1 多CPIJ單片機數(shù)控系統(tǒng)的硬件設計原則
系統(tǒng)的運算速度必須滿足機床各種運算速度要求，以符合數(shù)控機床的實時多任務的特點；系統(tǒng)硬件結構能夠滿足經(jīng)濟型機床的功能要求，擴展性能好．適用面廣，可靠性高，保護功能好：硬件功能模塊化設計，并且模塊劃分得當，便于擴充，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，以提高設備利用率和使用質量。
2 多CPU單片機數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構
2.1 數(shù)控系統(tǒng)的CPU
本數(shù)控系統(tǒng)預控制四個電機，其中三個涉：進步或伺服電機可以實現(xiàn)兩兩直線、圓弧插補或者空間直線插補。
目前效控系統(tǒng)按照CPU的數(shù)量來分有：單機系統(tǒng)和多機系懶統(tǒng)。指整個CNC裝置只有—個CPU，它集中控制和管理整個系統(tǒng)資源，通過分時處理的療式來實璐種數(shù)控功能。其優(yōu)點在于投資小，結構簡單，易于實現(xiàn)。但系統(tǒng)功能受CPU字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等因素的制約。現(xiàn)在這種結構已被多機結構的毛從結構所代替。
多機系統(tǒng)。是指整個cNc裝置中有兩個或兩個以上的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主從結構系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中只有一個cpu實際為主CPU系統(tǒng)的資源(系統(tǒng)存儲器、系統(tǒng)總線泊J控制和使用權，而其他帶有CPU的功能模塊麗為智能部件，則無權使用或控制系統(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)出請求以獲得所需的數(shù)據(jù)。只有一卟CPU處于主導地位，其他CPU處于從屬地位，稱之為主從結構。
②多主結構系統(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，集中在一個控制箱內)，有集中的操作系統(tǒng)，通過總線仲裁器(軟件和硬件徠解決爭用總線問題，通過公共俐諾器來交換信息。
③分布式結構系統(tǒng)，該系統(tǒng)有兩個或者兩個以上的帶有CPU的功能模塊，每個功能模塊有自己獨立的運行環(huán)境(系統(tǒng)總線、存儲器、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，各模塊問采用通信的方式交換信息。
圖1多CPU單片機數(shù)控系統(tǒng)的1．更4q-結構
目前，由于多主結構和分布結構的系統(tǒng)構成復雜，操作系統(tǒng)的設計比較困難，加之從主結構系統(tǒng)能基本滿足數(shù)控加工的要求，故這兩種結構的CNC系統(tǒng)較少。
從硬件的體系結構來看，單機系統(tǒng)與豐從系統(tǒng)及其相似，因為主從結構的從CPU模塊與單朝結構的相應模塊在功能上是等價的，只是從模塊的能力更強而已。
考慮到本數(shù)控系統(tǒng)運用單片機作為處理器，單一CPU并不能夠滿足多任務的控制要求，所以系統(tǒng)采用雙CPU架構。—個CPU實現(xiàn)實時性要求不高的系統(tǒng)管理和監(jiān)控，另—個CPU實現(xiàn)實時性要求較高的運動控制，CPU間通過通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。因此本系統(tǒng)采用主從式雙CPU架構。
2.2 多CPU單片機數(shù)控系統(tǒng)的硬件總體架構
多CPU單片機數(shù)控系統(tǒng)數(shù)羥裝置的硬件結構應具有以下特點。
采用主從CPU結構控制系統(tǒng)，主、從CPU都采用高性能單片機，每個子系統(tǒng)都有自已獨立的運行環(huán)境和控制功能；主、從CPU之間采用特定的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊，交換信息。采用共享雙VI RAM結構或者直接信息交換方式實現(xiàn)通信。用戶可選；硬件功能模塊化設計，主要分為鍵盤模塊，顯示模塊，擴展礬)模塊，程序操作模塊．插補控制模塊，位置控制模塊，電路驅動模塊和電源隔離模塊等功能模塊；豐、從CPU分工合作。主CPU完成前臺控制．即系統(tǒng)初始化、人機界麗管理、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則上要進行插補處理、位置控制、主軸控制、速度控制等實時控制工作。
3 多CPU單片機數(shù)控系統(tǒng)軟件總體架構
