开放式软CNC发展趋势及其体系结构的研究
开放式网络化数控技术及其发展趋势
开放式网络化数控技术及其发展趋势Newmaker1 引言20世纪90年代，国外的数控系统完成了从16位机向32位机和伺服驱动从直流式向交流全数字式的转变，数控系统体系结构从封闭转向开放，从而使数控系统可充分利用计算机技术的丰富资源，能根据控制对象的要求迅速、灵活地更换软硬件，并能及时吸收新技术，使得数控技术发展步伐加快，开发周期缩短。
从2000年美国芝加哥国际机床展和2001年北京国际机床展等展览会中，可以看出数控技术及数控机床发展的一些最新趋势为：开放式智能化的数控系统成为数控技术的发展方向；5轴联动加工兴起，所谓“高速即意味着5轴”；数控加工网络化，提高了机床的生产使用效率；以高速主轴和直线电机的应用为特征，高速加工进一步向纵深发展；车铣复合加工中心更具前途；“软”数控技术发展，基于工业PC机、PCI/ISA总线、通用操作系统+实时内核的数控系统大量涌现。
2 开放式网络化数控的基本概念开放式数控系统的本质是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，形成系列化，并可将用户的特殊应用集成到控制系统中，实现不同品种、不同档次的开放式数控系统。
IEEE关于开放式系统的定义是：开放式系统能有效地运行于不同的平台之上，可以与其他应用系统相互操作，并提供与用户交互的统一风格，即所谓互操作性、可移植性、可伸缩性和可互换性。
随着计算机软硬件技术的发展，目前对开放式系统最新的具体的看法包括：(1) 开放式控制系统的硬件和软件都应是柔性的，它允许改变硬件的基本配置，而软件更在所有控制级别上可以改变。
(2) 开放式结构系统的软硬件必须是真正“即插即用”的，如果产品必须被“召回”以安装新的硬件和软件，那就不是真正的开放。
(3) 控制器必须是标准化的，以使第三方能在此基础上参与新硬件和新软件的开发。
(4) 开放式系统允许第三方软件作为系统的部件增加进来，也就是说它是一个标准系统，在这个标准上系统能在部件级别上与其他部件集成，并能共享数据。
开放式数控系统的体系结构及关键技术研究的开题报告
开放式数控系统的体系结构及关键技术研究的开题报告一、课题研究背景和意义随着信息技术和先进制造技术的快速发展，数控系统已成为现代制造业的基础设施，广泛应用于航空、航天、汽车、机械、电子等领域。
当前，数控系统正面临着日益增长的需求和多样化的应用场景的挑战。
传统的数控系统在开发、维护和升级方面存在诸多问题，如硬件平台封闭、软件开发复杂、升级成本高等。
为解决这些问题，国内外学者开始研究基于开放式结构的数控系统。
开放式数控系统作为数控系统的新型重要结构，具有极大的应用潜力和研究价值。
本研究拟就开放式数控系统的体系结构及关键技术进行深入研究，探讨其在制造业中的应用前景、优势和不足，并寻求解决方案，加强我国数控技术的自主研发和创新发展。
二、研究内容和方法（一）研究内容：本研究主要围绕开放式数控系统的体系结构和关键技术展开，具体研究内容包括：1.开放式数控系统的基本理论和技术研究，包括系统结构、控制策略、算法设计等方面的研究。
2.开放式数控系统的软硬件设计，建立数控系统的软硬件环境，保证其可扩展性和通用性。
3.开放式数控系统的实现和应用研究，开展数控系统的实际应用试验，探讨其在不同领域的适用性。
（二）研究方法：本研究将采用理论研究方法结合实验研究方法，采用文献查阅、实验探究、数学分析等方法，探索开放式数控系统的理论、实现和应用方面的问题。
三、预期成果和意义（一）预期成果：本研究的预期成果包括：1.开放式数控系统的体系结构和关键技术，系统论述其在制造业中的应用前景、优势和不足，并探讨解决方案；2.开放式数控系统的软硬件设计方案，建立数控系统的软硬件环境，保证其可扩展性和通用性；3.开放式数控系统的实现和应用案例，开展数控系统的实际应用试验，探讨其在不同领域的适用性；（二）意义：本研究将对开放式数控系统的理论与实践方面提供可靠的理论基础与实验数据，有助于推动我国数控技术的快速发展和提升。
同时，本研究成果还有望为制造业创新提供重要的技术支撑和产业优化，促进我国制造业高质量发展。
浅析数控机床的发展进程及趋势
浅析数控机床的发展进程及趋势自20世纪末开始，我国制造业就开始了逐渐由制造大国向制造强国迈进了脚步，机床制造业也跟着取得数控机床快速增长的业绩。
机床是先进制造技术和制造信息集成的重要元素，既是生产力要素，又是重要商品。
机床的发展和创新在一定程度上能映射出加工技术的主要趋势。
数控机床的发展进程自上世纪50年代以来，世界数控机床主要经历了数控NC（NumericalControl）和计算机数控CNC（ComputerNumericalControl）2个阶段。
始于90年代初，受通用微机技术飞速发展的影响，数控系统正朝着以个人计算机(PC)为基础，向着开放化、智能化、网络化等方面进一步发展。
数控机床通常由控制系统、进给伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。
其中进给伺服系统作为数控机床的重要功能部件，其性能是决定数控机床加工性能的极其重要的技术指标。
数控机床的发展趋势进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。
机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。
数控机床正向以下几个方面发展。
(1）高速化：新一代数控机床为提高生产效率，向超高速方向发展，采用新型功能部件主轴转速达15,000r/min以上。
而高速切削是指刀具切削刃相对与零件表面的切削运动速度超过普通切削5～10倍，体现在数控机床上的主轴转速、进给率、运算速度等。
(2）高精度化：当前，在机械加工高精度的要求下，世界各工业强国已经不能满足于精密加工了，而是把超精密加工作为数控机床的未来发展方向。
其精度已经从微米级发展到亚微米级，甚至纳米级。
(3）功能复合化：工件一次装夹，能进行多种工序复合加工，可大大地提高生产效率和加工精度，是机床一贯追求的。
机床已逐渐发展成为系统化产品，用一台电脑控制一条生产线的作业。
开放式软CNC系统的研究
华中科技大学硕士学位论文摘要开放式数控系统是当前数控领域研究的热点，特别是全软件计算机数控系统（软CNC）更是当今数控技术的发展趋势。
SERCOS接口是数字控制系统中连接数字控制器、驱动器、执行机构以及输入输出部件，在彼此间进行实时通讯的国际标准。
SERCOS接口采用光缆将控制部件连接在一起，构成一个封闭的环路。
它可以完成数据的严格实时同步传输，确保系统的同步运行和控制精度。
采用被动式SERCOS接口卡，可以简化参数的设置过程，便于用户进行开发。
论文概述了开放式数控系统的发展概况，着重阐述了基于SERCOS接口的开放式数控体系，在该体系的基础上研究了软CNC的基本功能。
提出以软CNC开放式数控体系来开发鞋楦机控制系统，并结合现有的实际情况，确定了适合本系统的译码函数、插补算法、SERCOS接口卡、驱动器、电机等。
论文介绍了软CNC的软硬件平台的构建，包括SERCOS接口卡，SoftSERCANS 开发软件，以及RTX实时操作系统等。
然后阐述了软CNC在机床上的应用研究，包括译码，数据处理和插补算法等。
论文详述了鞋楦机控制系统的设计过程。
软件开发环境采用在Windows XP中嵌入实时RTX子系统，采用Visual C++ 6.0面向对象编程工具，通过创建共享内存来实现进程间的通讯。
文章的硬件开发环境采用普通PC机中插入被动式SERCOS接口卡。
通过这种软硬件平台来产生控制信号，控制电机的转动，实践证明该方案是可行的。
