开放式数控系统浅析

朱显明　马洪波

[摘要]时代和社会生产力的不断发展，都要求数控系统与数控机床技术向更高的水平与层次迈进。开放式数控系统已经成为当前控制器开发的热点。分析开放式数控系统的基本特征，并对开放式数控系统的关键技术做相应探讨。

[关键词]开放式 模块化 控制器 数控系统

中图分类号：TP2文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0120123－01

一、引言

随着数控技术向着灵活方便、多功能、网络化的方向发展，控制器也必须跟上这一发展步伐。这就要求控制器能够重新配置、修改、扩充和改装，甚至有时要求控制器能重新组合与生成。由此，出现了开放式数控系统的理念。本文主要从开放式数控系统的产生背景、基本特征和关键技术三个方面做了阐述，希望可以给读者带来有价值的参考。

二、开放式数控系统产生的背景

所谓开放式系统是相对于以前的数控系统而言的，过去日本的FANUC、德国的SIEMENS等大型的CNC控制器制造商，

为数控机床生产了全部的配套产品，包括CNC数控装置、主轴、进给驱动器和电机，使机床生产厂得到了满意的服务，也使这种专用的CNC系统成为市场上的主导产品，受到了机床生产厂和用户的欢迎。

数控系统“开放”的要求来自生产方式的发展，来自用户和机床厂家对附加技术的要求，也来自控制器厂商追求高质量、低成本和提高产品竞争力的需要。

（一）生产系统的需求

随着计算机技术的发展，特别是网络技术的发展，CIM的实现形式将从以大型主计算机和大规模数据库为中心的集中型，向以个人计算机为主的小型计算机互相连接、配置成网络的分散型发展。其变化不仅拥有技术上的优势，而且更符合实际生产方式的需要。在生产现场，投资适中、组织简单、与需求相适应的分散型局部生产系统，比需要庞大投资的集中型生产系统更受欢迎。分散的控制系统可以分为若干个子系统，降低了设计和实施的难度。在分散型的生产系统中，即使变更部分产品及管理方式也不会改变整个系统。

（二）生产设备的客观需要

工业生产中机床设备的种类很多，许多机床是直接根据用户的需要设计的。控制器生产商提供的数控系统大多是全功能的数控系统。数控系统中的许多参数都需要根据机床的实际情况设定，系统要提供设定参数的接口，以供机床制造商调整和修改。有些情况下，机床制造商并不需要全功能数控系统中的所有功能，而是希望选装自己所需要的功能。在这些情况下，都希望数控系统具有一定的“开放性”，即具有高度模块化的结构，可以重新配置、修改、扩充和改装。

（三）机床制造厂的推动作用

长期以来，数控设备制造厂和机床制造厂是各自独立开发产品的。数控厂商不断丰富系统的功能 ，但在数控机床实际应用中，并不一定需要庞大的系统功能支持。另一方面，机床制造厂和最终用户有许多加工经验，而这些经验不可能与数控装置的生产厂共享，很难融入到已有的数控系统中去。不能将推进数控技术的希望全部寄托于机床生产厂，不是所有的机床厂商都有研制数控系统的能力。市场的需求呼吁机床生产厂和数控系统生产厂合作，开发新的数控系统，使其具有高度的模块化，支持用户二次开发，能够将用户和机床生产商的经验吸收到数控系统。实际制造生产对数控系统的开放式提出了新的要求。

三、开放式数控系统的基本特征

开放式数控系统已经成为当前控制器开发的热点。但关于“开放式”的定义并没有统一的定义和标准。从当前世界各国的有关开放式控制器的研究计划中看，开放式控制器应当具有以下基本特征。

（一）模块化

开放式数控系统首先应当具有高度模块化的特征。模块化的含义有两层，首先是数控功能的模块化，可以根据机床厂的要求选装各个功能，另一层含义是系统体系结构的模块化，即数控系统内部实现各功能的算法是可分离的、可替换的。例如，可以单独替换数控系统的核心插补算法，或替换数控系统的操作界面。系统体系结构模块化是功能模块化的基础，也是系统配置、重组的基础。只有模块化的数控系统才能谈得上开放。

