1 多CPIJ單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原則

    系統(tǒng)的運(yùn)算速度必須滿足機(jī)床各種運(yùn)算速度要求，以符合數(shù)控機(jī)床的實(shí)時(shí)多任務(wù)的特點(diǎn)；系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)能夠滿足經(jīng)濟(jì)型機(jī)床的功能要求，擴(kuò)展性能好．適用面廣，可靠性高，保護(hù)功能好：硬件功能模塊化設(shè)計(jì)，并且模塊劃分得當(dāng)，便于擴(kuò)充，便于判斷故障和維修；在不增加硬件成本的前提下。可以利用網(wǎng)絡(luò)，以提高設(shè)備利用率和使用質(zhì)量。

2 多CPU單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

    2.1 數(shù)控系統(tǒng)的CPU

    本數(shù)控系統(tǒng)預(yù)控制四個(gè)電機(jī)，其中三個(gè)涉：進(jìn)步或伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)兩兩直線、圓弧插補(bǔ)或者空間直線插補(bǔ)。

    目前效控系統(tǒng)按照CPU的數(shù)量來(lái)分有：?jiǎn)螜C(jī)系統(tǒng)和多機(jī)系懶統(tǒng)。指整個(gè)CNC裝置只有—個(gè)CPU，它集中控制和管理整個(gè)系統(tǒng)資源，通過(guò)分時(shí)處理的療式來(lái)實(shí)璐種數(shù)控功能。其優(yōu)點(diǎn)在于投資小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但系統(tǒng)功能受CPU字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度等因素的制約�，F(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)已被多機(jī)結(jié)構(gòu)的毛從結(jié)構(gòu)所代替。

    多機(jī)系統(tǒng)。是指整個(gè)cNc裝置中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU，也就是系統(tǒng)中的某螳功能模塊也帶有CPU，根據(jù)這些CPU間的相互莢系的不同又町以將其分為：

    ①主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中只有一個(gè)cpu實(shí)際為主CPU系統(tǒng)的資源(系統(tǒng)存儲(chǔ)器、系統(tǒng)總線泊J控制和使用權(quán)，而其他帶有CPU的功能模塊麗為智能部件，則無(wú)權(quán)使用或控制系統(tǒng)資源，它只能接收主CPU的控制命令或數(shù)據(jù)，或向主CPU發(fā)出請(qǐng)求以獲得所需的數(shù)據(jù)。只有一卟CPU處于主導(dǎo)地位，其他CPU處于從屬地位，稱之為主從結(jié)構(gòu)。

    ②多主結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中系統(tǒng)部件之間采用緊藕合(即均掛在系統(tǒng)總線上，集中在一個(gè)控制箱內(nèi))，有集中的操作系統(tǒng)，通過(guò)總線仲裁器(軟件和硬件徠解決爭(zhēng)用總線問(wèn)題，通過(guò)公共俐諾器來(lái)交換信息。

    ③分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，該系統(tǒng)有兩個(gè)或者兩個(gè)以上的帶有CPU的功能模塊，每個(gè)功能模塊有自己獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境(系統(tǒng)總線、存儲(chǔ)器、操作系統(tǒng)等)，功能模塊間采用松藕合，即在空間上：町以較為分散，各模塊問(wèn)采用通信的方式交換信息。

圖1多CPU單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的1．更4q-結(jié)構(gòu)

    目前，由于多主結(jié)構(gòu)和分布結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較困難，加之從主結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能基本滿足數(shù)控加工的要求，故這兩種結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)較少。

    從硬件的體系結(jié)構(gòu)來(lái)看，單機(jī)系統(tǒng)與豐從系統(tǒng)及其相似，因?yàn)橹鲝慕Y(jié)構(gòu)的從CPU模塊與單朝結(jié)構(gòu)的相應(yīng)模塊在功能上是等價(jià)的，只是從模塊的能力更強(qiáng)而已。

    考慮到本數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)用單片機(jī)作為處理器，單一CPU并不能夠滿足多任務(wù)的控制要求，所以系統(tǒng)采用雙CPU架構(gòu)。—個(gè)CPU實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性要求不高的系統(tǒng)管理和監(jiān)控，另—個(gè)CPU實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性要求較高的運(yùn)動(dòng)控制，CPU間通過(guò)通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。因此本系統(tǒng)采用主從式雙CPU架構(gòu)。