关键字：软CNC，SERCOS接口，RTX实时操作系统，SoftSERCANS，鞋楦机华中科技大学硕士学位论文AbstractOpen numerical control system is research hotspot of NC field now, especially SoftCNC is the most important part of Open numerical control system.SERCOS interface, a serial real-time communications system, is connection of NC controller, drives, motion unit and I/O unit of NC control system, which are connected by a fiber optical ring. So SERCOS interface can realize real-time and synchronous data transformation, and ensure synchronous motion and control precision of system. Using SERCOS passivity card, can ease its varies parameter, which makes development more simple.This paper depicts the general situation of Open numerical control system and that is focused on an open NC system based on SERCOS interface. With this system, this paper does research for the basic function of SoftCNC and puts forward a Shoe-tree control system with SoftCNC, according to actual situation, find coding function、interpolation arithmetic and choose SERCOS interface card、driver、motor and so on.This paper also introduces the construction of software and hardware platform of SoftCNC, including SERCOS interface card, SoftSERCANS software and RTX real-time operation system and so on. And then, This paper describes the application of SoftCNC in machine tool, including coding、data processing、interpolation arithmetic and so on.In this paper, designing process of the Shoe-tree control system is particular introduced. Software is programmed with Visual C++ 6.0 in Windows XP embedded RTX real-time system, shared memory is created for communication between two processes. Hardware is made up of Personal Computer embedded SERCOS card. So motor is drived by control signal, which is produced by this kind of software and hardware.The result proves that this scheme is feasible.Keywords: SoftCNC , SERCOS interface , RTX real-time operation system,SoftSERCANS , Shoe-tree machine独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
《开放式数控系统可重构技术研究》
《开放式数控系统可重构技术研究》一、引言随着制造业的快速发展，数控系统在机械加工领域的重要性日益凸显。
开放式数控系统作为数控技术发展的重要方向，其可重构性、灵活性和可扩展性成为当前研究的热点。
本文将就开放式数控系统的可重构技术进行深入研究，分析其重要性、现状及发展趋势。
二、开放式数控系统概述开放式数控系统（Open Numerical Control System，ONCS）是一种基于开放架构的数控系统，具有可重构、可扩展、模块化等优点。
与传统的封闭式数控系统相比，开放式数控系统在实现通用性、兼容性和灵活性等方面具有显著优势。
本文研究的重点在于开放式数控系统的可重构技术，该技术有助于实现系统的快速升级、功能拓展以及多轴联动控制等高级功能。
三、开放式数控系统可重构技术研究现状目前，国内外学者在开放式数控系统可重构技术方面取得了诸多研究成果。
从硬件角度来看，研究主要集中在高性能的控制器、高精度的传感器以及高效率的驱动器等方面。
从软件角度来看，研究则集中在模块化设计、多任务调度、实时性保障以及可重构算法等方面。
此外，国内外许多知名企业和研究机构都开发了各自的开放式数控系统平台，为可重构技术的研究提供了丰富的实践经验和理论基础。
四、开放式数控系统可重构技术的关键问题在开放式数控系统的可重构技术中，存在一些关键问题需要解决。
首先，如何实现系统的快速重构，以满足不同加工需求和工艺要求；其次，如何提高系统的模块化程度和兼容性，以降低系统的复杂性和维护成本；再次，如何保障系统的实时性和稳定性，以确保加工过程的顺利进行；最后，如何实现系统的智能化和自动化，以提高生产效率和加工质量。
五、开放式数控系统可重构技术的解决方案针对上述关键问题，本文提出以下解决方案：1. 优化模块化设计：通过优化模块化设计，将系统划分为多个独立的模块，每个模块具有特定的功能。
这样可以根据实际需求进行快速重构和功能拓展。
2. 引入先进的算法：通过引入先进的可重构算法和优化策略，实现系统的快速重构和实时响应。
基于STEP-NC的开放式CNC系统研究
基于STEP-NC的开放式CNC系统研究STEP-NC（STEP Numerical Control）是一种基于ISO 10303标准的CNC（Computer Numerical Control）编程系统。
它通过采用开放式的标准化软件平台，实现了CNC系统的开放性和互操作性，为制造业提供了更加灵活和高效的生产方法。
传统的CNC系统使用G代码进行编程，但由于G代码的编写需要专门的知识和技能，且缺乏灵活性和可扩展性，限制了CNC系统的发展。
而STEP-NC通过将设计数据和制造过程信息进行统一的数据模型化，实现了从CAD（Computer-Aided Design）数据到CNC控制器的无缝集成。
与传统的G代码相比，STEP-NC提供了更加直观和易于理解的机床控制指令。
使用STEP-NC编程，可以直接从CAD模型中提取加工特征，并将其转化为机床控制指令。
这种直接从CAD模型生成加工指令的方式，不仅减少了编程的复杂性，还提高了编程的效率和精确度。
STEP-NC还支持在加工过程中实时控制和监测，可以通过传感器获取加工过程的实时数据，并将其反馈给CNC控制器，实现加工参数的自动调整和优化。
这种实时控制和监测的能力，使得CNC系统可以根据实际加工情况进行自适应控制，提高了加工的稳定性和质量。
STEP-NC还可实现CNC系统之间的互操作性。
不同厂家的CNC系统可以通过STEP-NC 进行数据交换和协作，实现机床和工序之间的无缝集成。
这种互操作性使得制造企业能够灵活地选择不同供应商的机床和CNC系统，同时还能够在不同的CNC系统之间共享和重复利用制造数据，提高了生产效率和资源利用率。
