开放式数控系统的研究

数控技术正以前所未有的深度和广度深刻影响着广泛的制造业领域的发展方向，正在给制造业带来革命性的变化。而数控技术的核心是数控系统，数控系统的发展方向在很大程度上决定着数控技术的发展方向。随着数控技术的不断发展，传统数控系统由于其采用专用的、封闭式的体系结构，已不能适应当今制造业市场变化与竞争，也不能满足现代制造业向信息化、敏捷制造模式发展的需要。这就迫切需要开发具有开放性、性能稳定、价格低廉的新型数控系统。

当今，随着计算机技术的高速发展，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性。为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的就是体系结构的开放化，设计生产开放式的数控系统。

开放式数控系统的概念

数控系统的开放性体系结构数控系统的开放性概念出现在80年代末90年代初，是欧美各国为了适应机床制造业在技术、市场和生产组织结构等多方面的新的变化而提出的，其目的是建立一种崭新的控制系统设计框架，使系统朝模块化、平台化、标准化和系列化方向发展，在联合的前提下提高产品的竞争能力。

在关于开放式体系结构的定义，按IEEE 定义，一个开放式控制系统应提供这样的能力:来自不同卖主的种种平台上运行的应用都能够在系统上完全实现，并能和其他系统应用互操作，且具有一致性的用户界面。

开放式的数控系统是指PC-NC，是在加工机械专用的CNC中也将引入PC所具有的开放化。

系统组成内部的开放化

系统组成各部分之间的开放化

关于以上开放性的概念可从两个方面进行理解:一是时间的开放性，二是空间的开放性。时间的开放性是针对软硬件平台及其规范而言的，以保证平台具有适应新技术的发展，并能够接受新的设备的能力。时间的开放性又有可扩展和可移植性两个方面。空间的开放性是针对系统接口及其规范化而言的，它又可分为互操作性和互换性。

开放式数控系统的特征

开放式数控系统的特点

由上述定义可知，开放式数控系统是一个模块化的体系结构，由系统平台和面向应用的功能模块所构成，既有接口的开放性，又有自身功能的开放性，其具有以下基本特征[3]:

可互操作性

拥有标准化接口，通信和交互模型。通过提供标准化接口通讯和交互机制，使不同功能模块能以标准的应用程序接口运行于系统平台上，并获得平等的相互操作能力，协调工作;

可移植性

不同应用程序模块可运行于不同生产商提供的系统平台，同时系统软件也可运行于不同特性的硬件平台之上。不同的系统功能模块能运行在不同的系统平台之上，因此，系统的功能软件应与设备无关，即应用统一的数据格式、控制机制，并且通过一致的设备接口，使各功能模块能运行于不同的硬件平台上;

可扩展性

提供标准化环境的基础平台，允许不同功能的模块介入，CNC用户或二次开发者能有效地将自己的软件集成到NC系统中，形成自己的专用系统，其特征是通过特定功能模块的装载和卸载为用户系统增添和减少功能;

可互换性

不同性能、不同执行能力的功能模块互相代替。构成系统的各硬件、功能软件的选用不受单一供应商的控制，可根据功能、可靠性、性能要求相互替换，不影响系统整体的协调运行;

可伸缩性

CNC系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改。控制系统的大小(硬件或元件模块)可根据具体应用增减。

开放式数控系统的优势

由此可以看出开放式数控系统构建于一个开放的平台上，具有模块化结构，允许用户根据需要进行选配与集成，迅速适应不同的应用需求，与传统的封闭式专用数控系统相比经，具有以下优点: #p#分页标题#e#

具有强大的适应性和灵活配置能力，能适应多种设备，灵活配置与集成;

控制软件具有及时扩展和联接功能，可顺应新技术的发展，加入各种新功能。可通过预留插入用户专用软件的接口的方式或提供用户API和编程规范，供用户编制自己的专用模块的方式，简便地实现系统的扩展;

能适应计算机技术和信息技术的快速发展和更新换代，能有效保护用户原有投资;

操作简单，维护方便。在PC机上经简单编程即可实现运动控制，而不需要专门的数控软件;

遵循统一的标准体系结构规范，模块之间具有兼容性、互换性和互操作性;

技术更新，功能更加强大，可以实现多种运动轨迹的控制，是传统数控装置的换代产品;

结构形式模块化，可以方便地相互组合，建立适用不同场合、不同功能需求的控制系统，可明显缩短新产品的研制开发周期，用户可以根据自己需要开发自己的功能模块;

将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好。

基于PC的开放式数控系统

基于PC的开放式数控系统的类型

基于PC的开放式数控系统能充分地利用计算机的软硬件资源，可使用通用的高级语言方便地编制程序，用户可将标准化的外设、应用软件进行灵活地组合和使用。使用计算机同时也便于实现网络化。基于PC的开放式数控系统大致可分为以下几种类型[1，2]。

