数控技术课件3.ppt

1、1 12 23 34 4计算机数字控制装置计算机数字控制装置教学设计教学设计南京航空航天大学南京航空航天大学 游有鹏游有鹏EmailEmail：Tel:025-84892510Tel:025-848925102010.112010.111 12 23 34 4主要内容主要内容计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNCCNC装置的硬件结构装置的硬件结构CNCCNC装置的软件结构装置的软件结构可编程控制器（可编程控制器（PLCPLC）典型的典型的CNCCNC系统简介系统简介1 12 23 34 4教学目标教学目标教学内容分析教学内容分析教学重点、难点分析教学重点、难点分析教学目标、内容、重点与难点

2、分析教学目标、内容、重点与难点分析1 12 23 34 4掌握数控系统组成、工作原理、结构特点；掌握数控系统组成、工作原理、结构特点；了解典型数控系统结构及当代数控系统的结了解典型数控系统结构及当代数控系统的结构发展趋势。构发展趋势。硬件结构、软件结构、硬件结构、软件结构、PLC、系统各部分的工作原理与结构特点系统各部分的工作原理与结构特点重点：系统组成硬软件的结构形式与特点重点：系统组成硬软件的结构形式与特点难点：内容庞杂、空洞抽象，难掌握难点：内容庞杂、空洞抽象，难掌握教学目标：教学目标：教学内容分析：教学内容分析：教学重点、难点：教学重点、难点：1 12 23 34 4难点处理对策难点处

3、理对策 关键点：关键点：CNC是一个专用的计算机控制系统，是一个专用的计算机控制系统，借鉴计算机应用系统，兼顾借鉴计算机应用系统，兼顾CNC的功能特点，的功能特点，不难分析不难分析其硬件与软件的关系、功能划分、结其硬件与软件的关系、功能划分、结构形式的特点与选择、以及演化过程与发展趋构形式的特点与选择、以及演化过程与发展趋势；势； CNC的结构伴随着计算机技术而发展；的结构伴随着计算机技术而发展； 体系结构始终为适应系统的功能与性能需求；体系结构始终为适应系统的功能与性能需求； 体系结构的优劣评价：性价比（开发、生产、维护、体系结构的优劣评价：性价比（开发、生产、维护、使用）；使用）； 学习体

4、系结构的目的，掌握常用结构与特点，便于设学习体系结构的目的，掌握常用结构与特点，便于设计、选择；计、选择； 注意介绍数控新发展：注意介绍数控新发展：开放式数控、嵌入式数控开放式数控、嵌入式数控1 12 23 34 4 从自动控制的角度来看从自动控制的角度来看，CNCCNC系统是一种位置系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件( (各运各运动轴动轴) )的的位移量位移量、速度速度为控制对象并使其协调运动的为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机配有专用操作系统的计算机控制系统控制系统。CNCC

5、NC装置的组成装置的组成 从外部特征来看从外部特征来看，CNCCNC系统是由系统是由硬件硬件（通用硬件（通用硬件和专用硬件）和和专用硬件）和软件软件（专用）两大部分组成的。（专用）两大部分组成的。CNC装置的组成装置的组成/硬件硬件/图图1 12 23 34 4控制单元主轴电机进给伺服电机电子手轮I/O模块机床控制面板CNC键盘驱动系统CNCCNC装置的组成装置的组成CNC装置的组成装置的组成/图图1 12 23 34 4CNC系统平台系统平台硬件硬件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序 接接口口被控设备被控设备 机机 床床 机器人机器人 测

6、量机测量机 .CNCCNC装置的组成装置的组成CNC装置组成装置组成/硬件硬件/软件的关系软件的关系1 12 23 34 4 CNCCNC系统的硬件和软件构成了系统的硬件和软件构成了CNCCNC系统的系统的系统平台；系统平台；硬件和软件的构筑方式称为硬件和软件的构筑方式称为CNCCNC系统的系统的体系结构。体系结构。体系结构的重要性：体系结构的重要性：直接关系到系统的设计、开发、更新、直接关系到系统的设计、开发、更新、扩展以及使用、维护的效率、成本。扩展以及使用、维护的效率、成本。学习了解学习了解CNCCNC体系结构的目的：体系结构的目的：指导设计开发；有助于对现指导设计开发；有助于对现有系统

