开放式数控系统的研究现状及趋势

1946年在美国诞生了世界上***台电子计算机。1952年，计算机技术应用到了机床上，在麻省理工学院（MIT）诞生了***台数控机床。从此，数控机床的发展日新月异，到今天已经历了两个阶段和六代：1952-1970年为数控（NC）阶段，这阶段划分为三代，即***代电子管（1952年）；第二代晶体管（1959年）；第三代小规模集成电路（1965年）。自1970年起，小型计算机用于数控系统，数控技术进入计算机数控（CNC）阶段，这是第四代数控；1974年进入第五代数控，其特征为微处理器用于数控；20世纪90年***始后，基于PC的数控（PCNC）开始得到迅速发展，它较好地满足了开放式数控系统的各种特点和要求，成为开放式数控系统研究和实现的主要途径。

从开放式数控系统目前的研究成果看，开放式数控体系结构还没有统一和明确的概念内涵，还处于百家争鸣的时期。按照IEEE（国际电器电子工程师协会）的定义，开放式数控系统应该是具有下列特征的系统：符合系统规范的应用，可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互界面 [1]。

对于开放式数控系统，一种比较流行的观点是强调以下几个基本特点：
（1）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，并获得平等的互操作能力，协调工作。
（2）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。
（3）档次皆宜性：CNC系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改，即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。
（4）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。

3.1 基于PC的开放式数控系统体系结构
近年来，国内外许多学者都致力于开放式数控系统的研究，并达成部分共识，即采用PC平台和Win9X/Win2000/NT操作系统。这样，容易保证一致的人机界面和应用现有的各种流行的应用软件，而且硬件和软件具有通用标准，容易扩展，容易实现网络功能。
随着工业PC机的快速发展，可靠性大为提高，而价格却大幅度降低，以工业PC机为核心的控制系统已经被工业控制领域所接受。基于PC的开放式数控系统以其成本低、标准化、软件资源丰富、可靠性高、便于联网等优越性深受广大科研人员和开发商的喜爱。具体来讲，目前基于PC的开放式数控系统有以下几种体系结构[2][3]：
（1）数控专用模板嵌入通用PC机构成的数控系统
以国内具有开放式系统特点的华中I型数控系统为例，该系统采用了以PC机为硬件平台，DOS、WINDOWS操作系统及其丰富支持软件为软件平台的开放式体系结构。与传统CNC系统相比，这种系统具有软硬件资源的通用性、丰富性、透明性，软件的可再生性，便于引入新技术进行升级、换代的优点。

（2）通用PC机与开放式可编程运动控制器构成的数控系统
这种数控系统的机床运动控制、逻辑控制功能由***的运动控制器完成，运动控制器通常由以PC硬件插件的形式构成系统。数控上层软件（数控程序编辑、编译、人机界面等）以PC为平台，是WINDOWS等主流操作系统上的标准应用，并支持用户定制。这种系统兼具了WINDOWS的多任务特性和运动控制器的事实特性、实时特性，是一种非常优越的数控系统。
（3）全软件式数控系统
全软件式数控，是由运动控制器以应用软件的形式实现轴控制和机床逻辑控制。除了支持数控上层软件（数控程序编辑、人机界面等）的用户定制外，其更深入的开放性还体现在支持运动控制策略（算法）的用户定制。外围连接主要采用计算机的相关总线标准，这类系统已完全是通用计算机主流操作系统（实时扩展）上的标准应用。目前全软件式数控系统还没有形成产品，还在理论研究中，但它代表了数控系统的发展方向。

3.2 国外发展现状及水平
目前，国际上与开放式数控研究相关的报导不少，***有代表性的仍是美国的NGC和OMAC计划、欧盟的OSACA计划以及日本的OSEC计划，这三个计划的发展基本上反映了国外开放性数控的发展现状。在以上几个开放式数控系统研究计划的基础上，许多公司还推出了一些开放式数控系统产品：
Siemens AG在840D数控系统中采用了开放式结构：利用双PC来完***机接口和实时控制工作，人机接口采用基于Windows的图形接口，实时控制则采用RISC或PC和实时控制内核来完成。在同一系统中提供了各种结构机床的控制算法和C++开发工具，用户可以根据需要来选择或自行开发控制算法。
美国的Delta Tau公司提供了单台PC的解决方案和系统的插补运算、伺服控制以及PLC控制等实时控制功能，在一般的单台数控机床和机器人的控制上取得了较好的效果。而Technology 80公司也采用单PC的方案，但它用PC机完成插补和PLC控制功能，因此控制效果不如Delta Tau 公司的产品。
British Columbia 大学的Y. Altintas 等人研究开发了基于PC总线的开放式数控系统，为用户提供两块DSP板。运动控制模块用于基本的NC插补和伺服运动控制功能，智能加工模块用于传感器数据采集、刀具监控、温度补偿等功能。
日本FANUC新推出的高性能30i MODEL A型数控系统，其软件可配合控制40轴，24轴联动控制，同时执行10个不同的CNC程序，是世界上单个CNC控制器可控轴数之***。

3.3 国内发展现状及水平
与***水平相比，国内的开放式数控系统的研究还处于初级阶段。目前，在国内市场中，中、***产品主要被进口产品占据，而在较抵挡的经济型数控机床市场我国的产品占据主要地位。
随着国际学术界对开放式数控系统研究的日益深入，我国的相关研究也越来越受到重视。经过多年的技术攻关，已经有一批产品和成果涌现出来。在这些产品中，有些是将原有的系统移植到PC平台上，如北京机床所的中华系列、沈阳计算所的蓝天系列等。武汉华中数控股份有限公司推出的华中Ⅰ型数控系统，是利用PC平台通过串行总线和自行开发的数字交流伺服系统开发的。该系列数控系统产品是目前国内比较成功和富有特色的基于PC的数控系统。
华中世纪之星是在华中Ⅰ型高性能数控装置的基础上，为满足市场要求而推出的高性能数控装置，此装置可实现五轴联动，是目前国内比较***的数控系统。
北京航空航天大学的郇极******的课题组采用Arcnet网络连接全数字交流伺服系统和PLC，在PC + Windows环境下开发出了多通道多轴联动的开放式数控系统，并在四坐标锥度线切割机等设备上得到了成功的应用。
四川成都广泰公司推出的“GTX3E/4E”铣床数控系统是以铣床为代表的三/四坐标联动、开环控制普及型全数字式数控系统，此系统采用***新DSP、大规模可编程门列阵PLD技术和现场工业级高速CPU，具有实时控制高速度、高精度等特点，在国内应用也比较广泛。
近期，武汉华中数控系统股份公司和北京航空航天大学等单位共同开发了一种网络化的开放式数控系统，该系统采用了基于工业PC的开放式体系结构统一硬件平台，在Linux、DOS、Windows三种不同的操作系统平台上，分别开发了网络化、开放式数控系统软件平台，实现了跨平台的数控软件操作，控制轴数为6轴、联动轴数为5轴，能实现任意曲面插补功能和自动加减速控制，技术性能指标达到了当代***水平。

4.1 采用Windows系列操作平台
采用Windows系列操作系统作为开放式数控系统软件操作平台，界面友好、易操作；

4.2 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；

4.3 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***优化；

4.4 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。

4.5 全软件化
除了数控程序编辑、人机界面等上层数控功能用软件来实现外，还以应用软件的形式来代替运动控制（包括轴控制和机床逻辑控制）器等硬件系统，即实现在计算机主流操作系统上进行实时扩展，实现数控系统的全软件化。