開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)

    數(shù)控技術(shù)正以前所未有的深度和廣度深刻影響著廣泛的制造業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展方向，正在給制造業(yè)帶來(lái)革命性的變化。而數(shù)控技術(shù)的核心是數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向在很大程度上決定著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向。隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)由于其采用專(zhuān)用的、封閉式的體系結(jié)構(gòu)，已不能適應(yīng)當(dāng)今制造業(yè)市場(chǎng)變化與競(jìng)爭(zhēng)，也不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)向信息化、敏捷制造模式發(fā)展的需要。這就迫切需要開(kāi)發(fā)具有開(kāi)放性、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉的新型數(shù)控系統(tǒng)。
    當(dāng)今，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專(zhuān)用型封閉式開(kāi)環(huán)控制模式向通用型開(kāi)放式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性。為適應(yīng)數(shù)控進(jìn)線、聯(lián)網(wǎng)、普及型個(gè)性化、多品種、小批量、柔性化及數(shù)控迅速發(fā)展的要求，最重要的就是體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)放化，設(shè)計(jì)生產(chǎn)開(kāi)放式的數(shù)控系統(tǒng)。
    開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的概念
    數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性概念出現(xiàn)在80年代末90年代初，是歐美各國(guó)為了適應(yīng)機(jī)床制造業(yè)在技術(shù)、市場(chǎng)和生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)等多方面的新的變化而提出的，其目的是建立一種嶄新的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，使系統(tǒng)朝模塊化、平臺(tái)化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化方向發(fā)展，在聯(lián)合的前提下提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。
    在關(guān)于開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的定義，按IEEE 定義，一個(gè)開(kāi)放式控制系統(tǒng)應(yīng)提供這樣的能力:來(lái)自不同賣(mài)主的種種平臺(tái)上運(yùn)行的應(yīng)用都能夠在系統(tǒng)上完全實(shí)現(xiàn)，并能和其他系統(tǒng)應(yīng)用互操作，且具有一致性的用戶界面。
    開(kāi)放式的數(shù)控系統(tǒng)是指PC-NC，是在加工機(jī)械專(zhuān)用的CNC中也將引入PC所具有的開(kāi)放化。
    系統(tǒng)組成內(nèi)部的開(kāi)放化
    系統(tǒng)組成各部分之間的開(kāi)放化
    關(guān)于以上開(kāi)放性的概念可從兩個(gè)方面進(jìn)行理解:一是時(shí)間的開(kāi)放性，二是空間的開(kāi)放性。時(shí)間的開(kāi)放性是針對(duì)軟硬件平臺(tái)及其規(guī)范而言的，以保證平臺(tái)具有適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展，并能夠接受新的設(shè)備的能力。時(shí)間的開(kāi)放性又有可擴(kuò)展和可移植性兩個(gè)方面�？臻g的開(kāi)放性是針對(duì)系統(tǒng)接口及其規(guī)范化而言的，它又可分為互操作性和互換性。
    開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的特征
    開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)
    由上述定義可知，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)模塊化的體系結(jié)構(gòu)，由系統(tǒng)平臺(tái)和面向應(yīng)用的功能模塊所構(gòu)成，既有接口的開(kāi)放性，又有自身功能的開(kāi)放性，其具有以下基本特征[3]:
    可互操作性
    擁有標(biāo)準(zhǔn)化接口，通信和交互模型。通過(guò)提供標(biāo)準(zhǔn)化接口通訊和交互機(jī)制，使不同功能模塊能以標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口運(yùn)行于系統(tǒng)平臺(tái)上，并獲得平等的相互操作能力，協(xié)調(diào)工作;
    可移植性
    不同應(yīng)用程序模塊可運(yùn)行于不同生產(chǎn)商提供的系統(tǒng)平臺(tái)，同時(shí)系統(tǒng)軟件也可運(yùn)行于不同特性的硬件平臺(tái)之上。不同的系統(tǒng)功能模塊能運(yùn)行在不同的系統(tǒng)平臺(tái)之上，因此，系統(tǒng)的功能軟件應(yīng)與設(shè)備無(wú)關(guān)，即應(yīng)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、控制機(jī)制，并且通過(guò)一致的設(shè)備接口，使各功能模塊能運(yùn)行于不同的硬件平臺(tái)上;
    可擴(kuò)展性
    提供標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境的基礎(chǔ)平臺(tái)，允許不同功能的模塊介入，CNC用戶或二次開(kāi)發(fā)者能有效地將自己的軟件集成到NC系統(tǒng)中，形成自己的專(zhuān)用系統(tǒng)，其特征是通過(guò)特定功能模塊的裝載和卸載為用戶系統(tǒng)增添和減少功能;
    可互換性
    不同性能、不同執(zhí)行能力的功能模塊互相代替。構(gòu)成系統(tǒng)的各硬件、功能軟件的選用不受單一供應(yīng)商的控制，可根據(jù)功能、可靠性、性能要求相互替換，不影響系統(tǒng)整體的協(xié)調(diào)運(yùn)行;
    可伸縮性
    CNC系統(tǒng)的功能、規(guī)�？梢造`活設(shè)置，方便修改�？刂葡到y(tǒng)的大小(硬件或元件模塊)可根據(jù)具體應(yīng)用增減。
    開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)
