2022年数控技术及应用教案及讲稿

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1、名师精编优秀教案第八讲一、备课教案适用专业机械设计制造及其自动化讲次第八讲上课时间年月日节教学内容提纲及要求第二章计算机数控系统第五节经济型数控系统的构成一、经济型数控系统概述了解经济型数控系统的硬件组成及各部分的功能；了解经济型数控系统的软硬件组成及工作过程；经济型数控系统精度的影响因素及提高措施二、经济型数控系统的硬件组成三、经济型数控系统的软件组成四、精度的影响因素及提高措施第六节基于 PC的开放式数控系统一、开放式数控系统概述了解开放式数控系统的概念及其体系结构二、基于PC的开放式数控系统的体系结构重点经济型数控系统的软件组成及工作过程；开放式数控系统的概念及其体系结构。教学实施手段效

2、果记录课堂讲授课堂讨论现场示教小结讲评难点经济型数控系统软件的工作过程；开放式数控系统的体系结构。其它教具CAI，黑板推荐参考书陈德道主编 .数控技术及应用.北京 :国防工业出版社,2009 董玉红主编.机床数控技术.哈尔滨 : 哈尔滨工业大学出版社,2003教学后记二、讲稿精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 24 页名师精编优秀教案第二节 计算机数控系统第五节经济型数控系统的构成一、经济型数控系统概述经济型数控系统，是相对标准型数控系统而言。在不同的国家和不同的时期含义是不同的。其目的是根据实际机床的使用要求，合理地简化系

3、统，以降低产品成本。在我国，把由单片机和步进电动机组成的数控系统和其它功能简单、价格低的系统称为经济型数控系统。 目前，我国经济型 CNC 多数是以 8 位或 16 位单片机或者以 8 位或 16 位微处理器（简称 MPU ）为主构成的系统，进给驱动采用步进电动机，控制轴数为 2 3 轴，联动 2 轴。经济型 CNC 是根据国内需要自行开发的。主要用于功能简单的车、铣、钻、冲床等的控制，并大量用于旧机床改造。它是属于低档数控系统的一种，在我国这类数控系统有一定批量的生产。经济型数控系统功能适当，价格低廉，特别适合中小企业对原有机床进行数控化、自动化技术改造，以提高生产效率。目前，我国经济型数控

4、系统发展迅速，已研制了数十种经济型数控系统，应用较为普遍的是华中 I 型。二、数控系统的硬件组成任何一个微机控制系统都由硬件和软件组成，硬件是软件运行的基础， 而配置了软件的硬件才是具有控制功能的系统。构成经济型 CNC 的基本硬件由 MPU 、存储器、输入 / 输出 (I/O ) 接口电路组成。这里主要介绍用 MCS-51 系列单片机构成的经济型数控系统。单片计算机是在一片芯片上集成了 CPU 、 ROM/RAM/EPROM/E2PROM、定时器 / 计数器及各种 I/O 接口等构成了一个完整的数字处理系统。单片机的主要特点是抗干扰性强，可靠性高，速度快，指令系统效率高，体积小，性能价格比高

5、。近年来，国外一些主要半导体制造厂相继生产了各种 8 位、16 位单片机。其中以Inte1 公司的 MCS 系列单片机最为著名，目前已推出 MCS-48 、MCS-51 、MCS-96 三个系列。MCS -48 和 MCS-51 系列为 8 位单片机， MCS-96 系列为 16 位单片机。在国内的经济型数控系统中多数使用 MCS-51 系列单片机。1. MCS-51 系列单片机的基本特性MCS-51 系列包含三个产品： 8031、 8051、8751。三者的引脚完全兼容，仅在结构上有些差异。即内部不含 ROM 的 8031、内部含 ROM 的 8051 和内部含 EPROM 的8751。通常

6、所说的 MCS-51 单片机是该系列的简称。 MCS-51 系列单片机的基本特性如下 ( 以 8051 为例) ： CPU 为 8 位； 片内有时钟振荡器；具有 4KB ROM 和 128RAM ；具有 21 个特殊功能寄存器；具有 4 个 8 位 I/O 端口， 32 根 I/O 线；具有 16 根地址线 ( 与 I/O 线共用 ) ，可直接寻址 64KB(64KB 外部程序存储器， 64KB 外部数据存储器) ； 具有两个 16 位定时 / 计数器；（ 8）可有 5 个中断源，两级优先权的向量中断结构；具有一个全双工串行 I/O 口； 具有位寻址能力，适于逻辑运算。2.MCS-51 单片机

7、常用系统扩展芯片（1) 程序存储器 (ROM) 主要是紫外线擦抹的可编程只读存储器EPROM。 通常采用标准芯片， 如 2716(2KB 8)、2732(4KB 8) 、 2764(8KB 8) 、27128(16KB 8 ) 、 27256(32KB 8) 和27512(64KB 8) 。（2） 数据存储器 (RAM) 1) 静态 RAM 无需刷新，但功耗大成本高。目前常用的静态 RAM 是 6116(2KB 8 ) 和6264(8KB 8) 和 62256(32KB 8) 等；2）动态 RAM 功耗小、成本低，但需刷新。常用的动态 RAM 有 2164A （ 64KB 精选学习资料 - -

8、 - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 24 页名师精编优秀教案1) 和41464(64KB 4) 。一般控制系统多采用静态 RAM 。（3）I/O 扩展集成芯片I/O 扩展芯片可分为两种类型。1) 专用 I/O 扩展芯片这类芯片专用于扩展 I/O 口，如 8255。8255 是一种常用的 8 位并行输入 / 输出接口芯片，使用方便灵活，通用性强。8255 内部具有三个可编程选择其工作方式的通道 A、 B 和 C， 用于与外围设备接口。 其中， 通道 C 可在 “方式”字控制下分成两个 4 位通道，分别与数据通道 A 和 B 配合输出控制信号（包括

9、外设选通信号和中断申请信号） 和输入外设状态信号。 通道 C 具有按位置位 / 复位功能。三种工作方式为：方式 0基本输入 / 输出；方式 1 选通的输入 / 输出；方式 2 双向数据传送 ( 只有通道 A 可工作在此方式) 。2 ）I/O 扩展复合芯片这类芯片除能扩展 I/O 口外，还能通过它再扩展其它外围功能电路，如 8155。 8155 内部有 256 字节的静态 RAM ， 两个 8 位并行 I/O 口 （PA 口和 PB 口）和一个 6 位并行 I/O 口（PC 口）。其中两个 8 位并行 I/O 口可工作于基本输入输出方式或选通输入输出方式。PC 口可编程为输入或输出或作为 PA

10、口和 PB 口的控制信号线。 8155 设置有一个 14 位二进制减法定时器 / 计数器，可用来定时或对外部事件计数。8155 具有多路转换的地址和数据总线，即地址/ 数据总线复用。（4） 其它功能芯片 MCS-51 还可使用下列具有各种专用功能的外围芯片：可编程中断控制器 8259、可编程键盘 / 显示控制器 8279 、可编程通用定时器 8253、可编程通信控制器 8251 等。图2-44 8031组成的 CNC 系统3. 单片机构成的经济型数控装置硬件框图用 8031 单片机组成 CNC 系统，其数控装置硬件框图如图 2-44 所示。该系统按模块化设计，它主要由主控制系统板、CRT 控制

11、板、键盘操作板和存储控制板等组成。若采用 LED 显示，LED 控制板、键盘操作板可由一块键盘/ 显示操作板代替，经济型数控系统常采用这种形式。系统主控制板以 8031 为控制器，板上包含内存为 8 16KB 的RAM （供用户输入和调试加工程序用)；内存为 16KB 的 EPROM 。由图 2-44 可知，系统中的 RAM 与 EPROM 及编程 I/O 扩展芯片的数据线和低 8 位地址线在 8031 地址锁存信号输出端 ALE 及地址锁存器控制下，公用一组 8031 的8 位总线 (PO口) ，而高 8 位地址及片选信号， 则由 8031 的另一组 8 位总线（P2 口）结合译码器提供。因

12、 8031 的外部 ROM 由 PSEN 信号选通，外部 RAM 和扩展 I/O 端口由 W/R 信号选通，所以 RAM 与 EPROM 的地址可以重复。8031 的 P1 口输出环形分配脉冲信号 （软件环形分配） 或输出控制指令经环形分配精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 24 页名师精编优秀教案器输出的环形分配脉冲信号（硬件环形分配），经光电隔离和驱动放大电路驱动步进电动机 8031 的 P3 口在其第二功能情况下，可完成回转刀架、主轴脉冲发生器（光电编码器）信号及外部中断控制等工作。可编程的 I/O 扩展芯片在监控程序

13、控制下扫描键盘（或键盘 /LED 数码显示控制板），并输出组合逻辑信号，以控制主轴电动机的速度转换。CRT 控制系统是以视频控制器为主芯片的扩展电路。其中还包括有 8KB 的静态 RAM （存放被显示的字形和图形，称显示存储器）、 8KB 的 EPROM （存放汉字，同计数器组成“字符发生器”）、锁存器及其他缓冲器和逻辑电路。三、数控系统的软件组成数控软件是一系列能完成各种功能的程序的集合。软件和硬件的结合，形成一个具有特定功能的计算机控制系统，使该系统能够完成零件程序的输入、编辑、译码、数据计算、插补和伺服控制等工作。经济型数控系统软件主要包括监控与操作软件、插补计算软件、步进电动机控制软件

14、、误差补偿软件等。（一)监控与操作程序监控与操作程序用来实现人机对话、系统监控、指挥整个系统软件协调工作等。它包括系统的初始化、命令处理循环、零件加工程序的输入、零件加工程序的编辑修改、指令分析与执行、系统自检等。1系统的初始化开机或人工复位后，数控系统要进行必要的初始化处理。例如，设置系统硬件，包括中央处理器（ CPU ）或微处理器（ MPU ）及其可编程 I/O 芯片的工作状态；设置中断方式；对系统变量赋于初值； 初始化输出端口的内容以使机床处于正确的初始工作状态以及系统硬件部件的自检。初始化程序框图如图 2-45 所示。图2-45 初始化程序框图2命令处理循环在完成初始化工作以后， 程序

