入与译码、刀具半径的补偿、插补运算、位置控制以及精度补偿等都是由软件实现。从逻辑上讲，这些任务可看成一个个的功能模块，模块之间存在着耦合关系；从时间上来讲，各功能模块之间存在一个时序配合。在许多情况下，某些功能模块必须同时运行，同时运行的模块是由具体的加工控制要求所决定。例如,在加工零件的同时,要CNC装置能显示其工作状态,如零件程序的执行过程、参数变化和刀具运动轨迹等，以方便操作者。这时，在控制软件运行时管理软件中的显示模块也必须同时运行；在控制软件运行过程中，其本身的一些功能也必须同时运行。为使刀具运行连续进行，在各程序段之间无停顿，则要求译码、刀具补偿和速度处理必须与插补同时进行。CNC装置各功能模块之间的并行处理关系如图形2-16所示，具有并行处理的两模块之间用双向箭头表示。输入译码刀具补偿速度处理插补控制显示位置控制诊断I/O 图2-16 并行处理关系二、CNC装置的软件结构CNC系统是一个大的多重中断系统，其中断管理主要由硬件完成，而系统软件的结构则取决于系统的中断结构。CNC的中断源有多种，主要有：外部中断、内部定时中断、硬件故障中断、程序性中断等。目前，CNC有两种类型的软件结构，一种是前后台型结构，另一种是中断型结构。（一）前后台型结构在前后台型结构的CNC装置中，整个系统分为为两大部分，即前台程序和后台程序。前台程序是一个实时中断服务程序，几乎承担了全部的实时功能（如插补、位置控制、机床相关逻辑和监控等），实现与机床动作直接相关的功能。后台程序是一个循环执行程序，一些实时性要求不高的功能，如输入译码、数据处理等插补准确工作和管理程序等均由后台程序承担，后台程序又称背景程序。在后台程序循环运行的过程中，前台的实时中断程序不停断的定时插入，二者密切配合，共同完成零件的加工任务。如图2-17所示，程序一经起动，经过一段初始化程序后便进入背景程序循环。同时开放定时中断，每隔一定时间间隔发生一次中断，执行完毕后返回背景程序，如此循环往复，共同完成数控的全部功能。 图2-17 前后台型结构图2-18 前后台型软件结构中的信息流前后台型软件结构中的信息流动过程如图2-18所示。零件程序段进入系统后，经过图中的流动处理，输出运动轨迹信息和辅助信息。1背景程序背景程序的主要功能是进行插补前的准备和任务的管理调度。它一般由三个主要的服务程序组成，为键盘、单段、自动和手动四种工作方式服务，如图2-19所示。各服务方式的功能见表2-4。图2-19 背景程序结构表2-4 工作方式的功能工作方式功 能 说 明键盘主要完成数据输入和零件加工程序的编辑。手动用来处理坐标轴的点动和机床回原点的操作。单段单段工作方式是加工工作方式，在加工完成一个程序段后停顿,等待执行下一步。自动自动工作方式也是加工工作方式，在加工一个程序段后不停顿，直到整个零件程序执行完毕为止。加工工作方式在背景程序中处于主导地位。在操作前的准备工作（如由键盘方式调出零件程序、由手动方式使刀架回到机床原点）完成后，一般便进入加工方式。在加工工作方式下，背景程序要完成程序段的读入、译码和数据处理（如刀具补偿）等插补前的准备工作，如此逐个程序段地进行处理，直到整个零件程序执行完毕为止。自动循环工作方式示意图如图2-20所示，在正常情况下，背景程序在1234中循环。图2-20 自动循环工作方式 图2-21 实时中断服务程序流程2实时中断服务程序实时中断服务程序是系统的核心。实时控制的任务包括位置伺服、面板扫描、PLC控制、实时诊断和插补。在实时中断服务程序中，各种程序按优先级排队，按时间先后顺序执行。每次中断有严格的最大运行时间限制，如果前一次中断尚未完成，又发生了新的中断，说明发生服务重叠，系统进入紧停状态。实时中断服务程序流程如图2-21所示。（二）中断型结构中断型结构的系统软件除初始化程序之外，将CNC的各种功能模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由软件和硬件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。也就是说，所有功能子程序均安排成级别不同的中断程序，整个软件就是一个大的中断系统，其管理功能是通过各级中断程序之间的相互通信来解决。各中断服务程序的优先级别与其作用和执行时间密切相关。级别高的中断程序可以打断级别低的中断程序。优先级及其功能如表2-5。中断服务程序的中断有二种来源：一种是由时钟或其他外部设备产生的中断请求信号，称为硬件中断（如：第0、1，4，6，7，8，9，10级）；另一种是由程序产生的中断信号，称为软件中断，这是由2 ms的实时时钟在软件中分频得出的（如第2，3，5级）。