开放式数控系统的现状与发展

开放式数控系统的现状与发展自从世界上第一台数控机床于1958年在美国麻省工学院(MIT)出现以来的几十年的时间内，数控系统一直沿着传统的闭式结构向前发展。

对用户来说,这种闭式数控系统只是一个被定义了输入和输出的黑匣子，其内部细节是不可知的。

这种数控系统最大缺点在于，无论是制造商还是终端用户，在原来基础上很难或几乎不可能再加入新的控制策略方案和扩展新功能。

随着计算机在制造过程中的广泛应用，改善制造过程性能的需求越来越强烈，这种封闭式结构的局限性也越来越明显。

为适应不断发展的现代技术和生产需求，未来的数控系统必须能够被用户重新配置、修改、扩充和改装，并允许模块化地集成传感器、加工过程的监视与控制系统，以及网络通信和远程诊断等，而不必重新设计硬件和软件。

开放式数控系统的概念和特征
技术的发展，特别是汽车工业的推动，20世纪90年代开始，各发达国家争先开发开放式数控系统，并把它提高到国家战略计划的高度。

开放式数控系统是计算机软、硬件技术、信息技术、控制技术融入数控技术的产物。

根据IEEE 的定义，开放式数控系统为：一个开放式系统应能使各种应用系统有效地运行于不同供应商提供的平台上，具有与其他应用系统相互操作及用户交换的特点。

根据IEEE的定义，开放式数控系统的特征可以概括为：
(1)开放性
(2)移植性
(3)扩展性
(4)网络化
开放式数控系统的体系结构
从IEEE的定义可以看出，一个开放式的数控系统，首先应具备系统功能模块化的参考结构，并具有定义了标准协议的通信系统，使得各个功能模块能通过API来相互交换信息并相互操作。

同时，系统还应具备一个实时的配置系统，使得各个功能模块无论在运行开始还是之间都能够被灵活的配置。

欧盟的OSACA 开放式体系结构的制定正符合这种要求。

现介绍如下：
1.OSACA的体系结构
OSACA对开放式数控系统的定义完全符合IEEE的标准。

OSACA的定义为：一个开放式的数控系统，有一组逻辑的、离散的组建组成，在组建之间以及组建和实现平台之间定义了很好的接口，容许不同的供应商提供不通组件可协调运行于不同的平台之上，并提供给用户及其他控制系统一个一致的接口。

OSACA控制系统的体系结构可分为两部分：应用软件和系统平台。

应用软件即控制系统所包含的各个功能模块(AO) 。

AO之间通过OSACA的通讯系统可以互相操作,通过OSACA提供的API接口可以运行于不同的平台之上。

2.OSACA的系统平台
OSACA的平台是基于开放式的体系结构，如下图示，由系统硬件和系统软件组成。

系统硬件有机床的功能配置决定，它不依赖于某一硬件制造商。

系统软件由两部分组成：系统的核心软件（如操作系统、通信系统、动态的实时配置系统等）和可选的系统软件（如数据库、图形系统等）。

系统平台提供的服务是通过标准的API来实现的。

API是AO进入系统平台的唯一的途径，他一方面隐藏了系统平台的一系列服务实现的真实的过程，使系统独立于硬件和操作系统，另一方面提供各种功能单元对象在所有平台的统一的接口。

在系统平台上，用户可以任意选购不同供应商提供的不同的功能模块，来构筑自己所需的控制系统，也可以根据特殊需要增添或减少系统功能。

3.开放式数控系统体系结构的组成部分
根据对开放式数控系统的需求分析，一个典型的开放式数控体系结构由三部分组成：参考结构、通讯结构、配置结构。

参考结构描述一个控制系统由哪些AO模块组成以及各自提供什麽样的接口标准；通信结构解决各AO模块如何在独立于系统的情况下交换信息；配置系统划分系统平台所需实例化的AO模块，并对它进行实时的配置。

开放式数控系统的应用现状
就目前看，开放式数控系统有三种基本结构：1）CNC+PC 主板：把一块PC 主板插入传统的CNC 机器中，PC 板主要运行于非实时控制，CNC 主要运行以坐标轴运动为主的实时控制。

2）PC+运动智能控制板：把运动智能控制板插入PC 机的ISA 标准插槽中作实时控制用，而PC 机主要作非实时控制。

3）完全软件的开放式数控系统。

对于许多熟悉计算机应用的系统厂家，往往采用第2方案。

其结构原理如下图所示。

1．国内外开放式数控系统的发展
具有代表性的开放式数控系统有：
1)美国的OMAC美国把开放式数控系统定义为“开放式模块化体系结构控制器”OMAC（Open ModularArchitecture Controller）。

由克莱斯勒、通用和福特三大汽车公司于1994 年提出。

其目标要求：①开放化一般可利用软硬件在标准环境下集成；②模块化提供软硬件模块的“即插即用”和高效的控制器重构机制；③可调整根据用户需要可简单有效地构成；④可靠性要求软硬件高可靠性，容易维护。

