【正文】 在全軟件型結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)中，采用SoftSERCOS作為SoftCNC與伺服驅(qū)動(dòng)器之間的接口是很好的設(shè)計(jì)方案，一方面由于SERCOS已經(jīng)成為國際標(biāo)準(zhǔn)，通過SoftSERCOS實(shí)現(xiàn)SERCOS標(biāo)準(zhǔn)將成為今后的發(fā)展趨勢，支持這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的廠商會(huì)越來越多；另一方面由于SERCOS同時(shí)可以完成PLC和I/O系統(tǒng)之間的通信，是整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為簡單。SoftSERCOS的出現(xiàn)不僅使原來完成SERCOS的硬件得到簡化，降低了實(shí)現(xiàn)成本，而且使原來較為復(fù)雜的接口初始化過程相對容易。SERCOS通信協(xié)議的處理是由主、從站的ASIC（專用集成電路）芯片完成的，此時(shí)運(yùn)動(dòng)控制與伺服系統(tǒng)之間依靠ASIC芯片上的雙端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。已經(jīng)在1995年被確認(rèn)為IEC61491國際標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)镾ERCOS伺服驅(qū)動(dòng)器可以承擔(dān)上述多項(xiàng)運(yùn)動(dòng)軸控制功能，所以人們將SERCOS伺服驅(qū)動(dòng)器稱為智能伺服驅(qū)動(dòng)器。 這是在高效生產(chǎn)中普遍需要的運(yùn)動(dòng)特性，可控制運(yùn)動(dòng)軸從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入暫停狀態(tài)。 導(dǎo)程誤差補(bǔ)償用編程位置與實(shí)際位置關(guān)系表來補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)鏈中的誤差，SERCOS接口將其納入SERCOS伺服驅(qū)動(dòng)器來處理。4）反向誤差補(bǔ)償。3）進(jìn)給前饋。配備帶SERCOS接口的伺服驅(qū)動(dòng)器后，檢測信號(hào)只須發(fā)送到伺服驅(qū)動(dòng)器，而不必直接發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)。它不但把運(yùn)動(dòng)軸的位置控制環(huán)從數(shù)控系統(tǒng)移入伺服驅(qū)動(dòng)器中，即原來有數(shù)控系統(tǒng)完成的運(yùn)動(dòng)軸位置控制功能改由伺服驅(qū)動(dòng)器完成，而且通過其他控制功能的分析，把針對運(yùn)動(dòng)軸的各種特定功能全部放進(jìn)了支持SERCOS 接口技術(shù)的伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，其中包括以下功能。由于SERCOS具有分布式控制能力，使基于工業(yè)PC的數(shù)控系統(tǒng)可以控制大量的軸，并開始與電子直線軸、電子凸輪、電子齒輪等技術(shù)相結(jié)合，向機(jī)器制造者提供高水準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)性能和同步精度，使印刷業(yè)、食品和包裝業(yè)、紙張和材料處理業(yè)等出現(xiàn)了制造裝備的革命性變革。因此以下僅介紹SERCOS總線的發(fā)展歷程、主要功能特點(diǎn)和技術(shù)性能。在開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展過程中，運(yùn)動(dòng)控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器的接口作為其重要環(huán)節(jié)經(jīng)歷了一系列的變化。在設(shè)計(jì)和開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，實(shí)時(shí)任務(wù)（如插補(bǔ)和位置控制）作為可加載的實(shí)時(shí)核心模塊，工作在操作系統(tǒng)的核心態(tài)，通過調(diào)用實(shí)時(shí)核心提供的服務(wù)得到所需要的實(shí)時(shí)性能。此時(shí)常規(guī)Linux內(nèi)核作為實(shí)時(shí)內(nèi)核的一個(gè)最低優(yōu)先級(jí)任務(wù)予以管理，當(dāng)有任何更高優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)任務(wù)請求處理時(shí)，就剝奪常規(guī)Linux操作系統(tǒng)的運(yùn)行權(quán)而轉(zhuǎn)入相應(yīng)的實(shí)時(shí)任務(wù)處理程序。RTLinux的新實(shí)時(shí)內(nèi)核和常規(guī)Linux內(nèi)核使用相同的文件系統(tǒng)和存儲(chǔ)管理機(jī)制。