开放性数控技术的发展

   当前世界CNC市场上的CNC控制器制造商生产的CNC系统，大多是专用设备，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需求；各种厂商提供给用户的系统的操作方式各不相同，用户在培训人员、设备维护等方面要投入大量的时间与资金；当今的CNC处于DNC和FMS环境中，同时还与CAD/CAM/CAPP等系统实现通信，过去的封闭式CNC系统，没有共同的编程语言。缺乏标准的人机接口。上述这些问题都严重阻碍了CNC制造商、系统集成者和用户采用快速而有创造性地解决当今制造环境中数控加工和系统集成中的问题。CNC制造商、系统集成者、用户都希望“开放化的控制器”，能够自由地选择CNC装置、驱动装置、伺服电机、应用软件等数控系统的各个构成要素，并能够采用规范的、简便的方法将这些构成要素组合起来。

    为了适应时代的要求，进入90年代以来，世界上一些研究机构和生产厂商，先后开展了开放性数控的研究。欧洲、美国、日本各自成立了开放性数控的研究机构，它们的发展计划的代号分别为OSACA(Open System Architecture for Control within Automation)、OMAC(Open Modular Architecture Controller)、OSE(Open System Environment)。这3个计划目前都已经取得了重大进展，并且公布了部分研究成果。

 

图1CNC装置的外部环境

1开放性数控的主要特点

    CNC装置的外部环境，如图1示，人们越来越希望能够自由地选择CNC装置、伺服放大器、执行单元、传感器、PLC等外部设备，而且能够具有与外部信息高度的通讯功能，使CNC装置能够灵活运用在综合化的生产环境中。所谓开放性数控，就是指机床制造厂(CNC的中间用户)和机床用户(CNC的最终用户)能够更改、添加CNC装置的功能，并能够实现整个装置的廉价化。

    目前对于开放性数控的具体定义还存在争论，OSACA、OMAC、OSE对于开放性数控都作出了自己的定义，一般而言，开放性数控应该具有以下特点：

    由一系列逻辑上独立的构成要素组成；

    提供系统各个构成要素与系统之间接口的完善的规范和标准，来自不同厂商的符合规范的构成要素能够构成一个完整的数控系统；

    能够动态改变系统的拓补结构；

    能够实现与其它自动化系统或软件模块的互操作；

    能够提供一致性好的人机界面(MMI)

2开放性数控的发展现状

    目前，国际上与开放性数控的项目相关的项目比较多，但是目前最具影响力的仍是OSACA、OMAC、OSE，因而这3个计划的发展现状基本上代表了开放性数控的发展现状。

    OSACA自1992年5月正式启动，目前已进入第三阶段，主要取得下述成果：

    定义了中性的(即不依附于任何厂家的)开放性数控系统的基本规范。

    拟订了中性的可适用于数控系统、机器人、可编程逻辑控制器和单元控制器的统一的参考结构。

开发了第一批示范性的应用软件模块(OSACA API)。

    OMAC自1994年12月由 Chrysler、Ford 和General Motors 公布了“开放的模块化结构控制器(OMAC)在汽车工业中的需求” 的文件，1997年2月14日, General Motors Powertrain Group (GMPTG)建议成立了OMAC。目前已经具有80多家研究机构、9家OEM，16家用户参与该组织，主要取得以下成就：

    定义了标准化的OMAC API，使得用户可以充分发挥自己的主动性，装入自己的所需的特殊功能。

    利用Window OS，可以充分利用现有的个人计算机资源如CAM、SPC。

    以实时操作系统为核心，提供高性能的控制功能。

    利用实时数据库，可实现数据的高效、便携化。

    OSE自1994年12月由6家企业发起，如今已发展成为具有18家企业和1个团体的具有较大影响力的组织。1995年OSE公布了“OSEC-I”，1996年公布了“OSEC-II”，同时还展示了3台验证系统。主要取得以下成就：

    提出了开放性数控系统的参照模型，并将其具体化为实装模型。

    开发了基于PC的人机接口系统。

    提出并开发了新的NC语言OSEL。

    开发了用于机床控制的接口(OSEC API)及语言处理器。

    目前这些组织在本国或本地区都鼓励企业参与研究与决策工作，并且推出了一系列的示范性的产品。

3开发开放性数控系统的基本指导思想

最大限度地利用日新月异的PC软硬件技术

    PC化是实现开放式数控的比较现实的途径。PC从产生到现在，PC的可靠性和它计算能力飞速增长，硬件已完全实现标准化，这些使得它更加适合于在工业环境下使用。PC具有充足的的支持软件来改善CNC系统的用户界面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯等功能。利用 PC丰富的程序开发工具，机床制造商和用户可以采用通用的编程语言编制软件模块代替系统的原有模块，便于厂商和用户添加具有自己独特的技术诀窍的模块。

模块化

    用户希望能够在选用硬件上具有更大的自由度。而作为机床生产厂商，面对市场的快速变化的需求，设计和集成系统的时间要求越来越紧迫，因此机床生产厂商也希望数控系统的各个构成要素具有标准的接口，具有即插即用的特性。CNC系统的模块化建立在对机床的各个构成要素的功能的逻辑性分析的基础上，将其分解为逻辑上相互独立的模块，实现模块与功能的之间的一一对应关系，为这些模块之间的连接制定的标准接口。模块化的构成要素能够满足用户和厂商的多样化、多层次的要求，能够采用少量模块组合出多种产品，高效、优质地满足不同用户的需求。

