【正文】 括直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)及樣條插補(bǔ)等。當(dāng)相鄰兩次讀得的差值大于某個(gè)數(shù)時(shí)，它便啟動(dòng)上電PLC，對(duì)整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)上電；當(dāng)相鄰兩次讀得的差值小于某個(gè)數(shù)時(shí)，它便啟動(dòng)下電PLC,關(guān)閉整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)管理軟件一般采用Windows平臺(tái)的VC 、VB或Delphi等開發(fā)工具開發(fā)完成，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、文件管理、故障診斷與狀態(tài)顯示、加工運(yùn)行、人機(jī)界面及雙CPU通信等功能。主窗口應(yīng)該包含系統(tǒng)控制所需的所有控制按鈕和設(shè)定選擇欄，以觸發(fā)系統(tǒng)各子功能的功能菜單按鈕等各種控件。雙CPU通信模塊主要實(shí)現(xiàn)從上位機(jī)向PMAC下載加工程序、PLC程序、運(yùn)動(dòng)程序的功能，以及上位機(jī)對(duì)PMAC在線指令的傳輸及PMAC對(duì)上位機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)反饋等通信功能。本節(jié)僅就實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)選擇、SERCOS標(biāo)準(zhǔn)接口以及全軟件型結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)參考模型作必要的介紹。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）是以滿足其進(jìn)程時(shí)限要求為設(shè)計(jì)原則的操作系統(tǒng)，如果進(jìn)程時(shí)限沒(méi)有得到滿足，即使程序執(zhí)行的邏輯結(jié)果正確，也認(rèn)為產(chǎn)生了系統(tǒng)失效。每當(dāng)操作系統(tǒng)創(chuàng)建了一個(gè)新的進(jìn)程，它就至少創(chuàng)建了一個(gè)線程。從滿足開放性角度考慮，自然應(yīng)當(dāng)考慮通用PC上常用的Windows、UNIX、Linux等操作系統(tǒng)，但這類操作系統(tǒng)都是面向公共事務(wù)的非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它們都不滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。1）必須是多線程和可搶先的，2）操作系統(tǒng)必須有線程優(yōu)先級(jí)的概念，能夠得到足夠多的優(yōu)先級(jí)別（視實(shí)時(shí)任務(wù)的復(fù)雜程度而定）。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，如果CPU的中斷請(qǐng)求級(jí)別（IRQL）低于中斷源的IRQL,則正在執(zhí)行的ISR、DPC或線程將被中斷。③線程是處理器調(diào)度的基本單位，調(diào)度系統(tǒng)總是運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的就緒線程。對(duì)于復(fù)雜的實(shí)時(shí)應(yīng)用而言，可用優(yōu)先級(jí)的數(shù)目相對(duì)較少，因此只能算基本滿足第二項(xiàng)要求。隨后，其余的大部分工作由DPC完成。 NT/2000的子系統(tǒng)，它是Windows NT/2000的實(shí)時(shí)擴(kuò)展，為完成實(shí)時(shí)任務(wù)的線程，它提供了一個(gè)核心態(tài)執(zhí)行環(huán)境。它的源代碼可以得到，并能被修改和擴(kuò)展。保護(hù)RTSS線程免受Windows NT/2000崩潰的影響。函數(shù)庫(kù)提供實(shí)時(shí)API(RTX API)。 NT/2000實(shí)時(shí)擴(kuò)展，經(jīng)國(guó)外研究機(jī)構(gòu)測(cè)試，在典型的PC平臺(tái)上，其最壞情況中斷延遲時(shí)間為40~100。Linux的內(nèi)核包含了理想操作系統(tǒng)所應(yīng)具有的所有特性，如多任務(wù)、虛擬內(nèi)存、為提高通信速度而具備最快的TCP/IP驅(qū)動(dòng)程序、共享庫(kù)、多用戶支持以及允許程序訪問(wèn)物理內(nèi)存和保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性的保護(hù)模式。RTLinux用最小的代價(jià)提供了強(qiáng)實(shí)時(shí)性，避免了對(duì)Linux的大規(guī)模結(jié)構(gòu)改造，并保留了Linux操作系統(tǒng)提供的功能，如中文圖形界面（XWindows）、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、豐富的編程資源等功能。