硬件中断请求又称作外中断，要接受中断控制器（如Intel8259A）的统一管理，由中断控制器进行优先排队和嵌套处理；而软件中断是由软件中断指令产生的中断，每出现4次2 ms时钟中断时，产生第5级8 ms软件中断，每出现8次2 ms时钟中断时，分别产生第3级和第2级16 ms软件中断，各软件中断的优先顺序由程序决定。因为软件中断有既不使用中断控制器，也不能被屏蔽的特点，因此为了将软件中断的优先级嵌入硬件中断的优先级中，在软件中断服务程序的开始，要通过改变屏蔽优先级比其低的中断，软件中断返回前，再恢复初始屏蔽状态。表2-5 中断功能一览表优先级主要功能中断源0初始化开机后进入1CRT显示，ROM奇偶校验由初始化程序进入2工作方式选择及预处理16ms软件定时3PLC控制，M、S、T处理16ms软件定时4参数、变量、数据存储器控制硬件DMA5插补运算，位置控制，补偿8ms软件定时6监控和急停信号，定时2、3、52ms硬件时钟7ARS键盘输入及RS232C输入硬件随机8纸带阅读机硬件随机9报警串行传送报警10RAM校验，电源断开硬件，非屏幕中断 （三）功能模块软件结构当前，为实现数控系统中的实时性和并行性的任务，越来越多地采用多微处理器结构，从而使数控装置的功能进一步增强，结构更加紧凑，更适合于多轴控制、高速进给速度、高精度和高效率的数控系统的要求。多微处理器CNC装置多采用模块化结构,每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能模块。相应的软件也模块化，形成功能模块软件结构，固化在对应的硬件功能模块中。各功能图2-22 功能模块软件结构模块之间有明确的硬、软件接口。 图2-22所示的功能模块软件结构主要由三大模块组成，即人机通信（MMC）模块、数控通道（NCK）模块和可编程控制器（PLC）模块。每个模块都是一个微处理器系统，三者可以互相通信。各模块的功能见表2-6。表2-6 三大模块的功能一览表模块功能说明MMC模块完成与操作面板、软盘驱动器及磁带机之间的连接，实现操作、显示、编程、诊断、调机、加工模拟及维修等功能。NCK模块完成程序段准备、插补、位控等功能。可与驱动装置、电子手轮连接；可和外部PC机进行通信，实现各种数据变换；还可构成柔性制造系统时信息的传递、转换和处理等。PLC模块完成机床的逻辑控制，通过选用通信接口实现联网通信。可连接机床控制面板、手提操作单元（即便携式移动操作单元）和I/O模块。三、华中数控系统的软件结构（一）软件结构说明 华中数控系统的软件结构如图2-23所示。图中虚线以下的部分称为底层软件，它是华中数控系统的软件平台，其中RTM模块为自行开发的实时多任务管理模块，负责CNC系统的任务管理管理调度。NCBIOS模块为基本输入输出系统，管理CNC系统所有的外部控制对象，包括设备驱动程序（I/O）的管理、位置控制、PLC控制、插补计算以及内部监控等。RTM和NCBIOS两模块合起来统称NCBASE，如图中双点画线框所示。图中虚线以上的部分称为过程控制软件（或上层软件），它包括编辑程序、参数设置、译码程序、PLC管理、MDI、故障显示等与用户操作有关的功能子模块。对不同的数控系统，其功能的区别都在这一层，系统功能的增减均在这一层进行；各功能模块通过NCBASE的NCBIOS与底层进行信息交换。图2-23 华中数控装置软件结构（二）NCBASE的功能1实时多任务的调度该功能由RTM模块实现。调度核心由时钟中断服务程序和任务调度程序组成。如图2-24所示。根据任务要求的调度机制（采用优先抢占加时间片轮转调度）和任务的状态，调度核心对任务实行管理，即决定当前哪个任务获得CPU的控制权，并监控任务的状态。系统中各个任务只能通过调度核心才能运行和终止。图2-24描述了各个任务与调度核心的关系，图中的实线表示从调度核心进入任务或任务在一个时间片内未能运行完而返回调度核心的状态；图中虚线表示任务在时间片内运行完毕返回调度核心的状态。图2-24 多任务调度图2设备驱动程序对于不同的控制对象，如加工中心、数控铣床、数控车床、数控磨床等，硬件的配置可能不同，而不同的硬件模块其驱动程序也不同。华中数控系统就很好的解决了这个问题。在配置系统时，所有的硬件模块的驱动程序都要在NCBIOS的NCBIOS.CFG中说明（格式为：DEVICE=驱动程序名）。系统在运行时，NCBIOS根据NCBIOS.CFG的预先设置，调入对应模块的驱动程序，建立相应的接口通道。3位置控制位置控制是NCBIOS的一个固定程序，主要是接受插补运算程序送来的位置控制指