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开放式数控系统综述
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摘要：数控系统是数控技术的核心，数控机床的“大脑”。开放式数控系统从20世纪90年代初就引起人们的注意。初期的开放式系统结构仍然是面向特定装置、硬件和软件的。对于现代数控机床的控制来说，需要一种完全以微机为基础的、和谐的、标准化的软件环境，从而能够根据用户需要实现复杂的控制功能，在缩短加工时间的同时，提高加工质量和柔性，
用户进人数控系统的内部接口，就可进一步按照加工过程的要求，修改、删除和添加控制系统的功能，提高机床(包括控制系统)的性能。通过外部接口，就可根据自己的特殊需要和经验，增加新的控制功能。毫无疑问，开放式控制系统是机床控制技术的发展方向，将给数控系统供应商、机床制造商和最终用户都带来效益。
关键字：数控系统;数控机床;开放式系统;控制系统
目录
1. 传统的数控系统存在的问题 .............................................. 1
2. 开放式数控系统所具有的主要特点................................... 2
3. 国内开放式数控系统的研究现状 ...................................... 3
4. 结束语 .................................................................................. 5
5. 参考文献 .............................................................................. 6
1、传统的数控系统存在的问题
标准的软件化、开放式控制器是真正的下一代控制器。传统的数控系统采用专用计算机系统，软硬件对用户都是封闭的，主要存在以下问题：
(1)由于传统数控系统的封闭性，各数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容，使得用户投资安全性受到威胁，购买成本和产品生命周期内的使用成本高。同时专用控制器的软硬件的主流技术远远地落后于PC的技术，系统无法“借用”日新月异的PC技术而升级。
(2)系统功能固定，不能充分反映机床制造厂的生产经验，不具备某些机床或工艺特征需要的性能，用户无法对系统进行重新定义和扩展，也很难满足最终用户的特殊要求。作为机床生产厂希望生产的数控机床有自己的特色以区别于竞争对手的产品，以利于在激烈的市场竞争中占有一席之地，而传统的数控系统是做不到的。
(3)传统数控系统缺乏统一有效和高速的通道与其他控制设备和网络设备进行互连，信息被锁在“黑匣子”中，每一台设备都成为自动化的“孤岛”，对企业的网络化和信息化发展是一个障碍。
(4)传统数控系统人机界面不灵活，系统的培训和维护费用昂贵。许多厂家花巨资购买高档数控设备，面对几本甚至十几本沉甸甸的技术资料不知从何下手。由于缺乏使用和维护知识，购买的设备不能充分发挥其作用。一旦出现故障，面对“黑匣子” 无从下手，维修费用十分昂贵。有的设备由于不能正确使用以致于长期处于瘫痪状态，花巨资购买的设备非但不能发挥作用反而成了企业的沉重包袱。
在计算机技术飞速发展的今天，商业和办公自动化的软硬件系统开放性已经非常好，如果计算机的任何软硬件出了故障，都可以很快从市场买到它并加以解决，而这在传统封闭式数控系统中是作不到的。为克服传统数控系统的缺点，数控系统正朝着开放式数控系统的方向发展。目前其主要形式是基于PC的NC，即在PC的总线上插上具有NC功能的运动控制卡完成实时性要求高的NC内核功能，或者利用NC与PC通讯改善PC的界面和其他功能。这种形式的开放式数控系统
在开放性、功能、购买和使用总成本以及人机界面等方面较传统数控有很大的改善，但它还包含有专用硬件、扩展不方便。国内外现阶段开发的开放式数控系统大都是这种结构形式的。这种PC化的NC还有专有化硬件，还不是严格意义上的开放式数控系统。
开放式数控系统是制造技术领域的革命性飞跃。其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可被利用，系统软硬件可随着PC技术的发展而升级，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且针对用户的二次开发也带来方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升档或裁剪构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发周期大大缩短。
