開(kāi)放式數控系統綜述
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摘要：數控系統是數控技術(shù)的核心，數控機床的“大腦”。開(kāi)放式數控系統從20世紀90年代初就引起人們的注意。初期的開(kāi)放式系統結構仍然是面向特定裝置、硬件和軟件的。對于現代數控機床的控制來(lái)說(shuō)，需要一種完全以微機為基礎的、和諧的、標準化的軟件環(huán)境，從而能夠根據用戶(hù)需要實(shí)現復雜的控制功能，在縮短加工時(shí)間的同時(shí)，提高加工質(zhì)量和柔性，
用戶(hù)進(jìn)人數控系統的內部接口，就可進(jìn)一步按照加工過(guò)程的要求，修改、刪除和添加控制系統的功能，提高機床(包括控制系統)的性能。通過(guò)外部接口，就可根據自己的特殊需要和經(jīng)驗，增加新的控制功能。毫無(wú)疑問(wèn)，開(kāi)放式控制系統是機床控制技術(shù)的發(fā)展方向，將給數控系統供應商、機床制造商和最終用戶(hù)都帶來(lái)效益。
關(guān)鍵字：數控系統;數控機床;開(kāi)放式系統;控制系統
目錄
1. 傳統的數控系統存在的問(wèn)題 .............................................. 1
2. 開(kāi)放式數控系統所具有的主要特點(diǎn)................................... 2
3. 國內開(kāi)放式數控系統的研究現狀 ...................................... 3
4. 結束語(yǔ) .................................................................................. 5
5. 參考文獻 .............................................................................. 6
1、傳統的數控系統存在的問(wèn)題
標準的軟件化、開(kāi)放式控制器是真正的下一代控制器。傳統的數控系統采用專(zhuān)用計算機系統，軟硬件對用戶(hù)都是封閉的，主要存在以下問(wèn)題：
(1)由于傳統數控系統的封閉性，各數控系統生產(chǎn)廠(chǎng)家的產(chǎn)品軟硬件不兼容，使得用戶(hù)投資安全性受到威脅，購買(mǎi)成本和產(chǎn)品生命周期內的使用成本高。同時(shí)專(zhuān)用控制器的軟硬件的主流技術(shù)遠遠地落后于PC的技術(shù)，系統無(wú)法“借用”日新月異的PC技術(shù)而升級。
(2)系統功能固定，不能充分反映機床制造廠(chǎng)的生產(chǎn)經(jīng)驗，不具備某些機床或工藝特征需要的性能，用戶(hù)無(wú)法對系統進(jìn)行重新定義和擴展，也很難滿(mǎn)足最終用戶(hù)的特殊要求。作為機床生產(chǎn)廠(chǎng)希望生產(chǎn)的數控機床有自己的特色以區別于競爭對手的產(chǎn)品，以利于在激烈的市場(chǎng)競爭中占有一席之地，而傳統的數控系統是做不到的。
(3)傳統數控系統缺乏統一有效和高速的通道與其他控制設備和網(wǎng)絡(luò )設備進(jìn)行互連，信息被鎖在“黑匣子”中，每一臺設備都成為自動(dòng)化的“孤島”，對企業(yè)的網(wǎng)絡(luò )化和信息化發(fā)展是一個(gè)障礙。
(4)傳統數控系統人機界面不靈活，系統的培訓和維護費用昂貴。許多廠(chǎng)家花巨資購買(mǎi)高檔數控設備，面對幾本甚至十幾本沉甸甸的技術(shù)資料不知從何下手。由于缺乏使用和維護知識，購買(mǎi)的設備不能充分發(fā)揮其作用。一旦出現故障，面對“黑匣子” 無(wú)從下手，維修費用十分昂貴。有的設備由于不能正確使用以致于長(cháng)期處于癱瘓狀態(tài)，花巨資購買(mǎi)的設備非但不能發(fā)揮作用反而成了企業(yè)的沉重包袱。
在計算機技術(shù)飛速發(fā)展的今天，商業(yè)和辦公自動(dòng)化的軟硬件系統開(kāi)放性已經(jīng)非常好，如果計算機的任何軟硬件出了故障，都可以很快從市場(chǎng)買(mǎi)到它并加以解決，而這在傳統封閉式數控系統中是作不到的。為克服傳統數控系統的缺點(diǎn)，數控系統正朝著(zhù)開(kāi)放式數控系統的方向發(fā)展。目前其主要形式是基于PC的NC，即在PC的總線(xiàn)上插上具有NC功能的運動(dòng)控制卡完成實(shí)時(shí)性要求高的NC內核功能，或者利用NC與PC通訊改善PC的界面和其他功能。這種形式的開(kāi)放式數控系統
