计算机数控系统的软、硬件结构优化方案

（一）硬件结构

CNC硬件决定了CNC系统的基本功能。从CNC系统使用的微处理器个数及结构来分，一般分为“单微处理器”和“多微处理器”两大类，不过未来多微处理器结构会逐步过渡到采用单微处理器多核心方式。经济型的CNC系统一般采用单微处理器结构，而多微处理器结构CNC系统是指在CNC系统中有两个或者两个以上的CPU，即系统中的某些功能模块自身也带有微处理器，可以满足数控机床多轴联动、高进给速度、高加工精度和其他复杂功能的要求，也适应于并入柔性制造系统（Flexible Manufacture System，FMS）和计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS）运行的需要，从而得到了迅速的发展。

图2-11所示的为一种单微处理器结构的CNC系统框图。其基本结构包括微处理器和总线、存储器、I/O接口、显示器接口、位置控制器、PLC等。它通过总线与存储器、I/O控制元件等各种接口电路相连，构成CNC的硬件，其结构简单，易于实现。

图2-11　单微处理器结构CNC系统框图

多微处理器系统中的每个微处理器完成系统中规定的一部分功能，独立执行程序，相比单微处理器结构，其计算机的处理速度得到了大幅提高。其结构有紧耦合和松耦合两种形式，紧耦合是指两个或两个以上的CPU构成的处理部件之间采用紧耦合（相关性强），有集中的操作系统，共享资源；松耦合是指两个或两个以上的CPU构成的功能模块之间采用松耦合（相关性弱或具有相对的独立性），有多重操作系统实现并行处理。多微处理器结构的CNC系统采用模块化设计，将软件和硬件模块形成一定的功能模块。模块间有明确的符合工业标准的接口，彼此间采用共享总线和共享存储器两种典型结构实现互联与通信。(www.xing528.com)

（二）软件结构

CNC系统的软件是为完成CNC系统的各项功能而专门设计和编制的，又称为CNC系统软件（系统程序）。硬件是基础，但具体功能大都采用数控软件来实现，所以CNC系统软件的设计及功能是CNC系统的关键。一般情况下，可将CNC系统软件分为管理软件和控制软件两部分：管理软件主要包括输入/输出处理、通信、诊断、驱动、显示和报警等功能，控制软件包括译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位置控制及开关量控制等功能。

在多数情况下，CNC装置进行数控加工时，要同时完成多种任务，例如，为使操作人员能及时了解CNC装置的工作状态，管理软件中的显示模块必须与控制软件中其他模块同时运行；当在插补加工运行时，管理软件中的零件程序输入模块必须与控制软件中的相关模块同时运行；当控制软件运行时，其本身的一些处理模块也必须同时运行。再如，为了保证加工过程的连续性，即刀具在各程序段之间不停刀，译码、刀具补偿和速度处理模块必须与插补模块同时运行，而插补程序又必须与位置控制程序同时进行。为此，CNC系统软件必须同时完成管理和控制两大任务，这就是CNC系统的多任务性，通常采用并行处理（Parallel Processing）的方式来实现，即计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。

CNC系统软件结构的另一个特点是实时中断处理。CNC系统程序以零件加工为对象，每个程序段中有许多子程序，它们按照预定的顺序反复执行，各个步骤间关系十分密切，有许多子程序的实时性很强，这就决定了中断成为整个系统不可缺少的重要组成部分。CNC系统的中断管理主要由硬件完成，而系统的中断结构决定了软件结构，其中断类型有外部中断、内部定时中断、硬件故障中断以及程序性中断等。