1 开放式数控系统产生的背景当今随着技术、市场、生产组织结构等方面的快速变化 ,数控技术的发展面临着许多新的挑战。不断出现的新的加工需求 ,要求数控系统具有迅速、高效、经济地面向客户的模块化特性和软硬件重构能力 ,而且这种重构能力所需的成本和周期较目前将有大的改观。逐步降低生产厂家对控制系统的高依赖性 ,大幅度降低维护和培训费用 ,改变以往数控系统封闭性设计模式 ,适应未来车间面向任务和定单的生产模式 ,使得底层的生产控制更简便、有效。数控系统的供应商提供主机 ,生产厂家把自己的专利技术集成到系统中 ,这种机制 ,生产厂家无需向系统供应商提供任何自己技术秘密。因此寻求一种能很好解决上述问题的新的控制系统的发展模式已成为必然。数控系统的制造商、集成者和用户都希望“开放式的控制器” ,能够自由地选择数控装置、驱动装置、伺服电机、应用软件等数控系统的各个构成要素 ,并用规范的、简便的方法将这些构成要素组合起来。开放式数控系统 (ＯＰＥＮＮＵＭＢＥＲＣＯＮＴＲＯＬＳＹＳ ＴＥＲＭ ,以下简称ＯＮＣ)应运而生。2 开放式数控系统的发展现状2 1 美国ＯＮＣ概况国家制造发展中心 (ＯＡＣ)进行了 3方面的研究 :(1)新一代控制器 ;(2 )低价控制器 ;(3)开放化模块结构控制器。2 2 日本ＯＮＣ概况开放式数控系统 (ＯＳＥ)研究会 1996年公布了其取得的成绩 :(1)提出了ＯＮＣ参考模型 ,并转化为实装模型 ;(2 )开发了基于个人计算机的接口系统 ;(3)提出并开发了ＯＳ ＥＬ语言 ;(4 )开发了控制接口及语言处理器。2 3 欧共体ＯＮＣ概况开放式自动控制计划 (ＯＳＡＣＡ)目前已进入第三阶段 ,主要成果有 :(1)定义了中性的 (即不依赖任何厂家的 )开放式数控系统的基本规范 ;(2 )拟定了中性的可以用于数控系统、机器人、可编程控制器和单元控制器的统一结构 ;(3)开发了第一批示范性的应用软件模块。2 4 我国ＯＮＣ概况“八五”期间 ,我国成功开发了 2种数控平台和中华Ⅰ型、航天Ⅰ型、蓝天Ⅰ型、华中Ⅰ型等 4种基本系统 ,利用总线式 ,模块化 ;开放型 ,嵌入式 ;多渠道软、硬件结构。目前大部分还处在封闭式阶段 ,距国际水平还有一定差距。3 开放式数控技术的基本特征3 1 ＯＮＣ的概念参照ＩＥＥＥ关于ＯＮＣ的有关规定 ,我们认为 :一个真正意义上的ＯＮＣ必须提供不同应用程序运行于系统平台之上的能力 ;提供具有面向功能的动态重构工具 ;提供统一、标准化的应用程序界面。ＯＮＣ既有接口开放性一面 ,又有其本体开放性的一面。ＯＮＣ具有以下特点。 (1)开放性 ,提供标准化环境的基础平台 ,允许开发商的不同软、硬件模块介入 ;(2 )移植性 ,不同应用程序模块可运行于不同生产商提供的系统平台 ,同时系统软件可运行于不同特性的硬件平台之上 ;(3)扩展性 ,其功能的增减仅表现为特定功能模块的装卸 ;(4 )替代性 ,不同性能、可靠性的功能模块可以代替 ,并且不影响系统的正常协调运行 ;(5 )操作性 ,标准化的接口、通讯和交互模型。因此ＯＮＣ从一个全新的角度分析和实现了数控系统的控制功能 ,强调向模块化、平台化、工具化和标准化发展。3 2 ＯＮＣ发展的指导思想<1>3 2 1 最大可能地利用个人计算机软、硬件技术个人计算机具有可靠性和计算能力 ,硬件实现标准化。运行软件具有诸多功能 ,如友好的界面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯等。采用程序开发工具 ,用通用编程语言编制软件模块代替原有模块 ,便于生产商和用户添加自身具备独特技术诀窍的功能模块。3 2 2 模块化数控系统的模块化建立在各功能要素的逻辑分析之上 ,实现模块之间的标准联结 ,实现即插即用。3 2 3 动态配置系统为实现更灵活的配置和更友好的操作 ,ＯＮＣ能够实现在系统启动、运行状态下 ,完成系统的动态配置 ;其实现是基于系统拓扑结构的动态生成 ,包括构成要素、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。3 2 4 可移植性ＯＮＣ要求所定义的数据结构、命名习惯、用户接口外观等有利于不同系统平台的实现。就软件讲 ,采用分层设计或客户 /服务器模式设计应用程序 ,将与软、硬件有关的部分置于底层 ,便于替换 ,实现移置。3 2 5 可扩展性ＯＮＣ实现用户或者二次开发者安全、有效地将自己软件集成到个人计算机系统中 ,形成自己的专用系统。其方法有二 :一是固定模块内部结构 ,预留插入用户专用软件接口 ;二是提供用户意见ＡＰＩ(ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＰＲＯＧＲＡＭＩＮＴＥＲＦＡＣＥ)函数和编程规范 ,供用户创建专用模块。3 2 6 鼓励产业界参与ＯＮＣ发展需求开放性氛围 ,鼓励企业积极参加研究工作 ,企业主动参与或主持有关研究<2 > 。