（二）标准化

“开放”从来都不是毫无约束的开放，而是在一定规范下的开放。如同PC领域一样，任何硬件厂都可以设计制造PC硬件，但都要符合PC的各种标准。只有这样，才能实现PC系统的开放。控制器的开放也要在标准化的约束下实现。“标准化”的基础是模块化，因为标准的制定要建立在模块合理划分的基础上。

（三）平台无关性

开放式系统应当具有平台无关性，不依赖特定的硬件平台和操作系统平台。对于平台无关性的理解也不是绝对的，因为跨平台的程序移植总是有许多工作要做，就如同Mac机的应用程序不能直接应用于PC机，而NT下的应用程序不能应用于UNIX下一样。开放式控制器的平台无关性是指控制器与计算机平台之间的接口明确，只要使用具体平台的API（应用程序接口）编写接口，在支持API的编译环境中重新编译就可以实现控制器的跨平台移植。这样将大大缩短控制器及其应用程序的移植。

（四）可再次开发

开放式控制器应当允许用户进行二次开发。二次开发是具有不同层次的。比较简单的二次开发可以包括用户根据实际情况调整系统的参数设置和进行模块配置。进一步的二次开发包括对用户界面的重新设计。更深层的开发应当允许用户将自己按照规范设计的功能部件集成到系统中去。为了实现上述功能，系统应具有可扩展性。

（五）适应网络操作方式

作为开放式控制器，应当考虑到迅速发展的网络技术及其在工业生产领域中的应用。目前，比较简单的网络应用尚停留在通过网络向数控系统传递零件程序、加工指令或进行一些远程监控的工作，网络技术尚没有有机的融合入控制器的体系结构中。可以预见，随着网络技术逐步融入PC机及其后续机型，网络技术也必将融入开放式控制器的体系结构中。未来的开放式控制器可能是在网络技术支持下的多处理器并行计算的控制器。

四、开放式数控系统的关键技术

在研究方法上，有两种技术路线：一种是以欧洲OSACA为代表，从建立理想模型入手，逐步实现新开发的控制器产品遵循理想模型；另一种技术路线是以日本的OSEC为代表，试图建立中性语言，在现有的数控系统的基础上，通过这种机制使数控系统部分地向用户开放。在这两种技术思路中，第一种属于理想化的技术路线，第二种技术路线相比之下就更加现实，但并不是最完美的解决方法。

无论采用OSACA的技术路线还是OSEC的技术路线，都需要确定严格的接口定义，即确定开放式的标准。开放式的标准首先应当是科学合理，而且还要具有一定的前瞻性。此标准应当详细地定义软件模块和硬件结构的接口。只有详细定义了标准，才能够谈得上互易操作性，是多家公司开发的模块集成。关于标准，最重要的是得到业界的支持和严格遵守。无论OSACA还是OSEC，都拥有一大批有实力的控制器厂商参与。当然，形成开放式标准也需要政府部门支持和参与。开放式控制器不可能在短期取代传统控制器。

五、结束语

目前在我国，已有开放式数控系统出现，它们虽然有着各自的优点，但从数控系统的长远发展看还有许多需要改进的地方。如相互之间缺乏兼容性，对体系结构的阐述都局限于具体的实现层面，没有提高到一种理论的抽象的层面上来。同时各个系统虽然模块化了，但没有标准化、层次化，没有用到国际上的新技术，和国外相比在开发思想上还有很大的差距。在以后的发展过程中，我们要利用新技术来促进我国开放式数控系统的发展，在我国企业发展、产品创新设计中发挥出重要作用。

参考文献：

[1]王凤蕴、张超英，数控原理与典型数控系统[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2]杜君文、邓广敏，数控技术[M].天津：天津大学出版社，2002.