    由此可以看出開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)建于一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)上，具有模塊化結(jié)構(gòu)，允許用戶根據(jù)需要進(jìn)行選配與集成，迅速適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，與傳統(tǒng)的封閉式專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)相比經(jīng)，具有以下優(yōu)點(diǎn):
    具有強(qiáng)大的適應(yīng)性和靈活配置能力，能適應(yīng)多種設(shè)備，靈活配置與集成;
    控制軟件具有及時(shí)擴(kuò)展和聯(lián)接功能，可順應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展，加入各種新功能。可通過(guò)預(yù)留插入用戶專(zhuān)用軟件的接口的方式或提供用戶API和編程規(guī)范，供用戶編制自己的專(zhuān)用模塊的方式，簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展;
    能適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展和更新?lián)Q代，能有效保護(hù)用戶原有投資;
    操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。在PC機(jī)上經(jīng)簡(jiǎn)單編程即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，而不需要專(zhuān)門(mén)的數(shù)控軟件;
    遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)規(guī)范，模塊之間具有兼容性、互換性和互操作性;
    技術(shù)更新，功能更加強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，是傳統(tǒng)數(shù)控裝置的換代產(chǎn)品;
    結(jié)構(gòu)形式模塊化，可以方便地相互組合，建立適用不同場(chǎng)合、不同功能需求的控制系統(tǒng)，可明顯縮短新產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)周期，用戶可以根據(jù)自己需要開(kāi)發(fā)自己的功能模塊;
    將PC機(jī)的信息處理能力和開(kāi)放式的特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起，信息處理能力強(qiáng)、開(kāi)放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好。
    基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)
    基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的類(lèi)型
    基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)能充分地利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，可使用通用的高級(jí)語(yǔ)言方便地編制程序，用戶可將標(biāo)準(zhǔn)化的外設(shè)、應(yīng)用軟件進(jìn)行靈活地組合和使用。使用計(jì)算機(jī)同時(shí)也便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)大致可分為以下幾種類(lèi)型[1，2]。
    PC嵌入型NC
    該類(lèi)型系統(tǒng)是將PC裝入到NC內(nèi)部，PC與NC之間用專(zhuān)用的總線連接。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸快，響應(yīng)迅速，同時(shí)，原型NC系統(tǒng)也可不加修改就得以利用。缺點(diǎn)是不能直接利用通用PC，開(kāi)放性受到限制，通用PC強(qiáng)大的功能和豐富的軟硬件資源不能得到有效的利用。這種數(shù)控系統(tǒng)盡管具有一定的開(kāi)放性，但由于它的NC部分仍然是傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)還是不開(kāi)放的。
    NC嵌入PC型
    該類(lèi)型系統(tǒng)是將NC卡(運(yùn)動(dòng)控制卡)插入通用PC的擴(kuò)展槽中組成的。它能夠充分地保證系統(tǒng)性能，軟件的通用性強(qiáng)，并且編程處理靈活。這是目前采用較多的一種結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”形式建造數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，其中以工業(yè)PC為主控計(jì)算機(jī)，組件采用商用標(biāo)準(zhǔn)化模塊，總線采用PC總線形式，同時(shí)以多軸運(yùn)動(dòng)控制器作為系統(tǒng)從機(jī)，進(jìn)而構(gòu)成主從分布式的結(jié)構(gòu)體系。
    全軟件型NC
    該類(lèi)型系統(tǒng)是指CNC的全部功能均由PC實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)裝在PC機(jī)上擴(kuò)展槽的伺服接口卡對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)等進(jìn)行控制。其軟件的通用性好，編程處理靈活。這種CNC裝置的主體是PC機(jī)，充分利用PC機(jī)不斷提高的計(jì)算速度、不斷擴(kuò)大的存儲(chǔ)量和性能不斷優(yōu)化的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制中的運(yùn)動(dòng)軌跡控制和開(kāi)關(guān)量的邏輯控制。軟件化數(shù)控系統(tǒng)把運(yùn)動(dòng)控制器以應(yīng)用軟件的形式實(shí)現(xiàn)，除了支持?jǐn)?shù)控上層軟件的用戶定制外，其更深入的開(kāi)放性還體現(xiàn)在支持運(yùn)動(dòng)控制策略的用戶定制。同時(shí)，軟件數(shù)控系統(tǒng)更加向計(jì)算機(jī)技術(shù)靠攏，并力圖使數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造上層應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)代理。這種結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控系統(tǒng)，其主要功能部件均表現(xiàn)為應(yīng)用軟件的形式，這是實(shí)現(xiàn)形式上的一種技術(shù)變革。
    NC嵌入PC型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的體系構(gòu)成
    PC-NC開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
