开放式数控系统开发研究现状

　　随着技术的进步，市场竞争的加剧，这种专用体系结构的数控系统越来越暴露出其固有的缺陷。一方面，各控制系统间互连能力差，影响了系统的相互集成，风格不一的操作方式以及专用件的大量使用，不但使用户培训费用增加，还给数控设备用户(NC系统的最终用户)带来很多不便；另一方面，系统的封闭性使它的扩充和修改极为有限，造成数控设备制造商(NC系统中间用户)对系统供应商的依赖，并难以将自己的专门技术、工艺经验集成入控制系统并形成自己的产品特点，这将不利于提高主机产品的竞争力。此外，专用的硬、软件结构也限制了系统本身的持续开发，使系统的开发投资大、周期长、风险高、更新换代慢，不利于数控产品的技术进步。总之，数控系统的这一现状已不能适应当今制造业市场变化与竞争，也不能满足现代制造业向信息化、敏捷制造模式发展的需要。

1 数控系统开放的概念及途径概念

　　研究开放式数控系统的主要目的是解决变化频繁的需求与封闭控制系统之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强数控系统的柔性。通俗地讲，开放的目的就是使NC控制器与当今的PC机类似，系统构筑于一个开放的平台之上，具有模块化组织结构，允许用户根据需要进行选配和集成，更改或扩展系统的功能迅速适应不同的应用需求，而且，组成系统的各功能模块可以来源于不同的部件供应商并相互兼容。

　　事实上，基于上述指导思想的开放式数控系统也符合IEEE关于开放式系统的定义：能够在多种平台上运行，可以和其他系统互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式。根据这一定义，开放式数控系统应具有以下基本特征：

　　可互操作性。通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同功能模块能以标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调工作。

　　可移植性。系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模型、控制机理，使构成系统的各功能模块可来源于不同的开发商，并且通过一致的设备接口，使各功能模块能运行于不同供应商提供的硬件平台之上。

　　档次皆宜性。CNC系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改，既可以增加硬件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。

　　可互补性。指构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的控制，可根据其功能、可靠性及性能要求相互替换，而不影响系统整体的协调运行。

　　开放途径

　　如何使传统的专用型封闭式系统走向开放，不同的系统开发商及研究机构对此提出了一些解决方案。按开放的层次不同可分3种途径，它们的开放层次不同，难度不等，获得的开放效果也相差很大。如图1所示，虚线将控制系统划分为人机控制(Man-Machine Control,MMC)层和控制内核层两个层面。其中，控制内核是CNC系统完成实时加工过程调度和控制的核心部分，一般和系统实时性相联系。3种方式就是基于对这两个层面开放的不同处理来区分的。

　　开放人机控制接口

　　这种方式允许开发商或用户构造或集成自己的模块到人机控制接口(Man-Machine Interface,MMI)中。这一手段为用户提供灵活制定适用于各自特殊要求的操作界面和操作步骤的途径，一般使用于基于PC作为图形化人机控制界面的系统中。

　　开放系统核心接口。此方式除了提供上述方式的开放性能外，还允许用户添加自己特殊的模块到控制核心模块中。通过开放系统的核心接口，用户可按照一定的规范将自己特有的控制软件模块加到系统预先留出的内核接口上。

　　开放体系结构

　　开放体系结构的解决方案是一种更彻底的开放方案。它试图提供从软件到硬件，从人机操作界面到底层控制内核的全方位开放。人们可以在开放体系结构的标准及一系列规范的指导下，按需配置成功能可繁简、性能可高低、价格可控制、不依赖于单一卖方的总成系统。

　　从实现方法上，PC-NC(个人计算机数控)是目前比较现实的NC开放化的途径。也就是在PC机硬件平台和操作系统的基础上，使用市售的软件和硬件插卡，构造出数控系统功能。但是，现有PC的操作系统缺乏实时性，可靠性尚有待提高。PC-NC主要可归纳为3种：NC板插入到PC中、PC板插入NC装置中、软件NC。NC板插入PC中的形式，就是将运动控制板或整个CNC单元(包括集成的PLC)插入到个人计算机的扩展槽中。PC机作非实时处理，实时控制由CNC单元或运动控制板来承担，这种方法能够方便地实现人机界面的开放化和个性化，即上述第1层次的开放；在此基础上，借助于所插入NC板的可编程能力，能部分实现系统核心接口的开放，即上述第2层次的开放。PC板插入NC中这一形式，主要为一些大型CNC控制器制造商所采用。其原因有两方面：一是许多用户对他们的产品很熟悉，也习惯使用；另一方面是控制器制造商不可能在短时间内放弃他们传统的专用CNC技术。因此，才出现了这种折中方案，其做法就是在传统的CNC中提供PC前端接口，使其具有PC处理的柔性。显然，这种系统的NC内核保持了原有的封闭性，故只能实现上述第1层次的开放。所谓软件NC，是指NC系统的各项功能，如编译、解释、插补和PLC等，均由软件模块来实现。这类系统借助现有的操作系统平台(如DOS，Windows等)，在应用软件(如Visual C＋＋，Visual Basic等)的支持下，通过对NC软件的适当组织、划分、规范和开发，可望实现上述各个层次的开放。

　　应该指出，将开放系统的概念引入CNC系统的发展需求中，表明系统走向开放的条件日趋成熟。然而，具有开放系统特征的开放体系结构CNC系统仍处在成长期，有关开放体系结构CNC系统科学、明确的定义及相应的规范标准尚处在进一步的发展完善中。