到目前為止，全球在Linux平臺(tái)下開發(fā)的通用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)最常用的主要有兩種：一種是由美國新墨西哥理工學(xué)院開發(fā)的Linux實(shí)時(shí)內(nèi)核，即RTLinux。Linux的整體式內(nèi)核結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的效率，而且它的源代碼開放的特性和免費(fèi)使用，使得它獲得迅猛發(fā)展，其穩(wěn)定性也是相當(dāng)出色的。Linux在執(zhí)行效率、穩(wěn)定性上并不遜色于Windows NT，而且Linux是源代碼開放的操作系統(tǒng)，又有實(shí)時(shí)補(bǔ)丁，因此在Linux上開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)非常好的選擇，對于開發(fā)具有自主版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)也具有現(xiàn)實(shí)意義。因此，采用Windows NT/2000實(shí)時(shí)擴(kuò)展技術(shù)，既可以充分利用Windows NT/2000帶來的開放性的好處，又完全滿足數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。且執(zhí)行自己的完全搶先式線程調(diào)度程序；任何RTX中斷的優(yōu)先級(jí)都高于Windows NT/2000中斷，消除了因Windows NT/2000中斷機(jī)制而產(chǎn)生的延遲。通過RTX API可以訪問RTSS子系統(tǒng)。一個(gè)RTSS線程在任何Windows NT/2000的線程之前運(yùn)行，直到它被掛起或被更高優(yōu)先級(jí)的RTSS線程搶先。實(shí)時(shí)HAL擴(kuò)展提供1分辨率的時(shí)鐘和100的定時(shí)器。RTX已經(jīng)修改了HAL，以達(dá)到下述3個(gè)目的。（Hardware Abstraction Layer, HAL）擴(kuò)展、實(shí)時(shí)子系統(tǒng)（RealTime Subsystem, RTSS）以及函數(shù)庫組成，如圖258所示。從前面的論述可知，Windows NT/2000不能完成實(shí)時(shí)任務(wù)，其主要原因是它的線程優(yōu)先級(jí)太少；調(diào)度決策相當(dāng)含糊，而且具有某種不確定性；它的中斷活動(dòng)不遵循線程優(yōu)先級(jí)。（4）Windows NT/2000實(shí)時(shí)擴(kuò)展技術(shù) 在保持Windows NT/2000開放性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上提高它的實(shí)時(shí)處理能力，最常用的辦法就是使Windows NT/2000和RTOS共存于一個(gè)處理器中，也就是為Windows NT/2000提供實(shí)時(shí)擴(kuò)展。DPC被ISR送入一個(gè)FIFO的隊(duì)列，因此在DPC 隊(duì)列沒有優(yōu)先級(jí)的概念。⑤實(shí)時(shí)系統(tǒng)通過外部設(shè)備與外部事件相聯(lián)系，外部事件被轉(zhuǎn)化成中斷，并被設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處理。③Windows NT/2000雖然提供了互斥體、信號(hào)量和事件等3種同步對象和相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用，但不支持可預(yù)測的同步機(jī)制，因此不滿足第三項(xiàng)要求。Windows NT/2000系統(tǒng)是否滿足實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的要求，可參照實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的5項(xiàng)基本要求逐項(xiàng)考察。Windows NT/2000內(nèi)部使用32個(gè)線程優(yōu)先級(jí)，即16個(gè)實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)（16~31）和16個(gè)可變優(yōu)先級(jí)（0~15）。②延遲過程調(diào)用（Deferred Procedure Calls, DPC）被ISR或其他內(nèi)核模塊送入一個(gè)先進(jìn)先出（First In and First Out, FIFO）的“DPC隊(duì)列”,它們通常被用來完成大部分的中斷處理任務(wù)?？刂茩?quán)將被移交給與此中斷源相關(guān)聯(lián)的ISR例程。1）Windows NT/2000的調(diào)度策略。3)操作系統(tǒng)必須支持可預(yù)測的線程同步機(jī)制。3）Windows提供各種高效易用的開發(fā)工具和集成開發(fā)環(huán)境（Integrated Development Environment, IDE），可以極大地方便軟件開發(fā)人員。