数控技术_卢红_CNC装置软件结构
3计算机数控装置的软件结构
（三）多任务并行处理 1、CNC装置的多任务性（多任务分解图如P169图4.3.2） 软件任务的并行处理关系（如P169图4.3.3） 2、并行处理 并行处理：是指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。 并行处理的优点：提高运行速度。 并行处理方法：“资源重复”并行处理方法、“时间重叠”并行 处理方法、“资源共享”并行处理方法。 “资源重复”并行处理技术多应用于CNC装置的硬件结构中。
（二）数据处理程序 组成：数据处理程序又叫插补准备程序，它包 括译码、刀补、辅助功能处理和进给速度计算 等部分。 译码的功能：将输入的加工程序翻译成系统能 识别的语言。 运动轨迹计算：将工件轮廓轨迹转化为刀具中 心轨迹。 进给速度计算：主要解决刀具的运动速度问题。
在单CPU的CNC装置中，主要采用CPU分时共享的原则 来解决多任务的同时运行。 首先解决的两个时间问题：各任务何时占用CPU、各任 务占用CPU时间的长短。 分时共享CPU原理：系统在完成初始化任务后自动进入 时间分配循环中，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，分别处 于不同的中断优先级上作为环外任务，环外任务可以随 时中断环内各任务的执行。每个任务允许占有CPU的时 间受到一定的限制，对于某些占有CPU时间较多的任务， 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，等到下一个运行时间里自动跳到断 点处继续执行。
2、CNC系统中断结构模式 ①前后台软件结构中的中断模式（如P173图4.3.8） 前台程序是一个中断服务程序，完成全部的实时功能。 后台（背景）程序是一个循环运行程序，管理和插补 准备在这里完成，后台程序运行中，实时中断程序不 断插入，与后台程序相配合。 ②中断型软件结构中的中断模式 中断型软件结构中的特点是除了初始化程序之外，整 个系统软件的各种任务分别安排在不同级别的中断服 务程序中，整个软件就是一个大的中断系统，其管理 的功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通讯来 解决。
CNC装置的软件结构
CNC装置的软件结构CNC装置的软件是一个典型又复杂的实时系统，它的许多控制任务，如零件程序的输入与译码、刀具半径补偿、插补运算、位置控制以及精度补偿都是由软件实现的。
从逻辑上讲，这些任务可看成一个个功能模块，模块之间存在着偶合关系；从时间上讲，各功能模块之间存在一个时序配合问题。
在设计CNC装置的软件时，如何组织和协调这些这些功能模块，使之满足一定的时序和逻辑关系，就是CNC装置软件结构要考虑的问题。
一、CNC装置软件和硬件的功能界面CNC装置是由软件和硬件组成的，硬件为软件的运行提供支持环境。
在信息处理方面，软件与硬件在逻辑上是等价的，即硬件能完成的功能从理论上讲也可以由软件来完成。
但，硬件和软件在实现这些功能时各有不同的特点：硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。
软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。
如何确定合理确定软硬件的功能分担是CNC装置结构设计的重要任务。
这就是所谓软件和硬件的功能界面划分的概念。
划分准则是系统的性价比。
图1 CNC软件系统功能框图图1是CNC装置功能界面的几种划分方法。
这几种功能界面是CNC装置不同时期不同产品的划分。
其中后面两种是现在的CNC系统常用的方案。
反映出软件所承担的任务越来越多，硬件承担的任务越来越少。
一是因为计算机技术的发展，计算机运算处理能力不断增强，软件的运行效率大大提高，这为用软件实现数控功能提供了技术支持。
二是数控技术的发展，对数控功能的要求越来越高，若用软件来实现这些功能，不仅结构复杂，而且柔性差，甚至不可能实现。
而用软件实现则具有较大的灵活性，且能方便实现较复杂的处理和运算。
因而，用相对较少且标准化程度较高的硬件，配以功能丰富的软件模块CNC系统是当今数控技术的发展趋势。
二、CNC装置的数据转换流程CNC系统软件的主要任务之一是如何将零件加工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令。
其数据转换的过程如图2所示。
CNC装置的软件结构
CNC装置的软件结构1、CNC系统软件体系结构与软硬件界面现代数控系统是由硬件和软件共同组成的专用实时多任务计算机系统；CNC系统硬件（裸机）为软件的运行供应支持环境；数控系统的很多重要功能通过软件实现，分为管理软件和应用软件2类。
软件和硬件在规律上存在等价性；由硬件完成的工作，原则上也可以由软件完成；现代数控系统软件和硬件的关系不固定；硬件执行速度快，专用性强；软件执行速度慢，适应性强。
依据计算机运算速度、数控加工任务所要求的掌握精度、插补算法的运算时间及性能价格比等综合因素，确定CNC系统软件硬件设计方案。
典型软件硬件界面主要区分：“插补”和“位控”部分由硬件还是由软件实现。
2、CNC系统软件的工作过程CNC系统的工作是在硬件的支持下执行软件的全过程（输入、译码、数据处理、插补、位置掌握和诊断等过程）。
主要包括两部分信息的处理：机床的规律功能信息；零件加工程序的坐标掌握信息。
1）输入输入内容：零件程序、掌握参数和补偿数据。
输入方式：磁盘输入、光盘输入、键盘输入、通讯接口输入及连接上位计算机的DNC接口输入。
2）译码以一个程序段为单位，依据肯定的语法规章解释、翻译成计算机能够识别的数据形式，并以肯定的数据格式存放在指定的内存专用区内。
包括刀具补偿和速度掌握处理。