無(wú)論系統(tǒng)負(fù)載如何，其最大延遲時(shí)間不超過(guò)15，最大任務(wù)切換時(shí)間誤差小于35。目前后兩種總線尚未成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，各廠家的產(chǎn)品存在難以互換或互操作的問(wèn)題。（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處。 采用SERCOS接口技術(shù)的伺服驅(qū)動(dòng)器具有一個(gè)回零點(diǎn)例程，是數(shù)控系統(tǒng)不再承擔(dān)此項(xiàng)任務(wù)。5）導(dǎo)程誤差補(bǔ)償。從而大大減輕數(shù)控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，使其能更快速地執(zhí)行任務(wù)，控制更多的軸，運(yùn)動(dòng)更為復(fù)雜、功能更為強(qiáng)大的后臺(tái)軟件，使全軟件數(shù)控系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的功能。最初，在PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)中，一些具有SERCOS接口的運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)際上就集成了SERCOS主站功能，也已經(jīng)有廠商提供獨(dú)立完成SERCOS主站功能的產(chǎn)品。2001年3月，第一百萬(wàn)顆ASIC芯片投入使用， Jone制造公司包裝機(jī)所用數(shù)字驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，標(biāo)志著SERCOS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的廣泛性與巨大的成功。該類通信卡的生產(chǎn)廠家有Rexroth Indramst、Sciworx、AUTOMATA等。它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)計(jì)算機(jī)與數(shù)字伺服系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，而且還對(duì)I/O功能做出了相應(yīng)規(guī)定，可以同時(shí)完成PC與I/O設(shè)備之間離散數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)通信。SERCOS接口將此控制功能也添加到SERCOS伺服驅(qū)動(dòng)器中。 反向誤差補(bǔ)償是為克服運(yùn)動(dòng)反向時(shí)由滾珠絲桿或齒輪間隙造成丟失運(yùn)動(dòng)量的運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償方法。伺服驅(qū)動(dòng)器可以將運(yùn)動(dòng)軸的當(dāng)前位置信息存儲(chǔ)起來(lái)，通過(guò)SERCOS接口向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，如果需要，數(shù)控系統(tǒng)將使用SERCOS服務(wù)通道請(qǐng)求和接收伺服驅(qū)動(dòng)器捕捉到的位置信息。由于SERCOS接口在各種自動(dòng)化應(yīng)用中取得了明顯的效果，證實(shí)了該接口具有巨大潛力，1995年國(guó)際電氣技術(shù)委員會(huì)把它采納為標(biāo)準(zhǔn)IEC61491,使其成為當(dāng)今唯一的用于運(yùn)動(dòng)控制的開放式接口國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。由早期的模擬接口過(guò)渡為專用數(shù)字接口，直至標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)數(shù)字總線，這也是開放式數(shù)控得以實(shí)現(xiàn)的另一重要因素。其操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖259所示。另一種是由意大利米蘭DLAPM在RTLinux的基礎(chǔ)上開發(fā)的基于Linux平臺(tái)的實(shí)時(shí)應(yīng)用接口，即RTAPI。1）Linux簡(jiǎn)介。另外為了解決優(yōu)先級(jí)倒置的問(wèn)題，RTX采用了優(yōu)先級(jí)提升的經(jīng)典解決方法。RTSS線程是完全搶先式的。在不用RTSS時(shí)，實(shí)時(shí)HAL和Windows NT/2000HAL在定時(shí)上沒(méi)有區(qū)別。圖258 。目前已有許多廠商提供這類商用軟件，、 。在Windows NT/2000中，中斷分兩個(gè)階段處理。①Windows NT/2000是搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)，因此滿足第一項(xiàng)要求。DPC總是在將控制權(quán)交還回線程前被處理。Windows NT/2000內(nèi)核定義了3種可運(yùn)行實(shí)體，按照遞減調(diào)度優(yōu)先級(jí)順序描述的調(diào)度方法如圖257所示。