4數控技術第四章計算機數控裝置的軟硬件結構(完整版)

　　

【正文】 個或兩個以上帶 CPU的功能模塊 ， 各模塊有自己獨立的運行環境 ， 模塊間采用松耦合 ， 且采用通訊方式交換信息 。 經濟型數控裝置一般采用單微處理結構 ， 高級型 CNC裝置采用多微處理結構 。 傳動鏈誤差： 包括螺距誤差補償和反向間隙誤差補償功能 。 主軸修調率 —— 人工實時修調預先設定的主軸轉速。 進給速度 —— 控制刀具相對工件的運動速度 ， 單位為 mm/min。 CNC的控制軸分有：移動軸 （ X、 Y、 Z） 和回轉軸 （ A、 B、 C） ； 基本軸和附加軸 （ U、 V、 W） 。 編程方便： 具有多種編程的功能 、 程序自動校驗和模擬仿真功能 。 CNC裝置的硬件和軟件構成了 CNC系統的系統平臺 ， 如圖 43所示 。從外部特征來看 ， CNC裝置是由硬件 （ 通用硬件和專用硬件 ） 和軟件 （ 專用 ） 兩大部分組成的 ， 軟件在硬件的支持下運行 ， 離開軟件 ， 硬件便無法工作 ， 二者缺一不可 。 一 . CNC裝置的組成 2023/1/16 2 現代數控技術 ⒈ CNC裝置硬件的層次結構 CNC裝置的硬件具有一般計算機的 基本結構 ， 還有數控機床所特有的 功能模塊與接口單元 。 一 . CNC裝置的組成 2023/1/16 6 現代數控技術 圖 43 CNC系統平臺 硬件 操作系統 管理軟件 應用軟件 控制軟件 數控加工程序 接 口 被控設備 機 床 機器人 測量機 ...... 一 . CNC裝置的組成 2023/1/16 7 現代數控技術 具有靈活性和通用性 CNC裝置的功能大多由軟件實現，且軟硬件采用模塊化的結構，使系統功能的修改、擴充變得較為靈活。 維護維修方便： 部分日常維護工作自動進行 (潤滑 ， 關鍵部件的定期檢查等 )， 數控機床的自診斷功能 ， 可迅速實現故障準確定位 。 數控車床一般只需 X、 Z兩軸聯動控制 。 同步進給速度 —— 實現切削速度和進給速度的同步 ， 單位為 mm/r。 主軸準停 —— 該功能使主軸在徑向的某一位置準確停止。 非線性誤差補償功能： 對諸如熱變形 、 靜態彈性變形 、 空間誤差以及由刀具磨損所引起的加工誤差等 ， 采用 AI、 專家系統等新技術進行建模 ， 利用模型實施在線補償 。多微處理結構可以使數控機床向高速度 、 高精度和高智能化方向發展 。 第二節 CNC裝置的硬件結構 2023/1/16 27 現代數控技術 CPU 紙帶機接口 RS232 接口 CRT/MDI接口 手搖輪接口 ROM 接口 RAM 接口 PLC 接口 位控 單元 位控 單元 位控 單元 主軸 單元 D/A D/A D/A D/A 速度 單元 速度 單元 速度 單元 速度 單元 M M M M MST 功能 單微處理機數控裝置的結構圖 二 .單機或主從結構模塊的功能介紹 2023/1/16 28 現代數控技術 微處理器和系統總線 (母板 ) 微處理器由控制器和運算器組成 ， 是微處理機的核心 ， 他完成控制和運算兩方面的內容 。 顯示卡是一個通用性很強的模塊。強電線路不能與低壓下工作的控制電路或弱電路直接連接，只能通過中間繼電器、熱保護器、控制開關等轉換。 2023/1/16 35 現代數控技術 電子盤 (存儲模塊 ) 電子盤是 CNC裝置特有的存儲模塊 。 MDI接口 （ 手動數據輸入 ） MDI是通過數控面板上的鍵盤操作 。如系統初始化、中斷管理、總線裁決、系統出錯識別和處理。 該模塊指存放程序和數據的主存儲器，或功能模塊間數據傳送的共享存儲器。 由于多微處理機功能模塊獨立完成某一任務，所以某一功能模塊出故障，其它模塊照常工作，不至于整個系統癱瘓，只要換上正常模塊就解決問題，提高系統可靠性。 特點：硬件處理速度快，但靈活性差，實現復雜控制的功能困難軟件設計靈活，適應性強，但處理速度相對較慢 。 后續程序 （ 如刀補程序 ） 從該緩沖區組中獲取程序信息進行工作 。（如表 42） 例如：程序 N10 G91 G01 X100 Y50 F150 M03 LF 轉換成數控內部碼如表 43，為該零件程序段存儲器中的信息。譯碼程序從零件緩沖器中逐個輸入字符代碼，將其與相應數字作比較，若相等就說明輸入了該字符。 二、 CNC裝置的數據轉換流程 2023/1/16 56 現代數控技術 速度處理程序主要完成以下幾步計算： 計算本段總位移量： 直線：合成位移量 L； 園?。嚎偨俏灰屏?α 。 它的控制軟件也采用了計算機軟件技術中的許多先進技術 。 資源分時共享 —— 在規定的時間長度 （ 時間片 ） 內 ， 根據各任務實時性的要求 ， 規定它們占用 CPU的時間 ， 即使多個用戶按時間順序使用同一套設備 ， 使它們分時共享系統的資源 。 