要同時(shí)滿足全軟件型開放式數(shù)控系統(tǒng)對操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和開放性的要求，目前只能通過對Windows和Linux等通用操作系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造，使其成為同時(shí)滿足實(shí)時(shí)性和開放性要求的操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和開放性是全軟件型開放式數(shù)控系統(tǒng)的重要保障。2．操作系統(tǒng)的選擇在基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員面臨的首要問題就是選擇操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)進(jìn)行多任務(wù)調(diào)度管理就是以進(jìn)程為單位展開的。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要在生產(chǎn)過程控制、多媒體通信、在線事務(wù)處理、交通控制等具有嚴(yán)格時(shí)限要求的任務(wù)處理系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。按照資源分配策略，操作系統(tǒng)可分為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RealTime Operating System, RTOS）和分時(shí)操作系統(tǒng)(TimeSharing Operating System, TSOS)兩類。1．操作系統(tǒng)、進(jìn)程和線程概念（1）操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)軟件，它統(tǒng)一管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源和控制程序的執(zhí)行。目前已經(jīng)由國外廠商推出了基于PC的開放式軟件數(shù)控產(chǎn)品，如Beckhoff Automation公司的TwinCat(Total Windows control and Automation Technology)、AI(Automation Intelligence)公司的產(chǎn)品AML及MDSI(Manufacturing Data Systems Inc.)公司的OpenCNC。在開發(fā)通信模塊時(shí)，由于PMAC提供了開放軟件包Pm32和ActiveX通信控件PtalkDT,與PMAC通信交換信息只需用Pm32函數(shù)庫中相應(yīng)功能函數(shù)或使用PtalkDT提供的各種事件處理方法，不必開發(fā)通信驅(qū)動(dòng)程序，也不必直接與PMAC硬件打交道。6）加工運(yùn)行模塊能夠提供實(shí)時(shí)加工的開始和停止等自動(dòng)加工功能、MDI（手動(dòng)輸入加工方式）加工模式、JOG連續(xù)進(jìn)給操作、電子手輪操作及回零點(diǎn)操作等功能。3）參數(shù)設(shè)置模塊又分為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、刀具參數(shù)設(shè)置、機(jī)床參數(shù)設(shè)置3個(gè)子模塊，通過對這3個(gè)子模塊的參數(shù)設(shè)置可以使數(shù)控系統(tǒng)適應(yīng)于各種機(jī)床，在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置子模塊中，可以設(shè)置PID參數(shù)、加/減速參數(shù)等；在刀具參數(shù)設(shè)置子模塊中，可以對刀具半徑補(bǔ)償和長度補(bǔ)償進(jìn)行設(shè)置；在機(jī)床參數(shù)設(shè)置子模塊中，可以設(shè)置各軸反向間隙補(bǔ)償、絲杠誤差補(bǔ)償、快速進(jìn)給速度、正反向限位等機(jī)床參數(shù)。操作者的所有操作都要通過人機(jī)界面來完成，同時(shí)數(shù)控系統(tǒng)的所有信息反饋也都是通過人機(jī)界面來顯示的。其功能模塊（參考模型）如圖56所示。主機(jī)與PMAC運(yùn)動(dòng)控制器主要通過PC總線通信，至于控制卡和電機(jī)的狀態(tài)、電機(jī)位置、速度、跟隨誤差等數(shù)據(jù)則通過DPRAM交換。②看門狗PLC在加工過程中主要對各軸超行程限位開關(guān)、跟蹤誤差極限、伺服輸出極限、異常終止等信號(hào)進(jìn)行檢測，以確保數(shù)控系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行。主PLC用來完成對控制面板及機(jī)床輸入、輸出的監(jiān)控，主要包括對機(jī)床進(jìn)行手動(dòng)、自動(dòng)調(diào)整功能的實(shí)現(xiàn)、主軸運(yùn)動(dòng)的控制、機(jī)床3個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的控制等操作。PMAC還提供了PVT（位置速度時(shí)間）運(yùn)動(dòng)模式，該模式可以對軌跡圖形進(jìn)行直接而緊湊的控制。系統(tǒng)管理軟件最基本的應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、故障診斷、參數(shù)輸入及加工程序編輯、系統(tǒng)進(jìn)程管理和雙CPU通信功能，在這些基本功能的基礎(chǔ)上可以再增加網(wǎng)絡(luò)控制、動(dòng)態(tài)仿真等高級(jí)功能。