PC嵌入型NC

该类型系统是将PC装入到NC内部，PC与NC之间用专用的总线连接。系统数据传输快，响应迅速，同时，原型NC系统也可不加修改就得以利用。缺点是不能直接利用通用PC，开放性受到限制，通用PC强大的功能和丰富的软硬件资源不能得到有效的利用。这种数控系统尽管具有一定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。

NC嵌入PC型

该类型系统是将NC卡(运动控制卡)插入通用PC的扩展槽中组成的。它能够充分地保证系统性能，软件的通用性强，并且编程处理灵活。这是目前采用较多的一种结构形式，这种结构形式采用“PC+运动控制器”形式建造数控系统的硬件平台，其中以工业PC为主控计算机，组件采用商用标准化模块，总线采用PC总线形式，同时以多轴运动控制器作为系统从机，进而构成主从分布式的结构体系。

全软件型NC

该类型系统是指CNC的全部功能均由PC实现，并通过装在PC机上扩展槽的伺服接口卡对伺服驱动等进行控制。其软件的通用性好，编程处理灵活。这种CNC装置的主体是PC机，充分利用PC机不断提高的计算速度、不断扩大的存储量和性能不断优化的操作系统，实现机床控制中的运动轨迹控制和开关量的逻辑控制。软件化数控系统把运动控制器以应用软件的形式实现，除了支持数控上层软件的用户定制外，其更深入的开放性还体现在支持运动控制策略的用户定制。同时，软件数控系统更加向计算机技术靠拢，并力图使数控技术成为先进制造上层应用的标准的设备驱动代理。这种结构形式的数控系统，其主要功能部件均表现为应用软件的形式，这是实现形式上的一种技术变革。

NC嵌入PC型开放式数控系统的体系构成

PC-NC开放式数控系统的结构如图1所示。

图1 PC-NC模式开放式数控系统的结构

其构成如图2所示。

图2 PC-NC模式开放式数控系统的构成#p#分页标题#e#

其硬件系统主要由工业控制计算机、运动控制卡、驱动及放大部件、交流伺服电机、位置检测部件、接口控制电路等组成。其中，工业控制计算机为信息管理部分，运动控制卡为运动驱动与算法控制部分。软件系统可采用在Windows2000操作系统下，以Visual Basic或Visual C++等为开发工具采用面向对象的编程方法，对开放式数控系统软件进行开发，实现数控系统的基本功能。

此模式中运动控制卡主要承担实时性任务，如伺服控制、路径规划、可编程逻辑控制;工业控制计算机主要完成系统管理、数控编程、数控仿真、图形插补和人机界面处理、网络功能等非实时任务。工业控制计算机的控制内核是整个数控系统的核心，它通过调用对应于运动控制卡中各种变量和功能的应用程序接口与运动控制卡交换信息，并负责整个系统的协调工作。

数控系统开放性技术关键

在经历了引进和消化吸收两个发展阶段后，我国在数控技术领域取得了突破性的进展，已经实现了自行开发具有自己软硬件版权的数控系统，同时数控系统的开放性研究工作也正在进行。数控系统要实现开放性结构，主要解决以下几个关键性的问题:

制定一个开放式数控系统的制造协议,在系统的应用软件、硬件和网络功能方面形成一整套标准规范，规范系统的软硬件界面和通讯协议，使得控制器制造商和机床生产厂能在制造协议的导航下进行有序的开发和生产，并在此基础上实现广泛的合作。

实现系统硬件的模块化、标准化和系列化，并提高其可靠性和实时性。通过对系统 CPU 结构模式、通讯方式、运动控制和辅助控制等方面进行模块化处理，按功能制作成功能模块并实现标准化和系列化，且各模块单元之间可利用已定义的标准化接口进行通讯。

构造一种独立于硬件系统的软件平台。目前，为减少数控系统软件对于硬件的依赖性，从根本上无法实现软件的开放性，因此开发出一种独立的软件平台是十分必要的。针对数控系统的实时性和多任务性,应构筑一种实时多任务软件平台,并使其基本功能模块化典型化,使各个功能模块实现统一调度和相互独立,这样为不同硬件结构的数控系统提供软件时,只需按其功能配置相应的软件模块，实现软件的独立性和开放性。由于每个功能模块不会对其它功能模块产生影响，因此，用户可按需要编制新的功能模块，添加到系统中,亦可取代系统中现有的功能模块,使得系统具有良好的功能扩展性。

开发出一个优化系统软件，把各种优化技术集成在软件包中。利用该软件来优化配置系统加工参数，使加工过程最优化。分析比较多种智能模块技术，选择出一种重构产品最优控制模块，完成系统的第二次开发。

结语

开放式数控系统是数控技术发展的必然趋势，其给数控系统生产商、机床制造商以及用户都带来了很多好处。而基于PC的开放式数控系统具有较强灵活性，可以充分利用PC机丰富的软硬件资源和强大的技术优势，有利于更完美地实现数控系统的用户界面、图形显示、动态仿真等功能。模块化的程序设计使系统的通用性、扩展性和可移植性大大增强，有利于系统的功能扩展。