开放式数控系统的现状与发展
摘要：数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。
而数控系统是数控制造技术的核心是一种基于计算机控制的实时控制系统。
本文介绍了开放式数控系统的技术内容，分析了开放式数控技术发展现状，探讨了开放式数控系统的发展趋势。
关键词：开放式数控系统技术内容现状发展趋势
中图分类号：s776.05 文献标识码：a 文章编号：
随着现代制造业逐渐面向多品种、小批量生产方式的转变, 同时, 还有高精、高效、高速加工的需要以及企业为实现异地制造和远程诊断所需的联网功能及智能控制, 开放式数控系统已成为数控系
统发展的重要方向.
一、开放式数控概念的提出
随着制造业的发展，中小批量生产的趋势日益增强，机械产品的机构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，对数控机床柔性、通用性提出了更高的要求，以保证制造业向着高精度、高速度、高效率、快速的市场响应、易操作性等方向发展。
传统的数控系统在结构上提供给用户有限的选择，用户无法对现有数控设备的功能进行修改以满足自己特殊的需求。
传统的数控系统是一种专用封闭式系统，它越来越不能满足市场发展的需要。
传统的数控系统的缺点如下：
（1）与通用计算机不兼容，不同厂家的数控系统不兼容，甚至
同一个厂家的不同系列的数控系统也不兼容；
（2）各种数控系统的内部结构复杂，一旦数控系统发生故障，往往需要找生产厂家来维修，很不方便，而且大大提高了维修费用；（3）难进行升级和进一步开发；
（4）专用封闭式数控系统的发展一般滞后5年左右，在计算机技术迅猛发展的今天，这是一个相当长的时间。
传统数控系统的上述特点严重制约着数控技术的发展，不能满足市场对数控技术新的要求。
针对这种情况，人们80年代就提出了开放式控制系统的概念。
早在1987年，美国开始了名为“下一代控制系统”的ngc计划，并成立了“美国国家制造科学中心”，其主要目的是在拟订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析规范。
其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中影响较大的有美国omac计划，欧共体的osaca 和日本的osec计划等。
二、开放式数控系统的技术内容
开发基于 pc 机的开放式数控系统以开放性、通用性作为设计原则。
整个系统的研究、开发包括系统硬件结构和系统软件结构两大部分。
1、硬件结构方面
目前，开放系统有两种基本结构：（1）cnc+pc 主板：把一块pc 主板插入传统的cnc 机器中，pc 板主要运行于非实时控制，cnc 主要运行以坐标轴运动为主的实时控制。
（2）pc+运动智能控制板：把运动智能控制板插入pc 机的isa 标准插槽中作实时控制用，而pc 机主要作非实时控制。
对于许多熟悉计算机应用的系统厂家，
往往采用第（2）方案。
其结构原理如图1 所示。
图1 硬件配置
2、软件结构方面
系统采用了前、后台型软件结构，即由前台程序和后台程序所组成。
前台程序指实时中断程序，包括实现插补、伺服驱动、机床相关逻辑、故障检测与诊断等所有实时任务。
图2 为后台服务程序。
后台程序是指循环运行程序，主要功能是实现各种功能的切换、数据处理、动态显示运行状态等。
本系统实现中的关键技术包括实时多任务处理，人机界面设计技术等，以便能充分发挥数控系统的软、硬件资源。
最终达到零件程序可以离线开发，然后传送到生产车间的编程系统，在cnc 控制器上运行，操作者可以观察、检测刀具运行情况和加工过程，还可以对加工过程进行必要的修正，实现真正的
cad/cam/cnc 集成，并趋向于智能化控制。
图2 后台服务程序
三、开放式数控技术发展现状
1、国外开放式数控技术发展现状
