開放式數(shù)控系統(tǒng)淺析

朱顯明　馬洪波

[摘要]時代和社會生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，都要求數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機床技術(shù)向更高的水平與層次邁進(jìn)。開放式數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前控制器開發(fā)的熱點。分析開放式數(shù)控系統(tǒng)的基本特征，并對開放式數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)做相應(yīng)探討。

[關(guān)鍵詞]開放式 模塊化 控制器 數(shù)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0120123－01

一、引言

隨著數(shù)控技術(shù)向著靈活方便、多功能、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，控制器也必須跟上這一發(fā)展步伐。這就要求控制器能夠重新配置、修改、擴充和改裝，甚至有時要求控制器能重新組合與生成。由此，出現(xiàn)了開放式數(shù)控系統(tǒng)的理念。本文主要從開放式數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生背景、基本特征和關(guān)鍵技術(shù)三個方面做了闡述，希望可以給讀者帶來有價值的參考。

二、開放式數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生的背景

所謂開放式系統(tǒng)是相對于以前的數(shù)控系統(tǒng)而言的，過去日本的FANUC、德國的SIEMENS等大型的CNC控制器制造商，

為數(shù)控機床生產(chǎn)了全部的配套產(chǎn)品，包括CNC數(shù)控裝置、主軸、進(jìn)給驅(qū)動器和電機，使機床生產(chǎn)廠得到了滿意的服務(wù)，也使這種專用的CNC系統(tǒng)成為市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品，受到了機床生產(chǎn)廠和用戶的歡迎。

數(shù)控系統(tǒng)“開放”的要求來自生產(chǎn)方式的發(fā)展，來自用戶和機床廠家對附加技術(shù)的要求，也來自控制器廠商追求高質(zhì)量、低成本和提高產(chǎn)品競爭力的需要。

（一）生產(chǎn)系統(tǒng)的需求

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，CIM的實現(xiàn)形式將從以大型主計算機和大規(guī)模數(shù)據(jù)庫為中心的集中型，向以個人計算機為主的小型計算機互相連接、配置成網(wǎng)絡(luò)的分散型發(fā)展。其變化不僅擁有技術(shù)上的優(yōu)勢，而且更符合實際生產(chǎn)方式的需要。在生產(chǎn)現(xiàn)場，投資適中、組織簡單、與需求相適應(yīng)的分散型局部生產(chǎn)系統(tǒng)，比需要龐大投資的集中型生產(chǎn)系統(tǒng)更受歡迎。分散的控制系統(tǒng)可以分為若干個子系統(tǒng)，降低了設(shè)計和實施的難度。在分散型的生產(chǎn)系統(tǒng)中，即使變更部分產(chǎn)品及管理方式也不會改變整個系統(tǒng)。

（二）生產(chǎn)設(shè)備的客觀需要

工業(yè)生產(chǎn)中機床設(shè)備的種類很多，許多機床是直接根據(jù)用戶的需要設(shè)計的?？刂破魃a(chǎn)商提供的數(shù)控系統(tǒng)大多是全功能的數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)中的許多參數(shù)都需要根據(jù)機床的實際情況設(shè)定，系統(tǒng)要提供設(shè)定參數(shù)的接口，以供機床制造商調(diào)整和修改。有些情況下，機床制造商并不需要全功能數(shù)控系統(tǒng)中的所有功能，而是希望選裝自己所需要的功能。在這些情況下，都希望數(shù)控系統(tǒng)具有一定的“開放性”，即具有高度模塊化的結(jié)構(gòu)，可以重新配置、修改、擴充和改裝。

（三）機床制造廠的推動作用

長期以來，數(shù)控設(shè)備制造廠和機床制造廠是各自獨立開發(fā)產(chǎn)品的。數(shù)控廠商不斷豐富系統(tǒng)的功能 ，但在數(shù)控機床實際應(yīng)用中，并不一定需要龐大的系統(tǒng)功能支持。另一方面，機床制造廠和最終用戶有許多加工經(jīng)驗，而這些經(jīng)驗不可能與數(shù)控裝置的生產(chǎn)廠共享，很難融入到已有的數(shù)控系統(tǒng)中去。不能將推進(jìn)數(shù)控技術(shù)的希望全部寄托于機床生產(chǎn)廠，不是所有的機床廠商都有研制數(shù)控系統(tǒng)的能力。市場的需求呼吁機床生產(chǎn)廠和數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠合作，開發(fā)新的數(shù)控系統(tǒng)，使其具有高度的模塊化，支持用戶二次開發(fā)，能夠?qū)⒂脩艉蜋C床生產(chǎn)商的經(jīng)驗吸收到數(shù)控系統(tǒng)。實際制造生產(chǎn)對數(shù)控系統(tǒng)的開放式提出了新的要求。

三、開放式數(shù)控系統(tǒng)的基本特征

開放式數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前控制器開發(fā)的熱點。但關(guān)于“開放式”的定義并沒有統(tǒng)一的定義和標(biāo)準(zhǔn)。從當(dāng)前世界各國的有關(guān)開放式控制器的研究計劃中看，開放式控制器應(yīng)當(dāng)具有以下基本特征。