    2.2 多CPU單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件總體架構(gòu)

    多CPU單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)羥裝置的硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)具有以下特點(diǎn)。

    采用主從CPU結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，主、從CPU都采用高性能單片機(jī)，每個(gè)子系統(tǒng)都有自已獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境和控制功能；主、從CPU之間采用特定的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，交換信息。采用共享雙VI RAM結(jié)構(gòu)或者直接信息交換方式實(shí)現(xiàn)通信。用戶可選；硬件功能模塊化設(shè)計(jì)，主要分為鍵盤模塊，顯示模塊，擴(kuò)展礬)模塊，程序操作模塊．插補(bǔ)控制模塊，位置控制模塊，電路驅(qū)動(dòng)模塊和電源隔離模塊等功能模塊；豐、從CPU分工合作。主CPU完成前臺(tái)控制．即系統(tǒng)初始化、人機(jī)界麗管理、系統(tǒng)監(jiān)控、鍵盤掃描、加工程序編輯、FO控制等管理控制工作。從CPU則上要進(jìn)行插補(bǔ)處理、位置控制、主軸控制、速度控制等實(shí)時(shí)控制工作。

3 多CPU單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)

    CNC系統(tǒng)的程序豐要由以下幾個(gè)部分組成：輸入數(shù)據(jù)處理程序。輸人數(shù)據(jù)處理程序的任務(wù)是接收輸入的零件程序，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。—般CNC系統(tǒng)的預(yù)處理包括：對(duì)使用ISO或EIA代碼的零件程序進(jìn)行翻譯、整理’按所規(guī)定的格式進(jìn)行存放。對(duì)零件程序的加工指令進(jìn)行譯碼，對(duì)其坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行十進(jìn)制到一刪的轉(zhuǎn)換甜編程軌跡進(jìn)行刀具半徑偏移汁算，以得到刀具巾心的運(yùn)動(dòng)勒跡，并繼而處胂程序段的轉(zhuǎn)換問(wèn)_題；對(duì)插補(bǔ)計(jì)算及速度控制過(guò)程巾要用到的一些常數(shù)進(jìn)行頂計(jì)算等。當(dāng)然，不同功能的CNC系統(tǒng)，其預(yù)處理具體內(nèi)容不盡相同，但其目的都是共同的：即為插補(bǔ)運(yùn)算耵約時(shí)間。CNC系統(tǒng)對(duì)輸人數(shù)據(jù)處理程序的實(shí)時(shí)性要求不高，它可在加工前或加工過(guò)程中的空閑時(shí)間進(jìn)行。輸入數(shù)據(jù)處理進(jìn)行的充分—些．町減輕加工過(guò)程中實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的插補(bǔ)運(yùn)算及速度控制程序的負(fù)擔(dān)。

    插補(bǔ)運(yùn)算程序。插補(bǔ)運(yùn)算程序完成NC系統(tǒng)巾插補(bǔ)器的功能，即實(shí)現(xiàn)唯標(biāo)軸脈沖分配的功能。南于現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)或微處理器檔制器等具有功能強(qiáng)大和完善的指令系統(tǒng)和必要的算術(shù)了程序，給插補(bǔ)運(yùn)算提供了許多力‘便�？梢圆捎�—些更方便的數(shù)學(xué)方法提高輪廓控制的精度，而不必廄武噌加硬件線路。插補(bǔ)運(yùn)算是實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的程序，要盡可能減少該程序中的的指令條數(shù)，即縮短進(jìn)行一次插補(bǔ)運(yùn)算的時(shí)間。因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間直接決定了捕補(bǔ)進(jìn)給的最高速度。有砦CNC系統(tǒng)中，還采用粗插補(bǔ)與精捅補(bǔ)相結(jié)合的方法，軟件只作粗抽補(bǔ)，即每次插補(bǔ)一條微小直線段，硬件再將此微小直線段分成單個(gè)脈沖輸出，完成精插補(bǔ)。這樣既可提高進(jìn)給速度，義能使汁算機(jī)節(jié)省出更多的時(shí)問(wèn)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理。

