第2讲：开放式、网络化数控系统及其应用
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软件CNC：系统所有功能由工业PC实现，用户可 在DOS、WINDOWS NT平台上利用开放的CNC内核， 开发各种功能，构成各种类型的数控系统，其性 能价格比高，如华中数控系统，美国MDIS公司的 OPEN CNC， 德 国 POWER AUTOMATION 公 司 的 PA8000NT。
三、开放式、网络化数控系统软硬件平台 1、ONC开放式数控系统标准 第一层：具有可配置功能、开放的人机界面的 通讯接口及协议。 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。（目前标准未定义）
—特殊专用系统开发—
传统系统
• 对特殊、专用系统开发不容 易，需花大量时间。
开放式系统
• 使用开放式软件平台和 C++等高级语言，容易 开发
—联
传统系统
• 须用CNC制造商专用硬件和 通讯方法，联网时需专有 技术，联网成本高。
网 性—
开放式系统
• 应用商品化网卡，与PC 联网技术相同，联网成 本低。
引言
开放式、网络化数控系统是实现高水平装备的保 证，其核心是开放式。开放式体系结构数控系统 具有更好的通用性、适应性和可扩展性，并使数 控系统向智能化、网络化方向发展。 国家数控系统工程研究中心多年来一直致力于开 放式数控系统软、硬件体系结构的研发、生产和 推广应用，成功开发、生产出新一代开放式、网 络化数控系统。
OSACA构成
由一系列逻辑上相互独立的控制模块组成开放式系统； 模块间以及它们与数控平台之间具有友好的接口协议； 不同制造商能相互合作实现在该平台上运行各种应用模 块。
OSACA数控平台
由硬件和软件组成，包括操作系统、通讯系统、系统设 定、图形服务器和数据库系统等。系统平台通过API与具体 应用模块 AO 发生关系。 AO 按其控制功能可分为：人机控 制 MMC (Man-Machine Control)、 运 动 控 制 MC(Motion Control)、逻辑控制 LC (Logic Control)、轴控制 AC(Axis Control)、过程控制PC(Process Control)。
☆标准化进线、联网通信接口和协议，能够进行快速集成。 ☆ 标准化的人机界面、能够保证系统的操作风格及编程格式
相互兼容。
(2) 高起点解决数控应用软件的产业化生产问题
传统软件结构、编程技术和作坊式的生产方式，距现代 化的面向对象的软件分析（ OOA ）， 设计（ OOD ） 和编程 （OOP），以及软件产业化生产方式相差甚远，无法适应 现代数控软件生产的需要； 在现代软件生产环境中，利用软件工程的方法，实现软 件构件化和软件复用，从而解决软件产业化的生产问 题； 充分利用通用PC机软/硬件资源，特别是软件资源，在解 决数控应用软件结构的基础上，利用现代化的面向对象 的编程技术，实施面向对象的开放式数控系统软件设 计，将数控应用软件的建模、分析、设计和编程技术， 提高到一个崭新的阶段，利用工程化方法，使我国数控 应用软件的开发水平能够纵身跃入现代软件技术的先进 行列。
在专用硬/软件结构基础上实现的数控系统，软件所依赖的 硬件结构以及软件结构均无标准可言，软件的设计、维 护、升级换代极为不便； 不同的操作风格、编程格式和对外通信接口及协议，给系 统集成商和最终用户在使用中带来了许多麻烦。 ---开放式数控系统
☆ 应用软件与底层系统软硬件支撑无关、模块化的、可重用
的和可维护性好的软件，便于不同软件设计人员，为统一 的被控对象，针对不同的运行环境，并行开发应用软件的 系统；
NGC背景 1987年美国总统里根签署的一项命令，旨在推动 美国工业界形成一个广泛的伙伴关系，以利于同 国外竞争。该项目由美国国家制造科学中心 (NCMS)与空军共同领导，由Martin Marietta公 司为主承包公司，于1989年开始实施。 NGC特点 开放式体系结构
