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1、计算机数控系统CNC系统第四章 计算机数控系统（CNC系统）第一节 概述一、CNC系统的组成CNC系统主要由硬件和软件两大部分组成。其核心是计算机数字控制装置。它通过系统控制软件配合系统硬件，合理地组织、管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。CNC系统采用了计算机作为控制部件，通常由常驻在其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功能，从而对机床运动进行实时控制。只要改变计算机数控系统的控制软件就能实现一种全新的控制方式。CNC系统有很多种类型，有车床、铣床、加工中心等的CNC系统。但是，各种数控机床的CNC系统一般包括以下几个部分：中

2、央处理单元CPU、存储器（ROM/RAM）、输入输出设备（I/O）、操作面板、显示器和键盘、纸带穿孔机、可编程控制器等。图4-1所示为CNC系统的一般结构框图。图4-1 CNC系统的结构框图在图4-1中所示的整个计算机数控系统的结构框图，数控系统主要是指图中的CNC控制器。CNC控制器由计算机硬件、系统软件和相应的I/O接口构成的专用计算机与可编程控制器PLC组成。前者处理机床的轨迹运动的数字控制，后者处理开关量的逻辑控制。三、CNC系统的功能和一般工作过程（一）CNC系统的功能 CNC系统由于现在普遍采用了微处理器，通过软件可以实现很多功能。数控系统有多种系列，性能各异。数控系统的功能通常包

3、括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统必备的功能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。CNC系统的功能主要反映在准备功能G指令代码和辅助功能M指令代码上。根据数控机床的类型、用途、档次的不同，CNC系统的功能有很大差别，下面介绍其主要功能。1. 控制功能 CNC系统能控制的轴数和能同时控制（联动）的轴数是其主要性能之一。控制轴有移动轴和回转轴，有基本轴和附加轴。通过轴的联动可以完成轮廓轨迹的加工。一般数控车床只需二轴控制，二轴联动；一般数控铣床需要三轴控制、三轴联动或轴联动；一般加工中心为多轴控制，三轴联动。控制轴数越多，特别是同时控制的轴数越多，要求CNC系统的功能就越强，同

4、时CNC系统也就越复杂，编制程序也越困难。2. 准备功能 准备功能也称G指令代码，它用来指定机床运动方式的功能，包括基本移动、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环等指令。对于点位式的加工机床，如钻床、冲床等，需要点位移动控制系统。对于轮廓控制的加工机床，如车床、铣床、加工中心等，需要控制系统有两个或两个以上的进给坐标具有联动功能。3. 插补功能 CNC系统是通过软件插补来实现刀具运动轨迹控制的。由于轮廓控制的实时性很强，软件插补的计算速度难以满足数控机床对进给速度和分辨率的要求，同时由于CNC不断扩展其他方面的功能也要求减少插补计算所占用的CPU时间。因此 ，CNC的插补功能实际上被分为粗插

5、补和精插补，插补软件每次插补一个小线段的数据为粗插补，伺服系统根据粗插补的结果，将小线段分成单个脉冲的输出称为精插补。有的数控机床采用硬件进行精插补。4. 进给功能 根据加工工艺要求，CNC系统的进给功能用F指令代码直接指定数控机床加工的进给速度。（1）切削进给速度 以每分钟进给的毫米数指定刀具的进给速度，如100mm/min。对于回转轴，表示每分钟进给的角度。（2）同步进给速度 以主轴每转进给的毫米数规定的进给速度，如0.02mm/r。只有主轴上装有位置编码器的数控机床才能指定同步进给速度，用于切削螺纹的编程。（3）进给倍率 操作面板上设置了进给倍率开关，倍率可以从0200%之间变化，每档间

