開(kāi)放性數(shù)控技術(shù)的發(fā)展

    當(dāng)前世界CNC市場(chǎng)上的CNC控制器制造商生產(chǎn)的CNC系統(tǒng)，大多是專用設(shè)備，在結(jié)構(gòu)上提供給用戶有限的選擇，用戶無(wú)法對(duì)現(xiàn)有數(shù)控設(shè)備的功能進(jìn)行修改以滿足自己特殊需求；各種廠商提供給用戶的系統(tǒng)的操作方式各不相同，用戶在培訓(xùn)人員、設(shè)備維護(hù)等方面要投入大量的時(shí)間與資金；當(dāng)今的CNC處于DNC和FMS環(huán)境中，同時(shí)還與CAD/CAM/CAPP等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信，過(guò)去的封閉式CNC系統(tǒng)，沒(méi)有共同的編程語(yǔ)言。缺乏標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)接口。上述這些問(wèn)題都嚴(yán)重阻礙了CNC制造商、系統(tǒng)集成者和用戶采用快速而有創(chuàng)造性地解決當(dāng)今制造環(huán)境中數(shù)控加工和系統(tǒng)集成中的問(wèn)題。CNC制造商、系統(tǒng)集成者、用戶都希望“開(kāi)放化的控制器”，能夠自由地選擇CNC裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)、應(yīng)用軟件等數(shù)控系統(tǒng)的各個(gè)構(gòu)成要素，并能夠采用規(guī)范的、簡(jiǎn)便的方法將這些構(gòu)成要素組合起來(lái)。
    為了適應(yīng)時(shí)代的要求，進(jìn)入90年代以來(lái)，世界上一些研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商，先后開(kāi)展了開(kāi)放性數(shù)控的研究。歐洲、美國(guó)、日本各自成立了開(kāi)放性數(shù)控的研究機(jī)構(gòu)，它們的發(fā)展計(jì)劃的代號(hào)分別為OSACA(Open System Architecture for Control within Automation)、OMAC(Open Modular Architecture Controller)、OSE(Open System Environment)。這3個(gè)計(jì)劃目前都已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，并且公布了部分研究成果。

圖1CNC裝置的外部環(huán)境
1開(kāi)放性數(shù)控的主要特點(diǎn)
    CNC裝置的外部環(huán)境，如圖1示，人們?cè)絹?lái)越希望能夠自由地選擇CNC裝置、伺服放大器、執(zhí)行單元、傳感器、PLC等外部設(shè)備，而且能夠具有與外部信息高度的通訊功能，使CNC裝置能夠靈活運(yùn)用在綜合化的生產(chǎn)環(huán)境中。所謂開(kāi)放性數(shù)控，就是指機(jī)床制造廠(CNC的中間用戶)和機(jī)床用戶(CNC的最終用戶)能夠更改、添加CNC裝置的功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)裝置的廉價(jià)化。
    目前對(duì)于開(kāi)放性數(shù)控的具體定義還存在爭(zhēng)論，OSACA、OMAC、OSE對(duì)于開(kāi)放性數(shù)控都作出了自己的定義，一般而言，開(kāi)放性數(shù)控應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：
    由一系列邏輯上獨(dú)立的構(gòu)成要素組成；
    提供系統(tǒng)各個(gè)構(gòu)成要素與系統(tǒng)之間接口的完善的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)自不同廠商的符合規(guī)范的構(gòu)成要素能夠構(gòu)成一個(gè)完整的數(shù)控系統(tǒng)；
    能夠動(dòng)態(tài)改變系統(tǒng)的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)；
    能夠?qū)崿F(xiàn)與其它自動(dòng)化系統(tǒng)或軟件模塊的互操作；
    能夠提供一致性好的人機(jī)界面(MMI)
2開(kāi)放性數(shù)控的發(fā)展現(xiàn)狀
    目前，國(guó)際上與開(kāi)放性數(shù)控的項(xiàng)目相關(guān)的項(xiàng)目比較多，但是目前最具影響力的仍是OSACA、OMAC、OSE，因而這3個(gè)計(jì)劃的發(fā)展現(xiàn)狀基本上代表了開(kāi)放性數(shù)控的發(fā)展現(xiàn)狀。