基于STEP-NC的开放式CNC系统已经在许多国家的制造业中得到了广泛的应用。
德国的工业4.0倡议提出了使用开放式标准和平台的智能制造解决方案，而STEP-NC正是这种解决方案的重要组成部分。
在中国，STEP-NC也已经得到了广泛的研究和应用，但在实际生产中的应用还存在一些挑战，例如CNC系统的兼容性问题和人员培训问题等。
开放式数控系统体系结构
专用型CNC系统的软件结构（一）
前后台型结构模式 这种模式的特点是，前台程序是一个中断
服务程序，它几乎承担了系统的全部实时功能 （如插补、位控等），而调度管理和人机交互 则在背景程序中完成。背景程序是一个循环运 行程序，在其运行过程中，前台实时中断程序 不断插入，共同完成数控加工任务。
专用型CNC系统的软件结构（二）
开放式数控系统的特征（三）
互换性 互换性要求构成数控系统的部件在功能、
性能或可靠性等要求不同时，能够用另种部件进 行替换。互换性使得一个数控系统不再是专有的， 它可以由来自不同厂家的不同部件所构成。这对 提高数控系统的性能价格比具有重要意义。
开放式数控系统的特征（四）
互操作性 互操作性表征了构成系统内部的各个部件
专用型CNC系统的体系结构
硬件结构
– 总线独用型 – 单总线带宽分用型 – 多总线结构型
软件结构
– 前后台型 –）
总线独用型 系统只有一条总线，有一个CPU能够控制
总线，占用总线资源，分时处理数控的各个功 能和任务。这一类型可以有一个以上的CPU， 但其它CPU只是作为一个智能的功能部件，不 能控制系统总线，不能访问主存储器。
（四）智能化技术广泛应用
为追求加工效率和加工质量的智能化 为提高驱动性能方面的智能化 简化编程、简化操作方面的智能化 加工过程控制方面的智能化
开放体系结构数控系统的研究
美国的NGC和OMAC计划 欧盟的OSACA计划 日本的OSEC计划
The Next Generation Workstation/Machine Controller
OSEC参考结构
开放式数控系统的概念
IEE（国际电气电子工程师协会）对开放式 数控系统的定义是：“符合系统规范的应用可以 运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它的 系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互 界面”。
浅谈开放式数控系统的现状和发展趋势
目前 ，国际上 与开放 式数 控研 究 相关 的报导 不 少 ，最 有代表性 的仍是美国的 Ｎ Ｃ和 Ｏ Ｃ计划 、欧 Ｇ ＭＡ
盟 的 Ｏ Ａ Ａ计 划以及 日本的 Ｏ Ｅ ＳＣ Ｓ Ｃ计 划 这三个计划
数控 系统提 出 的挑 战。
１． 放 式数 控系统 的 概念 和 特 点 开
和系统平 台 ．控 制软件包 括所 有对 系统专 用 的功能 ． 数 控 系统 研究 的 日益 深入 ．我 国 的相 关研 究也 越来
独立 的应用模块使用 ＯＳ Ａ界面 ，并且可 以运行在 越受到重视 。经过 多年 的技 术攻关 ．已经 有一批产 品 ＡＣ
和 Ｏ Ａ Ａ兼容 的系统平 台之 上。 日本的 Ｏ Ｅ ＳＣ Ｓ Ｃ计划是 和成果涌现 出来 。在这些产 品中 ．有些是将原 有的系
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翻埯轼僻 粥＃遇垃Ｉ．糊鬃，孰健徽撬 ＝ ＿ ｜ ： 嘻 蟪ｔ
块 化组织结 构 ，允许 用户 根据需要进 行选配 和继 承 、 更 改或 扩展 系统 的功 能 ，以便 迅速适 应不 同 的应 用 需 求。因此 ｌ Ｅ Ｅ 标准定义开放式数控系统能够在多种 Ｅ 平 台上运 行 ，可 以和其他 系统 相互操 作 ，并能给用户
２ 一 Ｏ 。随着制造商对产 品复杂程度和精度要求 的 Ｏ ３％ 提 高 以及 对 产 品生产 成本 的降 低 对 数控 机床提 出 了更高 的要 求 ，而这 种不 断增 高 的要 求主要 不是 针 对 机械 系统 的要 求 ，而 是对数 控机 床 的内外 发展 现状 开
阳计 算所 的蓝 天 系列 等 。 武汉 华 中数 控股份 有限公
建立的开放 式数控委员会 （ ｐｎ Ｎ Ｓ ｏ ｅ ａｄ Ｄ － 司推 出的华 中 Ｉ Ｏ ｅ Ｃ ｃ ｐ ｎ ｉ 型数 控系统 ．是利 用 Ｐ 平 台通过 串 ｃ
开放式数控系统软件体系结构分析
第二层:
控制装置在明确固定的拓扑结构下允许替换、增加NC核心 中的特定模块以满足用户的特殊要求 第三层:
拓扑结构完全可变的“全开放”的控制装置
车间网络服务器
操作员
物料小车
操作员
操作员
车间网络服务器
管理者
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局域网
局域网
远端培训人员
远端制造客户
远期工作目标
开放式数控系统
（跨平台、全模块化）
基于DSP的运动控制
--运动控制算法及对象建模
简单控制与复杂控制 几种运动控制系统实现方法 业界最具竞争力的数字电动机控制 芯片—TMS320x24x 伺服算法
针对不同的电动机建立控制模型。
运动控制的种类
简单控制
对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序 控制。可以通过继电器、可编程控制器和开关 元件实现。 对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流、 功率等物理量进行控制。
基于实时多任务Linux数控系统参考体系结构
用于数控实时多任务Linux系统体系结构
实时内核 + Linux常规核心
支持占先式优先级
通用Linux核心功能： 进程管理 内存管理 文件系统管理 TCP/IP网络功能 。。。
基于实时多任务Linux数控系统参考体系结构
数控系统非实时应用程序 操作系统API 级本库和扩展库支持（C语言、图形、网络） 数控系统实时任务 实时调试 监视器 实时 API 实时设备 驱动程序
基于实时多任务Linux数控系 统参考体系结构 CNC软件特点
数控软件体系结构分析
传统数控装置组成
程序编制 输入装置 数控装置CNC
《开放式数控系统可重构技术研究》
《开放式数控系统可重构技术研究》一、引言随着制造业的快速发展，数控技术已成为现代制造业不可或缺的核心技术。
开放式数控系统作为一种新型的数控系统，具有高度的灵活性、可扩展性和可重构性，已成为当前数控技术研究的热点。
本文将就开放式数控系统的可重构技术进行深入研究，探讨其技术特点、应用现状及未来发展趋势。
二、开放式数控系统的技术特点开放式数控系统是一种基于开放标准、模块化设计、可扩展和可重构的数控系统。
其技术特点主要表现在以下几个方面：1. 开放标准：开放式数控系统采用开放的标准和协议，使得系统具有高度的灵活性和可扩展性。
2. 模块化设计：系统采用模块化设计，方便用户根据实际需求进行定制和扩展。
3. 可重构性：系统结构具有可重构性，能够适应不同类型和规模的加工需求。
4. 高性能：系统具有高精度、高速度、高效率的特点，能够满足复杂加工的需求。
三、可重构技术研究现状可重构技术是开放式数控系统的核心技术之一，其主要研究内容包括系统架构、硬件设计、软件编程和系统集成等方面。
目前，国内外学者对可重构技术进行了广泛的研究，取得了一定的成果。
在系统架构方面，研究者们提出了多种可重构数控系统的架构，如分层式、模块化、分布式等。
这些架构能够有效地提高系统的可重构性和灵活性。
在硬件设计方面，研究者们关注于如何设计高效的硬件接口和控制器，以提高系统的性能和可靠性。
同时，为了方便用户进行系统扩展和定制，研究者们还设计了一系列易于使用的硬件模块。
在软件编程方面，研究者们主要关注于如何实现高效、稳定、可靠的编程环境和编程工具。
同时，为了方便用户进行系统开发和维护，研究者们还开发了一系列编程语言和开发工具。
在系统集成方面，研究者们致力于将硬件和软件进行有机集成，以实现系统的整体性能最优。
