CNC系統(tǒng)的控制軟件及其工作過程

CNC系統(tǒng)的控制軟件及其工作過程

控制軟件是為完成特定CNC(或MNC)系統(tǒng)各項功能所編制的專用軟件，又稱為系統(tǒng)軟件(或系統(tǒng)程序)。因為CNC(或MNC)系統(tǒng)的功能設置與控制方案各不相同，各種系統(tǒng)軟件在結構和規(guī)模上差別很大。系統(tǒng)程序的設計與各項功能的實現(xiàn)及其將來的擴展有最直接的關系，是整個CNC(或MNC)系統(tǒng)研制工作中關鍵性的和工作量最大的部分。
前面曾提到，系統(tǒng)軟件一般由輸入、譯碼、數(shù)據(jù)處理(預計算)、插補運算、速度控制、輸出控制、管理程序及診斷程序等部分構成。下面分別加以介紹。
1、輸入
CNC系統(tǒng)中一般通過紙帶閱讀機、磁帶機、磁盤及鍵盤輸入零件程序，且其輸入大都采用中斷方式。在系統(tǒng)程序中有相應的中斷服務程序，如紙帶閱讀機中
斷服務程序及鍵盤中斷服務程序等。當紙帶閱讀機讀入一個字符至接口中時，就向主機發(fā)出中斷，由中斷服務程序將該字符送入內存。同樣，每按一個鍵則表示向主機申請一次中斷，調出一次鍵盤服務程序，對相應的鍵盤命令進行處理。
從閱讀機及鍵盤輸入的零件程序，一般是經(jīng)過緩沖器以后，才進入零件程序存儲器的。零件程序存儲器的規(guī)模由系統(tǒng)設計員確定。一般有幾K字節(jié)，可以存放許多零件程序。例如7360系統(tǒng)的零件程序存儲器為5K，可存放20多個零件程序。
鍵盤中斷服務程序負責將鍵盤上打入的字符存入MDI緩沖器，按一下鍵就是向主機申請一次中斷。其框圖如圖3-16所示。


圖3-16 鍵盤中斷服務程序

2、譯碼
由前面的討論可知，經(jīng)過輸入系統(tǒng)的工作，已將數(shù)據(jù)段送入零件程序存儲器。下一步就是由譯碼程序將輸入的零件程序數(shù)據(jù)段翻譯成本系統(tǒng)能識別的語言。一個數(shù)據(jù)段從輸入到傳送至插補工作寄存器需經(jīng)過以下幾個環(huán)節(jié)，如圖3-17所示。

圖3-17 一個數(shù)據(jù)段經(jīng)歷之過程
從原理和本質上說，軟件譯碼與硬件譯碼相同。對于8單位的紙帶程序，一個字符占8位。在16位字長的緩沖器中，一個字可存放兩個字符。數(shù)據(jù)段長的則占的字數(shù)多。譯碼程序按次序將一個個字符和相應的數(shù)字進行比較，若相等了，則說明已輸入了該字符。它就好像在硬件譯碼線路中，一個代碼輸入時只打開相應的某一個與門一樣。所不同的是譯碼程序是串行工作的，即一個一個地比較，一直到相等時為止。而硬件譯碼線路則是并行工作的，因而速度較快。以ISO碼為例，M為

，即M為八進制的

，S為

，T為

，F(xiàn)為

，……，因此，在判定數(shù)據(jù)段中是否已編入M，S，T或F字時，就可以將輸入的字符和這些八進制數(shù)相比較，若相等了，則說明相應的字符已輸入，立即設立相應的標志。
某一個字符輸入以后的處理過程包括：
(1) 建立格式標志。如果是位格式，則每個字符所占的格式字的位數(shù)不同。
(2) 根據(jù)輸入字符的不同，確定相應的存放數(shù)值的地址。例如，M碼的值存放在1000H，S碼的值存放在1002H，……；有的系統(tǒng)則對于各專用地址碼(如N，
X，Y，G，M，F(xiàn)等)在存放區(qū)域中都有一個位移量，該區(qū)域的首址加上地址碼所對應的位移量，就可得到該地址碼所存放的區(qū)域。
（3）確定調用“數(shù)碼轉換程序”的次數(shù)。一個代碼后總有數(shù)字相接，例如M02，S11，X1000000，……。M碼的值最多為2位，是碼最多為2位（或3位），X碼的值最多為7位等。各個系統(tǒng)不盡相同。但對某一個具體系統(tǒng)而言，有一個規(guī)定值。如果某一個代碼，它的值得最多為2位，那么只需調用數(shù)碼轉換程序兩次。所謂數(shù)碼轉換，即把輸入的字符（如ASCII碼）轉換成二進制碼在內存中存放。
將不同字符的處理器程序合并起來需要一張信息表。該表中沒一個字符均有相應的一欄。欄中內容包括地址偏移量、在格式標志字中的位數(shù)及調用數(shù)碼轉換程序的次數(shù)。經(jīng)過一次的算術和邏輯運算即可以完成譯碼工作。在進行譯碼的同時，系統(tǒng)要對零件程序作語法檢查，如輸入的數(shù)字個數(shù)是否大于允許值，不允許帶負號的地址碼是否帶了負號等。
譯碼的結果存放在規(guī)定的存儲區(qū)內，存放譯碼結果的地方叫做譯碼結果存儲器。譯碼結果存儲器以規(guī)定的次序存放各代碼的值（二進制），且包括一個程序格式標志單元，在該格式標志單元中某一位為1，即表示指定的代碼（例如F、S、M……）已經(jīng)被編入。為了使用方便，有時對G碼、M碼的每一個值或幾個值單獨建立標志字。例如，對關于插補方式的G00，G01，G02，G03建立一個標志字，該標志字為0時代表已編入了G00，為1時代表婊入了G01……。