15、进入命令处理循环。 在这个循环过程中， 程序扫描键盘或操作面板输入的操作命令，对命令进行识别分析，然后，根据识别分析的结精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 24 页名师精编优秀教案图2-46 键盘扫描中断方式程序框图图2-47 8279 键盘处理程序框图果转向相应的处理程序模块。经济型数控一般采用两种键盘处理方式 , 一种是键盘扫描中断方式，其程序框图如图 2-46 所示； 一种是采用专用可编程键盘显示芯片 8279 管理方式，其程序框图如图 2-47 所示。3零件加工程序的输入程序经济型数控系统零件加工程序通常是通过键盘逐

16、段输入的。输人的数据经数据处理程序将输入的十进制数与指令转换为 BCD 码存于规定的缓冲区，即源程序区。输入程序的任务是将输入的源程序顺序读入并根据字地址把有关的数据送至指定的存储单元，同时将坐标值 BCD 码转换成二进制数码（即十翻二处理）。以后的解释工作就是以这些存储单元的内容为依据的。目前，一般加工程序都是按字地址程序格式编制的。由于每个程序段的功能字（如G 、 M 、F 、S 、T 等）和尺寸字（如 X 、Y 、Z 、U 、V 、W 、I 、J 、K 等）的主要数据按固定格式顺序存放，所以不要保留字符。输入程序中应设置一个地址指针。每读完一个程序段，必须把当前指针压人堆栈，以备下段程序

17、读入时使用。输入程序框图如图 2-48 所示。图2-49 编辑修改程序框图图2-48 零件加工程序的输入程序框图4零件加工程序的编辑修改程序编辑修改程序可看作为一个键盘命令处理程序。它与键盘输入通常成为一体， 既可用来从键盘输入新的零件加工程序，也可用来对已输入的零件加工程序进行编辑和修改。当按下检索命令键或在系统开关预置编辑方式下进入编辑修改程序，进入编辑修改状态后，检索需编辑修改的程序，对该程序中的指令和数据进行必要的删除或插入等编辑修改工作。编辑修改程序框图如图 2-49 所示。5指令分析和执行数控系统要对输入指令进行识别，识别指令功能并执行相应操作。 如 M 辅助功能主要涉及主轴启停、

18、切削液的开关、工件松卡等动作以及控制加工暂停和加工结束；S功能是主轴转速功能，控制主轴的转速；T 功能是刀具功能 , 控制换刀等动作； G 准备功能，规定着各种运动方式。 G 功能种类很多 , 处理较复杂。 G 功能分析程序通常采用中断矢量法。中断矢量法就是经过 G功能分析后，将相应的 G 功能处理子程序的地址写入中断程序矢量的单元中，在加工过程中由速度处理程序设置的定时时钟发出中断信号，每中断一次，相应的G 功能作为中断服务程序就执行一次。 G功能分析程序框图如图 2-50 所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 24

19、页优秀教案图2-50 G 功能分析程序框图6系统诊断程序该程序检测 CNC 系统各个硬件功能的正确性，指示可能存在故障的位置和性质，辅助维修人员确定故障部件，缩短系统维修时间，提高系统的可靠性。不同的数控系统，其诊断功能和诊断程序可能差别很大，但诊断原理基本是相同的， 就是用软件对数控系统中某一环节或某一预设状态进行检验，发现非正常情况， 给出错误信息。下面介绍常用的诊断程序。(1) 定时/ 计数器的诊断数控系统中，定时 / 计数器往往是必不可少的，如经济型数控系统对步进电动机的控制，多数采用定时中断功能。由于定时/ 计数器的定时功能诊断不需外部条件，而计数功能的诊断需从外部引入脉冲源，所以，

20、一般诊断程序只诊断其定时功能。定时功能诊断的基本方法是：让被诊断的计数器工作，如能正常送出，就可诊断为基本无故障。(2) 中断功能的诊断CNC 系统往往有多个中断源， 实际中不可能对每个中断进行诊断，一般选一个中断最频繁的中断源进行诊断。其基本方法是：先打开中断，并在中断子程序中进行一段操作通知诊断程序，则可根据此操作是否发生来判断中断是否发生；再关闭该中断源，看中断是否还能发生。这样可判断中断是否正常。(3)ROM 区的诊断利用累加和的方法来诊断固化在 ROM 区的系统控制程序的故障。在控制程序固化到 ROM 中时，将控制程序的每个字节累加 （不考虑高字节进位） ，得出“累加和”（一个字节）

21、，将累加和取补后也固化到 ROM 中。诊断时，若累加和为零，则说明 ROM 完好，否则认为有错。此时，系统便停止工作，并给出报警信号和出错内容。(4 )RAM 区的诊断开机时，对每个要检查的单元先写入一个常数，如 55H，并读出检查是否是 55H ，若是，再对每个单元写入 AAH，然后，读出检查是否是 AAH ，这两个检查中若有一个不对，则表明 RAM 区有错。写入 55H 和 AAH 是通过逻辑 0 和 1 对每位进行检查。(5) 键盘诊断经济型数控系统多数采用键盘方式输人零件加工程序或控制指令，若有一键失灵，将导致操作者元法对数控系统进行控制或进行程序输入。所以键盘诊断是很重要的，其基本方

22、法是：在系统键盘管理程序中加入使按键发声子程序，当有键按下时，发出标识声音，每当按下键时若听到该标识声，表明无故障，否则键出故障。（二）步进电动机控制软件微机控制步进电动机的驱动系统，不仅可用程序代替可变频率脉冲源和环形分配器等硬件，还很容易用程序实现步进电动机升降速控制等功能。1. 软件环形分配精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 24 页名师精编优秀教案用软件完成环形分配的优点是线路简单，成本低，可以灵活地改变步进电动机的控制方案，而驱动功率放大功能仍由硬件完成。图 2-51 为单片机直接带动三相步进电动机的接口方式。单片

23、机凹的低三位为输出位，分别控制步进电动机 U 、 V 、 W 三相绕组通断。用软件进行环形分配，就是用软件改变 P1 口低三位的输出值，来控制二相绕组的通电顺序和方式。如单三拍方式通电顺序为 U V W U ，所以只需依次向 P1 口输出如下控制字： 0 0 1(OlH ) U 相通电0 1 0(02H ) V 相通电1 0 0(04H) W 相通电同时，在两控制字间应加人软件延时来保证一定的时间间隔，以此控制步进电动机速度。假如要求时间间隔为lms控制步进电动机三相三拍正转的程序框图。如图 2-52 所示。 如要控制步进电动机反转，只需将输出的控制字按 U W V U 通电顺序输出即可。2.

24、 微机控制步进电动机的升降速方法生产实际中，要求步进电动机不仅运转快，而且要求能快速起动、停止。但由于步进电动图2-51 软件环形分配器步进电动机控制图2-52 三相三拍正转程序框图机本身特性的限制，如果起动时脉冲频率较高，步进电动机转子在最初一些节拍不能转够相应的转角，则产生“丢步”，严重时步进电动机根本不会启动，而停止转动时会产生“过冲”。原因是步进电动机的响应频率比较低，限制了步进电动机的最高启动频率。因此，微机应能对步进电动机的脉冲频率进行升降频控制，使脉冲频率开始时较低，步进电动机不“丢步”地启动，然后逐渐升高到较高的连续运行频率。同理，在要求停止转动时，为防止“过冲”，使脉冲频率逐

25、渐降到零。微机实现升降频控制，可采用均匀地改变步进脉冲间隔的方法，进行升降速控制。如步进电动机以 400Hz 的频率起动，要求从第 20 个脉冲开始进入 1500Hz 恒速运行，以 10 s 延时为基础，可求出：起动时每个脉冲周期：610s/400 25010s，时间常数 =250；恒速时每个脉冲周期 : 610s/15006610s，时间常数 =66；起动过程中相邻脉冲周期差：(250-66)/2O 910s， 变化间隔 =9 。计算结果表明，起动时第一个脉冲周期为 250 10s，以后每个脉冲周期减少 9 10s。在第 20 个脉冲后，脉冲周期可减少到 660 10s，对应脉冲频率约为15

26、0OHz 。根据以上分析可编制具体的加减速程序。综上所述，微机对步进电动机的控制， 也就是控制步进脉冲的个数和步进脉冲的间隔，而其间隔又可转化为某基准延时子程序的循环次数。因此，可以方便地用软件来控制步进电动机的运行，实现步进电动机不丢步地快速起动、停止。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 24 页名师精编优秀教案（三）数控机床误差及其软件补偿数控机床的加工误差是必然存在的， 但只要对引起加工误差的各个环节的定量关系清楚，就可以在编程中正确地引人修正量，调整进给脉冲，达到减少和消除部分误差的作用，这就是误差的软件偿。 1.

