第四讲 机床数控系统的软件

指令重叠执行方式时空图： 指令重叠执行方式时空图：
3．指令的执行方式（4） ．指令的执行方式（ ）
流水的工作方式 流水的工作方式 是重叠工作方式的引申，仍然是基于 并行重叠的工作原理，但重叠的程度进一步提高。 它是将一条指令的执行过程分解为多个子过程（如程序 输入、插补准备、插补运算、位置控制），每个子过程 由独立的功能部件完成，构成一条流水线。 指令序列1、2、3、4相继进入流水线。当第N1条指令指 令序列1从程序输入站流出进入插补准备站时，第N2 条 指令的指令序列1立即进入程序输入站…… 经过流水处理后，虽然一条指令的执行速度并没有提高， 但提高了指令序列的执行速度。亦即从时间∆t4开始，每 个程序段的输出之间不再有间隔从而保证了电动机和刀 具工作的连续性。
1．输入数据处理程序（2） ．输入数据处理程序（ ）
译码程序 在输入的工件加工程序中含有工件的轮廓信 息、加工速度及其他辅助功能信息，这些信息在计算机 作插补运算与控制操作前必须翻译成计算机内部能识别 的语言，这项工作由译码程序完成。 数据处理程序 它一般包括刀具半径补偿、刀具长度补 偿、反向间隙补偿、丝杠螺距补偿、过象限及进给方向 判断、速度计算、加减速控制以及辅助功能的处理等。 刀具半径补偿是把工件轮廓轨迹转化成刀具中心轨迹。 速度计算是解决该加工数据段以什么样的速度运动。另 外，诸如换刀、主轴启停、切削液开停等辅助功能也在 此程序中处理。
数控系统指令控制流程图
3．指令的执行方式（1） ．指令的执行方式（ ）
一条指令执行完后，后续指令的衔接方式有三种： 顺序方式、重叠方式和流水方式。
3．指令的执行方式（2） ．指令的执行方式（ ）
指令的顺序执行方式 指令的顺序 执行方式 加工指令的执行过程包 括程序输入、插补准备、插补运算、位置控制， 如果每个子过程处理时间分别为Δt1、Δt2、Δt3、 Δt4， 则 一 个 零 件 程 序 段 的 数 据 转 换 时 间 为 t1=Δt1＋Δt2＋Δt3＋Δt4 对于顺序的执行方式，是将第一个零件程序段处 理完以后再处理第二个程序段，依此类推。 两个程序段的输出之间将有一个时间间隔t1 。
一、数控系统的软件构成
数控装置系统软件构成框图： 数控装置系统软件构成框图：
1．输入数据处理程序（1） ．输入数据处理程序（ ）
它接收输入的零件加工程序，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。 有的系统还要进行补偿计算，或为插补运算和速度控制 等进行预计算。通常，输入数据处理程序包括输入，译 码和数据处理三项内容。 输入程序 它主要有两个任务，一个任务是从光电阅读 机或键盘输入零件加工程序，并将其存放在工件程序存 储器中；另一任务是从工件程序存储器中把零件加工程 序逐段往外调出，进入缓冲区，以便译码时使用。
1．前后台型软件结构（2） ．前后台型软件结构（
在背景程序循环运行的过程中，前台的实时中断 程序不断定时插入，二者密切配合，共同完成零 件加工任务。 程序一经启动，经过一段初始化程序后便进入背 景程序循环。同时开放定时中断，每隔一定时间 间隔发生一次中断，执行一次实时中断服务程序， 执行完毕后返回背景程序，如此循环往复，共同 完成数控加工的全部功能。
2．插补计算程序 ．
CNC系统根据工件加工程序中提供的数据，如 曲线的种类、起点、终点等进行运算。根据运算 结果，分别向各坐标轴发出进给脉冲。这个过程 称为插补运算．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。 CNC系统是一边插补进行运算，一边进行加工， 是一种典型的实时控制方式。插补运算的快慢直 接影响机床的进给速度。
2．中断的作用 ．
中断能实现主机和外部设备的并行工作； 中断系统能在故障出现时发出中断信号，调用相 应的处理程序，将故障的危害降到最低程度，并 请求系统管理员排除故障。 计算机在现场测试和控制、网络通讯、人机对话 时都具有强烈的实时性，中断技术能确保实时信 号的处理。
3．中断的类型（1） ．中断的类型（ ）
中断处理过程框图： 中断处理过程框图：
四、数控系统的软件结构
1．前后台型软件结构（1） ．前后台型软件结构（
适合于采用集中控制的单微处理器CNC装置。 CNC系统软件划分成两部分：前台程序和后台程序。 前台程序是一个实时中断服务程序，承担了几乎全部实 时的功能，实现与机床动作直接相关的功能如插补运算、 位置控制、机床I／O控制和软硬件故障处理等实时性很 强的任务。 后台程序运行的过程中，前台实时中断程序不断插入， 后台程序按一定的协议通过信息交换缓冲区向前台程序 发送数据，同时前台程序向后台程序提供显示数据及系 统运行状态。前后台程序相互配合，共同完成零件加工 任务。
4．中断的优先级（2） ．中断的优先级（ ）
在数控系统中，中断优先级共8级，0级最低，7 级最高，除了第4级为硬件中断完成报警功能外， 其余均为软件中断。
各级中断及其功能： 各级中断及其功能：
优先 级 主要功能 中断源 优先 级 主要功 能 中断源
0
初始化
开机进入
4
报警
硬件
1
CRT显示、ROM奇 偶校验
5．中断的处理过程（2） ．中断的处理过程（ ）
