开放式数控技术网络化发展趋势

1 引言 

　　20世纪90年代，国外的数控系统完成了从16位机向32位机和伺服驱动从直流式向交流全数字式的转变，数控系统体系结构从封闭转向开放，从而使数控系统可充分利用计算机技术的丰富资源，能根据控制对象的要求迅速、灵活地更换软硬件，并能及时吸收新技术，使得数控技术发展步伐加快，开发周期缩短。 

　　从 2000年美国芝加哥国际机床展和2001年北京国际机床展等展览会中，可以看出数控技术及数控机床发展的一些最新趋势为： 

　　开放式智能化的数控系统成为数控技术的发展方向； 

　　5轴联动加工兴起，所谓“高速即意味着5轴”； 

　　数控加工网络化，提高了机床的生产使用效率； 

　　以高速主轴和直线电机的应用为特征，高速加工进一步向纵深发展； 

　　车铣复合加工中心更具前途； 

　　“软”数控技术发展，基于工业PC机、PCI/ISA总线、通用操作系统+实时内核的数控系统大量涌现。

2 开放式网络化数控的基本概念 

　　开放式数控系统的本质是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，形成系列化，并可将用户的特殊应用集成到控制系统中，实现不同品种、不同档次的开放式数控系统。 IEEE关于开放式系统的定义是：开放式系统能有效地运行于不同的平台之上，可以与其他应用系统相互操作，并提供与用户交互的统一风格，即所谓互操作性、可移植性、可伸缩性和可互换性。随着计算机软硬件技术的发展，目前对开放式系统最新的具体的看法包括： 

　　(1) 开放式控制系统的硬件和软件都应是柔性的，它允许改变硬件的基本配置，而软件更在所有控制级别上可以改变。 

　　(2) 开放式结构系统的软硬件必须是真正“即插即用”的，如果产品必须被“召回”以安装新的硬件和软件，那就不是真正的开放。 

　　(3) 控制器必须是标准化的，以使第三方能在此基础上参与新硬件和新软件的开发。 

　　(4) 开放式系统允许第三方软件作为系统的部件增加进来，也就是说它是一个标准系统，在这个标准上系统能在部件级别上与其他部件集成，并能共享数据。 

　　(5) 一个开放式控制系统能在系统的级别上同其他系统协同工作。 

　　网络数控就是通过网络、 Internet/Intranet将制造单元和控制部件相连，或将制造过程所需资源(如加工程序、机床、工具、检测监控仪器等)共享。网络化包括两个方面：内部网络(现场总线网络)和外部网络。

　　(1) 内部网络 

　　内部网络是指数控系统内CNC单元与伺服驱动及I/O逻辑控制等单元以现场总线网络连接。对于数控系统硬件，开放性主要是指其计算机、网络、伺服系统及I/O逻辑控制等单元，应该具有统一的互联标准，以实现互换性。为使数控系统硬件具有互换性，目前欧洲CNC制造商在其产品中广泛应用SERCOS(Serial Real－time Communication System，一种适于高速伺服控制的网络接口协议，于1995年成为IEC 1491国际标准)现场总线作为与数字驱动单元的接口，采用Profibus现场总线等作为与I/O逻辑控制单元的接口。 

　　(2) 外部网络 

　　外部网络指的是数控系统与系统外的其他控制系统或外部上位计算机以网络连接。通过网络实现对设备的远程控制和无人化操作、远程加工程序传输、远程诊断和远程维修服务、技术服务，并提高机床生产率。网络生产管理系统通过企业内部网(Intranet)随时监视生产现场情况进行最优计划和调度；操作工人技艺数据库将通过丰富经验和直觉形成的技艺数字化，不断积累并与全公司共享，实现高效、高质量加工，并依此创造新工艺、新知识和新诀窍；新的CAD/CAM系统可将CAD数据立即转变为加工程序、工具清单、工艺卡和加工工艺图样，实现并行工程来缩短生产周期。此外通过因特网与外界联接，可为每一个客户设立一个窗口，快速反应客户的要求。在多品种小批量的条件下，将机床联网，能将切削时间由25%提升至65%。远程诊断产品可以在个人电脑前轻松地操纵远在车间里的机床设备，诸如编辑修改零件程序和PLC程序、监控各轴当前状态、进行文件传输等。不仅用于故障发生后对数控系统进行诊断，而且还可用作用户的定期预防性诊断。

3 开放式网络化数控平台的基本结构 

　　开放式网络化数控系统平台由系统硬件和系统软件组成。系统软件包括实时操作系统、通讯系统、设备驱动程序以及其他可供选择的系统程序，如数据库系统和图形系统。系统软件通过标准的应用程序接口 (即API)向应用软件提供服务。系统硬件包括组成系统的各种物理实体。系统硬件对外部的表象和接口可以是一致的，也可以通过设备驱动程序使之与操作系统分隔。 

　　系统硬件各部分通过信息管理网络和开放设备级网络互连，传递命令和数据信息，并行完成数控任务。 

　　对于数控系统硬件来讲，开放性主要是指其计算机、网络、伺服系统及 I/O逻辑控制等单元应该具有统一的标准，以实现互换性。要使其硬件具有互换性，全球所有数控系统制造商都认为应该采用现场总线技术。