開放式數(shù)控系統(tǒng)介紹(doc 7頁).doc

開放式數(shù)控系統(tǒng)概述1.傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)存在的問題標(biāo)準(zhǔn)的軟件化、開放式控制器是真正的下一代控制器。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)采用專用計算機系統(tǒng)，軟硬件對用戶都是封閉的，主要存在以下問題：（1）由于傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的封閉性，各數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品軟硬件不兼容，使得用戶投資安全性受到威脅，購買成本和產(chǎn)品生命周期內(nèi)的使用成本高。同時專用控制器的軟硬件的主流技術(shù)遠遠地落后于PC的技術(shù)，系統(tǒng)無法“借用”日新月異的PC技術(shù)而升級。（2）系統(tǒng)功能固定，不能充分反映機床制造廠的生產(chǎn)經(jīng)驗，不具備某些機床或工藝特征需要的性能，用戶無法對系統(tǒng)進行重新定義和擴展，也很難滿足最終用戶的特殊要求。作為機床生產(chǎn)廠希望生產(chǎn)的數(shù)控機床有自己的特色以區(qū)別于競爭對手的產(chǎn)品，以利于在激烈的市場競爭中占有一席之地，而傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)是做不到的。（3）傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一有效和高速的通道與其他控制設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行互連，信息被鎖在“黑匣子”中，每一臺設(shè)備都成為自動化的“孤島”，對企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化和信息化發(fā)展是一個障礙。（4）傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)人機界面不靈活，系統(tǒng)的培訓(xùn)和維護費用昂貴。許多廠家花巨資購買高檔數(shù)控設(shè)備，面對幾本甚至十幾本沉甸甸的技術(shù)資料不知從何下手。由于缺乏使用和維護知識，購買的設(shè)備不能充分發(fā)揮其作用。一旦出現(xiàn)故障，面對“黑匣子” 無從下手，維修費用十分昂貴。有的設(shè)備由于不能正確使用以致于長期處于癱瘓狀態(tài)，花巨資購買的設(shè)備非但不能發(fā)揮作用反而成了企業(yè)的沉重包袱。在計算機技術(shù)飛速發(fā)展的今天，商業(yè)和辦公自動化的軟硬件系統(tǒng)開放性已經(jīng)非常好，如果計算機的任何軟硬件出了故障，都可以很快從市場買到它并加以解決，而這在傳統(tǒng)封閉式數(shù)控系統(tǒng)中是作不到的。為克服傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的缺點，數(shù)控系統(tǒng)正朝著開放式數(shù)控系統(tǒng)的方向發(fā)展。目前其主要形式是基于PC的NC，即在PC的總線上插上具有NC功能的運動控制卡完成實時性要求高的NC內(nèi)核功能，或者利用NC與PC通訊改善PC的界面和其他功能。這種形式的開放式數(shù)控系統(tǒng)在開放性、功能、購買和使用總成本以及人機界面等方面較傳統(tǒng)數(shù)控有很大的改善，但它還包含有專用硬件、擴展不方便。國內(nèi)外現(xiàn)階段開發(fā)的開放式數(shù)控系統(tǒng)大都是這種結(jié)構(gòu)形式的。這種PC化的NC還有專有化硬件，還不是嚴(yán)格意義上的開放式數(shù)控系統(tǒng)。要實現(xiàn)控制系統(tǒng)的開放，首先得有一個大家遵循的標(biāo)準(zhǔn)。國際上一些工業(yè)化國家都開展了這一方面的研究，旨在建立一種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，使得控制系統(tǒng)軟硬件與供應(yīng)商無關(guān)，并且實現(xiàn)可移植性、可擴展性、互操作性、統(tǒng)一的人機界面風(fēng)格和可維護性以取得產(chǎn)品的柔性、降低產(chǎn)品成本和使用的隱形成本、縮短產(chǎn)品供應(yīng)時間。這些計劃包括（a）歐共體的ESPRIT 6379 OSACA（Open System Architecture for Control with Automation Systems）計劃，開始于1992年，歷時6年，有由控制供應(yīng)商、機床制造企業(yè)和研究機構(gòu)等組成的35個成員。