同时，为了方便用户进行系统调试和维护，研究者们还开发了一系列系统集成工具和技术。
四、可重构技术的应用可重构技术在开放式数控系统中的应用非常广泛。
首先，它可以方便地实现系统的升级和扩展，以满足不断变化的加工需求。
开放式数控系统
摘要随着现代制造业的快速发展，传统数控系统兼容性差、功能不易扩展、人机界面不灵活等缺点日益显现，数控系统的开放化已成为数控技术的主流。
开放式数控系统的研究目的是开发一种模块化、可重构、可扩充的控制系统结构，以增强数控系统的功能柔性，在体系结构上给用户二次开发留有更多的余地，从而快速地响应新的加工需求。
本文阐述了数控技术的发展过程，介绍了国内外开放式数控系统的发展现状和发展趋势，指出研究和开发开放式数控系统的必要性。
在分析目前应用比较广泛的OSACA 开放式体系结构的基础上，建立了基于PC+运动控制器的开放式数控系统的软硬件结构，并重点介绍了系统软件的构成与实现。
系统软件设计采用模块化结构，如：总体调度模块、参数模块、软PLC模块、NC模块，客户界面模块等。
各个模块之间通过标准的接口协调工作，共同完成数控系统的功能。
该系统是一个能够同时完成程序译码、插补运算、系统管理、伺服控制等任务的控制系统，具备了一般商用数控系统的通用功能。
如果需要对系统的功能进行调整，只需要增减功能模块即可，体现出了系统开放性、灵活性的特点。
最后以系统研究为背景，将开发出的数控系统应用在铣床数控化改造中。
实践证明，以工控机和运动控制器为控制系统的核心控制器，不仅可以大大的简化系统的开发周期，实现资源的合理配置，而且，系统开发者和机床用户可以将自己的特殊的加工工艺、管理经验和操作技能纳入控制系统形成自己的产品特色。
关键词：开放式数控系统，模块化结构，运动控制器Development and Research of Open CNC System with 8-AxisAbstractWith the rapid development of modern manufacturing, the weakness of traditional CNC system becomes apparent increasingly, such as compatibility, expandability and inflexible human-machine interfaces and so on. The research of Open CNC Systems is becoming one of the most important directions of CNC technology. The purpose of studying Open CNC System is to build a modular, reconfigurable and expandable control system. So the functional flexibility of the CNC system can be improved, the systems are enabled to be re-developed. And some new demands of the producing can also be responded quickly.Through the discussing of the different courses of the NC technology and the introduction of the status of research in the Open CNC System field, the need of researching and exploiting open CNC system is brought forward. The hardware and software configuration of CNC system based on PC + Motion Controller are build with analyzing the most popular open CNC architecture——OSACA. Then that how to build the software is mainly discussed. Modularization is the idea of the software’s project, such as Main interface module、parameter module、soft-PLC module、NC module、HMI module in the paper. These function modules with standard interfaces will work coordinately. The CNC system discussed by this paper is a real time and multi-task control system.It can deal with coding interpretation, interpolation, system management and servo control simultaneity. It has the function of general commercial CNC system. The function modules can be added or deleted if some adjustments want be done to the system, which shows the opening and flexibility of the system.The CNC system is used in the numerical renovation of Milling Machine in order to research the system. Not only the CNC system based on PC and Motion Controller shortens the exploitive cycle, achieving resource rational configuration, but also the CNC developer and customer can bring their technologies, experiences and skills into the open CNC system.Key Words：Open CNC System，Modularization Architecture，Motion Controller目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 数控系统的发展概况 (1)1.2 开放式数控系统概述 (2)1.2.1 开放式数控系统的定义 (2)1.2.2 开放式数控系统的特点 (3)1.2.3 开放式数控系统的体系结构 (3)1.3 开放式数控系统的发展 (7)1.3.1 国外开放式数控系统的发展状况 (7)1.3.2 国内开放式数控系统的发展状况 (9)1.4 课题的产生及意义 (11)1.5 课题的研究方法和内容 (12)2 数控系统的总体设计 (13)2.1 系统的设计目标 (13)2.2 数控系统硬件结构设计 (13)2.2.1 系统硬件的总体设计及实现 (13)2.2.2 工控机的选型 (15)2.2.3 运动控制器的选型 (16)2.3 数控系统软件结构设计 (17)2.3.1 系统软件的总体设计 (17)2.3.2 系统中各模块的功能概述 (18)2.3.3 系统中各模块的关系 (19)3 参数模块设计 (21)3.1 参数模块的设计要求 (21)3.2 参数模块的结构 (21)3.3 参数设置模块的拓扑结构 (22)3.4 参数设置模块的功能细分 (23)3.5 参数设置模块的实现 (24)4 软PLC模块的设计 (27)4.1 软PLC技术及特点 (27)4.2 软PLC模块的组成及工作流程 (27)4.3 软PLC模块的变量设计 (30)4.4 软PLC模块控制程序的设计 (32)4.5 软PLC模块解释程序的设计 (38)5 NC模块的设计 (43)5.1 NC模块的功能描述 (43)5.2 NC模块的程序流程 (43)5.3 NC模块解释程序设计 (45)5.3.1 数控加工程序的结构与格式 (45)5.3.2 解释程序的实现 (46)5.4 NC模块运动执行程序设计 (51)5.5 实时多任务的实现 (53)5.5.1 系统线程的总体设计 (53)5.5.2 系统线程的具体实现 (55)6 客户界面模块的设计 (56)7 结论 (63)参考文献 (64)在学研究成果 (67)致谢 (68)1 绪论1.1 数控系统的发展概况数控技术集传统的机械制造技术、计算机技术、信息处理技术、网络通讯技术、成组技术、现代控制技术、传感检测技术、微电子技术、液压气动技术、光机电技术于一体，是现代制造技术的基础[1]。