6、隔10%。使用倍率开关不用修改程序就可以改变进给速度，并可以在试切零件时随时改变进给速度或在发生意外时随时停止进给。5. 主轴功能 主轴功能就是指定主轴转速的功能。（1）转速的编码方式 一般用S指令代码指定。一般用地址符S后加两位数字或四位数字表示，单位分别为r/min和mm/min。（2）指定恒定线速度 该功能可以保证车床和磨床加工工件端面质量和不同直径的外圆的加工具有相同的切削速度。（3）主轴定向准停 该功能使主轴在径向的某一位置准确停止，有自动换刀功能的机床必须选取有这一功能的CNC装置。6. 辅助功能 辅助功能用来指定主轴的启、停和转向；切削液的开和关；刀库的启和停等，一般是开关量的控

7、制，它用M指令代码表示。各种型号的数控装置具有的辅助功能差别很大，而且有许多是自定义的。7. 刀具功能 刀具功能用来选择所需的刀具，刀具功能字以地址符T为首，后面跟二位或四位数字，代表刀具的编号。8. 补偿功能 补偿功能是通过输入到CNC系统存储器的补偿量，根据编程轨迹重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的工件。补偿功能主要有以下种类：（1）刀具的尺寸补偿 如刀具长度补偿、刀具半径补偿和刀尖圆弧补偿。这些功能可以补偿刀具磨损以及换刀时对准正确位置，简化编程。 （2）丝杠的螺距误差补偿和反向间隙补偿或者热变形补偿 通过事先检测出丝杠螺距误差和反向间隙，并输入到CNC系统中，在实际

8、加工中进行补偿，从而提高数控机床的加工精度。9. 字符、图形显示功能 CNC控制器可以配置单色或彩色CRT或LCD，通过软件和硬件接口实现字符和图形的显示。通常可以显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形及刀具实际移动轨迹的坐标等。10. 自诊断功能 为了防止故障的发生或在发生故障后可以迅速查明故障的类型和部位，以减少停机时间，CNC系统中设置了各种诊断程序。不同的CNC系统设置的诊断程序是不同的，诊断的水平也不同。诊断程序一般可以包含在系统程序中，在系统运行过程中进行检查和诊；也可以作为服务性程序，在系统运行前或故障停机后进行诊断，查找故障的部位。有的CNC

9、可以进行远程通信诊断。11. 通信功能 为了适应柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）的需求，CNC装置通常具有RS232C通信接口，有的还备有DNC接口。也有的CNC还可以通过制造自动化协议（MAP）接入工厂的通信网络。12. 人机交互图形编程功能 为了进一步提高数控机床的编程效率，对于NC程序的编制，特别是较为复杂零件的NC程序都要通过计算机辅助编程，尤其是利用图形进行自动编程，以提高编程效率。因此，对于现代CNC系统一般要求具有人机交互图形编程功能。有这种功能的CNC系统可以根据零件图直接编制程序，即编程人员只需送入图样上简单表示的几何尺寸就能自动地计算出全部交点、切点和

10、圆心坐标，生成加工程序。有的CNC系统可根据引导图和显示说明进行对话式编程，并具有自动工序选择、刀具和切削条件的自动选择等智能功能。有的CNC系统还备有用户宏程序功能（如日本FANUC系统）。这些功能有助于那些未受过CNC编程专门训练的机械工人能够很快地进行程序编制工作。（二）CNC系统的一般工作过程1. 输入 输入CNC控制器的通常有零件加工程序、机床参数和刀具补偿参数。机床参数一般在机床出厂时或在用户安装调试时已经设定好，所以输入CNC系统的主要是零件加工程序和刀具补偿数据。输入方式有纸带输入、键盘输入、磁盘输入，上级计算机DNC通讯输入等。CNC输入工作方式有存储方式和NC方式。存储方式

11、是将整个零件程序一次全部输入到CNC内部存储器中，加工时再从存储器中把一个一个程序调出。该方式应用较多。NC方式是CNC一边输入一边加工的方式，即在前一程序段加工时，输入后一个程序段的内容。2. 译码 译码是以零件程序的一个程序段为单位进行处理，把其中零件的轮廓信息（起点、终点、直线或圆弧等），F、S、T、M等信息按一定的语法规则解释（编译）成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区域。编译过程中还要进行语法检查，发现错误立即报警。3. 刀具补偿 刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。为了方便编程人员编制零件加工程序，编程时零件程序是以零件轮廓轨迹来编程的，与刀具尺