NGC内涵
NGC是一个实时加工控制器和工作站控制器，要求适 用于各类机床的 CNC控制和周边装置的过程控制，包 括切削加工（钻、铣、磨)、非切削加工（电加工、等 离子弧、激光等)、测量及装配、复合加工等
2、ONC开放式数控系统体系结构
☆ ONC系统由四层组成：硬件平台、系统软件、开放式数控
应用编程接口(ONC API)和数控应用软件。
☆ 硬件平台、系统软件和API构成了ONC系统的运行平台，
由开发和集成环境开发的开放式数控应用软件，经编 译、链接、配置后在其上运行，从而构成不同品种、不 同档次、不同性能的适应不同被控对象的数控系统。
NGC目标
开 发 “ 开 放 式 系 统 体 系 结 构 标 准 规 范 SOSAS （Specification for an Open System Architecture Standard）”，用来管理工作站和机床控制器的设计和 结构组织。 SOSAS定义了NGC系统、子系统和模块的 功能以及相互间的关系，提出了代表控制要求的以下9 个功能设计概念
—系统程序容量—
传统系统
• 专 用 RAM ， 通 常 只 有 128KB，扩容成本高，对 大型模具程序，需采用 DNC。
开放式系统
• 通用RAM，内存4M以上， 可 扩 至 64MB ， 并 可 配 置 大容量硬盘，一次性可 调入巨量程序。
3、研制ONC系统的意义 (1)解决传统数控系统的封闭性问题
OSACA进展
OSACA 一期工程已于 1995 年结束，并进入实 用阶段，在1995年米兰欧洲机床博览会上曾展 出 了 与 OSACA 部 分 兼 容 的 数 控 产 品 ， 如 Siemens、Bosch、Fagor、NUM、Index、 Atek 的 数 控 系 统 。 OSACA 二 期 工 程 也 已 启 动。
传统系统 开放式系统 硬件基于 PC 开放平台， 软件基于 DOS ， Linux 开 放平台，系统可根据需 要进行伸缩。
硬件专用、软 件专用 , 不易伸 缩
—系统可维护性—
传统系统
• 随着技术进步，需要开发、 生产专用的硬件，难于适应 竞争的日益剧烈要求。
开放式系统
• 由于PC技术发展迅速，资源 丰富，容易跟上技术进步。
OSACA背景
1990年由德国、法国、西班牙、意大利、瑞士等 欧共体国家的系统制造厂、机床制造厂和科研单 位联合发起的，于 1992 年 5 月正式为欧盟官方所 接受。
OSACA目标
开发出开放性的 CNC 系统，允许机床厂对系统 作修改、补充、扩展、裁剪来适应不同用户的 需要。 既能大量生产，又能以最低价格满足专用机床 的要求，以增强数控机床和数控系统在国际市 场上的竞争力。
开放式、网络化 数控系统的研究及应用
国家数控系统工程技术研究中心 叶伯生
Байду номын сангаас纲
一、开放式、网络化数控系统特点 二、开放式、网络化数控系统技术指标 三、开放式、网络化数控系统硬件平台 四、开放式、网络化数控系统软件平台 五、数控系统网络和远程服务技术 六、开放式、网络化数控系统的典型—“世纪星”系 列数控系统
—PLC
传统系统
• 须用制造商专用语言， 难于与其他制造商移 植，用户厂维修时还需 学习各厂家专用语言。
软 件—
开放式系统
• 使用符合标准的PLC， 可移植性强，可维护性 好。
—接
传统系统
• 用专用接口，只能使用特定 制造商产品。
口—
开放式系统
• 使用标准化接口，容易 与各类伺服，步进电机 驱动及主轴电机联接。
☆ ONC系统中各层次之间，由相应的接口规范和标准进行信
息交换，从而实现各层之间的无关性。
3、硬件平台 硬件平台是由一套模板、两种结构构成的与通用 PC机体系结构兼容的开放式平台。 (1)一套模板
☆PC机通用模板 All in One主板，通信接口模板和电子盘等。 ☆数控通用模板 所有数控都要使用的I/O模板，如：多功能模板、各种位 置控制接口和机床I/O接口模板等。 ☆数控专用I/O模板 专用数控系统和通用数控系统所使用的专用模板，如线 切割/电加工数控系统中所使用的高频电源接口模板，数字 仿形系统中专用的数据采集板等。