    圖1 PC-NC模式開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
    其構(gòu)成如圖2所示。
    圖2 PC-NC模式開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成
    其硬件系統(tǒng)主要由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、驅(qū)動(dòng)及放大部件、交流伺服電機(jī)、位置檢測(cè)部件、接口控制電路等組成。其中，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為信息管理部分，運(yùn)動(dòng)控制卡為運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)與算法控制部分。軟件系統(tǒng)可采用在Windows2000操作系統(tǒng)下，以Visual Basic或Visual C++等為開(kāi)發(fā)工具采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎ瑢?duì)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的基本功能。
    此模式中運(yùn)動(dòng)控制卡主要承擔(dān)實(shí)時(shí)性任務(wù)，如伺服控制、路徑規(guī)劃、可編程邏輯控制;工業(yè)控制計(jì)算機(jī)主要完成系統(tǒng)管理、數(shù)控編程、數(shù)控仿真、圖形插補(bǔ)和人機(jī)界面處理、網(wǎng)絡(luò)功能等非實(shí)時(shí)任務(wù)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的控制內(nèi)核是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的核心，它通過(guò)調(diào)用對(duì)應(yīng)于運(yùn)動(dòng)控制卡中各種變量和功能的應(yīng)用程序接口與運(yùn)動(dòng)控制卡交換信息，并負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。
    數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放性技術(shù)關(guān)鍵
    在經(jīng)歷了引進(jìn)和消化吸收兩個(gè)發(fā)展階段后，我國(guó)在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自行開(kāi)發(fā)具有自己軟硬件版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，同時(shí)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性研究工作也正在進(jìn)行。數(shù)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)開(kāi)放性結(jié)構(gòu)，主要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題:
    制定一個(gè)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的制造協(xié)議,在系統(tǒng)的應(yīng)用軟件、硬件和網(wǎng)絡(luò)功能方面形成一整套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，規(guī)范系統(tǒng)的軟硬件界面和通訊協(xié)議，使得控制器制造商和機(jī)床生產(chǎn)廠能在制造協(xié)議的導(dǎo)航下進(jìn)行有序的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)廣泛的合作。
    實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，并提高其可靠性和實(shí)時(shí)性。通過(guò)對(duì)系統(tǒng) CPU 結(jié)構(gòu)模式、通訊方式、運(yùn)動(dòng)控制和輔助控制等方面進(jìn)行模塊化處理，按功能制作成功能模塊并實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，且各模塊單元之間可利用已定義的標(biāo)準(zhǔn)化接口進(jìn)行通訊。
    構(gòu)造一種獨(dú)立于硬件系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。目前，為減少數(shù)控系統(tǒng)軟件對(duì)于硬件的依賴性，從根本上無(wú)法實(shí)現(xiàn)軟件的開(kāi)放性，因此開(kāi)發(fā)出一種獨(dú)立的軟件平臺(tái)是十分必要的。針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和多任務(wù)性,應(yīng)構(gòu)筑一種實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件平臺(tái),并使其基本功能模塊化典型化,使各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度和相互獨(dú)立,這樣為不同硬件結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)提供軟件時(shí),只需按其功能配置相應(yīng)的軟件模塊，實(shí)現(xiàn)軟件的獨(dú)立性和開(kāi)放性。由于每個(gè)功能模塊不會(huì)對(duì)其它功能模塊產(chǎn)生影響，因此，用戶可按需要編制新的功能模塊，添加到系統(tǒng)中,亦可取代系統(tǒng)中現(xiàn)有的功能模塊,使得系統(tǒng)具有良好的功能擴(kuò)展性。
    開(kāi)發(fā)出一個(gè)優(yōu)化系統(tǒng)軟件，把各種優(yōu)化技術(shù)集成在軟件包中。利用該軟件來(lái)優(yōu)化配置系統(tǒng)加工參數(shù)，使加工過(guò)程最優(yōu)化。分析比較多種智能模塊技術(shù)，選擇出一種重構(gòu)產(chǎn)品最優(yōu)控制模塊，完成系統(tǒng)的第二次開(kāi)發(fā)。
    結(jié)語(yǔ)
    開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，其給數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商、機(jī)床制造商以及用戶都帶來(lái)了很多好處。而基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)具有較強(qiáng)靈活性，可以充分利用PC機(jī)豐富的軟硬件資源和強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有利于更完美地實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的用戶界面、圖形顯示、動(dòng)態(tài)仿真等功能。模塊化的程序設(shè)計(jì)使系統(tǒng)的通用性、擴(kuò)展性和可移植性大大增強(qiáng)，有利于系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。