12、寸无关。程序输入和刀具参数输入分别进行。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹按系统存储的刀具尺寸数据自动转换成刀具中心（刀位点）相对于工件的移动轨迹。刀具补偿包括B机能和C机能刀具补偿功能。在较高档次的CNC中一般应用C机能刀具补偿，C机能刀具补偿能够进行程序段之间的自动转接和过切削判断等功能。4. 进给速度处理 数控加工程序给定的刀具相对于工件的移动速度是在各个坐标合成运动方向上的速度，即F代码的指令值。速度处理首先要进行的工作是将各坐标合成运动方向上的速度分解成各进给运动坐标方向的分速度，为插补时计算各进给坐标的行程量做准备；另外对于机床允许的最低和最高速度限制也在这里处理。有的数控机床的CNC

13、软件的自动加速和减速也放在这里。5. 插补 零件加工程序程序段中的指令行程信息是有限的。如对于加工直线的程序段仅给定起、终点坐标；对于加工圆弧的程序段除了给定其起、终点坐标外，还给定其圆心坐标或圆弧半径。要进行轨迹加工，CNC必须从一条已知起点和终点的曲线上自动进行“数据点密化”的工作，这就是插补。插补在每个规定的周期（插补周期）内进行一次，即在每个周期内，按指令进给速度计算出一个微小的直线数据段，通常经过若干个插补周期后，插补完一个程序段的加工，也就完成了从程序段起点到终点的“数据密化”工作。6. 位置控制 位置控制装置位于伺服系统的位置环上，如图4-2所示。它的主要工作是在每个采样周期内，

14、将插补计算出的理论位置与实际反馈位置进行比较，用其差值控制进给电动机。位置控制可由软件完成，也可由硬件完成。在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整、，各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿等，以提高机床的定位精度。图4-2 位置控制的原理7. I/O处理 CNC的I/O处理是CNC与机床之间的信息传递和变换的通道。其作用一方面是将机床运动过程中的有关参数输入到CNC中；另一方面是将CNC的输出命令（如换刀、主轴变速换档、加冷却液等）变为执行机构的控制信号，实现对机床的控制。8. 显示 CNC系统的显示主要是为操作者提供方便，显示装置有CRT显示器或LCD数码显示器，一般位于机床的控制面板上

15、。通常有零件程序的显示、参数的显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警信息显示等。有的CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态模拟加工图形显示。上述的CNC的工作流程如图4-3所示。图4-3 CNC的工作流程第二节 CNC系统的硬件结构 一、CNC系统的硬件构成特点随着大规模集成电路技术和表面安装技术的发展，CNC系统硬件模块及安装方式不断改进。从CNC系统的总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种。所谓整体式结构是把CRT和MDI面板、操作面板以及功能模块板组成的电路板等安装在同一机箱内。这种方式的优点是结构紧凑，便于安装，但有时可能造成某些信号连线过长。分体式结构通常把CRT和MDI面板

16、、操作面板等做成一个部件，而把功能模块组成的电路板安装在一个机箱内，两者之间用导线或光纤连接。许多CNC机床把操作面板也单独作为一个部件，这是由于所控制机床的要求不同, 操作面板相应地要改变，做成分体式有利于更换和安装。CNC操作面板在机床上的安装形式有吊挂式、床头式、控制柜式、控制台式等多种。从组成CNC系统的电路板的结构特点来看，有两种常见的结构，即大板式结构和模块化结构。大板式结构的特点是, 一个系统一般都有一块大板，称为主板。主板上装有主CPU和各轴的位置控制电路等。其他相关的子板（完成一定功能的电路板），如ROM板、零件程序存储器板和PLC板都直接插在主板上面，组成CNC系统的核心部

