数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 由于运动控制器具有强大的运算能力、良好的IO操作功能、极高的处理速度，并 且具有良好的实时控制性能，基于P℃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 (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P℃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，将是未来于 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P℃的开放式软件数控产品，如 Beckhoff Automation 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、显示器及名 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 Operati 操作系统(Tme-Sharing perating System,TSOS)两类 Linu 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)是以茜足其讲程时限要求为设计原的操作系统， 如果讲程时限 没有得到满足，即使程序执行的逻辑结果正确， 也认为产生 了系失效 立时操作系结 主要在生产过程控制 多媒体通信、在线事务处理、 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 (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 线程代表单个进程内部的某一独立组成部分。每当操作系统创建了一个新的进程，它 就至少创律了一个线程。 )损作系的选 在基于P℃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85以下，要求操作 系统的中断延时不超过0.5s)。所谓开放性包括两个方面的含义： 一方面是对工业标 兰州交通大学机电工程学院 17 数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 17 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 Beckhoff 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 System, 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 线程代表单个进程内部的某一独立组成部分。每当 操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 8 ms 以下，要求操作 系统的中断延时不超过 0.5 ms ）。所谓开放性包括两个方面的含义：一方面是对工业标