開放式數(shù)控系統(tǒng)成為制造技術(shù)重要組成部分

    計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)作為制造形狀復(fù)雜、高質(zhì)量、高精度產(chǎn)品所必備的基礎(chǔ)設(shè)備，已成為當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。然而，現(xiàn)今市場(chǎng)上組成CNC系統(tǒng)（以FANUC，SIEMENS等為代表）的硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)是專用的、互不兼容的，系統(tǒng)各模塊間的交互方式、通信機(jī)制也各不相同，這就造成了不同廠家控制系統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立、彼此封閉。

    隨著技術(shù)的進(jìn)步，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，這種專用體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)越來(lái)越暴露出其固有的缺陷。一方面，各控制系統(tǒng)間互連能力差，影響了系統(tǒng)的相互集成，風(fēng)格不一的操作方式以及專用件的大量使用，不但使用戶培訓(xùn)費(fèi)用增加，還給數(shù)控設(shè)備用戶（NC系統(tǒng)的最終用戶）帶來(lái)很多不便；另一方面，系統(tǒng)的封閉性使它的擴(kuò)充和修改極為有限，造成數(shù)控設(shè)備制造商（NC系統(tǒng)中間用戶）對(duì)系統(tǒng)供應(yīng)商的依賴，并難以將自己的專門技術(shù)、工藝經(jīng)驗(yàn)集成入控制系統(tǒng)并形成自己的產(chǎn)品特點(diǎn)，這將不利于提高主機(jī)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。此外，專用的硬、軟件結(jié)構(gòu)也限制了系統(tǒng)本身的持續(xù)開發(fā)，使系統(tǒng)的開發(fā)投資大、周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高、更新?lián)Q代慢，不利于數(shù)控產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步�？傊�，數(shù)控系統(tǒng)的這一現(xiàn)狀已不能適應(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。

1 數(shù)控系統(tǒng)開放的概念及途徑

概念

    研究開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要目的是解決變化頻繁的需求與封閉控制系統(tǒng)之間的矛盾，從而建立一個(gè)統(tǒng)一的可重構(gòu)的系統(tǒng)平臺(tái)，增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的柔性。通俗地講，開放的目的就是使NC控制器與當(dāng)今的PC機(jī)類似，系統(tǒng)構(gòu)筑于一個(gè)開放的平臺(tái)之上，具有模塊化組織結(jié)構(gòu)，允許用戶根據(jù)需要進(jìn)行選配和集成，更改或擴(kuò)展系統(tǒng)的功能迅速適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，而且，組成系統(tǒng)的各功能模塊可以來(lái)源于不同的部件供應(yīng)商并相互兼容。

    事實(shí)上，基于上述指導(dǎo)思想的開放式數(shù)控系統(tǒng)也符合IEEE關(guān)于開放式系統(tǒng)的定義：能夠在多種平臺(tái)上運(yùn)行，可以和其他系統(tǒng)互操作，并能給用戶提供一種統(tǒng)一風(fēng)格的交互方式。根據(jù)這一定義，開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有以下基本特征：

   可互操作性。通過提供標(biāo)準(zhǔn)化接口、通信和交互機(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)之上，并獲得平等的相互操作能力，協(xié)調(diào)工作。

   可移植性。系統(tǒng)的功能軟件與設(shè)備無(wú)關(guān)，即應(yīng)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、交互模型、控制機(jī)理，使構(gòu)成系統(tǒng)的各功能模塊可來(lái)源于不同的開發(fā)商，并且通過一致的設(shè)備接口，使各功能模塊能運(yùn)行于不同供應(yīng)商提供的硬件平臺(tái)之上。

   檔次皆宜性。CNC系統(tǒng)的功能、規(guī)�？梢造`活設(shè)置，方便修改，既可以增加硬件或軟件構(gòu)成功能更強(qiáng)的系統(tǒng)，也可以裁減其功能以適應(yīng)低端應(yīng)用。

   可互補(bǔ)性。指構(gòu)成系統(tǒng)的各硬件模塊、功能軟件的選用不受單一供應(yīng)商的控制，可根據(jù)其功能、可靠性及性能要求相互替換，而不影響系統(tǒng)整體的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