（1）刀具半径补偿处理刀补处理的主要工作：依据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值；依据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点坐标值；依据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。
（2）速度掌握处理加工程序给定的进给速度是合成速度，无法直接掌握。
速度处理要做的工作是依据合成速度来计算各运动坐标的分速度。
开环系统：通过掌握向步进电机输出脉冲的频率来实现。
速度计算的方法是依据程编的F值来确定该频率值。
半闭环和闭环系统：采纳数据采样方法进行插补加工，速度计算是依据程编的F值，将轮廓曲线分割为采样周期的轮廓步长。
4）插补通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作”。
CNC系统的软件结构
网络化
通过网络连接，实现多台 CNC系统的协同作业，提 高生产线的整体效率。
绿色环保
注重节能减排，采用新型 加工技术和环保材料，降 低生产过程中的环境污染 。
02
CNC系统的硬件结构
数控机床的结构
机械本体
包括床身、主轴、进给系统、 刀具系统等。
数控系统
数控装置、可编程控制器（PLC） 、主轴驱动系统、进给伺服系统等 。
数据管理：CNC系统可以存储和管理加 工数据，方便对生产过程进行监控和优 化。
故障诊断与排除：CNC系统具有故障自 诊断功能，能够快速定位并排除故障。
功能
加工过程控制：CNC系统可以控制机床 的运动轨迹，实现复杂零件的加工。
CNC系统的发展趋势
01
02
03
智能化
未来的CNC系统将更加智 能化，能够自适应调整加 工参数，提高加工效率和 精度。
输入输出设备与接口
输入设备
键盘、鼠标、触摸屏等，用于输 入数控代码、手动数据输入等。
输出设备
显示器、打印机等，用于显示机 床运行状态、加工过程等信息。
接口
包括与外部设备的接口，如计算 机接口、网络接口等，以及与机 床各个部件的接口，如伺服驱动
接口、变频器接口等。
03
CNC系统的软件结构
系统软件
操作系统
提供基本的系统功能，如进程管理、内存管 理、文件系统管理等。
网络通信软件
实现CNC系统与其他设备之间的数据交换和 通信。
数据库管理系统
用于存储和管理CNC系统的数据，包括机床 参数、加工工艺参数等。
设备驱动程序
与硬件设备交互，实现CNC系统的控制和监 测功能。
应用软件
CNC装置的软件结构
另一种是由程序产生的中断信号，称为软件中断，这是由2ms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2ms时钟中断时，产生第5级8ms软件中断，每出 现8次2ms时钟中断时，分别产生第3级和第2级16ms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。
2
工作方式选择及预处理
16ms软件定时
3
PLC控制，M、S、T处理
16ms软件定时
4 参数、变量、数据储存器控制
硬件DMA
5
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、 5
2 ms软件定时
7 ARS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
10
RAN校验，电源断开
功能说明 主要完成数据输入和零件加工程序的编辑 单端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
用来处理坐标轴的点动和机床回原点的操作 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
图3-14 背景程序结构 图3-14 背景程序结构
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，如此逐个程序段的进行处理，直到整个零件程序执行完毕为 止。自动循环工作方式如图3-15所示。在正常情况下，背景程序在1→2→3→4中 循环。 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“急停”状态。实时中断服务程 序流程如图3-16所示。 前台后软件结构的特点：前台程序是一个中断服务程序，用以完成全部的实时功能； 后台程序是一个循环运行程序，管理软件和插补准备在这里完成。后台程序运行时， 实时中断程序不断插入，前后台程序相配合，共同完成零件的加工任务。 前台后软件结构的缺点是程序模块间依赖关系复杂，功能扩展困难，程序运行时资 源不能合理协调。例如，当插补运算没有数据时，而后台程序正在运行图形显示， 使插补处于等待状态，只有当图形显示处理完后，CPU才有时间进行插补准备，向 插补缓冲区写数据时会产生停滞。
第五讲(2-4CNC装置的软件结构
CNC装置的多任务并行处理 1. CNC装置的多任务并行处理
（1）CNC装置的多任务性 ） 装置的多任务性 CNC控制要求的多任务性 控制要求的多任务性 任务定义： 任务定义： 可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。 可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。 CNC的功能则可定义为 的功能则可定义为CNC的任务： 的任务： 的功能则可定义为 的任务 显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、 显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控 制、…
