開放式數(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)市場變化與競爭，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。這就迫切需要開發(fā)具有開放性、性能穩(wěn)定、價格低廉的新型數(shù)控系統(tǒng)。
    當(dāng)今，隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。開放式體系結(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)的開放化，設(shè)計生產(chǎn)開放式的數(shù)控系統(tǒng)。
    開放式數(shù)控系統(tǒng)的概念
    數(shù)控系統(tǒng)的開放性體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的開放性概念出現(xiàn)在80年代末90年代初，是歐美各國為了適應(yīng)機床制造業(yè)在技術(shù)、市場和生產(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)計框架，使系統(tǒng)朝模塊化、平臺化、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)品的競爭能力。
    在關(guān)于開放式體系結(jié)構(gòu)的定義，按IEEE 定義，一個開放式控制系統(tǒng)應(yīng)提供這樣的能力:來自不同賣主的種種平臺上運行的應(yīng)用都能夠在系統(tǒng)上完全實現(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。
    開放式的數(shù)控系統(tǒng)是指PC-NC，是在加工機械專用的CNC中也將引入PC所具有的開放化。
    系統(tǒng)組成內(nèi)部的開放化
    系統(tǒng)組成各部分之間的開放化
    關(guān)于以上開放性的概念可從兩個方面進(jìn)行理解:一是時間的開放性，二是空間的開放性。時間的開放性是針對軟硬件平臺及其規(guī)范而言的，以保證平臺具有適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展，并能夠接受新的設(shè)備的能力。時間的開放性又有可擴(kuò)展和可移植性兩個方面。空間的開放性是針對系統(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。
    開放式數(shù)控系統(tǒng)的特征
    開放式數(shù)控系統(tǒng)的特點
    由上述定義可知，開放式數(shù)控系統(tǒng)是一個模塊化的體系結(jié)構(gòu)，由系統(tǒng)平臺和面向應(yīng)用的功能模塊所構(gòu)成，既有接口的開放性，又有自身功能的開放性，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。通過提供標(biāo)準(zhǔn)化接口通訊和交互機制，使不同功能模塊能以標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口運行于系統(tǒng)平臺上，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)用程序模塊可運行于不同生產(chǎn)商提供的系統(tǒng)平臺，同時系統(tǒng)軟件也可運行于不同特性的硬件平臺之上。不同的系統(tǒng)功能模塊能運行在不同的系統(tǒng)平臺之上，因此，系統(tǒng)的功能軟件應(yīng)與設(shè)備無關(guān)，即應(yīng)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、控制機制，并且通過一致的設(shè)備接口，使各功能模塊能運行于不同的硬件平臺上;
    可擴(kuò)展性
    提供標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境的基礎(chǔ)平臺，允許不同功能的模塊介入，CNC用戶或二次開發(fā)者能有效地將自己的軟件集成到NC系統(tǒng)中，形成自己的專用系統(tǒng)，其特征是通過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)運行;
    可伸縮性
    CNC系統(tǒng)的功能、規(guī)模可以靈活設(shè)置，方便修改。控制系統(tǒng)的大小(硬件或元件模塊)可根據(jù)具體應(yīng)用增減。
    開放式數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)勢
    由此可以看出開放式數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)建于一個開放的平臺上，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)的封閉式專用數(shù)控系統(tǒng)相比經(jīng)，具有以下優(yōu)點:
    具有強大的適應(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�？赏ㄟ^預(yù)留插入用戶專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用模塊的方式，簡便地實現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展;
    能適應(yīng)計算機技術(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;
    操作簡單，維護(hù)方便。在PC機上經(jīng)簡單編程即可實現(xiàn)運動控制，而不需要專門的數(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，功能更加強大，可以實現(xiàn)多種運動軌跡的控制，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)品的研制開發(fā)周期，用戶可以根據(jù)自己需要開發(fā)自己的功能模塊;
    將PC機的信息處理能力和開放式的特點與運動控制器的運動軌跡控制能力有機地結(jié)合在一起，信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好。
    基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)
    基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的類型
    基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)能充分地利用計算機的軟硬件資源，可使用通用的高級語言方便地編制程序，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。使用計算機同時也便于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)大致可分為以下幾種類型[1，2]。
    PC嵌入型NC
