数控加工中异常问题处理机制

5.5　数控系统的软件结构

5.5.1　CNC系统软件的构成

在数控系统中，有多种形式的软件程序存在。数控机床的加工过程是用数控加工程序编写并输入数控系统的，它是将G，M等功能字组成的程序段按零件加工顺序进行排列所形成的程序。对输入的数控加工程序信息的译码、预处理及插补等功能是在数控系统的数控功能程序下实现的，数控功能程序要在系统管理软件的控制和协调下实现，数控功能程序和系统管理软件一起组成了数控系统程序，以前受计算机运行速度等性能的限制，数控系统程序采用非常麻烦的汇编语言来编写，现在，一般采用高级语言来编写，如C或C++等。在现代数控系统中，一般使用可编程序控制器(PLC)进行数控加工程序中有关机床电器的逻辑控制和开关信号控制，在PLC中，这些逻辑处理和控制是用PLC控制程序来实现的，它常采用梯形图语言编写。此外，数控功能程序和PLC控制程序的运行也都需要相应的计算机软件的支持。

如图5－5－1所示为数控系统软件结构。数控的主要功能体现在数控功能程序上，数控功能程序包括数控的核心程序，如:数控加工程序的译码、预处理和插补处理，也包括数控加工程序编辑器、加工模拟器、刀具管理和故障监测与诊断这些可选功能。

硬件和各功能程序的连接由数控系统的管理软件实现，它除了存储器管理和输入、输出管理外，还承担各个过程的同步任务。管理软件分为不依赖于硬件部分和依赖于硬件的部分，不依赖于硬件的管理软件进行时间管理、任务管理、存储器管理、内部通信和同步;依赖于硬件的管理软件有外设驱动管理和实时管理，前者负责数控系统外部设备的软件控制，如图形显示器、键盘和通信设备的控制，后者负责中断管理和各种处理芯片管理等实时任务。适合于数控的标准管理软件必须有多任务管理能力，因为许多功能程序必须并行执行，如数控加工程序预处理和插补处理，此外，还要有实时处理能力，也就是说，具有较高优先权的任务将被及时处理，它排挤了可能出现的具有较低优先权的任务，如:从紧迫性来看，实时碰撞监测的优先权要比数据显示任务的优先权高。通过实时处理能力对一些过程的外部事件可及时做出决定性反应，确保系统安全。

现代数控系统多采用软件集成环境，这种集成环境独立于数控功能，并作为数控功能程序的操作平台。集成环境中常常提供了图形库和实时数据库，通过图形开发工具，用户可以构造自己的操作界面;实时数据库为用户提供了一个开放的数据(如刀具和加工过程的几何数据、工艺数据等)存取接口，从而方便用户对一些关键数据进行管理和安全的访问。

图5－5－1　数控系统软件结构

5.5.2　CNC系统软件的功能

CNC系统软件的功能包括数控加工程序的解释、几何数据处理、管理程序、监测和诊断、等等。

1.数控加工程序的解释功能

数控加工程序的解释包括程序的输入和程序的译码。

(1)输入程序　输入程序的功能有两个:一是把零件程序从阅读机或键盘经相应的缓冲器输入到零件程序存储器;二是将零件程序从零件程序存储器取出送入缓冲器。

输入程序中均有阅读机中断处理程序、键盘中断处理程序和输入管理程序。阅读机中断处理程序将光电阅读机读入的零件加工程序，通过中导孔产生中断的方式逐行读入缓冲器，经过有效性判别、纸带垂直奇偶校验和水平奇偶检验、代码转换，在输入管理程序的配合下将内部代码存入零件程序存储区。如用键盘输入零件程序(MDI方式)，则每次按键表示向CPU申请一次中断，调出键盘服务程序，对相应的键盘命令进行处理。一次中断只读一个字符，而输入管理程序则负责缓冲器的管理、读入字符的存放等。

图5－5－2　输入程序流程图

图5－5－2为阅读机输入程序的流程图。图5－5－2a为输入程序的主程序，图5－5－2b为中断处理服务程序。从图可知，当启动了纸带输入机后，主程序等候纸带输入机中断，这时CPU可处理其他工作。当送完纸带的一排孔后，便通过中导孔向CPU发出中断请求信号，CPU则转入中断服务程序，将送来的信息经过中断程序的处理后存入零件程序存储区，然后CPU返回输入主程序。其中纸带垂直奇偶校验是指每个程序段必须输入偶数行代码，否则要以空格码(Space)填补而使之为偶数行。纸带程序水平奇偶校验指每行代码中“1”的个数必须为偶数(ISO码)或奇数(EIA码)。代码转换是指将数控码(ISO或EIA码)转成内部码。进行代码转换是因为原来的代码排列规律不明显，而转换为内部码后数字码0～9可以很容易直接进行二－十进制转换，且文字码与符号码也有了明显区别，从而使译码速度加快。

(2)译码程序　在输入的零件加工程序中，含有零件的轮廓信息(线型、起点、终点坐标值)、工艺要求的加工速度及其他辅助信息(换刀、冷却液开/关等)。这些信息在计算机作插补运算与控制操作之前，需按一定的语法规则解释成计算机容易处理的数据形式，并以一定的数据格式存放在给定的内存专用区间，即把各程序段中的数据根据其前面的文字地址送到相应的缓冲寄存器中。译码就是从数控加工程序缓冲器或MDI缓冲器中逐个读入字符，先识别出其中的文字码和数字码，然后根据文字码所代表的功能，将后续数字码送到相应译码结果缓冲器中。译码程序的功能主要包括代码识别和功能代码的解释两部分。

