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合工大数控课件3.3软件结构分析.ppt 30页
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合工大数控课件3.3软件结构分析
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3.1 计算机数控装置的概述3.2 数控装置的硬件结构3.3 数控装置的软件结构3.4 译码的软件设计基础3.5 插补原理3.6 补偿功能3.7 故障诊断功能和可编程控制器 3.3 数控装置的软件结构 一 CNC装置软硬件的分工； 二 CNC装置软件结构的特点； 三 CNC装置软件结构模式； 四 基于DOS的CNC系统软件结构； 五 其他基于实时操作系统的结构模式； 3.3 数控装置的软件结构
CNC装置的软件是为完成数控机床的 各项功能而专门设计和编制的一种专用软 件。其结构取决于硬、软件的分工、也取 决于软件本身的工作特点。软件功能是 CNC装置的功能体现。一些厂商生产的 CNC装置，硬件设计好后基本不变，而 软件功能不断升级，以满足制造业发展的 要求。 3.3 数控装置的软件结构 软件和硬件在逻辑上等价，由硬件完成的工作同样可以由软件完成。在CNC系统中，软硬件的分配比例，随微电子、计算机技术的发展而不断变化。 1952年到1970年，“硬联接”数控时代； 70年代后，进入了“软联接”的数控时代； 80年代后期：计算机数控（CNC）系统。 一 CNC装置软硬件的分工 二 CNC装置软件结构的特点
CNC系统是一个专用的实时多任务计 算机控制系统，它的控制软件也采用了 计算机软件技术中的许多先进技术。其 中： 1 多任务并行处理； 2 多重实时中断。
这两项技术的运用是CNC装置软件结 构的特点 1 多任务性和并行处理技术 1 多任务性和并行处理技术 2）多任务调度技术实现并行处理 （1）资源分时共享：
对单CPU装置而言，方法：在一定的 时间长度（通常称为时间片)内，根据系 统各任务的实时性要求程度，规定它们 占用CPU的时间，使它们按规定顺序和 规则分时共享系统的资源。
1 多任务性和并行处理技术
解决各任务占用CPU时间的 分配原则。
其一是各任务何时占CPU。即 任务的优先级分配问题。
其二是各任务占用CPU的时间 长度，即时间片的分配问题。 1 多任务性和并行处理技术 1 多任务性和并行处理技术 1 多任务性和并行处理技术 2）多任务调度技术实现并行处理
（2）并发处理和流水处理：
对多CPU装置而言
方法：任务关联程度不高的放在一个CPU 中让其同时执行为并发处理；任务关联程 度高采用流水处理。
1 多任务性和并行处理技术 2）多任务调度技术实现并行处理
（2）并发处理和流水处理：
流水处理技术是利用重复的资源（CPU），将 一个大的任务分成若干个子任务(任务的分法与 资源重复的多少有关)，这些子任务是彼此关系 的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个 子任务，就象在一条生产线上分不同工序加工 零件的流水作业一样。 1 多任务性和并行处理技术 CNC装置在自动加工工作方式时，其数 据转换过程由4个子过程组成：
零件程序输入 插补淮备(包括译码、刀具补偿和速度 处理)
插补 位置控制 1 多任务性和并行处理技术
在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以 上的任务在同时执行。
流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价(多个CPU) 换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的 快速性。 2 实时性和优先抢占机制 2 实时性和优先抢占机制 2 实时性和优先抢占机制 三 CNC装置软件结构模式 1 前后台型结构模式 该模式将CNC系统软件划分成两部分：
前台程序: 主要完成插补运算、位置控制、 故障处理等实时性很强的任务，它是一个实 时中断服务程序。
后台程序(背景程序): 完成显示、零件加工 程序的编辑管理、系统的输入/输出、插补预 处理（译码、刀补处理、速度预处理)等弱实 时性的任务，它是一个循环运行的程序， 1 前后台型结构模式 后台程序在运行过程中，不断地定时被前台实时中断 程序打断；前后相互配合来完成零件的加工任务。 2 中断型结构模式 在该结构中，除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任 务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（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调 度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。 3 基于实时操作系统的结构模式