    速度控制程序。速度控制程序的目的就是控制脈沖分配的速度。即根據(jù)給定的速度代碼(或其相應(yīng)的速度指令)，控制插補(bǔ)運(yùn)算的頻率，以保證按預(yù)定的速度進(jìn)給。在速度明顯突變時(shí)，要進(jìn)行自動(dòng)加減速控制．避免速度突變?cè)斐沈?qū)動(dòng)系統(tǒng)的失步。速度控制可以完全由軟件方法曜序計(jì)時(shí)法實(shí)現(xiàn)，也可以保留用速度澤碼控制振蕩器的硬件線路，經(jīng)中斷或程序詢問(wèn)進(jìn)入一次插補(bǔ)運(yùn)算，達(dá)到速度控制的日的。此外，用軟件對(duì)速度控制數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并與硬件的速度積分器相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)高性能的恒定合成速度控制。并大大提高插補(bǔ)進(jìn)給的速度。

    管理程序。管理程序是實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。按操作系統(tǒng)的觀點(diǎn)：—個(gè)機(jī)機(jī)系統(tǒng)有CPU、存儲(chǔ)器、外設(shè)及文件四項(xiàng)資源需要管理，而一般CNC系統(tǒng)中的管理程序其規(guī)模與通用性不大，所以不能稱為操作系統(tǒng)而稱為管理程序或監(jiān)控程序，它主要對(duì)數(shù)據(jù)的輸入、處理及切削加工過(guò)程中的各種系統(tǒng)程序進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)零件加工的實(shí)時(shí)控制。管理程序還要對(duì)面板命令、時(shí)鐘信號(hào)、故障信號(hào)等引起的中斷進(jìn)行處理。水平較高的管理程序可使多道程序并行工作，如在插補(bǔ)運(yùn)算與速度控制的空閑時(shí)問(wèn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，或?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行必要的瑣防性診斷等。

    診斷程序。能夠方便地設(shè)置各種診斷程序是CNC系統(tǒng)的特點(diǎn)之一。診斷程序町以在運(yùn)行中及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，并指出故障的類型。也町以在運(yùn)行前或發(fā)生故障后，檢在各種部件(接1：3、開關(guān)、伺服系統(tǒng)等)的功能是否正常不正常時(shí)指f“故障的部位便于維修人員及時(shí)處理減少故障停機(jī)時(shí)間。

    因?yàn)榇讼到y(tǒng)硬件為豐從CPU架構(gòu)，結(jié)合每個(gè)CPU的管理功能不同，各個(gè)負(fù)責(zé)的模塊軟件如圖2所示。

    硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，軟件更要突出模塊化的設(shè)計(jì)思想。針對(duì)不同的數(shù)控系統(tǒng)軟件功能構(gòu)建模塊化的程序，即數(shù)控系統(tǒng)的軟件芯片化在軟件工程思想的指導(dǎo)下，力求提高軟件的重用率，受硬件系統(tǒng)開發(fā)的啟發(fā)，通過(guò)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的功能劃分，建立類似硬件芯片的數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片庫(kù)。當(dāng)建立新的數(shù)控系統(tǒng)時(shí)。只需從軟件芯片庫(kù)中取出相應(yīng)的模塊加以組合即可，必要時(shí)加以擴(kuò)充，而，元需從頭開發(fā)整個(gè)系統(tǒng)。

    軟件芯片也稱軟件組件，是運(yùn)用類屬化、抽象、封裝、繼承等現(xiàn)代軟件工程技術(shù)的，完成特定功能，并且有良好接口的自包含實(shí)體。

    在軟件芯片集成運(yùn)行環(huán)境的統(tǒng)一管理下。每個(gè)”軟件芯片”可以靈活地進(jìn)行重組。這些功能不同的軟件芯片通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片庫(kù)的集成環(huán)境進(jìn)行配置．從而形成—個(gè)有機(jī)的整體．存任務(wù)調(diào)度下，完成CNC人機(jī)交互以及各種運(yùn)動(dòng)控制功能。

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