开放式数控系统的特点探讨

　　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。

　　在软件实时实现上，只需一个CPU，系统简单，成本低，但必须有一个实时操作系统。实时系统根据其响应的时间可分为硬实时(Hard real time，小于100微秒)，严格实时(Firm real time小于1毫秒)和软实时(Soft real time，毫秒级)，数控系统内核要求硬实时。现有两种方式：一种是采用单独实时操作系统如QNX，Lynx，VxWorks和WindowsCE等，这类实时操作系统比较小，对硬件的要求低，但其功能相对Windows等较弱。如美国Clesmen大学采用QNX研究的Qmotor系统;另一种是在标准的商用操作系统上加上实时内核，如WindowsNT加VenturCOM公司的RTX和Linux加RTLinux等。这种组合形式既满足了实时性要求，又具有商用系统的强大功能。LINUX系统具有丰富的应用软件和开发工具，便于与其他系统实现通讯和数据共享，可靠性比Windows系统高，LINUX系统可以三年不关机，这在工业控制中是至关重要的。目前制造系统在WINDOWS下的应用软件比较多，为解决Windows应用软件的使用，可以通过网络连接前端PC扩展运行WINDOWS应用软件，既保证了系统的可靠性又达到了已有软件资源的应用。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.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.网络化是基于网络技术的E-Manufacturing对数控系统的必然要求。

　　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。CNC机床作为制造自动化的底层基础设备，应该能够双向高速地传送信息，实现加工信息的共享、远程监控、远程诊断和网络制造，基于标准PC的开放式数控系统可利用以太网技术实现强大的网络功能，实现控制网络与数据网络的融合，实现网络化生产信息和管理信息的集成以及加工过程监控，远程制造、系统的远程诊断和升级;在网络协议方面，制造自动化协议MAP(Manufacturing Automation Protocol)由于其标准包含内容太广泛，应用层未定义，难以开发硬件和软件，每个站需有专门的MAP硬件，价格昂贵，缺乏广泛的支持而逐渐淡出市场。现在广为大家接受的是采用TCP/IP INTERNET协议，美国HAAS公司的Creative Control Group将这一以太网的数控网络称为DCN(Direct CNC Networking)。数控系统网络功能方面，日本的MAZAKA公司 的Mazatrol Fusion 640系统有很强的网络功能，可实现远程数据传输、管理和设备故障诊断等。