实时操作系统（RTOS）是操作系统的一 个重要分支．它除了具有通用操作系统的功 能外，还具有任务管理、多种实时任务调度 机制（如优先级抢占调度、时间片轮转调度 等）、任务间的通信机制(如邮箱、消息队 列、信号灯等)等功能。优点: 1）弱化功能模块间的耦合关系； 2）系统的开放性和可维护性好； 3）减少系统开发的工作量。 四 基于DOS的
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CNC装置的软件结构
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3秒自动关闭窗口数控的分类，分别有哪几种_百度知道
数控的分类，分别有哪几种
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1、按机床运动的控制执进分类(1)点位控制数控机床。点位控制数控机床只要求控制机床的移动部件从一点移动到另一点的准确定位，对于点与点之间的运动轨迹的要求并不严格，在移动过程中不进行加工，各坐标轴之间的运动是不相关的。为了实现既快又精确的定位，两点间位移的移动一般先快速移动，然后慢速趋近定位点，从而保证定位精度。具有点位控制功能的机床主要有数控钻床、数控惶床和数控冲床等.(2)直线控制数控机床。直线控制数控机床也称为平行控制数控机床，其特点是除了控制点一与点之间的准确定位外.还要控制两相关点之间的移动速度和移动轨迹，但其运动路线只是与机床坐标轴平行移动，也就是说同时控制的坐标轴只有一个，在移位的过程中刀具能以指定的进给速度进行切削.其有直线控制功能的机床主要有数控车床、数控铣床和数控磨床等。(3)轮廓控制数控机床。轮廓控制数控机床也称连续控制数控机床，其控制特点是能够对两个或两个以上的运动坐标方向的位移和速度同时进行控制.为了满足刀具沿工件轮廓的相对运动轨迹符合工件加工轮廓的要求，必须将各坐标方向运动的位移控制和速度控制按照规定的比例关系精确地协调起来。因此，在这类控制方式中.就要求数控装置具有插补运算功能，通过数控系统内插补运算器的处理，把直线或圆弧的形状描述出来，也就是一边计算，一边根据计算结果向各坐标轴控制器分配脉冲量，从而控制各坐标轴的联动位移量与要求的轮廓相符合.在运动过程中刀具对工件表面连续进行切削，可以进行各种直线、圆弧、曲线的加工。数控机床点位控制的加工轨迹这类机床主要有数控车床、数控铣床、数控线切割机床和加工中心等，其相应的数控装置称为轮廓控制数控系统。根据它所控制的联动坐标轴数不同，又可以分为下面儿种形式。1)二轴联动。它主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线柱面。2)二轴半联动。它主要用于三轴以上机床的控制，其中两根轴可以联动，而另外一根轴可以作周期性进给。3)三轴联动。它一般分为两类，一类就是X,Y,Z三个直线坐标轴联动，比较多地用于数控铣床和加工中心等；另一类是除了同时控制X,Y,Z其中两个直线坐标轴外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴，如车削加工中心，它除了纵向((Z轴)、横向(X轴)两个直线坐标轴联动外，还要同时控制围绕Z轴旋转的主轴(C轴)联动.二、三轴半联动的曲面加工 4)四轴联动。它同时控制X,Y,Z三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动。如图3.10所示为同时控制X,Y,Z三个直线坐标轴与一个工作台回转轴联动的数控机床。5)五轴联动。除同时控制X,Y,Z三个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕这些直线坐标轴旋转的A,B,C坐标轴中的两个坐标轴，形成同时控制五个轴联动。这时刀具可以被定在空间的任意方向，如图3.11所示.比如控制刀具同时绕X轴和Y轴两个方向摆动.使得刀具在其切削点上始终保持与被加工的轮廓曲面成法线方向，以保证被加工曲面的光滑性，提高其加工精度和加工效率，减小被加工表面的粗糙度。四、五轴联动的数控机床2、按伺服系统拉制的方式进行分类(1)开环控制数控机床.开环控制数控机床的进给伺服驱动是开环的，即没有枪测反馈装置，一般它的49动电动机为步进电动机。步进电动机的主要特征是控制电路每变换一次指令脉冲信号，电动机就转动一个步距角，并且电动机本身就有自锁能力。数控系统输出的进给指令信号通过脉冲分配器来控制驭动电路.它以变换脉冲的个数来控制坐标位移量，以变换脉冲的频率来控制位移速度，以变换脉冲的分配顺序来控制位移的方向.因此，这种控制方式的最大特点是控制方便、结构简单、价格便宜。