利用PMAC提供的后臺(tái)PLC可以很方便地實(shí)現(xiàn)上述功能，當(dāng)前臺(tái)運(yùn)動(dòng)程序有序地運(yùn)行時(shí)，PMAC運(yùn)行控制器可以在后臺(tái)運(yùn)行多達(dá)32個(gè)異步PLC程序，這些PLC程序可以提高采樣速率，監(jiān)視模擬輸入和數(shù)字輸入、設(shè)定輸出值、發(fā)送信息、監(jiān)視運(yùn)動(dòng)參數(shù)、改變增益值以及命令運(yùn)動(dòng)停止/啟動(dòng)，還可以對PMAC運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送命令，完成一些可編程序邏輯控制器（PLC）的功能，利用這些功能不僅可以簡化硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、節(jié)省硬件開支，而且還方便用戶使用PLC進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。在整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)中，送入PLC的信號(hào)主要有：控制面板和機(jī)床上的按鈕開關(guān)、選擇開關(guān)等信號(hào)；各運(yùn)動(dòng)軸的行程開關(guān)、機(jī)械零點(diǎn)開關(guān)等信號(hào)；機(jī)床電器動(dòng)作、限位、報(bào)警等信號(hào)；強(qiáng)電控制柜中接觸器、氣動(dòng)開關(guān)接觸等信號(hào)以及各伺服模塊工作狀態(tài)信號(hào)等，這些信號(hào)通過光電隔離后經(jīng)I/O接口送入PMAC進(jìn)行處理。圖254 NC嵌入PC數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)（1） PMAC運(yùn)動(dòng)控制器的控制功能 在圖255所示系統(tǒng)中，PMAC主要完成插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、刀補(bǔ)、速度處理和PLC等實(shí)時(shí)控制任務(wù)；工控機(jī)則主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能管理管理，同時(shí)具有充足的支持軟件來改善CNC系統(tǒng)的用戶界面、圖形顯示、動(dòng)態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)通信等非實(shí)時(shí)控制功能。PMAC既可獨(dú)立工作，也可按主機(jī)的命令工作，主機(jī)傳送給它的命令為字符串形式，PMAC與主機(jī)通信既可通過串行口，也可通過總線方式進(jìn)行，通過總線方式通信時(shí)，可將中斷引入主機(jī)，便于數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)實(shí)施靈活有效的實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度管理。 PMAC實(shí)際上是一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而且是一臺(tái)實(shí)時(shí)多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它可以自動(dòng)進(jìn)行任務(wù)優(yōu)先級(jí)判別，并按優(yōu)先級(jí)別高低調(diào)度并執(zhí)行任務(wù)，從而大大減輕了主機(jī)任務(wù)切換和執(zhí)行實(shí)時(shí)控制任務(wù)兩方面的負(fù)擔(dān)，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度和控制精度。下面將以PMAC運(yùn)動(dòng)控制器為代表，闡述“NC嵌入PC結(jié)構(gòu)”的開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)。在PC中采用實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)或?qū)Σ僮飨到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)功能擴(kuò)展，由PC完成數(shù)控系統(tǒng)中所有的實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)，如編譯、插補(bǔ)和PLC等。目前這種控制卡被廣泛地應(yīng)用于構(gòu)造開放式數(shù)控系統(tǒng)。PC 將實(shí)現(xiàn)用戶接口、文件管理以及通信等非實(shí)時(shí)部分的功能，實(shí)時(shí)控制（機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制和開關(guān)量控制等）由插入PC擴(kuò)展槽中的CNC單元或運(yùn)動(dòng)控制板來承擔(dān)。這種結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)主要出于知名的數(shù)控系統(tǒng)制造商，原因是這些制造商不愿放棄已經(jīng)成型的CNC制造技術(shù)，而又需要PC的柔性和開放性，于是采用的一種折中的解決方案。