開放途徑

   如何使傳統(tǒng)的專用型封閉式系統(tǒng)走向開放，不同的系統(tǒng)開發(fā)商及研究機(jī)構(gòu)對(duì)此提出了一些解決方案。按開放的層次不同可分3種途徑，它們的開放層次不同，難度不等，獲得的開放效果也相差很大。如圖1所示，虛線將控制系統(tǒng)劃分為人機(jī)控制（Man-Machine Control,MMC）層和控制內(nèi)核層兩個(gè)層面。其中，控制內(nèi)核是CNC系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)加工過程調(diào)度和控制的核心部分，一般和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性相聯(lián)系。3種方式就是基于對(duì)這兩個(gè)層面開放的不同處理來(lái)區(qū)分的。

圖1 控制系統(tǒng)的開放途徑

a, 開放人機(jī)控制接口。

    這種方式允許開發(fā)商或用戶構(gòu)造或集成自己的模塊到人機(jī)控制接口（Man-Machine Interface,MMI）中。這一手段為用戶提供靈活制定適用于各自特殊要求的操作界面和操作步驟的途徑，一般使用于基于PC作為圖形化人機(jī)控制界面的系統(tǒng)中。

b, 開放系統(tǒng)核心接口。

    此方式除了提供上述方式的開放性能外，還允許用戶添加自己特殊的模塊到控制核心模塊中。通過開放系統(tǒng)的核心接口，用戶可按照一定的規(guī)范將自己特有的控制軟件模塊加到系統(tǒng)預(yù)先留出的內(nèi)核接口上。

c, 開放體系結(jié)構(gòu)

    開放體系結(jié)構(gòu)的解決方案是一種更徹底的開放方案。它試圖提供從軟件到硬件，從人機(jī)操作界面到底層控制內(nèi)核的全方位開放。人們可以在開放體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)及一系列規(guī)范的指導(dǎo)下，按需配置成功能可繁簡(jiǎn)、性能可高低、價(jià)格可控制、不依賴于單一賣方的總成系統(tǒng)。

    從實(shí)現(xiàn)方法上，PC-NC（個(gè)人計(jì)算機(jī)數(shù)控）是目前比較現(xiàn)實(shí)的NC開放化的途徑。也就是在PC機(jī)硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用市售的軟件和硬件插卡，構(gòu)造出數(shù)控系統(tǒng)功能。但是，現(xiàn)有PC的操作系統(tǒng)缺乏實(shí)時(shí)性，可靠性尚有待提高。PC-NC主要可歸納為3種：NC板插入到PC中、PC板插入NC裝置中、軟件NC。NC板插入PC中的形式，就是將運(yùn)動(dòng)控制板或整個(gè)CNC單元（包括集成的PLC）插入到個(gè)人計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展槽中。PC機(jī)作非實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)控制由CNC單元或運(yùn)動(dòng)控制板來(lái)承擔(dān)，這種方法能夠方便地實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的開放化和個(gè)性化，即上述第1層次的開放；在此基礎(chǔ)上，借助于所插入NC板的可編程能力，能部分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)核心接口的開放，即上述第2層次的開放。PC板插入NC中這一形式，主要為一些大型CNC控制器制造商所采用。其原因有兩方面：一是許多用戶對(duì)他們的產(chǎn)品很熟悉，也習(xí)慣使用；另一方面是控制器制造商不可能在短時(shí)間內(nèi)放棄他們傳統(tǒng)的專用CNC技術(shù)。因此，才出現(xiàn)了這種折中方案，其做法就是在傳統(tǒng)的CNC中提供PC前端接口，使其具有PC處理的柔性。顯然，這種系統(tǒng)的NC內(nèi)核保持了原有的封閉性，故只能實(shí)現(xiàn)上述第1層次的開放。所謂軟件NC，是指NC系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，如編譯、解釋、插補(bǔ)和PLC等，均由軟件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。這類系統(tǒng)借助現(xiàn)有的操作系統(tǒng)平臺(tái)（如DOS，Windows等），在應(yīng)用軟件（如Visual C＋＋，Visual Basic等）的支持下，通過對(duì)NC軟件的適當(dāng)組織、劃分、規(guī)范和開發(fā)，可望實(shí)現(xiàn)上述各個(gè)層次的開放。