    OSACA自1992年5月正式啟動(dòng)，目前已進(jìn)入第三階段，主要取得下述成果：
    定義了中性的(即不依附于任何廠家的)開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)的基本規(guī)范。
    擬訂了中性的可適用于數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)器人、可編程邏輯控制器和單元控制器的統(tǒng)一的參考結(jié)構(gòu)。
開(kāi)發(fā)了第一批示范性的應(yīng)用軟件模塊(OSACA API)。
    OMAC自1994年12月由 Chrysler、Ford 和General Motors 公布了“開(kāi)放的模塊化結(jié)構(gòu)控制器(OMAC)在汽車(chē)工業(yè)中的需求” 的文件，1997年2月14日, General Motors Powertrain Group (GMPTG)建議成立了OMAC。目前已經(jīng)具有80多家研究機(jī)構(gòu)、9家OEM，16家用戶參與該組織，主要取得以下成就：
    定義了標(biāo)準(zhǔn)化的OMAC API，使得用戶可以充分發(fā)揮自己的主動(dòng)性，裝入自己的所需的特殊功能。
    利用Window OS，可以充分利用現(xiàn)有的個(gè)人計(jì)算機(jī)資源如CAM、SPC。
    以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為核心，提供高性能的控制功能。
    利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效、便攜化。
    OSE自1994年12月由6家企業(yè)發(fā)起，如今已發(fā)展成為具有18家企業(yè)和1個(gè)團(tuán)體的具有較大影響力的組織。1995年OSE公布了“OSEC-I”，1996年公布了“OSEC-II”，同時(shí)還展示了3臺(tái)驗(yàn)證系統(tǒng)。主要取得以下成就：
    提出了開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)的參照模型，并將其具體化為實(shí)裝模型。
    開(kāi)發(fā)了基于PC的人機(jī)接口系統(tǒng)。
    提出并開(kāi)發(fā)了新的NC語(yǔ)言O(shè)SEL。
    開(kāi)發(fā)了用于機(jī)床控制的接口(OSEC API)及語(yǔ)言處理器。
    目前這些組織在本國(guó)或本地區(qū)都鼓勵(lì)企業(yè)參與研究與決策工作，并且推出了一系列的示范性的產(chǎn)品。
3開(kāi)發(fā)開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)的基本指導(dǎo)思想
最大限度地利用日新月異的PC軟硬件技術(shù)
    PC化是實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式數(shù)控的比較現(xiàn)實(shí)的途徑。PC從產(chǎn)生到現(xiàn)在，PC的可靠性和它計(jì)算能力飛速增長(zhǎng)，硬件已完全實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，這些使得它更加適合于在工業(yè)環(huán)境下使用。PC具有充足的的支持軟件來(lái)改善CNC系統(tǒng)的用戶界面、圖形顯示、動(dòng)態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。利用 PC豐富的程序開(kāi)發(fā)工具，機(jī)床制造商和用戶可以采用通用的編程語(yǔ)言編制軟件模塊代替系統(tǒng)的原有模塊，便于廠商和用戶添加具有自己獨(dú)特的技術(shù)訣竅的模塊。
模塊化
    用戶希望能夠在選用硬件上具有更大的自由度。而作為機(jī)床生產(chǎn)廠商，面對(duì)市場(chǎng)的快速變化的需求，設(shè)計(jì)和集成系統(tǒng)的時(shí)間要求越來(lái)越緊迫，因此機(jī)床生產(chǎn)廠商也希望數(shù)控系統(tǒng)的各個(gè)構(gòu)成要素具有標(biāo)準(zhǔn)的接口，具有即插即用的特性。CNC系統(tǒng)的模塊化建立在對(duì)機(jī)床的各個(gè)構(gòu)成要素的功能的邏輯性分析的基礎(chǔ)上，將其分解為邏輯上相互獨(dú)立的模塊，實(shí)現(xiàn)模塊與功能的之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，為這些模塊之間的連接制定的標(biāo)準(zhǔn)接口。模塊化的構(gòu)成要素能夠滿足用戶和廠商的多樣化、多層次的要求，能夠采用少量模塊組合出多種產(chǎn)品，高效、優(yōu)質(zhì)地滿足不同用戶的需求。
