數(shù)控制碼系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理新方法 - 全文

　　數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理是指NC程序送入零件緩沖區(qū)之后、插補之前的準(zhǔn)備工作，主要包括譯碼、運動軌跡計算、進(jìn)給速度計算三部分。選用合理的數(shù)據(jù)處理方法將大幅提高編程的正確性和工作效率，且便于數(shù)據(jù)校對，尤其適合批量零件和有規(guī)律零件程序加工。數(shù)據(jù)處理方法是否合理主要取決于其連續(xù)性、時間效率和資源占用情況。目前，對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法改進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法主要有：資源重疊流水處理的解釋方法、目標(biāo)碼編譯方法、解釋一編譯方法。它們各有優(yōu)點和不足，如在不同的環(huán)節(jié)加快了處理速度，減少了等待時間，但就整體的連續(xù)性和時間效率而言，還不夠完善。為了進(jìn)一步提高加工連續(xù)性和加工效率，本文針對各算法的優(yōu)缺點提出了一種新的數(shù)據(jù)處理方法，更加適用于制碼系統(tǒng)的加工處理。

　　1數(shù)控制碼系統(tǒng)

　　制碼系統(tǒng)由三個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，在圓形小零件上制碼。零件圓面上需以環(huán)形刻兩組對稱的、由字母和數(shù)字組成的標(biāo)記碼。規(guī)定每個零件上的標(biāo)記碼字符個數(shù)相同(取6位字符為例)，即每個零件加工時編譯的目標(biāo)碼大小一樣，所占內(nèi)存空間相同。標(biāo)記碼主要有兩部分：整批零件的代號(相同)和每個零件單獨的標(biāo)記碼(不同)。刀具上固定需要用到的字母刀和數(shù)字刀，根據(jù)轉(zhuǎn)動刀架和轉(zhuǎn)動零件對準(zhǔn)零件上需要刻碼的位置。所以這三個步進(jìn)電機(jī)分別用來控制刀架的轉(zhuǎn)動、零件的位置和刀架的深淺。其數(shù)據(jù)處理就是對固定位數(shù)的標(biāo)記碼進(jìn)行譯碼，主要特點是：每個零件的標(biāo)記碼可作為一個代碼段來處理;可以針對標(biāo)記碼中整批零件代號相同和各零件代碼不同的特點進(jìn)行相應(yīng)的處理;零件上刻的是兩組完全相同的標(biāo)記碼，即處理的數(shù)據(jù)相同，只是改變了位置;每個零件加工的銜接速度很快，數(shù)據(jù)處理需要有很好的連續(xù)性。針對制碼系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的特點，結(jié)合各數(shù)據(jù)處理方法，研究出一種建立在已有數(shù)據(jù)處理方法基礎(chǔ)之上、更適用于制碼系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的方法。

　　2傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法

　　傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法有解釋方法和編譯方法兩種。

　　(1)解釋方法

　　解釋方法是將加工程序整理成某種形式，在加工時由主控程序順序取出，分析判斷后，進(jìn)行譯碼處理，并對零件加工程序逐條進(jìn)行解釋、插補和控制。這種方法占用內(nèi)存少、操作簡單，但存在難以克服的缺點：各模塊問的控制是順序的，如果對一個程序的解釋過程較慢而使機(jī)床具有一定的等待時間，則加工出來的工件就會出現(xiàn)明顯的粗糙度;不易處理各程序間的轉(zhuǎn)接，易形成停頓與過切。

　　(2)編譯方法

　　編譯方法是先對加工程序全部編譯，將結(jié)果放到緩沖區(qū)中，當(dāng)開始加工時，直接啟動插補中斷程序。從緩沖區(qū)中取出編譯好的數(shù)據(jù)，進(jìn)行計算并控制加工。這種加工方法的優(yōu)點是加工速度快、效率高;缺點是編譯與加工之間存在時間間隔。

　　3改進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法

　　3.1 資源重疊漉水處理的解釋方法

　　針對傳統(tǒng)方法的缺點，對傳統(tǒng)的解釋控制進(jìn)行改進(jìn)，即資源重疊流水處理的解釋控制方法。時間重疊是流水處理的關(guān)鍵。它不僅是CNC裝置處在NC工作方式時，程序輸入、譯碼、插補和位控加工四個處理過程的時間資源重疊，而且譯碼過程所包含的各子過程，即程序裝入、語法檢查、解釋和刀具補償四個子過程之間也運用了時間資源重疊。