①代码的识别。代码识别就是通过软件将取出的字符与内部码数字相比较，若相等则说明输入了该字符，并设置相应标志或转成相应处理。由于这种查询方式是逐个地串行进行，因此速度较慢。但译码的实时性要求不高，可在数控系统软件的后台程序中完成，即可利用系统软件的空余时间来进行译码。当然，在保证上述代码识别功能的前提下，可采取一些有效措施来提高识别速度。例如，可以先根据平时的经验将字符出现的频率大致排序，然后按出现频率高低的顺序进行识别。另外，还可将文字码与数字码分开处理。

②功能代码的识别。要进行功能代码的译码，首先要建立一个与数控加工程序缓冲器相对应的译码结果缓冲器(又称文字缓冲寄存器)。对于具体的CNC系统，译码结果缓冲器的格式和规模是固定不变的。最简单的方法是在CNC装置的存储器中划出一块内存区域，并为数控加工程序中可能出现的各功能代码对应一个内存单元，存放数值或特征字，后续处理软件根据需要到相对应的内存单元中取出数控加工程序信息，并予以执行。由于ISO标准或EIA标准中规定的字符和代码很丰富，因此相应地也要求设置一个庞大的表格，这样不但会浪费内存，而且会影响译码速度。为此必须对译码结果存储区的格式加以规范，尽量减少其规模。

2.几何数据处理功能

几何数据处理功能包括数控加工程序段的几何变换、刀具补偿计算、插补计算、速度预计算以及辅助功能的处理等。

几何变换和补偿计算是为了数控加工程序编制过程能相对独立，不用事先考虑实际使用的机床类型和刀具几何尺寸。在数控系统中允许采用多种坐标系，要求操作者在工件装夹后，具体执行程序加工前，输入工件零点相对于机床零点的偏移量，坐标几何变换程序确定各种坐标系下的坐标值与机床坐标系的关系。加工过程中所采用的刀具的几何形状各异，当操作者在加工前输入了实际使用的刀具参数(主要是刀具长度和刀具半径)后，应使刀架相关点按刀具参数相对编程轨迹进行偏移，即进行刀具补偿，补偿计算程序完成各种刀具补偿计算;另外，补偿计算程序还必须协调数控装置外部随机的、动态的影响，如:操作者利用机床操作面板上的选钮开关，对进给速度和主轴转速的修正，以及由随机负载或机床结构的热变形等造成的影响。

插补处理的任务，包括插补计算和按一定速度的插补输出。由前面的介绍所知，插补计算是在一个加工程序段轨迹的起、始点之间，进行中间点的计算，分别向各个坐标轴发出方向、大小都确定的协调的运动序列命令，通过各个轴的运动的合成，产生数控加工程序段要求的运动轨迹。

速度预计算程序进行轨迹运行的自动加减速处理，使插补速度命令与系统实际的加速度相适应，当出现大的速度变化时，因受系统动态性能的影响，系统难以跟踪给定的轨迹，此时速度预计算程序自动取消数控加工程序给定的轨迹速度，以便保证轨迹精度。更好的速度预计算程序具有超前功能，它预先分析多个数控加工程序段，进行相应速度预计算和处理。

辅助功能处理是指换刀、主轴启动、停止，冷却液开、停等辅助功能的处理(即M，S，T功能的传送及其先后顺序的处理)。

3.管理程序功能

当一个程序段开始插补加工时，管理程序即准备下一个数据段的读入、译码、处理，调用各功能子程序，准备好下一段数据。一旦本数据段加工完毕便立即开始下一段插补。为数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序均由管理程序调度。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。在实际系统中，一个主程序将整个加工过程串起来，主控程序对输入的数据进行分析判断后，转入相应的子程序处理，处理完毕后再返回，对数据进行分析、判断、运算。在主程序空闲时，可以安排CPU执行预防性诊断程序，或对尚未执行程序的输入数据进行预处理等。其中中断处理是重点，因大部分实时性较强的控制步骤都要由中断程序来完成。有的系统将行程超程和报警、插补等分为多级中断，根据优先级决定响应的次序。

4.监测和诊断功能

为保证加工过程的正确进行，避免机床、工件和刀具的损坏，数控系统具备监测和诊断功能。这种功能可以直接置于数控装置的控制程序中，也可以为附加的、可直接执行的功能模块形式。监测和诊断功能可以对机床进行，如对机床的动态运行、几何精度和润滑状态的检查处理;对数控系统本身的硬件和软件进行，如数控系统硬件的配置、硬件电路导通和断开、各硬件组成部分功能及各软件功能的检查处理;还可以对加工过程进行检查，如对刀具磨损、刀具断裂、工件尺寸和表面质量的检查处理。对数控系统进行完全的监测和诊断是很复杂的，需要通过几个或多个监测和诊断功能模块的运行及硬件的配合才能进行故障定位。

当然，现代数控系统还具有很多先进的功能，比如图形支持的加工模拟、测量和校正功能，通信功能，以及在网络和现场总线基础上建立起来的FMS、CIMS等，就需要更加强大的硬件和软件的支持。