11--第五章 计算机数控装置原理-1

中断源 硬件 软件，16ms定时 软件，16ms定时 硬件 软件，8ms定时 硬件 4ms实时钟 硬件
11 中断型软件结构
其中伺服系统位置控制被安排成很高的级别，因为机床的 刀具运动实时性很强。
CRT显示被安排的级别最低，即0级，其中断请求是通过硬 件接线始终保持存在。只要0级以上的中断服务程序均未发 生的情况下，就进行CRT显示。
（6）功放单元：在这里是指进给电机、主轴电机的控 制转换器。它对不同的进给电机、主轴电机采用不 同的功放单元。
（7）位控单元：是进给电机的驱动部件。也可以作为 带准停功能主轴电机的驱动部件。对于不同的伺服 电机及驱动部件是不一样的。在订购CNC装置时， 必须说明是何种驱动装置。
3 多CPU结构形式
11 中断型软件结构
中断请求的发生，除了第6级中断是由4ms时 钟发生之外，其余的中断均靠别的中断设置，即 依靠各中断程序之间的相互通讯来解决。
例如第6级中断程序中每两次设置一次第4级中 断请求（8ms）；每四次设置一次第1、2级中断 请求。插补的第4级中断在插补完一个程序段后， 要从缓冲器中取出一段并作刀具半径补偿，这时 就置第1级中断请求，并把4号口置1。
控
装置Βιβλιοθήκη 组成功能 工作内容特点
1. 计算机数控装置概念
计
算 机 数
概念
承担用户程序的输入、 预处理、插补运算及 输出控制、反馈控制、
控
参数显示等任务的装
装
置
置
2. 计算机数控装置的功能
计
算
承担加工程序的输入及编辑。
机
能识别和运行多种国际上标准化的 指令代码,随着CNC的发展，这些
数
加工指令代码也不断增加。
从CPU（II）板：专门用作位控数控单元，其给定是主 CPU板的输出，误差计算是通过给定与反馈量之差求得。 用于直接控制位控出控单元。
从CPU（III）板:专门用作PLC控制单元，主要是负责开 关量的输入输出，实际上它可以是一个PLC。一般却要 256点以上的PLC才采用独立的CPU（III）板。
5. 计算机数控装置的组成
机内PLC：为机内的可编程控制器。它通过数控装置的 键盘进行编程，主要用来对复杂的数控机床的开关量的 输入、输出进行控制。
通讯口：为数控装置与其它通信设备之间的联系及传送 加工程序，同时也满足DNC和FMS的要求。它一般以串 行方式进行通讯。
位控驱动器（位置控制装置）：实现对驱动装置进行控 制的电路。
机
CNC装置是数控系统的核心
数
特点
数控系统的全部数控功能均 在CNC装置控制下完成
控
主要由计算机来承担数控机
装
床的控制部分
置
5. 计算机数控装置的组成
计 算
组成
机
数
控
装
置
5. 计算机数控装置的组成
计算机板（微处理器CPU）：是数控装置的核心，通常 是由高速CPU组成的计算机系统或由多CPU构成的分布 式系统。主要承担数控装置的基本控制及用户程序的译 码、插补、反馈控制、输出控制等任务。
单CPU结构； 多CPU结构
软件 结构
前后台型； 为中断型
1. 单CPU结构形式框图
2 单CPU结构形式各部分作用
（1）CPU：是整个数控装置的核心，包括CPU、时钟、 总线驱动及地址译码，它是一个最基本的单元。
（2）显示、键盘：是CNC人机对话的基本部件。它的特 点是显示器与键盘往往做在一个面板上，并且键盘较标 准键盘少，只用一些数控语言所用的键。现代CNC，一 些产品的键盘采用了触摸屏键，提高了可靠性。
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。
一般在中断型结构模式的CNC软件体系中，
控制CRT显示的模块为低级中断（0级中断），
只要系统中没有其他中断级别请求，总是执
行0级中断，即系统进行CRT显示。
11 中断型软件结构
其他程序模块，如译码处理、刀具中心轨迹计
算、键盘控制、I/O信号处理、插补运算、终点
多CPU主要根据各部分的工作特征而设计成多个 CPU控制。这种方式的优点为：
在同样的性能下，既降低了CPU的负担，又可以 用较低档的CPU完成高性能的控制。
从便于数控的分块开发和优化改进，从生产经营 的角度看便于边生产边改进。
适于多人开发，可以快出产品。
3 多CPU结构形式
显示器
从CPU（Ⅰ）板
