12计算机数控系统
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并行处理的分类：
V
“资源重叠的流水处理”和“资S 源分时共享” 资源共享：
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。 时间重叠：
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。
14
1）资源分时共享并行处理（对单一资源的系 统）
➢ 在单CPU结构的CNC系统中，可采用“资源分时 共享”并行处理技术。
管理部分：输入、I/O处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理
等程序。
V
S
控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。
管理方式：
单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构。 多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元
12
3. 多任务并行处理
（1）CNC装置的多任务性
CNC装置
状态。
6
零件加 工程序
输入
译码
M、S、T 等辅助信息
PLC
G、F等几何、 工艺信息
预处理
机床电气
插补运算
伺服控制 电机
检测 反馈
7
1）基本功能
➢控制功能 ➢G功能 ➢插补功能 ➢主轴功能 ➢M功能 ➢刀具功能 ➢补偿功能 ➢显示功能
CNC系统的功能
8
2）先进功能
➢模拟加工功能 ➢监测和诊断功能 ➢动力刀具和C轴功能 ➢虚拟轴功能 ➢DXF图形文件支持功能 ➢循环加工功能 ➢测量检验功能 ➢自适应控制功能
录放
系统控制软件 管理软件 控制软件
输
输显
诊译
补速插
位
入
出示
断码
偿度补
控
程
程程
程程
计控程
程
序
序序
序序
算制序
序
图4.1 CNC软件的构成
4
3、简要工作过程：
1）输入： 输入内容——零件程序、控制参数和补偿数据。 输入方式——穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输
入、手健盘输入，通讯接口输入及连接上级计算机的 DNC接口输入 2）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解 释、翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的 数据格式存放在指定的内存专用区内。 3）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的 处理等。
管理
控制
输 I/ 显 诊 通 译 刀
O
具
处
补
入 理示断 讯码偿
速 插位
度
置
处
控
理 补制
CNC装置软件任务分解
输入
显示
位控
诊断
I/O
译码
插补
刀补
速度处理
位控
软件任Leabharlann Baidu的并行处理
13
（2）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。并行处理的优点是提高了运行速度。
9
二、 CNC装置的软件结构
10
1、 软件结构特点
1. CNC装置软件硬件的界面
纸 带
第一种 硬件
输
插补
入
准备
软件
插
位
补
控
硬件
纸
输
插补
插
位
速
电
带
入
准备
补
控
控
机
测量
第二种 硬件 第三种 硬件
软件 软件
硬件
硬件
三种典型的软硬件界面关系
11
2. 系统软件的内容及结构类型
系统软件的组成：（管理和控制）
计算机数控系统
1
一、 CNC系统的组成
从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位 置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统， 其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、 速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系 统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系 统。
从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用 硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组 成的。
3）硬件故障中断 种硬件故障检测装置发出的中断。
4）程序性中断 程序中出现的异常情况的报警中断。
（2）CNC系统中断结构模式
1）前后台软件结构中的中断模式 2）中断型软件结构中的中断模式
初始化 背景程序
实施中断 程序
20
三、 CNC系统的硬件构成
21
1、 CNC系统的外部硬件构成
从CNC系统的外部硬件构成上看，一般可以分 为键盘、显示器、主机单元、控制单元和功率模块 几个部分。
中断级别高
插补
输入
准备
键盘
中断级别低
资源（CPU）分时共享图
16
➢ 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
V
了两个或两个以上的任S 务。
因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意 义，即从微
观上来看，各个任务还是逐一执行的。
17
➢ 流水处理技术的涵义
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(V 任务的分法与资源重复的多
S
少有关)，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。
18
空 间
空
输输输
间
出出出
输
输
出
出V
2
CNC装置的组成和工作原理
数控加工程序
应用软件
控制软件
管理软件 操作系统
硬件
被控设备
接
口
机床 机器人
测量机
......