它的NC部分仍然是傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，用戶無法介入數(shù)控系統(tǒng)的核心，但可利用PC豐富的軟件資源，滿足開放性的要求。例如，美國Data Tau公司的PMACNC運(yùn)動(dòng)控制板卡向不同用戶提供不同程度的開放，對一般用戶，只提供PMACNC配置軟件，支持用戶自行配置控制軸數(shù)，聯(lián)動(dòng)軸數(shù)、伺服參數(shù)和I/O表；對高級(jí)用戶，Data Tau公司提供動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL），可供用戶使用VC++、VB等開發(fā)工具自行開發(fā)菜單和基本操作界面；對控制裝備OEM廠商，Data Tau公司提供關(guān)于PMACNC的全部C++代碼。（2）適應(yīng)工業(yè)運(yùn)行環(huán)境 數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境屬于工業(yè)運(yùn)行環(huán)境，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性、電磁兼容性、抗震性和耐高溫性等性能指標(biāo)應(yīng)能夠適應(yīng)工業(yè)運(yùn)行環(huán)境的要求。基于PC平臺(tái)構(gòu)建開放式數(shù)控系統(tǒng)，需要根據(jù)開放式數(shù)控系統(tǒng)的特殊要求，從硬件和軟件兩個(gè)方面對PC進(jìn)行相應(yīng)的改造，擴(kuò)充數(shù)控系統(tǒng)專用的板卡和應(yīng)用軟件等。德國的IBH、美國的AI、日本朋立公司等相繼開發(fā)了基于PC的數(shù)控系統(tǒng)。PC體系結(jié)構(gòu)已成為事實(shí)上的微型計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用面越來越廣。但NGC計(jì)劃過于龐大，實(shí)用化產(chǎn)品開發(fā)并不快；OSACA計(jì)劃建立了OSACA規(guī)范，并將此標(biāo)準(zhǔn)作為系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，建立了通用軟件模塊和通用OSACA系統(tǒng)平臺(tái)，并建立了五軸制造系統(tǒng)環(huán)境，用以調(diào)試、驗(yàn)證和擴(kuò)展。全新設(shè)計(jì)指從系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著手，獨(dú)立提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)規(guī)范，并依據(jù)獨(dú)立技術(shù)規(guī)范，進(jìn)行硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 （6）系統(tǒng)靈活性強(qiáng) 開放式數(shù)控系統(tǒng)允許用戶根據(jù)實(shí)際需要擴(kuò)展或裁減系統(tǒng)，用戶可以從低級(jí)控制器開始，逐步擴(kuò)充系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)的性能。 （2）應(yīng)用軟件移植性好 開放式數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與底層軟硬件的支撐無關(guān)，便于多方位軟件設(shè)計(jì)人員針對相同被控對象，在不同的運(yùn)行環(huán)境下并行開放應(yīng)用軟件，可采用軟件工程方法，實(shí)現(xiàn)軟件的模塊化和復(fù)用，從而有效地解決數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化，以加快應(yīng)用軟件的開發(fā)。開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn) 開放體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的本質(zhì)特征是開放性，其含義是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的平臺(tái)上，面向機(jī)床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁功能模塊，形成系列化，并將用戶的特殊運(yùn)用集成到控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)上述現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)的目標(biāo)，要求數(shù)控系統(tǒng)能夠與PC兼容或至少能方便的連入網(wǎng)絡(luò)；還要求數(shù)控系統(tǒng)能充分利用第三方的軟件實(shí)現(xiàn)CAD/CAM集成或其它功能。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）的實(shí)現(xiàn)形式從以大型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模數(shù)據(jù)庫為中