管理方式： 管理方式： 单微处理机数控系统： 单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软 件结构。 件结构。 多微处理机数控系统： 多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功 能单元
2.4.1 CNC系统的软硬件界面 系统的软硬件界面
1.软件与硬件在实现各种功能的特点和关系 关系： 关系： 从理论上讲， 从理论上讲 ， 硬件能完成的功能也可以用软件 来完成。 来完成。 从实现功能的角度看， 从实现功能的角度看 ， 软件与硬件在逻辑上是 等价的。 等价的。
刀补缓冲区 加 工 程 序 译 码 刀 补 处 理 处 理
运行缓冲区 补 处 理 处 理
位置反馈
PLC控制 控制
译码缓冲区
插补缓冲区 CNC装置数据转换流程示意图 装置数据转换流程示意图
在系统软件中各程序间的数据交换方式一般都是通过缓冲区进 行的。 行的。 该缓冲区由若干个数据结构组成， 该缓冲区由若干个数据结构组成，当前程序段被解释完后便将 该段的数据信息送入缓冲区组中空闲的一个。 该段的数据信息送入缓冲区组中空闲的一个。 后续程序（如刀补程序） 后续程序（如刀补程序）从该缓冲区组中获取程序信息进行工 作。
CNC系统的任务要求并行处理： 系统的任务要求并行处理： 系统的任务要求并行处理 为了保证控制的连续性和各任务执行的时序配 为了保证控制的连续性和各任务执行的时序配 控制的连续性和各 要求， 系统的任务必须采用并行处理， 合要求，CNC系统的任务必须采用并行处理， 系统的任务必须采用并行处理 而不能逐一处理。 而不能逐一处理。 （2）并行处理 并行处理： 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。 种或两种以上性质相同或不相同的工作。 并行处理的优点: 提高了运行速度。 并行处理的优点: 提高了运行速度。
数控技术_卢红_数控编程基础
数控技术Numerical Control Technology武汉理工大学机电学院2005.12目录第二章数控编程基础 (3)第一节概述 (3)一什么叫数控编程（NC Programming） (3)二数控编程的代码 (4)三数控加工程序的结构 (5)第二节数控机床的坐标系 (6)一直线进给和圆周进给运动坐标系 (6)二机床坐标系与工件坐标系 (7)三绝对坐标与相对坐标 (7)第三节G指令编程应用与指令 (7)一坐标指令 (8)二快速定位指令----G00 (9)三直线插补指令---G01 (9)四圆弧插补指令---G02、G03 (9)五刀具半径补偿指令---G40、G41、G42 (10)六刀具长度补偿指令---G40（D00）、G43、G44 (11)七暂停指令---G04 (11)第三节程序编制中的数学处理 (11)一非圆曲线节点的计算 (11)小结 (14)第二章数控编程基础第一节概述一什么叫数控编程（NC Programming）将零件加工的工艺顺序、运动轨迹与方向、位移量、工艺参数（主轴转速、进给量、切深）以及辅助动作（换刀、变速、冷却液开停），按动作顺序、用数控机床的数控系统所规定的代码和程序格式，编制成加工程序单，再将程序单中的内容记录在磁盘（或纸带）等控制介质上。
这种从零件图纸刀到制成控制介质的过程，称为数控机床的程序编制。
由于数控机床的加工是按加工程序自动完成，加工过程不能人工干预，所以，程序编制的好坏直接影响零件加工的质量（能否加工出合格的零件）、数控机床的正确使用和数控加工特点的发挥。
因此，加工程序的编制工作是数控机床使用中最重要的一环。
普通机床加工，很大程度取决于操作工人的素质；数控机床的加工则取决于编程员的素质（知识（工艺、机床、数控技术等）、经验（编程、生产等）、责任心、合作精神、进取心）。
数控编程的步骤:1．分析零件图纸分析零件的材料、形状、尺寸、精度及毛坯形状和热处理要求，确定零件是否适宜在数控机床上加工、适宜在那台数控机床上加工。
4 CNC装置的硬软件结构1
磁盘驱动器
RAM ROM
I/O
I/O AB
接 口 DB 电 路 CB
CPU
缓 冲 与 接 口 通 道
位
置 D/A 控出 制
速 度 控 制
电 动 机
A/D 入 位置检测
开关量 /数控量 出
机床 逻辑 控制
机 床
磁带
磁带机
开关量
与
/数控量 入 检测
4.1 概述
2、中央处理单元（CPU）和总线（BUS）
4.1 概述
例：MDI接口框图
RC电路 门电路
定时控制
沿
RC电路 RC电路
门电路 门电路
检
测
DIN
检查 报警
选 择
SRI-N
器
控制选通
RAM
门 电 路
移 位 寄
存
器
移位寄存器
键盘
C1
译 码
驱
C2
动
器
4.2 CNC系统的硬件结构
CNC系统的硬件结构， 按其中含有CPU的多少可分为：
单微处理机结构和多微处理机结构； 按电路板的结构特点可分为：
4.2 CNC系统的硬件结构
CRT/MDI 操作面板 图形显示 模块(CPU)
插补模块 (CPU)
通讯模块 (CPU)
自动编程模块 (CPU)
FANUC BUS
PLC模块 (CPU)
位置控制模块 (CPU)
I/O单元
伺服驱动单元
主存储 器模块
主轴控 制模块 主轴单元
FANUC 15系统硬件结构
4.2 CNC系统的硬件结构
电可擦除可编程ROM（E2PROM）
存储系统 软件
CNC装置软件结构
CNC装置软件结构CNC装置的软件是为完成CNC数控机床的各项功能而特地设计和编制的，是一种专用软件，结构取决于软件的分工，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，以满意制造业进展的要求。
一、CNC装置软硬件的分工在CNC装置中，软件和硬件的分工由性能价格比打算的。
现代CNC 装置中，软件和硬件的分工是不固定的。
图4-7为数控系统软硬件分工的4种形式。
二、CNC装置软件结构的特点系统的掌握部分包括：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置掌握等软件。