开放式数控系统的发展现状探究
Research and Exploration |研究与探索•探讨与创新开放式数控系统的发展现状探究孙晓丽(苏州技师学院，江苏苏州215000)摘要：开放式数控系统是在原有数控系统的基础上发展起来的，我国也引入了这一先进技术，并且在实际生产中有了 一定的应用。
本文总结了目前我国开放式数控系统的发展现状，进而通过对开放式数控系统的深入分析，阐述了其未来发 展的方向。
关键词：数控系统；开放式；开放式数控中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1671-0711 (2017) 07 (上）-0220-02数控系统能够很好地将计算机技术、微电子技术 和自动化技术融合在一起，在很多控制系统中都有着广 泛的应用。
其具有智能化、集成化和自动化等明显的特 点，在促进生产方面起到了重要的作用。
而为了更好地 满足市场的需求，开放式数控系统应运而生，本文围绕 开放式数控系统展开了讨论，从而能够使得人们更加深 入地认识开放式数控系统。
1开放式数控系统的发展现状随着我国科学技术的不断发展，在一定程度上促 进了开放式数控系统的产生和发展，为生产提供了更好 的技术支持。
我国为了更好地提高生产效率，在一些工 业生产方面开始尝试使用开放式数控系统。
本文经过分 析和论述，总结了目前开放式数控系统的发展现状，主 要体现在以下几个方面。
1.1模块化和集成化随着电子技术发展，目前的开放式数控系统已经 能够很好地将模块化和集成化进行统一。
一般来讲模块 化主要是为了使得不同的功能零件独立开来，将不同的 功能划分为比较小的模块，各个模块之间具有一定的通 信方式，而模块之间具有相对独立性的特点；集成化主 要是指各个模块之间集成在一起，作为一个整体对外提 供服务。
因此，可以说模块化和集成化是两个互斥的方 向，但是在开放式数控系统中，能够很好地将这两个特 点进行统一，进而能够更好地促进开放式数控系统在生 产过程中的应用。
1.2基于软芯片的开放式数控系统基于软芯片的开放式数控系统，其主要特点就是 能够将数控系统的功能进行封装，对外是一个黑盒子，人们无法了解其内部的实现逻辑。
开放式数控系统的现状与趋势
开放式数控系统的现状与趋势开放式数控系统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，如图1所示。
从图1可见，开放式数控系统的结构是面向软件配置的，可以由用户自行定义接口和软件平台，不断将功能集成到控制系统中，构成网络化的制造环境。
将控制系统硬件和软件完全分开，可以根据需要和技术的发展对相应硬件或软件分别升级。
这一点对于机床制造商和用户都是非常有利的。
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，如图2示。
2 开放的标志和内涵数控系统的开放成度可从以下4方面来加以评价。
（1）可移植性。
系统的应用模块无需经过任何改变就可以用于另一平台，仍然保持其原有性能。
（2）可扩展性。
不同应用模块可在同一平台上运行，相互不发生冲突。
（3）可协同性。
不同应用模块能够协同工作，并以确定方式交换数据。
（4）规模可变。
应用模块的功能和性能以及硬件的规模可按照需要调整。
实践证明，控制系统的开放程度将涉及人机界面、控制核心和整个系统：（l）开放的人机界面。
“开放”仅限于控制系统的非实时部分，可对面向用户的程序作修改。
（2）开放的控制核心（数控和可编程控制等）有限度开放。
虽然控制核心的拓扑结构是固定的，但可以嵌人包括实时功能的用户专用过滤器。
（3）开放的控制系统。
控制核心的拓扑结构取决于过程，内部可相互交换、规模可变、可移植和可协同工作。
开放式数控系统的构建及其关键技术研究
开放式数控系统的构建及其关键技术研究一、本文概述随着制造业的快速发展和智能化转型的深入推进，数控技术作为现代制造业的核心技术之一，正面临着前所未有的发展机遇和挑战。
开放式数控系统作为一种新型的数控系统架构，以其灵活性、可扩展性和开放性等特点，成为了当前数控技术研究的热点和前沿。
本文旨在探讨开放式数控系统的构建方法及其关键技术，以期为提升我国制造业的智能化水平和核心竞争力提供理论支持和技术指导。
本文首先对开放式数控系统的基本概念和特征进行阐述，明确其在现代制造业中的重要地位和作用。
然后，重点介绍开放式数控系统的构建方法，包括硬件平台的选择、软件架构的设计、功能模块的开发与集成等方面。
在此基础上，对开放式数控系统的关键技术进行深入分析，如实时控制技术、网络通信技术、数据处理技术等。
这些技术是实现开放式数控系统高效、稳定、安全运行的关键所在，也是本文研究的重点。
本文还将对开放式数控系统的应用案例进行介绍，以展示其在实际生产中的应用效果和优势。
对开放式数控系统的发展趋势和前景进行展望，以期为相关领域的研究和实践提供有益的参考和启示。
通过本文的研究，旨在为我国制造业的智能化转型和数控技术的发展提供理论支持和技术指导，推动开放式数控系统在制造业中的广泛应用和深入发展。
二、开放式数控系统的总体架构开放式数控系统的总体架构是构建高效、灵活和可扩展数控系统的关键。
它基于模块化和标准化的设计原则，旨在实现数控系统硬件和软件资源的最大化共享和互换性。
该架构的核心思想是将数控系统的各个功能组件划分为独立的模块，并通过标准化的接口进行连接和通信，从而形成一个开放、可重构的数控系统平台。
在硬件层面，开放式数控系统采用模块化的设计，将数控系统的各个功能模块如控制器、驱动器、传感器等设计成独立的硬件模块，并通过标准化的接口进行连接。
这种设计使得用户可以根据实际需求，灵活地选择和配置硬件模块，实现数控系统的个性化定制和扩展。
在软件层面，开放式数控系统采用分层的架构设计，将数控系统的软件功能划分为多个层次，如设备驱动层、控制算法层、用户界面层等。
开放是CNC未来必然发展趋势分析
开放是CNC未来必然发展趋势概要传统的CNC的封闭已经越来越不能满足今天的客户需求，开放架构是未来的必然，本文从传统系统、CNC和机器人领域客户需求的变化、控制技术变化、技术实现向您阐述开放的CNC是未来必然发展。
传统的CNC和机器人系统都是专用系统对于传统的CNC和机器人系统而言，有几点特殊的需求使得其本身相较于通用的机器控制系统构成特殊性，首先：由于本身涉及软件算法的复杂性，使得其控制器本身的开发必须较之其它机器需要更高的复杂算法设计与处理能力，其次，本身对于运动轴控制的响应速度的要求，使得其对通信总线较之其它行业更高。
再者，为了画面功能的设计和控制的执行，通常会使用控制器和基于Windows的显示终端，而这些需求，对传统意义的PLC、基于嵌入式系统设计的HMI、现场总线技术均无法满足，这使得CNC和机器人的控制系统在硬件设计上就与通用的控制系统如PLC和IPC有较大的不同，因此，其属于专用的处理系统。