（b）美國空軍開展了NGC（下一代控制器）項目的研究，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)協(xié)會NIST在NGC的基礎(chǔ)上進行了進一步研究工作，提出了增強型機床控制器EMC（Enhanced Machine Controller），并建立了Linux CNC實驗床驗證其基本方案；美國三大汽車公司聯(lián)合研究了OMAC，他們聯(lián)合歐洲OSACA組織和日本的JOP（Japan FA Open Systems Promotion Group）建立了一套國際標(biāo)準(zhǔn)的API，是一個比較實用且影響較廣的標(biāo)準(zhǔn)。(c）日本聯(lián)合六大公司成立了OSEC（Open System Environment for Controller）組織，該組織討論的重點是NC（數(shù)字控制）本身和分布式控制系統(tǒng)。該組織定義了開放結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)的界面規(guī)范，推進工廠自動化控制設(shè)備的國際標(biāo)準(zhǔn)。2000年，國家經(jīng)貿(mào)委和機械工業(yè)局組織進行 “新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺”的研究開發(fā)。2001年6月完成了在OSACA的基礎(chǔ)上編制“開放式數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范”和建立了開放式數(shù)控系統(tǒng)軟、硬件平臺，并通過了國家級驗收。此外還有一些學(xué)校、企業(yè)也在進行開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究開發(fā)。開放式數(shù)控系統(tǒng)是制造技術(shù)領(lǐng)域的革命性飛躍。其硬件、軟件和總線規(guī)范都是對外開放的，由于有充足的軟、硬件資源可被利用，系統(tǒng)軟硬件可隨著PC技術(shù)的發(fā)展而升級，不僅使數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶進行的系統(tǒng)集成得到有力的支持，而且針對用戶的二次開發(fā)也帶來方便，促進了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應(yīng)用，既可通過升檔或裁剪構(gòu)成各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)，又可通過擴展構(gòu)成不同類型數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)，開發(fā)周期大大縮短。2.開放式數(shù)控系統(tǒng)所具有的主要特點2.1)軟件化數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)核擴展了數(shù)控系統(tǒng)的柔性和開放性，降低了系統(tǒng)成本。隨著計算機性能的提高和實時操作系統(tǒng)的應(yīng)用，軟件化NC內(nèi)核將被廣泛接受。它使得數(shù)控系統(tǒng)具有更大的柔性和開放性，方便系統(tǒng)的重構(gòu)和擴展，降低系統(tǒng)的成本。數(shù)控系統(tǒng)的運動控制內(nèi)核要求有很高的實時性（伺服更新和插補周期為幾十微秒幾百微秒），其實時性實現(xiàn)有兩種方法：硬件實時和軟件實時。在硬件實時實現(xiàn)上，早期DOS系統(tǒng)可直接對硬中斷進行編程來實現(xiàn)實時性，通常采用在PC上插NC I/O卡或運動控制卡。由于DOS是單任務(wù)操作系統(tǒng)，非圖形界面，因此在DOS下開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)功能有限，界面一般，網(wǎng)絡(luò)功能弱，有專有硬件，只能算是基于PC化的NC，不能算是真正的開放式數(shù)控系統(tǒng)，如華中I型，航天CASNUC901系列，四開SKY系列等；Windows系統(tǒng)推出后，由于其不是實時系統(tǒng)，要達到NC的實時性，只有采用多處理器，常見的方式是在PC 上插一塊基于DSP處理器的運動控制卡，NC內(nèi)核實時功能由運動控制卡實現(xiàn)，稱為PC與NC的融合。這種方式給NC功能帶來了較大的開放性，通過Windows的GUI可實現(xiàn)很好的人機界面，但是運動控制卡仍屬于專有硬件，各廠家產(chǎn)品不兼容，增加成本（1-2萬元），且Windows系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，不適合于工業(yè)應(yīng)用（WindowsNT工作較穩(wěn)定）。