27、编程误差编程误差由三部分组成：（1）逼近误差逼近误差是用近似计算法逼近零件轮廓时产生的误差（又称一次逼近误差） ，它出现在用直线或圆弧去逼近零件轮廓的情况。即用近似方程式拟合列表曲线时，方程式所表示的形状与零件原始轮廓之间存在的差值。(2) 插补误差它表示插补加工出的线段（例如直线、圆弧等）与理论线段的误差，这项误差与数控系统的插补功能即插补算法及某些参数有关。(3) 圆整误差编制零件加工程序时，要根据设计图样的几何尺寸要求，将尺寸参数转换成控制脉冲数，转换计算的最小单位是脉冲当量。这种零件几何参数计算时圆整到一个脉冲当量而引起的误差称为圆整误差。 圆整误差的大小决定于脉冲当量。一般不会超过脉

28、冲当量的一半。编程误差一般情况下取零件加工允许误差的 0.l0.15 倍。为减小编程误差， 可以通过减小插补间隙或增加机床分辨率来达到，一般不需要专门的软件补偿。2. 间隙误差数控机床机械传动部件间存在一定的问隙，由此产生的加工误差称为间隙误差。机械传动间隙通常有：丝杠轴承轴向间隙；丝杠螺母副之间的传动间隙；联轴节的扭转间隙；齿轮传动的齿侧间隙等。间隙对误差的影响，主要是在运动换向时发生。其软件补偿处理的过程是：先将各个间隙值变换成指令脉冲数 M， 然后在零件加工程序中判别进给方向的指令转向后，给出 M 个额外的进给指令脉冲，再执行正常的程序。这样的补偿处理方法，对于点位和轮廓控制都适用。但对

29、于大型机床，其间隙大小随工件的重量或间隙的位置改变而改变，这时就会出现补偿不完全的情况。四、经济型数控机床影响定位精度的因素和提高定位精度的措施1. 影响定位精度的因素机床的定位精度受到机床电气或机械装置以及机床使用过程中的负载变化、振动、热变形等因素的影响，其中主要影响因素有：(1) 步进电动机的误差1）步进电动机的步距角误差；2）步进电动机的动态误差，步进电动机单步运行时有明显的振荡，产生 20%30% 步距角的超调量；3）步进电动机的起停误差， 在步进电动机起动和停止的过渡过程中，电动机的转动滞后于控制脉冲而产生的误差；4）步进电动机失步产生的误差。（2）机械传动部分的误差1) 齿轮副或

30、同步带传动副的传动误差及传动间隙；2) 滚珠丝杠螺母副的传动误差及传动间隙；3）导轨副的误差；4) 机械传动部件的受力变形；5) 机械进给部件的热变形。以上各种因素中，某些固定不变的或按确定规律变化的因素引起的定位误差属于系统性误差，如丝杠的螺距误差、导轨的形位误差等。某些因素引起的定位误差属于随机精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 24 页名师精编优秀教案性误差，如摩擦力变动的影响、轴承游隙的变化量以及接触变形等。传动系统中的各种间隙、传动件的弹性变形量等，则综合形成反向运动时的失动量。2. 提高系统定位精度的措施减小随机

31、性误差比较困难， 一般只能通过全面提高进给传动系统各部分的精度和配合质量，增强刚度，以及减少摩擦系数并使摩擦系数稳定不变来改善。对于系统性误差则比较容易采取措施减小或消除。而且，系统性误差所占比重较大，有时甚至占总误差的 90%，因此应首先减少系统性误差。通常采用以下两种方法：1) 从产生误差的根源上采取措施减小或消除定位误差在许多情况下，可以根据误差的变化规律分析找出产生误差的根源，然后采取对应措施进行减小或消除。如由于轴的安装偏心、齿轮的制造和安装产生的齿轮传动误差，就可采取有效措施减小或消除。图2-53 定位误差补偿点的确定2）采用误差补偿的方法提高定位精度在 CNC 机床上可采用软件方

32、式进行定位误差补偿。其方法是，相对机床绝对原点（机床零点）实测出机床坐标轴的定位误差曲线，如图 2- 53 所示。将该曲线以单位补偿脉冲当量进行分割， 各分割点为目标补偿点。 将补偿点的位置数据列成表存入计算机，当运动部件移动经过补偿点时，补偿相应脉冲。在定位误差为正处，进行减脉冲补偿，而在定位脉冲为负处进行加脉冲补偿。经这样补偿后，坐标轴全长上定位误差不大于 2 个补偿脉冲当量，即士 1 个补偿脉冲当量。第六节基于PC 的开放式数控系统为了适应现代化生产系统进步和发展的要求，克服封闭式数控系统所暴露出来的弊端，人们提出了数控系统开放化的要求。由于PC 已经成为微型计算机的事实标准，其开放的体

33、系结构和丰富的软硬件资源，成为现代开放式数控系统的重要基础。本节主要介绍基于 PC的开放式数控系统的特点、硬软件体系结构、工作原理和典型实例。一、开放式数控系统概述（一） 、开放式数控系统1、开放式数控系统的提出数控系统按体系结构可分为封闭式和开放式两类。传统数控系统采用封闭式的体系结构，即便是计算机数控系统（CNC） ，其 CNC 装置也是采用专用计算机系统为基础。虽然选用高性能微处理器构成分布式处理结构，可以获得高性能（如多轴联动的高速高精度控制）、强大补偿功能、图形功能、故障诊断功能以及通信功能等。但由于技术保密和降低成本等原因， 各数控系统生产厂商通常自己设计数控系统的硬件和软件体系结

34、构，不同厂商设计制造的封闭式数控系统的软硬件模块、编程语言、人-机界面都不相同，世界各大数控厂商在数控系统硬件结构、实时操作系统、数据通信接口和通信协议等方面实施技术垄断、市场垄断、甚至技术服务垄断，数控系统用户无法对购买的数控系统进行功能扩展、系统维护以及升级换代，数控系统的维护、维修以及人员培训等全精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 24 页名师精编优秀教案部依赖于世界各大制造厂商。虽然世界各大数控系统制造商的封闭式数控系统性能可靠、稳定，且目前仍然占据制造业大部分市场。 但随着计算机技术的不断进步， 通用计算机硬软件的

35、优势愈加明显，与分布式系统的上述弊端和各大数控制造商的垄断行为形成鲜明的对照。计算机网络技术的发展，使计算机集成制造（CIM ）的实现形式从以大型计算机和大规模数据库为中心的集中型，向一个人计算机为主的小型计算机相互联结、配置成网络的分散型发展。这一变化不仅拥有技术上的优势，而且更符合实际生产的需要。此外生产系统的开放也对数控系统提出“开放”的要求，在“分散网络化制造系统模型”下，以数控机床为代表的底层制造设备将成为网络中的一个节点，要求数控系统能方便的接入网络，并且能独立自主的完成一定的任务。具有这些特性的制造设备将分为“分散网络化制造系统模型”中的节点或模块。实现上述现代生产系统的目标，要

36、求数控系统能够与 PC 兼容或至少能方便的连入网络；还要求数控系统能充分利用第三方的软件实现CAD/CAM 集成或其它功能。因此，现代生产系统的进步和发展也提出了制造设备开放性的要求。为了解决封闭式数控系统日益明显的弊端，以适应生产系统进步和发展的要求，近年来，西方各工业发达国家相继提出了向规范化、标准化的方向发展，采用开放式体系结构数控系统的问题。著名的有美国1994 年提出的下一代控制器（Next Generation Controller, NGC ）计划，欧洲和日本在20 世纪 90 年代初提出自动控制系统的开放式结构(Open System Architecture for Cont

37、rol within Automation Systems, OSACA) 计划和控制器开放系统环境 (Open System Environment for Controller , OSEC) 计划等。2、开放式数控系统的主要优点开放体系结构数控系统的本质特征是开放性，其含义是数控系统的开发可以在统一的平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁功能模块，形成系列化，并将用户的特殊运用集成到控制系统中，实现不同品种、不同档次的开放式数控系统。开放式数控系统具有开放性、模块化、可移植性、可控制即可互换性、可伸缩性、互操作性等一系列特点，与传统封闭式数控系统相比有如下优点。（1）面向未

38、来开放由于软硬件接口遵循公认标准，扩展或升级的软硬件资源很容易被现有系统所采纳、吸收和兼容。这意味着系统地开发费用将大大降低，系统性能可以持续改善，可靠性可不断提高，产品生命周期将大大延长。（2）应用软件移植性好开放式数控系统的应用软件与底层软硬件的支撑无关，便于多方位软件设计人员针对相同被控对象，在不同的运行环境下并行开放应用软件，可采用软件工程方法，实现软件的模块化和复用，从而有效地解决数控系统应用软件的产业化，以加快应用软件的开发。（3）网络集成便捷开放式数控系统采用标准总线和通信网络协议，可接入计算机网络，作为网络加工中的加工设备和通信站点，便于制造网络集成。（4）人机界面友好开放式数

39、控系统采用通用型人机界面，符合人机工程学的要求，操作方便、易于观察、交互性好。（5）编程语言标准化开放式数控系统采用统一性、标准化数控加工编程语言，可以根本上解决封闭式数控系统编程指令不统一的问题，可大大减少编程劳动。（6）系统灵活性强开放式数控系统允许用户根据实际需要扩展或裁减系统，用户可以从低级控制器开始，逐步扩充系统的功能，提高系统的性能。用户也可在系统中融入自己的技术诀窍，创造出具有自己特色的产品。（7）可减少产品的品种开放式数控系统通用性强，便于批量生产，可有效的保证系统的可靠性，并降低制造成本，增强市场竞争力。（二） 、基于 PC的开放式数控系统1、基于 PC的开发式数控系统产生的

40、背景数控系统的设计可采用全新设计与扩展设计两种途径。全新设计指从系统体系结构设计着手，独立提出系统设计的技术规范，并依据独立技术规范，进行硬件系统和软件精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 24 页名师精编优秀教案系统的设计。美国的NGC 计划、 OMAC 计划及欧共体的OSACA 计划，都采用了全新设计的方案。全新设计的技术难度大，必须有大量的研发资金的支持，开发时间较长。NGC 计划试图对工业应用提供功能和服务性的定义，最终以开发体系结构标准规范和：“设计人员指南” 一起，提供开发符合 NGC 规范产品所需要的信息， 并

41、引发出 NGC 的标准化成果。但NGC 计划过于庞大，实用化产品开发并不快；OSACA 计划建立了OSACA 规范，并将此标准作为系统平台开发标准，建立了通用软件模块和通用OSACA系统平台，并建立了五轴制造系统环境，用以调试、验证和扩展。OSACA 计划试图将OSACA 规范作为自动化领域的通用国际标准，其研究范围涵盖了整个自动化领域，包容性大，适应性强，但研究开发工作量非常大，目前还处于整体构思、分布实施阶段，短期内很难实现对大部分操作平台的支持。总之，开放式数控系统是对封闭式数控系统的巨大挑战，但从它提出后十年里， 虽然西方各工业发达国家投入了大量的人力和物力，但由于研究计划庞大、所涉及