動(dòng)態(tài)配置系統(tǒng)
    常用的系統(tǒng)配置方法是直接修改系統(tǒng)參數(shù)，周期長(zhǎng)，并且易出錯(cuò)。為了實(shí)現(xiàn)更靈活的配置和更友好的操作方式，開(kāi)放性數(shù)控需要新型的配置過(guò)程，能夠?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)配置。動(dòng)態(tài)配置的實(shí)現(xiàn)是基于系統(tǒng)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)生成，包括選擇構(gòu)成要素、參數(shù)化構(gòu)成要素的功能、構(gòu)成要素之間的信息流的組織等幾個(gè)步驟。
可移植
    系統(tǒng)的模塊化保證了在同一軟硬件平臺(tái)上的相同功能構(gòu)成要素的可移植性。但是由于軟硬件平臺(tái)的多樣性，需要實(shí)現(xiàn)在多種軟硬件平臺(tái)上的可移植性。這就要求開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范應(yīng)該不依賴于特定的軟硬件平臺(tái)。開(kāi)放性數(shù)控所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、命名習(xí)慣、用戶接口外觀等都應(yīng)有利于在不同的系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。對(duì)于軟件而言，為了滿足可移植性的要求，采用分層設(shè)計(jì)或客戶/服務(wù)器模式設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，將與軟硬件平臺(tái)相關(guān)的部分置于底層，進(jìn)行移植時(shí)，只需替換底層軟件(實(shí)際上，模塊的生產(chǎn)廠商應(yīng)該負(fù)責(zé)提供最底層的軟件)。
可擴(kuò)展性
    可擴(kuò)展性是指用戶或二次開(kāi)發(fā)者能否采用安全而有效的方法將屬于他們自己的加工經(jīng)驗(yàn)和專用軟件集成到CNC系統(tǒng)中，形成自己的專有CNC�？蓴U(kuò)展性的實(shí)現(xiàn)方法有兩種：
    可以采用固定模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但預(yù)留插入用戶專用軟件的接口的方式；
    提供用戶API和編程規(guī)范，供用戶編制自己的專用模塊；
鼓勵(lì)產(chǎn)業(yè)界參與開(kāi)放性系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程
    世界各國(guó)出現(xiàn)開(kāi)發(fā)開(kāi)放性數(shù)控的熱潮的主要?jiǎng)恿υ谟谔岣弑緡?guó)或本地區(qū)的CNC在世界上的競(jìng)爭(zhēng)力，各國(guó)積極鼓勵(lì)企業(yè)參與研究，而許多企業(yè)自發(fā)地參與或主持研究工作。開(kāi)放性的數(shù)控需要開(kāi)放性的氛圍來(lái)實(shí)現(xiàn)：日本OSE的研究活動(dòng)均志愿地進(jìn)行，采用“郵式會(huì)議”的方式進(jìn)行討論；OMAC的會(huì)員采用表決機(jī)制，每個(gè)成員均有平等的機(jī)會(huì)表述自己的觀點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)界參與決策的機(jī)會(huì)；美國(guó)能源部提供了一個(gè)叫做CAADA的制度，實(shí)施與個(gè)別民間企業(yè)合作的具體的控制器的共同開(kāi)發(fā)計(jì)劃。
4開(kāi)放性數(shù)控發(fā)展面臨的課題
一致性的人機(jī)界面(MMI)
    對(duì)用戶友好，具有一致性的數(shù)控系統(tǒng)的操作界面，對(duì)于降低人員培訓(xùn)費(fèi)用，降低系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用都具有比較重要的意義。
以軟件為基礎(chǔ)的控制器
    在開(kāi)放性數(shù)控的研究過(guò)程中，軟件越來(lái)越受到重視。 OSACA認(rèn)為當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)由面向硬件(Hardware Oriented)轉(zhuǎn)向面向軟件(Software Oriented)。OSACA雖然對(duì)于硬件提出了一些中性的規(guī)范，但是它對(duì)硬件的規(guī)范并不苛求。OMAC的最早倡議者者GM公司認(rèn)為，機(jī)床的控制器可以實(shí)現(xiàn)各種程度的開(kāi)放，最高程度的開(kāi)放是以軟件技術(shù)為基礎(chǔ)的控制器。OSACA、OMAC、OSE都提供了API作為研究的重要成果。