2、开放式数控系统所具有的主要特点
2.1 软件化数控系统内核扩展了数控系统的柔性和开放性，降低了系统成本。
随着计算机性能的提高和实时操作系统的应用，软件化NC内核将被广泛接受。它使得数控系统具有更大的柔性和开放性，方便系统的重构和扩展，降低系统的成本。
数控系统的运动控制内核要求有很高的实时性(伺服更新和插补周期为几十微秒～几百微秒)，其实时性实现有两种方法：硬件实时和软件实时。在硬件实时实现上，早期DOS系统可直接对硬中断进行编程来实现实时性，通常采用在PC上插NC I/O卡或运动控制卡。由于DOS是单任务操作系统，非图形界面，因此在DOS下开发的数控系统功能有限，界面一般，网络功能弱，有专有硬件，只能算是基于PC化的NC，不能算是真正的开放式数控系统，如华中I型，航天CASNUC901系列，四开SKY系列等;Windows系统推出后，由于其不是实时系统，要达到NC的实时性，只有采用多处理器，常见的方式是在PC 上插一块基于DSP处理器的运动控制卡，NC内核实时功能由运动控制卡实现，称为PC与NC的融合。这种方式给NC功能带来了较大的开放性，通过Windows的GUI可实现很好的人机界面，但是运动控制卡仍属于专有硬件，各厂家产品不兼容，增
加成本(1-2万元)，且Windows系统工作不稳定，不适合于工业应用(WindowsNT工作较稳定)。目前大多宣称为开放式的数控系统属于这一类，如功能非常强大的MAZAK的Mazatrol Fusion 640，美国A2100，Advantage 600，华中HNC-2000数控系统等。
WindowsNT+RTX组合的应用较成功的有美国的OpenCNC和德国的PA公司(自己开发的实时内核)，这两家公司均有产品推出，另外SIMENS公司的SINUMERIK® 840Di也是一种采用NT操作系统的单CPU的软件化数控系统。Linux和RTLinux是源代码开放的免费操作系统，发展迅猛，是我国力主发展的方向。
2.2 数控系统与驱动和数字I/O(PLC的I/O)连接的发展方向是现场总线
传统数控系统驱动和PLC I/O与控制器是直接相连的，一个伺服电动机至少有11根线，当轴数和I/O点多时，布线相当多，出于可靠性考虑，线长有限(一般3-5米)，扩展不易，可靠性低，维护困难，特别是采用软件化数控内核后，通常只有一个CPU，控制器一般在操作面板端，离控制箱(放置驱动器等)不能太远，给工程实现带来困难，所以一般PC数控系统多采用一体化机箱，但这又不为机床厂家和用户接受。而现场总线用一根通讯线或光纤将所有的驱动和I/O级连起来，传送各种信号，以实现对伺服驱动的智能化控制。这种方式连线少，可靠性高，扩展方便，易维护，易于实现重配置，是数控系统的发展方向。 现在，在数控系统中采用的现场总线标准有PROFIBUS(传输速率12Mbps)，如Siemens 802D等;光纤现场总线SERCOS(最高为16Mbps，但目前大多系统为4Mbps)，如Indramat System2000和北京机电院的CH-2010/S，北京和利时公司也研究了SERCOS接口的演示系统;CAN现场总线，如华中数控和南京四开的系统等，但目前基于SERCOS和PROFIBUS的数控系统都比较贵。而CAN总线传输速率慢，最大传输速率为1Mbps时，传输距离为40米。
3、国内开放式数控系统的研究现状
我国经过“六五”、“七五”引进消化，“八五”自主开发，“九五”产业化、工程化，基本掌握了数控技术，基本形成了一支研究、开发、生产的队伍，基本具备了数控系统产品的配套能力。并根据国内外相关技术的发展情况，调整到基
于PC的数控系统发展方向上来，形成了两种平台，开发出了四个基本系统，其中，华中I型和中华I型是将数控专用模板嵌入通用PC机构成的单机数控系统，而航天I型和兰天I型是将PC嵌入到数控之中构成的多机数控系统，形成PC+NC的前后台型结构。
目前国内比较有代表性的新型开放式数控系统研究主要有以下几种:
1)基于软件芯片的开放式数控系统
华中科技大学(原华中理工大学)提出了一种基于软件芯片(Software武汉理工大学硕士学位论文