如图4-8 所示。
CNC系统是一个专用的实时多任务计算机掌握系统，它的掌握软件也采纳了计算机软件技术中的很多先进技术。
其中多任务并行处理和多重实时中断两项技术的运用是CNC装置软件结构的特点。
1．多任务并行处理(1) CNC装置的多任务性CNC装置系统软件分为管理软件和掌握软件两部分。
多任务是指在数控加工时系统软件必需同时进行掌握与管理工作。
例如，为了便于操作人员能准时把握CNC的工作状态，管理软件中的显示模块必需与掌握模块同时运行；当CNC处于NC工作方式时，管理软件中的零件程序输入模块必需与掌握软件同时运行。
(2) 并行处理并行处理是计算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。
如为了保证加工过程的连续性，即刀具在各程序段间不停刀，译码、刀补和速度处理模块必需与插补模块同时运行，而插补又要与位置掌握必需同时进行等，这种任务并行处理关系如图4-9 所示。
运用并行处理技术可以提高运算速度。
并行处理方法：资源共享(软件设计)：“分时共享”，多个用户按时间挨次使用同一套设备。
资源重复(硬件设计)：通过增加资源提高运算速度。
时间重叠(软件设计)：依据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上错开，轮番使用同一套设备。
2. 实时中断处理CNC装置软件结构的另一个特点是实时中断处理。
数控技术_卢红_数控装置的轨迹控制原理
机电工程学院
第一节 概述
数控机床上进 行加工的各种工件， 行加工的各种工件， 大部分由直线和圆 弧构成。因此， 弧构成。因此，大 多数数控装置都具 有直线和圆弧的插 补功能。 补功能。对于非圆 弧曲线轮廓轨迹， 弧曲线轮廓轨迹， 可以用微小的直线 段或圆弧段来拟合。 段或圆弧段来拟合。
插补的任务就是要按照进给速度的要求， 插补的任务就是要按照进给速度的要求，在轮廓 的任务就是要按照进给速度的要求 起点和终点之间计算出若干中间控制点的坐标值。 起点和终点之间计算出若干中间控制点的坐标值。
机电工程学院
插补方法的分类 数控系统中完成插补运算工作的装置或程序称为 插补器，根据插补器的不同结构，可分为硬件插补器、 插补器，根据插补器的不同结构，可分为硬件插补器、 软件插补器及软、硬件结合插补器三种类型。早期的NC 软件插补器及软、硬件结合插补器三种类型。早期的 数控系统使用硬件插补器，它由逻辑电路组成， 数控系统使用硬件插补器，它由逻辑电路组成，特点是 运算速度快，但灵活性差，结构复杂，成本较高。 运算速度快，但灵活性差，结构复杂，成本较高。CNC 数控系统多采用软件插补器，它主要由微处理器组成， 数控系统多采用软件插补器，它主要由微处理器组成， 通过计算机程序来完成各种插补功能，特点是结构简单， 通过计算机程序来完成各种插补功能，特点是结构简单， 灵活易变，但速度较慢。 灵活易变，但速度较慢。随着微处理器运算速度和存储 容量的不断提高， 容量的不断提高，为了满足日益增长的插补速度和精度 要求，现代CNC数控系统大多采用软件插补或软、硬件 数控系统大多采用软件插补或软、 要求，现代 数控系统大多采用软件插补或软 插补相结合的方法。由软件完成粗插补， 插补相结合的方法。由软件完成粗插补，硬件完成精插 粗插补采用软件方法先将加工轨迹分割为线段， 补。粗插补采用软件方法先将加工轨迹分割为线段，精 插补采用硬件插补器将粗插补分割的线段进一步密化数 据点。 据点。粗、精插补相结合的方法对数控系统运算速度要 求不高，并可节省存储空间， 求不高，并可节省存储空间，且响应速度和分辨率都比 机电工程学院 较高。 较高。
数控技术第四章计算机数控装置的软、硬件结构
根据传输信息的不同，总线可以分为数据总线、地址总线和控制总 线三种类型。
总线的性能指标
总线的性能指标包括传输速度、带宽和同步方式等，这些指标决定了 总线的传输效率和稳定性。
03 软件结构
系统软件
01
02
03
操作系统
提供计算机数控装置运行 的基础环境，管理硬件资 源，提供基本的系统服务。
故障诊断
对检测到的故障信号进行分析和处理，确定故障 的性质和位置。
3
故障处理
根据故障诊断结果，采取相应的处理措施，如报 警提示、停机保护、故障修复等。
05 计算机数控装置的发展趋 势
高速化、高精度化发展趋势
高速化
随着现代制造业对加工效率的要求不断提高，计算机数控装 置的高速化发展趋势愈发明显。通过采用高性能处理器、高 速数据传输技术等手段，实现数控系统的高速运算和快速响 应。
存储器的容量和速
度
存储器的容量决定了可以存储的 程序和数据量，而存储器的速度 则影响程序的执行效率。
存储器的扩展方式
为了满足不同数控系统的需求， 可以通过插接式或嵌入式等方式 对存储器进行扩展。
输入/输出接口
输入接口
输入接口用于接收来自操作面板、手轮等输入设备的信号，将其 转换为计算机可以识别的数字信号。
根据加工程序中的轨迹 描述，通过插补算法计 算出每个插补周期内的 坐标增量。
位置控制
将插补运算得到的坐标 增量转换为相应的控制 信号，驱动伺服系统实 现工件的精确定位和加 工。
速度控制
根据加工要求，对伺服 系统的速度进行实时调 整，保证加工过程的稳 定性和效率。
故障诊断与处理
1 2
故障检测
通过传感器和监测电路实时检测数控装置及其外 围设备的运行状态。
4.2计算机数控装置的软件结构