4）Windows有大量可用的第三方設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，在PC環(huán)境下擴(kuò)充各種硬件十分方便。目前，可在PC上運(yùn)行的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)種類很多，主要有Wind River System的VxWorks系統(tǒng)、QNX software Systems的QNX系統(tǒng)、CMX System的CMX系統(tǒng)。（3）線程 線程是處理器調(diào)度的基本單位，進(jìn)程有一個(gè)或多個(gè)線程組成。常見(jiàn)的Windows、UNIX、Linux等都屬于分時(shí)操作系統(tǒng)，它們的基本設(shè)計(jì)原則是盡量縮短系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間并提高系統(tǒng)的吞吐率，即在單位時(shí)間內(nèi)為盡可能多的任務(wù)請(qǐng)求提供服務(wù)。這些數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品均以運(yùn)行在PC上的數(shù)控軟件替代了運(yùn)動(dòng)控制器和PLC控制器的功能。同時(shí)在自動(dòng)加工過(guò)程中還可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前坐標(biāo)點(diǎn)的位置、當(dāng)前所起作用的模態(tài)指令及跟隨誤差等加工狀態(tài)。應(yīng)該說(shuō)人機(jī)界面模塊的軟件設(shè)計(jì)非常重要。（2）系統(tǒng)管理軟件 系統(tǒng)管理軟件的所有功能都要由用戶自己來(lái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?？撮T狗PLC對(duì)PMAC運(yùn)動(dòng)控制器本身及數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)位進(jìn)行故障檢測(cè)，在系統(tǒng)上電和加工過(guò)程中分別進(jìn)行如下處理。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)（參考結(jié)構(gòu)）如圖254所示。光電隔離能有效地將計(jì)算機(jī)數(shù)字量通道與外部模擬量通道隔離開來(lái)，大大地減輕了外部因素的干擾。2．基于運(yùn)動(dòng)控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理數(shù)控系統(tǒng)采用“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)的開放式結(jié)構(gòu)，在工業(yè)控制機(jī)（IPC）平臺(tái)基礎(chǔ)上，以PMAC運(yùn)動(dòng)控制器作為系統(tǒng)的核心處理器，工控機(jī)上的CPU與PMAC的CPU（DPS560001/DPS560002）構(gòu)成主、從式雙微處理器機(jī)構(gòu)。1．PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器可編程序多軸控制器（Programmable MultiAxis controller, PMAC）是美國(guó)Delta Tau 公司1990年推出的基于工業(yè)PC和Windows操作系統(tǒng)的多軸、多通道開放式運(yùn)動(dòng)控制器，也是目前世界上功能最強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制器之一。如美國(guó)Data Tau公司用PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)造的PMAC—NC數(shù)控系統(tǒng)，日本MAZAK公司用三菱電機(jī)的MELDASMAGIC64構(gòu)造的MAZATROL 640 數(shù)控系統(tǒng)等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，硬件的標(biāo)準(zhǔn)化和成本的不斷降低，這種開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很可能只是一個(gè)過(guò)渡。Data Tau公司的開放式解決方案，可以保證數(shù)控系統(tǒng)的集成商不斷吸收世界上各種新技術(shù)，與時(shí)俱進(jìn)地開發(fā)先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)。 主要包括如下內(nèi)容。由于PC插卡式結(jié)構(gòu)，為構(gòu)造開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)搭建了理想的平臺(tái)，因此，人們很快將目光轉(zhuǎn)向PC擴(kuò)展設(shè)計(jì)方面，即以工業(yè)PC硬件體系結(jié)構(gòu)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，擴(kuò)展相應(yīng)的板卡和數(shù)控應(yīng)用軟件，構(gòu)成基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)。