目前大多宣稱為開放式的數(shù)控系統(tǒng)屬于這一類，如功能非常強大的MAZAK的Mazatrol Fusion 640，美國A2100，Advantage 600，華中HNC-2000數(shù)控系統(tǒng)等。 WindowsNT+RTX組合的應(yīng)用較成功的有美國的OpenCNC和德國的PA公司（自己開發(fā)的實時內(nèi)核），這兩家公司均有產(chǎn)品推出，另外SIMENS公司的SINUMERIK 840Di也是一種采用NT操作系統(tǒng)的單CPU的軟件化數(shù)控系統(tǒng)。Linux和RTLinux是源代碼開放的免費操作系統(tǒng)，發(fā)展迅猛，是我國力主發(fā)展的方向。2.2)數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動和數(shù)字I/O（PLC的I/O）連接的發(fā)展方向是現(xiàn)場總線。傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動和PLC I/O與控制器是直接相連的，一個伺服電動機至少有11根線，當(dāng)軸數(shù)和I/O點多時，布線相當(dāng)多，出于可靠性考慮，線長有限（一般3-5米），擴展不易，可靠性低，維護困難，特別是采用軟件化數(shù)控內(nèi)核后，通常只有一個CPU，控制器一般在操作面板端，離控制箱（放置驅(qū)動器等）不能太遠，給工程實現(xiàn)帶來困難，所以一般PC數(shù)控系統(tǒng)多采用一體化機箱，但這又不為機床廠家和用戶接受。而現(xiàn)場總線用一根通訊線或光纖將所有的驅(qū)動和I/O級連起來，傳送各種信號，以實現(xiàn)對伺服驅(qū)動的智能化控制。這種方式連線少，可靠性高，擴展方便，易維護，易于實現(xiàn)重配置，是數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。現(xiàn)在，在數(shù)控系統(tǒng)中采用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)有PROFIBUS（傳輸速率12Mbps），如Siemens 802D等；光纖現(xiàn)場總線SERCOS（最高為16Mbps，但目前大多系統(tǒng)為4Mbps），如Indramat System2000和北京機電院的CH-2010/S，北京和利時公司也研究了SERCOS接口的演示系統(tǒng)；CAN現(xiàn)場總線，如華中數(shù)控和南京四開的系統(tǒng)等，但目前基于SERCOS和PROFIBUS的數(shù)控系統(tǒng)都比較貴。而CAN總線傳輸速率慢，最大傳輸速率為1Mbps時，傳輸距離為40米。3網(wǎng)絡(luò)化是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的E-Manufacturing對數(shù)控系統(tǒng)的必然要求。傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一、有效和高速的通道與其他控制設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行互連，信息被鎖在“黑匣子”中，每一臺設(shè)備都成為自動化的“孤島”，對企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化和信息化發(fā)展是一個障礙。CNC機床作為制造自動化的底層基礎(chǔ)設(shè)備，應(yīng)該能夠雙向高速地傳送信息，實現(xiàn)加工信息的共享、遠程監(jiān)控、遠程診斷和網(wǎng)絡(luò)制造，基于標(biāo)準(zhǔn)PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)可利用以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)強大的網(wǎng)絡(luò)功能，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的融合，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)信息和管理信息的集成以及加工過程監(jiān)控，遠程制造、系統(tǒng)的遠程診斷和升級;在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面，制造自動化協(xié)議MAP（Manufacturing Automation Protocol）由于其標(biāo)準(zhǔn)包含內(nèi)容太廣泛，應(yīng)用層未定義，難以開發(fā)硬件和軟件，每個站需有專門的MAP硬件，價格昂貴，缺乏廣泛的支持而逐漸淡出市場?