   應(yīng)該指出，將開放系統(tǒng)的概念引入CNC系統(tǒng)的發(fā)展需求中，表明系統(tǒng)走向開放的條件日趨成熟。然而，具有開放系統(tǒng)特征的開放體系結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)仍處在成長(zhǎng)期，有關(guān)開放體系結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)科學(xué)、明確的定義及相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)尚處在進(jìn)一步的發(fā)展完善中。

2 研究動(dòng)態(tài)

    控制系統(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)將導(dǎo)致新一代控制器的產(chǎn)生，并成為未來(lái)制造業(yè)的一大支柱。因此，歐美及日本各國(guó)都相繼進(jìn)行了大量研究工作，并出臺(tái)了各自的開放式體系結(jié)構(gòu)規(guī)范。

    1989年，美國(guó)由政府資助的NGC（Next Generation Controller）研究計(jì)劃，作為開放性結(jié)構(gòu)控制器的標(biāo)準(zhǔn)提案受到了廣泛關(guān)注。NGC與傳統(tǒng)CNC的顯著差別是它基于“開放體系結(jié)構(gòu)”，其首要目標(biāo)是開發(fā)“開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范”（Specification for an Open System Architecture Standard, SOSAS），此規(guī)范用來(lái)管理工作站和機(jī)床控制器的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)組織。NGC計(jì)劃于1994年完成了原型研究，并轉(zhuǎn)入了工業(yè)開發(fā)應(yīng)用。例如，美國(guó)Ford，GM和Chrylser等公司在NGC計(jì)劃的指導(dǎo)下，聯(lián)合提出了OMAC（Open Modular Architecture Controller）開發(fā)計(jì)劃。該計(jì)劃定義了一個(gè)應(yīng)用于汽車工業(yè)的開放、模塊化體系結(jié)構(gòu)控制器的規(guī)范，其硬件繼承了VME系列的VMS。盡管目前還不夠完善，但由于“API的接口層”的標(biāo)準(zhǔn)化，使用戶能夠充分發(fā)揮自己的主動(dòng)性，從而可裝入自己所需的獨(dú)特功能；甚至可以裝入Windows OS，將CAM等現(xiàn)有的PC機(jī)資源移植到控制器中；同時(shí)，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效、便攜化，具有極高的實(shí)用價(jià)值。實(shí)現(xiàn)OMAC的好處在于能減少投資和生產(chǎn)周期的費(fèi)用，容易將市場(chǎng)化的通用技術(shù)與用戶自身的專有技術(shù)融為一體，從而能高效地重構(gòu)用于新程序的控制器，使得不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)能及時(shí)植入。

    與NGC同步，日本一項(xiàng)面向21世紀(jì)制造產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期研究計(jì)劃——智能制造系統(tǒng)（Intelligent Manufacturing System,IMS）也在討論中，該項(xiàng)計(jì)劃由日本工業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)，同時(shí)，也與其他國(guó)家合作。1990年，日本IMS中心成立。1994年，歷時(shí)10年的IMS計(jì)劃日程表發(fā)表并開始啟動(dòng)，大部分計(jì)劃都與先進(jìn)制造系統(tǒng)與自動(dòng)化相關(guān)，如多功能機(jī)床系統(tǒng)、敏捷制造系統(tǒng)、基于知識(shí)的人工智能表達(dá)式系統(tǒng)和智能監(jiān)控系統(tǒng)等。這些計(jì)劃對(duì)將來(lái)控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。同時(shí)，日本還啟動(dòng)了另一項(xiàng)開放系統(tǒng)計(jì)劃——OSEC（Open System Environment for Controller）計(jì)劃。其主要內(nèi)容是基于PC平臺(tái)的開放式系統(tǒng)，宗旨就在于確定“不依賴于特定賣主的開放性控制器”的結(jié)構(gòu)。這一計(jì)劃由3家機(jī)床企業(yè)（東芝機(jī)械、豐田工機(jī)、山崎）與3家信息系統(tǒng)開發(fā)企業(yè)（日本IBM、三菱電機(jī)、SML）發(fā)起，提出了控制器的分層模型，明確了各層次模塊的功能、服務(wù)內(nèi)容及接口規(guī)范。此外，還定義了一種新的NC語(yǔ)言——FADL語(yǔ)言。目前，該組織已經(jīng)發(fā)展到由18家公司和一家社團(tuán)共同參與的致力于推進(jìn)CNC系統(tǒng)開放化的協(xié)會(huì)。