美國(guó)的NGC計(jì)劃、OMAC計(jì)劃及歐共體的OSACA計(jì)劃，都采用了全新設(shè)計(jì)的方案。 （3）網(wǎng)絡(luò)集成便捷 開放式數(shù)控系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)總線和通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，作為網(wǎng)絡(luò)加工中的加工設(shè)備和通信站點(diǎn)，便于制造網(wǎng)絡(luò)集成。因此，現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)的進(jìn)步和發(fā)展也提出了制造設(shè)備開放性的要求。但由于技術(shù)保密和降低成本等原因，各數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商通常自己設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)，不同廠商設(shè)計(jì)制造的封閉式數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件模塊、編程語(yǔ)言、人機(jī)界面都不相同，世界各大數(shù)控廠商在數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信接口和通信協(xié)議等方面實(shí)施技術(shù)壟斷、市場(chǎng)壟斷、甚至技術(shù)服務(wù)壟斷，數(shù)控系統(tǒng)用戶無(wú)法對(duì)購(gòu)買的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展、系統(tǒng)維護(hù)以及升級(jí)換代，數(shù)控系統(tǒng)的維護(hù)、維修以及人員培訓(xùn)等全部依賴于世界各大制造廠商。在定位誤差為正處，進(jìn)行減脈沖補(bǔ)償，而在定位脈沖為負(fù)處進(jìn)行加脈沖補(bǔ)償。 對(duì)于系統(tǒng)性誤差則比較容易采取措施減小或消除。這樣的補(bǔ)償處理方法，對(duì)于點(diǎn)位和輪廓控制都適用。圓整誤差的大小決定于脈沖當(dāng)量。綜上所述，微機(jī)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制，也就是控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)和步進(jìn)脈沖的間隔，而其間隔又可轉(zhuǎn)化為某基準(zhǔn)延時(shí)子程序的循環(huán)次數(shù)。原因是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)頻率比較低，限制了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高啟動(dòng)頻率。單片機(jī)凹的低三位為輸出位，分別控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī) U 、 V 、 W 三相繞組通斷。此時(shí)，系統(tǒng)便停止工作，并給出報(bào)警信號(hào)和出錯(cuò)內(nèi)容。由于定時(shí)/計(jì)數(shù)器的定時(shí)功能診斷不需外部條件，而計(jì)數(shù)功能的診斷需從外部引入脈沖源，所以，一般診斷程序只診斷其定時(shí)功能。G功能種類很多 , 處理較復(fù)雜。每讀完一個(gè)程序段，必須把當(dāng)前指針壓人堆棧，以備下段程序讀入時(shí)使用。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控一般采用兩種鍵盤處理方式 , 一種是鍵盤掃描中斷方式，其程序框圖如圖 246所示； 一種是采用專用可編程鍵盤顯示芯片 8279 管理方式，其程序框圖如圖 247 所示。 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)軟件主要包括監(jiān)控與操作軟件、插補(bǔ)計(jì)算軟件、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制軟件、誤差補(bǔ)償軟件等。由圖 244 可知，系統(tǒng)中的 RAM 與 EPROM 及編程 I/O 擴(kuò)展芯片的數(shù)據(jù)線和低 8 位地址線在 8031 地址鎖存信號(hào)輸出端 ALE 及地址鎖存器控制下，公用一組 8031 的 8 位總線 (PO口)，而高 8 位地址及片選信號(hào)，則由 8031 的另一組 8 位總線（P2 口）結(jié)合譯碼器提供。PC 口可編程為輸入或輸出或作為 PA 口和 PB 口的控制信號(hào)線。8255 是一種常用的 8 位并行輸入/輸出接口芯片，使用方便靈活，通用性強(qiáng)。 單片機(jī)常用系統(tǒng)擴(kuò)展芯片（1) 程序存儲(chǔ)器 (ROM)主要是紫外線擦抹的可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM。其中以 Inte1 公司的 MCS 系列單片機(jī)最為著名，目前已推出 MCS4MCS5MCS96 三個(gè)系列。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)功能適當(dāng)，價(jià)格低廉，特別適合中小企業(yè)對(duì)原有機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化、自動(dòng)化技術(shù)改造，以提高生產(chǎn)效率。其 它教具CAI，黑板推薦參考書:國(guó)防工業(yè)出版社,2009: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2003教學(xué)后記二、講稿第二節(jié) 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)第五節(jié) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成一、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)概述經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，是相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)而言。在我國(guó)，把由單片機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成的數(shù)控系統(tǒng)和其它功能簡(jiǎn)單、價(jià)格低的系統(tǒng)稱為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。 構(gòu)成經(jīng)濟(jì)型 CNC 的基本硬件由 MPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出 (I/O )接口電路組成。1. MCS51 系列單片機(jī)的基本特性MCS51 系列包含三個(gè)產(chǎn)品：803 8058751。目前常用的靜態(tài) RAM 是 6116(2KB 8 )和6264(8KB 8) 和 62256(32KB 8) 等； 2）動(dòng)態(tài) RAM 功耗小、成本低，但需刷新。通道 C 具有按位置位/復(fù)位功能。（4） 其它功能芯片 MCS51 還可使用下列具有各種專用功能的外圍芯片：可編程中斷控制器 825可編程鍵盤/顯示控制器 827可編程通用定時(shí)器 825可編程通信控制器 8251 等?？删幊痰?I/O 擴(kuò)展芯片在監(jiān)控程序控制下掃描鍵盤（或鍵盤 /LED 數(shù)碼顯示控制板），并輸出組合邏輯信號(hào)，以控制主軸電動(dòng)機(jī)的速度轉(zhuǎn)換。1．系統(tǒng)的初始化開機(jī)或人工復(fù)位后，數(shù)控系統(tǒng)要進(jìn)行必要的初始化處理。輸入程序的任務(wù)是將輸入的源程序順序讀入并根據(jù)字地址把有關(guān)的數(shù)據(jù)送至指定的存儲(chǔ)單元，同時(shí)將坐標(biāo)值 BCD 碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)碼（即十翻二處理）。它與鍵盤輸入通常成為一體，既可用來(lái)從鍵盤輸入新的零件加工程序，也可用來(lái)對(duì)已輸入的零件加工程序進(jìn)行編輯和修改。 G功能分析程序框圖如圖 250所示。其基本方法是：先打開中斷，并在中斷子程序中進(jìn)行一段操作通知診斷程序，則可根據(jù)此操作是否發(fā)生來(lái)判斷中斷是否發(fā)生；再關(guān)閉該中斷源， 看中斷是否還能發(fā)生。(5) 鍵盤診斷 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)多數(shù)采用鍵盤方式輸人零件加工程序或控制指令，若有一鍵失靈，將導(dǎo)致操作者元法對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制或進(jìn)行程序輸入。假如要求時(shí)間間隔為 lms控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相三拍正轉(zhuǎn)的程序框圖。微機(jī)實(shí)現(xiàn)升降頻控制，可采用均勻地改變步進(jìn)脈沖間隔的方法，進(jìn)行升降速控制。 1. 編程誤差 編程誤差由三部分組成：（1）逼近誤差逼近誤差是用近似計(jì)算法逼近零件輪廓時(shí)產(chǎn)生的誤差（又稱一次逼近誤差），它出現(xiàn)在用直線或圓弧去逼近零件輪廓的情況。為減小編程誤差，可以通過(guò)減小插補(bǔ)間隙或增加機(jī)床分辨率來(lái)達(dá)到，一般不需要專門的軟件補(bǔ)償。（2）機(jī)械傳動(dòng)部分的誤差1) 齒輪副或同步帶傳動(dòng)副的傳動(dòng)誤差及傳動(dòng)間隙；2) 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)誤差及傳動(dòng)間隙；3）導(dǎo)軌副的誤差；4) 機(jī)械傳動(dòng)部件的受力變形；5) 機(jī)械進(jìn)給部件的熱變形。如由于軸的安裝偏心、齒輪的制造和安裝產(chǎn)生的齒輪傳動(dòng)