　　在NC工作方式下。若用t1、t2、t3、t4分別表示程序輸入、譯碼、插補和位控加工四個子過程的處理時間，則加工一個零件程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間將是t=tl+t2+t3+t4;在數(shù)據(jù)處理的譯碼過程中，tl、t2、t3、t4分別表示程序裝入、語法檢查、解釋和刀具補償四個子過程的處理時間，則數(shù)據(jù)處理的總時間將是t=t1+t2+t3+t4。如果以傳統(tǒng)的解釋方式順序處理，即第一個數(shù)據(jù)處理完后再處理第二個數(shù)據(jù)，則在兩個程序段的輸出之間將有一個時間長度t的時間間隔，其時空關(guān)系如圖1(a)所示。這種時間間隔反映在電機(jī)上就是電機(jī)時轉(zhuǎn)時停，反映在刀具上就是刀具時走時停。不管這種時間間隔多么小，時走時停在數(shù)控加工中都是不允許的。

　　采用重疊流水處理技術(shù)可以消除這種間隔，重疊流水處理后的時間空間關(guān)系如圖1(b)所示。其關(guān)鍵是時間重疊，即在一段時間間隔內(nèi)不是處理一個過程，而是處理兩個或更多的子過程。經(jīng)過時間重疊流水處理后，每個零件程序段的輸出之間、每個數(shù)據(jù)處理之間不再有間隔，從而保證電機(jī)轉(zhuǎn)動和刀具移動的連續(xù)性，加快數(shù)控加工的速度。

　　該方法節(jié)約了系統(tǒng)資源，有效防止了內(nèi)存碎片的形成，適應(yīng)大程序譯碼和復(fù)雜數(shù)據(jù)處理。

　　3。2目標(biāo)碼編譯方法

　　目標(biāo)碼編譯是執(zhí)行一個零件的加工程序，只需在開機(jī)后首次運行時進(jìn)行編譯，然后將得到的目標(biāo)碼存放在RAM中，下次加工同樣的零件時，無需再次對原零件程序進(jìn)行編譯，直接執(zhí)行目標(biāo)碼即可，從而減少了每次重新編譯所占用的時間。

　　3。3解釋一編譯方法

　　單純使用傳統(tǒng)的解釋方法或編譯方法都有不可避免的缺點，解釋一編譯方法是將兩種方法相結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的方法。在開始加工前先開辟一段內(nèi)存作為緩沖區(qū)(根據(jù)具體情況分配)，接著一次性編譯若干程序段，直到緩沖區(qū)滿。然后，從緩沖區(qū)中取出已編譯好的程序段進(jìn)行加工處理。這里必須給加工處理完的程序置一標(biāo)志，例如，定義一標(biāo)志位bufflag，初始為False，程序加工處理完后置為True，則當(dāng)所有程序的標(biāo)志位都為True時清空緩沖區(qū)，繼續(xù)裝入下一批編譯的程序段。譯碼緩沖區(qū)在譯碼進(jìn)程初始化時被開辟，在譯碼進(jìn)程被殺死時釋放。在譯碼緩沖區(qū)的生命期間，數(shù)據(jù)被不斷地寫入、修改、讀出與清除。對于某一個緩沖區(qū)，它不斷地接收新的零件程序段，不斷地被各子進(jìn)程輪流處理。這種將大量加工程序分成若干程序段進(jìn)行編譯加工的方法，可有效減少編譯等待時間，增加加工效率。

　　4適用于制碼系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的新方法

　　上述幾種數(shù)據(jù)處理方法都有其不足，如資源重疊流水處理解釋方法只是縮短了進(jìn)程間的等待時間，其解釋階段不如目標(biāo)碼編譯方法效率高，整個譯碼處理效率不如解釋一編譯方法;目標(biāo)碼編譯方法只是優(yōu)化了編譯階段的數(shù)據(jù)處理;解釋一編譯方法結(jié)合解釋方法和編譯方法，提高了整體數(shù)據(jù)處理效率，但數(shù)據(jù)解釋送緩沖區(qū)階段不如資源重疊流水處理解釋方法效率高，緩沖區(qū)編譯階段又不如目標(biāo)碼編譯方法效率高。

　　綜合分析上述各方法的優(yōu)缺點，為制碼系統(tǒng)研究出一種更優(yōu)的數(shù)據(jù)處理方法。主要思想是：總體運用解釋一編譯方法，開辟一段內(nèi)存作為緩沖區(qū)，先一次性編譯若干代碼段存入緩沖區(qū)，直到緩沖區(qū)滿。然后，從緩沖區(qū)中取出已編譯好的代碼段進(jìn)行加工處理。而在一次性編譯若干代碼段中各條代碼時，采用資源重疊流水處理的解釋方法進(jìn)行編譯處理。并且在編譯處理時綜合采用目標(biāo)碼編譯方法，先判斷各標(biāo)志位，如具有相同代碼段，就將該段相同代碼編譯后的目標(biāo)碼存入RAM中，下次處理相同數(shù)據(jù)時直接調(diào)用RAM中的目標(biāo)碼即可。其數(shù)據(jù)處理過程如下：