圖3-18 譯碼程序流程圖
3、預計算
為了減輕插補工作的負擔，提高系統(tǒng)的實時處理能力，常常在插補運算前先進行數(shù)據(jù)的預處理，例如，確定圓弧平面、刀具半徑補償?shù)挠嬎愕?。當采用?shù)字積分法時，可預先進行左移規(guī)格化的處理和積分次數(shù)的計算等，這樣，可把最直接、最方便形式的數(shù)據(jù)提供給插補運算。
數(shù)據(jù)預處理即預計算，通常包括刀具長度補償、刀具半徑補償計算、象限及進給方向判斷、進給速度換算和機床輔助功能判斷等。在第二章中已對刀具半徑補償計算的方法作了介紹。下面僅敘述速度計算及控制。
進給速度的控制方法與系統(tǒng)采用的插補算法有關，也因不同的伺服系統(tǒng)而有所不同。在開環(huán)系統(tǒng)中，常常采用基準脈沖插補法，其坐標軸的運動速度控制是通過控制插補運算的頻率，進而控制向步進電機輸出脈沖的頻率來實現(xiàn)的，速度計算的方法是根據(jù)編程F值來確定這個頻率值。通常有程序延時法和中斷法兩種。
(1) 程序延時法。程序延時法又稱為程序計時法。這種方法先根據(jù)系統(tǒng)要求的進給頻率，計算出兩次插補運算之間的時間間隔，用CPU執(zhí)行延時子程序的方法控制兩次插補之間的時間。改變延時子程序的循環(huán)次數(shù)，即可改變進給速度。
(2) 中斷方法。中斷方法或稱為時鐘中斷法，是指每隔規(guī)定的時間向CPU發(fā)中斷請求，在中斷服務程序中進行一次插補運算并發(fā)出一個進給脈沖。因此，改變中斷請求信號的頻率，就等于改變了進給速度。中斷請求信號可通過F指令設定的脈沖信號產(chǎn)生，也可通過可編程計數(shù)器/定時器產(chǎn)生。如采用Z80CTC作定時器，由程序設置時間常數(shù)，每定時到，就向CPU發(fā)中斷請求信號，改變時間常數(shù)

就可以改變中斷請求脈沖信號的頻率。所以，進給速度計算與控制的關鍵就是如何給定CTC的時間常數(shù)

。
在半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)中，則是采用時間分割的思想，根據(jù)編程的進給速度F值將輪廓曲線分割為采樣周期，即迭代周期的進給量——輪廓步長的方法。速度計算的任務是：當直線插補時，計算出各坐標軸的采樣周期的步長；當插補圓弧時，為插補程序計算好步長分配系數(shù)(有時也稱之為角步距)。另外，在進給速度控制中，一般也都有一個升速、恒速(勻速)和降速的過程，以適應伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)，保證工作的穩(wěn)定性。此內容將在第五章中詳細介紹。
4、插補計算
插補計算是CNC系統(tǒng)中最重要的計算工作之一。在傳統(tǒng)的NC裝置中，采用硬件電路(插補器)來實現(xiàn)各種軌跡的插補。為了在軟件系統(tǒng)中計算所需的插補軌跡，這些數(shù)字電路必須由計算機的程序來模擬。利用軟件來模擬硬件電路的問題在于：三軸或三軸以上聯(lián)動的系統(tǒng)具有三個或三個以上的硬件電路(如每軸一個數(shù)字積分器)，計算機是用若干條指令來實現(xiàn)插補工作的。但是計算機執(zhí)行每條指令都須要花費一定的時間，而當前有的小型或微型計算機的計算速度難以滿足NC機床對進給速度和分頻率的要求。因此，在實際的CNC系統(tǒng)中，常常采用粗、精插補相結合的方法，即把插補功能氛圍軟件插補和硬件插補兩部分，計算機控制軟件把刀具軌跡分為若干段，而硬件電路再在段的起點和終點之間進行數(shù)據(jù)的“密化”，使刀具軌跡在允許的誤差之內，即軟件實現(xiàn)初插補，硬件實現(xiàn)精插補。下面以三坐標直線插補為例予以說明。
5、輸出
輸出程序