数 控 技 术 华中科技大学机械科学与工程学院.

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1 数 控 技 术 华中科技大学机械科学与工程学院

2 第3章 计算机数控装置 3.1 概述 3.2 CNC装置的硬件结构 3.3 CNC装置的软件结构 3.4 典型数控功能原理及实现
第3章 计算机数控装置 3.1 概述 3.2 CNC装置的硬件结构 3.3 CNC装置的软件结构 3.4 典型数控功能原理及实现 3.5 国内外典型CNC系统简介

3 4.3 CNC系统的软件 3.3 CNC系统的软件结构 数控系统功能界面的几种划分： 软件和硬件的功能界面 输 入 预处理 位置检测
输 入 预处理 位置检测 插补运算 位置控制 速度控制 伺服电机 程序 硬件 软件 软件和硬件的功能界面 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

4 4.3 CNC系统的软件 3.3 CNC系统的软件结构 加工程序 译 码 译码缓冲区 刀补处理 刀补缓冲区 速度预处理 插补缓冲区 插补处理
译 码 译码缓冲区 刀补处理 刀补缓冲区 速度预处理 插补缓冲区 插补处理 运行缓冲区 伺服驱动 位控处理 位置反馈 PLC控制

5 ... 4.3 CNC系统的软件 3.3 CNC系统的软件结构 3.3.1 CNC系统软件的组成与功能 1. 组成
操作系统 管理软件 控制软件 零件程序管理 显示处理 输入输出管理 机床输入输出 位置控制 故障诊断处理 插补运算 主轴控制 编译处理 刀具补偿 ...

6 3.3 CNC系统的软件结构 2. 功能 位置控制 插补运算 状态显示 PLC 故障诊断 … …

7 3.3 CNC系统的软件结构 3.3.2 CNC装置的数据转换流程 1.译码(Decode)
将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成后续程序（本例是指刀补处理程序）所要求的数据结构（格式）。

8 3.3 CNC系统的软件结构 数据结构示例： Struct PROG_BUFFER {
char buf_state； //缓冲区状态，0 空；1 准备好。 int block_num； //以BCD码的形式存放本程序段号。 double COOR[20]；//存放尺寸指令的数值（μm）。 int F,S； //F（mm/min）S（r/min）。 char G0； //以标志形式存放G指令。 char G1； char M0； //以标志形式存放M指令。 char M1； char T； //存放本段换刀的刀具号。 char D； //存放刀具补偿的刀具半径值。 }；

9 3.3 CNC系统的软件结构 以标志形式存放G指令示例

10 3.3 CNC系统的软件结构 N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200 ； Struct PROG_BUFFER { char buf_state； 0：(开始)；1（；）⑨ int block_num； （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

11 3.3 CNC系统的软件结构 2. 刀补处理(计算刀具中心轨迹) 刀补处理的主要工作： Y 根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。
根据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点（P’e/P〃e）坐标值。 根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。 R Y Pe’ Pe（200，300） G41 Pe” G42 P0（72，48） X

12 3.3 CNC系统的软件结构 3. 速度预处理 速度处理程序主要完成以下几步计算： 计算本段总位移量： 直线：合成位移量L；
3. 速度预处理 速度处理程序主要完成以下几步计算： 计算本段总位移量： 直线：合成位移量L； 园弧：总角位移量α。 计算每个插补周期内的合成进给量： ΔL= F*Δt/ （μm） L α 经速度预处理程序转换的数据存放在插补缓冲区中，以供插补程序之用。以上三步有时统称插补预处理。

13 3.3 CNC系统的软件结构 4. 插补计算 主要功能： 根据操作面板上“进给修调”开关的设定值，计算本次插补周期的实际合成位移量：
△L1=△L*修调值 将△L1按插补的线形（直线，园弧等）和本插补点所在的位置分解到各个进给轴，作为各轴的位置控制指令（△X1、△Y1）。

14 3.3 CNC系统的软件结构 5. 位置控制处理 位置控制转换流程 插补输出 指令位置 跟随误差 实际位置 反馈位置增量 速度指令 f（）
5. 位置控制处理 f（） + - 插补输出 △X1△Y1 指令位置 X1新Y1新 跟随误差 △X3△Y3 实际位置 X2新Y2新 反馈位置增量 △X2、△Y2 X1旧Y1旧 X2旧Y2旧 速度指令 VX、VY 位置控制转换流程

15 3.3 CNC系统的软件结构 位置控制完成以下几步计算：(以两轴联动为例) 计算新的位置指令坐标值：
X1新= X1旧+△X1；Y1新= Y1旧 +△Y1； 计算新的位置实际坐标值： X2新= X2旧+△X2；Y2新= Y2旧 +△Y2 计算跟随误差(指令位置值— 实际位置值)： △X3= X1新- X2新； △Y3= Y1新- Y2新； 计算速度指令值： VX=f（△X3）； VY=f（△Y3） f(.)是位置环的调节控制算法，具体的算法视具体系统而定。这一步在有些系统中是采用硬件来实现的。

