数控插补软件芯片的总线设计

　　开放式数控系统是数控系统的发展方向。 因为具有模块化、 可重构和可扩充的特点，可以很好适应高速发展的市场需要，自从20世纪80年代这一概念被提出，就一直成为生产自动化发展的前沿焦点。

　　基于软件总线和软件芯片的数控系统是20世纪初由华中理工大学提出的关于开放式数控系统的一个新概念。 基本思想是在数控系统开发过程中，将应用程序框架与程序功能模块分离，分别定义模块和框架的标准化接口，实现各功能模块(软件芯片)的独立设计开发、 自由组装和即插即用。 由于每个功能模块都具有高度的功能独立性、 易移植性、 易组装性和易扩展性，可以大大提高软件模块的重用性和可靠性，提高数控系统的开发效率，降低开发成本，具有重要的实际意义。

　　插补是数控系统实现运动控制的核心，在加工过程中，依据加工程序，通过实时计算密化轨迹，输出各轴的进给分量，控制机床按照给定的速度，沿给定的轨迹运动。 由于数控加工的实时性和功能多样性-插补中的数据纷繁复杂，给数控系统的开发带来很多困难。

　　本文以软件芯片理论为基础，通过对数控插补模块的功能、 数据进行细致分析，提出了使用总线管理插补中的数据的方法，并设计和构建了数控插补软件芯片的总线结构，为数控插补软件芯片的开发提供了一种有效的方法。

1 数控插补软件芯片的功能

　数控插补软件芯片的功能包括以下4个方面:

　　(1)输入输出和插补计算。 是数控插补软件芯片最基本的功能，指输入机床性能参数、 数控加工数控代码和控制信息，经过插补计算和信息处理，输出插补结果和各种实时的机床控制操作，如图1。

图1 数控插补输入输出关系示意图

　　以及被控对象的电气和机械惯性，机床的速度不能突变。 当加工速度发生变化时，数控插补需按照一定的速度-时间曲线，计算每个插补周期的速度和位移，实现自动升降速控制的功能。

　　(2)实时响应用户的控制指令。 机床加工过程中，操作人员可通过机床控制面板干预，如:暂停、启动、 倍率调整、 手轮修调等。 实时进行的插补计算，在用户指令发出后，必须能够立即随之调整。

　　(3)误差补偿。 包括反向间隙补偿和丝杠螺距误差补偿。 数控插补软件芯片具有误差补偿功能，在插补计算的同时处理系统误差，可极大地提高加工精度和工作效率。

2 数控插补的数据

　　要实现上述功能，数控插补软件芯片的程序中必须有足够的数据支持插补计算和信息处理。 下面分别从输入、 输出和内部计算这，个过程对数控插补中的数据进行分析。

　　(1)输入。 输入数据分为数控代码数据、 机床性能参数数据和加工过程中的控制命令数据，部分。数控代码数据通过读取数控文件获得. 机床性能参数，由用户通过图形界面输入系统. 加工过程中的控制操作，是指机床运行过程中，操作工人对机床进行的实时控制。

　　(2)输出。 输出数据是每个插补周期向外输出的插补计算结果，包括位置数据、 状态数据和控制操作，部分。 位置数据指示当前插补周期的位移情况;状态数据表明当前的加工运动状态;控制操作数据与机床的各个工作部件相对应，标示当前插补周期是否有操作，如果有操作，做什么动作。

　　(3)内部计算。 数控插补计算过程中的数据,除了输入、 输出，还要考虑计算过程各项功能实现所需数据。 例如:要有反向间隙补偿，程序中必须有变量记录每个插补周期各个轴的运动方向等等。

3 划分数控插补软件芯片的总线

　　通过上述对输入、 输出和内部计算，个过程的详细分析，可以全面了解数控插补软件芯片中的数据。进而，根据数据的用途和使用特点划分数控插补软件芯片的总线，如图2和表1。