另外，为了确保在技术上更为牢靠的锁定客户，开发者设计了封闭的软件系统，造成了客户的二次开发具有较大的不便利，只能依赖于厂商功能的开发。
在现有系统解决新需求所遇到的困难需求是最重要的市场驱动力，生产本身在精度和速度方面提出了更高的需求，这仅仅是变化的一部分，更为重要的在于IT技术所带来的革命性影响，这表现在以下几个方面：1.设备与管理系统的集成随着CIMS、ERP技术等在汽车、电子与半导体、电梯、重工机械领域的应用，数控加工单元、机器人系统必须融入到生产中，而不能孤立的一个单元，订单所生成的加工信息可以通过垂直的以太网下发到每个加工单元，并将生产及工艺、品管数据回馈以利于生产计划与调度，这使得需要设备更为开放的集成如以太网技术、OPC-UA、ActiveX以及新的图形接口技术，这些，提出了更为全新的需求：a.开放的开发架构，例如对于C,C++或OpenGL等的集成能力；b.开放的软件接口，基于三维的软件或其它造型软件的集成接口能力；c.设备互联所需的通用接口技术、软件集成能力。
CNC系统体系结构开发的设计
摘要随着数控加工技术的发展和复杂曲面零件的广泛应用，数控系统被广泛应用于机械、电子、计算机、自动控制、检测等各个领域，开放式数控系统的研究目的是要建立一种新型的模块化、可重构、可扩充的控制系统机构，以增强数控系统的功能柔性，能够快速而经济地响应新的加工需求。
本文围绕着开放式CNC （Computer Numerical Control）系统设计中的若干关键技术，从体系结构分析、系统硬件结构地开放化设计等方面进行了研究。
全文主要研究工作如下：系统研究了基于PC的开放式CNC系统的关键性基础问题:CNC 体系结构的概念及其对系统性能和发展的重要性，现有CNC系统体系结构的特点和缺陷，CNC系统体系结构开放的必要性、开放的理念和目标以及实现开发的途径。
在需求分析的基础上，谈论了开放式CNC体系结构的设计原则和概念模型。
对开放体系结构CNC系统的开放特性需求，研究讨论了基于CAN总线的模块化体系结构以及各功能模块。
关键词: 数控系统开放体系结构 CAN总线 PCI总线AbstractWith the development and broad used of CNC technology and complex curves, openCNC system base on PC has been used in machine, electron, computer, autocontrol, inspectevice etc. The research purpose of open CNC system is to build a modular, reconfigurableand expandable architecture of CNC systems to improve the system's flexibility, and enablethe systems to be re-developed. As a result, CNC systems can be responsive to the marketquickly and economically.In this thesis, some key aspects and technology on the design of openarchitecture CNC systems are researched, including system architecture analysis. openhardware structure design, driver developing, curve interpolation technology in motioncontrol, etc. Following are the main works and results:thefeatures and drawbacks of current architecture, and why and how for CNC systems to be open.Some principles and a concept model for open architecture systems are proposed which canbe used as the guidance of detailed design of the software and hardware.Design methods of the modular system and its function modules base on CAN-busand PCI-bus are presented in details.Keyword: CNC Open-architecture CAN-bus PCI-bus目录前言 (6)1.数控技术产生的背景 (6)2.开放式数控系统结构的产生背景 (6)3.本课题的来源和研究意义 (7)1.数控系统的发展 (8)1.1 数控系统的发展历史 (9)1.2 开放式数控系统的研究 (9)1.2.1开放式数控系统的研究发展 (9)1.2.2国产数控系统技术的发展 (12)2.开放式数控系统的理论研究 (12)2.1开放式数控系统体系结构 (12)2.1.1开放体系结构的概念 (12)2.1.2 开放式数控系统体系结构的开放途径 (13)2.1.3 基于PC的开放式体系结构 (14)2.2 运动控制器原理 (15)2.3 开放式CNC系统的概要设计 (17)2.3.1开放式CNC系统的需求分析……………………………172.3.2开放体系结构CNC系统的设计原则……………………182.3.3基于PC的开放式数控系统的体系结构………………192.3.4运动控制卡的硬件结构设计 (20)2.3.5软件整体规划 (21)本章小结 (22)3.常见的开放式数控系统的体系结构及特征 (23)3.1数控系统硬件开放的要求与实现技术………………………233.1.1标准化总线技术 (23)3.1.2 CAN总线原理与特点 (26)3.1.3 DSP芯片原理 (29)3.1.4接口的模块化设计 (31)3.1.5基于PC的开放式设计 (31)3.2基于PC的开放式CNC系统运动控制卡的硬件设计 (32)3.2.1运动控制卡微处理器的选择 (32)3.2.2运动控制卡和上位机通讯设计 (32)3.2.3 DSP和计算机通讯设计 (34)3.2.4 DSP和CAN总线的通讯设计 (34)3.3数控系统其他硬件模块设计 (35)3.3.1伺服接口模块设计 (35)3.3.2 PMC模块设计 (35)3.3.3操作面板I/O模块设计 (36)本章小结 (36)4.结论和展望 (37)4.1结论 (37)4.2展望 (38)参考文献 (38)致谢 (39)基于PC的数控系统设计前言1.数控技术产生的背景科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。
世界数控系统发展趋势1
世界数控系统发展趋势趋势之一：数控系统向开放式体系结构发展20世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的更新换代。
世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。
开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易的实现智能化、网络化。
近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心(NCMS)与空军共同领导的“下一代工作站/机床控制器体系结构”NGC，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”OSACA，日本的OSEC计划等。
开放式体系结构可以大量采用通用微机技术，使编程、操作以及技术升级和更新变得更加简单快捷。