17、分。由此可见，大板式结构紧凑，体积小，可靠性高，价格低，有很高的性能价格比，也便于机床的一体化设计，大板结构虽有上述优点，但它的硬件功能不易变动，不利于组织生产。 另外一种柔性比较高的结构就是总线模块化的开放系统结构，其特点是将CPU、存储器、输入输出控制分别做成插件板（称为硬件模块），甚至将CPU、存储器、输入输出控制组成独立微型计算机级的硬件模块，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中。硬软件模块形成一个特定的功能单元，称为功能模块。功能模块间有明确定义的接口，接口是固定的，成为工厂标准或工业标准，彼此可以进行信息交换。于是可以积木式组成CNC系统，使设计简单，有良好的适应性和扩展性，试

18、制周期短，调整维护方便，效率高。 从CNC系统使用的CPU及结构来分，CNC系统的硬件结构一般分为单CPU和多CPU结构两大类。初期的CNC系统和现在的一些经济型CNC系统采用单CPU结构，而多CPU结构可以满足数控机床高进给速度、高加工精度和许多复杂功能的要求，也适应于并入FMS和CIMS运行的需要，从而得到了迅速的发展，它反映了当今数控系统的新水平。 二、单CPU结构CNC系统单CPU结构CNC系统的基本结构包括：CPU、总线、I/O接口、存储器、串行接口和CRT/MDI接口等，还包括数控系统控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、PLC接口、主轴控制单元、速度控制单元、穿孔机和纸带阅读机

19、接口以及其他接口等。图4-4所示的为一种单CPU结构的CNC系统框图。图4-4 单CPU结构CNC框图CPU主要完成控制和运算两方面的任务。控制功能包括：内部控制，对零件加工程序的输入、输出控制，对机床加工现场状态信息的记忆控制等。运算任务是完成一系列的数据处理工作：译码、刀补计算、运动轨迹计算、插补运算和位置控制的给定值与反馈值的比较运算等。在经济型CNC系统中，常采用8位微处理器芯片或8位、16位的单片机芯片。中高档的CNC通常采用16位、32位甚至64位的微处理器芯片。在单CPU的CNC系统中通常采用总线结构。总线是微处理器赖以工作的物理导线，按其功能可以分为三组总线，即数据总线（DB）

20、、地址总线（AD）、控制总线（CB）。CNC装置中的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两种。系统程序存放在只读存储器EPROM中，由生产厂家固化。即使断电，程序也不会丢失。系统程序只能由CPU读出，不能写入。运算的中间结果，需要显示的数据，运行中的状态、标志信息等存放在随机存储器RAM中。它可以随时读出和写入，断电后，信息就消失。加工的零件程序、机床参数、刀具参数等存放在有后备电池的CMOS RAM中，或者存放在磁泡存储器中，这些信息在这种存储器中能随机读出，还可以根据操作需要写入或修改，断电后，信息仍然保留。CNC装置中的位置控制单元主要对机床进给运动的坐标轴位置进行控制。

21、位置控制的硬件一般采用大规模专用集成电路位置控制芯片或控制模板实现。CNC接受指令信息的输入有多种形式，如光电式纸带阅读机、磁带机、磁盘、计算机通信接口等形式，以及利用数控面板上的键盘操作的手动数据输入（MDI）和机床操作面板上手动按钮、开关量信息的输入。所有这些输入都要有相应的接口来实现。而CNC的输出也有多种，如程序的穿孔机、电传机输出、字符与图形显示的阴极射线管CRT输出、位置伺服控制和机床强电控制指令的输出等，同样要有相应的接口来执行。单CPU结构CNC系统的特点是：CNC的所有功能都是通过一个CPU进行集中控制、分时处理来实现的；该CPU通过总线与存储器、I/O控制元件等各种接口电路