7、的了解、分析、评估、选用、维护、诊断。有系统的了解、分析、评估、选用、维护、诊断。CNCCNC硬件软件的作用和相互关系硬件软件的作用和相互关系: :硬件是基础，软件是灵魂硬件是基础，软件是灵魂4.2 CNC的硬件结构的硬件结构1 12 23 34 4硬件结构的分类：外部形式、内部结构硬件结构的分类：外部形式、内部结构其内部结构可按含有其内部结构可按含有CPU的多少来分的多少来分: 1 1、单微处理器系统；、单微处理器系统；2 2、多微处理器系统、多微处理器系统 CNC CNC装置的硬件结构，随着计算机技术的进步而装置的硬件结构，随着计算机技术的进步而发展，可以基于通用计算机或专用计算机来构筑。

8、发展，可以基于通用计算机或专用计算机来构筑。 互动讨论：互动讨论：基于通用计算机或专用计算机构筑基于通用计算机或专用计算机构筑CNCCNC装置的硬件结构的优缺点？装置的硬件结构的优缺点？ 4.2.1 单微处理器系统单微处理器系统1 12 23 34 4特点：特点：q 单个单个CPUCPU集中控制和管理整个系统资源，通过集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理分时处理方式来实现各种方式来实现各种NCNC功能。功能。q 结构简单，便于开发，尤其基于通用结构简单，便于开发，尤其基于通用PCPC；q 成本低、经济型好；成本低、经济型好； （华中（华中I I型）；型）；q 系统的功能、性能受系统的功能、

9、性能受CPUCPU性能所性能所限，常用于中限，常用于中低档系统低档系统。4.2.1 4.2.1 单微处理器系统单微处理器系统单微处理器结构框图单微处理器结构框图1 12 23 34 44.2.1 4.2.1 单微处理器系统单微处理器系统微微处处理理器器CPU总总线线EPROMRAM程序输入程序输入/输出输出I/O接口接口位置控制器位置控制器MDI/CRT可编程控制器可编程控制器通信接口通信接口图图4-1 单微处理器结构框图单微处理器结构框图 图图/单微处理器单微处理器CNC系统系统经济型数控系统经济型数控系统常用结构常用结构1 12 23 34 4I/O设备设备计算机主板计算机主板显显 示示

10、卡卡功能模板功能模板m功能模板功能模板1存储器存储器多功能卡多功能卡位置控制板位置控制板n位置控制板位置控制板1PLC模块模块主轴控制模板主轴控制模板机床机床I/O控制面板控制面板速度控制单元速度控制单元1速度控制单元速度控制单元n功能驱动功能驱动1功能驱动功能驱动m系系 统统 总总 线线（BUS）标准标准PC计算机计算机华中数控华中数控I型型CNC系统系统4.2.1 4.2.1 单微处理器系统单微处理器系统1)微处理器微处理器1 12 23 34 4多主结构多主结构分布式结构分布式结构主从式结构主从式结构4.2.2 4.2.2 多微处理器系统多微处理器系统qCNCCNC装置中有装置中有两个或

11、两个以上的两个或两个以上的CPUCPU，即系统中的，即系统中的某些功能模块自身也带有某些功能模块自身也带有CPUCPU。多主结构多主结构/分布式结构分布式结构q根据各模块间的相互关系又可将其分为：根据各模块间的相互关系又可将其分为：1 12 23 34 4多主结构多主结构：系统中有两个或两个以上带：系统中有两个或两个以上带CPUCPU的模块的模块部件对系统资源有控制或使用权。模块之间为部件对系统资源有控制或使用权。模块之间为紧紧耦合耦合，通过，通过总线或公共存储器总线或公共存储器进行交换信息。进行交换信息。分布式结构分布式结构：系统有两个或两个以上带：系统有两个或两个以上带CPUCPU的功能的