（一）模塊化

開放式數(shù)控系統(tǒng)首先應(yīng)當(dāng)具有高度模塊化的特征。模塊化的含義有兩層，首先是數(shù)控功能的模塊化，可以根據(jù)機床廠的要求選裝各個功能，另一層含義是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的模塊化，即數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)各功能的算法是可分離的、可替換的。例如，可以單獨替換數(shù)控系統(tǒng)的核心插補算法，或替換數(shù)控系統(tǒng)的操作界面。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模塊化是功能模塊化的基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)配置、重組的基礎(chǔ)。只有模塊化的數(shù)控系統(tǒng)才能談得上開放。

（二）標(biāo)準(zhǔn)化

“開放”從來都不是毫無約束的開放，而是在一定規(guī)范下的開放。如同PC領(lǐng)域一樣，任何硬件廠都可以設(shè)計制造PC硬件，但都要符合PC的各種標(biāo)準(zhǔn)。只有這樣，才能實現(xiàn)PC系統(tǒng)的開放?？刂破鞯拈_放也要在標(biāo)準(zhǔn)化的約束下實現(xiàn)?！皹?biāo)準(zhǔn)化”的基礎(chǔ)是模塊化，因為標(biāo)準(zhǔn)的制定要建立在模塊合理劃分的基礎(chǔ)上。

（三）平臺無關(guān)性

開放式系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有平臺無關(guān)性，不依賴特定的硬件平臺和操作系統(tǒng)平臺。對于平臺無關(guān)性的理解也不是絕對的，因為跨平臺的程序移植總是有許多工作要做，就如同Mac機的應(yīng)用程序不能直接應(yīng)用于PC機，而NT下的應(yīng)用程序不能應(yīng)用于UNIX下一樣。開放式控制器的平臺無關(guān)性是指控制器與計算機平臺之間的接口明確，只要使用具體平臺的API（應(yīng)用程序接口）編寫接口，在支持API的編譯環(huán)境中重新編譯就可以實現(xiàn)控制器的跨平臺移植。這樣將大大縮短控制器及其應(yīng)用程序的移植。

（四）可再次開發(fā)

開放式控制器應(yīng)當(dāng)允許用戶進(jìn)行二次開發(fā)。二次開發(fā)是具有不同層次的。比較簡單的二次開發(fā)可以包括用戶根據(jù)實際情況調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和進(jìn)行模塊配置。進(jìn)一步的二次開發(fā)包括對用戶界面的重新設(shè)計。更深層的開發(fā)應(yīng)當(dāng)允許用戶將自己按照規(guī)范設(shè)計的功能部件集成到系統(tǒng)中去。為了實現(xiàn)上述功能，系統(tǒng)應(yīng)具有可擴展性。

（五）適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)操作方式

作為開放式控制器，應(yīng)當(dāng)考慮到迅速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用。目前，比較簡單的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用尚停留在通過網(wǎng)絡(luò)向數(shù)控系統(tǒng)傳遞零件程序、加工指令或進(jìn)行一些遠(yuǎn)程監(jiān)控的工作，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)尚沒有有機的融合入控制器的體系結(jié)構(gòu)中?？梢灶A(yù)見，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐步融入PC機及其后續(xù)機型，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也必將融入開放式控制器的體系結(jié)構(gòu)中。未來的開放式控制器可能是在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持下的多處理器并行計算的控制器。

四、開放式數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

在研究方法上，有兩種技術(shù)路線：一種是以歐洲OSACA為代表，從建立理想模型入手，逐步實現(xiàn)新開發(fā)的控制器產(chǎn)品遵循理想模型；另一種技術(shù)路線是以日本的OSEC為代表，試圖建立中性語言，在現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過這種機制使數(shù)控系統(tǒng)部分地向用戶開放。在這兩種技術(shù)思路中，第一種屬于理想化的技術(shù)路線，第二種技術(shù)路線相比之下就更加現(xiàn)實，但并不是最完美的解決方法。

無論采用OSACA的技術(shù)路線還是OSEC的技術(shù)路線，都需要確定嚴(yán)格的接口定義，即確定開放式的標(biāo)準(zhǔn)。開放式的標(biāo)準(zhǔn)首先應(yīng)當(dāng)是科學(xué)合理，而且還要具有一定的前瞻性。此標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)詳細(xì)地定義軟件模塊和硬件結(jié)構(gòu)的接口。只有詳細(xì)定義了標(biāo)準(zhǔn)，才能夠談得上互易操作性，是多家公司開發(fā)的模塊集成。關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)，最重要的是得到業(yè)界的支持和嚴(yán)格遵守。無論OSACA還是OSEC，都擁有一大批有實力的控制器廠商參與。當(dāng)然，形成開放式標(biāo)準(zhǔn)也需要政府部門支持和參與。開放式控制器不可能在短期取代傳統(tǒng)控制器。

五、結(jié)束語

目前在我國，已有開放式數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)，它們雖然有著各自的優(yōu)點，但從數(shù)控系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展看還有許多需要改進(jìn)的地方。如相互之間缺乏兼容性，對體系結(jié)構(gòu)的闡述都局限于具體的實現(xiàn)層面，沒有提高到一種理論的抽象的層面上來。同時各個系統(tǒng)雖然模塊化了，但沒有標(biāo)準(zhǔn)化、層次化，沒有用到國際上的新技術(shù)，和國外相比在開發(fā)思想上還有很大的差距。在以后的發(fā)展過程中，我們要利用新技術(shù)來促進(jìn)我國開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，在我國企業(yè)發(fā)展、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中發(fā)揮出重要作用。

參考文獻(xiàn)：

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