开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，数控系统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行的系统集成，同时它也为用户根据实际需要灵活配置数控系统带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，开发生产周期大大缩短。
同时，这种数控系统可随CPU升级而升级，而结构可以保持不变。
趋势之二：数控系统向软数控方向发展现在，实际用于工业现场的数控系统主要有以下四种类型，分别代表了数控技术的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。
传统数控系统，如FANUC 0系统、MITSUBISHI M50系统、SINUMERIK 810M/T/G系统等。
这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。
目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。
但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在受到挑战，已逐渐减小。
“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统，如FANUC18i、16i系统、SINUMERIK 840D系统、Num1060系统、AB 9/360等数控系统。
这是一些数控系统制造商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品。
开放式数控系统软件体系结构分析共51页文档
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过
数控技术大作业——CNC装置未来的发展方向和动态
数控技术——大作业1 CNC装置未来的发展方向和动态目录前言 (3)一、CNC装置硬件结构最新发展主要技术特征 (3)1. 高速化发展 (3)2. 柔性化和集成化 (4)3. 高精度发展 (5)4. 高可靠性发展 (6)5. 复合化发展 (6)6. 多轴化发展 (7)二、CNC装置的软件功能扩展 (7)1. 智能化发展 (7)2. 网络化发展 (9)3. 开放式发展 (10)总结 (10)前言CNC（数控机床）是计算机数字控制机床(Computer numerical control)的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。
该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。
数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进步提供了条件。
数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术, 是现代化工业生产中的一门发展十分迅速的高新技术。
数控装备是以数控技术为代表的新技术, 应用于传统制造产业和新型制造业形成的机电一体化产业, 即所谓的数字化装备。
进入20 世纪90 年代以来, 由于计算机技术的飞速发展, 推动了数控机床技术更快的更新换代。
除了对数控机床技术指标如高速化、高精度和可靠性的进一步提高以外，世界上许多数控系统生产厂家利用PC丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。
开放式体系结构使数控系统具有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性, 并向智能化、网络化方向发展。
一、CNC装置硬件结构最新发展主要技术特征1.高速化发展机床向高速化方向发展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。
超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。
20世纪90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。
高速主轴单元（电主轴，转速15000～100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60～120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。
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开放式软CNC发展趋势及其体系结构的研究王世寰,王永章,付云忠(哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150001)摘要:本文在对开放式数控系统现状的深入分析的基础上,根据当前制造业发展的特点,提出未来开放式数控系统应该以实现面向最终用户的功能可扩展为发展目标,并据此提出了新的三层开放式软CNC的体系结构。
关键词:开放体系结构;计算机数控系统;可扩展;知识制造Research on the Development Trend and Structure of Open-architecture Soft CNCW ANG Shi-huan,WANG Yong-zhang,FU Yun-zhong(Harbin lnstitute of Technology,Harbin150001,China)Abstract:Based on the situation analysis of open architecture C NC and the characteristics of the develop ment of manufacturing,The as-sume was presented that realizing extensible control function towards the users should be considered as the target of open architecture C NC in the future.with this assume,a kind of3-tier software structure of the system was presented.Keywords:Open-architecture;CNC system;Extensible;Knowledge-based manufacturing在信息技术领域进步的带动下,目前制造技术正经历着第三次革命,标准化、开放化的要求日益强烈,这就要求新一代数控体系结构的出现[1]。
美国、欧盟、日本都成立了开放式数控的研究机构,它们的发展计划的代号分别为OMAC、OSACA和OSEC。
迄今为止开放式数控系统还缺乏统一、明确的概念内涵。
一般认为,开放式数控系统应具有以下几个方面的基本特征,即可互换性、可伸缩性、可移植性、互操作性和可扩展性。
其中,对于可扩展性的着重点存有分歧,只是笼统的定义为可由用户或集成商扩展部分部件,使控制器具有增强的性能表现。
这个争议的结果影响到了开放式数控系统的发展目标的制定,导致了开放式数控系统体系结构的多样性。
1开放式数控系统的分类及发展现状依照目前提出的开放式数控系统的发展目标将其分成两类,相应的开放系统的结构体系也分为两种类型,其根据是开放系统的功能可扩展性只是针对系统制造商还是直接面向最终用户。
OSEC和OSACA属于前者,OMAC则属于另一类。
将分别予以阐述。
111面向最终用户的开放式控制系统的现状OMAC没有公布它的体系机构参考规范,而是首先着重于实现技术的研究,力图尽快建立起一组公共的、具有开放性特征的应用程序接口(API)[2]。
由于OMAC的成员是控制器的用户而不是开发商,这就决定了其性质和目的,从而也就决定了它产品化、实用化步伐不可能很快。