12、功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间采模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间采用用松耦合松耦合，且，且采用通讯方式交换信息采用通讯方式交换信息。主从式结构：主从式结构：主控主控CPUCPU、从控、从控CPUCPU，主控，主控CPUCPU才能控才能控制和访问总线，通过总线对从控制和访问总线，通过总线对从控CPUCPU控制、监视、控制、监视、协调。协调。4.2.2 4.2.2 多微处理器系统多微处理器系统多微处理器的特点多微处理器的特点1 12 23 34 4q 能实现真正意义上的能实现真正意义上的并行处理，处理速度快并行处理，处理速度快，可，可以以实现较复杂的系统功能实现较复杂的系统功

13、能。q 对高档系统，便于实现容错功能，在某模块出了对高档系统，便于实现容错功能，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作。故障后，通过系统重组仍可断继续工作。多微处理器的特点：多微处理器的特点：4.2.2 4.2.2 多微处理器系统多微处理器系统多主结构的结构形式多主结构的结构形式1 12 23 34 4 共享总线结构型共享总线结构型 共享存储器结构型共享存储器结构型多主结构的结构形式：多主结构的结构形式：4.2.2 4.2.2 多微处理器系统多微处理器系统1)共享总线结构共享总线结构1 12 23 34 4FANUC BUS操作面板操作面板图形显示图形显示模块模块(CPU)CNC管理管

14、理模块模块(CPU)自动编程模块自动编程模块(CPU)主存储主存储器模块器模块插补模块插补模块(CPU)PLC模块模块(CPU)位置控制模块位置控制模块(CPU)主轴控主轴控制模块制模块CRT/MDII/O单元单元伺服驱动单元伺服驱动单元主轴单元主轴单元FANUC 15系统硬件结构系统硬件结构1 1）共享总线结构）共享总线结构4.2.2 4.2.2 多微处理器系统多微处理器系统结构特征结构特征1 12 23 34 4 功能模块分为带有功能模块分为带有CPUCPU的主模块和不带的主模块和不带CPUCPU的从的从模块模块(RAM/ROM(RAM/ROM，I/OI/O模块模块) )； 以系统总线为中

15、心以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线严格定义的标准系统总线上；上； 采用采用总线仲裁机构总线仲裁机构( (电路电路) )来裁定多个模块同时来裁定多个模块同时请求使用系统请求使用系统总线的竞争总线的竞争问题。问题。结构特征结构特征: :1 1）共享总线结构）共享总线结构4.2.2 4.2.2 多微处理器系统多微处理器系统优优/缺点缺点1 12 23 34 4q优点：优点：模块化结构、组配灵活、可靠性高。模块化结构、组配灵活、可靠性高。q缺点：缺点：总线是系统的总线是系统的“瓶颈瓶颈”，一旦系统总线出现故障，一旦系统总线出现故障，将影响整个系统；

16、将影响整个系统；使用总线要经仲裁，信息传输率降低。使用总线要经仲裁，信息传输率降低。1 1）共享总线结构）共享总线结构4.2.2 4.2.2 多微处理器系统多微处理器系统2)共享存储器结构共享存储器结构1 12 23 34 4CNC管理模块管理模块（CPU）（多端口）（多端口）存储器存储器（ RAM ）邮箱邮箱I/O控制模块控制模块（CPU）输出至机床的控输出至机床的控制信号制信号操作面板显示操作面板显示模块模块位置控制模块位置控制模块（CPU）主轴控制模块主轴控制模块（CPU）来自机床的控来自机床的控制信号制信号在共享存储器结构中，各个主模块都有权控制使用系统存储器。在共享存储器结构中，各个

17、主模块都有权控制使用系统存储器。即便是多个主模块同时请求使用存储器，只要存储器容量有空闲，即便是多个主模块同时请求使用存储器，只要存储器容量有空闲，一般不会发生冲突。在各模块请求使用存储器时，由多端口的控一般不会发生冲突。在各模块请求使用存储器时，由多端口的控制逻辑电路来控制。制逻辑电路来控制。常用双端口常用双端口RAMRAM 2 2）共享存储器结构）共享存储器结构4.2.2 4.2.2 多微处理器系统多微处理器系统美国美国GE,MTC1-CNC硬件结构硬件结构1 12 23 34 4显示CPU键盘中央CPU插补CPU串口和收发器CTRC并 行 接 口反馈脉冲和处理EPROMEPROMRAM/