，F(xiàn)在廣為大家接受的是采用TCP/IP INTERNET協(xié)議，美國HAAS公司的Creative Control Group將這一以太網(wǎng)的數(shù)控網(wǎng)絡(luò)稱為DCN（Direct CNC Networking）。數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能方面，日本的MAZAKA公司 的Mazatrol Fusion 640系統(tǒng)有很強的網(wǎng)絡(luò)功能，可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸、管理和設(shè)備故障診斷等。3.國內(nèi)開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀我國經(jīng)過“六五”、“七五”引進消化，“八五”自主開發(fā)，“九五”產(chǎn)業(yè)化、工程化，基本掌握了數(shù)控技術(shù)，基本形成了一支研究、開發(fā)、生產(chǎn)的隊伍，基本具備了數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品的配套能力。并根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況，調(diào)整到基于PC的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展方向上來，形成了兩種平臺，開發(fā)出了四個基本系統(tǒng)，其中，華中I型和中華I型是將數(shù)控專用模板嵌入通用PC機構(gòu)成的單機數(shù)控系統(tǒng)，而航天I型和蘭天I型是將PC嵌入到數(shù)控之中構(gòu)成的多機數(shù)控系統(tǒng)，形成PC+NC的前后臺型結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)比較有代表性的新型開放式數(shù)控系統(tǒng)研究主要有以下幾種:1)基于軟件芯片的開放式數(shù)控系統(tǒng)華中科技大學(xué)(原華中理工大學(xué))提出了一種基于軟件芯片(Software武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文Integrated Chip，簡稱sic)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的實現(xiàn)模式。在該模式中，通過對數(shù)控軟件的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化研究，運用面向?qū)ο蟮臋C制，把數(shù)控系統(tǒng)的功能進行抽象并進行封裝，將數(shù)控軟件設(shè)計成具有穩(wěn)定通用的接口、可以重用的SIC,每個sic完成數(shù)控系統(tǒng)的一個獨立模塊的功能，如插補功能由插補芯片完成、位置控制功能就由位置芯片完成。并且通過建立一個數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片集成開發(fā)環(huán)境對SIC進行管理，用戶可以對SIC進行檢索、瀏覽和維護，還可以添加新的SICOS用戶在組裝數(shù)控系統(tǒng)或進行二次開發(fā)時，可以將芯片庫中檢索出的sic按照用戶所要求的功能進行集成，并可以加入用戶新開發(fā)的SIC一起組裝，這樣開發(fā)出的數(shù)控系統(tǒng)比以前節(jié)省較多時間，總體質(zhì)量也有大幅提高。其局限性在于，數(shù)控軟件芯片的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計很大程度上由芯片的劃分決定，它需要嚴(yán)格定義，使它們具有更強的邏輯性和更好的封裝性。另外，更重要的一點是，這種軟件芯片的使用只是簡單的程序源代碼的重用，這種移植只能是同一種編程語言下的移植，是一種極為有限條件下的移植。2)基于現(xiàn)場總線技術(shù)的開放式數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)可以將大量的并行信號轉(zhuǎn)化為串行信號，利用雙線電纜或光纜可以在上百臺設(shè)備之間實時傳遞上千路的信號。當(dāng)前現(xiàn)場總線接口和數(shù)據(jù)交換大多遵循SERCOg(serial real-time communication specification)協(xié)議，是目前用于數(shù)字伺服而后傳動數(shù)據(jù)通信的唯一國際標(biāo)準(zhǔn)。SERCOS構(gòu)成一個封閉的環(huán)路，根據(jù)伺服系統(tǒng)和PLC的不同地址，利用插在計算機中的SOFTSERCANS卡實現(xiàn)計算機與數(shù)字伺服系統(tǒng)之間的實時數(shù)據(jù)通信，形成一種基于現(xiàn)場總線的開放式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)。