事实上美国工业界认为OMAC是一种概念,而不是一种控制器或标准[3]。
图1只是OMAC开放式控制器的实现结构。
112针对系统制造商的开放式控制系统的发展现状11211OSEC。
OSEC体系结构只定义了逻辑功能模块的服务内容和消息接口协议,由控制器厂商进行这些功能模块的个性化实现。
符合接口协议的功能模块,在OSEC控制器中可以/插入即用0。
这些功能模块并不形成层次结构,而是通过OSEC API形式的消息通信连接起来[2]。
11212OSACA。
OSACA认为:开放式系统由一组逻辑上相互分离的成分组成。
系统明确定义了这些成分之间的接口以及这些成分实现平台之间的接口。
以便在构成一个完整、正确的功能化控制时,不同厂家的成分能相互合作,进行有意义的组合,并且能在各种平台上运行。
系统的接口具有统一的标准[4]。
图1OMAC开放式控制器的实现结构图2OSACA控制系统体系结构系统平台通过一组标准的应用程序接口(API)向应用软件提供服务,这组API 通过服务的标准化,隐藏了系统平台的个性化特征,使得应用软件中的体系结构对象(AO)是/完全平台无关的0。
AO 是OS -ACA 应用软件的基本软件单位,也是控制系统的控制功能执行体。
OSACA 的开放性特征实际上主要是通过支持AO 的开放性实现的。
图2为OSACA 控制系统体系结构简图。
OSACA 应用软件中主要包括五类AO,即:人机控制AO 、逻辑控制AO 、运动控制AO 、轴控制AO 和过程控制AO [2]。
由于OSACA 没有考虑简化用户专用功能的实现机制,结构对象(AO)所要实现的功能非常复杂,最终用户很难利用这种开放式系统实现专用功能模块,但是其他系统制造商可以根据OSACA 的应用程序接口和相关资料,开发自己的结构对象(AO),并重新配置系统。
113 我国关于开放式数控系统的研究我国的开放式数控系统的研究比较侧重于对用户的专用控制功能的实现,例如华中科技大学的研究者们就提出:开放式数控系统除了使硬件模块具有统一的接口及互换性外,更重要的是使数控系统软件各模块之间具有一致的接口及互换性,方便用户,使其易于融入新技术,降低使用成本[5]。
我国的开放体系结构数控系统的研究尚处于起步阶段。
2 开放式数控系统的软件体系结构已经开发以及在研究的开放式数控系统,无论其最终目标是针对系统制造商还是最终用户,软件体系普遍地采用了两层结构,如图3。
图3 两层的开放式数控系统软件结构体系OSACA 就采用了这种软件结构,功能针对系统制造商可扩展。
而面向最终用户的开放系统一般也具有同样的软件体系结构,只是将可扩展功能层作了进一步功能划分,其功能模块要多一些,希望通过功能细化给用户的开发带来便利。
3 未来开放式数控系统的发展目标基于系统制造商的功能可扩展型开放式控制器,可融入不同系统制造厂商的成分,最终用户可以有更多的选择,且系统结构较简单,更易于实现。
但最终用户从这种系统的开放性中能得到的好处有限。
如果一个机床使用者想要利用专用控制功能来实现其开发的新技术或新产品,尽管使用了开放式系统,由于开发工作的复杂性,工作量大,使得开发这种专用控制功能的工作难以进行,那么就仍要由系统制造商去开发。
首先,系统制造商这种行为具有滞后性。
其次,仅靠系统开发商不可能实现所有用户要求的控制功能。
同时,难以保护最终用户的技术秘密。
这将影响最终用户对新技术开发的积极态度。
这种类型的开放式系统的发展目标和结构体系是上世纪90年代提出,受到了当时客观条件的约束,实际上一开始就有人认为它将是一种过渡形式。
随着信息技术的发展,特别是基于通用PC 机的实时系统(如Windo ws CE 、R TLinux 、R TX 等)的问世,数控系统呈现着由/硬数控0向/软数控0方向发展的转变,为面向最终用户的开放式数控系统的实现提供了技术基础。
开放式数控系统向实现用户专用功能方向发展的趋势已经不可逆转。
4 新的开放式数控系统的软件体系结构本文基于面向最终用户的开放式数控系统,提出新的三层结构的开放式数控系统的软件体系。
我们认为,系统制造商实现基本的系统级功能的模块化、可重用、可重构和可扩展,对于实现最终用户的功能可扩展,仍会发挥作用。
因此,已有的两层开放系统的结构体系模型仍具借鉴意义。
由于最终的系统体系结构模型将非常复杂,本文只能给出系统软件体系结构的简化模型,如图4。
图4 三层结构开放式软C NC 结构简图这种三层模式就是对二层模式的进一步任务细分和功能划分,将原来二层模式的功能模块中能够实现用户专用模块的功能抽象出来,组成用户级功能层。
即系统制造商可以主要实现基本的系统级功能的模块化、可重用、可重构和可扩展,而用户级功能层只需要完成用户专用功能的可扩展,这将大大降低最终用户的工作量,使用户切实体会到开放式数控系统的益处,进而全面取代封闭式系统。
但是这种体系结构的开放式CNC 的实现,要求具备一个先决条件,即轴控制(伺服控制)的位置环、速度环和电流环(力矩控制)必须全部在软CNC 内部封闭。
这样,位置控制、速度控制、电流控制等复杂算法均可在CNC 中用软件实现,软伺服控制功能就成为开放式软CNC 的一个可重构的软件模块,用户可以通过用户级接口API,将由各传感器传入的机床工作状态信号引入软CNC 系统,方便地扩展自己的专用控制功能。
软伺服控制如能实现,将为开放式数控系统的发展提供非常美好的应用前景。
由于伺服控制一般仍采用硬件实现,目前只能采用一种混合模式体系结构的开放式数控系统,如图5。
其开放性是不完全的。
图5 混合模式的开放式软CNC 体系结构三层结构体系并不是开放式数控系统软件结构体系研究的结束。
开放系统的结构还可能进一步细分。
总之,结构体系的复杂化和基本功能单位的简单化,将给最终用户的使用提供极大的便利。
5 制造业的发展对开放式数控系统的影响21世纪,世界进入了知识经济逐步取代传统工业经济,逐步占据国际经济主导地位的信息化、数字化时代,或简称知识经济时代[6]。
知识经济正全面地转变着制造业生产模式。
从工业经济、信息经济和知识经济背景下的制造图6 制造模式的变化活动特征来看,制造业经历了图6所示制造模式变迁[7]。
正在形成中的知识创新型是指以追求创新高额利润和满足人类创造性欲望为约束的一种制造模式。
其中,最大化地重组和复用制造资源,避免创新工作中因重复工作而造成的浪费,提高创新效率是其一大特点[7]。
在此背景下,数控系统的开放性必须遵循/用户至上0原则。
如果最终用户受制于原有系统的封闭性和开放系统的复杂性,将导致其不能够方便快捷地实现需要的控制功能,从而会影响到用户对新产品新技术的开发,进而将影响全社会科学技术的发展。
知识制造业对开放系统的发展提出的新要求,同时也是开放系统在新时期的发展目标,可以说研究开放体系结构数控系统的目的就是要为生产企业和研究单位提供易于实现用户自主创新机制的控制平台。
6 总结遵循开放体系结构规范的开放式控制器将会给控制器卖方、机床生产商和最终用户带来很多好处。
最终用户可能利用开放式控制器扩展自己的专用功能模块,用于开发新产品新技术。
而拥有最优创新能力的企业才能成为知识经济时代市场竞争中的赢家[6]。
参考文献=1>马 骏1开放式体系结构电火花加工数控系统的研究1哈尔滨工业大学博士学位论文,199717=2>雷为民1软件数控体系结构及机床智能控制实现技术研究1大连理工大学博士学位论文,199916=3>周祖德,魏仁选,陈幼平1开放式控制系统的现状、趋势与对策1中国机械工程,1999(10)=4>郭艳铃,赵万生,董本志等1数控发展的趋势%开放式体系结构数控系统1东北林业大学学报,2000(9)=5>阳道善,朱志红,陈吉红等1开放式数控系统软件体系结构研究1机械工艺师,2001(4)=6>吴锡英1展望21世纪的制造业及相关技术1中国机械工程,2002,3(6)=7>周杰韩,熊光楞,杨叔子1知识型制造业和制造元框架1现代制造工程,2002(6)收稿时间:2003-01-13(上接第63页)如本系统这样的非线性比较严重的控制系统还需再加上系统的反馈量作为特征之一。