硬件是基础，软件是灵魂硬件是基础，软件是灵魂1 CNC装置的软件组成数控装置的软件管理软件控制软件零件程序管理位置控制参数管理插补运算速度处理开关量控制译码主轴控制刀具补偿.... . .. . .通讯人机交互诊断零件程序编辑管理软件模块打开关闭零件程序管理文件检索删除复制输入输出程序检查零件程序编辑文本编辑M D I 输入轨迹模拟管理软件模块程序检查零件程序编辑文本编辑M D I 输入轨迹模拟管理软件模块管理软件模块参数管理机床参数刀补数据系统参数宏参数管理软件模块参数管理机床参数刀补数据系统参数宏参数管理软件模块参数管理机床参数刀补数据系统参数宏参数管理软件模块人机交互L C D 显示按键输入U SB 通讯通讯串口通讯网络通讯多C P U 模块通讯管理软件模块2 CNC系统工作过程输入信息→译码→数据处理→插补→位置控制输入内容：零件程序控制参数刀补数据输入方式：键盘输入串口输入USB接口输入连接上位计算机的DNC接口输入1）输入2）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译成计算机能识别的数据形式，并对程序段进行语法错误检查和逻辑错误检查，发现错误立即报警。
3）数据处理模块刀具补偿和速度处理刀具半径补偿根据按零件轮廓编制的程序和预先设定的偏置参数，数控装置实时自动生成刀具中心轨迹。
A’B’C”C B A G41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C’速度处理F指令给定的是合成速度，无法直接控制。
速度处理根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。
4）插补计算在给定轮廓线上的起点和终点之间，插入多个中间点位置坐标。
中间点的插入是根据一定的算法由数控装置控制软件或硬件自动完成。
OA98754321610YXA(5,3)XY逐点比较法DDA 法5）位置控制每个位置反馈采样周期，将插补给定值与反馈值进行比较，用差值去控制电机。
插补速度控制单元位控电机速检位检6）开关量控制：处理CNC装置与机床之间强电信号的输入和输出。
计算机数控装置的软、硬件结构
人机交互界面设计
人机交互界面是计算机数控装 置中硬件的重要组成部分，它 负责提供用户与数控装置之间
的交互界面。
人机交互界面设计需要考虑 用户的使用习惯和操作体验， 以提供友好、直观的操作界
面。
人机交互界面可以采用触摸屏、 键盘、鼠标等输入设备，以及 显示屏、指示灯等输出设备。
PART 05
发展趋势与挑战
高精度与高效率
高精度
随着制造业对产品精度要求的不断提高，计算机数控装置的高精度加工能力成 为其发展的关键。采用更精确的坐标测量技术、优化加工参数等手段，可以提 高数控装置的加工精度和稳定性。
高效率
高效率是计算机数控装置追求的重要目标之一。通过采用高速切削技术、优化 加工路径和减少空程时间等手段，可以提高数控装置的加工效率，缩短生产周 期。
数控装置主机
CPU
数控装置的核心，负责 数据处理和控制逻辑运
算。
存储器
总线
电源
用于存储数控程序、加 工数据和系统配置。
连接各个模块，实现数 据传输和控制信号传递。
提供稳定的电源，确保 数控装置正常工作。
伺服驱动系统
伺服电机
实现高精度位置控制和速度调节。
编码器
检测伺服电机的位置和速度，反馈给数控装 置主机。
实时控制算法是计算机数控装置中软件的核心 部分，它负责根据输入的参数和条件，计算出 控制输出，以实现对数控装置的精确控制。
实时控制算法需要考虑控制精度、响应速度和 稳定性等因素，以确保数控装置能够快速、准 确地响应指令。
实时控制算法可以采用传统的PID控制算法，也 可以采用现代的控制算法，如模糊控制、神经 网络控制等。
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2023 WORK SUMMARY
3.3CNC装置的软件结构
17
3.3 CNC系统的软件结构
0ms 4ms 8ms 12ms 16ms 位置控制
插补运算
背景程序
各任务占用CPU 时间示意图
18
3.3 CNC系统的软件结构
资源分时共享技术的特征
在任何一个时刻只有一个任务占用CPU； 在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地 执行了两个或两个以上的任务。
20
3.3 CNC系统的软件结构
☆资源重叠流水处理（多CPU）
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，这些小任务是彼此关系的，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。 资源重叠流水处理的特征 • 流水处理在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有 两个或两个以上的任务在并发执行。 • 流水处理的关键是时间重叠
｝ 00：G40； 11：G40
01：G41； 10；G42
8
3.3 CNC系统的软件结构
N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200 ； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -----------------------------------------------------------Struct PROG_BUFFER { char buf_state； 0：(开始)；1（；）⑨ int block_num； 06（N06）① double COOR[20]； COOR[1]=200000；（X200）⑥ COOR[2]=300000；（Y300）⑦ int F,S； F=200；（F200）⑧ char G0； D5=0；（G90）② D6,D7=0,1（G41）③ D1=1；（G01）⑤ …… char D； D=11（D11）④
CNC系统的软硬件结构
㈡单微处理器CNC装置的结构特点
⒈ CNC装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、 输入输出控制、CRT显示等功能都由它集中控制，分 时处理。 ⒉ 微处理器通过总线与存储器、输入输出控制等各种 接口相连，构成CNC装置； ⒊结构简单，容易实现； ⒋单微处理器因为只有一个微处理器进行集中控制， 其功能将受微处理器字长、数据宽度，寻址能力和运 算速度等因素限制。