4、开放式数控系统的发展
美 国 ： NGC （ The Next Generation Work-station/ Machine Controller ） 和 OMAC （ Open Modular Architecture Controller）计划 欧 共 体 ： OSACA （ Open System Architecture for Control within Automation Systems）计划 日 本 ： OSEC （ Open System Environment for Controller）计划 中国：ONC（Open Numerical Control System）
开放式系统特征：
可移植性——功能模块可用于不同控制系统 可扩展性——功能相似模块之间可互相替 换，随技术进步可更新软硬件 可缩放性——有即插即用功能，根据需求变 化，能方便有效重新配置 互操作性——使用标准I/O和网络接口，容易 实现与其它自动化设备互连。
2、专用数控系统与开放式数控系统之比较
—系统结构及可伸缩性—
—软件开发难易性—
传统系统
须用CNC制造商开发的 专用软件，其核心部分 无法知道。
开放式系统
用C语言编写，可用通用 软件，开发时间少，易 于实现CAD/CAM集成。
—软件的可扩展性—
传统系统
• 软件为CNC制造商所独占，机 床厂、用户厂难于进行二次 开发，引入其独创部分。
开放式系统
• 软件为开放平台，机床制 造商，用户可根据自己要 求开发新功能。
NGC进展
— 美国 Ford、GM 和 Chrysler 等公司在 NGC 计划的指导下， 联 合 提 出 了 OMAC （ Open Modular Architecture Controller ）开发计划，定义了系统基础框架，信息库管 理、任务调度、人机接口、运动控制、传感器接口等，构 造了完整体系结构。 — DELTA TAU公司利用NGC和OMAC等协议，采用PC机和 PMAC 控制卡构成的 PMAC 开放式 CNC 系统。 PMAC 卡与 PC机之间有双端口、总线、串口、中断等信息交换方法， 并提供丰富的人机接口、I/O接口、电机控制接口，能实现 交、直流电机的闭环位置控制。
2）OSACA定义的开放式控制系统
Open System Architecture for Control within Automation Systems
OSACA 定义的 自动化领域中的开放式控制系统，是 由逻辑上独立的构件组成的，构件以及构件与 OSACA 定义的平台之间的接口，允许来自不同厂家 的构件能够协调操作，形成在各种平台上运行的完 整控制，并对操作人员和别的自动控制系统呈现兼 容性的界面。其开放特征体现在： ☆ 构件与构件之间的互操作性； ☆ 构件的互换性； ☆ 应用系统与运行平台之间的无关性，即可 移植性； ☆ 允许用户增加或减少控制系统性能和功能 的可伸缩性等。
一、开放式数控系统定义及特点 1、开放式数控系统定义 1）IEEE定义的开放式系统 信息技术领域内的开放式系统，应能使得各种 应用系统正确有效地运行不同供应商提供的不 同 平 台 上 ， 可 以 与 其 他 应 用 系 统 进 行 相 互操 作，同时提供与用户交互的一致风格。 应用系统与运行平台的无关性 应用系统中模块间的互操作性 与用户交互作用风格的一致性
3）ONC系统定义的开放式数控系统 ☆ ONC数控系统是按照开放式技术规范设计
的，实现数控系统中结构对象(实现功能 单元的软件模块）之间的互操作性；
☆ 应 用 软 件 通 过 ONC 系 统 应 用 编 程 接 口
（ONCAPI）实现与运行平台的无关性；
☆ 人机界面以及与其它系统进行互连的标
准接口和协议实现一致性。
以PC为基础的开放式CNC类型
PC嵌入式NC： 保持专用CNC，通过通信和PC相