图2 数控插补软件芯片总线划分
 

　　(1)地址总线。 包括了诸如读取数控代码的针、 选择加工曲线类型和选择加减速方式的数据，用来选择控制方式、 读取文件和输出结果。

　　(2)控制总线。 包含了用于控制机床部件动作的各种信息数据，分为输入控制总线和输出控制总线两部分。 输入控制总线数据来源于数控代码中的G、M、S、T功能字和加工过程中的用户操作。 输出控制总线中的数据用来控制主轴、 切削液输送装置和刀具等部件运动，与机床各部件一一对应。

　　(3)数据总线。 是数控插补软件芯片总线结构中的重要组成部分，用来进行插补计算。 这些数据根据在插补过程中的作用和改变频率，又分为绝对动态、 相对动态和绝对静态，条数据总线。

　　绝对动态数据总线中的数据每个插补周期都在改变，用来记录每个插补点的位置和状态。

　　相对动态数据总线中的数据每读一句数控代码改变一次，用来记录每条加工语句中的数据信息。绝对静态数据总线中的数据在整个数控程序运行过程中不改变，记录的是用户通过图形界面输入的机床加工性能参数。

　　除此之外，根据数据输出需要，从绝对静态数据总线中提取部分数据构成了输出状态数据总线。最后，绝对动态数据总线、 相对动态数据总线、输出状态数据总线和输出控制信息总线4个部分共同组成软件芯片的输出总线，向外输出机床在每个插补点的运动位移和状态。

4 建立数控插补软件芯片的总线结构

　　经过划分，建立起的总线分成了地址、 控制信息输入、 控制信息输出、 绝对动态数据、 相对动态数据、 绝对静态数据、 输出状态数据和输出数据，共8条分支。 表1部分列举了各总线中的数据内容。

　　根据数控插补软件芯片在工作过程中数据的流向，在上述总线划分的基础上建立数控插补软件芯片的总线结构，如图，所示，分为数据输入、 插补计算、 计算结果输出、 位置信息反馈和贯穿始终的数据信息传递5个部分，具体分析如下。

　　(1)数据输入包括3个部分。

　　第一，加工前由用户通过图形界面输入的机床性能参数。 第二，数控代码输入的轨迹数据和操作数据。 第三，加工过程中实时监控用户操作，得到的操作数据。

　　(2)插补计算任务就是处理数据，根据输入数据和总线中继承的数据，进行信息处理和插补计算，获得插补结果。

　　(3)结果输出即输出总线，包括插补计算结果和伴随机床加工的各种机床操作。

　　(4)反馈信息每当完成一句数控代码的处理，绝对动态数据总线中关于当前位置、 状态的数据被反馈，作为下一句数控代码运行的起点和初始状态，参与下句数控代码的插补计算。

　　(5)数据传递。 这部分结构的主要目的是承上启下为每句数控代码的运行做好数据准备，表现为图，中贯穿左右的总线结构。 包括输入数据、 反馈数据和相对动态数据总线中的继承数据。数控插补软件芯片的工作过程。 首先，初始化总线，提取机床性能参数赋值给绝对静态数据总线。 然后，逐句读取数控代码，获得数据。 在进行插补计算和操作数据处理的同时，用相对动态数据总线继承各条曲线的数据。 插补计算结果通过输出总线输出，控制电机运动。 每当处理完成一句数控代码，绝对动态数据总线的最后位置状态反馈，与相对动态数据总线的数据进行比较，结果作为下一句数控代码的起始位置状态。 再读取新的一句数控代码。 如此往复，直到程序结束。

图3 数控插补软件芯片的总线 

7 结论

　　本文从分析数控系统中插补软件芯片应具备的功能入手，细致研究了输入、 输出和内部计算，个过程中插补计算和信息处理所需数据。 然后，在此基础上划分总线，建立了总线结构。

　　本文提出了使用总线管理插补数据的方法，并采用此方法规范了数控插补软件芯片的总线接口，使其内部数据结构清晰化，提高了软件芯片的兼容性、 重用性和可扩充性，为数控插补软件芯片的开发提供了一种有效的方法。