42、的关系复杂、技术难度大等原因，至今仍没有在市场上占据重要的份额。在全新设计开放式数控系统进展缓慢时，通用 PC 的技术性能则迅速提升， 应软件资源日益丰富， 工业 PC 的可靠性也在不断增强， 而价格在持续下降。 PC 体系结构已成为事实上的微型计算机标准，应用面越来越广。由于PC 插卡式结构，为构造开放式体系结构数控系统搭建了理想的平台，因此，人们很快将目光转向PC 扩展设计方面，即以工业 PC 硬件体系结构和实时操作系统为基础，扩展相应的板卡和数控应用软件，构成基于 PC的开放式数控系统。 20 世纪 90年代，Ampro Computer 公司策略发展部行政副总裁 Pick Lehrba

43、um首先提出“利用 PC 体系结构，涉及新一代嵌入式开放式数控系统” 。不久，Software Development System的 James S. Challenger 又提出“Windows 和嵌入式计算机技术的融合”， 主张利用现有 PC的软硬件规范设计新一代数控系统。 德国的 IBH、美国的 AI、日本朋立公司等相继开发了基于PC的数控系统。基于PC 扩展设计开放式数控系统思路的提出，极大地推动了开放式数控系统的进步与发展。基于PC 体系结构和软硬件规范，设计新一代开放式数控系统成为数控系统开放的重要途径，也是迄今为止的最佳选择。2、基于 PC构建开放式数控系统的方法通用 PC 的

44、标准化程度高，软硬件资源丰富，适应性强，是构建开放式数控系统的理想平台。基于 PC 平台构建开放式数控系统，需要根据开放式数控系统的特殊要求，从硬件和软件两个方面对PC 进行相应的改造，扩充数控系统专用的板卡和应用软件等。主要包括如下内容。（1）实时处理能力扩充开放式数控系统属于实时多任务计算机控制系统，其中计算机系统必须具备实时控制和多任务处理能力，即硬件中断能力强，操作系统任务切换时间短，具有支持实时相应的特性。而普通PC 的硬件系统配置和DOS 或 Windows 操作系统都不能满足数控系统实时性的要求，在基于DOS 或 Windows 操作系统的数控系统中，必须扩充操作系统的实时处理能

45、力，如增加线程或实时多任务调度，还需对硬件进行相应的改造。（2）适应工业运行环境数控系统的运行环境属于工业运行环境，计算机系统的可靠性、电磁兼容性、抗震性和耐高温性等性能指标应能够适应工业运行环境的要求。因此，基于 PC 的开放式数控系统一般采用工业PC（IPC）或各种与 PC 兼容的嵌入式工业控制计算机，并采用箱式结构，增强散热和防尘的性能，还需对工业PC 的通用模板进行力学特性改造和加固。（3）延长生命周期普通 PC 和工业 PC（IPC）更新换代很快，加上不同的厂家、不同型号的CPU 主板的性能有一定的差异，会给数控系统的集成带来一定的困难。延长数控系统生命周期的最好办法就是加大对用户的

46、开放程度，使数控系统集成商和用户自己能够对数控系统的硬件和软件进行升级。例如，美国 Data Tau公司的 PMAC-NC 运动控制板卡向不同用户提供不同程度的开放，对一般用户，只提供 PMAC-NC 配置软件，支持用户自行配置控制轴数，联动轴数、伺服参数和I/O 表；对高级用户， Data Tau公精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 24 页名师精编优秀教案司提供动态链接库（ DLL ） ，可供用户使用 VC+、VB 等开发工具自行开发菜单和基本操作界面；对控制装备 OEM 厂商，Data Tau公司提供关于 PMAC-

47、NC 的全部 C+代码。Data Tau公司的开放式解决方案，可以保证数控系统的集成商不断吸收世界上各种新技术，与时俱进地开发先进的数控系统。二、基于 PC的开放式数控系统体系结构（一） 、基于 PC的数控系统类型基于 PC的开放式数控系统目前可分为专用数控加PC前端的复合型、 CN 嵌入 PC型和全软件型 3 种典型结构。1、专用数控系统加PC前端的复合型结构这种结构的数控系统将PC作为 NC 的部件嵌入在数控系统中， 用内部总线相连接，PC 和 NC 连接在一起构成前后台结构， 可形成多处理器数控系统。 它的 NC 部分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控系统的核心，但可利用PC 丰富的

48、软件资源，满足开放性的要求。这类数控系统的优点是原来的CNC 不必改动，既保持了原来数控系统的强大的功能，又具有数据传送速度快、系统相应时间短的特点。其缺点是不能充分发挥 PC 的潜力，开发性受到一定限制，系统造价无法降低。这类数控系统或者提供PC前端接口，或者将 PC 母板直接嵌入 CNC 中。这种结构的数控系统主要出于知名的数控系统制造商，原因是这些制造商不愿放弃已经成型的CNC 制造技术，而又需要 PC 的柔性和开放性，于是采用的一种折中的解决方案。随着计算机技术的不断发展，硬件的标准化和成本的不断降低，这种开放式数控系统结构很可能只是一个过渡。采用这种开放式结构的数控系统的代表产品有F

49、ANUC18i、FANUC16i 系统、 Siemens840D 系统、NUM1060 系统及 AB9/360 系统。2、NC 嵌入 PC 型结构（基于运动控制器的开放式数控系统）这种结构的数控系统是在通用PC 扩展槽中插入运动控制板或整个CNC 单元（包括嵌入式 PLC） 。PC 将实现用户接口、文件管理以及通信等非实时部分的功能，实时控制（机床的运动控制和开关量控制等）由插入 PC 扩展槽中的 CNC 单元或运动控制板来承担。这种开放式数控系统是目前是较为先进的。但是该系统的CNC 核心部分运动控制和伺服控制仍是依赖于专用运动控制卡，还未达到整个产品的硬件通用化。运动控制卡通常选用高速DS

50、P 作为 CPU，具有很强的运动控制和PLC 控制功能，它本身就是一个数控系统， 可以单独使用， 它的开放的函数库供用户在Windows 平台下自行开发构造所需的数控系统。目前这种控制卡被广泛地应用于构造开放式数控系统。如美国 Data Tau 公司用 PMAC 多轴运动控制卡构造的PMACNC 数控系统，日本MAZAK 公司用三菱电机的MELDASMAGIC64构造的 MAZATROL 640 数控系统等。3、全软件型结构全软件型结构 CNC 又称为纯 PC型开放式数控系统。这种结构的开放式数控系统的特点是 CNC 系统的全部或大部分功能均由PC承担，并通过装在 PC 扩展槽中的驱动接口卡对

51、伺服驱动进行控制。 在 PC 中采用实时的操作系统或对操作系统进行实时功能扩展，由 PC完成数控系统中所有的实时任务和非实时任务，如编译、插补和PLC 等。这是一种理想的开放式数控系统，CNC 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部 I/O 之间的标准化通用接口，能提供给用户最大的选择性和灵活性。（二） NC 嵌入 PC 结构的开放式数控系统“NC 嵌入 PC 结构”的开放式数控系统也可称为“基于运动控制器”的开放式数控系统。目前运动控制器种类很多，但应用最广的运动控制器当属PMAC 运动控制卡。下面将以 PMAC 运动控制器为代表，阐述“NC 嵌入 PC 结构”的开放式数

52、控系统的硬件和软件体系结构。1PMAC 多轴运动控制器可编程序多轴控制器 （Programmable Multi-Axis controller, PMAC ）是美国 Delta Tau 公司 1990 年推出的基于工业PC 和 Windows 操作系统的多轴、多通道开放式运动控制器，也是目前世界上功能最强的运动控制器之一。PMAC 采用先进的运动控制技术和精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 24 页名师精编优秀教案Windows 平台，满足用户在运动控制各个领域中的应用需求。已在机器人、数控机床、造纸和木材加工机械、各种

53、装配线、食品加工机械、印刷包装等机电一体化设备上得到广泛应用。PMAC 实际上是一台完整的计算机系统，而且是一台实时多任务计算机系统，它可以自动进行任务优先级判别，并按优先级别高低调度并执行任务，从而大大减轻了主机任务切换和执行实时控制任务两方面的负担，提高了整个控制系统的运行速度和控制精度。PMAC 的硬件以Motorola56001 (20/30MHz) 24bit 定点数字信号处理器（Digital Signal Porcessor, DPS）为核心，并全面拓展了DPS的强大功能。 PMAC 运动控制器作为嵌入在数控系统中的一个高性能伺服运动控制器，可通过灵活的高级语言， 实现对 18个

54、轴的实时伺服控制。通过多卡连接方式还可控制多大128个轴的运动。PMAC 既可独立工作，也可按主机的命令工作， 主机传送给它的命令为字符串形式，PMAC 与主机通信既可通过串行口，也可通过总线方式进行，通过总线方式通信时，可将中断引入主机，便于数控系统主机实施灵活有效的实时多任务调度管理。2基于运动控制器的开放式数控系统硬件结构及工作原理数控系统采用“ NC 嵌入 PC”结构的开放式结构，在工业控制机（IPC）平台基础上，以 PMAC 运动控制器作为系统的核心处理器，工控机上的CPU 与 PMAC 的 CPU（DPS560001/DPS560002 ）构成主、从式双微处理器机构。 为了实现 P

55、MAC 多轴运动控制的功能，还需在 PMAC 板上扩展相应的 I/O 板、伺服运动单元、伺服电动机、编码器等，最终形成一个完整的数控系统。数控系统除PMAC 运动控制器外，大部分硬件结构框图如图 2-54所示。图 2-54 NC 嵌入 PC 数控系统硬件结构（1） PMAC 运动控制器的控制功能在图 2-55 所示系统中， PMAC 主要完成插补运算、位置控制、刀补、速度处理和PLC 等实时控制任务；工控机则主要实现系统的功能管理管理， 同时具有充足的支持软件来改善CNC 系统的用户界面、 图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通信等非实时控制功能。（2） PMAC 运动控制器与主机之间