18、EPROM512 RAMRAM 512 字符发生器CRT模拟量输出机床接口反馈信号收发器XYZCW美国美国GE 公司的公司的MTC1-CNC系统硬件结构系统硬件结构2 2）共享存储器结构）共享存储器结构4.2.2 4.2.2 多微处理器系统多微处理器系统4.2.3 开放式数控系统开放式数控系统1 12 23 34 4可移植性：可移植性：系统的应用模块无需经过任何改变就可以系统的应用模块无需经过任何改变就可以 用于另一平台，仍然保持原有特性。用于另一平台，仍然保持原有特性。可扩展性：可扩展性：不同应用模块可在同一平台上运行。不同应用模块可在同一平台上运行。可协同性：可协同性：不同应用模块能够协同

19、工作，并以确定方不同应用模块能够协同工作，并以确定方 式交换数据。式交换数据。规模可变：规模可变：应用模块的功能和性能以及硬件的规模可应用模块的功能和性能以及硬件的规模可 按照需要调整。按照需要调整。开放的含义开放的含义硬件结构意义上：标准化，开放化硬件结构意义上：标准化，开放化4.2.3 4.2.3 开放式数控系统结构开放式数控系统结构1 12 23 34 4开放式数控系统概念结构开放式数控系统概念结构硬件硬件配置配置单元单元软件软件配置配置单元单元标准计算机硬件标准计算机硬件数控系统数控系统基本硬件基本硬件数控功能数控功能应用程序应用程序DOS(WINDOWSDOS(WINDOWS)实时多

20、任务操作系统实时多任务操作系统应用程序接口应用程序接口NCNC构件库构件库4.2.3 4.2.3 开放式数控系统开放式数控系统1 12 23 34 4主要内容开放的现实途径开放的现实途径基于基于PCPC的开放式数控结构的开放式数控结构NC板嵌入PC机嵌入系统 （新兴数控产品） PC机作为非实时处理 ；运动控制卡完成CNC实时控制。 能够方便地实现人机界面的开放化和个性化。PC板嵌入NC融合系统（Simens840Di，Fanuc210i） 在传统的CNC中提供PC前端接口，使其具有PC化的人机界面，能够集成应用程序、网络接口等。 CNC内核保持了原有的封闭性，只能实现界面开放。 软件NC全开放

21、系统 （PA8000等） 以PC为平台，采用实时操作系统，由软件模块实现CNC系统的各项功能，通过伺服卡传输数据，完成伺服和PLC控制。 通过对CNC软件的适当组织、划分、规范定义和开发，可望实现完全开放。4.2.3 4.2.3 开放式数控系统开放式数控系统1 12 23 34 4运动控制卡运动控制卡 运动控制运动控制 是控制技术与运动系统相结合的产物，是控制技术与运动系统相结合的产物，它以微处理器、它以微处理器、DSP为核心，综合硬件设计、软为核心，综合硬件设计、软件编程、运动轨迹设计、控制算法分析、实时伺件编程、运动轨迹设计、控制算法分析、实时伺服驱动等功能，以实现对运动轨迹、位移、速度、

22、服驱动等功能，以实现对运动轨迹、位移、速度、加速度、力和力矩的自动控制，广泛应用于机械加速度、力和力矩的自动控制，广泛应用于机械制造、航空航天、食品、纺织、医疗卫生以及家制造、航空航天、食品、纺织、医疗卫生以及家用电气等众多领域。用电气等众多领域。 高性能运动控制卡高性能运动控制卡 是各类专用数控系统快速开是各类专用数控系统快速开发的支撑技术。发的支撑技术。 4.2.3 4.2.3 开放式数控系统开放式数控系统1 12 23 34 4DeltaTau PMAC IDeltaTau PMAC I型多轴运动控制卡型多轴运动控制卡 (PCI)(PCI)数控系统数控系统DeltaTau PMAC ID