Integrated Chip，简称sic)的开放式数控系统的实现模式。在该模式中，通过对数控软件的标准化与规范化研究，运用面向对象的机制，把数控系统的功能进行抽象并进行封装，将数控软件设计成具有稳定通用的接口、可以重用的SIC,每个sic完成数控系统的一个独立模块的功能，如插补功能由插补芯片完成、位置控制功能就由位置芯片完成。并且通过建立一个数控系统软件芯片集成开发环境对SIC进行管理，用户可以对SIC进行检索、浏览和维护，还可以添加新的SICOS用户在组装数控系统或进行二次开发时，可以将芯片库中检索出的sic按照用户所要求的功能进行集成，并可以加入用户新开发的SIC一起组装，这样开发出的数控系统比以前节省较多时间，总体质量也有大幅提高。其局限性在于，数控软件芯片的规范化和标准化设计很大程度上由芯片的划分决定，它需要严格定义，使它们具有更强的逻辑性和更好的封装性。另外，更重要的一点是，这种软件芯片的使用只是简单的程序源代码的重用，这种移植只能是同一种编程语言下的移植，是一种极为有限条件下的移植。
2)基于现场总线技术的开放式数控系统
现场总线技术可以将大量的并行信号转化为串行信号，利用双线电缆或光缆可以在上百台设备之间实时传递上千路的信号。当前现场总线接口和数据交换大多遵循SERCOg(serial real-time communication specification)协议，是目前用于数字伺服而后传动数据通信的唯一国际标准。SERCOS构成一个封闭的环路，根据伺服系统和PLC的不同地址，利用插在计算机中的SOFTSERCANS卡实现计算机与数字伺服系统之间的实时数据通信，形成一种基于现场总线的开放式结构数控系统。但由于SERCOS有三万多个参数，在SERCOS参数设置方面现在的系统大多
都是使用默认值，这对于开发高速、高精度的开放式数控系统还有很大差距。并且SERCOS总线技术较为昂贵，对于其普及应用也产生一定的不利影响。
4)国外开放式数控系统的研究现状 (1)OMAC计划
美国90年代提出NGC下一代控制器计划，并拨款1亿美元进行研究，其核心即是开放体系结构的研究。其首要目标是开发开放式系统体系结构标准规范SOSAC (Specification for an Open System Architecture Standard)用来管理I作站和机床控制器的设计和结构组织。SOSAC定义了NGC系统、子系统和模块的功能以及相互间的关系，它提出了分级式控制结构，指出了功能性的分解; 定义了虚拟机实现系统模块间的信息相互交换和相互操作;定义了NML(NeutralManufacturing Language)语言进行制造系统中的信息传递。该计划己于1994年完成了NGC原型研究，并己转入工业开发应用。例如美国Ford, GM和CResler等公司在NGC计划的指导下，联合提出了OMAC(Open Modular ArchitectureController)开发计划，提出了系统基础框架，信息库管理、任务调度、人机接口、运动控制、传感器接口等构造了控制系统功能体系结构。该计划的目的是使系统制造厂、机床厂和最终用户分别从缩短开发周期、降低开发费用、便于系统集成和二次开发、简化系统使用和维护等方面受益。又如Cincinnati Milacron从1995年开始在其所生产的加工中心、铣床、车床及激光加工等设备中采用开放式体系结构的A2100系统(应用双处理器组成，Windows NT操作系统的多任务、多过武汉理工大学硕士学位论文程、多功能的开放式系统)。还有DELTA TAU公司利用NGC和OMAC等协议，采用PC机+PMAC控制卡构成的PMAC开放式CNC系统，获得了良好的应用效果。
4、结束语
采用开放式控制系统结构对数控系统的生产 厂家和用户双方都有好处。对于控制系统生产厂 家，他们可在共同的标准平台上建立广泛的合作， 实现协作式开发，大大缩短了系统的开发周期，降 低了成本，增强了产品竞争力;对于机床生产厂， 不仅可以根据需要配置最合适的控制系统，还可 将自己独特的软件集成到系统控制器，形成自己 的产品特色;最终用户可以说是开放式控制系
统的最大受益者，他们可以最大限度地按照自己的 需要选择产品，配备合适的功能部件，实现系统的 集成和扩展，同时，开放也使系统的操作、维护更 为方便。此外，控制器的结构开放性也为数控技术 能持续不断地吸收日新月异的计算机硬软件最新成果创造了条件，有利于数控产品自身的更新换代，提高性能，增强竞争力。这也正是开放式NC控制器之所以被各发达国家视为重要的战略技术、纷纷投入研究的重要原因。
5、参考文献
[1] 徐守祥.开放式数控系统 ---- 欧洲数控业的 发展策略.制 造技术与机床，1997(3)
[2] 游有鹏等.开放式数控系统 ---- 新一代 NC 的主流.航空 制造技术，1999(5)
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