因为数控系统发出的指令信号流是单向的，所以不存在控制系统的稳定性问题，但由于机械传动的误差不经过反馈校正，因而位移精度不高。开环控制系统框(2)闭环控制数控机床。闭环控制数控机床的进给伺服驱动是按闭环反馈控制方式工作的，其驭动电动机可采用直流或交流两种伺服电动机，并需要具有位置反馈和速度反馈，在加工中随时检测移动部件的实际位移量，并及时反馈给数控系统中的比较器。它与插补运算所得到的指令信号进行比较，其差值又作为伺服驭动的控制信号，进而带动位移部件以消除位移误差。按位置反谈检侧元件的安装部位和所使用的反馈装置的不同，它又分为全闭环控制和半闭环控制两种控制方式。1)全闭环控制。其位置反馈装置采用直线位移检测元件(目前一般采用光栅尺)，安装在机床的工作台侧面，即直接检侧机床工作台坐标的直线位移M，并通过反馈消除从电动机到机床工作台的整个机械传动链中的传动误差，从而得到机床工作台的准确位置。这种全闭环控制方式主要用于精度要求很高的数控坐标惶床和数控精密磨床等。全闭环控制系统 2)半闭环控制。其位置反馈采用转角检测元件(目前主要采用编码器等)直接安装在伺服电动机或丝杠端部。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的控制特性。理杠等机械传动误差不能通过反馈来随时校正，但是可以采用软件定仇补偿方法适当提高其精度。目前，大部分数控机床采用半闭环控制方式。半闭环控制系统(3)混合控制数控机床。将上述控制方式的特点有选择地集中，可以组成棍合控制的方案。如前所述。由于开环控制方式稳定性好、成本低、精度差，而全闭环稳定性差.因此，为了互相弥补，以满足某些机床的控制要求，宜采用很合控制方式.采用较多的控制方式有开环补偿型和半闭环补偿型两种方式。3、按数控系统的功能水平分类按数控系统的功能水平，通常把数控系统分为低、中、高三档.这种分类方式，在我国用得较多.低、中、高三档的界限是相对的，不同时期，划分标准也会不同.就日前的发展水平看，可以根据表3. 1所示的一些功能及指标，将各种类IV的数控系统分为低、中、高档三类。其中，中、高档一般称为全功能数控或标准型数控。经济型数控属于低档数控，是指由单片机和步进电动机组成的数控系统，或其他功能简单、价格低的数控系统。经济型数控系统主要J月于车床、线切割机床以及旧机床改造等。4、按加工工艺及机床用途分类(1)金属切削类。金属切削类数控机床指采用车、铣、长、铰、钻、磨、刨等各种切削工艺的数控机床。它又可分为以下两类。1)普通型数控机床。如数控车床、数控铣床、数控磨床等。2)加工中心。其主要特点是具有自动换刀机构和刀具库，工件经一次装夹后，通过自动更换各种刀具，在同一台机床上对工件各加工面连续进行铣〔车)、锐、铰、钻、攻螺纹等多种工序的加工，如(惶/铣类)加工中心、车削中心、钻削中心等。(2)金属成形类.金属成形类数控机床指采用挤、冲、压、拉等成形工艺的数控机床.常用的有数控压力机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机等。(3)特种加工类。特种加工类数控机床主要有数控电火花线切割机、数控电火花成形机、数控火焰切割机、数控激光加工机等。
主营：机床主轴、顶针丝杠、轴加工、CNC数控加工、刀柄刀杆夹头
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CNC系统的控制软件结构特点
来源：www.elecfans.com 作者：本站日 23:01
[导读] CNC系统的控制软件结构特点&&& CNC系统是一个专用的实时多任务计算机系统，在它的控制软件中融合了当今计算机软件技术中的许多先进技术，其中
CNC系统的控制软件结构特点&&& CNC系统是一个专用的实时多任务计算机系统，在它的控制软件中融合了当今计算机软件技术中的许多先进技术，其中最突出的是多任务并行处理和多重实时中断。下面分别加以介绍。1、多任务并行处理(1) CNC系统的多任务性。CNC系统通常作为一个独立的过程控制单元用于工业自动化生产中，因此它的系统软件必须完成管理和控制两大任务。系统的管理部分包括输入、I/O处理、显示和诊断。系统的控制部分包括译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制。在许多情况下，管理和控制的某些工作必须同时进行。例如，当CNC系统工作在加工控制状态时，为了使操作人员能及时地了解CNC系统的工作状态，管理软件中的显示模块必须与控制软件同时运行。当CNC系统工作在NC加工方式时，管理软件中的零件程序输入模块必须与控制软件同时运行。而当控制软件运行时，其本身的一些处理模块也必须同时运行。例如，为了保证加工过程的连续性，即刀具在各程序段之间不停刀，译码、刀具补偿和速度处理模块必须与插补模块同时运行，而插补又必须与位置控制同时进行。下面给出CNC系统的任务分解图(图3-10(a))和任务并行处理关系图(图3-10(b))。在图3-10(b)中,双向箭头表示两个模块之间有并行处理关系。