    該類型系統(tǒng)是將PC裝入到NC內(nèi)部，PC與NC之間用專用的總線連接。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸快，響應(yīng)迅速，同時，原型NC系統(tǒng)也可不加修改就得以利用。缺點是不能直接利用通用PC，開放性受到限制，通用PC強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)還是不開放的。
    NC嵌入PC型
    該類型系統(tǒng)是將NC卡(運動控制卡)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，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+運動控制器”形式建造數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺，其中以工業(yè)PC為主控計算機，組件采用商用標(biāo)準(zhǔn)化模塊，總線采用PC總線形式，同時以多軸運動控制器作為系統(tǒng)從機，進(jìn)而構(gòu)成主從分布式的結(jié)構(gòu)體系。
    全軟件型NC
    該類型系統(tǒng)是指CNC的全部功能均由PC實現(xiàn)，并通過裝在PC機上擴(kuò)展槽的伺服接口卡對伺服驅(qū)動等進(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，充分利用PC機不斷提高的計算速度、不斷擴(kuò)大的存儲量和性能不斷優(yōu)化的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)機床控制中的運動軌跡控制和開關(guān)量的邏輯控制。軟件化數(shù)控系統(tǒng)把運動控制器以應(yīng)用軟件的形式實現(xiàn)，除了支持?jǐn)?shù)控上層軟件的用戶定制外，其更深入的開放性還體現(xiàn)在支持運動控制策略的用戶定制。同時，軟件數(shù)控系統(tǒng)更加向計算機技術(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，這是實現(xiàn)形式上的一種技術(shù)變革。
    NC嵌入PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系構(gòu)成
    PC-NC開放式數(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)控制計算機、運動控制卡、驅(qū)動及放大部件、交流伺服電機、位置檢測部件、接口控制電路等組成。其中，工業(yè)控制計算機為信息管理部分，運動控制卡為運動驅(qū)動與算法控制部分。軟件系統(tǒng)可采用在Windows2000操作系統(tǒng)下，以Visual Basic或Visual C++等為開發(fā)工具采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎ瑢﹂_放式數(shù)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的基本功能。
    此模式中運動控制卡主要承擔(dān)實時性任務(wù)，如伺服控制、路徑規(guī)劃、可編程邏輯控制;工業(yè)控制計算機主要完成系統(tǒng)管理、數(shù)控編程、數(shù)控仿真、圖形插補和人機界面處理、網(wǎng)絡(luò)功能等非實時任務(wù)。工業(yè)控制計算機的控制內(nèi)核是整個數(shù)控系統(tǒng)的核心，它通過調(diào)用對應(yīng)于運動控制卡中各種變量和功能的應(yīng)用程序接口與運動控制卡交換信息，并負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。
    數(shù)控系統(tǒng)開放性技術(shù)關(guān)鍵
    在經(jīng)歷了引進(jìn)和消化吸收兩個發(fā)展階段后，我國在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展，已經(jīng)實現(xiàn)了自行開發(fā)具有自己軟硬件版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，同時數(shù)控系統(tǒng)的開放性研究工作也正在進(jìn)行。數(shù)控系統(tǒng)要實現(xiàn)開放性結(jié)構(gòu)，主要解決以下幾個關(guān)鍵性的問題:
    制定一個開放式數(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床生產(chǎn)廠能在制造協(xié)議的導(dǎo)航下進(jìn)行有序的開發(fā)和生產(chǎn)，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)廣泛的合作。
    實現(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時性。通過對系統(tǒng) CPU 結(jié)構(gòu)模式、通訊方式、運動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)造一種獨立于硬件系統(tǒng)的軟件平臺。目前，為減少數(shù)控系統(tǒng)軟件對于硬件的依賴性，從根本上無法實現(xiàn)軟件的開放性，因此開發(fā)出一種獨立的軟件平臺是十分必要的。針對數(shù)控系統(tǒng)的實時性和多任務(wù)性,應(yīng)構(gòu)筑一種實時多任務(wù)軟件平臺,并使其基本功能模塊化典型化,使各個功能模塊實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度和相互獨立,這樣為不同硬件結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)提供軟件時,只需按其功能配置相應(yīng)的軟件模塊，實現(xiàn)軟件的獨立性和開放性。由于每個功能模塊不會對其它功能模塊產(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。
    開發(fā)出一個優(yōu)化系統(tǒng)軟件，把各種優(yōu)化技術(shù)集成在軟件包中。利用該軟件來優(yōu)化配置系統(tǒng)加工參數(shù)，使加工過程最優(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)的第二次開發(fā)。
    結(jié)語
    開放式數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，其給數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商、機床制造商以及用戶都帶來了很多好處。而基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)具有較強靈活性，可以充分利用PC機豐富的軟硬件資源和強大的技術(shù)優(yōu)勢，有利于更完美地實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的用戶界面、圖形顯示、動態(tài)仿真等功能。模塊化的程序設(shè)計使系統(tǒng)的通用性、擴(kuò)展性和可移植性大大增強，有利于系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。