在開(kāi)放性、功能、購買(mǎi)和使用總成本以及人機界面等方面較傳統數控有很大的改善，但它還包含有專(zhuān)用硬件、擴展不方便。國內外現階段開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式數控系統大都是這種結構形式的。這種PC化的NC還有專(zhuān)有化硬件，還不是嚴格意義上的開(kāi)放式數控系統。
開(kāi)放式數控系統是制造技術(shù)領(lǐng)域的革命性飛躍。其硬件、軟件和總線(xiàn)規范都是對外開(kāi)放的，由于有充足的軟、硬件資源可被利用，系統軟硬件可隨著(zhù)PC技術(shù)的發(fā)展而升級，不僅使數控系統制造商和用戶(hù)進(jìn)行的系統集成得到有力的支持，而且針對用戶(hù)的二次開(kāi)發(fā)也帶來(lái)方便，促進(jìn)了數控系統多檔次、多品種的開(kāi)發(fā)和廣泛應用，既可通過(guò)升檔或裁剪構成各種檔次的數控系統，又可通過(guò)擴展構成不同類(lèi)型數控機床的數控系統，開(kāi)發(fā)周期大大縮短。
2、開(kāi)放式數控系統所具有的主要特點(diǎn)
2.1 軟件化數控系統內核擴展了數控系統的柔性和開(kāi)放性，降低了系統成本。
隨著(zhù)計算機性能的提高和實(shí)時(shí)操作系統的應用，軟件化NC內核將被廣泛接受。它使得數控系統具有更大的柔性和開(kāi)放性，方便系統的重構和擴展，降低系統的成本。
數控系統的運動(dòng)控制內核要求有很高的實(shí)時(shí)性(伺服更新和插補周期為幾十微秒～幾百微秒)，其實(shí)時(shí)性實(shí)現有兩種方法：硬件實(shí)時(shí)和軟件實(shí)時(shí)。在硬件實(shí)時(shí)實(shí)現上，早期DOS系統可直接對硬中斷進(jìn)行編程來(lái)實(shí)現實(shí)時(shí)性，通常采用在PC上插NC I/O卡或運動(dòng)控制卡。由于DOS是單任務(wù)操作系統，非圖形界面，因此在DOS下開(kāi)發(fā)的數控系統功能有限，界面一般，網(wǎng)絡(luò )功能弱，有專(zhuān)有硬件，只能算是基于PC化的NC，不能算是真正的開(kāi)放式數控系統，如華中I型，航天CASNUC901系列，四開(kāi)SKY系列等;Windows系統推出后，由于其不是實(shí)時(shí)系統，要達到NC的實(shí)時(shí)性，只有采用多處理器，常見(jiàn)的方式是在PC 上插一塊基于DSP處理器的運動(dòng)控制卡，NC內核實(shí)時(shí)功能由運動(dòng)控制卡實(shí)現，稱(chēng)為PC與NC的融合。這種方式給NC功能帶來(lái)了較大的開(kāi)放性，通過(guò)Windows的GUI可實(shí)現很好的人機界面，但是運動(dòng)控制卡仍屬于專(zhuān)有硬件，各廠(chǎng)家產(chǎn)品不兼容，增
加成本(1-2萬(wàn)元)，且Windows系統工作不穩定，不適合于工業(yè)應用(WindowsNT工作較穩定)。目前大多宣稱(chēng)為開(kāi)放式的數控系統屬于這一類(lèi)，如功能非常強大的MAZAK的Mazatrol Fusion 640，美國A2100，Advantage 600，華中HNC-2000數控系統等。
WindowsNT+RTX組合的應用較成功的有美國的OpenCNC和德國的PA公司(自己開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)內核)，這兩家公司均有產(chǎn)品推出，另外SIMENS公司的SINUMERIK® 840Di也是一種采用NT操作系統的單CPU的軟件化數控系統。Linux和RTLinux是源代碼開(kāi)放的免費操作系統，發(fā)展迅猛，是我國力主發(fā)展的方向。
2.2 數控系統與驅動(dòng)和數字I/O(PLC的I/O)連接的發(fā)展方向是現場(chǎng)總線(xiàn)