　　(1)定義緩沖區(qū)數(shù)據(jù)格式

　　根據(jù)零件標(biāo)記碼的固定長度分配一定內(nèi)存空間作為緩沖區(qū)，需兩個一樣大小的緩沖區(qū)，一個用來存放若干程序殷(一個零件的6個標(biāo)記碼);另一個用來存放譯碼結(jié)果。緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：

　　每個緩沖區(qū)設(shè)置6小塊緩沖區(qū)BUF0～BUF5，用來存放每個零件的6位標(biāo)記碼，并置相應(yīng)的bufflag為1;6塊緩沖區(qū)滿后，再依次進(jìn)行數(shù)據(jù)譯碼處理，處理結(jié)果放入另一緩沖區(qū)，同時置相應(yīng)的bufflag為2;當(dāng)6塊緩沖區(qū)全部準(zhǔn)備好(bufflag為2)，則進(jìn)行加工，加工完的標(biāo)記碼所對應(yīng)的緩沖區(qū)就置bufflag為O，繼續(xù)存放下一個零件標(biāo)記碼。

　　(2)采用資源重疊流水處理的解釋方法進(jìn)行譯碼

　?、購牡谝粋€緩沖區(qū)取出第一個零件標(biāo)記碼進(jìn)行編譯并將結(jié)果放入第二個緩沖區(qū)中，同時輸入第二個零件的標(biāo)記碼。

　?、趶牡诙€緩沖區(qū)中取出第一個零件的編譯結(jié)果對第一個零件進(jìn)行加工，這時編譯第二個零件的標(biāo)記碼放入已空的第二個緩沖區(qū)中，同時輸入第三個零件的標(biāo)記碼。

　?、鄣谝粋€零件加工完畢，繼續(xù)加工第二個零件，并編譯第三個零件的標(biāo)記碼，同時輸入第四個零件的標(biāo)記碼。

　　采用重疊流水?dāng)?shù)據(jù)譯碼處理，直到加工完成整批零件。數(shù)據(jù)譯碼處理過程如圖2。

　　(3)編譯緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)

　　數(shù)據(jù)編譯階段，即從第一個緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)進(jìn)行編譯的階段，編譯結(jié)果存入第二個緩沖區(qū)，采用目標(biāo)碼編譯方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行編譯。由于零件上標(biāo)記碼是兩組對稱的相同代碼且整批零件的代號相同，為了避免重復(fù)編譯相同代碼，在緩沖區(qū)格式中定義了兩個標(biāo)志位accessorynuml和accessorynum2。accessorynuml是某個零件單獨標(biāo)記碼編譯后的目標(biāo)碼標(biāo)志位，為0表示該碼還未編譯或已重復(fù)使用一次;為1表示已編譯存儲，且還未重復(fù)使用。accessorynum2是整批零件代號編譯后的目標(biāo)碼標(biāo)志位，為0表示還未編譯或已重復(fù)使用n次;為n表示第一次編譯存儲，且未重復(fù)使用;為i表示已重復(fù)使用了n-i次(n為整批零件數(shù)，i為1~n間的整數(shù))。當(dāng)acccssorynum1為1時說明該零件單獨標(biāo)記碼還要被使用，應(yīng)先保存，下次使用時可以直接加工而無需再去編譯;由于加工零件是對稱的。所以第二次加工就無需重新編譯而直接加工即可。當(dāng)accessorynum2的值大于O小于n時，說明該代碼需保存。由于整批零件的代號相同，因此加工每個零件時都可以直接調(diào)用第一次編譯好的代號數(shù)據(jù)直接加工。通過accessorynum1和accessorynum2兩個標(biāo)志位，可以加快數(shù)據(jù)編譯處理速度，有效提高數(shù)據(jù)處理的效率。

　　當(dāng)一個零件加工完換下一個零件時，繼續(xù)進(jìn)行下一個零件標(biāo)記碼的數(shù)據(jù)處理，直到加工完整批零件。只有在輸入或編譯下一個零件，即需要占用兩緩沖區(qū)之一、而上一零件的編譯或加工還沒有處理完時需要等待，但這種等待是極其短暫的。

　　經(jīng)實驗可知，數(shù)控制碼系統(tǒng)中運用資源重疊流水解釋方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理時，一個零件的制碼時問需要2。4s;運用解釋一編譯方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理時，需要2。3s;而運用這種新數(shù)據(jù)處理方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理時，只需要2。0s，比運用前兩種方法的教率分別提高了16。7%和13。04%，有效地提高了數(shù)控制碼的速度和效率，且使用至今一直很穩(wěn)定。

　　這種新的數(shù)據(jù)處理方法適合大量有規(guī)律或程序段較短的數(shù)控程序的譯碼。它能節(jié)約系統(tǒng)資源，加快數(shù)據(jù)處理速度，且譯碼緩沖區(qū)是靜態(tài)分配的，可有效防止內(nèi)存碎片的形成。該方法還能很好地利用Windows系統(tǒng)本身提供的基于線程的搶先式多任務(wù)機(jī)制。