连，有一定开放性，但用户无法界入系统的核 心。如FANUC18i，16i，SIEMENS 840等系统。
NC嵌入式PC：在标准的工业PC上安装专用的运
动控制卡，如美国DELTA TAU公司PMAC-NC系统。
以PC为基础的开放式CNC类型
三、开放式、网络化数控系统软硬件平台 1、ONC开放式数控系统标准 第一层：具有可配置功能、开放的人机界面的 通讯接口及协议。 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。（目前标准未定义）
—特殊专用系统开发—
传统系统
• 对特殊、专用系统开发不容 易，需花大量时间。
开放式系统
• 使用开放式软件平台和 C++等高级语言，容易 开发
—联
传统系统
• 须用CNC制造商专用硬件和 通讯方法，联网时需专有 技术，联网成本高。
网 性—
开放式系统
• 应用商品化网卡，与PC 联网技术相同，联网成 本低。
引言
开放式、网络化数控系统是实现高水平装备的保 证，其核心是开放式。开放式体系结构数控系统 具有更好的通用性、适应性和可扩展性，并使数 控系统向智能化、网络化方向发展。 国家数控系统工程研究中心多年来一直致力于开 放式数控系统软、硬件体系结构的研发、生产和 推广应用，成功开发、生产出新一代开放式、网 络化数控系统。
OSACA构成
由一系列逻辑上相互独立的控制模块组成开放式系统； 模块间以及它们与数控平台之间具有友好的接口协议； 不同制造商能相互合作实现在该平台上运行各种应用模 块。
OSACA数控平台
由硬件和软件组成，包括操作系统、通讯系统、系统设 定、图形服务器和数据库系统等。系统平台通过API与具体 应用模块 AO 发生关系。 AO 按其控制功能可分为：人机控 制 MMC (Man-Machine Control)、 运 动 控 制 MC(Motion Control)、逻辑控制 LC (Logic Control)、轴控制 AC(Axis Control)、过程控制PC(Process Control)。
☆标准化进线、联网通信接口和协议，能够进行快速集成。 ☆ 标准化的人机界面、能够保证系统的操作风格及编程格式
相互兼容。
(2) 高起点解决数控应用软件的产业化生产问题
传统软件结构、编程技术和作坊式的生产方式，距现代 化的面向对象的软件分析（ OOA ）， 设计（ OOD ） 和编程 （OOP），以及软件产业化生产方式相差甚远，无法适应 现代数控软件生产的需要； 在现代软件生产环境中，利用软件工程的方法，实现软 件构件化和软件复用，从而解决软件产业化的生产问 题； 充分利用通用PC机软/硬件资源，特别是软件资源，在解 决数控应用软件结构的基础上，利用现代化的面向对象 的编程技术，实施面向对象的开放式数控系统软件设 计，将数控应用软件的建模、分析、设计和编程技术， 提高到一个崭新的阶段，利用工程化方法，使我国数控 应用软件的开发水平能够纵身跃入现代软件技术的先进 行列。
在专用硬/软件结构基础上实现的数控系统，软件所依赖的 硬件结构以及软件结构均无标准可言，软件的设计、维 护、升级换代极为不便； 不同的操作风格、编程格式和对外通信接口及协议，给系 统集成商和最终用户在使用中带来了许多麻烦。 ---开放式数控系统
☆ 应用软件与底层系统软硬件支撑无关、模块化的、可重用
的和可维护性好的软件，便于不同软件设计人员，为统一 的被控对象，针对不同的运行环境，并行开发应用软件的 系统；
NGC背景 1987年美国总统里根签署的一项命令，旨在推动 美国工业界形成一个广泛的伙伴关系，以利于同 国外竞争。该项目由美国国家制造科学中心 (NCMS)与空军共同领导，由Martin Marietta公 司为主承包公司，于1989年开始实施。 NGC特点 开放式体系结构
NGC内涵
NGC是一个实时加工控制器和工作站控制器，要求适 用于各类机床的 CNC控制和周边装置的过程控制，包 括切削加工（钻、铣、磨)、非切削加工（电加工、等 离子弧、激光等)、测量及装配、复合加工等