傳統數控系統驅動(dòng)和PLC I/O與控制器是直接相連的，一個(gè)伺服電動(dòng)機至少有11根線(xiàn)，當軸數和I/O點(diǎn)多時(shí)，布線(xiàn)相當多，出于可靠性考慮，線(xiàn)長(cháng)有限(一般3-5米)，擴展不易，可靠性低，維護困難，特別是采用軟件化數控內核后，通常只有一個(gè)CPU，控制器一般在操作面板端，離控制箱(放置驅動(dòng)器等)不能太遠，給工程實(shí)現帶來(lái)困難，所以一般PC數控系統多采用一體化機箱，但這又不為機床廠(chǎng)家和用戶(hù)接受。而現場(chǎng)總線(xiàn)用一根通訊線(xiàn)或光纖將所有的驅動(dòng)和I/O級連起來(lái)，傳送各種信號，以實(shí)現對伺服驅動(dòng)的智能化控制。這種方式連線(xiàn)少，可靠性高，擴展方便，易維護，易于實(shí)現重配置，是數控系統的發(fā)展方向。 現在，在數控系統中采用的現場(chǎng)總線(xiàn)標準有PROFIBUS(傳輸速率12Mbps)，如Siemens 802D等;光纖現場(chǎng)總線(xiàn)SERCOS(最高為16Mbps，但目前大多系統為4Mbps)，如Indramat System2000和北京機電院的CH-2010/S，北京和利時(shí)公司也研究了SERCOS接口的演示系統;CAN現場(chǎng)總線(xiàn)，如華中數控和南京四開(kāi)的系統等，但目前基于SERCOS和PROFIBUS的數控系統都比較貴。而CAN總線(xiàn)傳輸速率慢，最大傳輸速率為1Mbps時(shí)，傳輸距離為40米。
3、國內開(kāi)放式數控系統的研究現狀
我國經(jīng)過(guò)“六五”、“七五”引進(jìn)消化，“八五”自主開(kāi)發(fā)，“九五”產(chǎn)業(yè)化、工程化，基本掌握了數控技術(shù)，基本形成了一支研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)的隊伍，基本具備了數控系統產(chǎn)品的配套能力。并根據國內外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況，調整到基
于PC的數控系統發(fā)展方向上來(lái)，形成了兩種平臺，開(kāi)發(fā)出了四個(gè)基本系統，其中，華中I型和中華I型是將數控專(zhuān)用模板嵌入通用PC機構成的單機數控系統，而航天I型和蘭天I型是將PC嵌入到數控之中構成的多機數控系統，形成PC+NC的前后臺型結構。
目前國內比較有代表性的新型開(kāi)放式數控系統研究主要有以下幾種:
1)基于軟件芯片的開(kāi)放式數控系統
華中科技大學(xué)(原華中理工大學(xué))提出了一種基于軟件芯片(Software武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
Integrated Chip，簡(jiǎn)稱(chēng)sic)的開(kāi)放式數控系統的實(shí)現模式。在該模式中，通過(guò)對數控軟件的標準化與規范化研究，運用面向對象的機制，把數控系統的功能進(jìn)行抽象并進(jìn)行封裝，將數控軟件設計成具有穩定通用的接口、可以重用的SIC,每個(gè)sic完成數控系統的一個(gè)獨立模塊的功能，如插補功能由插補芯片完成、位置控制功能就由位置芯片完成。并且通過(guò)建立一個(gè)數控系統軟件芯片集成開(kāi)發(fā)環(huán)境對SIC進(jìn)行管理，用戶(hù)可以對SIC進(jìn)行檢索、瀏覽和維護，還可以添加新的SICOS用戶(hù)在組裝數控系統或進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)時(shí)，可以將芯片庫中檢索出的sic按照用戶(hù)所要求的功能進(jìn)行集成，并可以加入用戶(hù)新開(kāi)發(fā)的SIC一起組裝，這樣開(kāi)發(fā)出的數控系統比以前節省較多時(shí)間，總體質(zhì)量也有大幅提高。其局限性在于，數控軟件芯片的規范化和標準化設計很大程度上由芯片的劃分決定，它需要嚴格定義，使它們具有更強的邏輯性和更好的封裝性。另外，更重要的一點(diǎn)是，這種軟件芯片的使用只是簡(jiǎn)單的程序源代碼的重用，這種移植只能是同一種編程語(yǔ)言下的移植，是一種極為有限條件下的移植。
2)基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的開(kāi)放式數控系統
現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)可以將大量的并行信號轉化為串行信號，利用雙線(xiàn)電纜或光纜可以在上百臺設備之間實(shí)時(shí)傳遞上千路的信號。當前現場(chǎng)總線(xiàn)接口和數據交換大多遵循SERCOg(serial real-time communication specification)協(xié)議，是目前用于數字伺服而后傳動(dòng)數據通信的唯一國際標準。SERCOS構成一個(gè)封閉的環(huán)路，根據伺服系統和PLC的不同地址，利用插在計算機中的SOFTSERCANS卡實(shí)現計算機與數字伺服系統之間的實(shí)時(shí)數據通信，形成一種基于現場(chǎng)總線(xiàn)的開(kāi)放式結構數控系統。但由于SERCOS有三萬(wàn)多個(gè)參數，在SERCOS參數設置方面現在的系統大多