22、相连，构成CNC的硬件；结构简单，易于实现；由于只有一个CPU的控制，功能受字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。三、多CPU结构CNC系统多CPU结构CNC系统是指在CNC系统中有两个或两个以上的CPU能控制系统总线或主存储器进行工作的系统结构。该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。现代的CNC系统大多采用多CPU结构。在这种结构中，每个CPU完成系统中规定的一部分功能

23、，独立执行程序，它比单CPU结构提高了计算机的处理速度。多CPU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，彼此间可以进行信息交换。这样可以形成模块化结构，缩短了设计制造周期，并且具有良好的适应性和扩展性，结构紧凑。多CPU的CNC系统由于每个CPU分管各自的任务，形成若干个模块，如果某个模块出了故障，其他模块仍然照常工作。并且插件模块更换方便，可以使故障对系统的影响减少到最小程度，提高了可靠性。性能价格比高，适合于多轴控制、高进给速度、高精度的数控机床。1 多CPU CNC系统的典型结构（1）共享总线结构 在这种结构的CNC系统中，只

24、有主模块有权控制系统总线，且在某一时刻只能有一个主模块占有总线，如有多个主模块同时请求使用总线会产生竞争总线问题。共享总线结构的各模块之间的通信，主要依靠存储器实现，采用公共存储器的方式。公共存储器直接插在系统总线上，有总线使用权的主模块都能访问，可供任意两个主模块交换信息。其结构如图4-5所示：图4-5 共享总线的多CPU结构的CNC结构框图（2）共享存储器结构 在该结构中，采用多端口存贮器来实现各CPU之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由多端控制逻辑电路解决访问冲突。如图4-6所示。当CNC系统功能复杂要求CPU数量增多时，会因争用共享存储器而造成信息传

25、输的阻塞，降低系统的效率，其扩展功能较为困难。图4-6 共享存储器的多CPU结构框图2 多CPU CNC系统基本功能模块：（1）管理模块 该模块是管理和组织整个CNC系统工作的模块，主要功能包括：初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统硬件与软件诊断等功能。（2）插补模块 该模块是在完成插补前，进行零件程序的译码、刀具补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等预处理，然后进行插补计算，并给定各坐标轴的位置值。（3）位置控制模块 对坐标位置给定值与由位置检测装置测到的实际位置值进行比较并获得差值、进行自动加减速、回基准点、对伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压（或速度

26、的数字量），去驱动进给电动机。（4）PLC模块 零件程序的开关量（S、M、T）和机床面板来的信号在这个模块中进行逻辑处理，实现机床电气设备的启停，刀具交换，转台分度，工件数量和运转时间的计数等。（5）命令与数据输入输出模块 指零件程序、参数和数据、各种操作指令的输入输出，以及显示所需要的各种接口电路。（6）存储器模块 是程序和数据的主存储器，或是功能模块数据传送用的共享存储器。第三节 CNC系统的软件结构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，是数控加工系统的一种专用软件，又称为系统软件（系统程序）。CNC 系统软件的管理作用类似于计算机的操作系统的功能。不同的CNC装

27、置，其功能和控制方案也不同，因而各系统软件在结构上和规模上差别较大，各厂家的软件互不兼容。现代数控机床的功能大都采用软件来实现，所以，系统软件的设计及功能是CNC系统的关键。数控系统是按照事先编制好的控制程序来实现各种控制的，而控制程序是根据用户对数控系统所提出的各种要求进行设计的。在设计系统软件之前必须细致地分析被控制对象的特点和对控制功能的要求，决定采用哪一种计算方法。在确定好控制方式、计算方法和控制顺序后，将其处理顺序用框图描述出来，使系统设计者对所设计的系统有一个明确而又清晰的轮廓。一、CNC装置软硬件的界面在CNC系统中，软件和硬件在逻辑上是等价的，即由硬件完成的工作原则上也可以由软