23、eltaTau PMAC I型多轴运动控制卡型多轴运动控制卡 (PC104)(PC104)1 12 23 34 4显示器CPU存储器网卡传感传感/ /执行执行器器应用层应用层功能层功能层设备层设备层I/OI/O模模块块多轴运动控制器多轴运动控制器驱动器驱动器驱动器驱动器驱动器驱动器X X轴电机轴电机Y Y轴电机轴电机Z Z轴电机轴电机机床本体机床本体ISA/PC104/PCIISA/PC104/PCI总线总线4.2.3 4.2.3 开放式数控系统开放式数控系统1 12 23 34 4 嵌入式微处理器嵌入式微处理器：在功能上与标准微处理器基本相：在功能上与标准微处理器基本相同，但在工作温度、抗电

24、磁干扰、可靠性等方面都同，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都做了各种增强。做了各种增强。 与工业控制计算机相比，与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。 目前，主要的嵌入式处理器类型有目前，主要的嵌入式处理器类型有ARMARM、Am186/88Am186/88、 386EX386EX、PowerPCPowerPC、6800068000系列等。系列等。 4.2.4 4.2.4 嵌入式数控系统嵌入式数控系统嵌入式数控系统：嵌入式数控系统：采用了嵌入式处理器的数控装置，采用了嵌入式处理器的数控装置

25、，可显著提高系统的性价比。可显著提高系统的性价比。1 12 23 34 4 ARMARM（Advanced RISC MachinesAdvanced RISC Machines）公司是全球领公司是全球领先的先的16/3216/32位位RISCRISC微处理器微处理器知识产权设计知识产权设计供应商。供应商。 ARM ARM处理器有处理器有3 3大特点：大特点：小体积、低功耗、低成本而高性能；小体积、低功耗、低成本而高性能；16/3216/32位双指令集；位双指令集；全球众多的合作伙伴。全球众多的合作伙伴。 ARM ARM处理器分处理器分ARM7ARM7、ARM9ARM9、ARM9EARM9E、

26、ARM10ARM10、ARM11ARM11等系列。等系列。 ARMARM处理器处理器4.2.4 4.2.4 嵌入式数控系统嵌入式数控系统1 12 23 34 4 PowerPC PowerPC体系结构的特点是体系结构的特点是可伸缩性好，方便灵可伸缩性好，方便灵活活。PowerPCPowerPC处理器处理器品种很多品种很多，既有通用的处理器，既有通用的处理器，又有微控制器和内核。其又有微控制器和内核。其应用范围非常广泛应用范围非常广泛，从高，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。电子产品到大型通信设备，无所不

27、包。 基于基于PowerPCPowerPC架构的处理器有架构的处理器有IBM IBM 公司开发的公司开发的PowerPC 405 GPPowerPC 405 GP，它是一个集成，它是一个集成10/100Mbps10/100Mbps以太网以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外设的高性能嵌入式处理器。设的高性能嵌入式处理器。PowerPCPowerPC处理器处理器4.2.4 4.2.4 嵌入式数控系统嵌入式数控系统1 12 23 34 4 X86 X86系列处理器是最常用的，它起源于系列处理器是最常用的，它起源于IntelIntel架架构的构

28、的80808080，发展到现在，发展到现在Pentium 4Pentium 4、AthlonAthlon和和AMDAMD的的6464位处理器位处理器HammerHammer。486DX486DX是当时和是当时和ARMARM、68K68K、MIPSMIPS、SuperHSuperH齐名的五大嵌入式处理器之一。现有齐名的五大嵌入式处理器之一。现有基于基于X86X86的的STPCSTPC高度集成系统。高度集成系统。 X86 X86处理器处理器4.2.4 4.2.4 嵌入式数控系统嵌入式数控系统1 12 23 34 4典型的嵌入式数控系统结构：典型的嵌入式数控系统结构：ARM+DSP，ARMFPGAM