动态配置系统

    常用的系统配置方法是直接修改系统参数，周期长，并且易出错。为了实现更灵活的配置和更友好的操作方式，开放性数控需要新型的配置过程，能够实现在系统启动、运行状态下系统的动态配置。动态配置的实现是基于系统拓补结构的动态生成，包括选择构成要素、参数化构成要素的功能、构成要素之间的信息流的组织等几个步骤。

可移植

    系统的模块化保证了在同一软硬件平台上的相同功能构成要素的可移植性。但是由于软硬件平台的多样性，需要实现在多种软硬件平台上的可移植性。这就要求开放性数控系统的规范应该不依赖于特定的软硬件平台。开放性数控所定义的数据结构、命名习惯、用户接口外观等都应有利于在不同的系统平台上实现。对于软件而言，为了满足可移植性的要求，采用分层设计或客户/服务器模式设计应用程序，将与软硬件平台相关的部分置于底层，进行移植时，只需替换底层软件(实际上，模块的生产厂商应该负责提供最底层的软件)。

可扩展性

    可扩展性是指用户或二次开发者能否采用安全而有效的方法将属于他们自己的加工经验和专用软件集成到CNC系统中，形成自己的专有CNC。可扩展性的实现方法有两种：

    可以采用固定模块内部结构，但预留插入用户专用软件的接口的方式；

    提供用户API和编程规范，供用户编制自己的专用模块；

鼓励产业界参与开放性系统的开发过程

    世界各国出现开发开放性数控的热潮的主要动力在于提高本国或本地区的CNC在世界上的竞争力，各国积极鼓励企业参与研究，而许多企业自发地参与或主持研究工作。开放性的数控需要开放性的氛围来实现：日本OSE的研究活动均志愿地进行，采用“邮式会议”的方式进行讨论；OMAC的会员采用表决机制，每个成员均有平等的机会表述自己的观点，产业界参与决策的机会；美国能源部提供了一个叫做CAADA的制度，实施与个别民间企业合作的具体的控制器的共同开发计划。

4开放性数控发展面临的课题

一致性的人机界面(MMI)

    对用户友好，具有一致性的数控系统的操作界面，对于降低人员培训费用，降低系统维护费用都具有比较重要的意义。

以软件为基础的控制器

    在开放性数控的研究过程中，软件越来越受到重视。 OSACA认为当今数控技术的发展，已经由面向硬件(Hardware Oriented)转向面向软件(Software Oriented)。OSACA虽然对于硬件提出了一些中性的规范，但是它对硬件的规范并不苛求。OMAC的最早倡议者者GM公司认为，机床的控制器可以实现各种程度的开放，最高程度的开放是以软件技术为基础的控制器。OSACA、OMAC、OSE都提供了API作为研究的重要成果。

重视RTOS(Real Time Operation System)的开发与应用

    开放性数控要求不依赖于特定的软硬件平台，但是并不是所有的操作系统都能满足数控系统的需要。数控加工要求RTOS，现在流行多种操作系统，用户和CNC开发厂商都面临着许多选择。一些测试表明，流行的操作系统大多无法满足实时性的要求。目前，微软正着手将Windows CE操作系统转变为实时操作系统。美国能源部的ICON制造操作系统项目正在研制MOS(Manufacturing Operating System)。

数控系统开放程度

    OSACA规定了3个层次的开放程度：人机界面开放、内核有限开放、全开放。人机界面开放的开放度只限于非实时控制部分(面向用户应用)；内核有限开放的内核结构固定，但留有插入用户专用软件的接口，这两种程度的开放，在目前实现是完全可能的。而最高程度的开放——内核的完全开放，它的系统结构是由过程可互换性、可升级性、可移植性、互操作性等决定的，最终要求实现在标准平台能够任意组合所有模块的功能，目前还较为困难。

具备网络通信功能

    当今的CNC处于CIMS和 DNC 的环境中，CNC系统不仅能够控制独立运转的机械，同时还要在综合化的生产环境中，用做生产的终端设备，网络通讯功能已经成为CNC系统的必备功能。ISDN和ATM技术的发展已经使得通过Internet的数控系统具有实现的可能性。由此会产生一系列的如何防止外部非法入侵等有关安全性的一系列问题。另外，在网络化的环境下如何实现数控程序在不同数控机床上的可移植性是一个值得研究的重要问题。

5结束语

    开放性数控是数控技术发展的必然趋势，开放性的体系结构给CNC生产厂家、机床制造厂和用户都带来了许多益处。当前发达国家正在紧锣密鼓地进行着开放式数控系统的研究—— OSE称之为机械制造业的第三次革命，正为我国数控产业的发展提供良好的契机，要想在竞争中立于不败之地，不但要具有雄厚的开发力量，还必须有敏锐的超前意识。因此，国家应该重点扶植和支持开放性数控技术的研究，才有可能在未来几年或几十年的市场竞争中立于不败之地。