28、件来完成。但是它们各有特点：硬件处理速度快，造价相对较高，适应性差；软件设计灵活、适应性强，但是处理速度慢。因此，CNC系统中软、硬件的分配比例是由性能价格比决定的。这也在很大程度上涉及到软、硬件的发展水平。一般说来，软件结构首先要受到硬件的限制，软件结构也有独立性。对于相同的硬件结构，可以配备不同的软件结构。实际上，现代CNC系统中软、硬件界面并不是固定不变的，而是随着软、硬件的水平和成本，以及CNC系统所具有的性能不同而发生变化。图4-7 给出了不同时期和不同产品中的三种典型的CNC系统软、硬件界面。图4-7 CNC中三种典型的软硬件界面二、CNC系统控制软件的结构特点1CNC系统的多任务

29、性CNC系统作为一个独立的过程数字控制器应用于工业自动化生产中，其多任务性表现在它的管理软件必须完成管理和控制两大任务。其中系统管理包括输入，I/O处理，通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序。系统的控制部分包括：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。如图4-8 所示。图4-8 CNC任务分解同时，CNC系统的这些任务必须协调工作。也就是在许多情况下，管理和控制的某些工作必须同时进行。例如，为了便于操作人员能及时掌握CNC的工作状态，管理软件中的显示模块必须与控制模块同时运行；当CNC处于NC工作方式时，管理软件中的零件程序输入模块必须与控制软件同时运行。而控制软件运行时，其中

30、一些处理模块也必须同时进行。如为了保证加工过程的连续性，即刀具在各程序段间不停刀，译码、刀补和速度处理模块必须与插补模块同时运行，而插补又要与位置控制必须同时进行等，这种任务并行处理关系如图4-9 所示。图4-9 CNC的任务并行处理关系需求事实上，CNC系统是一个专用的实时多任务计算机系统，其软件必然会融合现代计算机软件技术中的许多先进技术，其中最突出的是多任务并行处理和多重实时中断技术。2 并行处理并行处理是指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。并行处理的优点是提高了运行速度。并行处理分为“资源重复”法、 “时间重叠”法和“资源共享”法等并行处理方法。

31、资源重复是用多套相同或不同的设备同时完成多种相同或不同的任务。如在CNC系统硬件设计中采用多CPU的系统体系结构来提高处理速度。资源共享是根据“分时共享”的原则，使多个用户按照时间顺序使用同一套设备。时间重叠是根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个部分。目前CNC装置的硬件结构中，广泛使用“资源重复”的并行处理技术。如采用多CPU的体系结构来提高系统的速度。而在CNC装置的软件中，主要采用“资源分时共享”和“资源重叠的流水处理”方法。（1）资源分时共享并行处理方法在单CPU的CNC装置中，要采用CPU分时共享的原则来解决多任务的同时运行。各个任务何时占用C

32、PU及各个任务占用CPU时间的长短，是首先要解决的两个时间分配的问题。在CNC装置中，各任务占用CPU是用循环轮流和中断优先相结合的办法来解决。图4-10 所示为一个典型的CNC装置各任务分时共享CPU的时间分配。图4-10 CPU分时共享的并行处理系统在完成初始化任务后自动进入时间分配循环中，在环中依次轮流处理各任务。而对于系统中一些实时性很强的任务则按优先级排队，分别处于不同的中断优先级上作为环外任务，环外任务可以随时中断环内各任务的执行每个任务允许占有CPU的时间受到一定的限制，对于某些占有CPU时间较多的任务，如插补准备（包括译码、刀具半径补偿何速度处理等），可以在其中的某些地方设置断点，当程序运行到断点处时，自动让出CPU，等到下一个运行时间内自动跳到断点处继续运行。（2）资源重叠流水并行处理方法当CNC装置在自动加工工作方式时，其数据的转换过程将由零件程序输入、插补准备、插补、位置控制四个子过程组成。如果每个子过程的处理时间分别为t1、t2、t3、t4，那么一个零件程序段的数据转换时间将是t=