56、的通信PMAC 运动控制器与主机之间通过 ISA 总线通信。当主机与PMAC 运动控制器进行通信时，主机就到预先指定的地址去寻找 PMAC 运动控制器，该地址由PMAC 板上的 E 跳线决定，用户可以根据需要重新设置 E 跳线，从而改变PMAC 在主机中所占用的地址，控制器与伺服电动机的运行状态、电动机的位置、速度、跟随误差等数据则直接通过ISA 总线实现信息交换。（3） PMAC 内置 PLC 功能PLC 信号的输入 /输出由 I/O 接口板来实现。在整个数控系统中，送入PLC 的信号主要有：控制面板和机床上的按钮开关、选择开关等信号；各运动轴的行程开关、 机械零点开关等信号； 机床电器动作

57、、 限位、报警等信号；强电控制柜中接触器、气动开关接触等信号以及各伺服模块工作状态信号等，这些信号通过光电隔离后经I/O 接口送入 PMAC 进行处理。光电隔离能有效地将计算机数字量通道与外部模拟量通道隔离开来，大大地减轻了外部因素的干扰。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 24 页名师精编优秀教案图 2-54 NC 嵌入 PC 数控系统软件结构PLC 的输出信号主要有：指示灯信号、控制继电器、接触器等动作信号；伺服模块的驱动使能和速度使能信号等。 这些信号通过 PMAC 智能 I/O 口送到相应的控制器上来控制相应电器工

58、作。利用PMAC 提供的后台 PLC 可以很方便地实现上述功能，当前台运动程序有序地运行时， PMAC 运行控制器可以在后台运行多达32 个异步 PLC 程序，这些 PLC 程序可以提高采样速率，监视模拟输入和数字输入、设定输出值、发送信息、监视运动参数、改变增益值以及命令运动停止/启动，还可以对PMAC 运动控制器发送命令，完成一些可编程序逻辑控制器（PLC）的功能，利用这些功能不仅可以简化硬件系统设计、节省硬件开支，而且还方便用户使用PLC 进行程序设计。2基于运动控制器的开放式数控系统的软件结构基于运动控制器的开放式数控系统的软件结构主要是由实时控制软件和系统管理软件来构成。实时控制软件

59、的设计充分考虑了软件的开放性，用户可以在PMAC 已经集成的基本模块的基础上根据自己的需要增加软件的功能模块。系统管理软件主要由用户自己开发，来实现所有的非实时控制部分的功能。系统管理软件最基本的应该是实现系统初始化、故障诊断、参数输入及加工程序编辑、系统进程管理和双CPU 通信功能，在这些基本功能的基础上可以再增加网络控制、动态仿真等高级功能。系统的软件结构（参考结构）如图2-54所示。（1）PMAC 实时控制软件PMAC 实时控制软件包括插补模块、伺服驱动模块、PLC 监视模块、加工程序解释模块、数据采集及输出模块等，其功能模块如图2-55 所示。图 2-55 PMAC 实时控制软件功能模

60、块1）插补算法模块包括直线插补、 圆弧插补及样条插补等。 PMAC 还提供了 PVT（位置-速度-时间）运动模式，该模式可以对轨迹图形进行直接而紧凑的控制。用户可以对以上几种模式加以选择和组合。2）伺服驱动模块用于选择PID 位置环伺服滤波器、陷波滤波器（NOTCH FIL ） 、速度前馈、加速度前馈等，并设置其控制参数，并且这几种伺服算法可以任意组合，用户也可采用极点配置方法， 甚至可以直接加入自己的底层位置伺服方法，以适应不同需要，实现个性化伺服控制。3）PLC 监控运行模块主要包括看门狗PLC、上电 PLC、主 PLC、指示灯管理 PLC精选学习资料 - - - - - - - - -

61、名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 24 页名师精编优秀教案及下电 PLC。主 PLC 用来完成对控制面板及机床输入、输出的监控，主要包括对机床进行手动、自动调整功能的实现、 主轴运动的控制、 机床 3 个坐标轴运动的控制等操作。看门狗 PLC 对 PMAC 运动控制器本身及数控系统状态位进行故障检测，在系统上电和加工过程中分别进行如下处理。看门狗 PLC 在 PMAC 上电后立即被启动，他通过不断读取 DPRAM( 双端口 RAM)中某地址单元的计数值来判断主机是否进入CNC 系统。当相邻两次读得的差值大于某个数时，它便启动上电PLC，对整个数控系统上电；当相邻两次读得

62、的差值小于某个数时，它便启动下电PLC,关闭整个数控系统。看门狗 PLC 在加工过程中主要对各轴超行程限位开关、跟踪误差极限、 伺服输出极限、异常终止等信号进行检测，以确保数控系统安全、可靠地运行。4）加工程序解释模块由G 代码解释程序、 M 代码解释程序、 T 代码解释程序组成。这些解释程序在 PEWIN32Pro(PMAC 开发工具，是 Delta Tau PMAC 卡的 Windows 可执行程序 )环境下编辑和调试，并下载到PMAC 的固定存储器中，在实际加工时被PMAC自动调用。5）PMAC 在使用数据采集及输出模块时，所采集的数据直接送到DPRAM 中，而不是按常规送到 RAM 中

63、。主机与 PMAC 运动控制器主要通过PC总线通信，至于控制卡和电机的状态、电机位置、速度、跟随误差等数据则通过DPRAM 交换。（2）系统管理软件系统管理软件的所有功能都要由用户自己来设计与实现。由于数控系统中的实时控制模块都是由PMAC 来实现的，且系统管理软件完成的都是非实时性的功能 (后台功能 )，所以可以选用 Windows 操作系统作为系统运行与开发的平台，而不需要对 Windows 操作系统进行任何实时化的改造与扩展。系统管理软件一般采用 Windows 平台的 VC、VB 或 Delphi 等开发工具开发完成，主要实现系统初始化、参数设置、文件管理、故障诊断与状态显示、加工运行

64、、人-机界面及双 CPU 通信等功能。其功能模块（参考模型）如图5-6 所示。分别说明如下。图 2-56 PMAC 系统软件功能模块1）PMAC 初始化在系统主窗口界面调入过程中即告完成，它的主要任务是PtalkDT是 Delta Tau的 32 位驱动程序 Pcomm32的好友 OCX 接口控件 ，通过它可以与PMAC卡进行有效通信。2）人-机界面模块是操作者与数控系统的“接口”。操作者的所有操作都要通过人-机界面来完成，同时数控系统的所有信息反馈也都是通过人-机界面来显示的。应该说人-机界面模块的软件设计非常重要。人-机界面应该根据功能模块的不同对应着不同的界面窗口。主窗口应该包含系统控制

65、所需的所有控制按钮和设定选择栏，以触发系统各子功能的功能菜单按钮等各种控件。3）参数设置模块又分为系统参数设置、刀具参数设置、机床参数设置3 个子模块，通过对这 3 个子模块的参数设置可以使数控系统适应于各种机床，在系统参数设置子模块中，可以设置PID 参数、加 /减速参数等；在刀具参数设置子模块中，可以对刀具半径补偿和长度补偿进行设置；在机床参数设置子模块中，可以设置各轴反向间隙补偿、丝杠误差补偿、快速进给速度、正反向限位等机床参数。4）文件管理模块主要用于数控文件的编辑、更名、复制和删除等操作。还提供文件大小及改动时间等记录，以方便文档管理和系统内部数据管理。5）故障诊断与状态显示模块可以

66、显示当前机床参数、运行状态，并能进行故障诊断。6）加工运行模块能够提供实时加工的开始和停止等自动加工功能、MDI （手动输入加工方式）加工模式、 JOG连续进给操作、电子手轮操作及回零点操作等功能。同时精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 24 页名师精编优秀教案在自动加工过程中还可以实时显示当前坐标点的位置、当前所起作用的模态指令及跟随误差等加工状态。7）PMAC 与 PC 双 CPU 通信模块是数控系统软件设计的核心，软件结构中非实时模块与实时模块的信息通道，就是由双CPU 通信模块来完成的，即双CPU 通信模块构建了整

67、体软件结构中非实时模块与实时模块信息交互的桥梁。双CPU 通信模块主要实现从上位机向 PMAC 下载加工程序、 PLC 程序、运动程序的功能， 以及上位机对 PMAC在线指令的传输及PMAC 对上位机的运行状态反馈等通信功能。在开发通信模块时，由于 PMAC 提供了开放软件包Pcomm32和 ActiveX 通信控件 PtalkDT,与 PMAC 通信交换信息只需用 Pcomm32 函数库中相应功能函数或使用PtalkDT 提供的各种事件处理方法，不必开发通信驱动程序，也不必直接与PMAC 硬件打交道。由于运动控制器具有强大的运算能力、良好的I/O 操作功能、极高的处理速度，并且具有良好的实时

68、控制性能，基于PC 和运动控制器开发高性能、高精度数控系统，是现阶段开放式数控系统的主要发展方向之一。（三） 、全软件型结构的开放式数控系统全软件型结构的开放式数控系统的主要特征就是不再使用专用的硬件板卡或运动控制卡，数控系统所具有的运动控制功能完全由PC 软件来实现，即所谓“硬件功能软件化” 。这种体系结构的数控系统是开放式数控系统的理想结构，具有最广泛的开放性，成为目前开放式数控技术研究的热点，有人预言，随着计算机软、硬件技术的发展，全软件型体系结构的数控系统具有不可匹敌的价格优势和可扩展性，将是未来开放式数控系统发展的主要方向。目前已经由国外厂商推出了基于PC 的开放式软件数控产品，如B