第三章 CNC系统的软硬件结构
第一节 概述 第二节 CNC装置的硬件结构 一、CNC装置的硬件构成 二、单微处理器结构 三、多微处理器结构 第三节 CNC装置的功能及特点 一、CNC装置的功能 二、CNC装置的特点 第四节 CNC装置的软件结构 一、CNC装置的多任务并行处理 二、CNC装置的软件结构
㈠ 控制功能
控制功能是指CNC装置能够控制的以及能够同时控制 的轴数。控制功能是数控装置的主要性能指标之一。控制 轴有移动轴和回转轴，基本轴和附加轴。控制轴数越多， 特别是同时控制轴数越多，CNC装置的功能越强，同时 CNC装置就越复杂，编制零件加工程序也就越困难。
㈡ 准备功能
准备功能也称G功能，用来指令机床动作方式的功能， 包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补 偿、基准点返回、固定循环等指令。它用地址G和它后续 的两位数字表示。ISO标准中，准备功能从G00~G99共 100种。
直流模拟信号用于进给坐标轴和主轴的伺服控制或其它 接收、发送模拟量信号的设备。交流信号用于直接 控制功率 执行器件。接口电路的主要任务：
⑴进行电平转换和功率放大。
⑵为防止噪声引起误动作，对CNC和机床之间的信号进行电 气隔离。
9.3 CNC装置的软件结构
③数据处理程序——刀具半径补偿
刀具半径补偿方法 ： B刀补： 对加工轮廓的连接都是以园 弧进行的。但无法满足实际 应用中的许多要求，现在用 得较少。 C刀补 采用直线作为轮廓之间的过 渡，因此，它的尖角性好， 并丐它可自劢预报（在内轮 廓加工时） 过切，以避免产 生过切
刀具 编程轨迹
G41
C”
A CB
9.3 CNC系统的软件结构
②中断型结构 此结构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。
9.3 CNC系统的软件结构
Ⅰ、中断优先级安排
开机 初始化
9.3 CNC系统的软件结构
③数据处理程序——刀具半径补偿
刀补处理的主要工作： 根据G90/G91计算零件轮 Y
廓的终点坐标值。
G41
根据R和G41/42，计算本
段刀具中心轨迹的终点坐标值。
根据本段与前段连接关系，
进行段间连接处理。
R
B（XB，YB）
G42
A（XA，YA）
X
9.3 CNC系统的软件结构
资源分时共享（单CPU） 资源重叠流水处理（多CPU）
9.3 CNC系统的软件结构
②多重实时中断处理 中断：中止现行程序去执行另一个程序，待另一个程序处理
完毕后，再返回继续执行原程序。 多重中断：将中断按级别优先权排队，高级中断源能中断低
级的中断处理，等高级中断处理完毕后，再返回接着处理低级 中断尚未完成的工作。
据某一数学函数如直线、圆弧、高阶函数，来确定其 多个中间点位置坐标的运算过程。
插补程序以系统规定的插补周期△t定时运行，在 每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指 令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常，经 过若干次插补周期后 ，插补加工完一个程序段轨迹。
170830_1CNC数控装置系统软件的结构及其功能
170830_1CNC数控装置系统软件的结构及其功能CNC数控系统是由硬件和软件两部分组成。
通过系统控制软件配合系统硬件，合理地组织、管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息，然后控制数控加工中心各执行部件进行复杂而精密的动作，从而完成工件的自动加工。
硬件部分是看得见摸得着的部分，包括：中央处理单元、存储器、输入输出设备、操作面板、显示器、键盘和可编程控制器等，本文不再详尽赘述，我们主要看一下它的软件部分：一、软件部分的结构根据数控加工中心配置的CNC数控系统不同，其软件控制形式和结构也不完全一样，不过大体上差不多。
大体上都是由管理软件和控制软件组成，管理软件包括工件加工程序的输入输出程序、显示程序与故障诊断程序等；控制软件包括译码程序、刀具补偿计算程序、插补计算程序、速度控制程序和位置控制程序等。
CNC数控系统要求在同一时间或同一时间间隔内完成两种以上性质相同或不同的工作，因此需要对系统软件的各功能模块实现多任务并行处理。
根据机床不同的CNC数控系统配置，其结构形式也不完全一样。
较常见的软件结构形式有前后台型软件结构和中断型软件结构。
一般来说，数控加工中心配置的CNC数控系统控制软件常采用前后台型结构。
二、软件实现的功能CNC数控系统的控制软件一般存放在系统的EPROM内存中。
根据数控加工中心的加工特点，其功能一般包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序。
1、插补计算程序我们知道，数控加工中心可以进行复杂曲面工件的加工，这就要用到CNC数控系统的插补功能。
CNC数控系统根据工件加工程序中提供的曲线的种类、起点、终点等进行运算。
根据运算结果，分别向机床各坐标轴发出进给脉冲。
进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。
2、输入数据处理程序工件加工程序输入到CNC数控系统后，通过软件系统将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。
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CNC系统软件的结构特点： CNC系统软件的结构特点： 多任务并行处理； 多任务并行处理； 前后台型软件结构； 前后台型软件结构； 实时中断处理； 实时中断处理； 数控软件操作系统； 数控软件操作系统；