都是使用默認值，這對于開(kāi)發(fā)高速、高精度的開(kāi)放式數控系統還有很大差距。并且SERCOS總線(xiàn)技術(shù)較為昂貴，對于其普及應用也產(chǎn)生一定的不利影響。
4)國外開(kāi)放式數控系統的研究現狀 (1)OMAC計劃
美國90年代提出NGC下一代控制器計劃，并撥款1億美元進(jìn)行研究，其核心即是開(kāi)放體系結構的研究。其首要目標是開(kāi)發(fā)開(kāi)放式系統體系結構標準規范SOSAC (Specification for an Open System Architecture Standard)用來(lái)管理I作站和機床控制器的設計和結構組織。SOSAC定義了NGC系統、子系統和模塊的功能以及相互間的關(guān)系，它提出了分級式控制結構，指出了功能性的分解; 定義了虛擬機實(shí)現系統模塊間的信息相互交換和相互操作;定義了NML(NeutralManufacturing Language)語(yǔ)言進(jìn)行制造系統中的信息傳遞。該計劃己于1994年完成了NGC原型研究，并己轉入工業(yè)開(kāi)發(fā)應用。例如美國Ford, GM和CResler等公司在NGC計劃的指導下，聯(lián)合提出了OMAC(Open Modular ArchitectureController)開(kāi)發(fā)計劃，提出了系統基礎框架，信息庫管理、任務(wù)調度、人機接口、運動(dòng)控制、傳感器接口等構造了控制系統功能體系結構。該計劃的目的是使系統制造廠(chǎng)、機床廠(chǎng)和最終用戶(hù)分別從縮短開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)費用、便于系統集成和二次開(kāi)發(fā)、簡(jiǎn)化系統使用和維護等方面受益。又如Cincinnati Milacron從1995年開(kāi)始在其所生產(chǎn)的加工中心、銑床、車(chē)床及激光加工等設備中采用開(kāi)放式體系結構的A2100系統(應用雙處理器組成，Windows NT操作系統的多任務(wù)、多過(guò)武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文程、多功能的開(kāi)放式系統)。還有DELTA TAU公司利用NGC和OMAC等協(xié)議，采用PC機+PMAC控制卡構成的PMAC開(kāi)放式CNC系統，獲得了良好的應用效果。
4、結束語(yǔ)
采用開(kāi)放式控制系統結構對數控系統的生產(chǎn) 廠(chǎng)家和用戶(hù)雙方都有好處。對于控制系統生產(chǎn)廠(chǎng) 家，他們可在共同的標準平臺上建立廣泛的合作， 實(shí)現協(xié)作式開(kāi)發(fā)，大大縮短了系統的開(kāi)發(fā)周期，降 低了成本，增強了產(chǎn)品競爭力;對于機床生產(chǎn)廠(chǎng)， 不僅可以根據需要配置最合適的控制系統，還可 將自己獨特的軟件集成到系統控制器，形成自己 的產(chǎn)品特色;最終用戶(hù)可以說(shuō)是開(kāi)放式控制系
統的最大受益者，他們可以最大限度地按照自己的 需要選擇產(chǎn)品，配備合適的功能部件，實(shí)現系統的 集成和擴展，同時(shí)，開(kāi)放也使系統的操作、維護更 為方便。此外，控制器的結構開(kāi)放性也為數控技術(shù) 能持續不斷地吸收日新月異的計算機硬軟件最新成果創(chuàng )造了條件，有利于數控產(chǎn)品自身的更新?lián)Q代，提高性能，增強競爭力。這也正是開(kāi)放式NC控制器之所以被各發(fā)達國家視為重要的戰略技術(shù)、紛紛投入研究的重要原因。
5、參考文獻
[1] 徐守祥.開(kāi)放式數控系統 ---- 歐洲數控業(yè)的 發(fā)展策略.制 造技術(shù)與機床，1997(3)
[2] 游有鵬等.開(kāi)放式數控系統 ---- 新一代 NC 的主流.航空 制造技術(shù)，1999(5)
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