29、M、S S、T T等指令等指令主轴电机主轴电机外围外围网络接口网络接口USBUSB接口接口键盘接口键盘接口显示接口显示接口存储接口存储接口.插补单元插补单元补偿单元补偿单元位控单元位控单元G G代码代码伺服单元伺服单元进给电机进给电机ARMARMPLCPLC软核软核操作系统操作系统DSPDSP接口接口FPGAFPGA代码解释模块代码解释模块4.2.4 4.2.4 嵌入式数控系统嵌入式数控系统1 12 23 34 4思考题？思考题？ 嵌入式数控系统的优势？嵌入式数控系统的优势？ 集成化、高性价比的集成化、高性价比的CPU； 比较开放式数控与嵌入式数控的特点、发展理念？比较开放式数控与嵌入式数控的

30、特点、发展理念？ 标准化、开放式标准化、开放式 集成化、高性价比集成化、高性价比 当代及未来数控系统硬件结构发展的基本趋势？当代及未来数控系统硬件结构发展的基本趋势？ 模块：集成化、标准化；模块：集成化、标准化； 结构：分布式、网络化；结构：分布式、网络化；1 12 23 34 4从实现功能角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。从实现功能角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。CNCCNC装置软件和硬件的关系装置软件和硬件的关系4.3 4.3 计算机数字控制装置的软件结构计算机数字控制装置的软件结构各有特点：各有特点：l硬件：处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的硬件：处理速度快，但灵活性差，实现复

31、杂控制的功能困难。功能困难。l软件：设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。软件：设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。4.3.1 CNC装置的软件构成装置的软件构成1 12 23 34 44.3.1 CNC4.3.1 CNC装置的软件构成装置的软件构成4.3 4.3 计算机数字控制装置的软件结构计算机数字控制装置的软件结构CNC装置的装置的软件软件CNC管理软管理软件件CNC控制控制软件软件输入输入I/O处理处理通信通信诊断诊断译码译码 刀具刀具补偿补偿速度速度控制控制插补插补控制控制位置位置控制控制显示显示开关开关量控量控制制4.3.2 CNC系统软件的工作过程系统软件的工作过程1 12

32、 23 34 4加工程序加工程序译译 码码译码缓冲区译码缓冲区（内存单元）（内存单元）刀补处理刀补处理刀补缓冲区刀补缓冲区速度预处理速度预处理插补工作缓插补工作缓冲区冲区插补处理插补处理插补缓冲区插补缓冲区伺服驱动伺服驱动位控处理位控处理位置反馈位置反馈PLC控制控制数据处理数据处理将文本格式转变为将文本格式转变为数据格式数据格式4.3.2 CNC4.3.2 CNC系统软件的工作过程系统软件的工作过程4.3 4.3 计算机数字控制装置的软件结构计算机数字控制装置的软件结构1)程序输入程序输入1 12 23 34 4思考？思考？ 系统的任务众多，如何组织系统各软件系统的任务众多，如何组织系统各软

33、件模块，保证其可靠、高效运行？模块，保证其可靠、高效运行？ 软件的体系结构关系重大（模块的划分、软件的体系结构关系重大（模块的划分、接口定义、接口定义、调度策略调度策略等）等）1 12 23 34 44.3.3 CNC4.3.3 CNC系统的软件结构特点系统的软件结构特点译码译码刀补刀补速度速度处理处理插补插补位置控制位置控制I/O诊断诊断输入输入显示显示位置控制位置控制2）前后台型软件结构）前后台型软件结构数控软件的特点：数控软件的特点：多任务性、要求并行处理多任务性、要求并行处理1 12 23 34 4并行处理的实现方式：并行处理的实现方式：单单CPU？资源分时共享资源分时共享多多CPU？

34、资源重叠流水处理资源重叠流水处理4.3.3 CNC4.3.3 CNC系统的软件结构特点系统的软件结构特点框图框图1 1）多任务性与并行处理技术）多任务性与并行处理技术1 12 23 34 4 资源分时共享并行处理资源分时共享并行处理（对单（对单CPUCPU系统）系统）重点解决：重点解决： 各任务的优先级分配问题？各任务的优先级分配问题？ 各任务时间片的分配问题？各任务时间片的分配问题？4.3 4.3 计算机数字控制装置的软件结构计算机数字控制装置的软件结构1 12 23 34 4VSVS译码译码刀补刀补I/O显示显示初始初始化化位置控制位置控制插补运算插补运算背景程序背景程序 中 断 级中 断