重視RTOS(Real Time Operation System)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用
    開(kāi)放性數(shù)控要求不依賴于特定的軟硬件平臺(tái)，但是并不是所有的操作系統(tǒng)都能滿足數(shù)控系統(tǒng)的需要。數(shù)控加工要求RTOS，現(xiàn)在流行多種操作系統(tǒng)，用戶和CNC開(kāi)發(fā)廠商都面臨著許多選擇。一些測(cè)試表明，流行的操作系統(tǒng)大多無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性的要求。目前，微軟正著手將Windows CE操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)時(shí)操作系統(tǒng)。美國(guó)能源部的ICON制造操作系統(tǒng)項(xiàng)目正在研制MOS(Manufacturing Operating System)。
數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放程度
    OSACA規(guī)定了3個(gè)層次的開(kāi)放程度：人機(jī)界面開(kāi)放、內(nèi)核有限開(kāi)放、全開(kāi)放。人機(jī)界面開(kāi)放的開(kāi)放度只限于非實(shí)時(shí)控制部分(面向用戶應(yīng)用)；內(nèi)核有限開(kāi)放的內(nèi)核結(jié)構(gòu)固定，但留有插入用戶專用軟件的接口，這兩種程度的開(kāi)放，在目前實(shí)現(xiàn)是完全可能的。而最高程度的開(kāi)放——內(nèi)核的完全開(kāi)放，它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由過(guò)程可互換性、可升級(jí)性、可移植性、互操作性等決定的，最終要求實(shí)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)能夠任意組合所有模塊的功能，目前還較為困難。
具備網(wǎng)絡(luò)通信功能
    當(dāng)今的CNC處于CIMS和 DNC 的環(huán)境中，CNC系統(tǒng)不僅能夠控制獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械，同時(shí)還要在綜合化的生產(chǎn)環(huán)境中，用做生產(chǎn)的終端設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)通訊功能已經(jīng)成為CNC系統(tǒng)的必備功能。ISDN和ATM技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使得通過(guò)Internet的數(shù)控系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)的可能性。由此會(huì)產(chǎn)生一系列的如何防止外部非法入侵等有關(guān)安全性的一系列問(wèn)題。另外，在網(wǎng)絡(luò)化的環(huán)境下如何實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序在不同數(shù)控機(jī)床上的可移植性是一個(gè)值得研究的重要問(wèn)題。
5結(jié)束語(yǔ)
    開(kāi)放性數(shù)控是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，開(kāi)放性的體系結(jié)構(gòu)給CNC生產(chǎn)廠家、機(jī)床制造廠和用戶都帶來(lái)了許多益處。當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家正在緊鑼密鼓地進(jìn)行著開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究—— OSE稱之為機(jī)械制造業(yè)的第三次革命，正為我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供良好的契機(jī)，要想在競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地，不但要具有雄厚的開(kāi)發(fā)力量，還必須有敏銳的超前意識(shí)。因此，國(guó)家應(yīng)該重點(diǎn)扶植和支持開(kāi)放性數(shù)控技術(shù)的研究，才有可能在未來(lái)幾年或幾十年的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。