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１.多任务并行处理
（１） CNC装置的多任务性 装置的多任务性
数控装置
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2．译码 ．
译码处理是以一个程序段为单位对零件 数控加工程序进行处理。在译码过程中， 数控加工程序进行处理。在译码过程中， 首先对程序段的语法进行检查， 首先对程序段的语法进行检查，若发现错 立即报警。若没有错误， 误，立即报警。若没有错误，则把程序段 中的零件轮廓信息（如起点、终点、 中的零件轮廓信息（如起点、终点、直线 或圆弧等）、加工速度信息（F代码）和其 或圆弧等）、加工速度信息（ 代码） ）、加工速度信息 代码 它辅助信息（ 、 、 代码等 代码等） 它辅助信息（M、S、T代码等）按照一定 的语法规则解释成微处理器能够识别的数 据形式， 据形式，并以一定的数据格式存放在指定 存储器的内存单元。 存储器的内存单元。
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a）顺序处理 ） 输出
N2 N1 1 2 3 4 1 2 3 4
空间
消除这种间隔的方法是使用 流水处理技术。 流水处理技术。采用流水处理 后的时间空间关系如右图所示。 后的时间空间关系如右图所示。 流水处理的关键是时间重叠， 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空间 一个子程序， 一个子程序，而是处理两个或 N4 更多的子程序。 更多的子程序。从右图可以看 N3 经过流水处理后从时间△ 出，经过流水处理后从时间△t N2 N1 开始， ４开始，每个程序段的输出之间 不再有间隔，从而保证了电机 不再有间隔， 的转动和刀具移动的连续性。 的转动和刀具移动的连续性。
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输入 译 显示 诊断 码 ↓ 刀具补偿 ↓ 速度处理
插补
控制
I/O
位置 控制
任务的并行处理
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１）资源分时共享并行处理
0ms 4ms 8ms 12ms 16ms 位置控制
插补运算
背景程序
各任务占用CPU 时间示意图 各任务占用
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２）资源重叠流水处理
当 CNC 装置在自动加工工 作方式时， 作方式时，其数据的转换过程 将由零件程序输入， 将由零件程序输入， 插补准备 包括译码、 ( 包括译码 、 刀具补偿计算和 速度处理等) 、 插补 、 位置控 速度处理等 ) 插补、 制四个子过程组成。 制四个子过程组成。 如果各个 子程序的处理时间分别为△ 子程序的处理时间分别为△t１ 、 △ t ２ 、 △ t ３ 、 △ t ４ ， 那么 — 个零件程序段的数据转换时 间将是t 间将是 t ＝ △ t １ +△t ２ +△t ３ +△t４ 。
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CNC系统软件的工作过程 系统软件的工作过程 1．输入 ． CNC系统的输入内容包括零件数控加 系统的输入内容包括零件数控加 工程序、控制参数和补偿数据。一般通过键 工程序、控制参数和补偿数据。 接口等方式输入， 盘、RS232C接口等方式输入，这些输入方 接口等方式输入 式采用中断方式来实现， 式采用中断方式来实现，且每一种输入法均 有一个相对应的中断服务程序。 有一个相对应的中断服务程序。其工作过程 是先输入零件加工程序， 是先输入零件加工程序，然后将程序存放到 缓冲器中，再经缓冲器将程序存储在零件程 缓冲器中， 序存储器单元内。 序存储器单元内。对于控制参数和补偿数据 等可通过键盘输入存放在相应的数据寄存器 内。
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（2）并行处理 并行处理是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。 不相同的工作。 并行处理方法有：资源共享、 并行处理方法有：资源共享、资源重复和时间 重叠。 重叠。 CNC装置的硬件设计通常采用资源重复的并行 装置的硬件设计通常采用资源重复的并行 处理方法。 处理方法。而CNC装置的软件设计则采用资源分 装置的软件设计则采用资源分 时共享和资源重叠的流水线处理技术。 时共享和资源重叠的流水线处理技术。
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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 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 机控制系统， 软件技术中的许多先进技术。 软件技术中的许多先进技术。其中多任务并 行处理和多重实时中断两项技术的运用是 CNC装置软件结构的特点。 装置软件结构的特点。 装置软件结构的特点
管理任务 刀 具 补 偿
控制任务 速 度 处 理
位
输 入
I/O 处 理
显制