35、 级别高别高中 断 级中 断 级别低别低资源（资源（CPUCPU）分时共享图）分时共享图4.3 4.3 计算机数字控制装置的软件结构计算机数字控制装置的软件结构1 12 23 34 4并发处理和流水处理（对多并发处理和流水处理（对多CPUCPU系统）系统） 若任务间的关联程度不高，则可让其分别在若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的不同的CPUCPU上同时执行上同时执行 并发处理并发处理； 若任务间的关联程度较高，即一个任务的输若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取出是另一个任务的输入，则可采取流水处理流水处理的方法来实现并行处理。的方法来实现并行处理。4.

36、3 4.3 计算机数字控制装置的软件结构计算机数字控制装置的软件结构1 12 23 34 4流水处理技术示意图流水处理技术示意图并行处理并行处理1 12 23 31 12 23 32t2tt t空间空间时间时间顺序处理顺序处理输输出出输输出出CPU1CPU1时间时间t+t+t tt t空间空间1 11 11 13 33 33 32 22 22 2输输出出输输出出输输出出CPU1CPU1CPU2CPU2CPU3CPU34.3 4.3 计算机数字控制装置的软件结构计算机数字控制装置的软件结构1 12 23 34 4前后台程序运行关系图前后台程序运行关系图 前台程序前台程序故障处理故障处理位置控制位

37、置控制插补运算插补运算后台程序后台程序译译 码码刀补处理刀补处理速度预处理速度预处理输入输入/输出输出显示显示中断执行中断执行循环执行循环执行2）前后台型软件结构）前后台型软件结构4.3 4.3 计算机数字控制装置的软件结构计算机数字控制装置的软件结构3)中断型软件结构中断型软件结构v适合于适合于单微处理器单微处理器CNCCNC装置装置。1 12 23 34 4 除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务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，然后模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由由中断管理系统中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断（由

38、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。断管理系统。 80809090年代初的年代初的CNCCNC系统大多采用这种结构。系统大多采用这种结构。3）中断型软件结构）中断型软件结构4.3.3 CNC4.3.3 CNC系统的软件结构特点系统的软件结构特点4.4 PLC1 12 23 34 4RTOS RTOS （Real Time Operating SystemReal Time Operating System）：它除了具有通用操）：它除了具有通用操作系统的功能外，还具有作系统的功能外，还具有任务管理任务管理、

39、多种实时任务调度机制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）、（如优先级抢占调度、时间片轮转调度等）、任务间的通信机任务间的通信机制制（如邮箱、消息队列、信号灯等）等功能。（如邮箱、消息队列、信号灯等）等功能。 CNCCNC系统软件基于实时操作系统进行开发，效率更高、运行更系统软件基于实时操作系统进行开发，效率更高、运行更可靠可靠为目前大多数嵌入式数控系统所采用。为目前大多数嵌入式数控系统所采用。应用应用RTOSRTOS开发时，如何实现任务间的同步？开发时，如何实现任务间的同步？4.3.3 CNC4.3.3 CNC系统的软件结构特点系统的软件结构特点1)多任务并行处理技术多任

40、务并行处理技术4）基于实时操作系统的结构模式）基于实时操作系统的结构模式1 12 23 34 41 1）名牌厂家）名牌厂家 FANUCFANUC、SIEMENSSIEMENS、ABAB、CINCINNATICINCINNATI、NUMNUM、HPHP、FAG FAG 、GE-FANUCGE-FANUC、三菱、华中数控、广州数控、航天数控、蓝天数控、三菱、华中数控、广州数控、航天数控、蓝天数控、北京北京FANUCFANUC、上海开通数控、南京方达数控、威海华东数控、南、上海开通数控、南京方达数控、威海华东数控、南京清华数控京清华数控2 2）系统的系列）系统的系列 FANUC:FANUC: FAN