2)欧盟的OSACA“自动化系统中的开放式控制系统体系结构”OSACA （Open System Architecture forControler within Automation System）是由欧盟22 家控制器开发商、机床生产商、控制系统集成商和科研机构联合发起的，前后经历了三个阶段。

OSACA 的目标之一，是使自己成为自动化领域的通用国际标准。

3)日本的OSEC日本的“控制器开发系统环境”OSEC（Open System Environment for Controller）由东芝机器公司、丰田机器厂和MAZAK 三家机器制造商和日本IBM、三菱电子及SML 信息系统公司共同组建。

4) 我国的开放式数控系统目前国内已有的开放式数控系统有四种：华中I 型、中华I 型、航天I 型和蓝天I 型。

国内的开放控制系统各有优点,且经过近几年的攻关，有了较大的提高。

但从数控系统的发展趋势看，它们与国外的相比仍有一定的差距，仍有许多需要完善之处。

2.流行的开放式数控系统---PMAC
PMAC 是20 世纪90 年代初由Delta Tau 公司推出的高性能运动控制器, 具有运动控制、逻辑控制、资源管理及与主机通信等功能, 有软硬件全面的开放性, 可方便用户开发各类通用或专用系统。

其开放性具体表现在：
2.1PMAC硬件结构的开放性
1) 支持多种工作平台, 允许在PC, STD,VM E, PC I 等不同总线上运行, 方便了用户选择所需的主机类型。

2) 有模拟和数字两种伺服接口, 能与步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、直线电机等多种电机连接, 并可对不同的电机提供相应的PWM ,DAC, PUL SE 等控制信号。

3) 可接受各种检测元件的反馈信息, 包括测速发电机、光电编码器、光栅、旋转变压器等。

4) 提供串行方式、并行方式和双端口RAM 方式与PC 机进行双向通讯。

5) 绝大部分地址向用户开放, 包括电机信息、坐标信息及各种保护信息。

6）提高各种I/O 功能模块，用户可按需要选购与所用设备相兼容的配件，大大缩短了系统开发的周期和成本。

2.2 PMAC软件的开放性
1)支持各种高级语言, 用户可以使用C + + ，VB，VC，Delph i 在W indow sN T ,W indow s 95，W indow s 98,W indow s 2000 软件平台上定制用户专用界面。

2)在数控语言上对用户开放, 不仅支持用户直接调用现有的直线、圆弧、样条曲线的插补指令，而且还允许用户自定义G 代码、M 代码、D 代码、S 代码, 实现以往数控语言所不能完成的功能。

3)提供内装式软件化的PLC, 可以编制64 个异步PLC 程序, 通过一些指针变量, 用户可以按位、按字节进行逻辑控制。

4)可共享PC 微机丰富的各类支撑软件和工具软件, 方便地与各类网络连接,
与CAD－CAM 系统连接, 便于远程诊断、网络制造和制造系统集成控制的实现。

目前，PMAC广泛应用到雕刻、机器人控制，运动控制等领越。

开放式数控系统的发展趋势与面临的问题
开放式数控系统自诞生以来就得到业界的广泛关注和好评，勿庸置疑，它是未来数控技术发展的主要方向。

计算机技术，特别是软件技术的快速发展为开放式数控系统技术的发展提供了强大的技术支持。

未来的开放式数控系统应具有如下的特点：
1)标准化、通用化和模块化：通过选择不同的标准化模块可组成各种数控机床的控制系统能方便地移植计算机行业或自动化领域的成果，也便于现有的数控系统进一步扩展及升级。

2)高速、高可靠性：主轴最高转速可达60000r/min，进给速度达到60m/min，系统平均无故障时间（MIBF）达到30000h 以上。

3)智能化：引进自适应控制技术，系统可自动调整有关参数，以达到系统运行的最优化。

4)网络化：具有强大的通讯联网功能，保证数控系统与标准网络（包括互联网）无缝连接，实现软硬件资源共享。

5)易操作性：传统的数控系统专业化程度高，对员工的素质要求严格，开放式数控系统朝向易操作方向发展，大大降低人的智力劳动。

开放式数控技术是对传统的数控技术的一场革命，作为一种新鲜的技术，在发展中必然会碰见很多的难题。

1)开放式还是一个新型的不断发展的概念，要达到完全程度的开放，必须建立一个全世界统一的标准，必须得到所有有关行业的认识与协同。

目前无论是欧盟的OSACA，还是美国的OMAC，他们建立的体系结构都在有限的范围内，对其可靠性和适应度还需要验证。

2)开放式数控技术的普及与应用，也给科研和生产厂家带来难题。

面对这一新的技术，如何实现大量旧的数控系统的升级，又不要造成资源的浪费，如何把握系统的开放度等问题，没有历史经验可以借鉴。