69、eckhoff Automation 公司的 TwinCat(Total Windows control and Automation Technology) 、AI(Automation Intelligence)公司的产品 AML 及 MDSI(Manufacturing Data Systems Inc.)公司的 OpenCNC。 这些数控系统产品均以运行在PC 上的数控软件替代了运动控制器和PLC 控制器的功能。全软件型结构的开放式数控系统是建立在实时操作系统和标准数字伺服驱动器接口基础上，是全部由软件实现数控系统功能的系统。本节仅就实时操作系统选择、SERCOS标准接口以及全软件型结

70、构的开放式数控系统参考模型作必要的介绍。1操作系统、进程和线程概念（1）操作系统操作系统是计算机系统中最重要的系统软件，它统一管理计算机系统的资源和控制程序的执行。操作系统的主要功能可分为处理器管理、存储管理、文件管理、设备管理和作业管理5 大部分。计算机中的CPU、内存、硬盘、显示器及各种程序等被统称为计算机的资源。由于程序运行时总要占用CPU、内存、硬盘等硬件和软件资源，而计算机的资源总是有限的，当多个程序同时启动运行时，就要由操作系统来协调资源的分配和管理，从而使多个程序能够相互协调，有条不紊地运行。按照资源分配策略，操作系统可分为实时操作系统（Real-Time Operating S

71、ystem, RTOS ）和分时操作系统 (Time-Sharing Operating System, TSOS)两类。常见的 Windows、UNIX 、Linux等都属于分时操作系统， 它们的基本设计原则是尽量缩短系统的平均响应时间并提高系统的吞吐率，即在单位时间内为尽可能多的任务请求提供服务。从设计原则可以看出，分时操作系统（ TSOS）注重任务的平均表现性能，而不注重任务的个体表现性能。实时操作系统（ RTOS）是以满足其进程时限要求为设计原则的操作系统，如果进程时限没有得到满足，即使程序执行的逻辑结果正确，也认为产生了系统失效。实时操作系统主要在生产过程控制、多媒体通信、在线事务处

72、理、交通控制等具有严格时限要求的任务处理系统中被广泛应用。 多任务和实时性是数控系统应用软件的两个重要特点，因此，实时多任务操作系统就成为全软件型数控系统的重要基础之一。（2）进程一个程序在特定数据集合上的一次执行被成为一个“进程” 。或者说，进程是程序在并发环境中的一次执行过程，是程序运行的一个实例。操作系统进行多任务调度管理就是以进程为单位展开的。（3）线程线程是处理器调度的基本单位，进程有一个或多个线程组成。每个精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 24 页名师精编优秀教案线程代表单个进程内部的某一独立组成部分。每当操

73、作系统创建了一个新的进程，它就至少创建了一个线程。2操作系统的选择在基于 PC 的开放式数控系统的整体设计过程中，设计人员面临的首要问题就是选择操作系统。 为全软件型开放式数控系统配备的操作系统应具有实时性和开放性两个显著特征。目前通用数控系统的插补周期一般在8ms 以下，所谓实时性是指操作系统的中断延时不能超过规定的时限 （目前通用数控系统的插补周期一般在8ms以下，要求操作系统的中断延时不超过0.5ms） 。所谓开放性包括两个方面的含义：一方面是对工业标准协议和商业技术应用的支持，如 TCP/TP 协议、RS232/485协议，以及对 COM/DCOM或 CORBA(公用对象请求代理结构

74、)技术的支持；另一方面是具有广泛的硬件支持，即对多数 PC 的扩展卡能够识别与驱动。操作系统的实时性和开放性是全软件型开放式数控系统的重要保障。目前，可在PC 上运行的实时操作系统种类很多，主要有Wind River System 的VxWorks 系统、 QNX software Systems的 QNX 系统、CMX System 的 CMX 系统。从技术角度来讲，这类操作系统可以满足全软件型开放式数控系统的实时性要求，但从应用范围和开放性角度来讲，并不适于作软件型开放式数控系统的开发平台。从满足开放性角度考虑，自然应当考虑通用PC 上常用的 Windows、UNIX 、Linux 等操作

75、系统，但这类操作系统都是面向公共事务的非实时操作系统，它们都不满足系统的实时性。要同时满足全软件型开放式数控系统对操作系统实时性和开放性的要求，目前只能通过对Windows 和 Linux 等通用操作系统进行实时化改造，使其成为同时满足实时性和开放性要求的操作系统。（1）Windows NT/2000 操作系统的优点将 Windows NT/2000 操作系统作为全软件型结构的开放式数控系统的软件开发平台可以得到各个层面的开放性，且可以得到以下便利。1）Win32 应用程序接口 （Application Programmer Interface, AIP）已成为软件开发的事实标准，许多软件开发

76、人员均能很好的理解并熟练地应用。2）Windows 图形用户界面（ Graphic User Interface, API）已经普及并被广泛认同，其他操作系统已经趋向于采用与Windows 相似的用户界面。3）Windows 提供各种高效易用的开发工具和集成开发环境（Integrated Development Environment, IDE） ，可以极大地方便软件开发人员。4）Windows 有大量可用的第三方设备驱动程序，在 PC 环境下扩充各种硬件十分方便。（2）数控系统实时操作系统的5 项基本要求数控系统是一种实时多任务控制系统，所配备的实时操作系统（RTOS）必须满足以下 5 个方

77、面的基本要求。1）必须是多线程和可抢先的，2）操作系统必须有线程优先级的概念，能够得到足够多的优先级别（视实时任务的复杂程度而定）。3)操作系统必须支持可预测的线程同步机制。4)操作系统必须有优先级继承机制，以防止优先级倒置。5）操作系统的性能（中断延迟、线程切换延迟等）可预见，即在任何负荷情况下都有一个确定的最大响应时间。（3）Windows NT/2000 的实时性能分析采用通用操作系统Windows NT/2000会极大地增加数控系统的开放性， 但 Windows NT/2000 的实时性能是否能满足实时操作系统上述 5 个方面的要求， 需要了解 Windows NT/2000 的任务调

78、度策略之后， 对照上述5 项基本要求逐项进行分析。1）Windows NT/2000 的调度策略。 Windows NT/2000 内核定义了 3 种可运行实体，按照递减调度优先级顺序描述的调度方法如图2-57 所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 24 页名师精编优秀教案图 2-57 Windows NT/2000 调度方法示意中断服务例程（ Interrupt Service Routines, ISR ）被用来处理中断。当中断发生时，如果 CPU 的中断请求级别（ IRQL）低于中断源的IRQL,则正在执行的 I

79、SR、DPC 或线程将被中断。 控制权将被移交给与此中断源相关联的ISR 例程。典型的 ISR 例程只是确认硬件中断，并使一个DPC 事件排入队列。微软建议在ISR 中完成的工作尽可能少，以免因耗时过多阻塞其他优先级较低的中断。一个 ISR 可被更高级别的ISR 中断，但不会被 DPC 或线程抢先（所谓抢先是指在CPU 正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行， CPU 将立即中止正在执行的任务，转而响应优先级高的任务的请求）。延迟过程调用（ Deferred Procedure Calls, DPC）被 ISR 或其他内核模块送入一个先进先出（ First In and First

80、Out, FIFO）的“DPC 队列” ,它们通常被用来完成大部分的中断处理任务。 DPC 总是在将控制权交还回线程前被处理。DPC 可以被 ISR 中断，但不会被线程抢先。线程是处理器调度的基本单位，调度系统总是运行优先级最高的就绪线程。Windows NT/2000 内部使用 32个线程优先级，即16 个实时优先级（ 1631）和 16 个可变优先级（ 015） 。属于可变优先级的线程允许操作系统依靠某些因素，如是否为前台任务，或当前是否被挂起等，以此动态调整它们的优先级，这就增加了线程执行的不确定性。而实时类型线程的优先级是固定的，这给开发者更多的控制权。2）Windows NT/200

81、0 的实时性能分析。 Windows NT/2000 系统是否满足实时操作系统的要求，可参照实时操作系统的5 项基本要求逐项考察。Windows NT/2000 是抢先式多任务操作系统，因此满足第一项要求。Windows NT/2000 有 32 个线程优先级，但只有 16 个实时优先级可用于实时应用。对于复杂的实时应用而言，可用优先级的数目相对较少，因此只能算基本满足第二项要求。Windows NT/2000 虽然提供了互斥体、信号量和事件等3 种同步对象和相应的系统调用，但不支持可预测的同步机制，因此不满足第三项要求。大多数实时操作系统采用优先级继承的办法来解决优先级倒置问题，而 Wind

82、ows NT/2000 采用的解决方案是：已经有一段时间不能运行的线程将得到一个随机的优先级提升，从而使它们能够运行。 这种情况是不可预测的， 因而解决方案不能用于实时系统。因此 Windows NT/2000 不符合第四项要求。实时系统通过外部设备与外部事件相联系，外部事件被转化成中断，并被设备驱动程序处理。在 Windows NT/2000 中，中断分两个阶段处理。首先，中断被一个很短的ISR 例程处理，完成保存硬件寄存器内容等工作。 随后，其余的大部分工作由DPC 完成。DPC 被 ISR 送入一个 FIFO 的队列，因此在 DPC 队列没有优先级的概念。 由于 DPC 执行之前要在先进

83、先出的DPC 队列中排队，所以无法确定DPC 在被执行之前需要等待多长时间，于是减少了系统的可预测性。因此Windows NT/2000 也不符合第五项要求。综上所述可以判定，标准Windows NT/2000 不适于实时应用。（4）Windows NT/2000 实时扩展技术在保持 Windows NT/2000 开放性强等优点的基础上提高它的实时处理能力， 最常用的办法就是使Windows NT/2000 和 RTOS共存于一个处理器中， 也就是为 Windows NT/2000 提供实时扩展。 目前已有许多厂商提供这类商用软件，如VenturCom公司的 RTX5.1、Radisys公司