41、UC-0TD/0MD/0C/0i/15/15FANUC-0TD/0MD/0C/0i/15/15i i/16/16/16/16i i/18/18/18/18i i/21/21/21/21i i/160/ 180 / 210/160/160/ 180 / 210/160i i/180/180i i /210 /210i i / /F30F30i i； SIEMENS:SIEMENS: SIEMENS-802S/802D/810D/SIEMENS-802S/802D/810D/840D840D；3 3）基本功能、选择功能）基本功能、选择功能 4 4）分辨率（设定单位）、速度、联动轴数；）分辨率（设定

42、单位）、速度、联动轴数；5 5）高速高精度系统的特殊指令功能）高速高精度系统的特殊指令功能6 6）价格、维修。）价格、维修。4.4 4.4 典型典型CNCCNC系统简介系统简介1 12 23 34 4南京四开（南京四开（SKYSKY）数控系统软件界面）数控系统软件界面1 12 23 34 4UmrichterSIMODRIVE 611 digital mit CNCSINUMERIK 840DE/R- ModulNCULeistungsteilBedientafelfront mit PCU 20/50/70Drehstrom-ServomotorenPeripherieSIMATIC S7-

43、300Drehstrom-Hauptspindelmotor采用PC为MMI的840D与SINUMERIK_611数字驱动系统和SIMATICS7可编程控制器一起，构成全数字控制系统1 12 23 34 4软盘驱动器软盘驱动器主轴驱动主轴驱动系统系统进给驱动进给驱动系统系统1 1进给驱动进给驱动系统系统n nMMC CPUMMC CPU模块模块PLCPLC输入输入/ /输输出接口出接口HHUHHU手持单元手持单元MCPMCP机床操作面板机床操作面板PCPC编程器编程器NCUNCU模块模块键盘键盘OP031OP031操作员面板操作员面板串行接口串行接口并行接口并行接口MPIMPIPLCPLC输入

44、输入/ /输输出接口出接口 MPI MPIProfiBusProfiBusMPIMPIMPIMPISINUMERIK 840DSINUMERIK 840D数控系统硬件框图数控系统硬件框图1 12 23 34 4MMCMMC软件系统软件系统BIOSBIOS系统系统DRAMDRAMMS-DOSMS-DOS操作系统操作系统WindowsWindows操作系统操作系统软盘驱动接口软盘驱动接口并行接口并行接口串行接口串行接口2 2串行接口串行接口1 1鼠标或键盘接口鼠标或键盘接口MPIMPI总线总线 NCU NCUNCNC软件系统软件系统 611D 611D驱动接口驱动接口DRAMDRAMPCMCIAP

45、CMCIA卡卡 -NCK-NCK系统系统 软件软件 -611D-611D系统系统 软件软件 - -驱动通讯驱动通讯 软件软件SRAMSRAM -NCK -NCK - -机床数据机床数据 - -标准循环标准循环 子程序子程序 - -机床厂家机床厂家 软件软件 - -用户软件用户软件 -611D-611D驱动驱动 程序程序 驱动模块驱动模块通讯通讯模块模块DRAMDRAMNCKNCK初始引导初始引导软件软件EPROMEPROMRouterRouterSDRAMSDRAM PLC PLC软件系统软件系统PEPROM PLCPEPROM PLC系统支持软件系统支持软件SRAMSRAM - -基本基本P

46、LCPLC程序程序 - -用户用户PLCPLC程序程序DFRDFRDFRDFRDFRDFR总总线线SINUMERIK 840DSINUMERIK 840D数控系统软件结构图数控系统软件结构图1 12 23 34 4互动、课外拓展互动、课外拓展 如何评价、选用数控系统的硬件和软件如何评价、选用数控系统的硬件和软件结构？结构？ 设计开发一个焊接专机数控系统的设计设计开发一个焊接专机数控系统的设计方案？方案？ 开放式数控合适的软件结构？开放式数控合适的软件结构？ 如何基于如何基于RTOS规划一个嵌入式规划一个嵌入式CNC的的软件结构？软件结构？ （ARMDSP）1 12 23 34 4谢谢 谢！谢！