主CPU板
显示器：是在数控装置运行时用来显示坐标值参数及指 令代码、功能码等。在一些中、高档数控装置上可以作 加工零件的图形显示等。
键盘、开关：键盘通常用来编程及操作。开关为功能开 关，用于转换数控装置的工作状态。
I/O接口：主要作为数控装置的基本输入输出接口，用 于进给轴伺服控制的输出、机械手的控制信号输出、主 轴变速的控制信号的输出、刀架控制信号的输出及进给 反馈信号的输入及刀架机械手到位信号的输入等。
存储器：固化存储器（ROM）和随机存储器（RAM）, ROM用来存储数控系统的控制软件，RAM用来存储用 户的零件加工程序和数据。
反馈传感器ID、进给电机、刀架控制器、机械手、主轴 变频器等均不属数控装置的范围。但它们与数控装置一 起构成数控系统。
5.2 CNC数控装置的一般结构
CNC 结构
硬件 结构
1. LED显示器
LED亦称发光二极管。它是由多段发光二极管 组合成数码。 通常LED显示器一排由8位以上组成，最左边 一位用“米”字管，可显示几个字母，其余7位 用8段数码管（含小数点）组成。
他的功能程序变成相对独立，模块化比较明显，
有利于分工开发。
11 中断型软件结构
上电/复位初始化程序 中断管理序
0
1
2
级
级
级
级n
中
中
中
中
断
断
断
断
服
服
服
服
务
务
务
务
程
程
程
程
序
序
序
序
中断型软件结构原理框图
11 中断型软件结构
从硬件的角度说，对于多CPU系统，后台程
序、中断型中的主程序一般由主CPU完成；
1级中断相当于后台程序的功能，进行插补前的准备工作。 1级中断有13种功能，对应着口状态字中的13个位，每位 对应于一个处理任务。在进入1级中断服务时，先依次查询 口状态字的0~12位的状态，再转入相应的中断服务。口状 态字的置位有两种情况：一是由其他中断根据需要置1级中 断请求的同时置相应的口状态字；二是在执行1级中断的某 个口子处理时，置口状态字的另一位。当某一口的处理结 束后，程序将口状态字的对应位清除。
键盘板
MCPU（Ⅲ）板
PLC
从CPU（Ⅱ）板 位控数控单元
反馈板
多CPU结构形式的框图
3 多CPU结构形式
主CPU板：主要是完成系统的管理及实时插补运算，它 是整个数控装置的核心。
从CPU（I）板：专门用作显示、键盘的管理。对于不同 形式的显示、键盘等。可以通过单独开发这一部分，形 成多种形式的显示，键盘形式如CRT显示，液晶显示， 触摸屏等功能。
管理，并不断的设定前台程序、中断参数。如 两次中断的时间间隔等。
9 后台程序框图
10 前－后台程序框图比较
11 中断型软件结构
中断型软件结构把输出反馈输入、编辑、手
动、指令预处理等都作为中断程序，只是它
们的中断优先级要按实际的要求预先确定。
概
主程序只是负责系统硬件的初始化和基本中 断管理。
念
中断型软件结构的特点是除了初始化程序之
外，整个系统软件的各种功能模块分别安排
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。
11 中断型软件结构
主程序只是负责系统硬件的初始化和基本中
断管理。
中断型软件结构的特点是除了初始化程序之
特
外，整个系统软件的各种功能模块分别安排 在不同级别的中断服务程序中，整个软件就
点 是一个大的中断系统。
前台 为中断服务程序。
程序
主要用于实时的输入输出。
后台 （亦称背景程序） 用于系统管理、加工程 程序 序的预处理、显示等。
6 前台程序
为中断服务程序。 主要用于实时的输入输出。
前 前台程序分随机中断和参数定时中断两个程序。 台 随机中断通常为反馈量引起的外部中断。具体 程 指当进给位移传感器、刀架、机械手到位信息 序 等，在出现状态变化时要引起中断。
9
纸带阅读机反绕或存储器指针返回首址的处理
A
启动纸带阅读机使纸带正常进给一步
B
置M、S、T指令标志及G96速度换算
C
置纸带反绕标志
5.3 显示及键盘原理
显示和键盘是CNC人机对话的基本设备。 硬件上，它们往往是做在一个面板上的， 软件上一般都是独立的
显示器是CNC必不可少的基本设备。 显示器一般分LED、数码液晶、CRT、图形液晶
11 中断型软件结构