    面對(duì)國(guó)際市場(chǎng)的形勢(shì)和制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，歐洲采取的對(duì)策是：聯(lián)合起來(lái)發(fā)揮各家的長(zhǎng)處，積極吸收世界上各種新技術(shù)，開發(fā)滿足世界市場(chǎng)尤其是亞洲市場(chǎng)的產(chǎn)品。要達(dá)到這一目的，首先要具有能容納或聯(lián)合各家技術(shù)的新型控制器。早在1987年11月，在德國(guó)機(jī)床廠聯(lián)合會(huì)（VDW）的支持下，就曾由斯圖加特大學(xué)的制造控制技術(shù)研究所（ISW）對(duì)“未來(lái)控制技術(shù)”進(jìn)行了研究，提出的新型控制器方案的原則為：可組配、模塊化和開放式。1991年10月，一項(xiàng)涉及歐洲各國(guó)的控制系統(tǒng)計(jì)劃OSACA（Open System Architecture for Control within Automation System）開始啟動(dòng)，它是歐洲各國(guó)的合作計(jì)劃，立足于提高機(jī)床和控制系統(tǒng)制造商在世界市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。項(xiàng)目工期從1992年5月到1996年5月，歷時(shí)48個(gè)月。其主要任務(wù)是制定一個(gè)與制造商無(wú)關(guān)的開放控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。OSACA計(jì)劃的成功將減少新產(chǎn)品的上市時(shí)間，提供更強(qiáng)的客戶定制功能和柔性程度，減少了開發(fā)、維護(hù)、培訓(xùn)和文檔建立的費(fèi)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

    采用開放式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家和用戶都有好處。對(duì)于控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，他們可在共同的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)上建立廣泛的合作，實(shí)現(xiàn)協(xié)作式開發(fā)，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低了成本，增強(qiáng)了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力；對(duì)于機(jī)床生產(chǎn)廠，不僅可以根據(jù)需要配置最合適的控制系統(tǒng)，還可將自己獨(dú)特的軟件集成到系統(tǒng)控制器，形成自己的產(chǎn)品特色；最終用戶可以說是開放式控制系統(tǒng)的最大受益者，他們可以最大限度地按照自己的需要選擇產(chǎn)品，配備合適的功能部件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成和擴(kuò)展，同時(shí)，開放也使系統(tǒng)的操作、維護(hù)更為方便。此外，控制器的結(jié)構(gòu)開放性也為數(shù)控技術(shù)能持續(xù)不斷地吸收日新月異的計(jì)算機(jī)硬軟件最新成果創(chuàng)造了條件，有利于數(shù)控產(chǎn)品自身的更新?lián)Q代，提高性能，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。這也正是開放式NC控制器之所以被各發(fā)達(dá)國(guó)家視為重要的戰(zhàn)略技術(shù)、紛紛投入研究的重要原因。

    我國(guó)是一個(gè)機(jī)床生產(chǎn)和應(yīng)用大國(guó)，但數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用水平還不高，嚴(yán)重制約著我國(guó)制造業(yè)水平的提高。國(guó)際上的相關(guān)開發(fā)計(jì)劃對(duì)我國(guó)的數(shù)控技術(shù)的發(fā)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時(shí)也帶來(lái)了機(jī)遇。首先，開放系統(tǒng)計(jì)劃的實(shí)施，把世界上所有系統(tǒng)開發(fā)商推到了同一起跑線上。在這個(gè)起跑線上，我們可以建立以國(guó)際采購(gòu)為思路的系統(tǒng)集成開發(fā)之路，為我國(guó)制造高性能、高可靠性CNC系統(tǒng)創(chuàng)造條件；其次，通過一致的編程應(yīng)用界面，容易形成自己的集成方案，進(jìn)一步減小對(duì)賣方市場(chǎng)的依賴性。此外，隨著開放系統(tǒng)計(jì)劃的實(shí)施，統(tǒng)一開發(fā)平臺(tái)的建立，將來(lái)CNC系統(tǒng)的高技術(shù)附加值將主要體現(xiàn)在軟件上，為我國(guó)發(fā)展民族軟件產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了一個(gè)良好的契機(jī)。我們應(yīng)充分把握機(jī)會(huì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，迎頭趕上，研制出適合我國(guó)國(guó)情的新一代國(guó)產(chǎn)高性能CNC控制器。