三 . CNC裝置的軟件系統特點 2023/1/16 70 現代數控技術 （ 2） 、 資源重復和時間重疊 三 . CNC裝置的軟件系統特點 時間重疊是根據流水處理技術，使多個處理過程在時間上相互錯開，輪流使用同一設備的幾個部分。 實時中斷類型：外部中斷 、 內部定時中斷 、 硬件故障中斷 、程序性中斷 實時性任務分類 : 強實時性任務 實時突發性任務；實時周期性任務 弱實時性任務 實時中斷處理 2023/1/16 75 現代數控技術 強實時性任務 實時突發性任務 ： 任務的發生具有隨機性和突發性 ， 是一種異步中斷事件 。 這類任務主要包括： CRT顯示 、 零件程序的編輯 、 加工狀態的動態顯示 、 加工軌跡的靜態模擬仿真及動態顯示等 。 四 . CNC系統軟件結構模式 2023/1/16 80 現代數控技術 前后臺程序運行關系圖 前臺程序 故障處理 位置控制 插補運算 …… 后臺程序 譯 碼 刀補處理 速度預處理 輸入 /輸出 顯示 中斷執行 循環執行 四 . CNC系統軟件結構模式 2023/1/16 81 現代數控技術 這種結構是將除了初始化程序之外 ， 整個系統軟件的各個任務模塊分別安排在不同級別的中斷服務程序中 ，然后 由中斷管理系統 （ 由硬件和軟件組成 ） 對各級中斷服務程序實施調度管理 ， 其管理的功能主要通過各級中斷服務程序之間的相互通信來解決 。 四 . CNC系統軟件結構模式 2023/1/16 84 現代數控技術 3. 基于實時操作系統的結構模式 實時操作系統（ Real Time Operating System RTOS）是操作系統的一個重要分支，它除了具有通用操作系統的功能外， 還具有任務管理、多種實時任務調度機制（如優先級搶占調度、時間片輪轉調度等）、任務間的通信機制（如郵箱、消息隊列、信號燈等）等功能 。 當以現有的實時操作系統為內核時 ， 即可大大減少系統的開發工作量和開發周期 。 四、操作面板接口 操作面板是由按鍵、顯示器和指示燈組成。 2023/1/16 93 現代數控技術 第四節 STD數控系統的硬件 六、 CRT顯示器接口 該接口板由 MC6847芯片、刷新存儲器 8KBRAM、方式寄存器74273和一些緩沖器、門電路組成。各個控制程序根據它們的實時性要求及重要性分別屬于不同等級的中斷服務程序 二、控制程序的組成 初始化程序 初始化程序的主要任務是為整個系統正常工作做準備。主要完成： EPROM區的檢查、系統工作區和緩沖區的檢查、 CTC進行初始化等 2023/1/16 95 現代數控技術 第五節 STD80數控系統的軟件 0級中斷服務程序 0級中斷服務程序主要完成位置控制、伺服系統狀態檢查和處理、4ms定時計時等工作。 STD總線送來的數據總線信號 D0D7，地址總線 A0A12經過緩沖放大器 7425后引入板內，刷新 RAM的存儲單元地址與熒光屏上的顯示位置一一對應，刷新 RAM中的每個單元數據代表著熒光屏上的相應位置的字符代碼或圖形信息。操作人員通過操作面板干預控制流程，修改零件程序，設定系統參數，操縱數控系統完成各種運動，也可通過操作面板了解數控系統中的有關數據和運行情況。系統選用 CMOS RAM作為“零件加工程序存儲器”、有刀具長度、刀具半徑補償和位置偏移等多種補償功能，系統可以設置若干參數。 四 . CNC系統軟件結構模式 2023/1/16 85 現代數控技術 基于實時操作系統 軟件結構圖 RTOS 模塊（任務）1 模塊（任務）2 模塊（任務）? …… 四 . CNC系統軟件結構模式 2023/1/16 86 現代數控技術 基于實時操作系統的結構模式的優點 （ 1）弱化功能模塊間的耦合關系 在本模式中，設計者只須考慮模塊自身功能的實現，然后按規則掛到實時操作系統上，而模塊間的調用關系、信息交換方式等功能都由實時操作系統來實現。 四 . CNC系統軟件結構模式 2023/1/16 82 現代數控技術 中斷型軟件系統結構圖 初始化 中斷管理系統（硬件 + 軟件） 0級中斷服務程序 級中斷服務程序 級中斷服務程序 級中斷服務程序 …… …… …… 1 n 2 四 . CNC系統軟件結構模式 2023/1/16 83 現代數控技術 中斷型 結構模式的特點 任務調度機制：搶占式優先調度 。 三 . CNC裝置的軟件系統特點 2023/1/16 78 現代數控技術 四 、 CNC系統軟件結構模式 結構模式 ： 指系統軟件的組織管理方式 ， 即系統任務的劃分方式 、 任務調度機制 、 任務間的信息交換機制以及系統集成方法等 。 實時周期性任務 ： 任務是精確地按一定時間間隔發生的 。 CNC裝置的硬件設計普遍采用資源重復的并行處理方法。 （ 各任務何時占用 CPU) 其二：各任務占用 CPU的時間長度 ， 即 時間片的分配問題 。 因此