84、的 Intime1.20 和 Imagination 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 24 页名师精编优秀教案System公司的 Hyperkernel14.3。下面仅以 RTX5.1 为例，简要介绍 Windows NT/2000 的实时扩展技术。 RTX5.1 是 Windows NT/2000 的子系统，它是Windows NT/2000 的实时扩展，为完成实时任务的线程，它提供了一个核心态执行环境。从前面的论述可知，Windows NT/2000 不能完成实时任务，其主要原因是它的线程优先级太少；调度决策相当含

85、糊，而且具有某种不确定性；它的中断活动不遵循线程优先级。另外，Windows NT/2000 的同步对象，如事件、信号量和互斥体等缺乏必要的实时语义（实际上，它们既不支持就绪线程按优先级顺序等待对象，也不阻止优先级倒置）。 RTX5.1 针对 Windows NT/2000 存在的上述问题，进行了有效的实时扩展。1）RTX5.1 结构。RTX5.1 由实时硬件抽象层（ Hardware Abstraction Layer, HAL）扩展、实时子系统（ Real-Time Subsystem, RTSS ）以及函数库组成，如图2-58 所示。图 2-58 RTX5.1 软件结构示意图a.实时 H

86、AL 扩展。HAL 是 Windows NT/2000 系统的一部分。 它的源代码可以得到，并能被修改和扩展。 RTX 已经修改了 HAL ，以达到下述 3 个目的。.在 NT 和 RTSS线程之间加入中断隔离。即RTX 线程运行时 Windows 的中断被屏蔽，但 Windows 不能屏蔽 RTX 管理的中断。.实现高速时钟和定时器。实时HAL 扩展提供 1us分辨率的时钟和100us的定时器。在不用 RTSS时，实时 HAL 和 Windows NT/2000HAL 在定时上没有区别。.实现 Windows 停机处理。保护 RTSS线程免受 Windows NT/2000 崩溃的影响。b.

87、实时子系统 RTSS。 RTSS在概念上和其他的 Windows NT/2000 子系统（如 Win32、POSIX 等）相似，也支持它自己的执行环境和API。 但 RTSS和其他的 Windows NT/2000子系统有一个很重要的不同，即RTSS执行自己的实时线程调度方法，不使用Windows NT/2000 调度程序。它的线程管理器采用抢先式调度，共有128 个优先级。一个RTSS线程在任何 Windows NT/2000 的线程之前运行，直到它被挂起或被更高优先级的RTSS线程抢先。 RTSS线程是完全抢先式的。c.函数库。函数库提供实时API(RTX API) 。通过 RTX API

88、 可以访问 RTSS子系统。RTX API 既可以在 RTSS环境中被调用，也可以在标准Win32 环境中被调用。在RTSS环境中使用 RTX API 可以保证实时性能，而在Win32 环境中使用 RTX API，则无法保证实时性能。2）RTX5.1 性能。 RTX5.1 具有 128 个线程优先级，且执行自己的完全抢先式线程调度程序；任何 RTX 中断的优先级都高于Windows NT/2000 中断，消除了因 Windows NT/2000 中断机制而产生的延迟。 另外为了解决优先级倒置的问题，RTX 采用了优先级提升的经典解决方法。 当一个较高优先级的线程等待一个较低优先级线程正在使用的

89、资源，则这个较低优先级线程的有效优先级被提升到那个较高优先级线程的水平。RTX5.1 通过采用上述措施实现了Windows NT/2000 实时扩展，经国外研究机构测试，在典型的 PC平台上，其最坏情况中断延迟时间为40100us。因此，采用 Windows NT/2000 实时扩展技术，既可以充分利用Windows NT/2000 带来的开放性的好处，又完全满足数控系统实时性的要求。（5）实时 Linux 近年来，随着 Linux 操作系统的迅猛发展，它的诸多优秀特性得到体现。 Linux 是一个仿 UNIX 系统，遵循 POSIX 标准，继承了 UNIX 优秀的设计思精选学习资料 - -

90、- - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 24 页名师精编优秀教案想，具有简练，容错性强、高效且稳定的内核和一切UNIX 的成熟特点。 Linux 支持广泛的硬件平台，能真正实现多任务、多用户环境。Linux 在执行效率、稳定性上并不逊色于 Windows NT，而且 Linux 是源代码开放的操作系统，又有实时补丁，因此在Linux上开发数控系统是一个非常好的选择，对于开发具有自主版权的数控系统也具有现实意义。1）Linux 简介。 Linux 是一个整体内核，它不同于Windows 的微内核。 Linux 的内核包含了理想操作系统所应具有的所有特

91、性，如多任务、虚拟内存、为提高通信速度而具备最快的 TCP/IP 驱动程序、共享库、多用户支持以及允许程序访问物理内存和保护系统稳定性的保护模式。 Linux 的整体式内核结构提高了系统的效率，而且它的源代码开放的特性和免费使用，使得它获得迅猛发展，其稳定性也是相当出色的。2)RT-Linux。与 Windows 一样， Linux 本身也不是一个实时操作系统，它不能用于需要强实时的工业控制领域。但是，Linux 是自由软件，它的源代码是开放的，这使得Linux 的内核可被改造成为一个实时操作系统，并保留Linux 本身的大部分功能。到目前为止，全球在 Linux 平台下开发的通用实时操作系统

92、最常用的主要有两种：一种是由美国新墨西哥理工学院开发的Linux 实时内核，即RT-Linux;另一种是由意大利米兰DLAPM 在 RT-Linux 的基础上开发的基于Linux 平台的实时应用接口，即RTAPI。RT-Linux 是基于 Linux 操作系统并可运行于多种硬件平台的多任务实时操作系统，它保留了常规 Linux 内核，又重新设计了一个新的实时内核。RT-Linux 用最小的代价提供了强实时性，避免了对Linux 的大规模结构改造，并保留了Linux 操作系统提供的功能，如中文图形界面（ X-Windows） 、TCP/IP 网络、丰富的编程资源等功能。RT-Linux的新实时内

93、核和常规Linux 内核使用相同的文件系统和存储管理机制。RT-Linux 的新实时内核采用虚拟中断方案，将系统中断划分为两组：一组由常规Linux 内核控制，另一组则有实时内核控制，同时设置8259 芯片相应中断级的屏蔽位，使中断请求首先重定向到实时内核中并加以过滤。如果该中断是实时内核中断，则由实时中断处理例程继续执行；如果是常规Linux 内核中断，则设置标志位等待处理，仅当没有实时中断处理被执行时才转向常规Linux 中断处理例程。通过这种方法，使实时内核可以随时中断常规Linux 操作系统以执行关键的实时任务。此时常规Linux 内核作为实时内核的一个最低优先级任务予以管理，当有任何

94、更高优先级的实时任务请求处理时，就剥夺常规 Linux 操作系统的运行权而转入相应的实时任务处理程序。其操作系统结构如图 2-59 所示。图 2-59 RT-Linux 的操作系统结构对于普通 X86 的硬件结构， RT-Linux 拥有出色的实时性和稳定性。 无论系统负载如何，其最大延迟时间不超过15us，最大任务切换时间误差小于35us。在设计和开发数控系统时，实时任务（如插补和位置控制）作为可加载的实时核心模块，工作在操作系统的核心态，通过调用实时核心提供的服务得到所需要的实时性能。另外，实时任务模块为保证实时性要求，不使用虚拟内存机制，与非实时任务可以通过实时FIFO（管道）和共享内存

95、进行通信。由于 RT-Linux 具有常规 Linux 的基本功能，如中文图形界面（X-Windows）和丰富的编程资源等， 为快速开发基于 PC 的数控系统提供可便利； 而且 RT-Linux 所具有的实精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 24 页名师精编优秀教案时性，满足了数控系统的实时性要求。故选择RT-Linux 作为开放式数控系统的软件开发平台是一种可行的方案。3.全软件型结构的数控系统与伺服驱动器的接口在开放式数控系统的发展过程中，运动控制器与伺服驱动器的接口作为其重要环节经历了一系列的变化。由早期的模拟接口过

96、渡为专用数字接口，直至标准的工业数字总线，这也是开放式数控得以实现的另一重要因素。目前比较有影响的运动总线有SERCOS、MACRO 和基于 Fire wire 的总线（ Fire wire 仅是通信协议中一个物理层的定义） 。目前后两种总线尚未成为国际标准，各厂家的产品存在难以互换或互操作的问题。因此以下仅介绍 SERCOS总线的发展历程、主要功能特点和技术性能。（1）SERCOS接口发展历程SERCOS(Serial Real-Time Communication System)接口是数字控制器间的串行实时通信总线的英文缩写，1989 年诞生于欧洲。 第一个应用SERCOS 接口的领域是作

97、为工业自动化系统的高速传输线，因而曾使人认为SERCOS接口仅适用于作传输线。 当 SERCOS走进机床市场，并在包装业和材料处理业中应用后，证实了这种观点的错误。由于SERCOS具有分布式控制能力，使基于工业PC 的数控系统可以控制大量的轴，并开始与电子直线轴、电子凸轮、电子齿轮等技术相结合，向机器制造者提供高水准的动态性能和同步精度，使印刷业、食品和包装业、纸张和材料处理业等出现了制造装备的革命性变革。 由于 SERCOS接口在各种自动化应用中取得了明显的效果，证实了该接口具有巨大潜力，1995 年国际电气技术委员会把它采纳为标准IEC61491,使其成为当今唯一的用于运动控制的开放式接口

98、国际标准。目前全世界已经有 70 多家公司提供具有SERCOS接口的产品，其中包括数字伺服驱动器、数控系统、SERCOS 接口输入 /输出模块等，许多供应商还提供硬件和软件接口模块技术、咨询和产品设计服务等。（2）SERCOS接口的位置命令操作模式位置命令操作模式是SERCOS接口最精彩或最成功之处。它不但把运动轴的位置控制环从数控系统移入伺服驱动器中，即原来有数控系统完成的运动轴位置控制功能改由伺服驱动器完成，而且通过其他控制功能的分析，把针对运动轴的各种特定功能全部放进了支持SERCOS 接口技术的伺服驱动器内，其中包括以下功能。1）检测。数控机床的许多操作都涉及运动轴位置信息采集，如刀具

