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。
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???????????????????????????? 圖3-16 鍵盤中斷服務程序

2、譯碼
由前面的討論可知，經過輸入系統(tǒng)的工作，已將數(shù)據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)據段翻譯成本系統(tǒng)能識別的語言。一個數(shù)據段從輸入到傳送至插補工作寄存器需經過以下幾個環(huán)節(jié)，如圖3-17所示。
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??????????????????????????????? 圖3-17 一個數(shù)據段經歷之過程
??? 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
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，S為
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，T為
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，F(xiàn)為
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，……，因此，在判定數(shù)據段中是否已編入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)據提供給插補運算。
數(shù)據預處理即預計算，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生，也可通過可編程計數(shù)器/定時器產生。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)
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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)
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。
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
輸出程序的功能是：
(1) 進行伺服控制。如上所述。
(2) 當進給脈沖改變方向時，要進行反向間隙補償處理。若某一軸由正向變成負向運動，則在反向前輸出Q個正向脈沖；反之，若由負向變成正向運動，則在反向前輸出Q個負向脈沖(Q為反向間隙值，可由程序預置)。
(3) 進行絲杠螺距補償。當系統(tǒng)具有絕對零點時，軟件可顯示刀具在任意位置上的絕對坐標值。若預先對機床各點精度進行測量，作出其誤差曲線，隨后將各點修正量制成表格存入數(shù)控系統(tǒng)的存儲器中。這樣，數(shù)控系統(tǒng)在運行過程中就可對各點坐標位置自動進行補償，從而提高了機床的精度。
(4) M,S,T等輔助功能的輸出。在某些程序段中須要啟動機床主軸、改變主軸速度、換刀等，因此要輸出M，S，T代碼，這些代碼大多數(shù)是開、關控制，由機床強電執(zhí)行。但哪些輔助功能是在插補輸出之后才執(zhí)行，哪些輔助功能必須在插補輸出前執(zhí)行，需要在軟件設計前預先確認。
6、管理與診斷軟件
一般CNC(MNC)系統(tǒng)中的管理軟件只涉及兩項，即CPU管理和外部設備管理。由于數(shù)控機床的加工是以單個零件為對象的，一個零件程序可以分成若干程序段。每個程序段的執(zhí)行又分成數(shù)據分析、運算、走刀控制、其他動作的控制等步驟。通常情況下，這些加工步驟之間多是順序關系，因此實際的過程就是這些預定步驟的反復執(zhí)行。在實際系統(tǒng)中，通常多是采用一個主程序將整個加工過程串起來，主控程序對輸入的數(shù)據分析判斷后，轉入相應的子程序處理，處理完畢后再返回對數(shù)據的分析、判斷、運算……。在主控程序空閑時(如延時)，可以安排CPU執(zhí)行預防性診斷程序，或對尚未執(zhí)行程序段的輸入數(shù)據進行預處理等。
在CNC系統(tǒng)中，中斷處理部分是重點，工作量也比較大。因為大部分實時性較強的控制步驟如插補運算、速度控制、故障處理等都要由中斷處理來完成。有的機床將行程超程和報警、閱讀機請求、插補等分為多級中斷，根據其優(yōu)先級決定響應的次序。有的機床則只設一級中斷，只是在中斷請求同時存在時，才用硬件排隊或軟件詢問的方法來定一個順序。
對于單CPU數(shù)控系統(tǒng)而言，常見的軟件結構有兩種，即前后臺型和中斷型。
在前后臺型結構的CNC系統(tǒng)中，整個控制軟件分為前臺程序和后臺程序。前臺程序是一個實時中斷服務程序，它幾乎承擔了全部的實時功能，如插補、位置控制、機床相關邏輯和監(jiān)控等。后臺程序是指實現(xiàn)輸入、譯碼、數(shù)據處理及管理功能的程序，亦稱背景程序，如圖3-25所示。背景程序是一個循環(huán)運行程序，
在其運行過程中，前臺實時中斷程序不斷插入，與背景程序相配合，共同完成零件的加工任務。

圖3-25 前后臺結構
中斷型結構的特點是，除了初始化程序之外，系統(tǒng)軟件中所有的各種任務模塊分別安排在不同級別的中斷服務程序中。整個軟件就是一個大的中斷系統(tǒng)。其管理的功能主要通過各級中斷程序之間的相互通信來解決。
能夠方便地設置各種診斷程序也是CNC和MNC系統(tǒng)的特點之一。有了較完善
的診斷程序可以防止故障的發(fā)生或擴大。在故障出現(xiàn)后可以迅速查明故障的類型和部位，減少故障停機時間。各種CNC(MNC)系統(tǒng)設置診斷程序的情況差別也很大。診斷程序可以包括在系統(tǒng)運行過程中進行檢查和診斷；也可以作為服務性程序，在系統(tǒng)運行前或故障停機后進行診斷，查找故障的部位。國外一些公司的CNC系統(tǒng)還可以進行通信(海外)診斷，由通信診斷中心指示系統(tǒng)或操作者進行某些試運行，以查找故障隱患或故障部位。
(1) 運行中的診斷。在普通NC系統(tǒng)中已包含有在運行中進行診斷的萌芽，如紙帶輸入時的橫向與縱向(水平與垂直)奇偶校驗，同步孔丟失校驗，非法指令碼檢查等。此外還有超程報警等措施。在CNC和MNC系統(tǒng)中做這些工作更加方便。而且還可以用打字機指示各種項目診斷的結果和用統(tǒng)一編號表示的故障部位。一般來說，運行中進行診斷的程序比較零散，常包含在主控程序及中斷處理程序分支中。常見的手段有：
① 用代碼和檢查內存：此法只能對程序中那些不變區(qū)域進行檢查，而且必須是在恢復系統(tǒng)程序的初態(tài)后進行的。
② 格式檢查：此法一般用在紙帶輸入時，對零件加工源程序進行檢查，包括奇偶校驗、非法指令代碼(本系統(tǒng)中不使用的指令代碼)、數(shù)據超限等。
③ 雙向傳送數(shù)據校驗：此法常用在間接型CNC系統(tǒng)或群控系統(tǒng)中。手動數(shù)據輸入也可用此法校驗。
④ 清單校驗：即利用所配備的打印設備打印程序清單及某些中間數(shù)據，綜合性地診斷主機、接口及軟件的故障。
(2) 停機診斷。停機診斷是指在系統(tǒng)開始運行前，或發(fā)生故障(包括故障先兆)系統(tǒng)停止運行后，利用計算機進行診斷。它一般是用軟件控制進行階段性的運行，如傳送數(shù)據或模擬進行單項的控制動作。逐項檢查硬件線路的功能，有選擇地查找故障部位。這種診斷程序可以與運行用的系統(tǒng)程序分開，在須要進行診斷時再輸入計算機。必要時，還可沖掉部分系統(tǒng)程序而裝入內存。
(3) 通信診斷。通信診斷是由用戶經電話線路與通信診斷中心聯(lián)系，由該中心的計算機給用戶的計算機發(fā)送診斷程序，程序指示CNC系統(tǒng)進行某種運行，同時收集數(shù)據，分析系統(tǒng)的狀態(tài)。將系統(tǒng)狀態(tài)與存儲的應有工作狀態(tài)以至某些極限參數(shù)作比較，以確定系統(tǒng)的工作狀態(tài)是否正常，故障的部位及故障的趨勢?？梢?，通信診斷既可用作診斷異常狀態(tài)的工具，又可用作預防性檢修的手段。因為用戶與通信診斷中心之間可使用跨洋電話系統(tǒng)，故又被稱為海外診斷。