CNC系统平台
3
1. 硬件结构: CPU，存储器，总线、外设等。
2. 软件结构：是一种用于零件加工的、实时控制的、特殊的（或称
专用的）计算机操作系统。
初始化
编辑
存储
系统 程序管理
22
2、 CNC装置的体系结构
CNC装置的体系结构分为：单微处理机和多微处理 机系统，中 高档的CNC装置以多微处理机结构为多。 ■ 单微处理机结构:见下图 ■ 多微处理机CNC装置的结构：分为紧耦合和松耦 合 紧耦合主要指共享总线、共享存储器； 松耦合主要有分布式结构
S
CPU1 1 2 3 1 2 3
t
2t
时间
CPU3
333
CPU2
222
CPU1 1 1 1
t t+△t 时间
顺序处理
并行处理
流水处理技术示意图
19
4. 实时中断处理
（1）CNC系统的中断类型
1）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键盘操作面板输入
中断。 V
2）内部定时中断：插补周期定时S 中断和位置采样定时中断。
5
4）插补：插补的任务是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”。
5）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的 理论位置与实际反馈位 置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。
6）PLC处理：处理CNC装置与机床之间的信息。 7）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。 8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误
➢ 资源分时共享——在规定的时间长度（时间片） V 内，根据各任务实S 时性的要求，规定它们占用 CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。
➢ “资源分时共享”的技术关键： 其一：各任务的优先级分配问题。
其二：各任务占用CPU的时间长度，即
时间片的分配问题。 15
初始化
显示
诊断
I/O V 处理 S
插补 位控
V
“资源重叠的流水处理”和“资S 源分时共享” 资源共享：
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。 时间重叠：
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。
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1）资源分时共享并行处理（对单一资源的系 统）
➢ 在单CPU结构的CNC系统中，可采用“资源分时 共享”并行处理技术。
管理部分：输入、I/O处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理
等程序。
V
S
控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。
管理方式：
单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构。 多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元
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3. 多任务并行处理
（1）CNC装置的多任务性
CNC装置
状态。
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零件加 工程序
输入
译码
M、S、T 等辅助信息
PLC
G、F等几何、 工艺信息
预处理
机床电气
插补运算
伺服控制 电机
检测 反馈
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1）基本功能
➢控制功能 ➢G功能 ➢插补功能 ➢主轴功能 ➢M功能 ➢刀具功能 ➢补偿功能 ➢显示功能
CNC系统的功能
8
2）先进功能
➢模拟加工功能 ➢监测和诊断功能 ➢动力刀具和C轴功能 ➢虚拟轴功能 ➢DXF图形文件支持功能 ➢循环加工功能 ➢测量检验功能 ➢自适应控制功能
录放
系统控制软件 管理软件 控制软件
输
输显
诊译
补速插
位
入
出示
断码
偿度补
控
程
程程
程程
计控程
程
序
序序
序序
算制序
序
图4.1 CNC软件的构成
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3、简要工作过程：
1）输入： 输入内容——零件程序、控制参数和补偿数据。 输入方式——穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输
入、手健盘输入，通讯接口输入及连接上级计算机的 DNC接口输入 2）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解 释、翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的 数据格式存放在指定的内存专用区内。 3）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的 处理等。
管理
控制
输 I/ 显 诊 通 译 刀
O
具
处
补
入 理示断 讯码偿
速 插位
度
置
处
控
理 补制
CNC装置软件任务分解
输入
显示
位控
诊断
I/O
译码
插补
刀补
速度处理
位控
软件任Leabharlann Baidu的并行处理
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（2）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。并行处理的优点是提高了运行速度。
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二、 CNC装置的软件结构
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1、 软件结构特点
1. CNC装置软件硬件的界面
纸 带
第一种 硬件
输
插补
入
准备
软件
插
位
补
控
硬件
纸
输
插补
插
位
速
电
带
入
准备
补
控
控
机
测量
第二种 硬件 第三种 硬件
软件 软件
硬件
硬件
三种典型的软硬件界面关系
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2. 系统软件的内容及结构类型
系统软件的组成：（管理和控制）
计算机数控系统
1
一、 CNC系统的组成
从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位 置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统， 其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、 速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系 统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系 统。
从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用 硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组 成的。
3）硬件故障中断 种硬件故障检测装置发出的中断。
4）程序性中断 程序中出现的异常情况的报警中断。
（2）CNC系统中断结构模式
1）前后台软件结构中的中断模式 2）中断型软件结构中的中断模式
初始化 背景程序
实施中断 程序
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三、 CNC系统的硬件构成
21
1、 CNC系统的外部硬件构成
从CNC系统的外部硬件构成上看，一般可以分 为键盘、显示器、主机单元、控制单元和功率模块 几个部分。
中断级别高
插补
输入
准备
键盘
中断级别低
资源（CPU）分时共享图
16
➢ 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
V
了两个或两个以上的任S 务。
因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意 义，即从微
观上来看，各个任务还是逐一执行的。
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➢ 流水处理技术的涵义
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(V 任务的分法与资源重复的多
S
少有关)，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。
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空 间
空
输输输
间
出出出
输
输
出
出V
2
CNC装置的组成和工作原理
数控加工程序
应用软件
控制软件
管理软件 操作系统
硬件
被控设备
接
口
机床 机器人
测量机
......
CNC系统平台
3
1. 硬件结构: CPU，存储器，总线、外设等。
2. 软件结构：是一种用于零件加工的、实时控制的、特殊的（或称
专用的）计算机操作系统。
初始化
编辑
存储
系统 程序管理
22
2、 CNC装置的体系结构
CNC装置的体系结构分为：单微处理机和多微处理 机系统，中 高档的CNC装置以多微处理机结构为多。 ■ 单微处理机结构:见下图 ■ 多微处理机CNC装置的结构：分为紧耦合和松耦 合 紧耦合主要指共享总线、共享存储器； 松耦合主要有分布式结构
S
CPU1 1 2 3 1 2 3
t
2t
时间
CPU3
333
CPU2
222
CPU1 1 1 1
t t+△t 时间
顺序处理
并行处理
流水处理技术示意图
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4. 实时中断处理
（1）CNC系统的中断类型
1）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键盘操作面板输入
中断。 V
2）内部定时中断：插补周期定时S 中断和位置采样定时中断。
5
4）插补：插补的任务是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”。
5）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的 理论位置与实际反馈位 置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。
6）PLC处理：处理CNC装置与机床之间的信息。 7）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。 8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误
➢ 资源分时共享——在规定的时间长度（时间片） V 内，根据各任务实S 时性的要求，规定它们占用 CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。
➢ “资源分时共享”的技术关键： 其一：各任务的优先级分配问题。
其二：各任务占用CPU的时间长度，即
时间片的分配问题。 15
初始化
显示
诊断
I/O V 处理 S
插补 位控