2、ONC开放式数控系统体系结构
☆ ONC系统由四层组成：硬件平台、系统软件、开放式数控
应用编程接口(ONC API)和数控应用软件。
☆ 硬件平台、系统软件和API构成了ONC系统的运行平台，
由开发和集成环境开发的开放式数控应用软件，经编 译、链接、配置后在其上运行，从而构成不同品种、不 同档次、不同性能的适应不同被控对象的数控系统。
NGC目标
开 发 “ 开 放 式 系 统 体 系 结 构 标 准 规 范 SOSAS （Specification for an Open System Architecture Standard）”，用来管理工作站和机床控制器的设计和 结构组织。 SOSAS定义了NGC系统、子系统和模块的 功能以及相互间的关系，提出了代表控制要求的以下9 个功能设计概念
—系统程序容量—
传统系统
• 专 用 RAM ， 通 常 只 有 128KB，扩容成本高，对 大型模具程序，需采用 DNC。
开放式系统
• 通用RAM，内存4M以上， 可 扩 至 64MB ， 并 可 配 置 大容量硬盘，一次性可 调入巨量程序。
3、研制ONC系统的意义 (1)解决传统数控系统的封闭性问题
OSACA进展
OSACA 一期工程已于 1995 年结束，并进入实 用阶段，在1995年米兰欧洲机床博览会上曾展 出 了 与 OSACA 部 分 兼 容 的 数 控 产 品 ， 如 Siemens、Bosch、Fagor、NUM、Index、 Atek 的 数 控 系 统 。 OSACA 二 期 工 程 也 已 启 动。
传统系统 开放式系统 硬件基于 PC 开放平台， 软件基于 DOS ， Linux 开 放平台，系统可根据需 要进行伸缩。
硬件专用、软 件专用 , 不易伸 缩
—系统可维护性—
传统系统
• 随着技术进步，需要开发、 生产专用的硬件，难于适应 竞争的日益剧烈要求。
开放式系统
• 由于PC技术发展迅速，资源 丰富，容易跟上技术进步。
OSACA背景
1990年由德国、法国、西班牙、意大利、瑞士等 欧共体国家的系统制造厂、机床制造厂和科研单 位联合发起的，于 1992 年 5 月正式为欧盟官方所 接受。
OSACA目标
开发出开放性的 CNC 系统，允许机床厂对系统 作修改、补充、扩展、裁剪来适应不同用户的 需要。 既能大量生产，又能以最低价格满足专用机床 的要求，以增强数控机床和数控系统在国际市 场上的竞争力。
开放式、网络化 数控系统的研究及应用
国家数控系统工程技术研究中心 叶伯生
Байду номын сангаас纲
一、开放式、网络化数控系统特点 二、开放式、网络化数控系统技术指标 三、开放式、网络化数控系统硬件平台 四、开放式、网络化数控系统软件平台 五、数控系统网络和远程服务技术 六、开放式、网络化数控系统的典型—“世纪星”系 列数控系统
—PLC
传统系统
• 须用制造商专用语言， 难于与其他制造商移 植，用户厂维修时还需 学习各厂家专用语言。
软 件—
开放式系统
• 使用符合标准的PLC， 可移植性强，可维护性 好。
—接
传统系统
• 用专用接口，只能使用特定 制造商产品。
口—
开放式系统
• 使用标准化接口，容易 与各类伺服，步进电机 驱动及主轴电机联接。
☆ ONC系统中各层次之间，由相应的接口规范和标准进行信
息交换，从而实现各层之间的无关性。
3、硬件平台 硬件平台是由一套模板、两种结构构成的与通用 PC机体系结构兼容的开放式平台。 (1)一套模板
☆PC机通用模板 All in One主板，通信接口模板和电子盘等。 ☆数控通用模板 所有数控都要使用的I/O模板，如：多功能模板、各种位 置控制接口和机床I/O接口模板等。 ☆数控专用I/O模板 专用数控系统和通用数控系统所使用的专用模板，如线 切割/电加工数控系统中所使用的高频电源接口模板，数字 仿形系统中专用的数据采集板等。
4、开放式数控系统的发展