但由于SERCOS有三萬多個參數(shù)，在SERCOS參數(shù)設(shè)置方面現(xiàn)在的系統(tǒng)大多都是使用默認(rèn)值，這對于開發(fā)高速、高精度的開放式數(shù)控系統(tǒng)還有很大差距。并且SERCOS總線技術(shù)較為昂貴，對于其普及應(yīng)用也產(chǎn)生一定的不利影響。4)國外開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀(1)OMAC計劃美國90年代提出NGC下一代控制器計劃，并撥款1億美元進行研究，其核心即是開放體系結(jié)構(gòu)的研究。其首要目標(biāo)是開發(fā)開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范SOSAC (Specification for an Open System Architecture Standard)用來管理I作站和機床控制器的設(shè)計和結(jié)構(gòu)組織。SOSAC定義了NGC系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊的功能以及相互間的關(guān)系，它提出了分級式控制結(jié)構(gòu)，指出了功能性的分解; 定義了虛擬機實現(xiàn)系統(tǒng)模塊間的信息相互交換和相互操作;定義了NML(NeutralManufacturing Language)語言進行制造系統(tǒng)中的信息傳遞。該計劃己于1994年完成了NGC原型研究，并己轉(zhuǎn)入工業(yè)開發(fā)應(yīng)用。例如美國Ford, GM和CResler等公司在NGC計劃的指導(dǎo)下，聯(lián)合提出了OMAC(Open Modular ArchitectureController)開發(fā)計劃，提出了系統(tǒng)基礎(chǔ)框架，信息庫管理、任務(wù)調(diào)度、人機接口、運動控制、傳感器接口等構(gòu)造了控制系統(tǒng)功能體系結(jié)構(gòu)。該計劃的目的是使系統(tǒng)制造廠、機床廠和最終用戶分別從縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)費用、便于系統(tǒng)集成和二次開發(fā)、簡化系統(tǒng)使用和維護等方面受益。又如Cincinnati Milacron從1995年開始在其所生產(chǎn)的加工中心、銑床、車床及激光加工等設(shè)備中采用開放式體系結(jié)構(gòu)的A2100系統(tǒng)(應(yīng)用雙處理器組成，Windows NT操作系統(tǒng)的多任務(wù)、多過武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文程、多功能的開放式系統(tǒng))。還有DELTA TAU公司利用NGC和OMAC等協(xié)議，采用PC機+PMAC控制卡構(gòu)成的PMAC開放式CNC系統(tǒng)，獲得了良好的應(yīng)用效果。(2) OSACA計劃：歐洲德、法、意、西等國于1990年也聯(lián)合進行了“自動化系統(tǒng)中開放式體系結(jié)構(gòu)OSACA(Open SystemArchitecture for Control within Automation Systems)”的研究。該計劃于1992年5月正式為歐盟官方所接受。截止目前，OSACA計劃的三個階段的工作全部完成。己公布的文件包括“OSACA I&II Final Report，和“OSACA Handbook”及其他一些文件。OSACA提出了一個“分層的系統(tǒng)平臺+結(jié)構(gòu)功能單元”的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)平臺由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件組成，系統(tǒng)軟件包含有系統(tǒng)的核心部分，如操作系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和可選的應(yīng)用程序如數(shù)據(jù)庫、圖形系統(tǒng)之類。系統(tǒng)平臺通過API (Application Programming Interface)對外提供服務(wù)(Service) o OSACA的三個主要組成部分為通訊系統(tǒng)(CommunicationSystem)，參考體系結(jié)構(gòu)(Reference Architecture)，配置系統(tǒng)(ConfigurationSystem)。(3) OSEC計劃：OSEC計劃是日本的幾個公司共同提出的。OSEC討論的重點集中在NC(數(shù)字控制)本身和分布式控制系統(tǒng)上。OSEC的開放CNC系統(tǒng)體系