(2) 并行处理的概念。并行处理是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。并行处理最显著的优点是提高了运算速度。拿n位串行运算和n位并行运算来比较，在元件处理速度相同的情况下，后者运算速度几乎提高为前者的n倍。这是一种资源重复的并行处理方法，它是根据“以数量取胜”的原则大幅度提高运算速度的。但是并行处理还不止于设备的简单重复，它还有更多的含义。如时间重叠和资源共享。所谓时间重叠是根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个部分。而资源共享则是根据“分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。目前在CNC系统的硬件设计中，已广泛使用资源重复的并行处理方法，如采用多CPU的系统体系结构来提高系统的速度。而在CNC系统的软件设计中则主要采用资源分时共享和资源重叠的流水线处理技术。(3) 资源分时共享。在单CPU的CNC系统中，主要采用CPU分时共享的原则来解决多任务的同时运行。一般来讲，在使用分时共享并行处理的计算机系统中，首先要解决的问题是各任务占用CPU时间的分配原则，这里面有两方面的含义：其一是各任务何时占用CPU；其二是允许各任务占用CPU的时间长短。在CNC系统中，对各任务使用CPU是用循环轮流和中断优先相结合的方法来解决。图3-10(c)是一个典型CNC系统各任务分时共享CPU的时间分配图。系统在完成初始化以后自动进入时间分配环中，在环中依次轮流处理各任务。而对于系统中一些实时性很强的任务则按优先级排队，分别放在不同中断优先级上，环外的任务可以随时中断环内各任务的执行。每个任务允许占有CPU的时间受到一定限制，通常是这样处理的，对于某些占有CPU时间比较多的任务，如插补准备，可以在其中的某些地方设置断点，当程序运行到断点处时，自动让出CPU，待到下一个运行时间里自动跳到断点处继续执行。(4) 资源重叠流水处理。当CNC系统处在NC工作方式时，其数据的转换过程将由零件程序输入、插补准备(包括译码、刀具补偿和速度处理)、插补、位置控制4个子过程组成。如果每个子过程的处理时间分别为&,那么一个零件程序段的数据转换时间将是
如果以顺序方式处理每个零件程序段，即第一个零件程序段处理完以后再处理第二个程序段，依此类推，这种顺序处理时的时间空间关系如图3-11(a)所示。从图上可以看出，如果等到第一个程序段处理完之后才开始对第二个程序段进行处理，那么在两个程序段的输出之间将有一个时间长度为t的间隔。同样在第二个程序段与第三个程序段的输出之间也会有时间间隔，依此类推。这种时间间隔反映在电机上就是电机的时转时停，反映在刀具上就是刀具的时走时停。不管这种时间间隔多么小，这种时走时停在加工工艺上都是不允许的。消除这种间隔的方法是用流水处理技术。采用流水处理后的时间空间关系如图3-11(b)所示。流水处理的关键是时间重叠，即在一段时间间隔内不是处理一个子过程，而是处理两个或更多的子过程。从图3-11(b)可以看出，经过流水处理后从时间&开始，每个程序段的输出之间不再有间隔，从而保证了电机转动和刀具移动的连续性。从图3-11（b）中可以看出，流水处理要求没一个处理子程序的运算时间相等。而在CNC系统中每一个子程序所需的处理时间都是不相等的，解决的办法是取最长的子程序处理时间为处理时间间隔。这样当处理时间较短的子程序时，处理完成之后就进入等待状态。
图3-11 资源重叠流水处理在单CPU的CNC装置中，流水处理的时间重叠只有宏观的意义，即在一段时间内，CPU处理多个子程序，但从微观上看，各子程序分时占用CPU时间。2、实时中断处理CNC系统控制软件的另一个重要特征是实时中断处理。CNC系统的多任务性和实时性决定了系统中断成为整个系统必不可少的重要组成部分。CNC系统的中断管理主要靠硬件完成，而系统的中断结构决定了系统软件的结构。其中断类型有外部中断、内部定时中断、硬件故障中断以及程序性中断等。(1) 外部中断。主要有纸带光电阅读机读孔中断、外部监控中断(如紧急停、量仪到位等)和键盘操作面板输入中断。前两种中断的实时性要求很高，通常把这两种中断放在较高的优先级上，而键盘和操作面板输入中断则放在较低的中断优先级上。在有些系统中，甚至用查询的方式来处理它。(2) 内部定时中断。主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断。在有些系统中，这两种定时中断合二为一。但在处理时，总是先处理位置控制，然后处理插补运算。(3) 硬件故障中断。它是各种硬件故障检测装置发出的中断，如存储器出错、定时器出错、插补运算超时等。(4) 程序性中断。它是程序中出现的各种异常情况的报警中断，如各种溢出、清零等。
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