美 国 ： NGC （ The Next Generation Work-station/ Machine Controller ） 和 OMAC （ Open Modular Architecture Controller）计划 欧 共 体 ： OSACA （ Open System Architecture for Control within Automation Systems）计划 日 本 ： OSEC （ Open System Environment for Controller）计划 中国：ONC（Open Numerical Control System）
开放式系统特征：
可移植性——功能模块可用于不同控制系统 可扩展性——功能相似模块之间可互相替 换，随技术进步可更新软硬件 可缩放性——有即插即用功能，根据需求变 化，能方便有效重新配置 互操作性——使用标准I/O和网络接口，容易 实现与其它自动化设备互连。
2、专用数控系统与开放式数控系统之比较
—系统结构及可伸缩性—
—软件开发难易性—
传统系统
须用CNC制造商开发的 专用软件，其核心部分 无法知道。
开放式系统
用C语言编写，可用通用 软件，开发时间少，易 于实现CAD/CAM集成。
—软件的可扩展性—
传统系统
• 软件为CNC制造商所独占，机 床厂、用户厂难于进行二次 开发，引入其独创部分。
开放式系统
• 软件为开放平台，机床制 造商，用户可根据自己要 求开发新功能。
NGC进展
— 美国 Ford、GM 和 Chrysler 等公司在 NGC 计划的指导下， 联 合 提 出 了 OMAC （ Open Modular Architecture Controller ）开发计划，定义了系统基础框架，信息库管 理、任务调度、人机接口、运动控制、传感器接口等，构 造了完整体系结构。 — DELTA TAU公司利用NGC和OMAC等协议，采用PC机和 PMAC 控制卡构成的 PMAC 开放式 CNC 系统。 PMAC 卡与 PC机之间有双端口、总线、串口、中断等信息交换方法， 并提供丰富的人机接口、I/O接口、电机控制接口，能实现 交、直流电机的闭环位置控制。
2）OSACA定义的开放式控制系统
Open System Architecture for Control within Automation Systems
OSACA 定义的 自动化领域中的开放式控制系统，是 由逻辑上独立的构件组成的，构件以及构件与 OSACA 定义的平台之间的接口，允许来自不同厂家 的构件能够协调操作，形成在各种平台上运行的完 整控制，并对操作人员和别的自动控制系统呈现兼 容性的界面。其开放特征体现在： ☆ 构件与构件之间的互操作性； ☆ 构件的互换性； ☆ 应用系统与运行平台之间的无关性，即可 移植性； ☆ 允许用户增加或减少控制系统性能和功能 的可伸缩性等。
一、开放式数控系统定义及特点 1、开放式数控系统定义 1）IEEE定义的开放式系统 信息技术领域内的开放式系统，应能使得各种 应用系统正确有效地运行不同供应商提供的不 同 平 台 上 ， 可 以 与 其 他 应 用 系 统 进 行 相 互操 作，同时提供与用户交互的一致风格。 应用系统与运行平台的无关性 应用系统中模块间的互操作性 与用户交互作用风格的一致性
3）ONC系统定义的开放式数控系统 ☆ ONC数控系统是按照开放式技术规范设计
的，实现数控系统中结构对象(实现功能 单元的软件模块）之间的互操作性；
☆ 应 用 软 件 通 过 ONC 系 统 应 用 编 程 接 口
（ONCAPI）实现与运行平台的无关性；
☆ 人机界面以及与其它系统进行互连的标
准接口和协议实现一致性。
以PC为基础的开放式CNC类型
PC嵌入式NC： 保持专用CNC，通过通信和PC相
连，有一定开放性，但用户无法界入系统的核 心。如FANUC18i，16i，SIEMENS 840等系统。
NC嵌入式PC：在标准的工业PC上安装专用的运
动控制卡，如美国DELTA TAU公司PMAC-NC系统。
以PC为基础的开放式CNC类型