CNC系統(tǒng)的程序豐要由以下幾個部分組成：輸入數(shù)據(jù)處理程序。輸人數(shù)據(jù)處理程序的任務是接收輸入的零件程序，并對其進行預處理。—般CNC系統(tǒng)的預處理包括：對使用ISO或EIA代碼的零件程序進行翻譯、整理’按所規(guī)定的格式進行存放。對零件程序的加工指令進行譯碼，對其坐標數(shù)據(jù)進行十進制到一刪的轉換甜編程軌跡進行刀具半徑偏移汁算，以得到刀具巾心的運動勒跡，并繼而處胂程序段的轉換問_題；對插補計算及速度控制過程巾要用到的一些常數(shù)進行頂計算等。當然，不同功能的CNC系統(tǒng)，其預處理具體內容不盡相同，但其目的都是共同的：即為插補運算耵約時間。CNC系統(tǒng)對輸人數(shù)據(jù)處理程序的實時性要求不高，它可在加工前或加工過程中的空閑時間進行。輸入數(shù)據(jù)處理進行的充分—些．町減輕加工過程中實時性較強的插補運算及速度控制程序的負擔。
插補運算程序。插補運算程序完成NC系統(tǒng)巾插補器的功能，即實現(xiàn)唯標軸脈沖分配的功能。南于現(xiàn)代微型計算機或微處理器檔制器等具有功能強大和完善的指令系統(tǒng)和必要的算術了程序，給插補運算提供了許多力‘便。可以采用—些更方便的數(shù)學方法提高輪廓控制的精度，而不必廄武噌加硬件線路。插補運算是實時性很強的程序，要盡可能減少該程序中的的指令條數(shù)，即縮短進行一次插補運算的時間。因為這個時間直接決定了捕補進給的最高速度。有砦CNC系統(tǒng)中，還采用粗插補與精捅補相結合的方法，軟件只作粗抽補，即每次插補一條微小直線段，硬件再將此微小直線段分成單個脈沖輸出，完成精插補。這樣既可提高進給速度，義能使汁算機節(jié)省出更多的時問進行必要的數(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(或其相應的速度指令)，控制插補運算的頻率，以保證按預定的速度進給。在速度明顯突變時，要進行自動加減速控制．避免速度突變造成驅動系統(tǒng)的失步。速度控制可以完全由軟件方法曜序計時法實現(xiàn)，也可以保留用速度澤碼控制振蕩器的硬件線路，經(jīng)中斷或程序詢問進入一次插補運算，達到速度控制的日的。此外，用軟件對速度控制數(shù)據(jù)進行處理，并與硬件的速度積分器相結合，可以實現(xiàn)高性能的恒定合成速度控制。并大大提高插補進給的速度。
管理程序。管理程序是實現(xiàn)CNC系統(tǒng)協(xié)調工作的主體軟件。按操作系統(tǒng)的觀點：—個機機系統(tǒng)有CPU、存儲器、外設及文件四項資源需要管理，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，它主要對數(shù)據(jù)的輸入、處理及切削加工過程中的各種系統(tǒng)程序進行統(tǒng)一的調度，以實現(xiàn)零件加工的實時控制。管理程序還要對面板命令、時鐘信號、故障信號等引起的中斷進行處理。水平較高的管理程序可使多道程序并行工作，如在插補運算與速度控制的空閑時問進行數(shù)據(jù)處理，或對系統(tǒng)進行必要的瑣防性診斷等。
診斷程序。能夠方便地設置各種診斷程序是CNC系統(tǒng)的特點之一。診斷程序町以在運行中及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，并指出故障的類型。也町以在運行前或發(fā)生故障后，檢在各種部件(接1：3、開關、伺服系統(tǒng)等)的功能是否正常不正常時指f“故障的部位便于維修人員及時處理減少故障停機時間。
因為此系統(tǒng)硬件為豐從CPU架構，結合每個CPU的管理功能不同，各個負責的模塊軟件如圖2所示。
硬件采用模塊化設計，軟件更要突出模塊化的設計思想。針對不同的數(shù)控系統(tǒng)軟件功能構建模塊化的程序，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)，通過對數(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。當建立新的數(shù)控系統(tǒng)時。只需從軟件芯片庫中取出相應的模塊加以組合即可，必要時加以擴充，而，元需從頭開發(fā)整個系統(tǒng)。
軟件芯片也稱軟件組件，是運用類屬化、抽象、封裝、繼承等現(xiàn)代軟件工程技術的，完成特定功能，并且有良好接口的自包含實體。
在軟件芯片集成運行環(huán)境的統(tǒng)一管理下。每個”軟件芯片”可以靈活地進行重組。這些功能不同的軟件芯片通過數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片庫的集成環(huán)境進行配置．從而形成—個有機的整體．存任務調度下，完成CNC人機交互以及各種運動控制功能。
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