99、和工件的测量等。这些检测信息的采集任务原来都是由数控系统来完成的，检测装置在接到数控系统的命令后，立即检测运动轴的位置，并将检测结果传送给数控系统。配备带SERCOS接口的伺服驱动器后，检测信号只须发送到伺服驱动器，而不必直接发送给数控系统。伺服驱动器可以将运动轴的当前位置信息存储起来，通过 SERCOS接口向数控系统发出信号，如果需要，数控系统将使用 SERCOS服务通道请求和接收伺服驱动器捕捉到的位置信息。2）返回机床零点。采用 SERCOS接口技术的伺服驱动器具有一个回零点例程，是数控系统不再承担此项任务。3）进给前馈。在传统的位置控制中，进给前馈是补偿位置延时或跟随误差的一种算法。对于

100、高速多轴联动的数控机床是必需的。鉴于进给前馈属于运动轴控制功能，SERCOS接口将其添加到 SERCOS伺服驱动器的位置环控制中。4）反向误差补偿。反向误差补偿是为克服运动反向时由滚珠丝杆或齿轮间隙造成丢失运动量的运动误差补偿方法。由于它也属于运动轴控制方面的功能，SERCOS接口也将添加到 SERCOS伺服驱动器的位置环控制中。5）导程误差补偿。导程误差补偿用编程位置与实际位置关系表来补偿机械传动链中的误差， SERCOS接口将其纳入 SERCOS伺服驱动器来处理。6）数字存储示波器。现代数字伺服驱动器具有存储能力，用来存储位置、速度或力矩等数据采集表， 然后通过 SERCOS服务通道把这些

101、数据传送到数控系统并通过人-机界面显示。7）快速移动到确定停止位置。这是在高效生产中普遍需要的运动特性，可控精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 24 页名师精编优秀教案制运动轴从运动状态进入暂停状态。SERCOS 接口将此控制功能也添加到SERCOS 伺服驱动器中。通过 SERCOS接口， 可以把以上众多原来由数控系统完成的运动轴实时控制任务交给 SERCOS伺服驱动器来完成。 从而大大减轻数控系统的负担， 使其能更快速地执行任务，控制更多的轴，运动更为复杂、功能更为强大的后台软件，使全软件数控系统具有更强大的功能。 因为

102、 SERCOS伺服驱动器可以承担上述多项运动轴控制功能，所以人们将 SERCOS 伺服驱动器称为智能伺服驱动器。实际应用证明采用SERCOS 接口技术的数控机床可以实现高速、高精度加工。如建立在SERCOS产品基础上的 XL0 高速加工系统，在直径为 68 的圆周上进行xy平面圆弧插补， 加工速度可达 20min/m，零件制造精度达到 4um。（3）SERCOS 总线及应用SERCOS 是用于运动控制器（数控系统）与伺服驱动器（伺服系统）之间的高速串行总线接口和数字交换协议。已经在1995 年被确认为IEC61491国际标准。它不仅能够实现工业计算机与数字伺服系统之间的实时数据通信，而且还对

103、I/O 功能做出了相应规定，可以同时完成PC 与 I/O 设备之间离散数字信号的实时通信。 SERCOS 总线的实施由SERCOS 主站、光纤、 SERCOS 从站共同构成环形网络，每个 SERCOS光纤环内有一个主站，可连接254 个从站（伺服系统或I/O 模块） ，支持位置、速度、力矩三种伺服控制模式， 传输速率达 4sMbit /、8sMbit /、16sMbit /，伺服周期可设定为0.062ms、0.125ms、0.25ms、0.5ms、1ms、 65ms。最初，在PC+运动控制卡的开放式数控系统中，一些具有 SERCOS接口的运动控制卡实际上就集成了 SERCOS 主站功能，也已经

104、有厂商提供独立完成SERCOS 主站功能的产品。SERCOS 通信协议的处理是由主、从站的ASIC（专用集成电路）芯片完成的，此时运动控制与伺服系统之间依靠ASIC 芯片上的双端口RAM 进行数据交换。随着技术的进步，完全符合 SERCOS标准的 SoftSERCOS出现了。 SoftSERCOS实际上是安装在主站卡上的软件，作用就像PC 上的打印机驱动程序，可以在网上免费获得。它以动态连接库的形式为运动控制器和伺服系统提供了API，作为它们之间进行数据交换的接口。SoftSERCOS的出现不仅使原来完成SERCOS的硬件得到简化，降低了实现成本，而且使原来较为复杂的接口初始化过程相对容易。该

105、类通信卡的生产厂家有Rexroth Indramst、Sciworx、AUTOMATA 等。世界著名的驱动器制造厂商几乎都先后推出了与传统模拟接口伺服驱动器相对应的 SERCOS 接口伺服驱动器等产品。 2001 年 3 月，第一百万颗ASIC 芯片投入使用，被安装在欧洲 R.A Jone制造公司包装机所用数字驱动器内，标志着SERCOS标准应用的广泛性与巨大的成功。在全软件型结构的开放式数控系统中，采用 SoftSERCOS作为 SoftCNC 与伺服驱动器之间的接口是很好的设计方案，一方面由于SERCOS 已经成为国际标准，通过SoftSERCOS实现 SERCOS标准将成为今后的发展趋势

106、， 支持这个标准的厂商会越来越多；另一方面由于SERCOS同时可以完成 PLC 和 I/O 系统之间的通信，是整个系统的结构更为简单。总之， SERCOS之类的现场总线的迅速发展和标准化，为整个数控系统的开放性奠定了坚实的基础，也成为全软件型结构的开放式数控技术发展的重要推动力。4全软件型结构的开放式数控系统参考模型（1）系统构成基于前面的分析与讨论，可以给出全软件型结构的开放式数控系统的参考模型。其总体框架如图2-60所示，主要由以下几部分构成。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 24 页名师精编优秀教案图 2-60 软

107、件型开放式数控系统的参考模型1）系统硬件平台。 采用 PC 和 SoftSERCOS通信卡即可构成全软件型结构的开放式数控系统的硬件平台，根据系统控制轴数和控制方式等要求，选配若干符合SERCOS标准的伺服驱动器和I/O 模块，就具有了功能强大、性能优越的运动控制功能。在数控系统的实时任务（前台软件）中，实时性最强的任务应属位置控制。采用符合SERCOS接口技术标准的伺服驱动器之后，可以把位置控制任务交给伺服驱动器完成。可以极大地减轻实时操作系统负荷，相对降低对操作系统实时性的要求。2）系统软件平台。此参考模型采用WingdowsNT 和美国 Venturcom 公司的 RTX（Real-Ti

108、me Extension）作为系统的软件平台。当然也可以采用RT-Linux 作为系统的软件平台，原则上，任何实时操作系统都能满足数控系统实时控制的要求，选择系统软件平台主要应从开放性方面考虑，选择一个主流的实时操作系统是明智的。3）SoftCNC 和 SoftPLC。图 5-10 所示的全软件型结构的开放式数控系统的基本功能是由 SoftCNC和 SoftPLC两部分实现的，它们相当于运行在系统平台之上的应用软件。这两部分都可由若干软件模块构成，各模块依据数控系统的功能分解，得到基本单元而划分。可以采用 Visual C开发这些软件模块，构成模块库，由用户通过相应的配置文件来实现对不同功能数

109、控系统的定制。全软件型结构的开放式数控系统的数控程序的输入与编辑、系统信息设定、加工信息的译码和显示等任务并不要求很强的实时性，使用Windows 定时器就可满足要求， 可以利用 COM 技术将这些任务编制成为在Windows 环境下运行的 COM 组件。实时任务主要是速度处理、 插补运算、SoftPLC 等，必须在 RTX环境下完成， 才能保证其实时性要求。 由于 RTX 并不支持 COM 技术，系统另外又提供了与 Win32DLL 功能类似的 RTDLL ，它可以在 RTX 环境下动态加载或卸载。数控系统运行时，根据配置文件的信息把相应的实时任务以RTDLL 的形式动态加载到RTX 环境下

110、，使之成为 RTX 管理和调度下的具有不同优先级的实时线程，而且由RTX 提供的高精度定时器定时触发。由于所有RTX 管理的线程的优先级均高于Windows 管理下的线程，而且在 RTX 环境下，进程最差响应时间为50us，因此数控系统的实时任务能够被准时启动执行。4）SERCOS与伺服系统。目前很多数字伺服驱动器都支持SERCOS接口，选择支持 SERCOS接口的数字伺服系统驱动器可以完成位置、速度、力矩等控制。 SoftCNC 与伺服系统之间、SoftPLC 与 I/O 模块之间的数据通信都是依靠一块SoftSERCANS 通信卡来实现的。通过这块通信卡，数控系统将伺服参数和电动机参数设定

111、值。命令值等传送给数字伺服驱动器，数字伺服驱动器则将实际位置值、诊断报警信号、PLC 输入/输出口状态等信息实时传送给数控系统。（2）系统特点图 2-60 所示的参考模型，由于采用Windows+RTX 作为系统的软件平台，不仅可以运行 Windows 下原有的开发工具和应用程序， 同时又满足了数控系统的实时性要求。 CNC 和 PLC 部分均有软件实现， 可采用 COM 和 RTDLL 技术开发出具有标准接口的软件模块，从而保证了开放式数控系统所要求的互操作性、可移植性、可伸缩性和可互换性。当然，全软件型结构的开放式数控系统现在还处于发展阶段，不少人对其实时性与精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 24 页名师精编优秀教案稳定性还存在顾虑。 全软件型结构的开放式数控系统是开放式数控系统最重要的发展方向这一点已确定无疑。随着计算机软、硬件技术的发展，它将会越来越成熟，其发展潜力不可限量。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 24 页