2级中断服务程序的主要工作是对数控面板上的各种 工作方式和I/O信号处理。
3级中断则是对用户选用的外部操作面板和电传机的 处理。
4级中断最主要的功能是完成插补运算。 5级中断服务程序主要对纸带阅读机读入的孔信号进
行处理。这种处理基本上可以分为输入代码的有效 性判别、代码处理和结束处理三个阶段。 6级中断主要完成位置控制、4ms定时计时和存储器 奇偶校验工作。 7级中断实际上是工程师的系统调试工作，非使用机 床的正式工作。
前台程序、中断型中的中断信号就直接由硬
特
件向CPU 申请中断。这部分的中断服务程序 也全部由主CPU完成。
点 对于从CPU引起的中断，主CPU只要负责必
要的参数及状态值传送给从CPU即可返回，
从CPU根据主CPU的简单的状态、参数，结
合从CPU系统自身数据进行独立完成任务。
这样大大加快了CNC的总体运行速度。
11 中断型软件结构
口状态字 对应口的功能
0
显示处理
1
公英制转换
2
部分初始化
3
从存储区（MP、PC或SP区）读一段数控程序到BS区
4
轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹
5
“再启动”处理
6
“再启动”开关无效时，刀具回到断点“启动”处理
7
按“启动”按钮时，要读一段程序到BS区的预处理
8
连续加工时，要读一段程序到BS区的预处理
判别、伺服系统位置控制等处理，分别具有不
特
同的中断优先级别。 开机后，系统程序首先进入初始化程序，进行
点 初始化状态的设置、ROM检查等工作。初始化
后，系统转入0级中断CRT显示处理。此后系统
就进入各种中断的处理，整个系统的管理是通
过每个中断服务程序之间的通信方式来实现的。
采用这种程序，主程序将变得十分简单。而其
控
功能
能提供高性能的进给控制功能。 人机对话相当方便。
装
能进行多机通讯及DNC的加工。
置
具备一定的故障诊断、反馈控制功 能。
3. 计算机数控装置的工作内容
计
算
输入
机
译码 刀具补偿
数
进给速度处理
控
工作内容 插补
位置控制
装
I/O处理
置
显示 诊断
4. 计算机数控装置的特点
计
算
参数定时中断为输出程序，原则上按运行管理 所确定的中断参数产生中断。中断服务程序就 是前台程序本身，在前台程序中负责对后台提 供的进给、辅助功能等输出量进行输出。
7 前台程序框图
8 后台程序
用于系统管理、加工程序的预处理、显示等
后 台 程 后台程序主要完成硬件的初始化，系统运行管 序 理，包括编辑、运算、回、手动、MDI等运行
第五章 计算机数控装置原理
本堂课所要讲解的内容
5.1 计算机数控装置概述 5.2 CNC数控装置的一般结构 5.3 显示及键盘原理 5.4 给定升降速控制规律 5.5 刀架、刀库的机械手控制 5.6 CNC的输入输出与通信功能 5.7 可编程控制器（PLC）
5.1 计算机数控装置概述
计
概念
算
机
数
11 中断型软件结构
例如FANUC-BESK 7CM CNC系统是一个典型的 中断型软件结构。整个系统的各个功能模块被分 为八级不同优先级的中断服务程序
中断级别 0 1 2 3 4 5 6 7
主要功能 控制CRT显示 译码、刀具中心轨迹计算，显示器控制 键盘监控，I/O信号处理，穿孔机控制 操作面板和电传机处理 插补运算、终点判别和转段处理 纸带阅读机读纸带处理 伺服系统位置控制处理 系统测试
（3）PLC单元：实际上是对CNC的刀架、机械手、机床 辅助功能及其它开关量输入输出而专门设置的接口。
（4）RAM、ROM：为CNC的系统组件。ROM存储数控 系统的控制软件，RAM存储用户的零件加工程序和数据。
2 单CPU结构形式各部分作用
（5）信号输入：是一个开关量及数字量输入的匹配器， 它把机床的各种开关量信号（如刀架回答信号）及 各种数字信号（如装置反馈信号）转换成符合控制 器接口的输入电压的工作范围。
多CPU结构中，CPU之间的通讯根据实际需要采用串行通讯。也可以量 并行通讯。如主CPU与CPU（III）之间采用并行通讯。而主CPU与从 CPU（I）之间采用串行通讯。
4 软件结构
数控系统中典型的软件结构： 前后台型软件结构 中断型软件结构
5 前后台型软件结构
前后台型软件分为前台程序和后台程序两部分。