4 开放式数控系统的结构根据前述定义 ,其结构分两部分 :统一的系统平台和由各功能结构单元对象 (ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥＯＢＪＥＣＴ)构成的应用软件模块。4 1 系统平台系统平台由系统硬件和软件构成。硬件由功能需求决定 ,软件分 3部分 :(1)系统核心如操作系统、通讯系统、状态的实时配置系统等 ;(2 )可选的系统软件如数据库系统、图形系统等 ;(3)标准的应用程序界面 (ＡＰＩ) ,它是系统功能单元对象进入系统平台的唯一途径 ,隐含了系统平台提供服务的真实实现 ,使得软、硬件独立 ,同时不同功能元对象在各种类型平台有统一的界面。系统核心是控制运行基础 ,系统内部通讯参照ＩＳＯ/ＯＳＩ模型 ,遵循面向消息的通讯机制。系统与外部上级通讯基于标准协议如 :ＭＡＰ ,ＣＮ ＭＡ ;系统与下层系统通讯适用标准的驱动接口和时域总线。实时配置系统是ＯＮＣ发展关键。系统平台开发的关键是面向对象软件技术、软件重构技术、通讯技术以及接口规范的建立和应用。4 2 系统参考结构它精确地描述了功能元与功能模块之间的关系、模块间的关系 ,定义了模块和功能元行为及属性 ,模块和功能元与系统平台间界面。保证不同厂家的功能模块在不同平台上工作。参考结构的开发性、柔性、控制功能单元的有效性 ,是控制功能既独立又协调的保证。系统结构建立的关键是 ,在分析原有系统功能和实现的基础上 ,应用成组技术、面向对象技术等工具 ,将功能分解 ,提取控制功能共性和特殊性 ,规定功能模块和功能元行为和它们相互操作界面<3 ,4 > 。个人计算机是ＯＮＣ发展的主要途径 ,大致分两种 :一是计算机为主体 ,加控制系统主要控制部分 ;二是控制系统为主 ,加计算机有关部分。它们目前均广泛适用。个人计算机数控系统主要有 3种 :(1)控制板插入计算机内 ;(2 )计算板插入控制系统中 ;(3)软件数控。5 开放式数控系统面临的问题及发展趋势ＯＮＣ发展的主要目的是解决变换复杂的要求与控制系统专一固定的框架之间的矛盾 ,实现控制系统的易变、紧凑和廉价。从技术上看ＯＮＣ发展的任务 ,大致有 5方面 :控制 ;感测 ;接口 ;执行器 ;软件。5 1 控制器技术方面控制器由ＣＰＵ、Ｉ/Ｏ、存储器等 3部分构成。在个人计算机ＯＮＣ方面 ,为提高其智能化 ,要求做到 :(1)生产商根据产品的扭矩、电力容器、功率 ,可以自由地选择电机和放大器 ;(2 )可编程控制器 (ＰＬＣ)的输入点数和处理速度 ,可以根据产品任意选择 ;(3)自由曲线、自由曲面形成的插补函数成组化 ;(4 )标准化软件的范围进一步扩大 ;(5 )有各种适用的ＣＰＵ ;(6 )自由曲面加工 ,在有大量数据处理时 ,可以增设寄存器。5 2 接口技术方面接口技术具体包括运动接口、人机接口、网络接口。个人计算机ＯＮＣ进一步要求网络化 ,要求做到 :(1)情报功能和操作标准化 ;(2 )接受企业单位的ＣＡＤ/ＣＡＭ /ＣＡＥ等情报 ;(3)接受生产情报、数据库情报 ;(4 )实现与工厂里ＣＡＤ/ＣＡＥ/ＣＡＴ系统的联结。5 3 感测技术方面ＯＮＣ发展要求智能化、无人化、集成化 ,具备完善的感测系统 ,具备高的灵敏度。5 4 执行技术方面ＯＮＣ发展要求开发和研制各种执行器 ,如 :高速切削主轴、汽 (液 )压静轴承、高速移动电机、高精度定位电机等等。5 5 软件技术方面ＯＮＣ发展要求 :(1)应用高级语言叙述情报 ;(2 )简明记述自由曲线和自由曲面 ;(3)满足不同水平的数据表述 ;(4 )专用宏命令有一定通用性 ;(5 )积极应用网络功能<1> 。ＯＮＣ面临的课题 :一致性人机界面 (ＭＭＩ) ;软件为基础的控制器 ;重视实时控制 (ＲＴＯＳ -ＹＥＡＬＴＩＭＥＯＰＥＲＡ ＴＩＯＮＳＹＳＴＥＲＭ )的开放与应用 ;由人机界面开放、内核有限开放向外核完全开放发展 ;具备网络功能。ＯＮＣ发展的未来趋势 :在控制技术、接口技术、感测技术、执行技术、软件技术等 5方面开发优质、先进、适销、经济、合理、开放的数控系统 ;需要利用新的加工表述语言 ,简化设计、生产准备、加工过程 ,减少数据存储量 ,用 6 4位ＣＰＵ实现三维曲面加工 ,进一步适应高精度、高效率、高自动化要求 ;实现网络化 ,进一步实现自动化生产的无人化、智能化、集成化<1> 。6 结 论ＯＮＣ发展是历史的必然 ,当前发达国家正紧锣密鼓地进行该方面的研究 ,为我国数控产业发展提供了良好契机 ,国家应重点扶持和支持该领域的研究 ,使我国在今后的国际市场竞争中立于不败之地。开放式数控系统@韩权利$西安科技学院机械工程系!陕西西安710054
@马宏伟$西安科技学院机械工程系!陕西西安710054
@张斌$西安科技学院机械工程系!陕西西安710054
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