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CNC装置的软件构成包括管理软件和控制软 装置的软件构成包括管理软件和控制软 件两大部分。在多数情况下， 件两大部分。在多数情况下，CNC装置进行数控 装置进行数控 加工时，要完成多种任务。 加工时，要完成多种任务。管理软件和控制软件 的某些工作必须同时进行。例如， 的某些工作必须同时进行。例如，为使操作人员 能及时了解CNC装置的工作状态，管理软件中的 装置的工作状态， 能及时了解 装置的工作状态 显示模块，必须与控制软件中其它模块同时运行。 显示模块，必须与控制软件中其它模块同时运行。 当在插补加工运行时， 当在插补加工运行时，管理软件中的零件程序输 入模块必须与控制软件中的相关模块同时运行。 入模块必须与控制软件中的相关模块同时运行。 而当控制软件运行时， 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， 必须同时运行。例如，为了保证加工过程的连续 即刀具在各程序段之间不停刀，译码、 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， 补偿和速度处理模块必须与插补模块同时运行， 而插补程序又必须与位置控制程序同时进行。 而插补程序又必须与位置控制程序同时进行。为 此，数控加工的多任务常采用并行处理的方式来 实现， 实现，即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。 成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。
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5．位置控制 ．
位置控制是在伺服系统的每个采样周 期内， 期内，将精插补计算出的理论位置与实际 反馈位置信息进行比较， 反馈位置信息进行比较，其差值作为伺服 调节的输入，经伺服驱动器控制伺服电机。 调节的输入，经伺服驱动器控制伺服电机。 在位置控制中通常还要完成位置回路的增 益调整、 益调整、各坐标的螺距误差补偿和反向间 隙补偿，以提高机床的定位精度。 隙补偿，以提高机床的定位精度。
位置反馈 插 补 处 理
位 置
加工程序
译
刀 补 预 处 理
速 度 预 处 理
伺服驱动 PLC
译
缓冲区 刀补缓冲区
插补缓冲区
行缓冲区
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2. 前后台软件结构
前后台型软件结构适合于单微处理器CNC装 装 前后台型软件结构适合于单微处理器 在这种软件结构中， 置。在这种软件结构中，前台程序是一个实时中 断服务程序，承担了几乎全部的实时功能， 断服务程序，承担了几乎全部的实时功能，实现 与机床动作直接相关的功能，如插补、位置控制、 与机床动作直接相关的功能，如插补、位置控制、 机床相关逻辑和监控等。 机床相关逻辑和监控等。后台程序是一个循环执 行程序，承担一些实时性要求不高的功能， 行程序，承担一些实时性要求不高的功能，如输 译码、数据处理等插补准备工作， 入、译码、数据处理等插补准备工作，管理程序 一般也在后台运行。 一般也在后台运行。在后台程序循环运行的过程 前台的实时中断程序不断地定时插入， 中，前台的实时中断程序不断地定时插入，二者 密切配合，共同完成零件的加工任务。 密切配合，共同完成零件的加工任务。
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6．诊断 ．
诊断程序包括在系统运行过程中进行 的检查与诊断， 的检查与诊断，和作为服务程序在系统运 行前或故障发生停机后进行的诊断。 行前或故障发生停机后进行的诊断。诊断 程序一方面可以防止故障的发生， 程序一方面可以防止故障的发生，另一方 面在故障出现后， 面在故障出现后，可以帮助用户迅速查明 故障的类型和发生部位
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CNC装置 CNC装置
软件：设计灵活，适应性强，但 软件：设计灵活，适应性强， 处理速度较慢； 处理速度较慢； 硬件：处理速度快，但价格较贵。 硬件：处理速度快，但价格较贵。
支 持
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 同样可以由软件完成。在CNC系统中，软硬件的 ， 计 的 。 1952 1970 ， 硬 ； 70 ， 软 的 ； 80 CNC 系统。 系统。 ：计
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CNC装置的软件构成如图 所示，包括管理软件和控制软件两大部 装置的软件构成如图4-4所示， 装置的软件构成如图 所示 分。管理软件主要包括输入、I／O处理、通信、诊断和显示等功能。 管理软件主要包括输入、 ／ 处理、通信、诊断和显示等功能。 处理 控制软件包括译码、刀具补偿、速度控制、 控制软件包括译码、刀具补偿、速度控制、插补和位置控制及开关量 控制等功能。 控制等功能。
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4．插补 ．
插补是在一条给定了起点、 插补是在一条给定了起点、终点和形状的曲 线上进行“数据点的密化” 线上进行“数据点的密化”。根据给定的进给速 度和曲线形状， 度和曲线形状，计算一个插补周期内各坐标轴进 给的长度。 给的长度。数控系统的插补运算是一项精度要求 较高、实时性很强的运算。 较高、实时性很强的运算。插补精度直接影响工 件的加工精度，而插补速度决定了工件的表面粗 件的加工精度， 糙度和加工速度。通常插补分为粗插补和精插补， 糙度和加工速度。通常插补分为粗插补和精插补， 精插补的插补周期一般取伺服系统的采样周期， 精插补的插补周期一般取伺服系统的采样周期， 而粗插补的插补周期是精插补的插补周期的若干 一般的CNC装置中，能对直线、圆弧和螺旋 装置中， 倍。一般的 装置中 能对直线、 线进行插补。一些较专用或高级的CNC装置还能 线进行插补。一些较专用或高级的 装置还能 完成椭圆、抛物线、正弦线的插补工作。 完成椭圆、抛物线、正弦线的插补工作。