美国20 世纪90 年代提出了ngc 下一代控制器计划，其核心是开放体系结构的研究，首要目标是开发开放式系统体系结构标准规范sosac，用来管理工作站与机床控制器的设计和结构组织，目的是使系统制造厂、机床厂及最终用户，分别从缩短开发周期、便于系统集成、二次开发、简化系统使用、维护等方面受益。
欧洲德、
法、意等国1990 年联合进行了“自动化系统中开放式体系结构osaca”的研究，提出了一个“分层的系统平台＋结构功能单元”的结构，系统平台由系统硬件及系统软件组成，系统软件含有系统的核心部分，系统平台通过api 对外提供服务；osaca 的三个主要组成部分有通讯系统、参考体系结构与配置系统。
日本的几个公司共同提出，讨论的重点集中在nc（数字控制）本身和分布式控制系统上。
osec 的开放式cnc 系统体系结构，包括3 个功能层和7 个处理层。
osec 提出了fadl （工厂自动化描述语言）和osel 加工语言，实现加工信息的标准化和制造控制系统与cad/cam 系统之间的直接互连。
2、我国开放式数控技术发展现状
目前，国内较有代表性的新型开放式数控系统主要有两种：（1）基于软件芯片的开放式数控系统：将数控系统的功能进行抽象并封装，把数控软件设计成具有稳定通用的接口和可以重用的sic，每个sic 完成数控系统的一个独立模块功能。
经对sic 进行管理，能添加新sicos 用户，在组装数控系统或者进行二次开发时，能将芯片库中检索出的sic，按照用户要求的功能进行集成。
其局限是由芯片决定的，只是简单程序源代码的重用，是极为有限条件下的移植。
（2）基于现场总线技术的开放式数控系统：将大量并行信号转化为串行信号，能用双绞线或光缆在上百台设备之间实时传递信号。
目前，现场总线接口与数据交换大多遵循sercos 协议。
sercos
构成一个封闭环路，根据伺服系统和plc 的不同地址，利用插在计算机中的softsercans 卡来实现计算机和数字伺服系统之间实时
的数据通信，从而形成数控系统。
但是，sercos 有3 万多个参数是默认值，且其总线技术较昂贵，这对于普及应用会有些不利影响。
3、开放式数控系统分类简介
（1）软件的开放型：数控系统软件，包括系统控制软件、应用软件、管理软件等。
体现在应用软件范畴，例如机床制造厂可自行设计可编程机床的逻辑控制；用户可用丝杠螺距误差补偿、间隙补偿等功能，以满足用户的特殊要求。
（2）硬件的开放型：提出开放型后，通用计算机的部分电路，例如cpu 板、显示卡、接口板、图形卡等，都被直接用到数控系统中。
此时，数控系统制造厂只需做些专用板，例如位置板、i/o 板等与相关的计算机集合起来，就可组成一台完整的数控系统。
四、开放式数控系统的发展趋势
1、界面友好：采用windows 系列操作系统作为其软件操作平台，具有易操作、界面友好的特点。
2、兼容性好：软、硬件平台结构包容性大，具有更强的适应性及软件资源丰富性。
3、标准化、通用化和模块化：通过选择不同的标准化模块可组成各种数控机床的控制系统能方便地移植计算机行业或自动化领
域的成果，也便于现有的数控系统进一步扩展及升级；
4、高速、高可靠性：主轴最高转速可达60000r/min，进给速度达到60m/min，系统平均无故障时间（mibf）达到30000h 以上；
5、cnc 的智能化：引进自适应控制技术，系统可自动调整有关参数，以达到系统运行的最优化。
6、网络化：具有强大的通讯联网功能，保证数控系统与标准网络（包括互联网）无缝连接，实现软硬件资源共享。
开放式数控技术是制造自动化的基础，也是现代制造装备的灵魂，更是国家工业和国防工业现代化的重要手段，关系到国家的战略地位，体现了国家的综合国力水平，其水平的高低及数控装备拥有量的多少，是用来衡量一个国家工业现代化的重要标志。
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