16 3.3 CNC系统的软件结构 3.3.3 CNC装置软件的特点和结构 1. CNC装置的软件系统特点 1）多任务性与并行处理技术
多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、… 并行处理：系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个以上任务处理。 并行处理的实现方式： ☆资源分时共享（单CPU） ☆资源重叠流水处理（多CPU）

17 3.3 CNC系统的软件结构 资源（CPU）分时共享图 4ms 位置控制 中断级别高 … 插补运算 8ms 中断级别低 I/O 背景程序
初始化 位置控制 4ms 显示 中断级别高 … 译码 插补运算 8ms I/O 刀补 中断级别低 背景程序 16ms 资源（CPU）分时共享图

18 3.3 CNC系统的软件结构 ☆资源分时共享（单CPU）
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4ms或8ms）内，CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。

19 3.3 CNC系统的软件结构 各任务占用CPU 时间示意图

20 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。 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。

21 3.3 CNC系统的软件结构 流水处理技术示意图 顺序处理 并行处理 空间 时间 输出 空间 输出 输出 输出 t t+△t 时间 2t t
1 2 3 2t t 空间 时间 顺序处理 输出 CPU1 空间 输出 输出 输出 3 3 3 CPU3 2 2 2 CPU2 1 CPU1 t t+△t 时间 并行处理 流水处理技术示意图

22 3.3 CNC系统的软件结构 ☆资源重叠流水处理（多CPU）
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

23 3.3 CNC系统的软件结构 并发处理和流水处理的特征 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。
并发处理和流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。

24 3.3 CNC系统的软件结构 实时性和优先抢占调度机制 实时性任务的定义和分类 实时性定义:
任务的执行有严格时间要求（任务必须规定时间内完成或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障的特性。 实时性任务分类: 强实时性任务 实时突发性任务；实时周期性任务 弱实时性任务

25 3.3 CNC系统的软件结构 实时突发性任务： 实时周期性任务： 强实时性任务
任务的发生具有随机性和突发性，是一种异步中断事件。主要包括故障中断(急停，机械限位、硬件故障等)、机床PLC中断、硬件（按键）操作中断等。 实时周期性任务： 任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括插补运算、位置控制等任务。为保证加工精度和加工过程的连续性，这类任务处理的实时性是关键。在任务的执行过程中，除系统故障外，不允许被其它任何任务中断。

26 3.3 CNC系统的软件结构 弱实时性任务 这类任务的实时性要求相对较弱，只需要保证在某一段时间内得以运行即可。在系统设计时，它们或被安排在背景程序中，或根据重要性将其设置成不同的优先级（级别较低），再由系统调度程序对它们进行合理的调度。 这类任务主要包括：CRT显示、零件程序的编辑、加工状态的动态显示、加工轨迹的静态模拟仿真及动态显示等。

27 3.3 CNC系统的软件结构 抢占式优先调度机制 循环调度法 简单循环调度法 时间片轮换调度法 优先调度法 抢占式优先调度法
多任务系统的任务调度方法： 循环调度法 简单循环调度法 时间片轮换调度法 优先调度法 抢占式优先调度法 非抢占式优先调度法 为了满足CNC系统实时任务的要求，系统的调度机制必须具有能根据外界的实时信息以足够快的速度（在系统规定的时间内）进行任务调度的能力。优先抢占调度机制就是能满足上述要求的调度技术，它是一种基于实时中断技术的任务调度机制。众所周知，中断技术是计算机系统响应外部事件的一种处砑际酰涮氐闶撬能按任务的重要程度、轻重缓急对其及时响应，而CPU也不必为其开销过多的时间。

28 3.3 CNC系统的软件结构 抢占式优先调度机制功能 抢占方式： 优先调度：
在CPU正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，CPU将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高任务的请求 优先调度： 在CPU空闲时，当同时有多个任务请求执行时，优先级高的任务将优先得到满足。

29 3.3 CNC系统的软件结构 CNC系统中采用的任务调度机制 抢占式优先调度； 时间片轮换调度； 非抢占式优先调度。
结构模式：指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交换机制以及系统集成方法等。 结构模式的功能：组织和协调各个任务的执行，使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足CNC系统的各种控制要求

30 3.3 CNC系统的软件结构 前后台型结构模式 前后台程序运行关系图 中断执行 循环执行 前台程序 故障处理 位置控制 插补运算 后台程序
…… 后台程序 译 码 刀补处理 速度预处理 输入/输出 显示 中断执行 循环执行 前后台程序运行关系图

31 3.3 CNC系统的软件结构 中断型结构模式 中断型软件系统结构图 n 初始化 中断管理系统（硬件 + 软件） 0级中断服务程序 …… 1
2 n 中断型软件系统结构图

32 3.3 CNC系统的软件结构 基于实时操作系统的结构模式 RTOS 基于实时操作系统软件结构图
实时操作系统（简称 RTOS， Real Time Operating System ）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。 RTOS 模块（任务）1 模块（任务）2 模块（任务） …… 基于实时操作系统软件结构图

33 课后思考 1. CNC装置的软件结构主要有哪些？ 2. 查阅资料，了解CNC装置未来可能扩展的软件功能。

34 结束