中断服务 是中断处理的核心。不同的中断要求 配置不同的中断服务程序。 恢复现场 在完成中断服务后，将动用的寄存器 中的原来内容从存储器中取回来。恢复原样。 返回原程序 原程序的断点就是在中断响应时保 存起来的指令计数器的内容，此时恢复指令计数 器和程序状态字寄存器。
3．速度控制程序 ．
速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的 频率，以保证预定的进给速度。在速度变化较大 时，需要进行自动加减速控制，以避免因速度突 变而造成驱动系统失步。
4．管理程序 ．
管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加 管理程序 工过程服务的各种程序进行调度管理。 管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起 管理程序 的中断进行处理。 水平较高的管理程序可以使多道程序并行工作，如在插 水平较高的管理程序 补运算与速度控制的空闲时间进行数据输入处理，即调 用各种功能子程序，完成下一数据段的读入、译码和数 据处理工作，并且保证在数据段加工过程中将下一数据 段准备完毕。一旦本数据段加工完毕就立即开始下一数 据段的插补加工。
硬件、主 控程序
5
插补运 算
8ms
2
各种工作方式、插 补准备 键盘、I/O及MST 处理
16ms
6
软件定 时 纸带阅 读机
2ms
3
16ms
7
硬件随机
5．中断的处理过程（1） ．中断的处理过程（ ）
中断的处理过程如图所示。 中断响应 将CPU最重要的两个寄存器——指令计数器 和程序状态字寄存器的内容保存到存储器中。 中断识别 判断是哪一个中断源发出请求，并调出即将 响应的中断服务程序。 保存现场 中断服务程序中要使用的通用寄存器原内容 保存到存储器中，中断服务程序要动用哪个寄存器，就 保存哪个寄存器中的内容。
外部中断 主要有纸带光电阅读机读孔中断、外部监控 中断（如紧急停、量仪到位等）和键盘操作面板输入中 断。前两种中断的实时性要求很高，将它们放在较高的 优先级上，而键盘和操作面板中断则放在较低的中断优 先级上，在有些系统中，甚至用查询的方式来处理它。 内部定时中断 主要有插补周期定时中断和位置采样中 断。在有些系统中，这两种定时中断合二为一。但在处 理时，总是先处理位置控制，然后处理插补运算。
数控加工时，CNC系统要完成许多任务，有的 任务对实时性要求很高，有的任务无实时性要求。 在多数情况下，几个任务必须同时进行。 举例 为使操作人员能及时地了解CNC系统的工 作状态，软件中的显示模块必须与控制软件同时 运行。在插补加工运行时，软件中的零件程序输 入模块必须与控制软件同时运行。而控制软件运 行时，本身的一些处理模块也必须同时运行。
前后台型软件结构框图： 前后台型软件结构框图：
2．中断型软件结构 ．
中断型软件结构没有前后台之分，其特点是除了 初始化程序之外，整个系统软件的各种任务模块 按轻重缓急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，由中断管 理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程 序按照中断的优先级的高低实施调度管理。
3．中断的类型（2） ．中断的类型（ ）
硬件故障中断 是指各种硬件故障检测装置发出 的中断，如存储器出错、定时器出错、插补运算 超时等。 程序性中断 是程序中出现的各种异常情况的报 警中断，如各种溢出、清零等。
4．中断的优先级（1） ．中断的优先级（ ）
CPU执行程序时，若有多个中断请求，如何响应，由中 断优先级来裁决。 优先级是指CPU响应并处理中断请求的先后秩序。它根 据中断事件的重要性和迫切性而定。在计算机硬件系统 中，应赋予各设备以响应的优先级。 当几个设备同时有中断请求时，优先级高的先响应，优 先级低的后响应。 通常，硬件故障中断属于最高级，其次是程序错误中断， 再次是各种输入输出传送中断等。
5．诊断程序 ．
诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的 故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故 障发生后，检查系统各主要部件（CPU、存储 器、接口、开关、伺服系统等）的功能是否正常， 并指出发生故障的部位。
二、多任务并行处理
1．CNC系统多任务性及并行工作方式 ． 系统多任务性及并行工作方式
中断型软件结构框图： 中断型软件结构框图：
思考与练习： 思考与练习：
用图形说明什么是指令的流水工作方式？实现 “流水”的物质基础是什么？ 数控系统的软件有几种构造模式令顺序执行方式时空图：
3．指令的执行方式（3） ．指令的执行方式（ ）
指令的重叠执行方式 指令的重叠执行方式 是指当现行程序段尚未执行完毕， 就去取后续指令。 在取出第N1条指令执行时，存储器已空闲，可以提前去 取N2条指令。这样，第N1条指令的执行周期便与第N2条 指令的取指周期重叠，使其相应的操作并行执行。 两个程序段之间有一个时间间隔为t2=∆t2＋∆t3＋∆t4的时 间间隔。 以上两种工作方式，反映在电机上就是电机的时转时停， 反映在刀具上就是刀具的时走时停，这都是加工工艺上 所不允许的。